基于響應面法優化紅參酸乳工藝研究

尹智彥，韓梅，林紅梅，李佳思，楊利民

（吉林農業大學，吉林 長春 130118）

紅參為人參（Panax Ginseng C.A.Meyer）栽培品經蒸制后的干燥根和根莖[1]，除了含有常規皂苷，還產生了 Rg3、20（R）-Rg2、Rg5[2]、Rg6等特有皂苷[3]。在藥用價值方面，紅參可以作為哮喘、阿爾茲海默癥和預防結腸炎相關癌癥的潛在治療藥物[4-6]。而在食品領域，紅參產品也日趨豐富，如紅參多糖飲料[7]、拐棗子紅參壓片[8]和紅參石榴膠原蛋白肽復合飲品[9]等。

酸奶是以牛奶為原料，經巴氏殺菌后發酵制成的一款乳制品，具有改善睡眠[10]、緩解原發性高血壓[11]、維護腸道菌群生態平衡[12]、提升免疫力[13]和延緩衰老[14]等功效。此外，由于益生菌對原料乳中乳糖和蛋白質的轉化及分解，不僅提高了營養物質的消化利用率而且增加了VB2、VB6等次生代謝產物[15-16]。

為提高酸奶的保健價值，促進中草藥在食品領域的應用，本研究將紅參與牛乳結合研制紅參酸乳，采用Plackett-Burman試驗和響應面試驗確定紅參酸乳的最佳工藝，以期為促進紅參在食品領域的應用與開發提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紅參（四年生）、白砂糖、牛奶：市售；菌粉（10菌型）：昆山佰生優生物科技有限公司。

無水乙醇、冰乙酸、濃硫酸、酒石酸鉀鈉、氯化鈉硼酸、鹽酸、乙酸鋅、硫酸鉀、亞鐵氰化鉀、氫氧化鈉、硫酸銅（均為分析純）：北京化工廠；MRS培養基、MC培養基：青島海博生物技術有限公司；改良MRS培養基配套試劑：廣東環凱微生物科技有限公司；甲醇、乙腈（均為色譜純）：安徽天地高純溶劑有限公司。

1.2 儀器與設備

全自動凱氏定氮儀（K9860）：山東海能科學儀器有限公司；電子天平（AUY220）、可見分光光度計（UV-1700）：日本島津儀器有限公司；電熱鼓風干燥箱（ZX-9070MBE）：上海博迅實業有限公司；電熱數顯恒溫水浴鍋（DK-S28）：上海精宏試驗設備有限公司；高壓蒸汽滅菌鍋（GI54DWS）：廈門致微儀器有限公司；高效液相色譜儀（1260 infinityⅡ）：安捷倫科技（中國）有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 工藝流程

純牛奶→60℃預熱→添加白砂糖和紅參粉→均質（均質袋）→60℃滅菌30 min→冷卻→添加菌粉→恒溫發酵→4℃，后熟12 h→成品

1.3.2 單因素試驗

在前期試驗的基礎上，確定純牛奶300 mL，選取不同紅參粉添加量（1.5、3.0、4.5、6.0、7.5、9.0 g）、菌粉添加量（0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 g）、白砂糖添加量（6、12、18、24、30、36 g）、發酵時間（4、6、8、10、12、14 h）及發酵溫度（35、37、39、41、43、45 ℃）進行單因素試驗，采用主成分分析法對脂肪、酸度、持水力、蛋白質、蔗糖、嗜熱鏈球菌、雙歧桿菌、乳桿菌、感官評分共9個指標進行綜合分析，確定發酵條件。

1.3.3 Plackett-Burman試驗

將菌粉添加量、白砂糖添加量、紅參粉添加量、發酵時間和發酵溫度作為考察因素，感官評分作為響應值，進行Plackett-Burman試驗設計見表1。

表1 Plackett-Burman試驗因素水平Table 1 Plackett-Burman test factor level

1.3.4 響應面試驗

以單因素試驗和Plackett-Burman試驗為基礎，選擇因素A、B和C作為自變量，感官評分（Y）作為因變量進行響應面試驗（Box-Behnken）設計見表2。

