響應面法優化富硒發酵羊乳飲料加工工藝

祁新華，張秀秀，王海霞，李曉東，劉璐

（東北農業大學食品學院，乳品科學教育部重點實驗室，哈爾濱150030）

0 引 言

硒（Se）元素作為人體必需的微量元素之一，與多種疾病的防治以及防氧化、抗衰老密切相關。硒有無機硒和有機硒兩種存在形式，但有機硒比無機硒的毒性小，更易吸收[1-3]。目前，利用富硒酵母補硒是最常用的生物富硒途徑，有利用率高和環境污染小的優點，是國內最高效補硒制劑[4]。羊奶富含蛋白質、脂肪、乳糖、維生素及生物活性物質，易于被人體消化吸收[5]。作為一種新興奶源開始受到更多的關注[6-8]。小麥胚芽含有麥胚凝集素、谷胱甘肽以及黃酮類化合物等多種生物活性物質[9]。

本研究以羊奶粉、小麥胚芽粉和富硒酵母為原料，以感官評分作為評價指標，通過單因素實驗和響應面分析，確定富硒發酵羊乳飲料的最佳加工工藝及配方，為工業化生產提供參考。

1 實驗

1.1 材料與儀器

羊奶粉，小麥胚芽粉，富硒酵母，嗜酸乳桿菌，副干酪乳桿菌，白砂糖，乳清蛋白粉，檸檬酸，羧甲基纖維素，黃原膠（符合國家標準）。

GSP-9080M B隔熱式恒溫培養箱，LDZX-50FBS型立式壓力蒸汽滅菌器，SW-CJ-1F型超凈工作臺，AL-104型精密電子天平，SRH型高壓均質機，BCD-241ZE3CKJ冰箱。

1.2 方法

1.2.1 工藝流程[10-11]

羊奶粉→溶解→小麥胚芽粉+富硒酵母+乳清蛋白粉+蔗糖→均質→脫氣→殺菌→冷卻→接種發酵→冷卻后熟→檸檬酸+羧甲基纖維素+黃原膠殺菌后混合→均質→灌裝

1.2.2 單因素實驗

分別以小麥胚芽粉添加量、富硒酵母添加量、發酵時間、發酵溫度作為自變量進行單因素實驗，每組選取5水平，對羊乳飲料進行感官評價。

（1）小麥胚芽粉添加量。嗜酸乳桿菌：副干酪乳桿菌=1∶1，富硒酵母添加量為0.50‰，發酵時間為8 h，發酵溫度為41℃條件下，小麥胚芽粉添加量分別為5%、7%、9%、11%、13%，以感官評價得分為指標，確定小麥胚芽粉的添加量。

（2）富硒酵母添加量。嗜酸乳桿菌：副干酪乳桿菌=1∶1，小麥胚芽粉添加量為9%，發酵時間為8 h，發酵溫度為41℃條件下，富硒酵母添加量分別為0.18‰、0.34‰、0.50‰、0.66‰、0.82‰，以感官評價得分為指標，確定富硒酵母的添加量。

（3）發酵溫度。嗜酸乳桿菌：副干酪乳桿菌=1∶1，小麥胚芽粉添加量為9%、富硒酵母添加量為0.50‰，發酵時間為8 h，發酵溫度分別為37，39，41，43，45；以感官評價得分為指標，確定發酵溫度。

（4）發酵時間。嗜酸乳桿菌∶副干酪乳桿菌=1∶1，小麥胚芽粉添加量為9%、富硒酵母添加量為0.50‰，發酵溫度為41℃，發酵時間分別為4，6，8，10，12；以感官評價得分為指標，確定發酵時間。

1.3 響應面試驗設計

為綜合考慮各因素對羊乳飲料的影響，在單因素實驗的基礎上，根據Box-Behnken的中心組合設計原理，以羊乳飲料的感官評價得分為優化指標，以小麥胚芽粉添加量、富硒酵母添加量、發酵溫度和發酵時間作為響應變量，分別以X1，X2，X3和X4表示，并以-1，0，1分別代表變量的水平，以感官評價得分Y作為響應量，通過Design-Expert 8.0.6軟件進行響應曲面優化，試驗設計如表1所示。

