低GI大米发酵乳的研制及工艺优化

赵晓

（中国人民武装警察部队工程大学装备管理与保障学院，西安 710086）

0 引言

血糖生成指数（Glycemic index，GI）是用来描述人体对食物的消化吸收速率以及由此引起的血糖应答[1]，是一种可反映机体在进食后血糖升高情况的指标[2]。低GI食品在人体内吸收速率较缓慢、可做到持续释放能量，达到一定程度地预防和治疗糖尿病等各种常见慢性疾病[3]。目前国内外对于低GI食品的研究主要在于低GI蛋糕、饼干、馒头以及面条等主食[4-8]；通过使用不同原料搭配及不同处理方式降低食品的GI值，王振丽[4]等研制出了以木糖醇代替白砂糖，加入荞麦粉、黄豆粉的无糖低GI海绵蛋糕，并证实了相比基础蛋糕，木糖醇蛋糕更适合糖尿病人食用；丁长河[5]等用鹰嘴豆粉代替部分小麦粉，加入菊粉、低聚木糖，通过单因素和正交优化实验确定低GI馒头最佳配比；我国卫生医疗机构经过研究和探讨形成了《中国糖尿病膳食指南2017》，该指南中推荐全谷物、杂豆类等低GI食品，为特殊患者人群提供科学的饮食指导[9]。

近年来，随着生活水平和质量的提高，人们对动物性食品的摄入量显著增加，而谷物、粮食等膳食含量高的食物摄入量逐年减少，使得膳食结构不合理，严重影响其身体健康[10-12]。大米作为世界上重要的粮食作物之一，因其含有低过敏性淀粉和优质植物蛋白，被消费者广为接受和食用。数据显示，大米的食用方式主要为蒸煮，以大米为原料开发的高附加值且携带方便的大米产品形式较少[13]。发酵乳制品是深受人们的喜爱和青睐的饮品，但是传统发酵乳制品的GI偏高，且蔗糖含量较高，糖尿病患者不能食用[12,14]。如果可以对大米进行预处理，研发出一款新型功能性低GI发酵乳，满足糖尿病患者的低血糖指数需求，使其可以受到糖尿病患者人群的追捧。

因此本研究以大米浆和牛乳为原料，添加白砂糖、稳定剂和发酵剂进行发酵，以大米发酵乳的pH、滴定酸度和持水力为评价指标，通过单因素试验和响应面优化试验最终确定低GI大米发酵乳的最优生产工艺；并以质构、GI指数和感官评分为评价依据，研制出一种集大米发酵乳风味及低血糖生成指数为一体的产品，既可以满足消费者对发酵乳风味的需求，也可以满足其对营养健康的需要。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 试剂

全脂牛奶（100 mL牛奶含有3.0 g蛋白质3.3 g脂肪），蒙牛乳业（集团）股份有限公司；爱乐甜零卡糖（赤藓糖醇、抗性糊精、蔗糖素及甜菊糖苷），南京金禾益康生物科技有限公司；大米，乔府大院集团；直投式发酵菌种（ABY-8菌种），丹麦柯汉森公司；稳定剂，天津裕昌食品有限公司；其他所用试剂均为国产分析纯。

1.1.2 仪器与设备

电子分析天平，梅特勒-托利多公司；磁力加热搅拌器，IKA公司；均质机，上海沃迪公司；精密pH计，上海仪电科学仪器股份有限公司；无菌操作台，上海苏净安泰公司；电恒温培养箱，上海博讯公司；高速离心机，贝克曼公司；质构仪，英国stable micro systems公司。

1.2 方法

1.2.1 大米发酵乳的制备

选颗粒饱满的大米50 g与350 mL蒸馏水混合，浸泡10 h后通过破壁机（70℃，15 min）预糊化研磨成米浆；然后与牛乳以不同的比例（米浆质量浓度从30%～70%）进行混匀，在60℃条件下均质5 min，加入7%零卡糖甜味剂（赤藓糖醇、抗性糊精、蔗糖素及甜菊糖苷组成）及0.3%稳定剂，快速升温85℃灭菌15 min，将灭菌的混合液冷却至室温，接种0.01%～0.05%的ABY-8发酵剂，搅拌使菌种均匀分布，将密封后发酵乳置于恒温培养箱内发酵4～8 h，发酵结束后放置于4℃冰箱冷藏后熟12 h。对照酸奶参照Ban等人的方法制备[13]。

