基于大豆胚芽的固體飲料研制及沖調穩定性優化

王才立，張釗，劉忠平，張兆興，李翠芳，魏涵偉

山東嘉華生物科技股份有限公司（聊城 252400）

谷物的胚芽在種籽中有特殊的生理作用，具有特殊的組成成分和營養價值。大豆胚芽從大豆中分離出來，占大豆總量的2.0%～2.5%，具有很高的營養價值，約含40%蛋白質、10%脂肪[1]。此外，大豆胚芽中還含有約3%大豆異黃酮，14%低聚糖，以及植物甾醇、大豆皂苷、磷脂等多種功能性營養成分[2]。自20世紀80年代以來，國外對大豆胚芽的研究與開發日漸深入，尤其是美國和日本在這方面的研究就更為活躍，如日本開發大豆胚芽茶[3]，美國也開發出富含大豆異黃酮的大豆胚芽食品[4]，國內對大豆胚芽的研究起步較晚，該試驗獨創性地開發彌補這方面的短板，在同行業中處于領先地位。

大豆胚芽作為大豆的精華部分，是大豆營養物質所在的重要部位，主要提供胚芽油、異黃酮等各種營養活性物質[5]。以大豆胚芽為核心原料，經過甄選清理提純，采用獨特的氣流膨化工藝進行熟化，使其酥脆、豆香濃郁、浸泡溶出效果好且色澤宜人，更適用于人體保健。在此基礎上，將熟化后的胚芽精研磨成細粉[6]，更能釋放特有香味，搭配專用大豆分離蛋白粉、南瓜粉等功能營養成分進行完美配伍，制成高附加值的胚芽速溶固體飲品，不僅具有良好的風味與口感，還可充分發揮功能成分的營養特性，使其得到高值化的全利用。

大豆胚芽具有很強的苦澀味和豆腥味[7]，因此，采用創新工藝解決大豆胚芽口感、風味等問題，將其進行高值化全利用，加工成大豆胚芽風味固體飲品，延長大豆深加工的產業鏈，不僅可改善全民的營養健康水平，同時也為大豆加工企業的資源綜合利用提供一條有效途徑。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

精選大豆胚芽（山東嘉華生物科技股份有限公司）；固體飲料專用大豆分離蛋白（山東嘉華生物科技股份有限公司）；南瓜粉（天津秀谷生物科技發展有限公司）；低聚異麥芽糖（德州保齡寶生物科技股份有限公司）；可溶性大豆多糖（山東聚源生物科技有限公司）；魔芋粉（湖北強森魔芋科技有限公司）；羧甲基纖維素鈉（CMC-Na，山東森美生物科技有限公司）。

1.2 儀器與設備

大豆胚芽篩分系統（非標，山東嘉華生物科技股份有限公司）；JE1002電子天平（上海浦春計量儀器有限公司）；FJ-200高速分散均質機（上海標本模具廠）；XSS-QPD氣流膨化機（武漢新食尚食品機械有限公司）；YG-10L三維立體混合機（深圳進杰工業設備有限公司）；HK-860超微粉碎機（廣州市旭朗機械設備有限公司）；DXD-F70粉體自動包裝機（莘縣華強立誠包裝機械有限公司）；燒杯、量筒等玻璃器皿（均為市售）。

1.3 試驗方法

1.3.1 大豆胚芽沖調固體飲料制作工藝流程

大豆胚芽的精選→大豆胚芽的熟化處理→大豆胚芽粉初步研磨→原料預混合→原料超微粉碎→原料二次混合→包裝

1.3.2 注意事項

采用國產非轉基因大豆，經過調質破碎使豆皮、胚芽與豆瓣分離，經篩分、精選得到高純化的大豆胚芽，大豆胚芽含量在95%以上。將經過精選純化的大豆胚芽放入膨化機中，經過膨化機均勻加熱5～15 min，保持膨化壓力0.1～0.4 MPa，然后迅速釋放壓力，在此過程中大豆胚芽經過熟化，去除豆腥味，并產生濃郁的獨特香味。將膨化好的大豆胚芽冷卻至常溫。將熟化后的大豆胚芽經過內部消毒殺菌處理的超微粉碎機初步研磨成粉，即為大豆胚芽粉。將大豆胚芽粉與大豆分離蛋白、低聚異麥芽糖、南瓜粉及穩定劑混合后再次進行精細研磨，倒入三維立體混合機中進行混合均勻，將混合好的物料通過自動包裝機進行包裝。

