響應面法優化蹄筋酸奶凍配方

關嘉琦,柯楚新,黃 鶴,李柏良,焦雯姝,冷友斌,霍貴成,*

(1.東北農業大學,乳品科學教育部重點實驗室,黑龍江哈爾濱 150030; 2.黑龍江省疾病預防控制中心,黑龍江哈爾濱 150030; 3.黑龍江飛鶴乳業有限公司,北京 100015)

酸奶具有較高營養價值,酸奶中的益生菌、氨基酸、肽類、有機酸、細胞壁外多糖、無機鹽等易被人體消化吸收、為人體提供營養,還可以調節人體腸道的微生物菌群,具有預防疾病等多種保健功效[1-2]。

膠原蛋白是皮膚真皮層的主要成分,占人體總蛋白質含量的三分之一。目前,國內外對膠原蛋白的研究主要側重于膠原蛋白的物理特性及其在生物學功能方面的應用,例如在相紙底片、化妝品、食品等方面的應用[3-4]。隨著人們對食品的營養性、功能性、保健性等方面要求的提高,以膠原蛋白為主要原料研制而成的、具有美容功效的食品逐漸進入人們的視野[5-7]。

果凍是通過溶膠、調配、注模、包裝等工序制成的一種膠凍食品[8],近年來,以纖維素等營養強化類以及以藥材作為原料的創新性果凍產品日益豐富[9-12]。果凍生產最重要的原料就是凝結劑,目前國內市場上較為常見的果凍、雙皮奶等制品多用瓊脂(植物性多聚糖)、卡拉膠等使產品凝固,此外還有魔芋膠、黃原膠等,添加方式分單一凝結劑和復配凝結劑[9]。瓊脂、明膠等雖均可用作凝結劑,但在國內西藏等畜牧業發達的地域不易獲得、運輸成本較高。另外瓊脂雖在穩定食品結構方面起作用,但質地較脆,組織較粗糙,且易脫水以致產品收縮[13]。卡拉膠常用于凝膠狀態的乳制品中,但獲得的產品組織狀態不夠細膩,pH4.0以下時極易被酸解。相反,以牛蹄筋中提取的膠原為凝結劑,既可提供豐富優質的營養成分,又可提高酸奶貯藏性與感官質量。制作成本低的蹄筋酸奶凍產品,具有較高創新性、實用價值以及市場前景。

本文以酸奶為原料,以牛蹄筋中提取的膠原蛋白為凝結劑,通過單因素實驗和Box-Behnken響應面分析優化蹄筋酸奶凍生產配方,以期為牛蹄筋等副產物再利用提供參考價值,為乳制品加工提供新思路。

1 材料與方法

1.1 材料及儀器

牛蹄筋 市售;純牛乳 內蒙古伊利實業集團股份有限公司;保加利亞乳桿菌LactobacillusbulgaricusKLDS1.0207 乳品科學教育部重點實驗室;嗜熱鏈球菌LactobacillusacidophilusKLDS1.0901 乳品科學教育部重點實驗室;蔗糖 大連閩一品商貿有限公司;小蘇打 銅柏博源新型化工有限公司;食醋 上海鼎豐釀造食品;食品級無水檸檬酸 河北格貝達生物科技有限公司;喜之郎酸奶味果凍 陽江喜之郎果凍制造有限公司。

ZA220R4型電子分析天平 上海贊維衡器有限公司;PHS-2C型數顯臺式酸度計 深圳市寶安區三諾儀器儀表經營部;DZKW-4型恒溫水浴鍋 林茂科技(北京)有限公司;TA-XT plus型物性測試儀 英國Stable Micro Systems公司;LRH-150B型生化培養箱 廣東省醫療器械廠;LGBCD180型冰箱 海信容聲冰箱有限公司;SHP-60-60型高壓均質機 上海科技技術大學機電廠;C21-SDHCB66T型蘇泊爾電磁爐 浙江蘇泊爾。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品制備 酸奶凍[14]工藝流程如下:

