響應面優化大麥酸奶工藝及其品質分析研究

趙延勝,王琪嫄,吳飛,肖香

(江蘇大學食品與生物工程學院,江蘇 鎮江 212013)

響應面優化大麥酸奶工藝及其品質分析研究

趙延勝,王琪嫄,吳飛,肖香

(江蘇大學食品與生物工程學院,江蘇 鎮江 212013)

將大麥粉經炒制熟化后添加至酸奶中,研究大麥粉的添加對酸奶品質的影響,并在單因素試驗基礎上,采用響應面法對大麥酸奶的發酵工藝進行優化,與市售酸奶進行品質對比分析.結果表明,大麥粉添加量、蔗糖添加量和發酵時間是影響酸奶感官品質的顯著因素,菌種接入量的影響不顯著;經響應面法優化后的大麥酸奶最佳生產工藝參數為:大麥粉添加量為20 g/L,蔗糖添加量為80 g/L,菌種接入量為3%,發酵時間為10 h;品質分析結果表明,與市售酸奶相比,大麥酸奶的營養價值更高,貨架期更長.

大麥粉;酸奶;響應面;品質分析

0 引言

酸奶作為人們日常食用的發酵乳制品,不僅含有豐富的營養物質,而且具有改善腸道健康等益生功能[1].隨著消費者生活水平的提高和對營養功能及口感需求的多元化,全谷物酸奶受到越來越多的關注.已有研究表明,谷物的添加不僅可以提升酸奶營養價值,還會改善其組織狀態,賦予產品較好的感官品質[2].

大麥是典型的quot;三高兩低quot;,并兼具食療功效的糧食作物[3].Izydorczyk等人研究發現大麥β-葡聚糖能促進乳酸菌產生胞外多糖,胞外多糖則通過束縛更多的自由水和修飾酸奶凝膠結構,從而提升酸奶的粘度,并形成較好的組織狀態和感官品質[4].因此,大麥酸奶的研發不僅能夠豐富乳制品種類,也為充分利用大麥資源提供思路,具有重要的經濟效益和現實意義.

1 實驗

1.1 材料與試劑

大麥,菌種Yo-C571-F(嗜熱鏈球菌和德氏乳桿菌保加利亞亞種),純牛奶,糖等原輔料(食品級),所用試劑均為分析純.

1.2 儀器與設備

VS-1300超凈工作臺,酸奶發酵機,均質機,Tec?Master快速黏度分析儀,生化培養箱,YX400Z高壓滅菌鍋,Sartorius分析天平.

1.3 方法

1.3.1 大麥粉的制備

挑選飽滿無雜物的大麥作為原料,洗凈瀝干后,采用旋轉式電磁炒制機對大麥粒進行翻炒,采用程序升溫模式炒制:第一階段100℃下炒制40 min,轉速為30 r/min,第二階段180℃下炒制40 min,轉速為40 r/min,第三階段250℃下炒制30 min,轉速為50 r/min,使大麥粒微黃并伴有大麥固有香味停止翻炒.再采用錘式磨粉機進行粉碎,并過100目篩,得到大麥粉.

1.3.2 酸奶的制備工藝

按配方準確稱取白砂糖、大麥粉,并混合均勻,緩慢加入原料乳中,攪拌后均質,均質壓力為20 MPa,二次均質后,使原料乳和配料徹底混合均勻.并迅速進行殺菌處理,殺菌條件為90℃持續15 min,殺菌結束后冷卻至42℃左右.接入酸奶發酵劑,并攪拌均勻,在42℃下恒溫發酵至pH值為4.3左右,即可終止發酵,成品置于4℃冰箱貯藏,后熟24 h.

1.3.3 酸奶基礎指標的測定

酸奶產品應符合GB19302-2010[6]食品安全國家標準發酵乳中的相關要求:分別依據GB5009.5,GB5413.3,GB5413.34,GB5413.39 和 GB4789.35[7-10]測定酸奶的蛋白質質量分數、脂肪質量分數、酸度、非脂乳固體質量分數和乳酸菌總數.

1.3.4 pH值的測定

采用Sartorius標準型pH計檢測酸奶在貯藏期間的pH值變化情況.

1.3.5 持水力的測定

持水力的測定參考熊政委等人[11]的方法進行.

1.3.6 黏度的測定

采用黏度儀,在設定條件下(20℃,160 r/min)測定酸奶樣品的黏度,黏度單位為mPa.s.

1.3.7 感官評價

感官評分標準如表1所示.

1.3.8 數據統計與分析

采用SPSS17.0軟件對試驗數據進行統計分析,不同組間的比較采用方差分析,Plt;0.05為差異顯著,Plt;0.01為差異極顯著,響應面分析結果用De?sign-ExpertV8.0.6進行分析.

