响应面法优化黄精红枣酸奶的工艺配方

王玉茜1,2,范宜雯1,2,张学新1,2,任晓丹1,2,王超1,2,杨悦1,2*

(1.山东农业大学食品科学与工程学院,山东 泰安 271018;2.山东省高校食品加工技术与质量控制重点实验室,山东 泰安 271018)

摘 要:以黄精、红枣为主要原料研究黄精红枣酸奶的工艺配方,以感官评分为标准,选取黄精液添加量、红枣液添加量、木糖醇添加量、奶粉添加量及发酵时间5个因素进行单因素试验,在此基础上选择黄精液添加量、红枣液添加量、木糖醇添加量和奶粉添加量4个因素设计响应面试验,通过感官评分研究4个因素对黄精红枣酸奶感官品质的影响,确定黄精红枣酸奶的最佳配方。结果表明,最佳工艺配方为:黄精液添加量30.6 g/L、红枣液添加量36.2 g/L、木糖醇添加量8.7 g/L及奶粉添加量162 g/L,最终感官评分为92.18分,与预测值较接近。

关键词:黄精;红枣;酸奶;响应面分析;优化

黄精与何首乌、四叶参、紫草一起被中药界誉为“泰山四大名药”,它是一味常见中药,以根茎入药,性味甘平[1],具有补中益气、益脾润肺、保健强身[2]的养生功效,用于脾胃虚弱、体倦乏力、口干舌燥、肺虚燥咳、精血不足、内热消渴等症状。现代研究也表明,黄精具有抗衰老[3]、调节免疫力[4-6]、抗肿瘤[7-9]、抑菌抗炎[10-14]、抗糖[15]等功能。黄精除在医药上的应用外,也在食品领域中得到广泛应用。很多研究者将黄精多糖提取液与食材组合,或是经过发酵制成黄精米酒[16]和黄精保健醋[17],或是经过简单混合制成富含黄精多糖的黄精饼干、黄精五仁饼、黄精膏、黄精酸奶、黄精酸豆奶、黄精饮料等富含黄精多糖的健康食品[18]

红枣是一种天然美食,营养物质丰富,包括氨基酸、多糖、维生素、核苷酸、黄酮类、有机酸、生物碱等丰富营养成分。在药用价值方面,红枣味甘性平,具有滋阴补阳、安中养脾、补血安神等功效[19],现代医学上红枣多糖具有抗氧化、保肝护肝[20-21]等作用。而在食品领域,新形势下创新的红枣制品,如红枣醋[22]、大米红枣混合发酵饮料[23]、铁皮石斛红枣复合乳酸菌饮料[24]、藕粉红枣酥性饼干[25],在丰富营养成分的同时满足消费者需求,受到广大消费者喜爱。

在低脂奶粉基础上,将红枣和黄精混合,加之适量木糖醇增加甜味制成黄精红枣酸奶,将使四者优良特性有效结合。黄精红枣酸奶的风味特征显著,兼具黄精独有风味和红枣传统果香,混合后风味协调无异味,同时解决了发酵乳口味单一的问题,在传统红枣风味酸奶的基础上进行一定创新;此外,在营养成分与保健功效方面,黄精有效成分以及红枣中的营养物质对于人体健康功能已被大量试验研究所证实,并且能够满足低脂低糖产品消费需求。

本研究旨在探究黄精红枣酸奶的最优配方,通过单因素试验、响应面优化设计,测定黄精液添加量、红枣液添加量、木糖醇添加量以及脱脂奶粉添加量对产品感官品质的影响。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

红枣(散装枣圈):泰安中心银座超市;黄精:泰安市泰山四大名药开发有限公司;木糖醇:广州华糖食品有限公司;高蛋白脱脂奶粉:内蒙古伊利实业集团股份有限公司;乳酸菌酸奶发酵粉5菌型:北京川秀科技有限公司。

1.2 仪器与设备

JT502N电子天平:上海精天电子仪器有限公司;DL-1电子万用炉:北京市永光明医疗仪器厂;HH8数显电子恒温水浴锅:常州国华电器有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 黄精红枣复合提取液制备

