響應面法優化胡蘿卜-發酵藍莓奶片的工藝研究

吳虹艷,孔令姝,趙家樂,譚思敏,李艾黎

(東北農業大學食品學院,黑龍江哈爾濱 150030)

藍莓(blueberry)又稱越橘,屬于娟花科(Ericaceae)越橘屬(Vaccinium.spp),多年生落葉或常綠灌木[1]。藍莓鮮果中含有多種人體必需的氨基酸、微量元素和生物活性物質,被世界衛生組織認為是抗氧化性最強的水果之一[2],尤其是果實中含有的鞣花酸、紫檀芪等成分,具有防治高血壓、疏通毛細血管等特殊功效,被譽為“漿果之王”[3-4]。

胡蘿卜(Daucuscarota),又名紅根、金筍,屬傘形科(Umbelliferae)草本植物[5],原產于歐洲及西亞,現廣泛分布于世界各地,其肉質根供食用和藥用,素有“小人參”之稱[6]。其富含的β-胡蘿卜素具有解毒作用,在抗癌、預防心血管疾病及抗氧化方面有顯著的功效[7],被視為菜中上品。

藍莓中花青素含量豐富,具有較強的抗氧化能力。研究表明,在對藍莓汁進行發酵處理后,由于多酚和多糖等因素的共同作用,總抗氧化能力進一步得到提升[8-9]。據此,研究藍莓在發酵過程中總抗氧化能力的變化,并將藍莓發酵液的凍干粉應用于產品加工工藝中具有一定的實際意義。近年來,隨著果蔬干燥脫水和凍干技術的研究不斷深入,果蔬粉壓制產品的品質也不斷提高,如劉笑茹等[10]研究了藍莓枸杞咀嚼片的制備,張雁等[11]研究了胡蘿卜奶片的制備,但將藍莓與胡蘿卜結合以制備奶片的研究尚未見報道。本研究擬將奶粉、胡蘿卜粉和藍莓凍干粉結合,制備出胡蘿卜-發酵藍莓奶片。該奶片具有新鮮果蔬的色、香、味,為果蔬資源的利用提供了新途徑[12],且保有一定的抗氧化能力,具有很高的推廣價值。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

植物乳桿菌 山東中科嘉億生物工程有限公司;干酪乳桿菌 廣東環凱微生物科技有限公司;總抗氧化能力(T-AOC)測定試劑盒 齊一生物科技有限公司;藍莓 黑龍江藍寶貝食品有限公司;脫脂奶粉、胡蘿卜粉、麥芽糖醇、檸檬酸、硬質酸鎂、麥芽糊精 廣州匯健生物科技有限公司。

BS-224S電子天平 德國Sartorius公司;無菌操作臺 蘇州安泰空氣技術有限公司;LD-Y400A高速萬能粉碎機 上海頂帥電器有限公司;搖擺式顆粒機 山東青州精誠機械廠;MJ-BL25B26多功能榨汁機 美的集團有限公司;V型混料器 上海宿嘉機械設備有限公司;TDP-5單沖壓片機 上海天祥制藥機械有限公司;DNP-9272型電熱恒溫培養箱 上海精宏試驗設備有限公司;FD5-3型冷凍干燥機 美國SIM公司;FCD-291XE冰柜 海爾集團。

