乳酸菌發酵沙米酸奶的工藝優化

張科學，馮海燕，王曉琴*

（河西學院 農業與生物技術學院，甘肅 張掖 734000）

隨著人們生活水平的提高，身心的健康成為既是個人、又是社會價值取向的一個重要組成部分。多營養天然食品是保證身心健康的首選，但在現代社會，這樣的食品卻少之又少。所以用科學工藝加工的多營養綠色食品是現代社會人們的飲食時尚。營養、保健、安全、環保、色香味俱佳而又食用便捷的食品既能給人一種賞心悅目的享受，又為身體的健康提供了保證。沙米酸奶具有風味獨特、酸甜適度、芳香可口、營養豐富的特點，在當今社會極具推廣價值，有很好的市場前景。

沙米（Agriophyllum squarrosum）屬黎科沙蓬屬，為一年生草本植物，俗稱沙蓬[1-2]。分布于甘肅河西走廊和內蒙古西部的草原、半荒漠和荒漠地區[3]，以往研究發現，沙米營養、安全、無污染，富含多種營養和活性成分及礦物質元素鎂、鉀、鋅[4-6]。具有助消化、健脾胃，清熱解毒、抗菌消炎和抗衰老等功效[7-8]，沙米是天然減肥食品和心腦血管、腎臟功能減退、糖尿病病人的理想食品[9]。當地人常在秋季采集來當輔糧食用，沙米是一種極具開發前景的藥食兼用的沙漠野生特有植物資源。

響應面分析法（response surface methodology，RSM）是一種經濟、合理提高效率的工藝優化方法，可用于食品加工、中藥有效成分提取、多糖提取和生物制劑提取等工藝過程的優化[9-14]。目前，沙米的人工栽培和深加工鮮見報道。本研究立足于甘肅河西走廊民勤的野生特有沙米資源，制備沙米酸奶，并在單因素試驗的基礎上，以沙米酸奶的感官分值為響應值，運用響應面法對乳酸菌發酵沙米酸奶生產工藝條件進行了優化，其產品兼有沙米和乳酸菌發酵制品特有的雙重營養和保健作用，為沙米酸乳的開發提供廣闊的發展前景。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

沙米：采于甘肅民勤縣紅沙窩；鮮牛乳：甘肅省張掖市雪蓮乳業公司；蔗白砂糖，穩定劑等。保加利亞乳桿菌（Lactobacillus bulgaricus）、嗜熱鏈球菌（Streptococcus themophilus）：學院微生物實驗室。

1.2 儀器與設備

TGL-220型冷凍離心機：上海安亭科學儀器廠；CL-30L全自動高壓滅菌鍋：日本ALP公司；MJX-160恒溫培養箱：信康億達儀器科技中心；SF-CJ-2B凈化工作臺：上海蘇坤實業有限公司；GYB60-6S均質機、PHS-3B精密pH計、NDJ-8S黏旋轉黏度計：上海平桿科學儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 沙米酸奶工藝流程

1.3.2 成品酸奶的感官評價[15]

評定指標為酸奶的色澤、組織狀態、口感、香味。隨機樣品由接受過專業感官分析培訓的老師和學生進行感官評價，參與評定為20人，以加權評分法作為感官評價結果，評定標準見表1。

1.3.3 理化指標檢測

總固形物、非脂乳固體、酸度、脂肪：蓋勃乳汁計法按GB/T 5009.46-2010《乳與乳制品衛生標準的分析方法》規定的方法檢驗[16]。

蛋白質：按GB/T 5009.5-2010《食品中蛋白質的測定》規定的方法檢驗[17]。

持水力的測定：離心后除去上清液，使離心管保持倒置狀態10min。結束后立即稱量[18]。持水力計算公式如下。

黏度的測定：用黏度計測定。

1.3.4 微生物指標檢測

大腸菌群和致病菌：按GB/T 4789.18-2010《食品衛生微生物學檢驗乳與乳制品檢驗》規定的方法檢驗[19]。

1.4 工藝要點

1.4.1 發酵劑的制備

菌種活化：用3%～4%的發酵劑接種量將液體菌種接入滅菌乳中，40℃～43℃培養4h～6h，冷卻后置于4℃冰箱中保存。隔天傳代一次，共傳代3次使菌種活化。

菌種馴化：將活化后的混合菌種于不同比例的沙米漿和鮮牛奶培養基中逐步馴化后擴大培養作為生產發酵菌種。

1.4.2 沙米漿的制備[20-21]

脫殼除沙除雜，精選沙米，淘洗后在相對于沙米體積8倍的純凈水中，于90℃～95℃糊化15min，然后用打漿機打漿至沙米漿細膩，得沙米漿原液。

1.4.3 沙米酸奶的制作

原料乳檢驗及預處理：原料乳來源于健康無病奶牛所產的鮮牛乳，色澤呈乳白或微黃色，氣味芳香，無異味；乳的酸度≤18°T（GB19301-2010《鮮乳衛生標準》）[22]。用無菌雙層脫脂紗布過濾牛乳，除去雜質后預熱。

