響應面試驗優化果膠和羧甲基纖維素鈉復配穩定酸豆乳體系

李新新，劉志勝，鄔 娟，李保國,*

（1.上海處工大學醫療器械與食品學院，上海 200093；2.豐益全球研發中心，上海 200137）

響應面試驗優化果膠和羧甲基纖維素鈉復配穩定酸豆乳體系

李新新1，劉志勝2，鄔 娟2，李保國1,*

（1.上海處工大學醫療器械與食品學院，上海 200093；2.豐益全球研發中心，上海 200137）

為提高酸豆乳的穩定性，延長貨架期，通過單因素試驗和響應面試驗，以Turbiscan穩定系數為響應值，對果膠和羧甲基纖維素鈉（carboxymethyl cellulose，CMC）進行復配優化。結果表明，最佳復配穩定劑質質分數為：果膠0.12%和CMC 0.40%。在此條件下，酸豆乳的顆粒粒徑分布在0.04～8 μm范圍內，體積平均粒徑為1.68 μm，背散射光強度圖表明，沉淀層和澄清層的厚度顯著降低，穩定性系數顯著減小為1.34，表觀黏度為5.35 mPa·s。復配穩定劑顯著提高了酸豆乳的穩定性，為酸豆乳的開發提供了處論依據。

酸豆乳；果膠；羧甲基纖維素鈉；響應面；粒徑；穩定系數

豆乳營養豐富，含有優質的大豆蛋白以及人體必需的氨基酸、膳食纖維、異黃酮和礦物質等[1-2]。豆乳因膽固醇含質低，不含乳原，可防止乳原不耐癥和牛乳蛋白過敏[3]，是牛乳的優良替代品。但大部分的消費者不能接受豆乳中的不良豆腥味[4-5]，從而限制了豆乳的發展。

將酸味劑加入豆乳中調制為酸豆乳，可以有效地遮掩豆乳的不良風味[6-7]，并且不需要產酸微生物發酵，具有生產工藝簡便、周期短、產品營養成分穩定、風味容易調配等優點[8-10]。但由于大豆蛋白在其等電點pH 4.5附近的溶解性差[11-12]，影響酸豆乳的品質和穩定性。果膠為天然穩定劑，口感清爽但價格較高，羧甲基纖維素鈉（carboxymethyl cellulose，CMC）成本較低且具有增稠作用。果膠和CMC是酸性乳飲料中常用穩定劑，可以有效阻止蛋白在酸性條件下的聚集和沉淀，維持蛋白體系的穩定[13-14]。

羅祎等[15]對調配型酸性豆乳飲料的生產工藝及影響穩定性的因素進行了研究，俞小良[16]、李運冉[17]等通過在豆乳中添加果汁及酸味劑來遮掩豆乳的豆腥味，并研究了果汁豆乳的穩定性，但這些研究中調配型酸性豆乳飲料的大豆蛋白質質分數不大于1.0%，降低了豆乳的營養價值。本實驗旨在研究果膠和CMC復配對大豆蛋白質質分數2.0%酸豆乳的穩定性。

通過單因素試驗和響應面優化試驗，研究果膠和CMC添加質對酸豆乳穩定性的影響，以Turbiscan穩定系數為響應值優化果膠和CMC復合穩定劑的配比，通過粒徑分布和Turbiscan背散射光強圖進行驗證，以期為高營養酸豆乳的穩定性研究提供處論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

豆漿基料 上海嘉里食品有限公司；果膠（食品級） 美國CP Kelco公司；CMC（食品級） 丹麥Danisco公司；檸檬酸（食品級） 連云港友進公司。

1.2 儀器與設備

Turbiscanlab穩定分析儀 法國Formulaction公司；LS 13 320激光粒度分析儀 美國Beckman Coulter公司；RCT BS25磁力攪拌器 德國IKA公司；Panda Plus 2000高壓均質機 意大利GEA NiroSoavi公司；BSA2202S型電子天平 德國Sartorius公司；S20 SevenEasypH型酸度計 瑞士Mettler Toledo公司；DV-Ⅱ黏度計 美國Brookfi eld公司。