1.4 大豆胚芽沖調粉基本配方的研制

1.4.1 單因素試驗

在前期大量試驗的基礎上，選擇具有營養健康、低糖保健等功效的食品配料，經過初步感官評價與營養分析，選擇較好的配料配比，以這些配比數據為基礎進行上下浮動取點，通過單因素試驗，確定合適的輔料添加范圍。

選擇大豆分離蛋白添加量（15%，20%，25%，30%和35%）、南瓜粉添加量（5%，10%，15%，20%和25%）、低聚異麥芽糖添加量（5%，10%，15%，20%和25%）3個指標進行單因素試驗，以大豆胚芽固體飲料感官評定為評價標準，確定各因素對大豆胚芽沖調粉口感的影響。

1.4.1.1 大豆分離蛋白添加量對大豆胚芽固體飲料感官評價影響

在600 g大豆胚芽粉中添加20%低聚異麥芽糖、10%南瓜粉，考察大豆分離蛋白添加量分別為15%，20%，25%，30%和35%時對大豆胚芽沖調固體飲料感官評價的影響。

1.4.1.2 南瓜粉添加量對大豆胚芽固體飲料感官評價影響

在600 g大豆胚芽粉中添加25%大豆分離蛋白、20%低聚異麥芽糖，考察南瓜粉添加量分別為5%，10%，15%，20%和25%時對大豆胚芽沖調固體飲料感官評價的影響。

1.4.1.3 低聚異麥芽糖添加量對大豆胚芽固體飲料感官評價影響

在600 g大豆胚芽粉中添加25%大豆分離蛋白、10%南瓜粉，考察低聚異麥芽糖添加量分別為5%，10%，15%，20%和25%時對大豆胚芽沖調固體飲料感官評價的影響。

1.4.2 基本配方的優化

在單因素試驗結果的基礎上，利用正交設計助手軟件進行正交試驗設計[8]，對影響感官評價的主要因素（大豆分離蛋白添加量、南瓜粉添加量及低聚異麥芽糖添加量）進行L9(33)正交試驗，設計三因素三水平試驗，共9個組合，因素水平見表1。

表1 正交試驗因素水平表 單位：%

1.5 感官評定方法

準確稱取10 g樣品，倒入200 mL、70 ℃左右的溫水中快速攪拌均勻，分到10個感官評定器皿中進行感官評定。試驗感官評審小組由10名具有豐富經驗的感官評分員組成，分別對大豆胚芽沖調固體飲料的沖調口感、氣味、沖調效果及粉體色澤等進行評定打分[9]，滿分為100分，結果取平均值，具體感官評分標準見表2。

表2 感官評價評分標準

1.6 最佳穩定劑配方的確定

1.6.1 單因素試驗

以優化后的大豆胚芽沖調粉基礎配方為原料，在前期試驗基礎上，以大豆多糖、羧甲基纖維素鈉（CMC-Na）、魔芋粉3種穩定劑進行單因素試驗，以大豆胚芽固體飲料沖調之后的穩定系數為評價標準，分別測定各因素對大豆胚芽固體飲料沖調穩定性的影響。大豆多糖添加量為2.6%，2.8%，3.0%，3.2%和3.4%，CMC-Na添加量為0.6%，0.8%，1.0%，1.2%和1.4%，魔芋粉添加量為1.5%，2.0%，2.5%，3.0%和3.5%。