1.2.2 单因素试验设计

对不同条件下制备出的大米发酵乳进行测定，以大米发酵乳的pH值和滴定酸度作为评判标准，研究米浆添加量、发酵剂接种量和发酵时间在不同水平对大米发酵乳的影响，确定每项因素的最优值范围。

（1）米浆添加量的确定。参考发酵乳的生产工艺基础[14]，确定好零卡糖甜味剂添加量7%，稳定剂0.30%，发酵剂添加量为0.03%，43℃下恒温发酵6 h，4℃冷藏后熟12 h等条件不变，通过对比不同米浆添加量：即米浆添加30%、40%、50%、60%和70%对大米发酵乳pH、滴定酸度和持水力的影响，根据结果分析得出最适米浆添加量，每组设3个平行试验。

（2）发酵剂接种量的确定。参考发酵乳的生产工艺基础[15]，确定好米浆添加量50%，零卡糖甜味剂添加量7%，稳定剂添加量0.30%，43℃下发酵6 h，4℃冷藏后熟12 h等条件不变，通过对比不同发酵剂接种量：即发酵剂接种量0.01%、0.02%、0.03%、0.04%和0.05%对大米发酵乳pH、滴定酸度和持水力的影响，根据结果分析得出发酵剂接种量最佳条件范围，每组设3个平行试验。

（3）发酵时间的确定。参考发酵乳的生产工艺基础[16]，确定好米浆添加量50%，零卡糖甜味剂添加量7%，稳定剂添加量0.30%，发酵剂添加量为0.03%，43℃恒温条件下发酵，4℃冷藏后熟12 h等条件不变，通过对比不同发酵时间：即发酵时间4、5、6、7、8 h对大米发酵乳pH、滴定酸度和持水力的影响，根据结果分析得出最适发酵时间，每组设3个平行试验。

1.2.3 响应面试验设计

依据Box-Behnken实验设计原则，同时结合单因素实验结果，选取对持水力影响较大的3个因素：米浆添加量、发酵剂接种量和发酵时间，各取3个水平分别记为水平-1、0、1，进行因素水平共17个试验点的响应曲面分析试验，如表1所示，并运用数据统计分析软件进行数据分析，进而得到最佳生产工艺条件。

表1 4因素3水平响应曲面分析实验设计表

1.2.4 持水力的测定

参考Kocher[17]和Maltais[18]等人的方法，称取20 g发酵乳样品于50 mL离心管中，设置离心力2 000 g，离心10 min。然后去除上清液，称重。样品持水性计算公式如下：

式中：m1为样品离心后的质量（g）；m2为样品离心前的质量（g）。

1.2.5 pH值的测定

将发酵乳恢复至室温，用玻璃棒搅拌均匀，利用pH计测定发酵乳的pH值，测定样品均一式三份。

1.2.6 基本成分的测定

水分含量：参照GB5009.3-2016的直接干燥法；灰分含量：参照GB5009.4-2016的第一法 食品中总灰分的测定；脂肪含量：参照GB5009.6-2016的索氏提取法；蛋白质含量：参照GB5009.5-2016的凯氏定氮法。酸度的测定：参照GB 5009.239-2016食品安全国家标准食品酸度的测定的方法进行酸度测定。

1.2.7 质构特性测定

大米发酵乳质构特性测定根据Zhou等人的方法并进行改进[19]。将80 mL大米发酵乳放入100 mL塑料杯中，探头型号为P1/E，设定仪器参数：测试前速1.5 mm/s，测试中速1.0 mm/s，测试后速1.5 mm/s，初始应力2.0 g，压缩程度20 %，压缩时间5 s，测试距离20 mm，实验重复3次。

