黑芝麻螺旋藻復合營養乳飲料成型工藝優化

曾佩琴，劉靈杰，龍肇謀，韋艷萍，陀海燕，譚梔恩，羅春花，莫麗萍，劉雅婷，覃柳馨，陳衛衛，3，*，傅鵬，*，王志升

（1.廣西中醫藥大學，廣西南寧530001；2.三亞學院，海南三亞572000；3.南京本末生物科技有限公司，江蘇南京210000；4.南方黑芝麻集團股份有限公司，廣西南寧530001）

植物蛋白飲料（vegeable protein drinks）是指采用富含蛋白質的植物種子或植物組織，經過加工得到的混合的、單純的飲品，其屬于植物營養補充飲料的一種。植物營養補充飲料憑借其營養均衡和養生文化理念在現代社會深受大眾喜愛。目前的飲料消費趨勢顯示[1-2]，消費率較高的飲品之一的是能提供某些補充功能的復配型植物營養飲料，其中蛋白類營養飲品占的比例最高，植物蛋白類飲料的開發具有很高潛力。市場上現銷售的植物蛋白類營養飲料的品牌較多，但是產品種類相似，以黑芝麻為主螺旋藻為輔開發的蛋白飲料在市場上較為少見。在食品領域，螺旋藻因其具有較高的優質蛋白含量很早就被開發使用，營養較豐富，其蛋白質含量高達60%～70%；同時具有減輕癌癥化療、放療的毒副作用反應，提高免疫力、降血脂等功效。黑芝麻有較成熟的食品加工開發歷史，具有健胃、保肝、促進紅細胞生長，同時還有增加人體黑色素有利于頭發生長的功效[3-4]，現在仍然是副食代餐的熱點，但產品形式單一，無法滿足市場的多元化需求，因此以黑芝麻和螺旋藻相結合的植物蛋白飲料的研究具有較高的價值。

本試驗以黑芝麻和螺旋藻為原料，輔以食品乳化穩定劑促進穩定[5-8]，與其它材料按工藝方法制備復合營養乳飲料，關鍵點在于對螺旋藻的多次脫腥，并掩蓋螺旋藻的不良氣味，并采用星點設計-效應面法，優選最佳制備工藝，以感官評分和沉淀率總評“歸一值”作為評價指標。星點設計-效應面法優特點就在于考察范圍連續性更強，試驗結果更加精準，更能接近真實值。

1 材料與方法

1.1 儀器

FLJ-010型高速攪拌機：廣東中山市海盤電器有限公司；HWS-28型電熱恒溫水浴鍋：上海齊欣科學儀器有限公司；KQ3200B超聲儀：江蘇昆山市超聲儀器有限公司；LD2X-75KBS型立式壓力蒸汽滅菌鍋：上海申安醫療器械廠；FA25立式乳勻機：上海弗魯克流體機械制造有限公司；DFY-100型高速粉碎機：浙江溫嶺市林大機械有限公司；GZX-9420-MBE型電熱恒溫鼓風干燥箱：上海博迅實業有限公司醫療設備廠；WF-18型連續式超微粉碎機：浙江溫州頂歷醫療器械有限公司。

1.2 材料與試劑

黑芝麻：南方黑芝麻公司，批號20170301；螺旋藻粉：寧波市鎮海區明特藍藻有限公司，批號2015427；白砂糖：市售，批號20180101；羧甲基纖維素鈉：食品級，重慶市力宏精細化工有限公司，批號20160511；β-環糊精：食品級，郁南縣永光環糊精有限公司，批號20160102；高活性酵母：山東圣琪生物有限公司，批號SK0155；一水葡萄糖：食品級，吉林嘉吉生化有限公司，批號6900771000275。

1.3 試驗方法

1.3.1 飲料的制備

高速粉碎黑芝麻混合螺旋藻粉，置于65℃烘箱烘4 h，不黏托盤時取出，超微粉碎后置于65℃烘箱烘4 h。取適量黑芝麻螺旋藻粉，加水調配成15%的漿液備用，使用時再稀釋成需要的濃度。取適量黑芝麻螺旋藻混合漿，加水調配至需要的體積濃度，用超聲儀超聲破壁10 min，使螺旋藻中的腥味物質逸出，加入0.4%的酵母、4%的一水葡萄糖之后移入28℃的恒溫水浴鍋中培養脫腥1.5 h[9-12]?；旌蠞{脫腥后加入β-環糊精、白砂糖掩蓋不良氣味，高速攪拌機攪打后用4層細紗布過濾，濾液加入蔗糖脂肪酸酯、蒸餾單硬脂酸甘油酯、黃原膠、海藻酸丙二醇酯、羧甲基纖維素鈉，再次攪打使輔料充分混勻溶解，混合液均質5 min。乳飲料調配均質后灌裝經121℃滅菌的玻璃瓶中，封口，于105℃滅菌鍋中滅菌30 min，待鍋內氣壓完全降下后取出冷卻，進行感官評分以及沉淀率的測定。

