響應面優化醋豆生產工藝

胡艦，周瑩，左波，石怡雪，戴陽軍*

(1.揚州大學 旅游烹飪學院，江蘇 揚州 225127；2.江蘇中譜檢測有限公司，南京 210061；3.常熟理工學院 生物與食品工程學院，江蘇 常熟 215500)

黑豆(Glycinemax(L.) Merr)，又名烏豆、黑大豆、馬料豆等，為豆科植物大豆的黑色種子。我國黑豆資源豐富，現以東北、華北和西北等地種植較為廣泛，約占據全國大豆栽培總面積的13.2%。黑豆營養價值豐富，有“高蛋白、低熱量”的特性，尤其是蛋白質含量達36%～40%，遠高于其他豆類，而且富含18種氨基酸，特別是人體必需的8種氨基酸，要高于美國食品藥品管理局規定的高蛋白質標準[1-3]，黑豆因此也被譽為“植物蛋白之王”。除此之外，黑豆還富含多種維生素、微量元素、不飽和脂肪酸以及黑色素、粗纖維等，使其具有保護視力、抗氧化、降血糖、降血壓、健身滋補、烏發生津等保健功效，是一種醫食同療的特殊功能食品[4-7]。近年來，市場對于黑豆產品的需求正不斷加大。

陳醋富含17種游離氨基酸以及多種礦物質、維生素和尼克酸等營養物質[8]。采用陳醋泡制黑豆可得醋豆，醋豆制法由來已久，古代醫著《五十二病方》和《本草綱目拾遺》中早有記載，制得的醋豆具有活血、明目、養顏、補腎、利尿等功效[9]。而如今關于醋豆的研究并不多見，且目前醋豆的制備多用白醋和黃豆[10-12]，存在制作工藝缺乏系統優化、產品口味單一的缺陷。本實驗用陳醋浸泡黑豆，漬制成醋豆，創新式地采用微波膨化黑豆，能最大限度地保存食品的營養成分，且加工時間短，使膨化、干燥、殺菌工藝同時完成[13]，最終形成具有特色風味和口感的新型醋豆食品，不僅豐富了醋豆食品種類，也為醋豆的工業化生產實踐提供了理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

黑豆：弘豐農作物種植專業合作社；陳醋：山西閣老醋業有限公司；蜂蜜：百花牌；乳酸菌：川秀牌；白砂糖：舒可曼牌；檸檬香精：福建固德香料有限公司；低聚果糖：完美有限公司。

1KW-6KW微波真空干燥機 山東科弘微波能有限公司；DZ(Q)-260T真空包裝機 深圳市晟楓包裝機械有限公司；SI-602電子分析天平 四川賽恩思儀器有限公司；CH2111電磁爐 上海奔騰企業有限公司；HPX-9612MBE恒溫培養箱 上海博訊實業有限公司；Palux 1011QL萬能蒸烤箱 北京太陽河貿易有限公司；WGL-230B電熱鼓風干燥箱 天津市泰斯特儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 工藝流程

篩選、洗凈→微波膨化→加水浸泡→糖漬→加乳酸菌恒溫發酵→蒸汽滅酶→制作醋汁→醋汁浸泡→干燥→真空包裝。

1.2.2 操作要點

1.2.2.1 篩選、洗凈

挑選出無霉變、無蛀蟲、顆粒大小均勻的黑豆，用清水徹底洗清并在室溫下瀝干。

1.2.2.2 微波膨化

通過電磁能的輻射傳導，使醋豆內部的水分子吸收微波從而產生震動，實現醋豆中水分的汽化，進而帶動黑豆的整體膨化[14]。將黑豆放入微波爐中微波膨化，參數設置為：功率500 W，頻率2450 MHz。

1.2.2.3 糖漬

配制20%的白砂糖水溶液，糖漬使黑豆充分吸收糖分，積累干物質，不僅能抑制細菌生產繁殖，還能延長產品保質期[15]。

1.2.2.4 發酵

加入0.5%乳酸菌，將黑豆置于恒溫箱中發酵。乳酸發酵使黑豆內部組織結構更加松軟，口感好，各種營養素含量增加[16]，并且使得酸味更加醇和。設置恒溫箱溫度為37 ℃。

