Box-Behnken试验设计优化龙香芋酱稳定性工艺

李志方，施帅，徐海祥

（江苏农牧科技职业学院，江苏 泰州 225300）

龙香芋是江苏兴化特有的芋头品种，兴化地处江苏里下河地区，当地的土壤富含水分，特别适合龙香芋的生长。龙香芋中淀粉含量达12.04 g/100 g，特别是鲜味氨基酸含量与氨基酸总量之比达到44%[1]。以龙香芋为主要原料酿制成的新型调味酱，和黄豆酱及面酱相比味道更鲜。龙香芋酱是在龙香芋生酱中加入大豆油、芝麻油、炒熟黑芝麻、辣椒粉、白砂糖和食盐等辅料熬制而成的一种调味酱，味道鲜美，深爱消费者喜爱。产品因含有较多的油脂，是一种固液不稳定胶体体系，存贮一定时间后会由于油脂析出而产生固液分层的现象，影响感官品质。乳化剂可显著降低酱体的离心出油率，高雅文等[2]研究了单甘酯、卡拉胶、黄原胶、大豆磷脂、蔗糖酯、羧甲基纤维素等6种乳化剂对熟酱油脂析出率的影响，得出单甘酯、大豆磷脂和羧甲基纤维素钠等添加剂对熟酱稳定效果较好，其他对豆酱稳定性的研究未见报导。毕海燕等[3]研究了蔗糖酯和单甘酯两种乳化剂对芝麻酱稳定性的影响，得出蔗糖酯与单甘酯复配后的乳化效果好于二者单独使用的乳化效果，蔗糖酯∶单甘酯=2∶3的复合乳化剂的乳化效果最好。余权等[4]研究了乳化剂的复配比例和用量对花生乳稳定性影响的研究，乳化剂主要在食品加工过程起乳化、分散和稳定的作用，单硬脂酸甘油酯、大豆磷脂等乳化剂可以提高固液相的亲和力[5-6]。磷脂、蔗糖酯和单甘酯等乳化剂可以提高固-液二相的亲和力，防止小颗粒形成大颗粒而沉降[7-8]。本文通过比较，优选了单硬脂酸甘油酯、改性大豆磷脂和磷脂等三种对油脂乳化性较好的乳化剂[9-10]，研究他们对龙香芋酱稳定性的影响，并通过Box-Behnken试验设计[11-16]，得出复合乳化剂的最佳组合配方，以期为解决熟酱中油脂析出的问题，提高龙香芋酱的稳定性，延长产品货架期提供生产依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

龙香芋：江苏省兴化市；沪酿3.042米曲霉（Aspergillus oryzae，活菌数≥2×1010CFU/g）、AS 3.350 黑曲霉（Aspergillus niger，活菌数≥2×1010CFU/g）：济宁玉园生物科技有限公司；植物乳杆菌（Lactobacillus plantarum，活菌数≥1010CFU/g）：山东嘉宏益科生物工程有限公司；大豆、大豆油、芝麻油、炒熟黑芝麻、白砂糖、辣椒粉、食盐：市售；蒸馏单硬脂酸甘油酯（食品级）：佳力士添加剂（海安）有限公司；改性大豆磷脂（食品级）：河南万邦实业有限公司；食品添加剂磷脂：常州市花之语食品有限公司。

1.2 仪器与设备

Sorvall ST16台式离心机：赛默飞世尔科技（中国）有限公司；ME-T分析天平、Tiger电子计价秤：梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；LP-18E电陶炉：茂名市电白区天茵电器厂。

1.3 试验方法

1.3.1 工艺流程及操作要点

龙香芋生酱制作工艺流程：

熬酱工艺流程：锅中加入大豆油、芝麻油→加热至90℃左右→加入水、炒熟黑芝麻、白砂糖、辣椒粉、食盐搅拌均匀→加入乳化剂溶解→加入龙香芋生酱→炒酱→装瓶密封保存。

操作要点：称取50 g大豆油与25 g芝麻油在锅中加热至90℃左右，放入水200 g、炒熟黑芝麻80 g、白砂糖25 g、辣椒粉30 g、食盐20 g，充分搅拌均匀，加入乳化剂至完全溶解。称取1 000 g龙香芋生酱加入锅中边加热边翻炒，至沸腾后再小火慢熬5 min，趁热装瓶密封保存，待15 d后测定。

