基于大豆胚芽的固体饮料研制及冲调稳定性优化

王才立，张钊，刘忠平，张兆兴，李翠芳，魏涵伟

山东嘉华生物科技股份有限公司（聊城 252400）

谷物的胚芽在种籽中有特殊的生理作用，具有特殊的组成成分和营养价值。大豆胚芽从大豆中分离出来，占大豆总量的2.0%～2.5%，具有很高的营养价值，约含40%蛋白质、10%脂肪[1]。此外，大豆胚芽中还含有约3%大豆异黄酮，14%低聚糖，以及植物甾醇、大豆皂苷、磷脂等多种功能性营养成分[2]。自20世纪80年代以来，国外对大豆胚芽的研究与开发日渐深入，尤其是美国和日本在这方面的研究就更为活跃，如日本开发大豆胚芽茶[3]，美国也开发出富含大豆异黄酮的大豆胚芽食品[4]，国内对大豆胚芽的研究起步较晚，该试验独创性地开发弥补这方面的短板，在同行业中处于领先地位。

大豆胚芽作为大豆的精华部分，是大豆营养物质所在的重要部位，主要提供胚芽油、异黄酮等各种营养活性物质[5]。以大豆胚芽为核心原料，经过甄选清理提纯，采用独特的气流膨化工艺进行熟化，使其酥脆、豆香浓郁、浸泡溶出效果好且色泽宜人，更适用于人体保健。在此基础上，将熟化后的胚芽精研磨成细粉[6]，更能释放特有香味，搭配专用大豆分离蛋白粉、南瓜粉等功能营养成分进行完美配伍，制成高附加值的胚芽速溶固体饮品，不仅具有良好的风味与口感，还可充分发挥功能成分的营养特性，使其得到高值化的全利用。

大豆胚芽具有很强的苦涩味和豆腥味[7]，因此，采用创新工艺解决大豆胚芽口感、风味等问题，将其进行高值化全利用，加工成大豆胚芽风味固体饮品，延长大豆深加工的产业链，不仅可改善全民的营养健康水平，同时也为大豆加工企业的资源综合利用提供一条有效途径。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

精选大豆胚芽（山东嘉华生物科技股份有限公司）；固体饮料专用大豆分离蛋白（山东嘉华生物科技股份有限公司）；南瓜粉（天津秀谷生物科技发展有限公司）；低聚异麦芽糖（德州保龄宝生物科技股份有限公司）；可溶性大豆多糖（山东聚源生物科技有限公司）；魔芋粉（湖北强森魔芋科技有限公司）；羧甲基纤维素钠（CMC-Na，山东森美生物科技有限公司）。

1.2 仪器与设备

大豆胚芽筛分系统（非标，山东嘉华生物科技股份有限公司）；JE1002电子天平（上海浦春计量仪器有限公司）；FJ-200高速分散均质机（上海标本模具厂）；XSS-QPD气流膨化机（武汉新食尚食品机械有限公司）；YG-10L三维立体混合机（深圳进杰工业设备有限公司）；HK-860超微粉碎机（广州市旭朗机械设备有限公司）；DXD-F70粉体自动包装机（莘县华强立诚包装机械有限公司）；烧杯、量筒等玻璃器皿（均为市售）。

1.3 试验方法

1.3.1 大豆胚芽冲调固体饮料制作工艺流程

大豆胚芽的精选→大豆胚芽的熟化处理→大豆胚芽粉初步研磨→原料预混合→原料超微粉碎→原料二次混合→包装

1.3.2 注意事项

采用国产非转基因大豆，经过调质破碎使豆皮、胚芽与豆瓣分离，经筛分、精选得到高纯化的大豆胚芽，大豆胚芽含量在95%以上。将经过精选纯化的大豆胚芽放入膨化机中，经过膨化机均匀加热5～15 min，保持膨化压力0.1～0.4 MPa，然后迅速释放压力，在此过程中大豆胚芽经过熟化，去除豆腥味，并产生浓郁的独特香味。将膨化好的大豆胚芽冷却至常温。将熟化后的大豆胚芽经过内部消毒杀菌处理的超微粉碎机初步研磨成粉，即为大豆胚芽粉。将大豆胚芽粉与大豆分离蛋白、低聚异麦芽糖、南瓜粉及稳定剂混合后再次进行精细研磨，倒入三维立体混合机中进行混合均匀，将混合好的物料通过自动包装机进行包装。