工艺流程:红枣、黄精→去杂、清洗→加热浸提、浓缩、过滤→提取液。

红枣液的制备:固定料水比为1∶5(g/mL)。将洗净的原料于70℃浸提1 h,过滤得红枣液(0.2 g/mL)。

黄精液的制备:黄精100 g,加入500 mL水浸泡30 min后在可调温电炉上煎煮,煮沸之后,文火使其保持微沸30 min。将煮得的黄精液倒出后,再加入500 mL水按上述方法煎煮,滤过,将2次所得黄精液混合,浓缩,得黄精液(0.2 g/mL),灭菌,密封,4℃冷藏保存[16]

1.3.2 黄精红枣酸奶制作

工艺流程:水+提取液+奶粉+木糖醇→混匀、静置→灭菌、冷却→接种→发酵→冷却→后熟→成品。

将1.3.1中制得的提取液、奶粉按一定比例置于50℃~60℃的温水中搅拌混合5 min,使其充分溶解。奶粉完全溶解后,停止搅拌,静置30 min,加入木糖醇。然后将静置后的混合液(不含发酵剂)装到玻璃瓶,封盖后放入90℃水浴锅中灭菌10 min,随后冷却至42℃左右,接种发酵粉,搅拌均匀,然后将混合物料置于42℃的恒温培养箱中发酵,至凝乳良好,酸度达到72°T~80°T,pH值达到4.5~4.7时终止发酵。随后置于4℃冰箱冷却(后熟)12 h[26]

1.3.3 感官评价

由10名食品质量与安全的大四学生(男女各半)组成评定小组,进行感官评定,评价指标为酸奶的外观、组织状态、风味及口感。该小组成员针对产品的评分标准进行培训后评定,收集成员的评定结果,去除最高和最低分后取平均值作为感官评价结果,依据表1感官评定标准进行感官评价[26]

表1 黄精红枣酸奶感官评定标准
Table 1 Sensory evaluation criteria for yoghurt with Polygonatum sibiricum and red jujube

外观(15分) 组织状态(25分) 风味(30分) 口感(30分)乳白稍带黄色,均匀一致有光泽(11分~15分)凝固均匀,组织细腻,无乳清析出,无悬浮物,无杂质(21分~25分)具有发酵乳特有的风味,且黄精和红枣风味协调,无不适味(26分~30分)酸甜适中,口感细腻26分~30分)色暗,光泽不明显(6分~10分)酸甜尚可,口感较细腻(21分~25分)色泽不均匀,无光泽(<6分)凝固较均匀,没有显著分层,无杂质(16分~20分)有较好的风味,但不协调,无异味(21分~25分)凝固不均匀,有分层(11分~15分) 风味不佳或者不协调,有异味(16分~20分)酸甜失调,口感不细腻(16分~20分)严重乳清析出,凝固性差(<11分) 不具有发酵乳风味,异味非常突出(<16分)酸甜严重失调,颗粒感严重(<16分)

1.3.4 单因素试验设计

1.3.4.1 黄精液添加量对酸奶感官品质的影响

将添加量分别为 20、30、40、50、60 g/L 的黄精液与30 g/L的红枣液复合后,与160 g/L奶粉、6 g/L木糖醇调配后,均质,灭菌,冷却,接入0.20%的发酵剂,42℃发酵5 h,4℃后熟12 h,进行感官评价,确定最佳黄精液添加量。

1.3.4.2 红枣液添加量对酸奶感官品质的影响

按1.3.4.1单因素试验得出的最佳黄精液添加量与添加量分别为10、20、30、40、50 g/L 的红枣液复合,与160 g/L奶粉、6 g/L木糖醇调配后,均质、灭菌、冷却,接入0.20%的发酵剂,42℃发酵5 h,4℃后熟12 h,进行感官评价,确定最佳红枣液添加量。

1.3.4.3 木糖醇添加量对酸奶感官品质的影响

按1.3.4.1和1.3.4.2单因素试验得出的最佳黄精液添加量、最佳红枣液添加量,添加复合汁与160 g/L奶粉、添加量分别为 2、4、6、8、10g/L 的木糖醇调配后,均质、灭菌、冷却,接入0.20%的发酵剂,42℃发酵5 h,4℃后熟12 h,进行感官评价,确定最佳木糖醇添加量。