1.3.2 离心出油率测定

准确称取50 g（m1）龙香芋酱于离心管中，称量并记录离心管和酱的总质量m2，将离心管置于离心机中，在3 000 r/min的条件下离心15 min，离心后水平线向下15°倾斜放置15 min，慢慢倒出离心析出的油脂，并用脱脂棉擦净管壁上残留的油脂，精确称量离心管及沉淀物的质量为m3，析出油脂的质量为（m2-m3），离心出油率计算公式如下。

1.4 试验设计

1.4.1 乳化剂单因素试验

1.4.1.1 单硬脂酸甘油酯对龙香芋酱稳定性影响的单因素试验

称取龙香芋生酱1 000 g，大豆油50 g，芝麻油25 g，分别加入 2、4、6、8、10 g 的单硬脂酸甘油酯，进行单因素试验。

1.4.1.2 改性大豆磷脂对龙香芋酱稳定性影响的单因素试验

称取龙香芋生酱1 000 g，大豆油50 g，芝麻油25 g，分别加入 10、15、20、25、30 g的改性大豆磷脂进行单因素试验。

1.4.1.3 磷脂对龙香芋酱稳定性影响的单因素试验

称取龙香芋生酱1 000 g，大豆油50 g，芝麻油25 g，分别加入 10、12、14、16、18 g 的磷脂，进行单因素试验。

1.4.2 乳化剂最佳配比响应面分析法优化

根据乳化剂制备原理，采用两种或两种以上的乳化剂制备的乳化体比单独使用一种乳化剂制得的乳化体更为稳定[17]。三种复合乳化剂的稳定效果一般会优于单一乳化剂，本文通过响应面试验研究如何在复合乳化剂中用最少的添加量获得最好的效果。采用Box-Behnken试验设计，以单硬脂酸甘油酯添加量（A）、改性大豆磷脂添加量（B）、磷脂添加量（C）3个影响因素为自变量，每个因素取3个水平，以-1.000、0.000、1.000编码，以酱体的离心出油率（R）为响应值，考察上述3种因素对龙香芋酱稳定性的影响，试验因素水平及编码设计见表1。

表1 响应面试验因素水平和编码Table 1 Factors and levels of response surface analysis

1.5 数据处理

试验数据处理及绘制图表采用Microsoft Office Excel 2010和Design-Expert 12软件。

2 结果与分析

2.1 乳化剂单因素试验

2.1.1 单硬脂酸甘油酯对龙香芋酱稳定性的影响

单硬脂酸甘油酯对龙香芋酱稳定性的影响如图1所示。

图1 单硬脂酸甘油酯对龙香芋酱稳定性的影响Fig.1 Effect of glyceryl monostearate on the stability of Longxiang taro paste

由图1可知，随着单硬脂酸甘油酯的添加量不断增多，酱体的离心出油率逐渐减小，当添加量为8 g/kg和10 g/kg时，离心出油率分别为4.06%和3.90%，变化幅度很低。说明在一定添加范围内，单硬脂酸甘油酯随着添加量的增加对龙香芋酱的乳化作用逐渐增大，当单硬脂酸甘油酯添加量大于8 g/kg时，乳化作用增加得不显著。因此，选取1 kg龙香芋生酱添加4 g、6 g、8 g的单硬脂酸甘油酯进行响应面试验。

2.1.2 改性大豆磷脂对龙香芋酱稳定性的影响

改性大豆磷脂对龙香芋酱稳定性的影响如图2所示。

图2 改性大豆磷脂对龙香芋酱稳定性的影响Fig.2 Effect of modified soybean phospholipid on the stability of Longxiang taro paste

由图2可知，随着改性大豆磷脂的添加量增加，龙香芋酱体离心出油率逐渐减小，而后趋于平稳。说明改性大豆磷脂随着添加量的逐渐增加，在一定添加范围内对龙香芋酱的乳化作用逐渐增大，当改性大豆磷脂添加量大于25 g/kg时，乳化作用虽不太明显还是稍有增加。因此，选取改性大豆磷脂添加量为15 g/kg、20 g/kg、25 g/kg进行响应面试验。

2.1.3 磷脂对龙香芋酱稳定性的影响

磷脂对龙香芋酱稳定性的影响如图3所示。

图3 磷脂对龙香芋酱稳定性的影响Fig.3 Effect of phospholipids on the stability of Longxiang taro paste

由图3可知，随着磷脂添加量不断增加，酱体的离心后的出油率逐渐减小，再后趋于平稳。说明磷脂在一定添加范围内，随着添加量的增加对龙香芋酱的乳化作用逐渐增大，当磷脂添加量大于16 g/kg时，乳化作用趋于平缓，油与酱体分层程度很低。因此，选取磷脂添加量为12 g/kg、14 g/kg、16 g/kg进行响应面试验。

