響應面法優化黑米堅果復合發酵乳飲料的工藝

王貝貝,馮瑤瑤,牛希躍,劉靜,許倩*,管欣怡,李雨鑫

(1 塔里木大學食品科學與工程學院,新疆 阿拉爾 843300)(2 南疆特色農產品深加工兵團重點實驗室,新疆 阿拉爾 843300)(3 新農乳業有限責任公司,新疆 阿拉爾 843300)

黑米常被稱為“長壽米”“神仙米”等[1]。黑米的色、香、味與其營養價值都高于白米,是一種比較稀有的特殊水稻資源。黑米含有豐富的微量元素和維生素,如鋅、鎂和VE、VB1、VB2等;同時,蛋白質含量比白米高6.8%,脂肪含量也高達20%[2-4]。堅果富含豐富的蛋白質、脂肪、碳水化合物及其他營養物質,其中巴旦木和核桃是新疆的特色堅果之一,以巴旦木或者核桃為主要原料的產品有很多,如飲料方面有燕麥堅果復合乳飲料[5]、核桃銀耳復合飲料[6]、核桃巴旦木植物蛋白飲料[7]等。相關研究表明,雙歧桿菌發酵過的果汁可增強其維生素C和其他營養物質的含量,乳酸菌發酵的谷物中多酚類和黃酮類物質的含量可得到提高[8]。此外,乳酸菌具有調節腸道菌群,助消化的作用,其代謝生成的乳酸、乙酸等有機酸能使人體的腸道環境 pH值下降,從而降低B族維生素在人體內的穩定性,使得鈣、磷與B族維生素結合量大大減少,提高人體對鈣、磷的吸收,有利于人體骨骼的發育[9-11]。目前,黑米發酵類飲料[12-15]和堅果類飲料[16-17]有很多,但黑米和堅果乳酸菌發酵乳飲料鮮有報道。新疆地區的巴旦木和核桃資源相對比較豐富,同時乳酸菌發酵能增加脂肪、蛋白質、糖等營養成分,還能為身體提供必需的激素和酶,因此具有重要的研究意義。

本試驗以黑米、核桃、巴旦木、牛奶為原料,通過乳酸菌發酵、巴氏殺菌,經響應面優化,確定其最優發酵條件和最佳工藝配方,使黑米、核桃、巴旦木等營養成分協同互補,提高飲料的營養價值,促進相關產業的產品開發利用,同時為此類飲料的研制提供理論參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料

伊利牛奶、白砂糖、黑米、巴旦木、核桃及礦泉水:市售;保加利亞乳桿菌(Lactobacillusbulgaricus)、嗜熱鏈球菌(Streptococcusthermophilus):北京川秀國際貿易有限公司;羧甲基纖維素鈉、檸檬酸、α-淀粉酶(酶活力50 000 U/mL)、糖化酶、食用香精:河南萬邦實業有限公司;單雙甘油脂肪酸酯:佳力士添加劑有限公司;蔗糖脂:廣西遠長食品科技股份有限公司。

1.1.2 儀器

PHS-2F pH計:上海儀電科學儀器股份有限公司;LE203/02電子天平:梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;HH-501超級恒溫水浴:江蘇金怡儀器科技有限公司;XW-80A微型旋渦混合儀:上海瀘西分析儀器廠有限公司;SW-CJ-2F凈化工作臺:上海博訊實業有限公司醫療設備廠;TGL-20bR離心機:上海安亭科學儀器廠;K1100全自動凱氏定氮儀:濟南海能儀器股份有限公司;HW6-1J恒溫培養箱:浙江普托儀器有限公司;滅菌鍋:上海申安醫療器械廠;T18高速分散機;破壁機。