1.3.4.4 奶粉添加量对酸奶感官品质的影响

按1.3.4.1、1.3.4.2和1.3.4.3结果得出的最佳黄精液、红枣液添加量与最佳木糖醇添加量添加,分别与120、140、160、180、200 g/L 奶粉调配后,均质、灭菌、冷却,接入0.20%的发酵剂,42℃发酵5 h,4℃后熟12 h,进行感官评价,确定最佳奶粉添加量。

1.3.4.5 发酵时间对酸奶感官品质的影响

按1.3.4.1、1.3.4.2、1.3.4.3和1.3.4.4结果得出的最佳黄精液、红枣液添加量、最佳木糖醇添加量和最佳奶粉添加量添加,均质、灭菌、冷却,分别接入0.20%的发酵剂,42 ℃分别发酵 4.0、4.5、5.0、5.5、6.0 h,4 ℃后熟12 h,进行感官评价,确定最佳发酵时间。

1.3.5 响应面试验

根据Box-Beknhen中心组合试验设计原理,在单因素试验的基础上,以黄精液添加量、红枣液添加量、木糖醇添加量、奶粉添加量为特征值,以感官评分为响应值(Y),设计四因素三水平响应面试验。响应面试验因素及水平见表2。

表2 响应面试验因素与水平编码
Table 2 Response surface test factors and horizontal coding

水平 A黄精液添加量/(g/L)D奶粉添加量/(g/L)-1 20 30 6 140 0 30 40 8 160 1 40 50 10 180 B红枣液添加量/(g/L)C木糖醇添加量/(g/L)

1.4 数据的统计与分析

根据响应面试验得到的数据,采用Design-Expert软件进行二次多项式回归和方差分析。

2 结果与分析

2.1 单因素分析

2.1.1 黄精液添加量对黄精红枣酸奶感官品质的影响黄精液添加量对黄精红枣酸奶感官品质的影响见表3。

表3 黄精液添加量对黄精红枣酸奶感官品质的影响
Table 3 Effect of Polygonatum sibiricum liquor addition on the sensory quality of yoghurt with Polygonatum sibiricum and red jujube

添加量/(g/L) 外观 组织状态 风味 口感 总分20 12 22 23 24 81 30 13 22 26 26 87 40 12 22 25 24 83 50 11 21 22 22 76 60 10 20 21 20 71

黄精液微带甜味,具有特色风味的同时其土腥味可能不易被消费者接受,因此黄精液添加量不能过多,添加过少又不能体现黄精典型风味与功能价值。由表3可以看出,酸奶感官评分随着黄精液添加量的增加先增大后减小,在添加量为30 g/L时达到最高,故选用黄精液最佳添加量为30 g/L,在提供特有风味和功能价值的同时又不至于让消费者难以接受其味道。并且在红枣液的调和下,味道更加柔和,呈现特有风味。

2.1.2 红枣液添加量对黄精红枣酸奶感官品质的影响

红枣液添加量对黄精红枣酸奶感官品质的影响见表4。

表4 红枣液添加量对黄精红枣酸奶感官品质的影响
Table 4 Effect of red jujube liquor addition on the sensory quality of yoghurt with Polygonatum sibiricum and red jujube

添加量/(g/L)外观组织状态风味口感总分10 12 21 22 24 79 20 12 21 23 25 81 30 13 22 25 25 85 40 13 22 27 27 89 50 12 21 25 27 85

红枣液添加量过多会掩盖黄精特有风味,导致产品特色不突出;红枣液添加量过少,一方面无法协调黄精不良气味,另一方面也导致酸奶整体甜度的下降,丧失了红枣天然增甜、改善低脂酸奶口感和风味的功能。由表4可以看出,酸奶感官评分随着红枣液添加量的增加先增大后减小,在添加量为40 g/L时达到最高,故选用红枣液最佳添加量为40 g/L。

2.1.3 木糖醇添加量对黄精红枣酸奶感官品质的影响木糖醇添加量对黄精红枣酸奶感官品质的影响见表5。

表5 木糖醇添加量对黄精红枣酸奶感官品质的影响
Table 5 Effect of xylitol addition on sensory quality of yoghurt with Polygonatum sibiricum and red jujube