1.6.1.1 大豆多糖添加量對溶解穩定性的影響

在優化后的基本配方基礎上，考察大豆多糖添加量分別為2.6%，2.8%，3.0%，3.2%和3.4%時對大豆胚芽固體飲料沖調穩定性的影響。

1.6.1.2 CMC-Na添加量對溶解穩定性的影響

在優化后的基本配方基礎上，考察CMC-Na添加量分別為0.6%，0.8%，1.0%，1.2%和1.4%時對大豆胚芽固體飲料沖調穩定性的影響。

1.6.1.3 魔芋粉添加量對溶解穩定性的影響

在優化后的基本配方基礎上，考察魔芋粉添加量分別為1.5%，2.0%，2.5%，3.0%和3.5%時對大豆胚芽固體飲料沖調穩定性的影響。

1.6.2 穩定劑配方復配優化

在單因素試驗結果的基礎上，根據Box-Behnken的中心組合試驗設計原理[10-11]，采用響應面法[12]在三因素三水平上對穩定劑配方進行復配優化。對試驗數據結果采用Design Expert 8.0.6軟件進行分析，因素和水平見表3。

表3 響應面分析因素水平表 單位：%

1.7 大豆胚芽沖調固體飲料沖調穩定性的測定

稱取10 g制作的大豆胚芽沖調固體飲料樣品，倒入盛有200 mL蒸餾水的燒杯中，攪拌均勻后，利用均質機均質1 min，將均質后的飲料均勻倒入100 mL量筒中，至100 mL刻度線，靜置沉降20 min，讀取量筒上清液的刻度，記為A，定義穩定系數F，F值越大則表明大豆胚芽粉沖調固體飲料的沖調穩定性越高，即大豆胚芽粉沖調固體飲料的沖調穩定性與其沉淀速度呈反比，按式（1）計算。

1.8 質量指標的檢測

樣品按照GB/T 29602—2013《固體飲料》、GB 7101—2015《飲料》的檢測標準進行型檢，水分按照GB 5009.3—2010《食品中水分的測定》[13]直接干燥法、蛋白含量按照GB 5009.5—2010《食品中蛋白質的測定》[14]中凱氏定氮法進行檢測，脲酶試驗按照GB/T 5009.183—2003《植物蛋白飲料中脲酶的定性測定》進行檢驗，菌落總數檢測采用GB 4789.2—2010《食品微生物學檢驗 菌落總數測定》[15]進行測定。

1.9 數據處理

通過正交助手V3.1和Origin 8.0數據處理軟件對感官評定數據和穩定劑數據進行單因素方差分析，試驗結果采用3次重復平均值±標準誤差（SE）表示；采用Design-Expert 8.0.6軟件對穩定劑復配試驗結果數據進行二次多項式擬合優化。

2 結果與分析

2.1 基本配方單因素試驗分析

2.1.1 大豆分離蛋白添加量對感官評價的影響

如表4所示，隨著大豆分離蛋白添加量的增加，大豆胚芽的固體飲料的感官評分先增大后減小，大豆分離蛋白添加量30%時感官評分達到最大值87.6分。在大豆分離蛋白添加量逐漸增加的過程中，大豆分離蛋白在大豆胚芽的固體飲料中能夠提高分散性能和爽滑口感，溶解較為充分，分散性較好，口感更加爽滑，因此感官評分逐漸增大。大豆分離蛋白添加量大于35%時，大豆分離蛋白在固體飲料中的比例太高，穩定性降低，導致沉淀分層現象出現，溶解不充分，沖調飲料出現顆粒感。因此大豆胚芽粉中添加大豆分離蛋白的比例區間選擇25%～35%。

表4 大豆分離蛋白添加量對感官評價的影響

2.1.2 南瓜粉添加量對感官評價的影響

如表5所示，隨著南瓜粉添加量的逐漸增加，大豆胚芽的固體飲料的感官評分先升高后降低，南瓜粉添加量10%時，感官評分達到最大值80.3分，隨著南瓜粉添加量的繼續增加，大豆胚芽的固體飲料的感官評分逐漸減小。南瓜粉可以在一定程度上掩蓋大豆胚芽粉的苦味，隨著南瓜粉添加量的增加，大豆胚芽粉的苦味逐漸降低，但是添加過多南瓜粉，也會導致整個體系中南瓜粉的味道過重，導致大豆胚芽的特殊香味逐漸被南瓜粉掩蓋，味道不理想。因此大豆胚芽粉中添加南瓜粉的比例區間選擇5%～15%。