1.2.8 GI测定方法

分别取10 g酸奶消化样置于50 mL离心管中，加10 mL 0.9%的NaCl溶液进行稀释，调整pH并进行模拟口腔（1 min）、胃（2 h）和肠（2 h）消化，具体方法详见杨博睿等人研究[20]。消化后的溶液经离心(8 000 g,10 min)，取0.1 mL上清液，-18℃留存。加入3 mL GOPOD溶液，涡旋振荡摇匀，在50℃恒温水浴锅中反应20 min，最后将显色液在波长510 nm处测定其吸光值。另取0.1 mL的葡萄糖(1 mg/mL)为标准样品对照，经公式计算得GI值：

根据GI值的分类标准，低于55.00为低GI，55.00～70.00为中GI，70.00以上为高GI[21]。

1.2.9 感官评定

感官评定小组由10名经专业培训的评价员（5男5女）组成，按照感官指标评价标准[22]对发酵乳样品的组织状态（20分）、口感（20分）、色泽（20分）、风味（20分）、喜爱程度（20分）5个方面进行感官评价，满分为100分，结果取平均值，具体评分标准如表2。

表2 感官鉴定评分标准表

1.3 数据处理

每个样品数据测定均进行3次重复平行试验，用IBM SPSS Statistics、Origin 2017等软件进行数据处理。所有实验结果采用平均值±标准误差表示。使用SPSS 17.0统计软件进行方差分析，P＜0.05表示差异显著。

2 结果与分析

2.1单因素试验结果分析

2.1.1 米浆添加量对大米发酵乳pH、酸度和持水力的影响

由李丹等人的研究可知，大米酸奶的适宜pH接近4.0附近，拥有最好的酸甜口感[23]。由图1可以观察得出，大米发酵乳的pH，滴定酸度和持水力随着米浆添加量的增加而分别呈现不同的变化趋势。大米发酵乳的pH在以50%米浆添加的发酵乳为基准的一定范围内略有浮动，先从4.18升高到4.25，再由4.25降低到4.04；而大米发酵乳的滴定酸度随着米浆添加量的增加呈现出先增加后降低的趋势，当米浆添加量为50%时，大米发酵乳的滴定酸度最高，达到83.25 °T。随着米浆添加量的增加，大米发酵乳的持水力呈现上升的趋势，60%和70%的米浆添加量具有最好持水力，达到92.36%。综合3个指标可得出，故选择米浆最佳添加量为50%。

图1 米浆添加量对大米发酵乳pH、滴定酸度和持水力的影响

2.1.2 发酵剂接种量对大米发酵乳pH、酸度和持水力的影响

由图2可知，大米发酵乳的pH随着发酵剂添加量的增加呈现上升趋势。此时测定指标的变化主要是与乳酸菌在发酵过程的生长特性相关[24]。当发酵剂接种量为0.03%时，pH与滴定酸度的结果适中，分别为4.16和82.72 °T。相比之下，发酵剂接种量过低时，前期加入的发酵剂处于迟滞期，乳酸菌数量过少，产酸能力弱且产酸过少，酸奶发酵时间较长且组织不均匀，导致pH值变化缓慢；发酵剂接种量过大时，乳酸菌对数生长期大大缩短，产酸能力强，发酵时间短，乳酸菌快速繁殖，导致pH值迅速变化，随着酸度积累发酵剂的生长繁殖受到抑制，pH值下降又变缓，这使此条件下的酸奶呈现较重的酸味，导致酸奶酸甜比不适宜，风味失调。大米发酵乳的持水力随着发酵剂添加量的增加呈现先上升后下降的趋势，且在添加量为0.03%有最佳的持水力，达到88.73%。综合3个指标，选择发酵剂最佳添加量为0.03%。