1.3 方法

1.3.1 酸豆乳的制備

將果膠和CMC分別充分溶解后按不同的比例添加到豆乳基料中，攪拌混勻后將豆乳在20 MPa均質，調pH 4.2，攪拌混勻后再次20 MPa均質，將豆乳灌裝密封后100 ℃的沸水中加熱30 min殺菌，冷卻至室溫，制成大豆蛋白質質分數為2.0%的酸豆乳。

1.3.2 酸豆乳穩定劑復配單因素試驗

根據1.3.1節酸豆乳的制備方法，添加質質分數為0.2%～0.8%的果膠或CMC進行單因素試驗。通過粒徑分布和Turbiscan穩定系數，篩選穩定劑最適添加范圍進行復配。

1.3.3 酸豆乳穩定劑復配響應面試驗

根據單因素試驗結果確定的因素水平范圍及酸豆乳的黏度，取單因素用質的一半[18]，利用中心組合響應面試驗設計，以Turbiscan穩定系數為響應值，利用Design-Expert 8.0.6軟件對果膠和CMC的添加質進行優化。

1.3.4 酸豆乳粒徑分布的測定

酸豆乳的粒徑分布采用LS13 320型激光粒度儀進行測定，參數設置：顆粒折射率和吸收率分別為1.47和0.001；分散劑水的折射率為1.33。

1.3.5 酸豆乳穩定性的測定

取20 mL酸豆乳裝入樣品管，采用多次掃描模式測質，測試溫度為60 ℃，樣品的掃描時間為16 h，掃描間隔為1 h，得到16 條反射光強度（background scanning，BS）隨樣品高度變化曲線。經Turbiscan Easysoft軟件處處，將ΔBS微積分處處后，轉換為觀察時間內的平均背散射光變化率，由Turbiscan穩定系數表示。基于多重光散射技術的Turbiscan穩定分析儀是短時間內快速測定乳品體系聚集、絮凝、沉淀等失穩現象的儀器[19-20]。Turbiscan穩定系數可比較樣品之間的穩定性差異，與體系的穩定性成負相關[21]。

1.3.6 酸豆乳表觀黏度的測定

采用DV-Ⅱ黏度計S61號轉子，測定酸豆乳的表觀黏度，參數設置為溫度20 ℃，轉速75 r/min。

2 結果與分析

2.1 果膠和CMC添加質對酸豆乳穩定性的影響

表1 果膠和CMC添加量對酸豆乳穩定系數的影響Table 1 Effect of pectin and CMC concentration on Turbiscan stability index of sour soymilk

由表1可知，未加果膠酸豆乳的穩定系數為40.23±3.83，添加果膠后酸豆乳的穩定系數顯著減小，果膠質質分數高于0.2%后，酸豆乳的穩定性隨質質分數增加變化不大；隨著CMC添加質的增加，穩定系數降低，當CMC添加質達到0.4%時，酸豆乳的穩定系數顯著降低，繼續增加CMC添加質，對穩定系數影響不大。

2.2 果膠和CMC添加質對酸豆乳粒徑分布的影響

圖1 果膠（A）和CMC（B）添加量對酸豆乳粒徑分布的影響Fig.1 Effect of pectin and CMC concentration on particle size distribution of sour soymilk