1.2.2.5 蒸汽滅酶

將發酵好的糖漬黑豆撈出，平鋪在烤盤上，放入蒸烤箱中90 ℃蒸汽滅酶10 min。

1.2.2.6 醋汁浸泡

將處理好的黑豆放入壇中，然后調汁加入0.05%檸檬香精、0.5%蜂蜜和5%低聚果糖，密封保存2天。

1.2.2.7 干燥

將醋豆從壇中取出，放入微波真空干燥機中干燥，設置參數為2000 W，干燥時間為30 min。

1.2.2.8 包裝

干燥好的醋豆用真空包裝機密封，真空度控制在0.09 MPa。

1.2.3 單因素實驗

1.2.3.1 微波膨化時間對醋豆生產工藝的影響

取5份200 g黑豆洗凈后，分別按不同微波時間1，2，3，4，5 min進行微波膨化。在其他因素不變的條件下進行實驗，通過感官評價來確定最佳的微波時間。

1.2.3.2 發酵時間對醋豆生產工藝的影響

取5份200 g黑豆微波膨化3 min后，分別按不同發酵時間16，20，24，28，32 h進行發酵。在其他因素不變的條件下進行實驗，通過感官評價來確定最佳的發酵時間。

1.2.3.3 醋浸時間對醋豆生產工藝的影響

取5份200 g黑豆發酵24 h后，分別按不同浸泡時間12，24，36，48，60 h進行醋浸。在其他因素不變的條件下進行實驗，通過感官評價來確定最佳的醋浸時間。

1.2.3.4 醋浸比例對醋豆生產工藝的影響

取5份200 g黑豆發酵24 h后，分別按不同醋浸比例1∶1，2∶1，3∶1，4∶1，5∶1進行浸泡48 h。在其他因素不變的條件下進行實驗，通過感官評價來確定最佳的醋浸比例。

1.2.3.5 真空微波干燥時間對醋豆生產工藝的影響

取5份200 g黑豆浸泡48 h后，分別按不同干燥時間15，30，45，60，75 min進行干燥。在其他因素不變的條件下進行實驗，通過感官評價來確定最佳的干燥時間。

1.2.4 響應曲面工藝設計配比

為確定醋豆的最佳生產工藝條件，在單因素實驗的基礎上選取發酵時間、微波干燥時間和醋浸比例這3個對醋豆產品質量影響最為明顯的因素，故以這3個因素為自變因素，以感官評價(Y)為考察指標，設計響應曲面實驗，因素水平見表1。

表1 響應面設計因素水平表Table 1 Factors and levels of response surface design

1.3 測定方法

1.3.1 感官評價方法

在成品當天對醋豆進行感官評價，參考韓濤所述的評價方法。請10名接受過訓練的食品專業人員來進行感官評價[17]。實驗樣品隨機編號，采用百分制，品評人員需要獨立客觀地對醋豆的感官特性給出分值(氣味30%、口感30%、硬度20%、酸度10%、色澤10%)，計算結果取平均值(小數點后面保留2位)。感官評價標準見表2。

表2 醋豆感官評定標準Table 2 Sensory quality index table of vinegar black beans

1.3.2 數據處理

實驗數據使用軟件IBM SPSS Statistics 21.0進行統計分析，用軟件Origin 7.5及Design-Expert 8.0進行制圖和數據分析。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗

2.1.1 醋浸時間對醋豆品質的影響

圖1 不同醋浸泡時間對醋豆品質的影響Fig.1 Effects of different vinegar soaking time on quality of vinegar black beans

由圖1可知，在其他條件不變的情況下，隨著陳醋浸泡時間逐漸增加，醋豆的感官評分先增大，達到最大值后呈下降趨勢。當醋浸時間達到48 h左右時，醋豆產品的感官評分開始下降。醋豆醋浸時間太短，無醋豆應有的醋香味；時間過長，醋豆風味過酸，影響醋豆的感官評價。從整體的醋浸時間對于醋豆的感官評分而言，5組實驗評分差距浮動不大，所以醋浸時間對于醋豆的感官評價不是特別顯著，綜合考慮醋豆風味以及生產工藝，確定醋豆生產的醋浸最佳時間為48 h。

2.1.2 微波膨化時間對醋豆品質的影響

圖2 不同微波膨化時間對醋豆品質的影響Fig.2 Effects of different microwave puffing time on quality of vinegar black beans