2.1.3 发酵时间对大米发酵乳pH、酸度和持水力的影响

由图3可知，随着发酵时间的增加，大米发酵乳的pH与滴定酸度分别呈现不同的变化趋势。随着发酵时间的延长，大米发酵乳的pH呈现下降趋势，发酵7～8 h后，pH到达4.04并不再下降且无显著性（P＞0.05），说明乳酸菌已达到增长点，过度累积；而大米发酵乳的滴定酸度随着发酵时间的增加呈现增加的趋势，当发酵8 h后，酸度过酸，且不同发酵时间存在显著性差异（P＜0.05）。大米发酵乳的持水力随着发酵时间的增加，呈现先上升后下降的趋势，说明发酵时间到8 h后，存在过度发酵的问题，对发酵乳的品质造成影响，导致持水力下降。综合3个指标可得出，故选择大米发酵乳的发酵时间为6 h。

2.2 响应面优化实验结果分析

2.2.1 响应面优化试验结果

如图3响应面实验结果表明，不同因素进行交叉后，发酵乳的持水力在76%～97%。在米浆添加量为60%，发酵剂接种量为0.04%，发酵时间为5 h时，持水力在94.23%～96.65%，通过对实验数据进行二次回归方程分析，将响应变量与试验变量联系起来。遵循二阶多项式方程：对表3实验数据运用Design expert 10.0.3数据分析软件对试验数据进行多元回归拟合，设米浆添加量、发酵剂接种量、发酵时间分别为A、B、C，以持水力为响应值进行多元回归拟合，得到二次多项回归方程：

表3 响应曲面优化持水力实验设计与结果

2.2.2 持水力模型建立及分析

以持水力为响应值进行多元回归拟合，回归模型系数及显著性检验结果见表4。

表4 持水力模型及回归系数的回归分析结果

（续表4）

通过分析数据可以看出，一次项发酵剂接种量、米浆添加量对持水力的影响具有统计学差异（P＜0.01），发酵时间对持水力的影响具有统计学差异（P＜0.05），分析各因素的主效应关系为：B＞A＞C，即发酵剂接种量＞米浆添加量＞发酵时间。其二次项交互作用BC对持水力的影响具有统计学差异（P＜0.01），AC、AB对持水力的的影响不具有有统计学差异（P＞0.05），且二次项交互作用对持水力影响大小程度为BC＞AB＞AC。

2.2.3试验各因素交互作用的分析

根据回归方程，考察响应面曲面图及等高线图的形状，分析米浆添加量、发酵剂接种量和发酵时间对持水力的影响。米浆添加量（A）、发酵剂接种量（B）、发酵时间（C）对持水力的影响见图4～6。

图4 米浆添加量和发酵剂接种量对持水力的响应曲面图和等高线图

米浆添加量和发酵剂接种量的交互作用对持水力的影响如图4所示，AB交互曲面中持水力的变化坡度随发酵剂接种量的增加呈逐渐增加后保持平缓的的趋势，持水力随米浆添加量的增加呈缓慢增加的趋势，当米浆添加量为60%～70%、发酵剂接种量在0.04%～0.05%左右时，持水力达到最大值，且持水力随发酵剂接种量的变化陡峭程度大于米浆添加量，说明发酵剂接种量对持水力的影响大于米浆添加量的影响。

米浆添加量和发酵时间的交互作用对持水力的影响如图5所示，AC交互曲面中，持水力的变化坡度随米浆添加量的增加呈缓慢增加的趋势，随发酵时间的增加呈先增加后降低的趋势，在米浆添加量为60%～70%，发酵时间为4.5～5.5 h左右时，其持水力达到最大值，且持水力随米浆添加量的变化陡峭程度大于发酵时间，说明米浆添加量对持水力的影响大于发酵时间的影响。

图5 米浆添加量和发酵时间对持水力的响应曲面图和等高线图

发酵剂接种量和发酵时间的交互作用对持水力的影响如图6所示，BC交互曲面中持水力的变化坡度随发酵时间的增加呈先增加后降低的趋势，当发酵时间较小时，随着发酵剂接种量的增加，持水力先增加后降低，当发酵时间较大时，随着发酵剂接种量的增加，持水力呈逐渐增加的趋势，说明发酵剂接种量和发酵时间具有较强的交互作用，当发酵剂接种量为0.04%～0.05%，发酵时间为5～6 h时，持水力达到最大值，且持水力随发酵时间的变化陡峭程度大于发酵剂接种量，说明发酵时间对持水力的影响大于发酵剂接种量的影响。