調配、均質、滅菌及接種：鮮牛乳預熱至60℃左右時向其中加入蔗糖，加熱至沸5min后，降溫至70℃時，向乳中加入穩定劑[23]。同時，緩慢加入已滅菌并冷卻至65℃～70℃的14%沙米漿，使其形成（體積比1∶7）混合乳，再將物料加熱至65℃，在20MPa均質。加熱煮沸5min后再降溫至85℃左右時開始保溫15min。然后降溫至40℃～45℃，將事先制備好的工作發酵劑充分攪勻按比例加到混合乳中，攪拌約5min使發酵劑混合均勻，然后迅速灌裝封口。

發酵及冷藏：在40℃～45℃條件下進行恒溫發酵，待其完全凝固后結束發酵并放入4℃的冷藏箱中后熟24h～36h，改善產品的硬度和產生風味物質，即得成品。

1.5 工藝優化試驗設計

1.5.1 單因素試驗

分別考察沙米漿添加量、加糖量、發酵劑接種量及發酵時間對沙米酸奶感官評分的影響。

1.5.2 響應面試驗設計

結合單因素試驗結果，采用響應面分析并設計試驗，對沙米酸奶的生產工藝進行優化，以獲取最佳工藝參數，試驗因素及水平見表2。

表2 工藝優化正交試驗因素與水平Table 2 .Factors and levels of orthogonal experiments for technology optimization

1.6 數據處理

用Excel及SAS9.2軟件進行數據分析。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 沙米漿添加量對沙米酸奶品質的影響

表3 沙米漿添加量對酸奶品質的影響Table 3 .Effects ofAgriophyllum squarrosum addition on yogurt quality

沙米漿的添加量不僅影響產品的風味，而且影響酸奶的發酵效果及產品品質。由表3可知，隨著沙米漿添加量的增加，感官分值明顯增加。當添加量增加為14%時，感官分值達最大值88；這時的4項感官指標都最佳。超過14%時，感官分值呈下降趨勢，這種變化可能是沙米漿中的糖類、淀粉和氨基酸等化合物為嗜熱鏈球菌提供了發酵初期生長所需的含氮物質，促進了嗜熱鏈球菌的生長，縮短了其生長的延滯期，進而使酸奶的凝乳時間縮短，增強了凝乳效果，從而使酸奶中的乳清析出較少，穩定效果較好。但當添加量較小時，起不到沙米漿的營養保健作用[24]。針對此種情況，將沙米漿添加量分別按照10%、12%、14%、16%、18%、進行了試驗，結果（表3）發現，沙米漿添加過多，酸奶組織的黏稠度降低，有部分乳清析出，酸奶的口感和組織狀態會變得粗糙，產品香味由淡到濃，色澤略有變深，pH值有所降低，但酸度也不斷升高，黏度就明顯的升高。考慮到沙米漿的營養互補作用會影響成品的風味及口感。認為沙米漿的添加量以14%為宜。

2.1.2 發酵劑接種量對酸奶品質的影響

表4 發酵劑接種量對酸奶品質的影響Table 4 .Effects of inoculum size on yogurt quality

發酵劑接種量的多少對沙米酸奶的感官評分有重要影響。由表4可知，當發酵劑接種量達到4%時，感官分值達最大90分，發酵劑接種量過多或過少，產品的感官分值都比較低。這可能是發酵劑接種量較低時，相同的發酵時間內乳酸菌發酵產生的乳酸較少，導致產品酸度不夠。同時，乳品的發酵不完全，pH值較大，無法使乳中的酪蛋白凝固，凝結狀態較差，乳清析出較多，導致感官分值較低；相反，發酵劑接種量過多時，相同的發酵時間內乳酸菌發酵產生的乳酸過多，pH值降低，產酸量過高，酪蛋白凝固過快，使產品質地粗糙，口感偏酸，黏度由低到高，隨發酵劑接種量添加而升高，發酵未終止，影響了產品的感官評分。由此，初步擬定沙米酸奶中發酵劑接種量為4%。

2.1.3 發酵時間對酸奶品質的影響

表5 發酵時間對酸奶品質的影響Table 5 .Effects of fermentation time on yogurt quality

由表5可知，發酵時間不同，所得的感官評分結果也不同。當發酵時間為2.5h時，產品的感官分值最低。當發酵時間達3.5h時，感官分值達到最大，當發酵時間超過4.0h時，感官評分呈下降趨勢。這是由于發酵時間的長短直接影響著產品的色澤、香味、口感、酸度和組織狀態。發酵時間過短，黏度、持水力度變化不大，由于發酵溫度相同，則酸奶組織柔嫩，風味差；過長，則酸度過高，乳清析出過多，風味不佳。因此，初步擬定發酵時間為3.0h～4.0h。