由圖2可知，隨著醋豆產品微波膨化時間的增加，黑豆膨化后豆香味濃厚，其感官評分也逐漸增加。微波時間達到3 min左右時，醋豆產品的感官評分開始下降。微波膨化時間太長時，黑豆膨化變形，影響醋豆的感官評價。5組評分極差相差不大，故微波時間對于醋豆品質的影響不是特別顯著，結合實驗結果和生產效率，最終確定醋豆生產工藝的微波時間為3 min。

2.1.3 發酵時間對醋豆品質的影響

圖3 不同發酵時間對醋豆品質的影響Fig.3 Effects of different fermentation time on quality of vinegar black beans

由圖3可知，隨著醋豆產品發酵時間的增加，黑豆內部組織結構更加松軟，酸味更加醇和，其感官評分也逐漸增加。黑豆經乳酸菌發酵后，營養成分得到很好的保留，乳酸菌還能將大豆蛋白降解成易吸收的小分子肽和氨基酸，黑豆中尼克酸、葉酸及維生素B族的含量也有所增加，大豆蛋白質的消化率也能明顯提高[18,19]。當發酵時間達到24 h左右時，醋豆產品的感官評分最高，之后開始下降，發酵時間過長時，醋豆的感官評價下降趨勢明顯，折線較陡，故發酵時間對于醋豆的感官評分影響較大，隨著發酵時間的變化，醋豆的感官評分的變化趨勢比較陡，因此選擇發酵時間24 h進行研究。

2.1.4 醋浸比例對醋豆品質的影響

圖4 不同醋浸比例對醋豆品質的影響Fig.4 Effects of different vinegar immersion ratios on quality of vinegar black beans

由圖4可知，陳醋與黑豆比例為2∶1時，醋豆感官評分最高，此時黑豆充分吸收了調制醋汁的風味。當醋浸比例大于2∶1時，隨著醋浸比例的增加，醋豆產品的感官評分開始下降，醋豆因為吸收醋汁過多，造成醋豆風味過酸，影響了醋豆的整體品質。整體而言，隨著醋浸比例的變化，產品的感官評分的變化趨勢比較陡，考慮成本及工業化生產實際情況，選擇醋浸比例為2∶1進行研究。

2.1.5 微波干燥時間對醋豆品質的影響

圖5 不同干燥時間對醋豆品質的影響Fig.5 Effects of different drying time on quality of vinegar black beans

由圖5可知，隨著真空微波干燥時間的增加，醋豆的水分逐漸蒸發，形成特有的風味，其感官評分呈先上升后下降的趨勢，而且趨勢明顯。微波加熱條件下，黑豆內部的水分蒸發使得黑豆內產生較高的壓力，促使黑豆體積膨脹，表面水分的蒸發使得黑豆發生收縮行為[20]，膨脹和收縮這兩種相反的趨勢使得黑豆產生膨化效果，形成酥松口感，并使黑豆能在短時間內烘干。當干燥時間大于45 min時，因為醋豆產品干燥時間較長，醋豆變得干硬，失去原有風味，醋豆產品的感官評分陡降。

2.2 響應面優化醋豆生產工藝

2.2.1 響應面設計與結果

將單因素實驗的結果輸入軟件IBM SPSS Statistics 21.0進行單因素方差分析，結果表明5個單因素的F值分別為：F(醋浸時間)=48.54，F(微波時間)=50.18，F(發酵時間)=63.54，F(醋浸比例)=508.63，F(干燥時間)=631.64。即各因素對醋豆感官評價的影響程度依次為：干燥時間>醋浸比例>發酵時間>微波時間>醋浸時間。故以發酵時間(A)、醋浸比例(B)和干燥時間(C)這3個因素對醋豆產品整體感官評價影響較大，實驗采用Box-Behnken中心組合實驗設計成3因素3水平實驗，以醋豆產品感官評價(Y)為響應值，進一步確定醋豆生產的最佳工藝條件，實驗結果見表3。

表3 Box-Behnken設計方案及結果Table 3 Design scheme and results of Box-Behnken

2.2.2 模型建立與方差分析

應用Design Export 8.0軟件對表3的實驗數據進行多元回歸分析，得出醋豆感官評價與3個因素之間的多元二次回歸方程如下：

Y(感官評價)=92.12+1.12A+2.02B-4.01C+0.34AB-0.31AC-2.15BC-5.02A2-8.49B2-9.47C2。

對醋豆生產工藝模型進行方差分析以及顯著性檢驗，結果見表4。

表4 回歸方程顯著性檢驗與方差分析Table 4 Significance test and variance analysis of regression equation

