发酵紫薯冻干粉的研制及其在低糖低脂奶片中的应用

梁 晶，何星璐，萨日那，韩佳欢，周 围，耿丽晶

（锦州医科大学食品科学与工程学院，辽宁 锦州 121000）

紫薯（Solanum tuberdsm）又叫黑薯，是一年生或多年生草本植物，在我国主要分布于辽宁、湖南、广西等地区，薯肉富含多种营养物质，其中含有丰富的硒元素和花色苷[1-5]。花色苷可激活抗氧化防御体系，增强超氧化物歧化酶活性，具有抗肿瘤[6-7]、调整肠道菌群平衡[8]和预防心血管疾病[9-10]等功效，被誉为“防癌之王”[11]。研究表明，在肉鸡饲料中添加紫薯粉，可显著提升鸡肉品质[12]。发酵能够提高食品营养价值，并且能够改善食品风味与口感[13-14]。紫薯发酵后多酚含量明显上升，花色苷含量降低，但其稳定性显著上升，发酵紫薯总抗氧化能力提高[15]。

菊糖是由果糖聚合成的线性多糖，多存在于菊芋等作物中[16]。菊糖具有防治糖尿病[17]、改善肠道微环境[18]、减轻高脂血症[19]等多种功效，并可作为脂肪、糖类替代物用于食品生产中[20]。在畜牧业中，将菊糖添加到畜禽饲料中，可以起到促进畜禽对营养物质的吸收，提高动物自身免疫力等作用[21]。

奶片是以鲜乳或乳粉为主要原料，添加适量辅料，经混合、压片等工艺制成的片状乳制品，是内蒙地区的特色食品，因其口味香醇、便于携带、保质期长等特点备受青睐[22]。市面上奶片品种多样，如红枣奶片[23]、松花粉奶片[24]等，但优化低糖低脂发酵紫薯奶片配方工艺的研究较少。本研究以紫薯、脱脂奶粉、菊糖为主要原料，在传统奶片的制作工艺基础上，以感官评定为指标，研制出一款营养丰富、口感适宜的低糖低脂发酵紫薯奶片产品，为紫薯深加工以及奶片生产工艺提供新思路。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

1.1.1 材料与试剂

紫薯，2021 年7 月购于锦州市当地农贸市场；菊糖（纯度为90%），潍坊市美凯威医药科技有限公司；脱脂奶粉，齐齐哈尔市碾子山乳品有限责任公司；硬脂酸镁、羧甲基纤维素钠，湖南尔康制药股份有限公司；德式乳杆菌保加利亚亚种（Lactobacillus bulgaricus，货号：CICC 6098）、嗜热链球菌（Streptococcus thermophilus，货号：CICC 6223），上海北诺生物科技有限公司。

1.1.2 仪器与设备

PEN3 型便携式电子鼻，德国Airsense 公司；FD5-3冷冻干燥机，美国SIM 公司；SB-02 多功能粉碎机，上海市浦恒信息科技有限公司；TDP-5 单冲压片机，上海天祥制药机械有限公司；LAC-5040S 全自动高压灭菌锅，浙江新丰医疗器械有限公司；SW-CJ 超净工作台，苏州安泰空气技术有限公司；DNP-9272电热恒温培养箱，上海精宏试验设备有限公司；DHG-9240A 电热恒温鼓风干燥箱，上海一恒科学仪器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 工艺流程

1.2.1.1 发酵紫薯冻干粉制作

紫薯→切块→蒸煮→晾凉→按压过滤→灭菌→加入混合发酵剂（德式乳杆菌保加利亚亚种∶嗜热链球菌=1∶20[25]）→加水混匀→恒温发酵→预冻→真空冷冻干燥→发酵紫薯冻干粉