表1 響應曲面實驗設計因素水平及編碼

1.4 硒質量分數檢測

檢測方法參照GB 5009.93-2017《食品安全國家標準食品中硒的測定》進行。

1.5 滴定酸度的測定

滴定酸度的測定按照GB 5009.239-2016的方法測定，結果以°T示。

1.6 感官評價標準

感官評價由10名（男女比例為1∶1）經過感官評價訓練、有經驗的評定員，進行評定。分別從滋味、色澤、凝固狀態、氣味這四個方面對羊乳飲料進行感官評分[12]，滿分100分，通過得分高低來評判產品的優劣。感官評價標準如表2所示。

表2 感官評價標準

2 結果與分析

2.1 單因素實驗結果

2.1.1 小麥胚芽粉添加量的確定

由圖1可以看出，當小麥胚芽粉的添加量為5%～9%時，隨著添加量的增加，羊乳飲料感官評價得分逐漸升高，且當添加量為9%時，滴定酸度達到最大值，羊乳飲料感官評價得分最高。此時，小麥胚芽粉可以提供適量的糖類物質，有助于促進乳酸菌發酵，羊乳飲料的酸度等品質達到較優水平。當小麥胚芽粉添加量大于9%時，滴定酸度降低，可能由于發酵液含糖量過高，乳酸菌發酵受到抑制，乳酸生成量減少，羊乳飲料感官評價得分逐漸降低[13]。因此，小麥胚芽粉的最佳添加量為9%。

圖1 小麥胚芽粉添加量對羊乳飲料品質的影響

2.1.2 富硒酵母添加量的確定

由圖2可知，當富硒酵母的添加量為0.18～0.50‰時，隨著添加量的增加，滴定酸度逐漸升高，羊乳飲料感官評價得分逐漸升高，且在添加量為0.50‰時，羊乳飲料感官評價得分最高。當富硒酵母添加量超過0.50‰時，滴定酸度逐漸下降，羊乳飲料的感官評價得分逐漸下降。在羊乳發酵過程中添加適量富硒酵母，可以加速發酵，增加乳酸生成量，提高乳飲料的酸度。但隨著富硒酵母的用量增加，羊乳中營養供應不足，會影響富硒酵母的生長，從而會影響發酵程度，使乳飲料的酸度降低。當富硒酵母用量過大時，富硒酵母的生長受到抑制，同時富硒酵母含有的特殊氣味會影響羊乳飲料的感官評價得分[14-16]。因此，富硒酵母的最佳添加量為0.50‰。

圖2 富硒酵母添加量對羊乳飲料品質的影響

2.1.3 發酵溫度的確定

由圖3可知，當發酵溫度為37～41℃時，隨著發酵溫度的升高，羊乳飲料的滴定酸度升高，羊乳飲料的感官評價得分逐漸升高，這可能是由于乳酸菌體內參與的代謝活動的酶活性逐漸增強，乳酸菌代謝增強，乳酸菌分解乳糖產生的乳酸含量增加，逐漸形成乳飲料特有的發酵風味，從而使得羊乳飲料的感官評價得分逐漸增加；當發酵溫度超過41℃時，參與乳酸菌體內代謝活動的酶隨溫度的升高活性逐漸降低，乳酸菌分解乳糖產生的乳酸不足，乳飲料酸度下降、風味不佳，使得羊乳飲料的感官評價得分下降[17]。因此，最佳發酵溫度為41℃。

圖3 發酵溫度對羊乳飲料品質的影響

2.1.4 發酵時間的確定

由圖4可知，當發酵時間為4～8 h時，隨著發酵時間的延長，羊乳飲料的滴定酸度和感官評價得分逐漸增大，感官評價得分于發酵時間為8 h時達到最大值。分析可能在8 h時乳酸菌發酵產酸量適中，羊乳飲料組織狀態良好，酸度適中。當發酵時間超過8 h時，滴定酸度持續增加，由于乳酸菌過度發酵，產酸過多，導致羊乳飲料酸味太重，組織狀態不好，有顆粒狀結構，有較多的乳清析出，感官評價得分逐漸降低[18]。因此，最佳發酵時間為8 h。