鮮奶預處理→預熱→均質→熱處理→冷卻→接種發酵劑→發酵→冷卻→灌裝→攪拌型酸奶

牛蹄筋挑選→修整、漂洗→切塊→脫脂→清洗→中和→漂洗→熬制→過濾→膠液

攪拌型酸奶+蔗糖、檸檬酸+膠液→混合→攪拌→冷卻成型→后熟→成品

牛蹄筋預處理過程采用胡文娥等[15]的方法,并稍作改動。將牛蹄筋修整切塊,浸于60～80 ℃的2%小蘇打溶液,攪拌10 min,純凈水清洗2次,用5%的食醋水溶液浸泡清洗,凈水沖洗1～2 次。根據試驗比例加水熬制4 h,其間不斷加水保持膠液含水量恒定,過濾去除殘渣。

原料乳于60～65 ℃,20～25 MPa條件下均質,后升溫至90～95 ℃并保持5 min[16]。無菌環境下,將兩種乳酸菌按1∶1比例接種,接種量為1‰,42～43 ℃培養25～30 h。當酸乳完全凝固(pH4.2～4.5)時,將溫度于30 min內緩慢降至15～22 ℃[17],充分攪拌,0～7 ℃冷藏24 h。根據試驗比例將膠液、蔗糖與無水檸檬酸混合并充分攪拌,0～4 ℃靜置12 h。

1.2.2 質構特性測定 利用TA-XT plus型物性測試儀對樣品進行TPA測試[18]。模式:TPA質構分析;探頭:A/BE圓盤探頭,盤徑35 mm;夾具:TA-BT-KI;觸發點負載:7 g;形變量為50%;循環次數:2;預測試速度:2 mm/s;測試速度:1 mm/s;返回速度:1 mm/s。每個樣品重復測試5 次,結果取平均值。

1.2.3 感官評價 由10 名感官鑒評員針對樣品的色澤、風味、口感和組織形態進行感官評定,評分標準見表1[19]。

表1 膠原蛋白酸奶凍感官評定標準Table 1 Sensory score standard of collagen yogurt jelly

1.2.4 可溶性固形物含量及pH的測定 按照GB 5009.237-2016《食品安全國家標準-食品pH的測定》[31]以及GB/T 10786-2006《中華人民共和國國家標準-罐頭食品的檢驗方法》[20]的方法分別測定酸奶凍的pH和可溶性固形物含量。

1.2.5 微生物指標的測定 按照GB 4789.15-2016《食品微生物學檢驗霉菌和酵母計數》[23]、GB 4789.3-2016《食品微生物學檢驗大腸菌群計數》[22]、GB 4789.2-2016《食品微生物學檢驗菌落總數測定》[21]的方法測定酸奶凍的霉菌和酵母的數量、大腸菌群、菌落總數。

1.3 試驗設計

1.3.1 單因素實驗設計

1.3.1.1 膠液添加量對酸奶凍的影響 酸奶凍制備流程依據1.2.1,以0.10%的無水檸檬酸添加量與15%的蔗糖添加量作為固定量,分別在加入20%、30%、40%、50%、60%膠液條件下進行試驗,按1.2.2及1.2.3方法,得到感官評分、硬度、彈性、咀嚼性指標,確定膠液添加量。

1.3.1.2 蔗糖對酸奶凍品質的影響 酸奶凍制備流程依據1.2.1,以40%的膠液添加量與0.10%的無水檸檬酸添加量作為固定值,分別在添加5%、10%、15%、20%、25%蔗糖條件下進行試驗,按1.2.2及1.2.3方法,得到感官評分、硬度、彈性、咀嚼性指標,確定蔗糖添加量。

1.3.1.3 無水檸檬酸對酸奶凍品質的影響 酸奶凍制備流程依據1.2.1,以40%的膠液添加量與15%的蔗糖添加量作為固定值時,分別在無水檸檬酸添加量為0.08%、0.09%、0.10%、0.11%、0.12%條件下進行試驗,按1.2.2及1.2.3方法,得到感官評分、硬度、彈性、咀嚼性指標確定蔗糖添加量。