1.4 大豆胚芽冲调粉基本配方的研制

1.4.1 单因素试验

在前期大量试验的基础上，选择具有营养健康、低糖保健等功效的食品配料，经过初步感官评价与营养分析，选择较好的配料配比，以这些配比数据为基础进行上下浮动取点，通过单因素试验，确定合适的辅料添加范围。

选择大豆分离蛋白添加量（15%，20%，25%，30%和35%）、南瓜粉添加量（5%，10%，15%，20%和25%）、低聚异麦芽糖添加量（5%，10%，15%，20%和25%）3个指标进行单因素试验，以大豆胚芽固体饮料感官评定为评价标准，确定各因素对大豆胚芽冲调粉口感的影响。

1.4.1.1 大豆分离蛋白添加量对大豆胚芽固体饮料感官评价影响

在600 g大豆胚芽粉中添加20%低聚异麦芽糖、10%南瓜粉，考察大豆分离蛋白添加量分别为15%，20%，25%，30%和35%时对大豆胚芽冲调固体饮料感官评价的影响。

1.4.1.2 南瓜粉添加量对大豆胚芽固体饮料感官评价影响

在600 g大豆胚芽粉中添加25%大豆分离蛋白、20%低聚异麦芽糖，考察南瓜粉添加量分别为5%，10%，15%，20%和25%时对大豆胚芽冲调固体饮料感官评价的影响。

1.4.1.3 低聚异麦芽糖添加量对大豆胚芽固体饮料感官评价影响

在600 g大豆胚芽粉中添加25%大豆分离蛋白、10%南瓜粉，考察低聚异麦芽糖添加量分别为5%，10%，15%，20%和25%时对大豆胚芽冲调固体饮料感官评价的影响。

1.4.2 基本配方的优化

在单因素试验结果的基础上，利用正交设计助手软件进行正交试验设计[8]，对影响感官评价的主要因素（大豆分离蛋白添加量、南瓜粉添加量及低聚异麦芽糖添加量）进行L9(33)正交试验，设计三因素三水平试验，共9个组合，因素水平见表1。

表1 正交试验因素水平表 单位：%

1.5 感官评定方法

准确称取10 g样品，倒入200 mL、70 ℃左右的温水中快速搅拌均匀，分到10个感官评定器皿中进行感官评定。试验感官评审小组由10名具有丰富经验的感官评分员组成，分别对大豆胚芽冲调固体饮料的冲调口感、气味、冲调效果及粉体色泽等进行评定打分[9]，满分为100分，结果取平均值，具体感官评分标准见表2。

表2 感官评价评分标准

1.6 最佳稳定剂配方的确定

1.6.1 单因素试验

以优化后的大豆胚芽冲调粉基础配方为原料，在前期试验基础上，以大豆多糖、羧甲基纤维素钠（CMC-Na）、魔芋粉3种稳定剂进行单因素试验，以大豆胚芽固体饮料冲调之后的稳定系数为评价标准，分别测定各因素对大豆胚芽固体饮料冲调稳定性的影响。大豆多糖添加量为2.6%，2.8%，3.0%，3.2%和3.4%，CMC-Na添加量为0.6%，0.8%，1.0%，1.2%和1.4%，魔芋粉添加量为1.5%，2.0%，2.5%，3.0%和3.5%。