1.2.1.2 低糖低脂发酵紫薯奶片制作

发酵紫薯冻干粉+脱脂奶粉+菊糖→混匀→喷洒润湿剂→添加黏合剂和稳定剂→混匀→压片→烘干→成品

1.2.2 操作要点

1.2.2.1 发酵紫薯冻干粉的制备

将新鲜无腐烂、无机械伤、无虫蛀的紫薯洗净，蒸熟后晾凉剥去外皮，用20 目筛按压过滤，去掉粗木质纤维，灭菌后接入8.0%混合发酵剂，按料液比为9∶14（g/mL）加入纯净水，于37 ℃恒温培养箱中发酵9 h。取发酵液搅拌均匀后于-20 ℃冰箱中预冻10 h，然后转移至冷冻干燥机内冷冻干燥24 h。粉碎机打碎后过40 目筛得到发酵紫薯冻干粉。

1.2.2.2 奶片制作工艺

参照吴虹艳等[26]和袁祎琳等[27]的方法，并稍作修改。将脱脂奶粉与发酵紫薯冻干粉按质量比3∶2 进行混匀，喷洒4%（以奶粉和发酵紫薯冻干粉总质量为100%）煮沸晾凉后的纯净水做润湿剂，添加10%菊糖，分别添加2.5%的羧甲基纤维素钠和硬脂酸镁[28]，再次混匀后置于奶片专用模具中压片（压片规格：直径17~19 mm，厚度3~4 mm，克重4.0~6.0 g），于70 ℃烘箱中烘烤30 min 后称重，继续烘烤15 min 后称重，反复多次，直至奶片质量不再减轻。

1.2.3 单因素试验设计

对影响发酵紫薯冻干粉感官评价的主要工艺参数进行单因素试验，试验设计见表1。单独考察一个单因素时，其他因素水平分别固定为混合发酵剂添加量8.0%，料液比9∶14（g/mL），发酵温度37 ℃，发酵时间9 h。

表1 单因素试验因素水平表Table 1 Factors and levels of single factor experiments

1.2.4 Box-Benhnken 中心组合试验设计

根据单因素试验结果，优选3 个主要因素（发酵时间、发酵温度、发酵剂添加量）设计响应面优化试验，每个因素选取3 个发酵紫薯冻干粉感官评分较高的水平。Box-Behnken 试验因素与水平的设计见表2，最终优化得到发酵紫薯冻干粉的最佳工艺条件并进行验证。

表2 响应面试验因素水平表Table 2 Factors and levels of response surface design

1.2.5 感官评价

1.2.5.1 发酵紫薯冻干粉的感官评价

由10 名有经验的感官评价员组成感官评定小组，分别对发酵紫薯冻干粉的品质状态进行综合评分，采用百分制，评定标准见表3。

表3 发酵紫薯冻干粉感官评定标准Table 3 Sensory scoring criteria(scores)of fermented purple potato freeze-dried powder

1.2.5.2 低糖低脂发酵紫薯奶片的感官评价

由10 名有经验的感官评价员组成感官评定小组，分别对低糖低脂发酵紫薯奶片的品质状态进行综合评分，采用百分制，评定标准见表4。

表4 低糖低脂发酵紫薯奶片感官评定标准Table 4 Sensory scoring criteria(scores)of low-sugar low-fat fermented purple potato milk tablet

1.2.6 电子鼻检测

发酵紫薯冻干粉制作完成后，将其与脱脂奶粉等配料混匀，按照工艺流程制成低脂低糖发酵紫薯奶片（终产品），同时将低脂未发酵紫薯奶片、低脂发酵紫薯奶片、低糖低脂未发酵紫薯奶片作为对照组。各组具体试验设计如下：