1.3.2 響應面優化試驗設計 基于單因素實驗結果,利用Box-Behnken分析建立模型[24],將膠液添加量(%)A、蔗糖添加量(%)B和無水檸檬酸添加量(%)C設置為變量,以感官評分及彈性為指標,試驗的自變量因素編碼及水平見表2。

表2 響應面試驗因素水平表Table 2 Factors and levelsTable of response surface experiments

1.3.3 酸奶凍的質量評價 按照響應面優化試驗得到的最優條件完成樣品制備,按照1.2.2及1.2.3的方法測定其質構特性以及感官質量,將其與喜之郎酸奶味果凍進行比較。其理化、微生物指標按照1.2.4及1.2.5的方法測定。

1.3 數據處理

借助Design-Expert 8.0.6軟件設計試驗、分析數據、建立二次模型,利用擬合回歸方程,分析響應曲面,以此得出最佳變量水平,借助F值考察模型及因素的顯著性(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗

2.1.1 膠液添加量對酸奶凍的影響 綜合感官評分、硬度、彈性、咀嚼性四個方面評價產品的品質,得出結果見圖1。

圖1 膠液添加量對酸奶凍的影響Fig.1 Effect of collagen adding amount on yogurt jelly quality

由圖1知,隨膠液添加量提高,酸奶凍的硬度、彈性、咀嚼性均增大。原因是當膠液添加量提高時,體系中可以形成更多包有水分的三維網絡結構,分子緊密排列,結構穩定[25],故其彈性、硬度等會逐漸提高。然而數值過大,則會影響感官質量,可見彈性只有在一定范圍內增大才可提高酸奶凍質量。結合感官質量測試,上述實驗說明膠液添加量在40%時,具有最令人愉悅的品質,因此在優化膠液添加量時選擇40%為中心點。

2.1.2 蔗糖添加量對酸奶凍的影響 綜合感官評分、咀嚼性、硬度、彈性四個方面評價產品品質,結果見圖2。

圖2 蔗糖添加量對酸奶凍的影響Fig.2 Effect of sucrose adding amount on yogurt jelly quality

由圖2可知,隨著蔗糖濃度不斷增加,酸奶凍的彈性、硬度、咀嚼性以及感官評分先增大后減小,峰值在蔗糖添加量為15%時取得,這與梁曉娟等研究成果[19]一致。原因是蔗糖濃度增加,其分子的水化作用增強,自由水減少,凝膠的三維網絡結構更致密。若繼續增加,分子間交聯被阻礙,凝膠的彈性及咀嚼性受無凝膠作用的蔗糖分子影響而降低[26]。當蔗糖添加量達到15%時,甜度最適,過高或過低均影響感官質量。綜上,確定加入15%蔗糖為最適,在優化蔗糖添加量時選擇15%為中心點。

2.1.3 無水檸檬酸添加量對酸奶凍的影響 綜合感官評分、硬度、彈性、咀嚼性四個方面評價產品的品質,結果見圖3。

圖3 無水檸檬酸添加量對酸奶凍的影響Fig.3 Effect of citric acid adding anhydrous amount on yogurt jelly quality

由圖3可知,隨著無水檸檬酸濃度提高,酸奶凍的硬度、彈性、咀嚼性以及感官評分均先增大后減小,峰值在添加量為0.10%時取得。這是由于無水檸檬酸的加入可掩蓋蹄筋膠液的腥味,提升感官質量,但同時它的加入也會造成體系的酸堿性發生變化,使得膠原被酸解,破壞其緊密排列的三維網絡分子結構,從而導致彈性下降。綜上,最適無水檸檬酸添加量為0.10%,在優化無水檸檬酸添加量時選擇0.10%為中心點。

2.2 響應面試驗結果與分析

2.2.1 模型建立與方差分析 基于上述單因素實驗,考慮到彈性、咀嚼性和硬度之間存在相關性,且趨勢基本相同[27],又由于彈性指標更具代表性,故以彈性(y1)、感官評分(y2)為響應值,以膠液、蔗糖、無水檸檬酸添加量(%)為因素,使用Box-Behnken試驗設計進行響應面分析。試驗設計及結果見表3,表中A、B、C分別代表各因素的編碼值。