因使用單一乳化穩定劑的成型效果不理想，考慮使用兩種或兩種以上的乳化劑，復配加以增稠劑的混合乳化穩定劑，比單一乳化劑、增稠劑具有更好的乳化效果和更佳的乳化穩定性[13-19]。以此進行工藝配比篩選試驗，得出最佳工藝條件。

1.3.2 評價指標

1.3.2.1 沉淀率測定

稱取搖勻的一定量（m）的樣品，用臺式離心機在4 000 r/min離心15 min，棄去上層清液，稱得沉淀的質量（m1），沉淀率/%=m1/m × 100。

1.3.2.2 感官評價

感官評價指標及評分標準見表1。

表1 感官評價指標及評分標準Table 1 Sensory evaluation indexes and scoring criteria

1.3.3 單因素試驗

1.3.3.1 原料配比

黑芝麻與螺旋藻的配比比例擬用50∶1、50∶2.5、50 ∶5、50 ∶10、50 ∶20（質量比），根據單因素試驗結果確定原料配比的最佳范圍。試驗結果見表2。

表2 原料配比感官評價及沉淀率Table 2 Sensory evaluation and precipitation rate of raw material proportion

由表2可以看出，從50∶1比例開始，隨著原料配比用量增加，沉淀率先下降后上升。

1.3.3.2 原料用量

原料稀釋用量濃度為1%、2%、3%、4%、5%，根據單因素試驗確定最佳使用濃度。試驗結果見表3。

由表3結果可以看出，隨著原料濃度的增加，成品沉淀率亦隨之上升；沉淀率與感官評價分不成正比，原料用量1%～5%進而保留，使用星點試驗設計進一步對比試驗。

表3 原料用量感官評價及沉淀率Table 3 Sensory evaluation and precipitation rate of raw material consumption

1.3.3.3 白糖用量

白糖添加量為2%、3%、4%、5%、6%，根據單因素試驗結果確定蔗糖的使用范圍。試驗結果見表4。

表4 白糖使用量感官評價及沉淀率Table 4 Sensory evaluation and precipitation rate of amount of white sugar

由表4可以看出，4%的使用量感官評價最高，但沉淀率偏高，5%、6%的使用量感官評分相等，沉淀率相差不大。

2 結果與分析

2.1 試驗設計

在單因素試驗研究基礎上，根據星點方法設計原理，選取黑芝麻與螺旋藻配比范圍X1（2.5∶1～50∶1）（質量比）、原料用量范圍X2（1%～5%）、白糖用量范圍X3（2%～6%）為考察因素。以感官評價和沉淀率為評價指標，采用Design Expert 8.0.6統計軟件，每個指標均標準化的用Hansan分別轉化為0～1的總評“歸一值（overall desirability，OD）”，按OD=（d1×d2…dk）1/k（k為指標數）計算，按星點設計-效應面法三因素五水平表進行試驗，因素水平編碼見表5，試驗安排及結果見表6。

2.2 模擬擬合

將所得數據用Design-Expert 8.0.6軟件進行效應面試驗分析，以各考察指標的總評OD值為效應值，對各因素進行多元線性回歸和二次項擬合，多元線性回歸擬合方程為Y=-0.029 384+8.609 98×10-3X1-4.89860×10-3X2+0.055 571X3（r＝0.277 4，P＞0.05），二次項擬合方程為Y=-1.604 68+0.062 098X1-0.293 01X2+0.695 19X3-8.699 55×10-3X1X2-6.478 54×10-3X1X3-3.558 95×10-3X2X3-2.809 58×10-3X12+0.088 452X22-0.057 360X32（r＝0.933 8，P＜0.01）。從擬合方程的相關系數可知，由于多元線性回歸方程的r較低，自變量與因變量之間線性相關性較差，回歸擬合度不佳，預測性較差，因此不適宜選用多元線性方程進行擬合；二次項擬合方程r較高，擬合效果較好，所以選用二項式方程進行擬合。