添加量/(g/L)外观组织状态风味口感总分2 12 22 22 20 76 13 23 23 22 81 6 13 23 24 25 85 8 13 23 27 28 91 10 13 22 26 27 88 4

木糖醇作为一种功能性甜味剂,可为酸奶补充一定的甜度,形成良好的风味和口感。由表5可以看出,酸奶感官评分随着木糖醇添加量的增加先增大后减小,在添加量为8 g/L时达到最高,故选用木糖醇最佳添加量为8 g/L。

2.1.4 奶粉添加量对黄精红枣酸奶感官品质的影响

奶粉添加量对黄精红枣酸奶感官品质的影响见表6。

表6 奶粉添加量对黄精红枣酸奶感官品质的影响
Table 6 Effect of milk powder addition on sensory quality of yoghurt with Polygonatum sibiricum and red jujube

添加量/(g/L)外观组织状态风味口感总分120 11 21 23 23 78 140 12 22 24 26 84 160 13 24 26 27 90 180 12 23 26 27 88 200 11 21 25 26 83

脱脂奶粉调配出来的复原乳不像全脂复原乳因富含脂肪而有着饱满的口感和丰富的奶香,因此大众消费者对于脱脂奶粉复原乳的接受程度低于全脂复原乳。脱脂奶粉添加过多或过少发酵出的酸奶无论是从口感还是风味上都不佳。奶粉过少,酸奶过酸且寡淡稀薄;奶粉过多,脱脂奶粉的咸味就容易突显出来且组织状态粗糙。由表6可以看出,酸奶感官评分随着奶粉添加量的增加先增大后减小,在添加量为160 g/L时达到最高,故选用160 g/L为奶粉最佳添加量。

2.1.5 发酵时间对黄精红枣酸奶感官品质的影响

发酵时间对黄精红枣酸奶感官品质的影响见表7。

表7 发酵时间对黄精红枣酸奶感官品质的影响
Table 7 Effect of fermentation time on sensory quality of yoghurt with Polygonatum sibiricum and red jujube

发酵时间/h 外观 组织状态 风味 口感 总分4.0 12 21 25 24 82 4.5 12 22 26 26 86 5.0 13 23 26 27 89 5.5 12 22 26 25 85 6.0 11 22 25 22 80

由表7可以看出,酸奶感官评分随着发酵时间的增加先增大后减小,在5 h时达到最高,酸度、口感以及组织状态都适宜。随着发酵时间的延长,酸度过高,乳清析出量增加,感官品质也随之下降。因此,确定5 h为最佳发酵时间。

2.2 响应面分析

2.2.1 响应面试验结果

根据表2的试验因素与水平进行试验,试验设计及结果见表8。

表8 响应面试验结果
Table 8 Response surface experiment results

试验号 A黄精液添加量感官评分1 0 0 0 0 91 2 0 -1 0 -1 82 3 0 0 0 0 91 4 0 1 1 0 81 5 1 0 0 -1 82 6 1 0 1 0 85 7 1 0 0 1 83 8 0 1 0 -1 82 9 1 0 -1 0 83 10 -1 -1 0 0 84 11 -1 0 0 1 83 12 1 1 0 0 82 13 0 0 1 -1 85 14 -1 1 0 0 83 15 -1 0 0 -1 80 16 0 0 -1 1 84 B红枣液添加量C木糖醇添加量D奶粉添加量

续表8 响应面试验结果
Continue table 8 Response surface experiment results

试验号 A黄精液添加量B红枣液添加量C木糖醇添加量D奶粉添加量感官评分17 -1 0 -1 0 79 18 0 -1 1 0 90 19 0 0 0 0 91 20 -1 0 1 0 84 21 1 -1 0 0 85 22 0 0 0 0 90 23 0 0 0 0 91 24 0 1 0 1 80 25 0 -1 0 1 86 26 0 0 1 1 84 27 0 -1 -1 0 80 28 0 1 -1 0 83 29 0 0 -1 -1 77

2.2.2 响应面试验数据处理及数值分析

利用Design-Expert 8.0.6软件进行工艺数据分析,得到感官评分Y与自变量A、B、C、D的二次回归方程为:Y=90.80+0.58A-1.33B+1.92C+1.00D-0.50AB-0.75AC-0.50AD-3.00BC-1.50BD-2.00CD-4.07A2-3.44B2-3.82C2-4.69D2