1.2 試驗方法

1.2.1 發酵藍莓凍干粉的制備 藍莓→清洗榨汁→調配殺菌→接種發酵→冷卻→預凍→真空冷凍干燥→凍干粉

1.2.3 操作要點 將藍莓清洗后榨汁,加入1.5倍體積的水混合,于80 ℃殺菌10 min。干酪乳桿菌與植物乳桿菌按1∶2的比例以5%的添加量接種于藍莓汁中,于35 ℃發酵25 h。藍莓發酵液于-55 ℃預凍7.5 h后,再進行真空冷凍干燥32 h,獲取藍莓凍干粉。將藍莓凍干粉與胡蘿卜粉按1∶1的比例混合制成果蔬粉,再將奶粉與果蔬粉按2∶1的比例放入混料器內,攪拌10～15 min至完全均勻。緩慢加入70%乙醇溶液作為濕潤劑,加入量控制在5%以使軟材適合制粒。將制好的軟材于顆粒機中進行造粒,以20目篩網粉碎整粒。向干燥顆粒中加入7.5%麥芽糖醇、0.3%檸檬酸和0.5%硬脂酸鎂,物料混合均勻后于壓片機中進行壓片。壓力控制在58～65 MPa,最后經滅菌處理后得到成品。

1.2.4 藍莓發酵條件的單因素實驗 在確定發酵藍莓的最佳條件時,測定條件為固定反應條件為發酵溫度35 ℃、發酵時間25 h,考察不同菌種添加量(1%、2%、3%、4%、5%)對藍莓發酵液總抗氧化能力的影響;固定反應條件為發酵溫度35 ℃、菌種添加量5%,考察不同發酵時間(10、15、20、25、30 h)對藍莓發酵液總抗氧化能力的影響;固定反應條件為發酵時間25 h、菌種添加量5%,考察不同發酵溫度(25、30、35、40、45 ℃)對藍莓發酵液總抗氧化能力的影響。

1.2.5 藍莓發酵條件的正交試驗 采用L9(33)正交試驗對藍莓發酵條件進行篩選,各因素的三個水平采用1、2、3進行編碼,如表1。

表1 藍莓發酵正交因素水平設計Table 1 Factors and levels of orthogonal experiments for blueberry fermentation

1.2.6 藍莓發酵液總抗氧化能力的測定 進行總抗氧化能力測定時設置測定管和對照管,按總抗氧化能力(T-AOC)測定試劑盒使用說明書上的方法測定其吸光值,總抗氧化能力的計算公式為:

式中:ODU為測定管吸光度值,ODC為對照管吸光度值,N為反應體系稀釋倍數(反應液總體積/取樣量),n為樣本測試前稀釋倍數。

1.2.7 奶片工藝配方的單因素實驗 在確定奶片配方工藝時,測定條件為固定反應條件為麥芽糖醇添加量7%、檸檬酸添加量0.3%,考察奶粉與果蔬粉的不同比例(1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1)對奶片感官評分的影響;固定反應條件為麥芽糖醇添加量7%、奶粉∶果蔬粉=2∶1,考察不同檸檬酸添加量(0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%)對奶片感官評分的影響;固定反應條件為奶粉∶果蔬粉=2∶1、檬酸添加量0.3%,考察不同麥芽糖醇添加量(3%、5%、7%、9%、11%)對奶片感官評分的影響。

1.2.8 奶片工藝配方的Box-Benhnken中心組合試驗設計 在單因素實驗的基礎上,每個因素選取三個對奶片感官評分影響較大的水平,建立三因素三水平的Box-Benhnken中心組合試驗,以感官評分為響應值,各因素的水平采用-1、0、1進行編碼,如表2。

表2 Box-Behnken試驗設計因素水平表Table 2 Factors and levels of the Box-Behnken experiment design

1.2.9 感官評定 根據產品的風味、外觀和口感,邀請十名有一定相關經驗的品評員,對產品進行感官評定,以所得平均分作為各評價指標的最終得分,感官評定標準見表3。

表3 奶片的感官評定標準Table 3 Sensory evaluation criteria of milk tablet

1.3 數據處理

所有試驗數據重復3次,取平均值。采用Origin 8.0軟件和Design Expert 10.0.7軟件進行作圖分析和數據處理。

2 結果與分析

2.1 藍莓發酵條件的單因素實驗

2.1.1 發酵溫度對總抗氧化能力的影響 由圖1可知,總抗氧化能力隨發酵溫度的增加呈先增大后降低的趨勢,發酵溫度為35 ℃時,總抗氧化能力達到最大值,之后隨發酵溫度的增加而迅速下降,這是由于高溫造成了花色苷的熱降解和多酚物質的氧化,同時破壞了酶蛋白,導致酶失去活性,使其抗氧化能力降低[13-14]。因此，發酵溫度選擇為35 ℃。

