張開屏,劉嘉琪，張慧敏,田建軍

（1.內(nèi)蒙）古商貿(mào)職業(yè)學(xué)院食品工程系，呼和浩特010070；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，呼和浩特010018

0 引 言

酸奶是以鮮乳或還原乳為主要原料，將乳離心凈化后向其中添加蔗糖、穩(wěn)定劑等輔料再經(jīng)殺菌、冷卻、乳酸菌發(fā)酵、罐裝得到的一種發(fā)酵奶制品。1919年，艾薩克·卡拉索（Isaac Carasso）開始了生產(chǎn)含有微生物的酸奶[1]，其銷量在歐美國(guó)家近100年一直處于領(lǐng)先地位，美國(guó)酸奶的產(chǎn)量從1990年的982.6億磅增加到2015年的約4742.1億磅[1-2]。

酸奶不但保留了牛奶的所有營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，相比牛奶而言它更容易被人體所消化和吸收，因?yàn)榘l(fā)酵過程會(huì)使其中的糖和蛋白質(zhì)被分解成為小的分子，并且脂肪酸也會(huì)因?yàn)榘l(fā)酵的作用而增加，這些變化都會(huì)使得酸奶變得更容易消化和吸收[3]。同時(shí)酸奶發(fā)酵的乳酸菌具有抗氧化[4]、降膽固醇[5]、調(diào)節(jié)腸道菌群平衡[6]、抑菌[7-9]等很多健康功效而深受消費(fèi)者喜愛。

為了避免酸奶在生產(chǎn)、銷售過程中析出乳清、凝乳不結(jié)實(shí)等物理缺陷，在生產(chǎn)酸奶時(shí)，乳品企業(yè)通常在酸奶加工過程中適量的加入穩(wěn)定劑，而穩(wěn)定劑的不同組合對(duì)產(chǎn)品的穩(wěn)定性影響比較明顯[10-13]。

本試驗(yàn)采用單因和曲面優(yōu)化試驗(yàn)，通過測(cè)定酸奶p H、酸度、黏度、持水力等指標(biāo)，分析了果膠、羧甲基纖維素鈉（CMC-Na）、瓜爾豆膠對(duì)酸奶品質(zhì)特性的影響，確定3種穩(wěn)定劑的最佳配比，從而為不同穩(wěn)定劑單體進(jìn)行復(fù)配提供了參考與依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 輔料

乳品菌種發(fā)酵劑YF-L812(丹麥科漢森有限公司)；脫脂乳粉（澳大利亞 Devondale）；果膠(低酯100±5CAS：9000-69-5)；CMC-Na（ABC-490卡帕型）；瓜爾豆膠（丹尼斯克中國(guó)有限公司）；白砂糖(市售)。

1.1.2 儀器與設(shè)備

FW 3D型高速攪拌器；恒溫培養(yǎng)箱；鐵架臺(tái)；滴定管；p HS-25型酸度計(jì)；R 180型數(shù)顯黏度計(jì)；TDL-40B型冷凍離心機(jī)；電子分析天平。

1.2 方法

1.2.1 攪拌型酸奶工藝[14]

脫脂乳粉83g/kg→溶解（50℃）→加適量穩(wěn)定劑和60g/kg蔗糖（65℃溶解完全）→ 均質(zhì)(15～20 mPa)→ 殺菌（95℃，5 min）→ 冷卻（42℃）→ 接種→ 發(fā)酵（42℃/4～6 h）→ 冷卻（10℃）→ 攪拌（50 r/min）→4℃儲(chǔ)存。

1.2.2 理化指標(biāo)測(cè)定

在20℃室溫條件下，酸度、黏度和持水力參照文獻(xiàn)進(jìn)行測(cè)定[15-16]。

1.2.3 單因素試驗(yàn)