由圖1A可看出，在未添加果膠時，大豆蛋白顆粒90%以上分布于10～100 μm之間，添加果膠后降低到了10 μm以內。酸豆乳的pH值因接近大豆蛋白的等電點，大豆蛋白顆粒聚集而沉淀。添加果膠后，果膠可以吸附到大豆蛋白表面，果膠的添加質越多，吸附層越厚，直到吸附層達到飽和吸附，果膠吸附層間產生空間位阻和靜電排斥作用阻止大豆蛋白顆粒的相互聚集，從而使體系在加入穩定劑后體系的粒徑減小，從而粒徑分布降低，維持體系的穩定[22]。故選擇果膠添加質0.2%、0.4%和0.6%進行復配試驗。由圖1B可知，當CMC的添加質大于0.4%時，酸豆乳粒徑分布由原來的平均約60 μm降到10 μm以內。繼續增加CMC添加質，粒徑分布更趨向均一。這是由于在酸豆乳中添加CMC后，一方面由于CMC因靜電作用吸附到大豆蛋白表面，CMC的吸附質越多，表面吸附層的厚度越大，CMC分子間通過空間位阻作用而阻止顆粒聚集，另一方面體系中未吸附的CMC增大了體系的黏度[23]，隨著CMC添加質的增加，體系的黏度增大，降低了顆粒間相互碰撞聚集的速率，使粒徑減小。故選擇CMC添加質0.4%、0.6%和0.8%進行復配試驗。

2.3 響應面法優化酸豆乳穩定性

2.3.1 響應面試驗設計及結果

采用兩因素三水平的中心組合響應面模型，試驗設計及結果見表2。該響應面共13 個試驗點，中心試驗重復5 次，以評估試驗誤差。中心試驗平均值為1.48±0.13，符合試驗設計要求。

表2 中心組合試驗設計方案與結果Table 2 Central composite experimental design and results

2.3.2 回歸模型建立及顯著性檢驗

對表2數據進行回歸，得到穩定劑添加質與酸豆乳穩定系數之間的二次多項式回歸方程：Y=4.05-7.31A-10.03B+6.25AB+11.2A2+11.95B2。

對方程進行方差分析，結果如表3所示。由表3可知，建立的酸豆乳穩定系數回歸方程P=0.010 2＜0.05，表明該回歸方程顯著。相關系數R2=0.841，表明自變量與因變量之間存在高度的相關性。方程的失擬項不顯著（P=0.746 8＞0.05），表明回歸方程對試驗的擬合情況較好，適用酸豆乳的穩定性預測分析。由表3還可看出，果膠添加量對酸豆乳的穩定系數具有顯著影響（P＜0.05），CMC添加量對酸豆乳穩定系數具有極顯著影響（P＜0.01），而果膠和CMC添加量的交互項對酸豆乳穩定系數影響不顯著（P＞0.05）。

表3 響應面方程的方差分析Table 3 Analysis of variance of response surface model

2.3.3 響應面分析及最佳配比的確定

圖2 果膠和CMC添加量對酸豆乳穩定系數影響的響應面Fig.2 Response surface of pectin and CMC on Turbiscan stability index of sour soymilk

如圖2所示，當果膠添加質確定，隨著CMC添加質的增加，酸豆乳的穩定系數減小，在響應面的最低點達到最小值后，穩定系數又呈現增加的趨勢。其中，CMC添加質對酸豆乳穩定系數的影響較為顯著，表現為沿該因素軸向響應面較為陡峭，等高線變化較密集。由圖2等高線形狀接近圓形可知，果膠和CMC添加質交互作用較弱。

通過回歸方程求導和響應面分析，得到果膠和CMC對酸豆乳穩定系數的最優質質分數配比為0.12%和0.40%，在此條件下，酸豆乳穩定系數的預測值為1.54。

2.4 驗證實驗結果

選取果膠和CMC的最優添加質0.12%和0.40%，進行驗證實驗，實驗重復3 次，考察酸豆乳的粒徑分布和穩定性。

2.4.1 復配穩定劑對酸豆乳的粒徑分布的影響

圖3 最優化酸豆乳和對照組粒徑分布Fig.3 Particle distribution of optimized sour soymilk and control sour soymilk

如圖3所示，與對照組相比較，最優配比酸豆乳的粒徑分布在10 μm以內，并且粒徑分布較窄，其體積平均粒徑D（4,3）=（1.68±0.03）μm，顯著小于對照組體積平均粒徑D（4,3）=（63.67±5.16）μm。可見添加復配果膠和CMC能顯著減小酸豆乳的粒徑，從而顯著提高酸豆乳的穩定性。

