冬瓜酸乳饮料生产工艺优化研究

2022-04-18陈占伟高映菊陈广泉张兴旭

甘肃农业科技 2022年3期

陈占伟高映菊陈广泉张兴旭

摘要：以新鲜冬瓜和鲜牛乳为试验材料，采用单因素试验与响应面试验筛选冬瓜酸乳饮料最佳配比及最优发酵条件。结果表明，冬瓜酸乳饮料最优工艺配方为冬瓜汁添加量10.52%、白砂糖添加量5.72%、复合稳定剂添加量1.33%;制备冬瓜酸乳饮料的最优发酵条件为发酵剂添加量（即发酵菌株或接种量）5.12 %、发酵温度41.25 ℃、发酵时间5.5 h。

关键词：冬瓜酸乳饮料;单因素法;响应曲面法;工艺优化

中图分类号：S642.3 文献标志码：A 文章编号：1001-1463（2022）03-0064-07

doi：10.3969/j.issn.1001-1463.2022.03.014

Study on the Optimization of Production Technology of Wax Melon Sour

Milk Beverage

CHEN Zhanwei 1， GAO Yingju 2， CHEN Guangquan 2， ZHANG Xingxu 3

（1. Agricultural and Rural Integrated Service Center， Xiangdao Town of Gaotai County， Gaotai Gansu 734300， China; 2. College of Agriculture and Biotechnology， Hexi University， Zhangye Gansu 734000， China; 3. College of Grassland Agriculture Science and Technology， Lanzhou University， Lanzhou Gansu 730030， China）

Abstract：Using fresh wax gourd and fresh milk as experimental materials， single factor test and response surface test were used to screen the optimal ratio of wax gourd sour milk beverage and the optimal fermentation conditions. The results demonstrated that the optimal process formula of wax gourd sour milk beverage was 10.52%， granulated sugar was 5.72%， and compound stabilizer was 1.33%. The optimal fermentation conditions were 5.12% of the amount of fermentation agent， 41.25 ℃ of fermentation temperature and 5.5 h of fermentation time.

Key words：Wax gourd sour milk beverage;Single factor method;Response surface method;Technology optimization

冬瓜屬葫芦科草本植物，脆爽多汁，耐热性强，低糖低脂、低钠高钾，营养丰富，含多种矿物质成分及减肥物质葫芦巴碱、丙醇二酸等活性成分，具有利尿、护肤、减肥等功效[1 ]。常见加工产品有冬瓜酱、冬瓜果冻、冬瓜保健饮料等[2 ]，鲜有冬瓜酸乳饮料研究报道。我们以新鲜冬瓜和鲜牛乳为原料，调配二者丰富的营养，开展了冬瓜酸乳饮料优化生产工艺探究，从而筛选出其最佳配方及最优发酵条件，为乳制品生产企业提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料及设备

1.1.1 供试材料冬瓜、鲜牛乳、脱脂奶粉、浓硝酸、浓硫酸、硫酸钾、无水硫酸铜、氢氧化钠、异戊醇、酚酞试剂;白砂糖、乳杆菌、嗜热链球菌、复合稳定剂（明胶与淀粉按质量比为1∶5的比例混合而成）。

1.1.2 设备仪器高压灭菌锅、恒温培养箱、恒温水浴锅、恒温干燥箱、消化瓶、称量瓶、三角瓶、离心管、离心机、榨汁机、电子天平、显微镜、定氮仪、盖勃乳脂计、旋转粘度计、分光光度计、超净接种台、电冰箱。

1.2 试验设计

1.2.1 单因素法试验设计利用单因素法，依次分析冬瓜汁、白砂糖、发酵剂和稳定剂的添加量以及发酵时间、发酵温度对冬瓜酸乳饮料有关理化性质的影响，筛选出各成分添加量的最优范围和最佳发酵时间、发酵温度。