表5 黑芝麻螺旋藻復合營養乳飲料配方工藝星點試驗因素水平Table 5 Factors influencing the formulation of black sesame Spirulina compound nutrition milk beverage

表6 黑芝麻螺旋藻復合營養乳飲料配方工藝星點試驗及結果Table 6 Central composite design and effect surface methodology of black sesame Spirulina compound nutrition milk beverage

2.3 方差分析

方差分析結果見表7。

由表7可知，二項式回歸方程失擬檢驗不顯著，說明未知因素對試驗結果干擾很小，模型擬合檢驗高度顯著，說明該方程與實際情況擬合很好，較好地反映了考察指標總評OD值與黑芝麻與螺旋藻配比、原料用量、白糖用量的關系。原料配比與交叉項X1X2、X1X3、二次項X22、X32對總評OD值的影響極顯著，白糖用量影響顯著。

表7 回歸模型方差分析結果Table 7 Regression model analysis of variance

2.4 效應面優化和預測

根據Design-Expert 8.0.6，繪制總評OD值與各自變量間的效應曲面圖（見圖1、圖2、圖3），通過這些可以直觀反映各因素交互作用對響應值的影響，從圖中直觀的看出，3個曲面都處于上升狀態，不存在最大值。各用量響應面曲線走勢越陡，切線斜率變化越快，說明該因素對工藝影響率越大，從圖中直觀看出，影響率大小為：黑芝麻與螺旋藻配比＞白糖用量＞原料用量。當黑芝麻與螺旋藻配比在2.5∶1～50∶1（質量比）、原料用量在1%～5%、白糖用量在2%～6%，根據上述二次項回歸方程，得出優化條件：黑芝麻與螺旋藻配比為50∶1.24（質量比），原料用量為1.81%，白糖用量為3.73%；可預測出總評OD值為0.705?？紤]大生產實際，為保證簡便可行，確定黑芝麻螺旋藻復合營養乳飲料成型工藝為黑芝麻與螺旋藻配比為50∶1.2（質量比），原料用量為1.8%，白糖用量為3.7%。

圖1 原料配比和原料用量對總評歸一值影響的效應面圖Fig.1 Effect surface ratio of raw material ratio and raw material consumption on total evaluation normalization value

圖2 原料配比和白糖用量對總評歸一值影響的效應面圖Fig.2 Effect surface ratio of raw material ratio and sugar content on total evaluation normalization value

圖3 原料用量和白糖用量對總評歸一值影響的效應面圖Fig.3 The response surface diagram of the influence of raw material consumption and sugar content on the general evaluation normalization value

2.5 驗證試驗

根據星點設計-效應面法優選出的最佳工藝條件，結合實際生產條件進行驗證試驗。驗證結果見表8。

表8 驗證試驗結果Table 8 Verification test results

采用上述優化配比方案與上述試驗相同的其他條件，實際測得OD值為0.775，與理論預測值0.705的偏差率為-9.93%。結果表明，所建立的數學模型具有較好的預測性，所選的工藝條件重現性較好。

3 結果與討論

在工藝中螺旋藻[20]超微粉的添加量對成品香氣、余味有一定影響，添加量越多，越難去除藻腥味，形成微苦的澀味，可以考慮添加香精之類的添加劑[21]，掩蓋不良氣味形成其他風味，但是考慮到成品的適用性，實際是否需要添加視工藝兼容性決定。

黑芝麻添加量在本工藝中不變，但是黑芝麻與螺旋藻混合粉比例不同及原料用量不同對成品色澤與香氣亦有影響，原料比例中螺旋藻越少，芝麻香氣在入口時越容易察覺。乳化穩定劑[22-23]可以使成品呈均勻穩定的狀態，但是穩定劑發揮效果除去本身固有效果外，還與配制時的操作有關，經過試驗，本工藝所使用的所有乳化穩定劑在純水中的自溶性均不好。因此，在試驗進行時加入乳化穩定劑后使用高速攪拌機攪打，促進溶化，羧甲基纖維素鈉（carboxymethylcellulose sodium，CMC-Na）在冷水中溶化時間較長，加入冷水后置于水浴鍋上加熱可促進溶解。

以單因素試驗為基礎，通過星點設計-效應面法驗證試驗優化飲料的制備工藝。根據星點設計驗證試驗結果可知，黑芝麻與螺旋藻配比的最佳用量為50∶1.2（質量比），原料用量為1.8%，白糖用量為3.7%；星點設計-效應面優化法對黑芝麻螺旋藻復合營養乳飲料工藝研究的試驗指標具有較好的優選性和預測性。