圖1 發酵溫度對總抗氧化能力的影響

2.1.2 菌種添加量對總抗氧化能力的影響 由圖2可知,總抗氧化能力隨菌種添加量的增加呈現出先迅速增加后緩慢增加的趨勢。當菌種添加量小于2%時,總抗氧化能力增加明顯,菌種添加量為5%時,總抗氧化能力達到最大值。研究表明,酚類物質是果蔬中的主要抗氧化成分[15],隨著接種量的增大,發酵液中的酶類水解生成游離多酚,抗氧化作用增強。因此，菌種添加量選擇3%、4%、5%進行正交試驗。

圖2 菌種添加量對總抗氧化能力的影響

2.1.3 發酵時間對總抗氧化能力的影響 由圖3可知,總抗氧化能力隨發酵時間的增加呈先增大后降低的趨勢,發酵時間為25 h時,總抗氧化能力達到最大值,之后隨發酵時間的增加而迅速下降。在發酵過程中,可能會產生羰基化合物等風味老化物質,使花青素發生氧化、聚合和沉淀等反應[16-17],使總抗氧化能力發生變化。因此，發酵時間選擇15、20、25 h進行正交試驗。

圖3 發酵時間對總抗氧化能力的影響

2.2 藍莓發酵條件正交試驗結果及數據分析

從表4可以看出,影響藍莓發酵條件的主次因素是:發酵溫度>菌種添加量>發酵時間,藍莓發酵條件的最佳工藝為:菌種添加量5%,發酵溫度35 ℃,發酵時間25 h。此條件下,藍莓發酵液的總抗氧化能力為230.158 U/mL,保有較高的營養價值。

表4 藍莓發酵的正交試驗設計及結果Table 4 Results and analysis of orthogonal experiments for blueberry fermentation

2.3 奶片工藝配方的單因素實驗

2.3.1 奶粉∶果蔬粉對奶片的影響 由圖4可以看出,奶粉∶果蔬粉=2∶1時,奶片的感官評分最高,具有天然的奶香味,并附有果蔬的清香;當奶粉∶果蔬粉<2∶1時,奶味不足;當奶粉∶果蔬粉>2∶1時,其奶香味過于濃厚,掩蓋了果蔬的清香,使感官評分呈下降趨勢,將奶粉與果蔬粉比例為1∶1、2∶1、3∶1作為響應面試驗的水平。

圖4 奶粉與果蔬粉配比對奶片感官評分的影響

2.3.2 麥芽糖醇添加量對奶片的影響 由圖5可以看出,麥芽糖醇添加量為7%時,奶片的感官評分最高,此時口感酸甜適宜,硬度適中;當麥芽糖醇添加量低于7%時,奶片味道偏于平淡;當麥芽糖醇添加量高于7%時,奶片口感過于甜膩,使感官評分呈下降趨勢。因此,將麥芽糖醇添加量5%、7%、9%作為響應面試驗的水平。

圖5 麥芽糖醇添加量對奶片感官評分的影響

2.3.3 檸檬酸添加量對奶片的影響 由圖6可以看出,檸檬酸添加量為0.3%時,奶片酸甜爽口,風味最好,感官評分最高;當檸檬酸添加量<0.3%時,添加量越少,奶片口感越偏于甜膩;當檸檬酸添加量>0.3%時,奶片酸度增加,并伴有苦澀味,口感變差。因此,將檸檬酸添加量0.2%、0.3%、0.4%作為響應面試驗的水平。