圖4 發酵時間對羊乳飲料品質的影響

2.2 響應面優化試驗

2.2.1 回歸模型的建立及方差分析

在單因素實驗的基礎上，根據Box-Behnken試驗設計原理，選取小麥胚芽粉添加量（X1）、富硒酵母添加量（X2）、發酵溫度（X3）及發酵時間（X4）進行4因素3水平的響應面分析，以感官評價得分（Y）為測量指標，結果如表3所示。

采用Design-Expert 8.0.6軟件對表3數據進行多元回歸擬合，由此可求出影響因素的一次效應、二次效應、及其交互效應的關聯式，得到二次多項回歸模型為

對該模型的方差分析結果見表4。由表4可知，回歸模型的F=43.37，P＜0.0001，表明發酵羊乳飲料的感官評價得分與4個因素之間的回歸方程極顯著。失擬項P＞0.05，說明模型可靠。模型的校正系數R2=97.75%，說明該方程擬合程度良好。模型的修正系數R2Adj=95.49%，表明該模型較好地反映了各因素的關系。模型的一次項 X1，X2，X3，X4；交互項 X1X2，X1X4，的 P值均小于0.01，達極顯著水平，二次項X12的P值小于0.05，達顯著水平，交互項X1X3的P值大于0.05，不顯著。根據主因素F值的大小，得各因素對羊乳飲料感官評分影響的主次順序為：富硒酵母添加量（X2）＞小麥胚芽粉添加量（X1）=發酵溫度（X3）＞發酵時間（X4）。

2.2.2 響應面分析

根據上述回歸方程及回歸模型方差分析表繪出雙因子效應分析圖，如圖5。兩因素之間的影響基本呈拋物線型關系，且均有一個極大值點，變化趨勢是先增大后減小。對二元多次回歸模型進行分析并求解，得羊乳飲料的最佳制作工藝條件為：小麥胚芽粉添加量為10.73%，富硒酵母添加量為0.44‰，發酵溫度為42.09℃，發酵時間為7.95 h。此時，羊乳飲料的理論感官評價評分為86.21分

表3 響應面分析方案及實驗結果

表 4方差分析

圖5 各兩因素交互作用對羊乳飲料影響的響應曲面

2.2.3 最優工藝及驗證實驗

為驗證模型的可靠性，采用優化后的工藝條件進行驗證試驗，同時考慮到實際操作的可行性，將工藝參數修正為：小麥胚芽粉添加量為11%、富硒酵母添加量為0.44‰、發酵溫度為42℃、發酵時間為8 h。在修正條件下進行3次平行試驗，制得羊乳飲料的感官評價得分為86.10分，與預測值86.21分基本吻合。此時，羊乳飲料呈現淡黃色，顏色均一，有濃郁羊奶香味和麥芽清香，組織狀態細膩，酸甜適宜。說明采用響應面法優化羊乳飲料的生產工藝準確可靠，對生產企業來說，具有很好的參考意義。

3 結論

以羊奶粉、小麥胚芽粉及富硒酵母作為原料制備富硒發酵羊乳飲料，并對其加工工藝及配方進行研究。通過單因素實驗和響應面分析，確定嗜酸乳桿菌：副干酪乳桿菌的添加比例為1∶1，小麥胚芽粉添加量為11%，富硒酵母添加量為0.44‰，42℃條件下發酵8 h，制備所得的富硒發酵羊乳飲料硒含量為145μg/kg，符合GB14880《食品營養強化劑使用衛生標準》規定含乳飲料中硒的使用量為50～200μg/kg。每天飲用適量該發酵羊乳飲料，能夠有效提高人體免疫力，預防多種疾病。