表5 南瓜粉添加量對感官評價的影響

2.1.3 低聚異麥芽糖對感官評價的影響

如表6所示，隨著低聚異麥芽糖添加量的逐漸增加，大豆胚芽的固體飲料沖調后感官評分逐漸增加，低聚異麥芽糖添加量15%時，感官評分達到最大值84.6分，隨著低聚異麥芽糖添加量的繼續增加，大豆胚芽的固體飲料的感官評分有下降趨勢，但下降并非很明顯。沖調后飲料的甜度隨著蔗糖添加量的增加而增大，大豆胚芽固體飲料沖調之后除了有大豆胚芽的獨特香味，滋味更加香甜，低聚異麥芽糖添加量15%時最適宜，低聚異麥芽糖添加量超過15%時，沖調固體飲料的甜度增加。考慮到感官適口性及成本，大豆胚芽粉中添加低聚異麥芽糖的比例區間選擇15%～25%。

表6 低聚異麥芽糖添加量對感官評價的影響

2.2 基本配方優化

以感官評價為指標，采用L9(34)確定最佳添加條件，利用正交設計助手數據分析軟件得出正交試驗結果，如表7所示。

表7 正交試驗結果

各個因素對試驗指標影響的主次關系可通過極差反映，極差值越大，代表這個因素對試驗指標的影響也越大[16]。正交試驗的極差值為RA＞RB＞RC＞RD，即各因素對大豆胚芽沖調固體飲料感官評分影響的主次順序為A＞B＞C＞D，大豆分離蛋白添加量影響最大，其次是南瓜粉添加量，低聚異麥芽糖添加量的影響最小。通過感官評分的優化試驗，可以初步確定大豆胚芽沖調固體飲料的基本配方組合A2B2C1D2，即各輔料在600 g大豆胚芽粉中的添加量分別為大豆分離蛋白30%、南瓜粉10%和低聚異麥芽糖15%。但是經過正交試驗優化得出的最佳試驗組合A2B2C1D2并沒有在正交試驗表的組合內，所以需要進行3次平行試驗來驗證此組合配方的可行性。通過驗證，大豆胚芽沖調固體飲料感官評分為92.8分，大于正交試驗中的任意一組感官評分，而且大豆胚芽沖調飲料具有大豆胚芽特有的香味，甜度適中，無苦味，溶解性能好，因此A2B2C1D2組合的大豆胚芽沖調固體飲料基本配方具有可行性，即大豆分離蛋白添加量30%、南瓜粉添加量10%、低聚異麥芽糖添加量15%。

2.3 穩定劑配方單因素試驗分析

2.3.1 大豆多糖添加量對飲品穩定性的影響

如圖1所示，隨著大豆多糖添加量的逐漸增加，大豆胚芽的固體飲料穩定系數先增大后減小，在大豆多糖添加量3.2%時達到最大值86.5%。因為大豆多糖作為優良的穩定劑，可與帶正電荷的蛋白絡合，可以在蛋白分子界面形成膜，利用空間位阻來防止蛋白沉淀聚合，可以起到穩定蛋白體系的作用[17]，與CMC等穩定劑相比，大豆多糖具有黏度小的特點[18]，可在穩定蛋白的同時避免體系增稠所產生的濃厚感。所以大豆胚芽固體飲料沖調穩定性隨著大豆多糖添加量的增加而增大，大豆多糖添加量3.2%時沖調穩定性達到最高，隨著大豆多糖添加量的繼續增加，沖調穩定性有所減小，這是因為大豆多糖具有絮凝性等理化性質[19]，提高了沖調體系的絮凝效果，導致沖調之后體系發生輕微絮凝，產生分層現象，沖調穩定系數有所降低。因此選擇大豆多糖添加量3.0%，3.2%和3.4%進行穩定劑復配優化試驗。