1.6.1.1 大豆多糖添加量对溶解稳定性的影响

在优化后的基本配方基础上，考察大豆多糖添加量分别为2.6%，2.8%，3.0%，3.2%和3.4%时对大豆胚芽固体饮料冲调稳定性的影响。

1.6.1.2 CMC-Na添加量对溶解稳定性的影响

在优化后的基本配方基础上，考察CMC-Na添加量分别为0.6%，0.8%，1.0%，1.2%和1.4%时对大豆胚芽固体饮料冲调稳定性的影响。

1.6.1.3 魔芋粉添加量对溶解稳定性的影响

在优化后的基本配方基础上，考察魔芋粉添加量分别为1.5%，2.0%，2.5%，3.0%和3.5%时对大豆胚芽固体饮料冲调稳定性的影响。

1.6.2 稳定剂配方复配优化

在单因素试验结果的基础上，根据Box-Behnken的中心组合试验设计原理[10-11]，采用响应面法[12]在三因素三水平上对稳定剂配方进行复配优化。对试验数据结果采用Design Expert 8.0.6软件进行分析，因素和水平见表3。

表3 响应面分析因素水平表 单位：%

1.7 大豆胚芽冲调固体饮料冲调稳定性的测定

称取10 g制作的大豆胚芽冲调固体饮料样品，倒入盛有200 mL蒸馏水的烧杯中，搅拌均匀后，利用均质机均质1 min，将均质后的饮料均匀倒入100 mL量筒中，至100 mL刻度线，静置沉降20 min，读取量筒上清液的刻度，记为A，定义稳定系数F，F值越大则表明大豆胚芽粉冲调固体饮料的冲调稳定性越高，即大豆胚芽粉冲调固体饮料的冲调稳定性与其沉淀速度呈反比，按式（1）计算。

1.8 质量指标的检测

样品按照GB/T 29602—2013《固体饮料》、GB 7101—2015《饮料》的检测标准进行型检，水分按照GB 5009.3—2010《食品中水分的测定》[13]直接干燥法、蛋白含量按照GB 5009.5—2010《食品中蛋白质的测定》[14]中凯氏定氮法进行检测，脲酶试验按照GB/T 5009.183—2003《植物蛋白饮料中脲酶的定性测定》进行检验，菌落总数检测采用GB 4789.2—2010《食品微生物学检验 菌落总数测定》[15]进行测定。

1.9 数据处理

通过正交助手V3.1和Origin 8.0数据处理软件对感官评定数据和稳定剂数据进行单因素方差分析，试验结果采用3次重复平均值±标准误差（SE）表示；采用Design-Expert 8.0.6软件对稳定剂复配试验结果数据进行二次多项式拟合优化。

2 结果与分析

2.1 基本配方单因素试验分析

2.1.1 大豆分离蛋白添加量对感官评价的影响

如表4所示，随着大豆分离蛋白添加量的增加，大豆胚芽的固体饮料的感官评分先增大后减小，大豆分离蛋白添加量30%时感官评分达到最大值87.6分。在大豆分离蛋白添加量逐渐增加的过程中，大豆分离蛋白在大豆胚芽的固体饮料中能够提高分散性能和爽滑口感，溶解较为充分，分散性较好，口感更加爽滑，因此感官评分逐渐增大。大豆分离蛋白添加量大于35%时，大豆分离蛋白在固体饮料中的比例太高，稳定性降低，导致沉淀分层现象出现，溶解不充分，冲调饮料出现颗粒感。因此大豆胚芽粉中添加大豆分离蛋白的比例区间选择25%～35%。

