响应面法优化麻山药酸奶发酵工艺的研究

董悦阳，韩玮钰，席佳锋，温翔，邵娟娟

（河北农业大学理工学院，河北沧州061100）

0 引 言

随着三高人群的日益增加，人们也越发的注重个人保健，对于食品的营养价值和食品风味与口感的要求也越来越严格[1]。麻山药含有19种氨基酸和大量的矿物质，还富含多种维生素以及山药素等药用成分，具有滋补、健身、延缓衰老、补气、生津养肺等功能[2]。酸奶是牛乳经过乳酸菌发酵而成的具有特殊风味的乳制品[3]。乳酸菌的生长可以抑制有害菌、促进有益菌的生长，能够满足患有乳糖不耐症的需求，同时它也具有良好的组织状态，有淡淡的香味。酸奶具有加速肠道蠕动，防止便秘、健胃消食的功能，也具有一定的抗癌作用[4-5]。

在当今提倡绿色营养、健康生活的条件下，我们拟开发出一款高附加值的酸奶——麻山药酸奶。麻山药酸奶，是在酸奶的基础上添加了麻山药成分，使酸奶的营养价值得到进一步提高。酸奶已经成为了大多数消费者选择消费的产品，老少皆宜。本研究将两者结合在一起，制作出一款集两者优点的酸奶，使酸奶的口味更加独特，营养更加丰富[6]。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

1.1.1 试验材料

纯牛奶，蒙牛乳业有限公司；绵白糖，南京甘汁园糖业有限公司；保加利亚乳杆菌、嗜热链球菌，常州益加菌生物科技有限公司；麻山药，市售。

1.1.2 试验仪器

ZZ103 榨汁机，中山市优盟电器有限公司；LST10-JJ 均质机，北京中西化玻仪器有限公司；MD100-2 电子分析天平，沈阳华腾电子有限公司；烧杯、量筒、酸奶杯、冰柜、恒温恒湿培养箱等均购自北京中兴伟业仪器有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 凝固型麻山药酸奶制作的工艺流程

1.2.2 操作要点

牛奶和麻山药的选择：选择色泽较为洁白无其他杂色的具有乳香味的鲜牛乳，组织状态较为均匀，没有结块现象，且蛋白质和脂肪的含量不能低于3%，添加剂的含量应该在指定标准之下，不能含有有毒有害物质。选择颜色较为新鲜，根茎较为粗壮且没有腐烂和破损的麻山药[9]。

均质：将煮熟的麻山药和牛奶、白砂糖混合在一起放入打浆机中进行处理，之后进行均质，温度设置在60 ℃，压力为16 MPa[10]。

杀菌：将纯牛奶和之后的混合溶液（麻山药、牛奶、绵白糖）放在85 ℃的水浴锅中杀菌30 min。

接种、发酵：将冰箱中的发酵剂取出15 min 后，在严格无菌的操作条件下将其加入到酸奶和麻山药的混合物中，充分搅拌均匀，放入恒温恒湿培养箱中进行发酵[11]。

冷却和后熟：从恒温恒湿培养箱中取出酸奶，冷却至15 ℃左右。将冷却后的酸奶放在4 ℃下的冰箱内进行后熟作用，之后取出的即为凝固型麻山药酸奶。

杀菌：试验要对酸奶杯、量筒、等玻璃仪器进行消毒；需要对剪刀和小刀等用酒精消毒。

1.2.3 感官评定方法

感官评定参照发酵乳卫生标准GB 19302-2010进行评定。选取10 名有经验的同学组成评价小组，以麻山药酸奶的气味、滋味、色泽和组织状态为评定指标，评分标准见表1。

表1 酸奶感官评分标准

2 麻山药酸奶的单因素试验

2.1 麻山药添加量

麻山药添加量的改变对试验结果影响较大。将菌粉加入量0.2000 g,糖添加量8.0 g，发酵温度为42 ℃设为定量，分别将麻山药添加量设为10 g，15 g，20 g，25 g，30 g和35 g，对其进行单因素试验。

2.2 菌粉添加量

接种量对酸奶的品质也有很大的影响。将上述试验麻山药的最佳加入量25 g，糖添加量8.0 g，发酵温度为42 ℃设为定值，分别将接种量设为0.1000 g，0.2000 g，0.3000 g，0.4000 g，对其进行单因素试验。

2.3 糖添加量

将上述的最佳麻山药添加量25 g 和接种量0.2 g设为定值，将糖添加量设为6 g，7 g，8 g，9 g，10 g,对其进行单因素试验,最佳添加量为8 g。

2.4 响应面实验设计

根据单因素试验结果，选取麻山药添加量、菌种接种量、绵白糖添加量为自变量，以感官评定分数为因变量，利用Design-Expert 软件Box-Behnken 设计法设计三因素三水平组合响应面分析试验，通过分析和建立数学模型来确定麻山药酸奶的最佳配方[12-13]，试验设计见表2。