表3 響應面試驗設計及結果Table 3 Experimental results of response surface analysis

2.2.1.1 以彈性為響應值 借助Design-Expert 8.0.6軟件,對表3中數據進行多元線性回歸擬合,得到彈性對膠液、蔗糖、無水檸檬酸添加量(%)的二次多項回歸方程模型為:

y1=0.98+0.12A+0.018B-2.75×10-3C-0.013AB+5.75×10-3AC+4.25×10-3BC+0.012A2-0.048B2-0.049C2

方差分析見表4,回歸模型的F值為103.59,差異極顯著(P<0.01),失擬項差異不顯著(P>0.05),說明方程誤差小,擬合度高。一次項A、B，二次項B2、C2對彈性的影響均達到極顯著水平(P<0.01)。由各參數F值的大小可知，膠液添加量(%)、蔗糖添加量(%)、無水檸檬酸添加量(%)對酸奶凍彈性影響程度依次降低。

表4 響應面結果方差分析Table 4 ANOVA of response surface results

由表5可知,預測R2為0.9010,說明該模型預測性良好。系數R2為0.9925,校正R2為0.9830,說明此模型與實際實驗擬合程度較高。變異系數為1.34%,低于5%,說明方程有良好的重現性。由信噪比為29.966,遠大于4,可見模型可信度較高。

表5 R2綜合分析Table 5 Analysis of R2

2.2.1.2 以感官評分為響應值 以感官評分為響應值,使用Design-Expert 8.0.6軟件分析表3中的試驗數據,獲得如下回歸方程:y2=89.2+3A+3.12B+4.38C-3.25AB+4.25AC-4BC-13.6A2-13.35B2-7.35C2

由表6知,回歸模型的F值為24.35,差異極顯著(P<0.01),失擬項差異不顯著(P>0.05),說明方程誤差小,擬合度較高。一次項C，二次項A2、B2、C2對彈性的影響均達到極顯著水平(P<0.01),一次項A、B對彈性的影響均達到顯著水平(P<0.05)。由各參數F值的大小可知無水檸檬酸添加量(%)、蔗糖添加量(%)、膠液添加量(%)對酸奶凍感官評價影響程度依次降低。

表6 響應面結果方差分析Table 6 ANOVA of response surface results

由表7可知,系數R2為0.9690,校正R2為0.9292,說明此模型與實際實驗擬合程度較高。表中變異系數為4.56%,低于5%,表明方程的重現性良好。信噪比為14.229,遠高于4,說明模型有較高的可信度。因此,該模型可用來分析預測響應值的變化規律。

表7 R2綜合分析Table 7 Analysis of R2

圖8 因素BC交互作用對酸奶凍感官評價影響的響應曲面與等高線圖Fig.8 Response surface and contour map of the influence of factor B and C interaction on the sensory score of yogurt jelly

2.2.2 響應面分析與優化 利用Design-Expert 8.0.6軟件,在回歸方程y1、y2的基礎上,響應曲面及等高線圖(圖4～圖9)進一步反映了各因素間交互作用對酸奶凍彈性及感官特性影響[28-30]。響應曲面陡峭,說明因素對響應值影響較大。橢圓形的等高線圖代表兩因素間有顯著交互作用,反之則呈圓形[19]。

圖4 因素AB交互作用對酸奶凍彈性影響的響應曲面與等高線圖Fig.4 Response surface and contour map of the influence of factor A and B interaction on the elasticity of yogurt jelly注：a:響應曲面;b:等高線圖;圖5～圖9同。

圖9 因素AC交互作用對酸奶凍感官評價影響的響應曲面與等高線圖Fig.9 Response surface and contour map of the influence of factor A and C interaction on the sensory score of yogurt jelly