1.2.2 响应面法试验设计 ① 最佳配比筛选。在单因素试验结果的基础上，采用二次通用旋转组合试验设计方案（表1），设定冬瓜汁、白砂糖、稳定剂的添加量3个变量因素，进行响应面分析[3 ]，以此确定冬瓜酸乳饮料的最佳配比。② 最优发酵条件筛选。结合单因素试验结果，采用二次通用旋转组合试验设计方案（表2），设定发酵温度、发酵时间、发酵剂添加量3个变量因素，进行响应面分析[4 ]，以此确定冬瓜酸乳饮料的最优发酵条件。

1.3 工艺流程

鲜牛乳→检测预热→高温灭菌→加糖及稳定剂;新鲜冬瓜（去瓤籽皮）→护色→榨汁→加热处理→过滤→冬瓜汁;冬瓜滤汁与处理后的鲜牛乳混配均匀→保温→冷却→接种→灌装后发酵→冷却后熟→成品检测。

1.4 冬瓜汁与菌种制备

将冬瓜置于0.1%稀盐酸溶液浸泡后用清水冲洗干净，切成1寸小块用10 g/kg NaCl溶液和0.1%抗坏血酸护色20～25 min后取出，用清水冲洗2次后榨汁[5 ]，再用灭菌纱布过滤，滤液煮沸6 min左右得到稳定的冬瓜汁，备用。将嗜热链球菌与乳杆菌按体积比为1∶1的比例依照试验设计用量在超净工作台接种至经高温灭菌的10%脱脂奶粉溶液中，40 ℃传代培养3次[6 ]，4 h内凝乳后置于电冰箱中备用。

1.5 接种、发酵与冷藏

40 ℃左右下在超净工作台处理冬瓜汁、鲜牛乳及经接种处理后约10%脱脂奶粉溶液按试验设计的[6 ]比例进行混配，拌匀后灌装，然后进行42 ℃保温发酵，待完全凝乳后将酸乳迅速降温放入电冰箱4 ℃条件下冷藏后熟24 h。

1.6 数据分析与评价处理

1.6.1 总固形物含量与持水力测定将称量瓶于105 ℃干燥2 h后置于恒溫干燥箱中冷却0.5 h称重，重复操作直至恒重。取样5 mL于恒重称量瓶中称重，于105 ℃干燥3 h后置于干燥箱中冷却0.5 h称重，再于105 ℃干燥1 h后置于恒温干燥箱中冷却0.5 h称重，反复操作直至含量恒重，以相邻两次质量差小于1.0 mg为准，测定试样中成品总固形物含量。于干燥离心管中取待测样5 mL，测定样品重量后，置于离心机中3 000 r/min离心30 min，取出离心管静置10 min，除去上清液，测残余物重量，计算酸乳的持水力。

1.6.2 脂肪与蛋白质含量测定在盖勃氏乳脂计中依次加入10 mL浓硫酸溶液（水与硫酸体积比比例为1∶9）、11 mL样品、1 mL异戊醇，盖塞用力摇匀至棕色，静置3～5 min后放入70 ℃恒温水浴锅2 h后读数。用差量法称取10 g样品至消化瓶中，加入20 mL浓硫酸和少许催化剂，置于火炉上小火碳化至黑色消失，溶液呈亮色，冷却后定容至100 mL。吸取10 mL加入定氮仪，加入30 mL 40%的氢氧化钠溶液，水封后测定含氮量。

式中V指消耗盐酸的体积;V0指空白滴定盐酸的体积;C指滴定所用盐酸的浓度;m指所称质量;6.38指奶制品中N的转化系数;14指N的相对原子质量。

1.6.3 酸度、粘度及Ca含量测定取样5 mL置于三角瓶中，加蒸馏水20 mL，拌匀后滴入3滴酚酞试剂，用0.1 mol/L的氢氧化钠滴定至溶液呈现粉红色，0.5 min内粉红色不消失时停止滴定，此时所用V（NaOH）乘以20即为酸度（°T）。将凝乳置于37 ℃恒温水浴锅，将旋转粘度计及感温探头插入凝乳中平衡5 min，12 r/min转速时测定粘度（Pa·s）。Ca含量采用原子吸收光谱法测定。