圖1 大豆多糖添加量對飲品穩定性的影響

2.3.2 CMC-Na添加量對飲品穩定性的影響

如圖2所示，隨著CMC-Na添加量的逐漸增加，大豆胚芽的固體飲料的穩定系數先增大后減小，在CMC-Na添加量1.0%時達到最高值87.5%。隨著CMC-Na添加量的增加，在大豆胚芽固體飲料沖調體系中CMCNa可以吸附在大豆分離蛋白和大豆胚芽粉中的蛋白表面，根據吸附層的靜電排斥[20]和空間位阻原理[21]，可以維持大豆胚芽粉-蛋白膠束的穩定存在，同時CMCNa具有增稠作用，可以在一定程度上降低大豆胚芽粉顆粒的沉降速率，從而使沖調穩定性增加[22]。CMCNa添加量大于1.0%時，沖調穩定系數開始有所降低，原因可能是CMC-Na添加量過多導致體系的黏度過大，最終導致蛋白質分子間的排斥力變小，溶解性能降低，從而導致穩定性變差。根據穩定系數結果，選擇CMC-Na添加量1.0%，1.2%和1.4%進行穩定劑復配優化試驗。

圖2 CMC-Na添加量對飲品穩定性的影響

2.3.3 魔芋粉添加量對飲品穩定性的影響

如圖3所示，隨著魔芋粉添加量的增加，大豆胚芽的固體飲料的穩定系數先升高后降低，魔芋粉添加量3.0%時達到最高值90.7%。魔芋粉主要成分是葡甘聚糖，作為優良的植源水溶性膳食纖維，具有較高的吸水性，而且有黏度高、溶解快等特點[23]。魔芋粉添加太少，產品的穩定性不足，隨著魔芋粉添加量的增加，魔芋粉在沖調體系中上具有優良的穩定效果，增加沖調溶液的穩定性[24]。隨著魔芋粉添加量的繼續增加，添加量大于3.0%后，沖調穩定系數開始快速下降，原因是魔芋粉添加量過多導致體系的黏度過大，沖調體系過于濃稠，添加過多的魔芋粉后沖調的飲料容易結塊成坨[25]，體系放置后出現分層結塊現象，從而導致穩定性變差。根據穩定系數結果，選擇魔芋粉添加量2.0%，2.5%和3.0%進行穩定劑復配優化試驗。

圖3 魔芋粉添加量對飲品穩定性的影響

2.4 穩定劑配方優化

2.4.1 響應面分析

在單因素試驗的基礎上，以大豆多糖添加量（A）、CMC-Na添加量（B）、魔芋粉添加量（C）為自變量，以穩定系數為響應值，進行響應面分析試驗，試驗結果見表8。

表8 響應面設計BBD中心組合試驗結果

利用Design Expert 8.0.6軟件設計試驗方案，對試驗結果進行二次回歸方程的分析，可以得出穩定系數F的二次回歸方程，并對其用方差的方法分析（見表9）。穩定系數的標準回歸方程為F=96.48+0.64+0.86B+1.48C-0.3AB-0.57AC-0.37BC-2.47A2-1.22B2-0.49C2。根據方差分析可以得出模型具有較高的顯著性（P＜0.01），失擬項=0.297 6＞0.05（不顯著），表明回歸方程對于穩定系數的擬合度較高，試驗設計可靠。決定系數R2為0.942 2，說明模型回歸方程和試驗結果擬合狀況良好，可以較好地描述各因素和響應值之間的關系，可以作為優化復配穩定劑添加的模型。變異系數（C.V.）僅為0.79%，說明模型的重現性比較好[26]。綜上所述，該設計模型可用于復配穩定劑配方的最優條件。通過分析P值可以得出：C、A2項達到極顯著水平（P＜0.01）；A、B、B2項達到顯著水平（P＜0.05），其余項均為不顯著（P＞0.05）。回歸模型的診斷分析表明，各因素的F值可以反映對試驗響應值的重要性，F值越大，表明該因素對響應值的影響越大[27]，由各因素對響應值影響程度分析可得影響大豆胚芽固體飲料沖調穩定系數的主次因素為魔芋粉添加量＞CMC-Na添加量＞大豆多糖添加量，表明各影響因素對于沖調穩定系數影響并非簡單的線性關系。