图6 发酵剂接种量和发酵时间对持水力的响应曲面图和等高线图

2.2.4 验证试验

根据回归方程模型，得到预测的最优条件为：米浆添加量为64.431%、发酵剂接种量为0.048%、发酵时间为5.701 h，根据实验实际条件，将条件修正为米浆添加量为50%、发酵剂接种量为0.03%、发酵时间为6 h，在此最优条件下经3次平行试验实际持水力为97.54±0.72%，与预测值持水力为98.008%相差在5%范围内，证实了预测值和实验值之间的良好拟合度。

2.3 成品理化指标

在根据响应面优化试验得出的最佳工艺条件下制备出大米发酵乳成品，按照相应的测定方法测定其各项理化指标，得出结果如下所示。

2.3.1 低GI大米发酵乳理化性质分析

如表5为经响应面优化试验探究得出的最佳工艺下研制出的大米发酵乳与对照组酸奶的各项测定指标数值对比。本试验中的对照酸奶是参照Ban等人的方法进行制备[13]。由表可知：与对照组酸奶相比，大米发酵乳的基本成分如水分和灰分含量略有上升，而蛋白与脂肪含量由于米浆的加入导致在可接受的范围内略微下降；总固形物含量相比对照组酸奶下降了3.32%；pH值略有浮动。相对于对照组酸奶，大米发酵乳的组织状态随着米浆添加量增大到50%，硬度降低了118.23 g，恢复力降低了46.01，咀嚼度降低了46.16，而黏性和凝聚力指标数值略有变化，即表明发酵乳的组织状态发生了明显的改变。由此说明加入的米浆可以改善发酵乳的组织状态，使乳清不容易析出，质地较细腻，具有较好的凝胶特性、硬度和黏度。对于发酵乳的气味和滋味而言，50%的大米发酵乳具有纯正的酸奶味及淡淡的米香味，并且酸甜适中，口感细腻润滑，具有良好的适口性。这与邓永砚等人的研究相一致[24]。大米发酵乳的持水性有了显著增加，达到92.54%，根据GI值得测定方法测出的大米发酵乳GI值为33.4，远远小于低GI食品的GI指数（＜50）[25-27]，达到低GI食品要求。

表5 发酵乳理化指标

2.3.2 低GI大米发酵乳感官评分分析

图7 酸奶感官评价雷达图

根据酸奶的感官鉴定评分标准表和感官评价雷达图可以发现，感官评定小组对大米发酵乳的综合评分为86分，对照组酸奶为79分，即大米发酵乳综合评分优于对照组酸奶。与王然[16]等人的研究相似，在本研究所考察的发酵乳组织状态、口感、风味、色泽和喜爱程度5个指标中，大米发酵乳与对照酸奶的得分差异较为明显，主要体现在组织状态、风味和喜爱程度3个方面，其中最显著的是风味指标，而产生差异的主要原因是由于米浆添加量增加为50%，制备出的大米发酵乳具有浓郁的米香，更与奶香结合协调，使大米发酵乳的风味更加显著，与已经被广泛熟知的对照组酸奶相比受喜爱程度更高；而在色泽与口感方面二者差异不明显，米浆的加入导致制备出的大米发酵乳色泽略暗于对照酸奶，此方面得分低于对照酸奶1分；发酵剂接种量的改变使发酵好的大米发酵乳中乳酸菌的活菌数不同，pH和酸度发生变化，导致发酵乳口感在可接受程度范围内略微发生变化。

3 结论

本研究通过单因素试验和响应面试验优化，低GI大米发酵乳的最佳工艺条件为米浆添加量50%，零卡糖甜味剂添加量7%，稳定剂添加量0.30%，发酵剂添加量为0.03%，发酵时间6 h，43℃恒温条件下发酵6 h。在该条件下生产出的低GI大米发酵乳风味独特，组织均匀，奶香协调，口感宜人，GI值为33.4，达到国家标准并符合低GI产品要求，本研究为大米及其米制品精深加工利用提供了理论依据。