根據(jù)攪拌型酸奶制備工藝，設(shè)定脫脂乳粉添加量8.3%、白砂糖添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%、95℃/5 min殺菌、發(fā)酵劑添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%、42℃恒溫發(fā)酵到酸度達(dá)到70°T、冰水冷卻攪拌到10℃、移入4℃冰箱冷藏過夜進(jìn)行測(cè)定為固定條件。分別研究果膠、CMC-Na和瓜爾豆膠(質(zhì)量分?jǐn)?shù))對(duì)其感官、p H、酸度、黏度、和持水力的影響。

1.2.4 響應(yīng)面分析

采用Design-Expert8.0.6軟件中Box-Behnken數(shù)據(jù)包，以黏度值為響應(yīng)值，進(jìn)行3因素3水平共17組試驗(yàn)點(diǎn)響應(yīng)面試驗(yàn)[17]。用所得數(shù)據(jù)擬合多元方程，并通過方差分析、回歸模型擬合度檢驗(yàn)、響應(yīng)面分析，以確定最優(yōu)的穩(wěn)定加配比，因素與水平（見表1）。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)取三次平均值，圖表采用excel 2016進(jìn)行繪制，Design-Export 8.0.6軟件設(shè)計(jì)響應(yīng)面試驗(yàn)并分析。

表1 響應(yīng)面分析因素與水平

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 穩(wěn)定劑對(duì)酸奶發(fā)酵酸度的影響

為了分析添加穩(wěn)定劑是否會(huì)對(duì)酸奶發(fā)酵劑中乳酸菌的生長(zhǎng)產(chǎn)生脅迫作用，分析了添加穩(wěn)定劑后對(duì)酸奶酸度變化的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明在酸奶發(fā)酵過程中各組分的酸度呈上升趨勢(shì)，3種不同濃度穩(wěn)定劑對(duì)攪拌型酸奶酸度的影響結(jié)果如表2所示。

表2 3種不同濃度穩(wěn)定劑對(duì)攪拌型酸奶酸度的影響(n=3)

由表2可以看出，在開始發(fā)酵的1 h，酸度最高的為22.95oT最低為16.24oT，可見在發(fā)酵剛開始的1 h，穩(wěn)定劑CMC和瓜爾豆膠的添加對(duì)乳酸菌的生長(zhǎng)均表現(xiàn)出了明顯的抑制作用（P＜0.01），果膠的添加量大到0.2%時(shí)有明顯抑制作用。到2 h時(shí)對(duì)照組的酸度最高為34.17oT，且與其它組差異顯著（P＜0.01）。3～6 h 3種添加劑抑制乳酸菌產(chǎn)酸的能力逐漸變?nèi)酰?、4、5 h，添加0.25%瓜爾豆膠的酸度最高，分別為46.54、56.48、62.34oT。

綜合以上分析可見，發(fā)酵剛開始的2 h，果膠、CMC-Na、瓜爾豆膠3種穩(wěn)定劑對(duì)乳酸菌的產(chǎn)酸速度有明顯的抑制作用（P＜0.01），隨著發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)，從發(fā)酵的第3 h開始抑制作用越來越弱，整個(gè)發(fā)酵過程這3種穩(wěn)定劑對(duì)酸奶生產(chǎn)的速度不會(huì)產(chǎn)生明顯影響。

2.1.2 穩(wěn)定劑對(duì)酸奶黏度的影響

3種不同濃度穩(wěn)定劑對(duì)攪拌型酸奶黏度影響的試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

由表3可以看出，在黏度值的6個(gè)觀察時(shí)間點(diǎn)，添加量為0.15%瓜爾豆膠組和對(duì)照組黏度值始終無顯著差異（P＜0.01），CMC組和果膠組與對(duì)照組相比差異顯著（P＜0.01）。發(fā)酵6 h接近終點(diǎn)酸度時(shí)，添加0.25%CMC-Na的試驗(yàn)組黏度最高為24.42 mPa·s、其次分別為添加0.2%和0.15%的CMC組、添加0.25%、0.2%的果膠組、添加0.15的果膠組和添加0.25%、0.2%的瓜爾豆膠組，對(duì)照組和添加0.15%瓜爾豆膠組的黏度最低、分別為12.48 mPa·s和 12.40 mPa·s。石玉琴研究發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)瓜爾豆膠添加量達(dá)到5 g/L時(shí)，對(duì)酸奶的黏度會(huì)有顯著影響[10]。