回归模型方差分析见表9。

表9 回归模型方差分析
Table 9 Analysis of variance for the response surface quadratic model

变异源 平方和 自由度 均方 F值 P值 显著性模型 418.75 14 29.91 56.72 <0.000 1 极显著A-黄精液添加量4.08 1 4.08 7.74 0.014 7 显著B-红枣液添加量21.33 1 21.33 40.45 <0.000 1 极显著C-木糖醇添加量44.08 1 44.08 83.59 <0.000 1 极显著D-奶粉添加量12 1 12 22.75 0.000 3 显著AB 1 1 1 1.9 0.190 1 不显著AC 2.25 1 2.25 4.27 0.057 9 不显著AD 1 1 1 1.9 0.190 1 不显著BC 36 1 36 68.26 <0.000 1 极显著BD 9 1 9 17.07 0.001 0 显著CD 16 1 16 30.34 <0.000 1 极显著A2 107.27 1 107.27 203.41 <0.000 1 极显著B2 76.83 1 76.83 145.69 <0.000 1 极显著C2 94.49 1 94.49 179.17 <0.000 1 极显著D2 142.78 1 142.78 270.73 <0.000 1 极显著残差 7.38 14 0.53失拟项 6.58 10 0.66 3.29 0.131 1 不显著纯误差 0.8 4 0.2总变异 426.14 28

由表9分析可知,模型P值小于0.000 1,说明该模型极显著。失拟项P值为0.131 1,大于0.05,不显著,说明该模型与实际情况比较吻合。在回归模型中,一次项 B、C,交互项 BC、CD 以及二次项 A2、B2、C2、D2对结果影响极显著,因素A、D及交互项BD对结果影响显著。4个因素影响黄精红枣酸奶感官评分的顺序为C>B>D>A,即木糖醇添加量对感官评分影响最为显著,红枣液添加量也较为显著。同时,负相关系数R2=0.982 7,表明预测效果佳,可用该模型对黄精红枣酸奶加工工艺进行分析和预测。

2.2.3 多因素交互作用响应面分析

各因素交互作用响应曲面分析结果如图1~图6所示。

图1 黄精液添加量和红枣液添加量交互作用对黄精红枣酸奶感官品质影响的曲面线图
Fig.1 Curved surface diagram of the influence of the interaction between Polygonatum sibiricum liquor addition and red jujube liquor addition on the sensory quality of yoghurt with Polygonatum sibiricum and red jujube

图2 黄精液添加量与木糖醇添加量交互作用对黄精红枣酸奶感官品质影响的曲面线图
Fig.2 Curved surface diagram of the effect of interaction between Polygonatum sibiricum liquor addition and xylitol addition on the sensory quality of yoghurt with Polygonatum sibiricum and red jujube

图3 黄精液添加量与奶粉添加量交互作用对黄精红枣酸奶感官品质影响的相应曲面图
Fig.3 Corresponding surface diagram of the effect of interaction between Polygonatum sibiricum liquor addition and milk powder addition on the sensory quality of yoghurt with Polygonatum sibiricum and red jujube

图4 红枣液添加量与木糖醇添加量交互作用对黄精红枣酸奶感官品质影响的响应曲面图
Fig.4 Response surface diagram of the interaction between red jujube liquor addition and xylitol addition on the sensory quality of yoghurt with Polygonatum sibiricum and red jujube

图5 红枣液添加量与奶粉添加量交互作用对黄精红枣酸奶的感官品质影响的响应曲面图
Fig.5 Response surface diagram of the interaction between red jujube liquor addition and milk powder addition on the sensory quality of yoghurt with Polygonatum sibiricum and red jujube

图6 木糖醇添加量与奶粉添加量交互作用对黄精红枣酸奶感官品质影响的响应曲面图
Fig.6 Response surface diagram of the interaction between xylitol addition and milk powder addition on the sensory quality of yoghurt with Polygonatum sibiricum and red jujube