低脂未发酵紫薯奶片：紫薯冻干粉+脱脂奶粉+白砂糖→混匀→压片→烘干→成品

低脂发酵紫薯奶片：发酵紫薯冻干粉+脱脂奶粉+白砂糖→混匀→压片→烘干→成品

低糖低脂未发酵紫薯奶片：紫薯冻干粉+脱脂奶粉+菊糖→混匀→压片→烘干→成品

低糖低脂发酵紫薯奶片（终产品）：发酵紫薯冻干粉+脱脂奶粉+菊糖→混匀→压片→烘干→成品

将每组奶片取一片磨碎之后用保鲜膜密封于顶空瓶中12 h 后，待其顶部空间的挥发物将达到平衡状态时进行电子鼻检测，室内环境温度24~27 ℃，4组样品每个样品各做3 次平行试验。测定参数设置：传感器室流量及测量样品流量均为300 mL/min，预采样时间5.0 s，抽样间隔1.0 s，调零时间10.0 s，冲洗时间100.0 s，测定时间70.0 s。各传感器名称和性能详情见表5。

表5 PEN3 型电子鼻的传感器及性能Table 5 Sensors and performance of PEN3 electronic nose

1.2.7 数据处理

2 结果与分析

2.1 发酵紫薯冻干粉的单因素试验结果

2.1.1 发酵剂添加量对发酵紫薯冻干粉感官评分的影响

由图1 可知，在发酵剂添加量为8.0%时，发酵紫薯冻干粉的感官评分最高，发酵剂添加量大于10%后感官评分急剧下降，可能是由于发酵剂添加量过大，发酵产酸过多，导致发酵紫薯冻干粉甜酸比例严重失衡所致。

图1 发酵剂添加量对发酵紫薯冻干粉感官评分的影响Fig.1 Effects of amount of fermentation agent on sensory evaluation of fermented purple potato lyophilized powder

2.1.2 料液比对发酵紫薯冻干粉感官评分的影响

由图2 可知，料液比对发酵紫薯冻干粉的感官评分影响较弱，整体趋势为先缓慢升高，在料液比为9∶14（g/mL）时达到最高分，再呈缓慢下降趋势。

图2 料液比对发酵紫薯冻干粉感官评分的影响Fig.2 Effects of material-liquid ratio on sensory evaluation of fermented purple potato lyophilized powder

2.1.3 发酵温度对发酵紫薯冻干粉感官评分的影响

由图3 可知，随着发酵温度的升高，发酵紫薯冻干粉的感官评分急剧升高，于37 ℃时达到最高分，随后逐渐下降，可能是由于温度逐渐升高，影响了菌种的活性，导致发酵减慢，风味减淡。

图3 发酵温度对发酵紫薯冻干粉感官评分的影响Fig.3 Effects of fermentation temperature on sensory evaluation of fermented purple potato lyophilized powder

2.1.4 发酵时间对发酵紫薯冻干粉感官评分的影响

由图4 可知，随着发酵时间的增加，发酵紫薯冻干粉的感官评分呈现先上升后下降的趋势，在发酵时间为5~9 h 时，感官评分升高，9 h 后感官评分降低，可能是由于发酵时间过长，产生过量的乳酸，影响了发酵紫薯冻干粉的口感及质地状态。

图4 发酵时间对发酵紫薯冻干粉感官评分的影响Fig.4 Effects of fermentation time on sensory evaluation of fermented purple potato lyophilized powder

由图1~4 可知，发酵剂添加量、发酵时间、发酵温度能够明显影响发酵紫薯冻干粉的感官评分；相比之下，料液比对发酵紫薯冻干粉的感官评分影响较小。单因素试验分别在发酵剂添加量8%，料液比9∶14（g/mL），发酵温度37 ℃，发酵时间9 h 时，发酵紫薯冻干粉的感官评分达到最高。

2.2 Box-Behnken 试验设计与结果分析

2.2.1 Box-Behnken 试验设计方案与结果

根据单因素试验的结果，由Design Expert 10.0.7统计分析软件设计出的试验方案及结果见表6，以发酵剂添加量（A）、发酵温度（B）、发酵时间（C）为自变量，以感官评分为响应值优化发酵紫薯冻干粉制作工艺。