1.7 数据处理与分析

试验数据采用Microsoft Excel 2013软件录入整理，采用SPSS Statistics 23.0软件进行统计分析，不同处理之间均值采用单因素ANOVA分析，用Duncan新复极差法进行差异显著性检验。

1.8 感官评价标准

随机抽样的冬瓜酸乳饮料根据总固形物含量、脂肪含量、蛋白质含量、持水力、风味、口感及外观指标等进行感官评价，其评价标准评分按表3执行。

2 结果与分析

2.1 单因素法试验结果

2.1.1 冬瓜汁添加量对冬瓜酸乳饮料理化性质的影响在白砂糖6.00%、发酵剂6.00%、稳定剂1.20%，发酵温度41.00 ℃，发酵时间5.50 h条件下，冬瓜汁含量设定6%、8%、10%、12%、14% 5个梯度。感官评定结果（图1）表明，随着冬瓜汁不断添加，乳清析出量也逐渐增多，粘度值先上升后下降。冬瓜汁添加量太多，则影响酸乳品质，添加量过少则无冬瓜风味。综合得出，添加量直接影响冬瓜酸乳饮料的品质，冬瓜汁添加量最优范围为8%～12%。

2.1.2 白砂糖添加量对冬瓜酸乳饮料理化性质的影响在冬瓜汁10.00%、发酵剂6.00%、稳定剂1.20%，发酵温度41.00℃，发酵时间5.50 h的条件下，白砂糖添加量设定3%、4%、5%、6%、7% 5个梯度。后熟24 h后的感官评分结果（图2）表明，同等发酵时间，随着白砂糖添加量不断增加，其酸度也相应地递增，而对酸乳凝固和乳清析出则无明显影响;白砂糖添加量为5%时，感官评分值达到最大。综合得出，白砂糖通过调节酸度直接影响冬瓜酸乳饮料的风味和口感，白砂糖添加量最优范围为4%～6%。

2.1.3 发酵剂添加量对冬瓜酸乳饮料理化性质的影响在冬瓜汁10.00%、白砂糖5.00%、稳定剂1.20%，发酵温度41.00℃，发酵时间5.50 h条件下，白砂糖添加量设定5个梯度，分别为4%、5%、6%、7%、8%。后熟24 h后的感官评分结果（图3）表明，在一定范围内，发酵剂添加量与产酸呈正相关，添加量增多则产酸高，添加量减少则产酸低;随着发酵剂添加量增加，凝乳时间明显缩短;同等发酵时间下，随着发酵剂添加量增加，酸乳的酸味逐渐变浓，酸度也随之增大。综合得出，发酵剂添加量直接影响冬瓜酸乳饮料的品质，最优添加量为5.13%，发酵剂添加量最优范围为5%～7%。

2.1.4 稳定剂添加量对冬瓜酸乳饮料理化性质的影响在冬瓜汁10.00%、发酵剂6.00%、白砂糖5.00%，发酵温度41.00℃，发酵时间5.50 h条件下，稳定剂添加量设定5个梯度，分别为0、0.6%、1.2%、1.8%、2.4%。后熟24 h后的感官评分结果（图4）表明，不添加稳定剂时酸乳粘度最小且分层明显。随着稳定剂的不断添加，酸乳黏度也相应地增加;当添加量达1.2%后，粘度基本趋于稳定，增加不明显，但此时感官评分值最大。综合得知，稳定剂添加量最优范围为0.6%～1.8%。

2.1.5 发酵时间对冬瓜酸乳饮料理化性质的影响

在冬瓜汁10.00%、白砂糖5.00%、发酵剂6.00%、稳定剂1.20%，发酵温度41.00 ℃条件下，发酵时间设定5个梯度，分别为4.5、5.0、5.5、6.0、6.5 h。后熟24 h后的感官评分结果（图5）表明，随着发酵时间延长，酸乳的酸度相应地增大，发酵时间4.5 h时感官评分最小，发酵时间5.5 h时感官评分最大，且酸度82 °T也已达到国标值。此时酸乳的凝固状态、组织状态、口感、风味均佳，而超过5.5 h后感官评分缓慢下降。综合得知，发酵时间最优范围为5.0～6.0 h。

