響應面法優(yōu)化香蕉山藥酸奶發(fā)酵工藝研究

蔣萌蒙，賈彥杰，錢志偉，魯慧芳，楊會會

（河南農業(yè)職業(yè)學院，鄭州451450）

0 引 言

香蕉是世界上最為廣泛種植的熱帶水果[1]，素有“植物奶粉”的美稱[2-3]。有資料表明[4]，常食香蕉可預防高血壓、糖尿病和肥胖癥等疾病，而且具有清熱解毒等功效。

山藥(Chinese yam，Dioscorea opposita Thunb)是薯蕷科(Dioscorea)多年生草本藤蔓植物，其中所含的尿囊素和薯蕷皂苷元[5]等功能因子賦予了其助消化、健脾益胃、降低血糖等保健作用[6]。

響應曲面法(response surface methodology，RSM)是一種應用廣泛的試驗優(yōu)化方法，可有效快速地確定多因子系統(tǒng)的最佳試驗條件[7]。利用響應曲面法具有試驗次數(shù)少、時間短等特點，可對試驗進行全面的研究[8]。目前，RSM在乳飲料加工、多糖及生物制劑提取等工藝的優(yōu)化已有廣泛應用[9-13]。本文以純牛奶為原料，將香蕉粉和山藥粉加入到牛奶中進行發(fā)酵，并采用響應面法對實驗工藝進行優(yōu)化，旨在為保健型香蕉山藥酸奶的實際生產提供理論依據(jù)。

1 實驗

1.1 材料與試劑

香蕉粉，山藥粉，純牛奶，YO-M IX 883（內含保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌），益生菌Lactobacillus.casei Zhang。

1.2 儀器與設備

恒溫生化培養(yǎng)箱（型號BPH-9272），高壓均質機（型號GYB60-6S），無菌工作臺（型號SW-CJ-2F），電熱恒溫水浴鍋（型號HW S-12）。

1.3 香蕉山藥酸奶生產工藝

1.3.1 香蕉山藥酸奶工藝流程1.3.2 香蕉山藥酸奶感官評價

感官評定小組是由10名經(jīng)過訓練過的人員組成，熟悉各類型酸奶的感官評定。評價指標為酸奶的色澤、組織形態(tài)、口感及香味。取平均分作為感官評價結果，依據(jù)表1感官評定標準進行。

表1 香蕉粉山藥酸奶感官評定標準

1.3.4 微生物指標檢驗

檢驗指標主要為大腸菌群和致病菌，按照GB/T 4789.18-2010《食品衛(wèi)生微生物學檢驗乳與乳制品檢驗》規(guī)定的方法進行檢驗。

1.4 香蕉山藥酸奶發(fā)酵條件優(yōu)化

1.4.1 單因素實驗

經(jīng)預試驗確定選擇香蕉粉、山藥粉、蔗糖添加量為考察因素，以達到縮小響應面設計中因素水平范圍的目的，為下一步優(yōu)化設計做準備。

1.4.2 響應面優(yōu)化實驗

在單因素實驗的基礎上，采用Box-Behnken中心組合設計原理，以香蕉粉、山藥粉、蔗糖添加量為考察因素，香蕉山藥酸奶感官評分Y為響應值，利用Design Expert8.0.6軟件進行三因素三水平的響應面分析，建立數(shù)學模型，以獲得香蕉山藥酸奶最佳發(fā)酵工藝條件，實驗因素水平編碼如表2所示。

表2 響應面試驗因素與水平編碼 %

2 結果與分析

2.1 單因素實驗

2.1.1 香蕉粉添加量對酸奶感官評價影響

由于香蕉含有一定的單寧而具有澀味[14]，因此香蕉粉添加量應適宜。在山藥粉、蔗糖添加量分別為1.8%和7.5%時，香蕉粉添加量分別設置為0.05%，0.1%，0.35%，0.55%，0.75%，1.0%，1.2%，1.4%；統(tǒng)計感官評分分值。由圖1可以看出，感官分值隨香蕉粉添加量的增加先增大然后降低，在添加量為0.75%左右感官分值達到最大值，故選用0.1%～1.0%的香蕉粉添加量，在此范圍內的值都大于80分。

圖1 感官分值隨香蕉粉添加量的變化

2.1.2 山藥粉添加量對酸奶感官評價影響

山藥粉的添加量不僅會影響酸奶的風味，還會對酸奶的發(fā)酵效果及品質有很大的影響。山藥粉添加量過大，會出現(xiàn)酸奶渾濁，口感粗糙，發(fā)酵效果不好；添加量過少，導致酸奶色澤亮度低，山藥味不明顯[15]。在香蕉粉、蔗糖添加量分別為0.6%和7.5%時，山藥粉添加量分別設置為0.25%，0.50%，1.00%，1.25%，1.50%，1.75%，2.00%，2.25%，2.50%；統(tǒng)計感官評分分值。由圖2可知，感官分值隨山藥粉添加量的增加先升高后降低，在添加量為1.5%時感官分值達到最大值，故選用1%～2%的山藥粉添加量，在此范圍內的感官分值都大于80分。