2.2.2 回归方程拟合及方差分析

对表6 数据进行回归分析，拟合和优化出以响应值为函数的二次多元回归方程为：

表6 Box-Behnken 试验设计与结果Table 6 Box-Behnken experimental design and results

对模型进行显著性检验，结果见表7。由表7 可见，该回归模型P＜0.001，方程模拟达到极显著，失拟项P=0.354 8＞0.05，不显著，且回归模型R2=0.966 4，=0.923 2，表明所得回归方程拟合程度较高，与实际拟合中非正常误差所占比例较小，使用该方程模拟真实的三因素三水平分析，能够对发酵紫薯冻干粉感官评分进行可靠地预测，将该回归方程用于发酵紫薯冻干粉工艺的响应面优化试验的理论推测是可行的。

由表7 方差分析结果可知，FA=0.078，FB=13.16，FC=9.08，可得FB＞FC＞FA，即影响发酵紫薯冻干粉感官评分的因素按主次顺序为:发酵温度（B）＞发酵时间（C）＞发酵剂添加量（A）。在交互作用中，AB、AC、BC 表现为极显著（P＜0.01），二次项A2、B2、C2表现为极显著（P＜0.01），说明各因素之间存在交互作用，并对发酵紫薯冻干粉感官评分的影响极显著。

表7 回归模型的方差分析Table 7 ANOVA of the regression models

2.2.3 响应面分析与优化

为更好地研究发酵紫薯冻干粉中各因素的交互作用，由设计试验所得的响应面曲线图和等高线图如图5 所示。

由图5 可知，响应面图均呈先升高后降低的趋势，曲面均有较为明显的弧度，梯度变化明显，有明显的峰值。响应面图倾斜度越高，坡度越陡，两因素间的相互影响越大。因此，各因素对发酵紫薯冻干粉感官评分的影响大小为：发酵温度＞发酵时间＞发酵剂添加量。等高线图中等高线轮廓呈椭圆，表明各因素之间存在极显著交互作用，等值线出现最高值（即最小的椭圆中心点），说明响应面设计试验的各因素取值在最优取值范围内，优化模型具有很高的可信度与实际意义。

图5 各因素交互作用对发酵紫薯冻干粉感官评分影响的响应面图和等高线图Fig.5 Response surface and contour plots of the effect of interaction of each factor on sensory score of fermented purple potato lyophilized powder

2.2.4 发酵紫薯冻干粉最佳工艺条件的确定

采用Design Expert 10.0.7 软件对发酵紫薯冻干粉感官试验模型进行最优求解，得到发酵紫薯冻干粉的最佳制备工艺条件为：发酵剂添加量7.590%，发酵温度37.624 ℃，发酵时间9.506 h，预测感官评分为96.988分。为了验证发酵紫薯冻干粉响应面优化模型的准确性，在方便操作的基础上，调整验证工艺参数为：发酵剂添加量7.6%，发酵温度37.6 ℃，发酵时间9.5 h，进行验证试验。实际的感官评分为95.20±1.64 分，与预测值接近，说明回归方程可以反映各因素对发酵紫薯冻干粉制作工艺的影响，具有实际应用价值。

2.3 低糖低脂发酵紫薯奶片感官评定

由10 名专业人士对低糖低脂发酵紫薯奶片及另外3 种紫薯奶片进行感官评定，结果如表8 所示。

表8 4 种不同配方紫薯奶片感官评定结果Table 8 Sensory scores of four different formulations of purple potato milk tablet 单位：分

由表8 可知，低糖低脂发酵紫薯奶片的外观、色泽、口感以及风味分别得分为18.20 分、24.20 分、28.00 分、24.00 分，总分为94.40 分。低糖低脂发酵紫薯奶片的各项感官评分均为最高，说明该低糖低脂发酵紫薯奶片更容易被大众所接受。