2.1.4 白砂糖添加量對酸奶品質的影響

表6 白砂糖添加量對酸奶品質的影響Table 6 .Effects of sugar addition on yogurt qulity

白砂糖在酸奶生產中不僅起到增甜作用，而且也是乳酸菌的能量來源，有促進乳酸產生和凝乳的作用。由表6可知，白砂糖添加量是影響感官評分的一個很重要的因素。添加白砂糖可以緩和酸度，改善風味，提高口感質量，隨著糖量的增加，感官分值呈先增后降趨勢。當糖量增加為6%時，感官分值達到最大值85分；而當白砂糖添加量超過6%時，感官分值則下降。這是由于當糖添加量較少時，酸奶的酸度過大，致使酸奶的香味逐漸變淡而甜味逐漸增加，掩蓋了酸奶的風味，直接影響對產品的感官分值，但對色澤和組織狀態沒有影響，黏度、持水力都處于上升趨勢，故初步擬定白砂糖添加量為5%。

2.2 響應面試驗設計

2.2.1 分析因素的選取及分析方案

使用SAS9.2軟件混合設計法設計正交試驗，進行響應面法Box-Behnken模型試驗設計，在單因素試驗的基礎上，以沙米漿添加量、白砂糖添加量、發酵劑添加量和發酵時間為試驗因素，分別選擇5個水平，以感官評分為響應值，試驗設計及結果見表7。

表7 響應面試驗設計及及結果Table 7 .Design and results of response surface methodology

2.2.2 模型的建立及顯著性檢驗

利用SAS9.2軟件對表7中的試驗數據進行多元回歸擬合，得到感官品質影響結果對發酵時間（x1）、發酵劑接種量（x2）、白砂糖添加量（x3）和沙米漿添加量（x4）的二次多項回歸模型為：Y1=86.93768+0.019307x1-0.341667x2+1.73876x3+2.534786x4-1.938263x12+0.3x1x2+0.275x1x3-1.644843x1x4-0.983159x22+1.975x2x3-2.867383x2x4-1.265349x32-0.477684x3x4-2.143259x42

各變量對指標（響應值）影響的顯著性，由F檢驗來判定，概率p（prob＞F）的值越小，則相應變量的顯著程度越高。由表8可知，本模型擬合程度明顯，其F值為39.29，p值小于0.05，說明模型極顯著；同時模型中參數x12，x42顯著。同時對比四個因素的F值可以看出，沙米漿添加量影響較發酵劑添加量和發酵時間更大。對其失擬檢驗的p值為0.4778＞0.05，不顯著，說明模型中不需要引入更高次數的項。決定系數R2為0.998，表明99.8%的變化可由此模型解釋。

2.2.3 顯著因素水平的優化

利用SAS9.2軟件根據回歸方程進行響應面分析，繪制響應面圖，結果見圖1～圖3，利用SAS9.2軟件對感官評分的二次多項式數學模型進行求導，可獲得該模型極值點，對函數進行分析，得到最優的工藝條件為沙米漿添加量14%、白砂糖添加量6%、發酵劑接種量4%、發酵時間3.5h，沙米酸奶感官評分達86.68分。為了驗證模型預測的準確性，在最佳配方條件下做試驗，實際感官評分為86.94分，可見該模型能較好地預測感官評分情況。

綜上得出x1，x4對沙米酸奶感官評分的關聯序為：x4＞x1。同理得到其他各項的關聯序，最終得到各因素對沙米酸奶感官評分的影響從小到大依次為：x4＞x3＞x2＞x1。

2.3 產品質量檢測結果

2.3.1 感官指標

本產品為淡米色、質地均勻，表面光滑，口感細膩潤滑、酸甜適口，具有沙米和酸奶融合的特有香味，無乳清分離和氣泡產生。

圖2 發酵劑添加量與白砂糖添加量對產品感官評分影響的響應面與等高線圖Fig.2 Response surface and contour plots of effect of interaction between inoculum size and sugar addition on sensory evaluation of the product

圖3 發酵劑添加量與沙米添加量對產品感官評分影響的響應面與等高線圖Fig.3 Response surface and contour plots of effect of interaction between inoculum size andAgriophyllum squarrosum addition on sensory evaluation of the product

2.3.2 理化指標

蛋白質含量：2.86%；脂肪含量：3.1%；酸度：82.7°T；總固形物含量：35.1%；持水力：26.4%；黏度：5540mPa·s。

2.3.3 衛生指標

乳酸菌數≥3.2×107CFU/mL，大腸菌群≤1個/g，致病菌（沙門氏菌、金黃色葡萄球菌）沒有檢出。

國家標準：蛋白質含量≥2.8%；脂肪含量≥2.5%；酸度≥70°T；總固形物含量≥17%；乳酸菌數≥1×106CFU/mL；大腸菌群≤1個/g。

產品感官指標、準理指標及衛生指標均符合國家標準。

3 結論

利用模型的響應面及其等高線，對影響感官分值的各種因素及其相互作用進行了探討，確定沙米酸奶的最佳工藝參數為沙米漿添加量14%、白砂糖添加量6%、發酵劑接種量4%、發酵時間3.5h。因此，利用響應面分析方法對沙米酸奶的工藝條件進行優化，可以獲得最優的工藝參數，能有效的減少工藝操作的盲目性，從而為進一步的試驗研究打好基礎。

本研究所制得產品既增添了酸奶食品的花樣品種，更重要的是為甘肅民勤縣野生特有資源沙米的深加工、提高其附加值提供了一條有效的途徑，同時也為進一步開發和又為沙米加工工藝產品拓寬消路。

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