2.2 响应面试验结果与分析

2.2.1 响应面试验设计

依据响应面试验设计分别测定复合乳化剂在不同配比添加量下龙香芋酱的离心出油率，结果见表2。

表2 响应面试验设计与结果Table 2 Results and experimental design of Box-Benhnken

利用Design Expert 12软件对所得数据进行回归分析，回归分析结果详见表3。

表3 回归模型及方差分析Table 3 Anova results of response surface quadratic model

用DesignExpert12软件对所得数据进行分析整理得离心出油率（R）二次回归方程为：R=1.77-0.507 5A-0.477 5B-0.532 5C+0.265 0AB+0.265 0AC+0.300 0BC+0.399 5A2+0.404 5B2+0.374 5C2，由表3可知，对酱体离心出油率回归模型进行分析，该二次多项式回归模型P<0.000 1，具有差异显著性，说明不同处理间的差异存在显著性；失拟项P=0.088 0>0.05，不显著。模型的调整确定系数 R2Adj=0.989 4，一次项 A、B、C，二次项AB、AC、BC、A2、B2、C2差异极显著（P＜0.01）。表明该模型的拟合度良好，该模型能够拟合真实的试验结果，可以用该模型对龙香芋酱稳定性进行分析与预测。

在更多的乳化剂的实际应用中，使用复合乳化剂相比单独乳化剂能更好的改善乳液的理化性质和功能性质[17-19]。复合乳化剂对酱体的稳定性明显优于任何单一乳化剂，这与3种乳化剂的性质有关。从响应面试验结果来看，3种乳化剂复合使用的效果明显好于其中任何一种乳化剂的单因素试验，这是因为复合乳化剂的乳化作用是通过改变油滴之间的作用力及复合乳化剂竞争吸附来实现的，相较于单一乳化剂，复合的天然乳化剂具有更优良的性能[20]。

2.2.2 各因素间交互作用的影响

为了直观表示各因素对响应值的影响，并反映出最佳优化条件，作出响应面图，结果见图4～图6。

图4 单硬脂酸甘油酯和改性大豆磷脂的添加量的交互影响Fig.4 The interaction of monoglycerides of glyceryl monostearate and modified soybean phospholipid

单硬脂酸甘油酯添加量、改性大豆磷脂添加量和磷脂添加量对龙香芋酱稳定性的影响不是简单的线性关系，具有一定的交互作用。比较图4～图6可知，3个因素对离心出油率的影响均极显著。由Design-Expert 12软件分析得到：响应面值最小时，对应的最佳条件是单硬脂酸甘油酯添加量6.772 g/kg、改性大豆磷脂添加量21.470 g/kg、磷脂添加量14.912 g/kg，离心出油率为1.476%。

图5 单硬脂酸甘油酯和磷脂的添加量的交互影响Fig.5 The interaction of monoglycerides of glyceryl monostearate and phospholipid

图6 改性大豆磷脂和磷脂的添加量的交互影响Fig.6 The interaction of modified soybean phospholipid and phospholipid

2.3 验证试验

根据对试验结果取整，选取单硬脂酸甘油酯添加量6.8 g/kg、改性大豆磷脂添加量21.5 g/kg、磷脂添加量14.9 g/kg做验证试验。称取龙香芋酱1 000 g、大豆油50 g、芝麻油25 g，溶解最优复合乳化剂（为方便操作，分别取单硬脂酸甘油酯6.8 g/kg、改性大豆磷脂21.5 g/kg、磷脂14.9 g/kg）及白砂糖、辣椒粉、食盐等配料，与龙香芋酱1 000 g、大豆油50 g，芝麻油25 g做试验，贮存15 d后测得酱体的平均离心出油率为1.51%，接近试验理论值1.476%，因此以离心后油脂析出率为检测指标，响应面法优化影响龙香芋酱稳定性的这3种乳化剂的用量是可行的。

3 结论

经研究表明，采用优化后的复合乳化剂（单硬脂酸甘油酯6.8 g/kg、改性大豆磷脂21.5 g/kg、磷脂14.9 g/kg）制作的龙香芋酱，油脂析出量最低，此时龙香芋酱达到最佳状态，有较好的光泽，酱香浓郁，油香扑鼻，组织状态均匀，无明显油脂析出。试验结果表明复合乳化剂较好的解决了龙香芋酱中油脂析出的问题，提高了酱的贮藏稳定性。