2 結果與分析

2.1 大麥粉添加量對酸奶品質的影響

在蔗糖添加量為80 g/L、菌種接入量為3%、發酵時間為10 h和發酵溫度為42℃的條件下,分析添加量分別為10,50,100,150,200 g/L的大麥粉對酸奶品質的影響.

由表2可以看出,隨著大麥粉添加量的增加,酸奶的凝乳時間、pH和持水力發生不同變化.其中,酸奶的凝乳時間隨著大麥粉添加量的增加而縮短,這可能是由于大麥粉添加量的增加,混合液中的糖類物質質量分數增多,包括大麥粉中的β-葡聚糖、低聚糖等成分,促進了乳酸菌的生長,乳酸菌產酸速率變快,凝乳所需的時間相應逐漸縮短,統計學分析顯示,F=31.184,P=0.021lt;0.05,表明大麥粉添加量對酸奶凝乳時間的影響顯著.酸奶pH值隨著大麥粉添加量的增加而逐漸減小,這可能是由于大麥粉中的β-葡聚糖等成分也可作為乳酸菌的發酵基質,促進了乳酸菌產酸量的增加[12].酸奶持水力隨著大麥粉添加量的增加而升高,這主要是因為大麥淀粉的吸水性較強,尤其是大麥淀粉經過糊化之后,淀粉顆粒比表面積增大,親水集團的暴露,淀粉持水能力得到大幅度提高,表現為酸奶體系的持水力逐漸升高.此外,大麥粉中的蛋白質、β-葡聚糖等物質均為親水性成分,在一定程度上提高了體系束縛自由水的能力.當大麥粉添加量大于10 g/L時,酸奶的組織狀態開始變得粗糙、稠厚,且在大麥淀粉經糊化冷卻后,出現分層,導致凝乳狀態不佳.

2.2 蔗糖添加量對酸奶感官品質影響

在大麥粉添加量為20 g/L,菌種接入量為3%,發酵時間為10 h和發酵溫度為42℃的條件下;分析添加量分別為60,70,80,90,100 g/L的蔗糖對酸奶品質的影響.

淡黃色,有酸奶風味,麥香味適中,偏甜,無分層,有少量乳清析出,組織狀態良好,無肉眼可見的顆粒

由表3可以看出,蔗糖的添加量對酸奶樣品的凝乳時間影響較小,雖大麥粉中的糖類物質能夠促進乳酸菌的生長,但因添加量的變化幅度較小,對酸奶凝乳時間的影響程度有限,所有酸奶樣品的凝乳時間基本維持在4.5 h左右.酸奶樣品的pH值隨著蔗糖添加量的增加而呈現逐漸較小的趨勢,這可能是由于糖量的增加,為乳酸菌的生長提供了充足的C源,促進了乳酸菌的產酸,導致pH值的降低.當蔗糖添加量超過90 g/L后,pH值有升高的趨勢,這可能是因為C源過多,造成C和N失衡,會抑制乳酸菌的生長和發酵,產酸量減少.酸奶持水力在蔗糖添加量為80 g/L時,達到最高,這可能是因為此時乳酸菌生長狀態最佳,產生了較多的胞外多糖,從而提高酸奶的持水能力.

表1 酸奶感官評定

表2 大麥粉添加量對酸奶品質的影響

2.3 菌種接入量對酸奶品質影響

在大麥粉添加量為20 g/L,蔗糖添加量為80 g/L,發酵時間為10 h和發酵溫度為42℃的條件下,分析菌種接入量分別為1%,2%,3%,4%,5%的乳酸菌混合菌種對酸奶品質的影響.

在酸奶發酵初階段,嗜熱鏈球菌利用牛奶中的乳糖和大麥粉中的β-葡聚糖進行快速生長和發酵,產生大量乳酸,使牛奶和大麥粉混合溶液的pH值下降.當pH值下降至5.5左右時,保加利亞乳桿菌開始大量繁殖,嗜熱鏈球菌的生長收到抑制.當pH值下降至5.0時,保加利亞乳桿菌在酸奶的此階段的發酵中占據了主要位置,pH值繼續下降,到pH值為4.6左右時,牛奶中的酪蛋白在酸體系作用下開始大量凝聚,乳溶液開始凝固.從表4中可以看到,菌種的接入量對酸奶的凝乳時間、pH值和持水力產生了顯著的影響,特別是對凝乳時間的影響極顯著(F=46.136,Plt;0.01).菌種接入量為1%時,在發酵時間內未形成酸奶的凝乳組織,且持水力較差,產酸量較少.當接種量由2%逐漸增加時,pH值下降較為明顯.酸奶的凝乳時間明顯減少,組織狀態良好,持水力也得到提升,這主要是因為單位含量的發酵基質內乳酸菌數增加,產酸速率和產酸量升高,促進了蛋白質的凝固.同時從表中也能看到,當菌種接入量超過5%時,乳酸菌產酸過多,凝乳過度,導致乳清開始析出,且產品的口感偏酸.