為了更直觀地反映各因素對大豆胚芽固體飲料沖調穩定性的影響，對方差分析影響顯著的各交互作用進行響應面分析，各因素之間交互作用響應面分析見圖4。

二維等高線接近于橢圓形，說明交互作用越明顯，3D響應面的陡峭程度同樣可以看出交互作用的大小[28]。由圖4（a）～（c）可以看出，因素A與Y軸呈拋物線關系，隨著大豆多糖添加量增加，穩定系數先呈上升趨勢，先達到最高點后，隨著影響因素值繼續增加，沖調穩定系數呈下降趨勢，與單因素的試驗結果一致。隨著CMC-Na添加量和魔芋粉添加量增加，穩定系數先呈上升趨勢，通過響應面圖可以看出，大豆多糖添加量對穩定系數的影響相對較小，魔芋粉添加量對穩定系數的影響最大。通過所得到的模型，可預測的穩定劑最佳配方為豆多糖添加量3.3%、CMC-Na添加量1.4%、魔芋粉添加量3.0%。在此條件下，沖調穩定系數在理論上可達95.8%。

圖4 各因素交互作用對穩定系數的影響

2.4.2 重復性試驗與驗證試驗

根據響應面法得出的最佳理論條件，對上述配方進行3次驗證試驗，檢測真實值是否與試驗結果相一致，測得大豆胚芽固體飲料沖調穩定系數平均值為96.3%，與理論值接近，而且重復性好，說明優化模型與實際情況擬合度較好，結果合理可靠。

2.5 固體飲料質量指標

基于大豆胚芽的固體飲料的質量指標如表10所示。從結果可以看出飲料的各項質量指標判定均合格。在感官指標中大豆胚芽沖調固體飲料具有大豆胚芽特有的香味、色澤和滋味，無異味，此外甜度適中，無苦味，溶解性能好，沖調穩定性能優良，在理化指標中大豆胚芽沖調固體飲料的蛋白質含量34.5%、水分3.1%。微生物指標符合衛生和食用標準。

表10 大豆胚芽固體飲料質量指標

3 結論

以大豆胚芽粉為主要原料，大豆分離蛋白、南瓜粉、低聚異麥芽糖為輔料，以大豆多糖、CMC-Na、魔芋粉為復合穩定劑，開發營養均衡、風味獨特、沖調口感細膩、穩定性良好的大豆胚芽粉沖調固體飲料。通過單因素試驗及正交試驗確定大豆分離蛋白添加量30%、南瓜粉添加量10%、低聚異麥芽糖添加量15%，感官評分為92.8分。為進一步提高產品沖調穩定性，通過單因素試驗及響應面法優化穩定劑配方：大豆多糖添加量3.3%、CMC-Na添加量1.4%、魔芋粉添加量3.0%，在此條件下沖調穩定系數為96.3%。最終的大豆胚芽沖調固體飲料具有大豆胚芽特有的香味、色澤和滋味，甜度適中，無苦味，溶解性能好，沖調穩定性能優良。在理化指標中大豆胚芽沖調固體飲料的蛋白質含量達到34.5%，水分3.1%。微生物指標符合衛生和食用標準。

采用創新工藝解決大豆胚芽口感、風味、穩定性等問題，進行大豆胚芽高值化全利用，延長大豆深加工的產業鏈，不僅可改善全民的營養健康水平，同時也為大豆加工企業的資源綜合利用提供一條有效途徑。