由图1至图6可知,响应值随着黄精液添加量、红枣液添加量、木糖醇添加量及奶粉添加量各因素添加量的增加均呈现先增大后减小的趋势。其中,由图4和图6可见,红枣液添加量和木糖醇添加量的交互作用以及木糖醇添加量与奶粉添加量的交互作用对黄精红枣酸奶的感官评分影响极显著。由图5可见,红枣液添加量与奶粉添加量对黄精红枣酸奶的感官评分影响也较为显著。经分析可得,黄精红枣酸奶发酵的最佳配方为:黄精液添加量为30.56 g/L,红枣液添加量为36.21 g/L,木糖醇添加量为8.74 g/L,脱脂奶粉添加量为161.71 g/L,黄精红枣酸奶感官评分预测值可达91.47分。

2.3 最佳工艺条件的验证

根据实际操作,将工艺参数调整为:黄精液添加量、红枣液添加量、木糖醇添加量及奶粉添加量分别为 30.6、36.2、8.7、162 g/L,进行 3 次平行试验,最终感官评分为92.18分,与预测值91.47分较接近,说明响应面优化的结果可行,具有实际利用价值。

3 结论

由单因素试验得到黄精红枣酸奶的初步配方,红枣液、黄精液、木糖醇、奶粉添加量取值分别为30、40、8、160 g/L,以及确定了发酵时间为5 h,为下一步的优化试验打下基础。经响应面优化得出黄精红枣酸奶的最佳工艺配方:黄精液添加量为30.6 g/L,红枣液添加量为36.2 g/L,木糖醇添加量为8.7 g/L,奶粉添加量为162 g/L,在此基础上进行验证试验得出的感官评分最高。因此,利用响应面法对黄精红枣酸奶的配方进行优化,可获得最优的配方设计,有效减少试验操作盲目性,为进一步试验改进与优化提供参考基础。

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Optimization of the Formula of Polygonatum sibiricum-Red Jujube Yoghurt Using Response Surface Methodology

WANG Yu-qian1,2,FAN Yi-wen1,2,ZHANG Xue-xin1,2,REN Xiao-dan1,2,WANG Chao1,2,YANG Yue1,2*
(1.College of Food Science and Engineering,Shandong Agricultural University,Tai′an 271018,Shandong,China;2.Shandong Provincial Key Laboratory of Food Processing Technology and Quality Control,Tai′an 271018,Shandong,China)

Abstract:The optimal formula for yoghurt,primarily made from Polygonatum sibiricum and red jujube was studied.On the basis of sensory score,five factors including the amount of Polygonatum sibiricum liquor,red jujube liquor,xylitol added,and milk powder added and the fermentation time were selected.On the basis of a single-factor test,four factors including the addition of Polygonatum sibiricum liquor and the amount of red jujube liquor,xylitol,and milk powder were selected to design the response surface experiment.The effects of the four factors on the sensory quality of Polygonatum sibiricum jujube yoghurt were studied using sensory evaluation to determine the optimal formula of Polygonatum sibiricum jujube yoghurt.According to results,the optimal formula for the yoghurt was as follows:Polygonatum sibiricum liquor 30.6 g/L,red jujube liquor 36.2 g/L,xylitol 8.7 g/L,and milk powder 162 g/L.The final sensory score was 92.18,which was similar to the predicted value.

Key words:Polygonatum sibiricum;red jujube;yoghurt;response surface method;optimization

DOI:10.12161/j.issn.1005-6521.2021.09.011

基金项目:国家自然科学基金项目(41907357);山东省自然科学基金项目(ZR2019PC048);山东省高等学校科技计划项目(J17KA134)

作者简介:王玉茜(1998—),女(汉),本科生,研究方向:食品微生物。

*通信作者:杨悦(1984—),女,讲师,博士,研究方向:功能食品及新产品的开发。

引文格式:

王玉茜,范宜雯,张学新,等.响应面法优化黄精红枣酸奶的工艺配方[J].食品研究与开发,2021,42(9):67-74.

WANG Yuqian,FAN Yiwen,ZHANG Xuexin,et al.Optimization of the Formula of Polygonatum sibiricum-Red Jujube Yoghurt Using Response Surface Methodology[J].Food Research and Development,2021,42(9):67-74.

加工编辑:冯娜

收稿日期:2020-06-15