2.4 电子鼻结果分析

PCA（Principal component analysis）亦称主成分分析，是一种在原始维度上转换为一种新的维度同时保留原始的数据信息，是对原有数据进行简化的一种对数据进行分析的技术。该分析方法可以有效地分析出样品中最主要的风味成分，一般第一主成分（PC1）的贡献率远大于第二主成分（PC2）的贡献率[29]，且两者总贡献率超过85%就可以反映原始数据的信息[30]。不同配方紫薯奶片的PCA 分析如图6A 所示，每个椭圆代表不同配方紫薯奶片风味成分的数据采集点，各椭圆之间的距离大小反映每个样品之间风味主成分差异性的大小。图6A 中PC1 贡献率为99.33%，PC2 贡献率为0.47%，总贡献率为99.80%。其中低脂低糖发酵紫薯奶片的PC1 浓度为最大，低糖低脂未发酵紫薯奶片两种主成分均为最小，且低脂发酵紫薯奶片与低脂低糖发酵紫薯奶片的PC2 的气味最为相似。

Loading 分析即载荷分析，与PCA 分析算法相同，每个传感器对特定气味的分辨力体现在载荷图PCA 坐标的位置，靠近原点位置的传感器贡献率最低，远离原点的传感器贡献率高。本研究结果如图6B所示，其中W3S、W6S、W2S、W1S 四个传感器的PC1和PC2 贡献率近似为0，说明其无法识别紫薯奶片中的风味成分。其中W1W 传感器PC1 贡献率最高，W5S、W2W 传感器PC1 贡献率仅低于W1W，W2W传感器贡献率略低于W5S 传感器；W1S 传感器PC2贡献率最高，W2S 传感器PC2 贡献率低于W1S，W1W、W6S 次之。参照各传感器的性能特征可知，W1W（硫化物）、W1S（甲基类化合物）两种风味成分对紫薯奶片不同工艺配方的差异有主要贡献。

图6 不同配方紫薯奶片的电子鼻图Fig.6 Electronic nose diagram of purple potato milk tablets with different formulations

LDA 分析是通过扩大组间间距、缩小组内间距分析研究样品所属类型的一种统计方法，亦称线性判别分析。由图6C 中椭圆的分布位置来看，不同工艺配方的紫薯奶片可明显分开，可以看出紫薯奶片的挥发性成分差异明显，LDA 图能够区分不同工艺配方紫薯奶片的挥发性成分。图6C 中，第一判别式PC1贡献率为86.19%，第二判别式PC2 贡献率为13.16%，总贡献率99.35%，发酵工艺紫薯奶片与未发酵工艺奶片离散度大，说明发酵前后紫薯奶片风味变化速率大；低糖低脂发酵紫薯奶片与低脂发酵紫薯奶片PC1 贡献率略有偏差，说明添加菊糖和白砂糖对紫薯发酵奶片风味第一主成分影响极小，就风味方面，菊糖可以替代白砂糖加入到紫薯发酵奶片中。4 种工艺紫薯奶片的分析数据点均分布于各自区域，相互间无重叠或交叉，样本间距离较大，说明运用LDA方法可以对是否发酵不同糖味添加剂的紫薯奶片进行区分。

3 结论

通过单因素及响应面试验，确定发酵紫薯冻干粉最佳制备工艺为：紫薯发酵时间9.5h，发酵温度37.6 ℃，混合发酵剂添加量7.6%，料液比为9∶14（g/mL），该条件下所制得的发酵紫薯冻干粉感官评分为95.2 分。

经电子鼻PCA 和LDA 分析可知，硫化物、甲基类化合物两种风味成分对紫薯奶片不同工艺配方的差异有主要贡献，不同工艺配方的紫薯奶片的挥发性成分差异明显。以紫薯、脱脂奶粉、菊糖为主要原料，采用德式乳杆菌保加利亚亚种和嗜热链球菌对紫薯进行发酵后获得冻干粉，与脱脂奶粉等原料制得低糖低脂紫薯发酵奶片，具体风味成分及品质分析等后续研究有待进行，以期为低糖低脂奶片及紫薯、菊糖的研究和开发奠定基础。