由圖4～圖6可知,在所考察因素膠液添加量范圍內,彈性響應值隨因素升高而升高,中心位于所考察區域外,說明回歸方程無極大值。結合擬合回歸方程可知,膠液添加量A(%)對酸奶凍的彈性(y1)影響最大,且彈性將隨著膠液添加量(%)的增加而增大。而對于因素蔗糖添加量、無水檸檬酸添加量的交互作用及對彈性的影響如圖5所示,凹曲面向下開口,說明存在極大值。然而,彈性指標只能反映出產品的質構方面特性,僅以彈性作為單一指標來評價酸奶凍品質不夠全面,彈性過大有可能導致感官品質降低,因此,另以感官評價作為指標,綜合反映酸奶凍品質。

圖5 因素BC交互作用對酸奶凍彈性影響的響應曲面與等高線圖Fig.5 Response surface and contour map of the influence of factor B and C interaction on the elasticity of yogurt jelly

圖6 因素AC交互作用對酸奶凍彈性影響的響應曲面與等高線圖Fig.6 Response surface and contour map of the influence of factor A and C interaction on the elasticity of yogurt jelly

由圖7～圖9可知,在所有考察因素范圍內,隨著各因素的增加,響應值感官評分(y2)均先增大再減小。響應曲面向下開口,等高線中心均位于考察區域中心,說明方程有極大值。

圖7 因素AB交互作用對酸奶凍感官評價影響的響應曲面與等高線圖Fig.7 Response surface and contour map of the influence of factor A and B interaction on the sensory score of yogurt jelly

通過Design-Expert 8.0.6軟件分析得到酸奶凍最佳配方為:膠液、蔗糖、無水檸檬酸添加量分別為43.12%、15.49%、0.11%。此時,酸奶凍的彈性理論值為0.987,感官評價得分的理論值為90.2307,近似于單因素實驗的結果,這也進一步證明試驗模型是可行的。為使實際操作具有可行性,取整處理,將最佳工藝條件調整為膠液、無水檸檬酸、蔗糖添加量為43%、0.11%、15.5%。此時,制作的酸奶凍的彈性為0.945,與預測值接近度達到95.74%,酸奶凍的感官評價得分為86,與預測值接近度達到95.31%;表明回歸方程模型可用于研究酸奶凍加工工藝。

2.3 酸奶凍的質量指標

2.3.1 質構特性與感官質量 在上述最優條件下制備蹄筋酸奶凍,測定其的質構特性以及感官質量,將其與喜之郎酸奶味果凍進行比較,結果如表8所示。

表8 酸奶凍的質構特性與感官質量Table 8 Texture characteristics and sensory quality of collagen yogurt jelly

由表8可知,酸奶凍彈性、硬度、咀嚼性略低于市售果凍,但具備較好感官品質。在該最優條件下制得的成品色澤光亮,成凍完整,質地均勻,酸奶味濃郁,無異味,酸甜度好,口感細膩。

2.3.2 理化、微生物指標 在最優條件下制備蹄筋酸奶凍,測定其理化、微生物指標,結果如表9所示。

表9 酸奶凍的理化、微生物指標Table 9 Physicochemical and biological indicators of collagen yogurt jelly

由表9可知,在最優條件下制備蹄筋酸奶凍理化、微生物指標符合國家規定,可為蹄筋酸奶凍產品開發提供參考。

3 結論

本實驗以酸奶為原料,提取牛蹄筋中的膠原蛋白作為凝結劑制成酸奶凍產品。通過單因素試驗設計以及Box-Behnken響應面分析原理建立了彈性、感官評分對膠液添加量(%)、蔗糖添加量(%)、無水檸檬酸添加量(%)的模型,確定了回歸方程y1、y2。酸奶凍的質構品質以及感官質量與工藝之間并非簡單的線性關系,而存在顯著交互作用。最終確定蹄筋酸奶凍的最優配方為:膠液添加量為43%,蔗糖添加量為15.5%,無水檸檬酸添加量為0.11%。此時,制作的酸奶凍彈性為0.945,感官評分為86,具有良好的質構特性與感官品質,其理化、微生物指標均符合國家標準。