表4 大豆分离蛋白添加量对感官评价的影响

2.1.2 南瓜粉添加量对感官评价的影响

如表5所示，随着南瓜粉添加量的逐渐增加，大豆胚芽的固体饮料的感官评分先升高后降低，南瓜粉添加量10%时，感官评分达到最大值80.3分，随着南瓜粉添加量的继续增加，大豆胚芽的固体饮料的感官评分逐渐减小。南瓜粉可以在一定程度上掩盖大豆胚芽粉的苦味，随着南瓜粉添加量的增加，大豆胚芽粉的苦味逐渐降低，但是添加过多南瓜粉，也会导致整个体系中南瓜粉的味道过重，导致大豆胚芽的特殊香味逐渐被南瓜粉掩盖，味道不理想。因此大豆胚芽粉中添加南瓜粉的比例区间选择5%～15%。

表5 南瓜粉添加量对感官评价的影响

2.1.3 低聚异麦芽糖对感官评价的影响

如表6所示，随着低聚异麦芽糖添加量的逐渐增加，大豆胚芽的固体饮料冲调后感官评分逐渐增加，低聚异麦芽糖添加量15%时，感官评分达到最大值84.6分，随着低聚异麦芽糖添加量的继续增加，大豆胚芽的固体饮料的感官评分有下降趋势，但下降并非很明显。冲调后饮料的甜度随着蔗糖添加量的增加而增大，大豆胚芽固体饮料冲调之后除了有大豆胚芽的独特香味，滋味更加香甜，低聚异麦芽糖添加量15%时最适宜，低聚异麦芽糖添加量超过15%时，冲调固体饮料的甜度增加。考虑到感官适口性及成本，大豆胚芽粉中添加低聚异麦芽糖的比例区间选择15%～25%。

表6 低聚异麦芽糖添加量对感官评价的影响

2.2 基本配方优化

以感官评价为指标，采用L9(34)确定最佳添加条件，利用正交设计助手数据分析软件得出正交试验结果，如表7所示。

表7 正交试验结果

各个因素对试验指标影响的主次关系可通过极差反映，极差值越大，代表这个因素对试验指标的影响也越大[16]。正交试验的极差值为RA＞RB＞RC＞RD，即各因素对大豆胚芽冲调固体饮料感官评分影响的主次顺序为A＞B＞C＞D，大豆分离蛋白添加量影响最大，其次是南瓜粉添加量，低聚异麦芽糖添加量的影响最小。通过感官评分的优化试验，可以初步确定大豆胚芽冲调固体饮料的基本配方组合A2B2C1D2，即各辅料在600 g大豆胚芽粉中的添加量分别为大豆分离蛋白30%、南瓜粉10%和低聚异麦芽糖15%。但是经过正交试验优化得出的最佳试验组合A2B2C1D2并没有在正交试验表的组合内，所以需要进行3次平行试验来验证此组合配方的可行性。通过验证，大豆胚芽冲调固体饮料感官评分为92.8分，大于正交试验中的任意一组感官评分，而且大豆胚芽冲调饮料具有大豆胚芽特有的香味，甜度适中，无苦味，溶解性能好，因此A2B2C1D2组合的大豆胚芽冲调固体饮料基本配方具有可行性，即大豆分离蛋白添加量30%、南瓜粉添加量10%、低聚异麦芽糖添加量15%。

2.3 稳定剂配方单因素试验分析

2.3.1 大豆多糖添加量对饮品稳定性的影响

如图1所示，随着大豆多糖添加量的逐渐增加，大豆胚芽的固体饮料稳定系数先增大后减小，在大豆多糖添加量3.2%时达到最大值86.5%。因为大豆多糖作为优良的稳定剂，可与带正电荷的蛋白络合，可以在蛋白分子界面形成膜，利用空间位阻来防止蛋白沉淀聚合，可以起到稳定蛋白体系的作用[17]，与CMC等稳定剂相比，大豆多糖具有黏度小的特点[18]，可在稳定蛋白的同时避免体系增稠所产生的浓厚感。所以大豆胚芽固体饮料冲调稳定性随着大豆多糖添加量的增加而增大，大豆多糖添加量3.2%时冲调稳定性达到最高，随着大豆多糖添加量的继续增加，冲调稳定性有所减小，这是因为大豆多糖具有絮凝性等理化性质[19]，提高了冲调体系的絮凝效果，导致冲调之后体系发生轻微絮凝，产生分层现象，冲调稳定系数有所降低。因此选择大豆多糖添加量3.0%，3.2%和3.4%进行稳定剂复配优化试验。