表3 3種不同濃度添加劑對(duì)攪拌型酸奶黏度的影響(mpa.s)

由以上分析可知，在發(fā)酵的過程中所有試驗(yàn)組的黏度均表現(xiàn)為上升趨勢(shì)，但黏度變化的快慢差異顯著（P＜0.01）。分別在黏度觀察的6個(gè)時(shí)間點(diǎn),對(duì)照組的黏度均為最低，CMC試驗(yàn)組的黏度均為最高，其次為果膠。CMC組內(nèi)黏度與添加量正相關(guān)且差異顯著（P＜0.01）。其中0.15%、0.20%、0.25%三個(gè)CMC添加量組分,發(fā)酵6 h的黏度分別是對(duì)照組在同一時(shí)間段黏度的156%、167%和196%。結(jié)合感官試驗(yàn)，黏度的適合范圍應(yīng)為15±1.0。

2.1.3 穩(wěn)定劑對(duì)酸奶持水力的影響

3種不同濃度穩(wěn)定劑對(duì)攪拌型酸奶持水力影響試驗(yàn)如表4所示。

表4 3種不同濃度添加劑對(duì)攪拌型酸奶持水力的影響（%，n=3）

由表4可以看出，對(duì)照組4℃貯藏期，第4 d持水性達(dá)到最高,其值為41.34%，到第8 d時(shí)酸奶的持水性下降為38.69%，且與第4 d差異顯著（P＜0.05）。添加果膠的X1試驗(yàn)組在貯藏期組內(nèi)持水性呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì)，第8 d持水性達(dá)到最高（53.10%）16 d時(shí)有所下降，但整個(gè)試驗(yàn)觀察期酸奶的持水性均高于對(duì)照組（P＜0.05），可見當(dāng)添加0.15%的果膠時(shí)，酸奶在16 d的整個(gè)貯藏期持水性已有明顯的提高。添加CMC的X2組，當(dāng)添加量達(dá)到0.25%時(shí)，試驗(yàn)組持水性均高于對(duì)照組（P＜0.05）。添加瓜爾豆膠的X3組，第16 d酸奶的持水性高于第1 d的持水性但差異不顯著（P＞0.05）。果膠和CMC的濃度越高持水性越強(qiáng)。0.15%

綜上所述，添加0.15%、0.20%、0.25% 3種不同濃度的果膠均能有效提高酸奶的持水力，濃度越高效果越好。只有當(dāng)添加CMC-Na的濃度達(dá)到0.25%左右時(shí)可使酸奶持水力達(dá)到最好的效果。添加0.15%、0.20%、0.25%3種不同濃度的瓜爾豆膠對(duì)持水力影響不明顯。

2.2 Box-Behnken試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

選取果膠、CMC-Na和瓜爾豆膠3個(gè)因素，高中低3水平,以黏度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，根據(jù)Box-Behnken設(shè)計(jì)進(jìn)行17組試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

2.2.2 模型方程的建立與顯著性檢驗(yàn)

利用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)表3試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多元回歸擬合，得到酸奶黏度（Y）與果膠（X1）、CMC-Na（X2）和瓜爾豆膠（X3）三個(gè)因素的二次多元回歸模型為：Y=15.8-58.1X1+25.8X2-81.9X3-74X1X2+585X1X3+57X2X3。方程的決定系數(shù)R2=0.9762，說明該回歸方程的擬合度很好，可通過此方程對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，響應(yīng)面試驗(yàn)方差分析結(jié)果見表6。