圖2 感官分值隨山藥粉添加量的變化

2.1.3 蔗糖添加量對酸奶感官評價影響

蔗糖是制作酸奶時最常用的甜味劑，給予酸奶適當?shù)乃崽鸨群土己玫目诟衃16]，但蔗糖添加量的多少直接影響到酸奶的風味和口感。固定香蕉粉、山藥粉添加量分別為0.6%和1.8%，當蔗糖添加量分別為1.0%，2.5%，5%，7.5%，10%，12.5%，15%時；測定不同蔗糖添加量對香蕉山藥酸奶感官評價的影響。由圖3可以看出，香蕉山藥酸奶感官評價分值隨蔗糖添加量的增加先增大后減小，在添加量為7.5%時感官分值達到最高，在添加量為5.0%～10%范圍內，感官評價分值都大于80分，故選用蔗糖添加量5.0%～10%為適宜范圍。

圖3 感官分值隨蔗糖添加量的變化

2.2 響應曲面優(yōu)化實驗結果

在確定3種因素適宜范圍后，選擇香蕉粉添加量X1，山藥粉添加量X2，蔗糖添加量X3三個因素為自變量，感官評價分值為因變量Y，利用BOX等的設計原理對香蕉山藥酸奶發(fā)酵工藝進行優(yōu)化，實驗設計及結果如表3所示。

表3 Box-Behnken試驗設計及結果

表4 Box-Behnken試驗方差分析

由表4可以看出，模型P值小于0.001，說明該模型極顯著。失擬項P值為0.0544，大于0.05，不顯著，說明該模型與實際情況較吻合。因素B及交互項AC對結果影響顯著，因素A和C交互相AB和BC不顯著。3個單因素影響香蕉山藥酸奶感官評價分值的影響順序為B＞A＞C，即山藥粉添加量對感官評價最為顯著。同時，復相關系數(shù)R2=0.9983，表明預測效果較佳，可用該模型對香蕉山藥酸奶加工工藝進行分析和預測。

2.3 多因素交互作用響應曲面

各因素交互作用響應曲面分析結果如圖4～圖6所示。3張圖的交互結果較為一致，隨著各交互因素添加量的增加，香蕉山藥酸奶的感官評分值都呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，總體而言，感官評分值變化幅度不大。圖5中兩因素交互作用較顯著，圖4和圖6中兩因素交互作用不明顯，這與表4中的分析結果相一致。經(jīng)軟件分析可得，香蕉山藥酸奶發(fā)酵的最佳工藝參數(shù)為：香蕉粉添加量0.55%，山藥粉添加量1.15%，蔗糖添加量7.44%；香蕉粉山藥感官評分預測值可達（93.44±0.33）分。

圖4 香蕉和山藥粉添加量對香蕉山藥酸奶感官評分影響的響應面和等高線

圖5 香蕉粉和蔗糖添加量對香蕉山藥酸奶感官評分影響的響應面和等高線

圖6 山藥粉和蔗糖添加量對香蕉粉山藥酸奶感官評分影響的響應面和等高線

2.4 最佳工藝條件的驗證

為了驗證響應面預測得出的最佳工藝參數(shù)，按照香蕉粉、山藥粉、蔗糖添加量分別為0.55%，1.15%，7.44%，進行3次平行驗證實驗，最終感官評分值的平均值為（93.98±0.25）分，與預測值較接近，說明響應面優(yōu)化的結果可行，具有實際利用價值。

2.5 產品質量各指標的測定

香蕉山藥酸奶感官指標：該產品為微黃色、色澤均勻一致，黏附性較強，無乳清分離現(xiàn)象，具有該產品特殊風味，口感細膩、酸甜適宜。

香蕉山藥酸奶品質檢測結果如表5和表6所示[17]。

表5 理化指標

表6 微生物指標

3 結 論

（1）由單因素試驗得到香蕉山藥酸奶發(fā)酵前期的實驗條件，香蕉粉、山藥粉、蔗糖添加量取值范圍分別為0.1%～1.0%，1%～2%，5.0%～10%，為下一步的條件優(yōu)化打下基礎。

（2）經(jīng)響應面優(yōu)化得出香蕉山藥酸奶的最佳工藝配方為香蕉粉添加量0.55%，山藥粉添加量1.15%，蔗糖添加量7.44%；在此基礎上進行驗證實驗，得出的感官評價分值較高。因此，利用響應曲面法對香蕉山藥復合酸乳的工藝條件進行優(yōu)化，可以獲得最優(yōu)的工藝參數(shù)，可以有效地減少試驗操作的盲目性，為實際生產提供了一定的理論依據(jù)。