2.4 發酵時間對酸奶品質的影響

在大麥粉添加量為20 g/L,蔗糖添加量為80 g/L,菌種接入量為3%和發酵溫度為42℃的條件下,分析發酵時間分別為4,6,8,10,12h對酸奶品質產生的影響.

發酵時間關系到酸奶產品最終的組織狀態、口感等方面,是酸奶發酵過程中一項重要工藝參數.本研究使用的菌種為德氏乳桿菌保加利亞亞種和嗜熱鏈球菌混和菌種,發酵活力較好,發酵溫度較為一致.由表5可以看出,發酵時間對酸奶的pH值影響極顯著(F=34.142,P=0.001lt;0.01),隨著發酵時間的增加,酸奶產品的pH值逐漸降低,發酵時間在6 h以下,乳酸菌的增殖狀態不足,發酵產酸量有限,酸奶組織凝固狀態不佳,沒有完全形成酸奶特有的質構.發酵時間在8~10 h內,酸奶組織狀態較好,無分層,形成了酸奶的特有風味.當發酵時間超過10 h后,酸奶組織狀態變差,乳清大量析出,酸甜比失衡,口感不好,酸奶品質下降.

2.5 響應面優化酸奶工藝

選取大麥粉添加量(A)、蔗糖添加量(B)、菌種接入量(C)和發酵時間(D)四個因素作為自變量,酸奶的感官評分作為因變量,依據Box-Behnken中心組合設計原理,對大麥風味酸奶的發酵工藝進行優化.因素水平和試驗設計表及結果如表5和表6所示.

對表7中的試驗數據進行方差分析,得到響應面回歸模擬方程:

Y=72.90-8.10A+4.01B-1.40C-2.82D-2.88AB+1.55AC+0.97AD-1.00BC-1.60BD+0.30CD+3.27A2-4.19B2-0.62C2-1.36D2.

表3 蔗糖添加量對酸奶品質的影響

表4 菌種添加量對酸奶品質的影響

表5 發酵時間對酸奶品質的影響

表6 實驗設計因素水平

表7 Box-Behnken設計方案及響應值結果

由表8可以看出,模型的Plt;0.0001,表明極顯著,失擬項P=0.0676gt;0.05,表明不顯著,說明該模型的擬合程度良好,試驗誤差小,可用于優化大麥酸奶的發酵工藝.此外,因素一次項A,B,D和二次項A2,B2,D2顯著(Plt;0.05),一次項C和二次項C2不顯著(Pgt;0.05),交互項AB顯著,交互項AC,AD,BC,BD和CD不顯著,如圖1所示.

從上述的分析結果可以知道,大麥粉添加量、蔗糖添加量和發酵時間對大麥酸奶工藝的影響較為顯著,響應曲面的變化幅度大,對酸奶的感官評分影響明顯,其中大麥粉的最佳添加量為20 g/L,蔗糖最佳添加量為80 g/L,最佳發酵時間為10 h.菌種接入量對大麥酸奶工藝影響不顯著,隨著菌種接入量的增加,酸奶感官評分的響應曲面變化幅度較小,其最佳添加量在3%~5%之間.因此在本實驗設計中所選取的因素水平范圍內,各因素對響應值的影響排序為:大麥粉添加量gt;蔗糖添加量gt;發酵時間gt;菌種接入量.

表8 方差分析結果變異來源

2.6 大麥風味酸奶的品質分析

通過對比分析大麥酸奶(最優工藝條件下)與市售酸奶的特征性指標,來評估大麥酸奶的綜合品質.表9為酸奶的理化指標和微生物指標檢測結果.

表9 酸奶檢測結果

由表9可以看到,市售酸奶和大麥酸奶的各項指標均符合GB19302-2010中對于酸奶所做的規定,且大麥酸奶中的蛋白質、脂肪和非脂乳固體質量分數均高于市售酸奶,特別是大麥風味酸奶中的乳酸菌活菌數遠高于市售酸奶,說明大麥粉有明顯的乳酸菌增殖作用.因此相比市售酸奶,大麥酸奶營養成分更加豐富,營養價值更高.

酸奶保質期的確定結果由圖2~圖4所示.