由表6看出，該模型P＜0.01(極顯著)，模型決定系數(shù)R2=0.976，校正決定系數(shù)=0.9463。以上分析表明模型擬合度很好，建立的可解釋94.63%的響應(yīng)值的變化，模型預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值間具有高度相關(guān)性[18]，可利用此模型對(duì)酸奶黏度進(jìn)行分析預(yù)測(cè)。

由果表可6知的：因顯素著一性檢次項(xiàng)X 1、X 2、X 3對(duì)黏度影響極顯著（P＜0.01）；交互項(xiàng)X1X3對(duì)黏度影響顯著（P＜0.01），二次項(xiàng)對(duì)黏度影響不顯著；這說明試驗(yàn)因素與響應(yīng)值之間不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。

2.2.3 響應(yīng)面試驗(yàn)交互作用分析

響應(yīng)面所構(gòu)成的三維空間曲面圖可以直觀反映出各個(gè)因素與響應(yīng)值的交互作用，提供了一種形象的觀測(cè)響應(yīng)值和試驗(yàn)參數(shù)水平關(guān)系的方法[19]。等高線的形狀可以反映兩因素之間交互作用的顯著程度，等高線呈圓形表示兩因素交互作用不顯著，而等高線呈橢圓形則表示兩因素交互作用顯著[20]。結(jié)果見圖1。黏度隨穩(wěn)定劑的增大而增大。對(duì)比各圖，各因素對(duì)響應(yīng)面的陡峭程度影響為：CMC-Na＞果膠＞瓜爾豆膠，從圖1（b）可知果膠與瓜爾豆膠間的立體投影-等高線為橢圓形，因素的交互作用影響顯著，這與方差分析結(jié)果一致，說明相應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì)較好的反應(yīng)了3種穩(wěn)定劑對(duì)黏度的影響。

表5 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

表6 響應(yīng)面二次模型的方差分析

圖1 各因素交互作用對(duì)黏度影響的響應(yīng)面

3 結(jié) 論

穩(wěn)定劑對(duì)酸奶品質(zhì)特性的影響試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在開始發(fā)酵的1 h時(shí)發(fā)酵酸度最高的為22.95oT，最低為16.24oT，到2 h時(shí)對(duì)照組的發(fā)酵酸度最高為34.17oT，與其它組差異顯著（P＜0.01），可見果膠、CMC-Na、瓜爾豆膠3種穩(wěn)定劑對(duì)乳酸菌在發(fā)酵開始的前2 h對(duì)產(chǎn)酸速度有明顯的抑制作用，隨著發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)，從發(fā)酵的第3 h開始抑制作用越來越弱，整個(gè)發(fā)酵過程這3種穩(wěn)定劑對(duì)酸奶生產(chǎn)的速度不會(huì)產(chǎn)生明顯影響。在發(fā)酵的過程中所有試驗(yàn)組的黏度均表現(xiàn)為上升趨勢(shì)，但黏度變化的快慢差異顯著（P＜0.01）。在黏度觀察的6個(gè)時(shí)間點(diǎn),對(duì)照組的黏度均為最低，CMC對(duì)黏度的影響最大，其次為果膠。添加0.15%、0.20%、0.25%3種不同濃度的果膠均能有效提高酸奶的持水力，濃度越高效果越好。只有當(dāng)添加CMC-Na的濃度達(dá)到0.25%左右時(shí)可使酸奶持水力達(dá)到最好的效果。添加0.15%、0.20%、0.25%3種不同濃度的瓜爾豆膠對(duì)持水力影響不明顯。酸奶黏度（Y）與果膠（X1）、CM C-Na（X2）和瓜爾豆膠（X3）三個(gè)因素的二次多元回歸模型為：Y=15.8-58.1X1+25.8X2-81.9X3-74X1X2+5型85極X顯1X著3+5，7用X此2X模3。型響預(yù)應(yīng)測(cè)面穩(wěn)分定析劑結(jié)添果加表量明與，回黏歸度方的程關(guān)模系可行。