图1 大豆多糖添加量对饮品稳定性的影响

2.3.2 CMC-Na添加量对饮品稳定性的影响

如图2所示，随着CMC-Na添加量的逐渐增加，大豆胚芽的固体饮料的稳定系数先增大后减小，在CMC-Na添加量1.0%时达到最高值87.5%。随着CMC-Na添加量的增加，在大豆胚芽固体饮料冲调体系中CMCNa可以吸附在大豆分离蛋白和大豆胚芽粉中的蛋白表面，根据吸附层的静电排斥[20]和空间位阻原理[21]，可以维持大豆胚芽粉-蛋白胶束的稳定存在，同时CMCNa具有增稠作用，可以在一定程度上降低大豆胚芽粉颗粒的沉降速率，从而使冲调稳定性增加[22]。CMCNa添加量大于1.0%时，冲调稳定系数开始有所降低，原因可能是CMC-Na添加量过多导致体系的黏度过大，最终导致蛋白质分子间的排斥力变小，溶解性能降低，从而导致稳定性变差。根据稳定系数结果，选择CMC-Na添加量1.0%，1.2%和1.4%进行稳定剂复配优化试验。

图2 CMC-Na添加量对饮品稳定性的影响

2.3.3 魔芋粉添加量对饮品稳定性的影响

如图3所示，随着魔芋粉添加量的增加，大豆胚芽的固体饮料的稳定系数先升高后降低，魔芋粉添加量3.0%时达到最高值90.7%。魔芋粉主要成分是葡甘聚糖，作为优良的植源水溶性膳食纤维，具有较高的吸水性，而且有黏度高、溶解快等特点[23]。魔芋粉添加太少，产品的稳定性不足，随着魔芋粉添加量的增加，魔芋粉在冲调体系中上具有优良的稳定效果，增加冲调溶液的稳定性[24]。随着魔芋粉添加量的继续增加，添加量大于3.0%后，冲调稳定系数开始快速下降，原因是魔芋粉添加量过多导致体系的黏度过大，冲调体系过于浓稠，添加过多的魔芋粉后冲调的饮料容易结块成坨[25]，体系放置后出现分层结块现象，从而导致稳定性变差。根据稳定系数结果，选择魔芋粉添加量2.0%，2.5%和3.0%进行稳定剂复配优化试验。

图3 魔芋粉添加量对饮品稳定性的影响

2.4 稳定剂配方优化

2.4.1 响应面分析

在单因素试验的基础上，以大豆多糖添加量（A）、CMC-Na添加量（B）、魔芋粉添加量（C）为自变量，以稳定系数为响应值，进行响应面分析试验，试验结果见表8。

表8 响应面设计BBD中心组合试验结果

利用Design Expert 8.0.6软件设计试验方案，对试验结果进行二次回归方程的分析，可以得出稳定系数F的二次回归方程，并对其用方差的方法分析（见表9）。稳定系数的标准回归方程为F=96.48+0.64+0.86B+1.48C-0.3AB-0.57AC-0.37BC-2.47A2-1.22B2-0.49C2。根据方差分析可以得出模型具有较高的显著性（P＜0.01），失拟项=0.297 6＞0.05（不显著），表明回归方程对于稳定系数的拟合度较高，试验设计可靠。决定系数R2为0.942 2，说明模型回归方程和试验结果拟合状况良好，可以较好地描述各因素和响应值之间的关系，可以作为优化复配稳定剂添加的模型。变异系数（C.V.）仅为0.79%，说明模型的重现性比较好[26]。综上所述，该设计模型可用于复配稳定剂配方的最优条件。通过分析P值可以得出：C、A2项达到极显著水平（P＜0.01）；A、B、B2项达到显著水平（P＜0.05），其余项均为不显著（P＞0.05）。回归模型的诊断分析表明，各因素的F值可以反映对试验响应值的重要性，F值越大，表明该因素对响应值的影响越大[27]，由各因素对响应值影响程度分析可得影响大豆胚芽固体饮料冲调稳定系数的主次因素为魔芋粉添加量＞CMC-Na添加量＞大豆多糖添加量，表明各影响因素对于冲调稳定系数影响并非简单的线性关系。