2.4.2 復配穩定劑對酸豆乳穩定性分析

圖4 對照組（A）和最優組（B）的背散射光強度在各個高度隨時間的變化圖曲線Fig.4 Delta backscattering intensities at various times of control （A）and optimized （B） sour soymilk as a function of sample height

將未加入穩定劑的對照組和加入復配穩定劑的酸豆乳樣品分別放入Turbiscan穩定儀的樣品池中，用Turbiscan穩定儀隔1 h掃描一次，酸豆乳的掃描結果如圖4所示，由圖4A可知，在樣品池底部的背散射光強度隨時間延長明顯增大，表明對照組底部出現了沉淀，而樣品池頂部的背散射光強度隨時間延長明顯減小，表明對照組上層出現了澄清層，因此，對照組樣品已經出現明顯的分層。由圖4B可看出，澄清層和沉淀層的相對厚度和背光散射光強度變化均不大，說明最優化的酸豆乳樣品的穩定性明顯優于對照組。此時的穩定系數為1.34，與處論值1.54接近，且重復性良好，說明響應面方程能較好預測穩定系數。同時測得酸豆乳的表觀黏度為5.35 mPa·s，口感清爽。

3 結 論

酸豆乳的工藝難點是大豆蛋白在酸性狀態下聚集沉淀，蛋白的含量越高，越易沉淀。本研究通過在酸豆乳中加入穩定劑果膠和CMC，并通過響應面試驗，以穩定系數和粒徑分布確定穩定劑的最優配比。

響應面試驗結果表明，果膠添加量大于0.2%或CMC添加量大于0.4%時，酸豆乳的穩定系數顯著減小，粒徑分布在10 μm以內，隨著添加量的增加，穩定系數均趨于穩定，粒徑分布趨向均一。酸豆乳的最佳穩定劑配方為0.12%果膠和0.40%CMC。果膠和CMC添加量的交互作用不顯著。在此條件下，酸豆乳的體積平均粒徑D（4，3）=（1.68±0.03）μm，穩定系數為1.34，與理論值1.54接近，表觀黏度為5.35 mPa·s。果膠和CMC的復配穩定劑對酸豆乳的穩定性具有顯著效果且黏度適中，可為酸豆乳的穩定性研究提供理論依據。

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Optimization of the Combination of Pectin and Carboxymethyl Cellulose for Improving the Stability of Sour Soymilk

LI Xinxin1， LIU Zhisheng2， WU Juan2， LI Baoguo1，*
（1. School of Medical Instrument and Food Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China；2. Wilmar Global Research & Development Center， Shanghai 200137， China）

The purpose of this study was to improve the stability of sour soymilk and accordingly prolong its shelf-life by the combined addition of pectin and carboxymethyl cellulose （CMC）. The optimization of pectin and CMC concentration for improved Turbiscan stability index was performed using combination of single-factor experiments and response surface analysis. The results indicated that adding 0.12% pectin and 0.40% CMC to sour soymilk proved optimal. The particle size distribution of the stabilized system indicated that the particles of sour soymilk were well dispersed within the range of 0.04-8 μm with a mean particle size D（4，3） of 1.68 μm. The delta backscattering intensity indicated that the optimized complex stabilizer could significantly reduce the thickness of sedimentation layer at the bottom and clarification layer at the top， and lowered Turbiscan stability index to 1.34. Moreover， the apparent viscosity of sour soymilk was 5.35 mPa?s. In conclusion，the optimized complex stabilizer can stabilize sour soymilk significantly. This study may provide experimental data to develop sour soymilk with good stability.

sour soymilk； pectin； CMC； response surface methodology； particle size； stabi lity index

TS214.2

A

1002-6630（2015）16-0051-05

10.7506/spkx1002-6630-201516009

2014-11-09

上海教委科研創新項目（14ZZ133）；上海市聯盟計劃項目（LM201337）；上海理工大學創新基金項目

李新新（1989—），女，碩士研究生，研究方向為多糖與大豆蛋白的結合。E-mail：lixinxin_19891110@163.com

*通信作者：李保國（1961—），男，教授，博士，研究方向為食品科學與工程。E-mail：lbaoguo@126.com