注：“**”表示差異極顯著(p<0.01)；“*”表示差異顯著(p<0.05)。

由表4可知，模型p值極顯著(p<0.0001)，而失擬項不顯著(p>0.05)，說明擬合程度良好，該回歸方程可以很好地描述發酵時間(A)、醋浸比例(B)和干燥時間(C)與醋豆感官評價的關系；R2=0.9825，說明該模型可以解釋響應面中98.25%的可變性，可用于醋豆生產工藝的優化，而RAdj=0.9601，二者接近，說明方程預測值與真實值間的相關性很高[21]。由F值可知，3個因素對醋豆品質的影響程度依次為：C>B>A，其中B，A2，B2，C2極顯著(p<0.01)，B，BC顯著(p<0.05)，交互項AB，AC不顯著(p>0.05)。

2.2.3 響應面及等高線分析結果

響應面可以很直觀地反映出各因素對醋豆品質影響的整體趨勢，而等高線排列的密集程度則能表現2個因素變化對醋豆感官評價的影響程度，響應面坡度越陡，等高線呈橢圓形，說明該因素對醋豆感官評分的影響越大；相反，坡度相對平緩，等高線呈圓形，說明該因素對醋豆感官評分的影響越小[22，23]。3個因素之間的交互作用對醋豆品質的影響見圖6。其中，圖6(c)的響應面坡度最陡峭，等高線最為密集且呈橢圓形，說明醋浸比例與干燥時間的交互作用對醋豆品質的影響最為顯著，醋豆感官評價隨著醋浸比例和干燥時間的增加而升高，醋浸比例為2∶1時感官評價分數最高，固定其中一個因素，感官評價和另一個因素呈非線性增長的趨勢，二者交互作用顯著，這與鄭立紅[24]的研究結果類似。響應面圖最平緩的是圖6(b)，等高線呈圓形，說明當醋浸比例一定時，干燥時間和發酵時間的交互作用對醋豆感官評價影響較小，與圖6(a)中醋浸比例和發酵時間的交互作用類似。這與表4的回歸分析結果吻合。

圖6 各因素交互作用對醋豆品質的響應面圖Fig.6 Response surface figures of quality of vinegar black beans affected by two-factor interaction

2.2.4 最佳工藝及驗證實驗

對回歸方程偏導求解，可得出醋豆生產的最佳工藝條件：發酵時間24.50 h，醋浸比例2.15∶1，干燥時間35.39 min。根據實際生產情況可修正為：發酵時間24 h，醋浸比例2.1∶1，干燥時間35 min。在此工藝條件下進行3次驗證實驗，得到醋豆的感官評分為93.60分，與預測值92.80分基本一致，相對誤差僅為0.86%。綜上，說明實驗所得模型與實際情況擬合程度良好，能夠較好地反映出發酵時間、醋浸比例和干燥時間與醋豆感官評分之間的關系，可采用該模型對醋豆的品質進行預測。

3 結論

實驗以黑豆為原料，通過單因素實驗和響應面法對醋豆的生產工藝進行優化。通過單因素實驗選出了發酵時間、醋浸比例和干燥時間這3個重要因素，在此基礎上以醋豆感官評價為響應值進行三因素三水平的響應面優化實驗，所得響應面模型效果極顯著(p<0.0001)，最終得出優化條件為：發酵時間24 h，醋浸比例2.1∶1，干燥時間35 min。加工過程中具體工藝及配方為：醋豆清洗，放在室溫瀝干。經微波膨化3 min后，置于濃度為20%的糖水中進行糖漬，并加入0.5%乳酸菌在恒溫37 ℃下發酵24 h，發酵后的醋豆經蒸汽滅酶10 min，調汁時加入0.05%檸檬香精、0.5%蜂蜜和5%低聚果糖，并以2.1∶1的醋浸比例浸泡48 h，浸泡后醋豆放入蒸烤箱中干燥35 min，最后將干燥好的醋豆用真空包裝機密封。通過驗證實驗，此工藝下的醋豆產品豆香味醇和，醋酸味適當，經微波膨化后略帶酥脆感，有別于市場上的普通醋豆，此時感官評分高達93.60分，可見本研究所構模型可顯著提高醋豆的食用品質，在豐富醋豆市場產品種類的同時也對同類產品的生產加工具有一定的指導意義。