表2 响应面设计因素及水平

2.5 数据处理

利用SPSS17.0 软件对试验数据进行统计分析，利用方差分析试验组和对照组，差异极显著时P＜0.01，差异显著时P＜0.05，响应面分析结果用Design-Ex⁃pertV8.0.6进行分析。

3 实验结果分析

3.1 麻山药添加量的影响

图1 麻山药添加量对酸奶感官评分的影响

由图1 可知，随着麻山药添加量的加大，感官评分先上升后下降，分数最高时对应的麻山药添加量是25 g。此时麻山药酸奶的色泽较为均匀，呈现出乳白色，有较少的乳清析出，口感较为细腻，麻山药添加量较高或者较低时酸奶中乳清析出较多。

3.2 接种量的影响

接种量是影响酸奶品质的一个重要因素。由图2可知，当接种量为0.2 g 时，酸奶的感官评分最高，口感粘稠浓郁，酸甜比例适中，随着接种量的增加，乳酸菌过度发酵，酸度增加，接种量较少时酸奶凝固性较差，因此最佳接种量为0.2 g。

3.3 糖添加量的影响

图2 接种量对酸奶感官评分的影响

图3 糖添加量对酸奶感官评分的影响

随着糖添加量的增加，感官分数先上升后下降，分数最高时对应的糖添加量是8 g，此时酸奶的凝乳状态较佳，糖添加量较少或者较多时，酸奶的酸甜比例较差。

3.4 响应面优化实验结果

表3 Box-Behnken试验及结果

3.5 方差分析

利用软件对表3 的数据进行方差分析后可以得到模型的二次多项回归方程：Y=94.40+2.00A+1.38B+1.63C + 1.00AB + 2.00AC + 0.75BC-7.33A2-4.58B2-6.07C2。

回归模型方差分析见表4。

表4 回归模型方差分析

分析表4 可知，试验选择的模型差异极显著(P＜0.01），失拟项不显著（P=0.2114＞0.01），说明模型适合本试验。三个因素对麻山药酸奶感官评分的影响顺序为A＞C＞B，即麻山药添加量对感官评分影响最显著。该模型的校正决定系数为R2=0.9770，R2Adj=0.9473，表明感官评分的实测值与预测值之间具有较高的拟合度，同时该模型能够很好地对凝固型麻山药酸奶的感官评分进行分析和预测。

3.6 多因素交互作用的响应面分析

根据回归方程得到响应面的3D 图形，通过分析图像来得出麻山药酸奶的最佳发酵工艺。由图4-图6 可知，响应值随着麻山药添加量、糖添加量和接种量的增加会呈现出先增大后减小的变化趋势，三个因素之间存在交互作用，总体上感官评分值变化幅度不大。

图4 麻山药添加量、接种量的交互作用对感官评分的响应面

由图4 可知，随着麻山药和菌种添加量的增加，酸奶的感官评分也随之升高，当两者的添加量达到一定水平时，感官评分取得最大值，随后会呈现出下降的趋势。麻山药添加量的变化趋势相比接种量较为明显，说明麻山药添加量对酸奶感官评分的影响更显著。

由图5 可知，随着麻山药和糖添加量的增加，酸奶的感官评分也随之升高，当两者的添加量达到一定水平时，感官评分取得最大值，随后会呈现出下降的趋势。麻山药添加量的变化趋势相比糖的添加量较为明显，说明麻山药添加量对酸奶感官评分的影响更显著。

图5 麻山药添加量、糖添加量的交互作用对感官评分的响应面

图6 糖添加量、接种量交互作用对感官评分的响应面

由图6 可知，随着糖和菌种添加量的增加，酸奶的感官评分也随之升高，当两者的添加量达到一定水平时，感官评分取得最大值，随后会呈现出下降的趋势。接种量的变化趋势相比糖的添加量较为明显，说明接种量对酸奶感官评分的影响更显著。

从响应面分析图可以看出，麻山药添加量和接种量对麻山药酸奶工艺的影响较为显著，显示的曲线较陡，麻山药的最佳添加量为26.73%，接种量为0.28%，糖添加量对麻山药酸奶的工艺影响较小，响应值变化较小，最适添加量为8.36%，感官评分达到94.8。

3.7 最佳工艺条件的预测、验证

为了检验回归模型预测可靠性的同时考虑到实际生产操作，将最佳生产工艺参数改为麻山药添加量25%，接种量3%，糖添加量8%，按照上述工艺条件进行三组平行试验，最终得到的凝固型麻山药酸奶的感官评分均值为94.3859，这个值与预测值极为相近，能够说明模拟契合度较高，具有一定的实践指导意义。

4 结 论

以单因素试验为基础，利用Box-Behnken 软件进行中心组合设计，对麻山药添加量、接种量和糖添加量三因素进行响应面分析，得出最佳的发酵工艺条件为麻山药添加量为25%，糖添加量为8%，接种量为0.3%，理论和试验的感官评分拟合程度好，方法可行。在此工艺下制作的酸奶色泽为乳白色，质地均匀，具有乳酸菌发酵的气味以及乳香味，口感细腻爽滑。