蔡超[13]等人報道稱酸奶變質至無法被消費者接受時的評定指標為:酸度gt;120°T,感官評分lt;60分,感官出現以下表現視為酸奶的貨架終點:組織較粗糖;氣味不協調,酸味較重;凝乳不均勻,乳清析出嚴重.由圖2-圖4可以看出,酸奶酸度隨著貯藏天數的增加逐漸升高,其中市售酸奶在第15 d時酸度達到122°T,大麥風味酸奶在第20 d酸度超過120°T,此時酸奶的乳清析出嚴重,酸甜比失衡,表現為酸奶感官評分顯著下降,市售酸奶在第15 d時的感官評分低于60分,判定為保質期終點,而大麥風味酸奶在15 d時感官評分仍大于60分,因此大麥粉的添加延長了酸奶的貨架期,長達20 d,且在這期間內酸奶中乳酸菌活菌數仍保持較高水平,在第15 d時,活菌數仍然高達1.76X 109mL-1.

圖1 因素交互影響感官評分的響應曲面圖

圖2 酸奶酸度在貯藏期間變化

圖3 酸奶中乳酸菌數在貯藏期間的變化

圖4 酸奶的感官評分在貯藏期間的變化

3 結論

通過單因素試驗和響應面分析法優化大麥酸奶發酵工藝,并將最優工藝條件下制得的酸奶與市售酸奶進行品質對比分析,主要結論如下:

(1)優化得到了酸奶感官品質和大麥粉添加量、蔗糖添加量、菌種接入量和發酵時間的回歸模型,得到最優的工藝參數為:大麥粉添加量為20 g/L、蔗糖添加量為80 g/L,接種量為3%,發酵時間為10 h.在此條件下,酸奶感官得分是85.7,與預測值87.4較為接近,表明該模型的擬合程度較高.

(2)與市售酸奶相比,大麥酸奶的營養價值更高,貯藏期的穩定性更高,貨架期更長.

[1]范宇,陳歷俊,趙常新.酸奶質構影響因素的研究進展[J].中國乳品工業,2009,37(7):30-34.

[2]楊淑妮,李理.全谷物酸奶的理化及功能特性研究[J].中國乳品工業,2016,44(4):17-20.

[3]ETICHA F,GRAUSGRUBER H,BERGHOFFER E.Multivariate analysis of agronomic and quality traits ofhull-less spring barley[J].Journal of Plant Breeding and Crop Science,2010,2(5):81-95.

[4]IZYDORCZYK M,DEXTER J.Barley β -glucan and arabinox?ylans:Molecular structure,physicochemicalproperties,and uses in food productsa Review[J].Food Research International,2008,41:850-868.

[5]GB 19302食品安全國家標準發酵乳[S].北京:中國標準出版社,2010.[6]GB 5009.5食品安全國家標準食品中蛋白質的測定[S].北京:中國標準出版社,2010.

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[8]GB 5413.34食品安全國家標準乳和乳制品酸度的測定[S].北京:中國標準出版社,2010.

[9]GB 5413.39食品安全國家標準乳和乳制品中非脂乳固體的測定[S].北京:中國標準出版社.2010.

[10]GB 4789.35食品安全國家標準食品微生物學檢驗乳酸菌檢驗[S].北京:中國標準出版社,2010.

[11]熊政委,王文佳,溫瑞,董全.響應面法優化菊糖酸奶的發酵工藝[J].食品科學,2014,35(13):156-160.

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[13]蔡超.酸奶在貯存期間參數的變化對貨架壽命預測模型的研究[D].華中農業大學,2012.

Optimization of fermentation technology of barley yoghurt by response surface methodology and the quality analysis

ZHAO Yansheng,WANG Qiyuan,WU Fei,XIAO Xiang
(School of Food and Biological Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China)

On the basis of single factor experiments,fermentation process of yoghurt added with barley flour was optimizedby response sur?face methodology,and quality analysis of yoghurt was takencompared with commercial yoghurt.The results showed that the amount of bar?ley flour,sugar,and fermentation time are factors that have significant influence on sensory quality of yoghurt,while the impact of inoculum size was not significant.The optimum fermentation parameters were determined as follows:20 g/L of barley flour,80 g/L of sugar,an inocu?lum size of 3%,and a fermentation time of 10 h.Compared with the commercial yoghurt,the nutrition value of barley yogurt was higher and the shelf life was longer.

barley flour;yoghurt;response surface;quality analysis

TS252.54

A

1001-2230(2017)10-0042-05

2017-02-28

quot;十二五quot;國家科技支撐計劃(2014BAK19B);江蘇大學高級人才專項(1281360027).

趙延勝(1985-),男,講師,研究方向為食品營養與安全.

肖香