2.1.6 发酵温度对冬瓜酸乳饮料理化性质的影响

在冬瓜汁10.00%、白砂糖5.00%、发酵剂6.00%、稳定剂1.20%，发酵时间5.50 h条件下，发酵温度设定5个梯度，分别为35、38、41、44、47 ℃。后熟24 h后的感官评分结果（图6）表明，发酵温度35 ℃培养时温度偏低，菌种生长受抑制，产酸慢，且感官评分低;41℃下培养温度适中，菌种生长较快，且组织状态良好，无乳清分离，感官评分高;47 ℃培养时温度偏高，不光滑，乳清分离，感官评分低。综合得知，发酵温度最优范围38～44 ℃。

2.2 响应面法试验结果

2.2.1 最佳配比筛选结果 ① 模型建立。结合单因素试验结果初步确定冬瓜酸乳饮料最佳配比，在此基础上建立二次正交旋转组合设计试验方案。设计冬瓜汁添加量A、白砂糖添加量B、稳定剂添加量C为自变量，感官评分R为因变量，由表4可得回归模型R=93.15-1.41A-3.89B+2.47C+2.97AB- 4.39AC - 1.41 BC - 6.26 A2 - 8.51 B 2- 9.01C 2。②工艺配方响应曲面方差分析。对试验结果进行拟合二次模型方差分析的结果（表5）表明，该模型F值为87.09，极显著。各因素中一次项B极显著、C显著，二次项A2、B2、C2极显著，交互项AB显著、AC极显著。3个单因素（冬瓜汁添加量A、白砂糖添加量B、稳定剂添加量C）影响冬瓜酸乳饮料感官评分的次序为B > C > A，即白砂糖添加量对感官评分影响最显著。多元拟合系数R2值99.37%，预测R2值为68.53%，调整R2值为98.23%，说明该模型对试验实际情况拟合较好;模型P值表明该模型极显著，由模型失拟性分析得知，所建立的回归模型拟合度较好，可用于模拟估算酸乳的工艺配方。③工艺配方响应曲面图与等高线图分析。图7表明，冬瓜汁含量不变时，冬瓜酸乳饮料感官分值会随白砂糖添加量（或稳定剂添加量）增加而升高，但当白砂糖添加量（或稳定剂添加量）过大时酸乳的口感、风味都出现一定程度下降;白砂糖添加量（或稳定剂添加量）固定时，酸乳感官分值会随着冬瓜汁含量的增加出现一定程度的升高，但冬瓜汁含量過大时酸乳的口感、风味及组织状态均有所降低。通过对响应面图及等高线图分析可知，当冬瓜汁含量编码值A为-0.26，白砂糖添加量编码值B为-0.29，稳定剂添加量编码值C为0.22时，酸乳感官分值达到最大为94.17，将上述数值代入A=（X-10）/2，B=（J-6）/1，C=（Z-1.2）/0.6计算可得冬瓜酸乳饮料的最佳配比：冬瓜汁添加量10.52%、白砂糖添加量5.72%、稳定剂添加量1.33%。

2.2.2 最优发酵条件筛选结果 ①模型建立。结合单因素试验结果，初步确定冬瓜酸乳饮料的最佳发酵条件，在此基础上建立二次正交旋转组合设计试验方案。设计发酵时间A、发酵温度B、发酵剂添加量C为自变量，感官评分R为因变量，由表6可得回归模型：R=93.67+1.06A-0.35B+2.12C+