为了更直观地反映各因素对大豆胚芽固体饮料冲调稳定性的影响，对方差分析影响显著的各交互作用进行响应面分析，各因素之间交互作用响应面分析见图4。

二维等高线接近于椭圆形，说明交互作用越明显，3D响应面的陡峭程度同样可以看出交互作用的大小[28]。由图4（a）～（c）可以看出，因素A与Y轴呈抛物线关系，随着大豆多糖添加量增加，稳定系数先呈上升趋势，先达到最高点后，随着影响因素值继续增加，冲调稳定系数呈下降趋势，与单因素的试验结果一致。随着CMC-Na添加量和魔芋粉添加量增加，稳定系数先呈上升趋势，通过响应面图可以看出，大豆多糖添加量对稳定系数的影响相对较小，魔芋粉添加量对稳定系数的影响最大。通过所得到的模型，可预测的稳定剂最佳配方为豆多糖添加量3.3%、CMC-Na添加量1.4%、魔芋粉添加量3.0%。在此条件下，冲调稳定系数在理论上可达95.8%。

图4 各因素交互作用对稳定系数的影响

2.4.2 重复性试验与验证试验

根据响应面法得出的最佳理论条件，对上述配方进行3次验证试验，检测真实值是否与试验结果相一致，测得大豆胚芽固体饮料冲调稳定系数平均值为96.3%，与理论值接近，而且重复性好，说明优化模型与实际情况拟合度较好，结果合理可靠。

2.5 固体饮料质量指标

基于大豆胚芽的固体饮料的质量指标如表10所示。从结果可以看出饮料的各项质量指标判定均合格。在感官指标中大豆胚芽冲调固体饮料具有大豆胚芽特有的香味、色泽和滋味，无异味，此外甜度适中，无苦味，溶解性能好，冲调稳定性能优良，在理化指标中大豆胚芽冲调固体饮料的蛋白质含量34.5%、水分3.1%。微生物指标符合卫生和食用标准。

表10 大豆胚芽固体饮料质量指标

3 结论

以大豆胚芽粉为主要原料，大豆分离蛋白、南瓜粉、低聚异麦芽糖为辅料，以大豆多糖、CMC-Na、魔芋粉为复合稳定剂，开发营养均衡、风味独特、冲调口感细腻、稳定性良好的大豆胚芽粉冲调固体饮料。通过单因素试验及正交试验确定大豆分离蛋白添加量30%、南瓜粉添加量10%、低聚异麦芽糖添加量15%，感官评分为92.8分。为进一步提高产品冲调稳定性，通过单因素试验及响应面法优化稳定剂配方：大豆多糖添加量3.3%、CMC-Na添加量1.4%、魔芋粉添加量3.0%，在此条件下冲调稳定系数为96.3%。最终的大豆胚芽冲调固体饮料具有大豆胚芽特有的香味、色泽和滋味，甜度适中，无苦味，溶解性能好，冲调稳定性能优良。在理化指标中大豆胚芽冲调固体饮料的蛋白质含量达到34.5%，水分3.1%。微生物指标符合卫生和食用标准。

采用创新工艺解决大豆胚芽口感、风味、稳定性等问题，进行大豆胚芽高值化全利用，延长大豆深加工的产业链，不仅可改善全民的营养健康水平，同时也为大豆加工企业的资源综合利用提供一条有效途径。