圖6 檸檬酸添加量對奶片感官評分的影響

2.4 BBD試驗結果及數據分析

2.4.1 BBD試驗設計方案及結果 根據單因素實驗的結果,由Design-Expert 10.0.7 統計分析軟件設計出的試驗方案及試驗結果如表5所示,以感官評分為響應值,以奶粉∶果蔬粉(A)、麥芽糖醇添加量(B)、檸檬酸添加量(C)為自變量,建立三因素三水平中心組合試驗設計共包括17組試驗方案。

表5 Box-Behnken 試驗設計與結果Table 5 Box-Behnken experimental design and results

2.4.2 回歸方程擬合及方差分析 采用Design-Expert 10.0.7 系統軟件對所得數據進行回歸分析,回歸分析結果見表6,對各因素回歸擬合后,得到回歸方程:

表6 回歸模型及方差分析Table 6 Analysis of variance of regression equation

Y=36.35000+14.17500A+5.88750B+148.25000C-5.21465E-015AB+7.50000AC-1.25000BC-3.95000A2-0.36250B2-270.00000C2

由表6知,影響感官評分因素按主次順序排列為:麥芽糖醇添加量(B)>檸檬酸添加量(C)>奶粉∶果蔬粉(A)。同時可知,AC的p值<0.05,奶粉∶果蔬粉與檸檬酸添加量對產品的影響存在交互作用,并對產品的影響顯著。由設計試驗所得的響應面曲面圖如圖7～圖9所示。

圖7 奶粉與果蔬粉比例和麥芽糖醇添加量對感官評分交互作用影響的響應面和等高線圖

2.4.3 響應面圖分析 為進一步研究各因素交互作用,利用Design-Expert 10.0.7 統計軟件繪制響應面和等高線分析圖,從圖7～圖9中可以較明顯地分析出多個自變量對響應值的影響以及響應值對不同自變量變化的敏感程度[18]。由圖7可知,奶粉∶果蔬粉(A)和麥芽糖醇添加量(B)的交互作用不顯著,相比于奶粉∶果蔬粉,感官評分受麥芽糖醇添加量影響較大。由圖8可知,奶粉∶果蔬粉(A)和檸檬酸添加量(C)的交互作用顯著,相比于奶粉∶果蔬粉,感官評分受檸檬酸添加量影響較大。由圖9可知,麥芽糖醇添加量(B)和檸檬酸添加量(C)的交互作用不顯著,相比于麥芽糖醇添加量,感官評分受檸檬酸添加量影響較大。

圖8 奶粉與果蔬粉比例和檸檬酸添加量對感官評分交互作用影響的響應面和等高線圖

2.4.4 驗證試驗 利用Design Expert 10.0.7軟件對試驗模型進行分析,得到奶片的最佳制備條件為奶粉∶果蔬粉=2.07,麥芽糖醇添加量為7.63%,檸檬酸添加量為0.29%,預測感官評分為94.612,為了驗證響應面優化模型的準確性,在方便操作的基礎上,調整工藝驗證參數為奶粉∶果蔬粉=2∶1,麥芽糖醇添加量為7.5%,檸檬酸添加量為0.3%,進行驗證試驗。實際測得的感官評分為95分,與預測值接近,說明回歸方程可以反映各因素對奶片制作工藝的影響,具有實用價值。

3 結論

通過藍莓發酵條件正交試驗結果及數據分析可知,藍莓發酵條件的最佳工藝為菌種添加量5%、發酵溫度35 ℃、發酵時間25 h。此條件下,藍莓發酵液的總抗氧化能力為230.158 U/mL,總抗氧化能力較藍莓發酵前提高了33.18%,保有較高的營養價值。用響應面法對奶片的工藝配方進行優化,建立了感官評分的回歸模型,由該模型優化的奶片加工工藝配方為奶粉∶果蔬粉=2∶1、麥芽糖醇添加量為7.5%、檸檬酸添加量為0.3%。此條件下,奶片的感官評分為95分,與模型預測結果相近,驗證了該模型的可靠性。在該工藝條件下制備胡蘿卜-發酵藍莓奶片酸甜適中,奶香醇厚,為奶片市場的進一步開發提供了科學依據。