表2 Box-Behnken試驗因素水平Table 2 Box-Behnken test factor level table

1.3.5 紅參酸乳品質評價

將相同條件下未添加參粉的酸乳作為對照（CK），與紅參酸乳進行品質對比，測定指標包括人參皂苷、脂肪和蛋白質等。

1.3.5.1 指標測定

脂肪含量測定參照GB 5009.6—2016《食品安全國家標準食品中脂肪的測定》[17]；蔗糖含量測定參照GB 5009.8—2016《食品安全國家標準食品中果糖、葡萄糖、蔗糖、麥芽糖、乳糖的測定》[18]；酸度參照GB 5009.239—2016《食品安全國家標準食品酸度的測定》[19]；蛋白質含量測定參照GB 5009.5—2016《食品安全國家標準食品中蛋白質的測定》[20]；非脂乳固體含量測定參照GB 5413.39—2010《食品安全國家標準乳和乳制品中非脂乳固體的測定》[21]；微生物測定參照GB 4789.35—2016《食品安全國家標準食品微生物檢驗乳酸菌檢驗》[22]；人參皂苷測定采用超聲提取-高效液相色譜法[23]。

1.3.5.2 感官評價

選10位同學對紅參酸乳的色澤、組織狀態和滋味、氣味進行綜合評分[24]，取均值，具體標準見表3。

表3 紅參酸奶感官評分標準Table 3 Sensory score criteria of red ginseng yogurt

1.4 數據分析

利用 IBM SPSS Statistics 25.0、Design-Expert 8.0.6、WPS Office等軟件進行數據分析及圖表繪制。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 菌粉添加量的確定

主成分分析是利用降維的方式，旨在將多個指標轉化為少數綜合指標的一種多變量數據最佳綜合簡化方法[25]。不同菌粉添加量主成分分析結果見表4。

表4 不同菌粉添加量綜合指標系數及貢獻率Table 4 Comprehensive index coefficient and contribution rate of different bacterial powder

由表4可知，主成分1、主成分2和主成分3的貢獻率分別為37.18%、28.37%、18.71%，累積貢獻率達到84.26%，其特征值分別為3.35、2.55和1.68。綜合評價值（D值）見圖1。

圖1 不同菌粉添加量的綜合評價值Fig.1 Comprehensive evaluation value of different bacterial powder supplemental levels

如圖1所示，不同菌粉添加量的最高綜合評價值為0.66，因此確定1.5 g為適宜菌粉添加量。

2.1.2 白砂糖添加量的確定

不同白砂糖添加量主成分分析結果見表5，綜合評價值（D值）見圖2。

表5 不同白砂糖添加量綜合指標系數及貢獻率Table 5 Comprehensive index coefficient and contribution rate of different white sugar powder

圖2 不同白砂糖添加量綜合評價值Fig.2 Comprehensive evaluation value of different addition amounts of granulated sugar

由表5可知，主成分1和主成分2的累積貢獻率為77.88%，其中主成分1的貢獻率所占比重較大為54.26%。如圖2所示，18 g白砂糖所對應綜合評價值最大，故選擇18 g為適宜白砂糖添加量。

2.1.3 發酵時間的確定

不同發酵時間主成分分析結果表6，綜合評價值（D值）見圖3。

表6 不同發酵時間綜合指標系數及貢獻率Table 6 Different fermentation time comprehensive indicator coefficient and contribution rate

圖3 不同發酵時間綜合評價值Fig.3 Comprehensive evaluation value of different fermentation time

由表6可知，主成分1的貢獻率和特征值分別為40.25%、3.62，主成分2的貢獻率和特征值分別為30.43%、2.74，主成分3的貢獻率和特征值分別為18.04%、1.62。如圖3所示，最大綜合評價值為0.95，故適宜發酵時間為6 h。

2.1.4 發酵溫度的確定

不同發酵溫度主成分分析結果見表7，綜合評價值（D值）見圖4。

由表7可知，主成分1和主成分2的累積貢獻率為75.39%，解釋了75%以上的信息。結合主成分1和2可知，發酵溫度對酸度、感官、乳桿菌和雙歧桿菌影響較大。如圖4所示，選擇最大綜合評價值所對應的39℃為適宜發酵溫度。

表7 不同發酵溫度綜合指標系數及貢獻率Table 7 Different fermentation temperature comprehensive indicator coefficients and contribution rates

圖4 不同發酵溫度綜合評價值Fig.4 Comprehensive evaluation value of different fermentation temperatures

2.1.5 紅參粉添加量的確定

不同紅參粉添加量主成分分析結果見表8，綜合評價值（D值）見圖5。

圖5 不同紅參粉添加量綜合評價值Fig.5 Comprehensive evaluation value of different red ginseng powder supplemental levels

表8 不同紅參粉添加量綜合指標系數及貢獻率Table 8 Comprehensive index coefficient and contribution rate of different red ginseng powder

續表8 不同紅參粉添加量綜合指標系數及貢獻率Continue table 8 Comprehensive index coefficient and contribution rate of different red ginseng powder

由表8可知，主成分1的貢獻率和特征值分別為60.26%和5.42；主成分2的貢獻率和特征值分別為22.37%和2.01。由圖5可知，不同紅參粉添加量的最大綜合評價值為0.76，故適宜紅參粉添加量為9.0 g。