1.37AB-0.10AC+1.81BC-6.67A2-8.67B2-8.4C2。②发酵条件响应曲面方差分析。对试验结果进行拟合二次模型方差分析结果（表7）表明，该模型F值为222.30，极显著。各因素中一次项A、B不显著，C极显著;二次项A2、B2、C2极显著;交互项AB、AC不显著，但BC显著。3个单因素（冬瓜汁添加量A、白砂糖添加量B、稳定剂添加量C）影响冬瓜酸乳饮料感官评分次序为C > A > B，即发酵剂添加量对感官评分影响最显著。多元拟合系数R2值99.75%，预测R2值97.34%，调整R2值99.30%，说明模型对试验实际情况拟合较好。模型P值表明该模型极显著，由模型失拟性分析得知，所建回归模型拟合度较好，可用于模拟估算酸乳的发酵条件。③ 发酵条件响应曲面图与等高线图分析。试验结果（图8）表明，发酵时间不变时冬瓜酸乳饮料感官分值会随发酵剂添加量的增加而升高，但发酵剂添加量过大时酸乳的口感、风味均出现一定程度的下降;发酵剂添加量固定时，酸乳感官分值会随着发酵时间的增加出现一定程度的升高，但发酵时间过长时酸乳的口感、风味及组织状态均有所降低。通过对响应面图及等高线分析可知，当发酵温度编码值A为0.08、发酵时间编码值B为0.00、发酵剂添加量编码值C为0.13时，酸乳理论感官分值达到最大为93.84分。将上述数值代入A=（X-41）/3，B=（J-5.5）/0.5，C=（Z-5）/1可知，冬瓜酸乳饮料的最优发酵条件为发酵剂添加量5.12%、发酵温度41.25 ℃、发酵时间5.5 h。

2.3 冬瓜酸乳饮料成品品质

经对在最佳配比（冬瓜汁添加量10.52%、白砂糖添加量5.72%、稳定剂添加量1.33%）和最优发酵条件（发酵剂添加量5.12%、发酵温度41.25 ℃、发酵时间5.5 h）工艺下生产的冬瓜酸乳饮料成品进行测定的结果表明，采用该工艺所制冬瓜酸乳饮料的各项理化指标均达到GB 19302—2010要求，其总固形物含量34.8%、持水力30.12%、脂肪含量2.8%、蛋白质含量2.5%、酸度78 °T、粘度1 100 mPa·s、Ca含量67.48 ug/mL、乳酸菌数≥106 cfu/mL、大肠菌群≤2 个/g，未检测到沙门氏菌、金黄色葡萄球菌等致病菌。制备的冬瓜酸乳饮料成品为乳白色，色泽均匀，组织状态一致，无分层、无异味，酸甜适口，口感细腻滑润，未析出乳清，伴有冬瓜特有的清香味，酸乳香气浓郁。

3 结论与讨论

一般认为，嗜热链球菌的最适生长温度为37～42 ℃，乳杆菌最适生长温度为40～45 ℃[7 ]。乳制品生产中经常用到稳定剂[8 ]，适合的稳定剂及用量不单使乳产品能够在较长时间内保持稳定，还对其感官有较大的影响，尤其是增强粘度可避免产生沉淀。该试验产品选择复合稳定剂（明胶与淀粉按质量比1∶5的比例混合而成）。

在单因素试验结果的基础上，采用多因素多水平的试验设计方法，通过响应曲面建立了影响冬瓜酸乳饮料品质的关键因子的二次多项数学模型[9 - 11 ]。综合筛选得出冬瓜酸乳饮料的最优工艺配方为冬瓜汁添加量10.52%、白砂糖添加量5.72%、复合稳定剂添加量1.33%;制备冬瓜酸乳饮料的最优发酵条件为发酵剂添加量（即发酵菌株或接种量）5.12 %、发酵温度41.25 ℃、发酵时间5.5 h。

经试验测定，采用该工艺所制冬瓜酸乳饮料的各项理化指标均达到GB 19302—2010要求，其总固形物含量34.8 %、持水力30.12 %、脂肪含量2.8%、蛋白质含量2.5%、酸度78 °T、粘度1 100 mPa·s、Ca含量67.48 ug/mL、乳酸菌数≥106 cfu/mL、大肠菌群≤2个/g，未检测到沙门氏菌、金黄色葡萄球菌等致病菌。

该生产工艺可行，流程简单，质量稳定，产量高，成本低，适合于规模工业化生产。制备的冬瓜酸乳饮料成品为乳白色，色泽均匀，组织状态一致，无分层、无异味，酸甜适口，口感细腻滑润，未析出乳清，伴有冬瓜特有的清香味，酸乳香气浓郁。

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