2.2 Plackett-Burman試驗

在單因素試驗的基礎上進行Plackett-Burman試驗，結果見表9、表10。

表9 Plackett-Burman試驗結果Table 9 Plackett-Burman test results

表10 Plackett-Burman方差分析Table 10 Variance analysis of Plackett-Burman

由表10可知，該模型顯著（P<0.05），表明建立模型有意義。結合F值和P值可知，紅參粉添加量和發酵時間對酸乳的感官評分影響顯著，而菌粉添加量、發酵溫度和白砂糖添加量未達到顯著影響，表明其對于酸乳感官評分影響較小。因此結合單因素試驗及F值、P值大小，綜合選擇A′、C′和D′共3個因素進行響應面設計。

2.3 響應面試驗

2.3.1 響應面試驗結果

結合上述試驗，將感官評分作為響應值，進行三因素三水平的響應面優化試驗（Box-Behnken）。試驗結果見表11、表12。

表11 Box-Behnken試驗結果Table 11 Box-Behnken test results

表12 Box-Behnken方差分析Table 12 Variance analysis of Box-Behnken

利用Design-Expert 8.0.6對表11數據進行分析得到該模型的二次多元回歸方程為Y=86.84+3.43A-1.15B+0.98C-0.80AB+0.25AC-2.70BC-2.54A2-2.19B2-4.64C2。

由表12可知，模型極顯著（P＜0.01），失擬項不顯著（P＞0.05）；相關系數 R2=0.974 0、校正決定系數 R2Adj=0.940 6，以上數據表明模型具有較高擬合度。在該回歸模型中，因素A、交互項BC及二次項A2、B2、C2的P值均小于0.01，影響極顯著；因素B、C的P值分別為0.0183和0.035 7，小于0.05，表明影響顯著。根據3個因素的F值可知，各因素對紅參酸乳感官評分的影響順序依次為A＞B＞C，即發酵時間＞紅參粉添加量＞菌粉添加量。

2.3.2 響應面分析圖

響應面分析圖是由響應值和試驗因素組成的立體曲面圖，因素間交互作用對紅參酸乳的響應面圖見圖6。

由圖6可知，響應曲面皆開口向下，表明感官評分隨著發酵時間、菌粉添加量和紅參粉添加量各因素的增加而先增大后減小，表明存在感官評分最大值。其中紅參粉添加量和菌粉添加量交互作用的響應面曲圖較陡，且等高線呈現橢圓形，表明紅參粉添加量與菌粉添加量交互作用對酸乳感官評分影響極顯著。經分析可得，紅參酸乳的優化工藝為紅參粉添加量8.12 g、發酵時間7.56 h、菌粉添加量1.65 g，感官評分預測值為88.656。

圖6 各因素間交互作用對感官評分的影響Fig.6 The effect of interaction between factors on sensory scores

2.3.3 驗證試驗

根據實際操作，將工藝參數調整為紅參粉添加量8.1 g、菌粉添加量1.7 g和8 h的發酵時間，取3次驗證試驗的均值為88.2與預測值接近，表明工藝參數的可行性。

2.4 紅參酸乳品質評價

紅參酸乳理化指標對比見表13，微生物指標對比見表14。

表14 紅參酸乳微生物指標對比Table 14 Comparison of microbial indicators of red ginseng yogurt

由表13、表14可知，紅參酸乳的各項理化指標、微生物指標均符合國家發酵乳標準，且優于同等條件CK。

紅參酸乳皂苷含量見圖7。

圖7 紅參酸乳皂苷含量Fig.7 The content of ginsenoside in red ginseng yogurt

如圖7所示，紅參酸乳與水溶液的皂苷種類相同，但含量有所不同。紅參酸乳中Rb1含量為2.19mg/g、Rb2含量為 0.95 mg/g、Rc 含量為 1.20 mg/g、Rh2含量為0.07mg/g、Rg3含量為 0.23mg/g、Rg1+Re含量為 2.51mg/g。此外，皂苷Rd含量增加了37.84%，為1.52 mg/g。

3 結論

本文通過單因素試驗、Plackett-Burman試驗和響應面試驗對紅參酸乳工藝進行研究，最佳工藝為8.1 g紅參粉、1.7 g菌粉、18 g白砂糖加入300 mL牛奶，于39℃恒溫發酵8 h。該工藝所得酸乳不僅酸甜適宜，且風味獨特。此外，紅參粉的添加不僅增加了酸乳的營養價值，同時使其兼具了中藥活性成分的功效，為人參在食品領域的應用提供方向。