1.2 試驗方法

1.2.1 工藝流程

1.2.1.1 原料預處理的工藝流程

將黑米和堅果分別打漿,過濾備用,其工藝流程如圖1所示。

圖1 原料預處理的工藝流程

1.2.1.2 黑米堅果復合發酵乳飲料的工藝流程

將黑米漿、堅果漿與牛奶混合,添加蔗糖、乳酸菌和食品添加劑進行調配,以期研制出一款發酵乳飲料,其工藝流程如圖2所示。

圖2 黑米堅果復合發酵乳飲料的工藝流程

1.2.2 操作要點

1.2.2.1 黑米漿的制備

挑選優質黑米進行清洗,按照料液比為1∶8加水浸泡4 h,用破壁機將浸泡的黑米打漿,然后將黑米漿在95 ℃條件下糊化20 min,再添加0.3%中溫α-淀粉酶(酶活力50 000 U/mL)使其在pH為6、溫度為60 ℃的條件下液化50 min,后沸水浴加熱2 min使酶滅活;再使其降溫至60 ℃,在pH為4.5的條件下,加入0.3%糖化酶,糖化50 min后,在90 ℃以上(以煮沸為宜)滅酶1 min;冷卻后設置離心機在4 000 r/min離心15 min并過濾,取黑米漿上清液備用[16]。

1.2.2.2 堅果漿的制備

挑選無機械損傷、無霉變、無蟲蛀的巴旦木和核桃仁去皮,將核桃仁和巴旦木加水煮沸維持10 min,放冷去皮洗凈。然后將80 ℃純凈水、0.2%D-異抗壞血酸鈉、已處理的核桃仁和巴旦木(質量比為2∶3)放入打漿機中打漿(料液比為1∶10)6 min。過濾后取堅果漿備用[17-18]。

1.2.2.3 調配、殺菌

將制備好的黑米漿和堅果漿(體積比為3∶2)混合,然后加入伊利牛奶,使黑米堅果漿和牛奶的總體積為100 mL,加入4%蔗糖進行調配,混勻。然后將混合飲料在恒溫水浴鍋中65 ℃滅菌30 min。

1.2.2.4 接種、發酵

將乳酸菌在超凈工作臺中按比例加入冷卻至室溫的混合飲料中,在恒溫培養箱中進行發酵。

1.2.2.5 調配、高速分散

向黑米堅果發酵液中按一定的比例添加水和單雙甘油脂肪酸酯、羧甲基纖維素鈉、蔗糖脂、蔗糖、食用香精、0.06%檸檬酸等添加劑進行混合調配,使用高速分散機在7 000 r/min下攪拌5 min,使其混合均勻(發酵液和水共計100 mL)。

1.2.2.6 灌裝、滅菌、成品

將制配的發酵型復合乳飲料裝瓶,用滅菌鍋在65 ℃的條件下滅菌30 min。取出,冷卻成品。

1.3 試驗設計

1.3.1 乳酸發酵單因素實驗

考察黑米堅果漿的添加量(10%、20%、30%、40%、50%)、混合乳酸菌接種量(0.05%,0.10%,0.15%,0.20%,0.25%)、發酵溫度(36℃、38℃、40 ℃、42 ℃、44 ℃)、發酵時間(7 h、8 h、9 h、10 h、11 h)、對黑米堅果發酵乳液的影響。

1.3.2 乳酸發酵液的正交試驗設計

在單因素的基礎之上,對影響較大的黑米堅果漿的添加量(A)、發酵溫度(B)、發酵時間(C)、乳酸菌接種量(D)4個因素設計L9(34)的正交試驗如表1,根據感官評分標準如表2,以確定最佳發酵液的配方。

表1 乳酸發酵液試驗因素水平表

表2 黑米堅果發酵液的感官評分標準表

1.3.3 飲料調配的單因素實驗

考察發酵液添加量(15%、30%、45%、60%、75%)、復合穩定劑總量為0.60%的配比(羧甲基纖維素鈉∶蔗糖酯∶單雙甘油脂肪酸酯為1∶2∶3、3∶2∶1、2∶1∶3、2∶3∶1、1∶3∶2、3∶1∶2、1∶1∶1)、蔗糖的添加量(2%、3%、4%、5%、6%)對黑米堅果復合發酵乳飲料的影響。

1.3.4 黑米堅果發酵乳飲料配方的響應面優化

在單因素試驗的基礎上,采用Design-Expert Software 8.0軟件進行響應面試驗。利用Box-Behken原理[18],以感官評分為標準,進行評價,選出最佳配方,試驗設計如表3所示。

表3 響應面試驗因素水平設計表

1.3.5 感官評定

由15位專業方向品鑒員對產品黑米堅果復合發酵乳飲料的色澤、氣味、組織狀態、滋味4個方面進行逐個打分。感官評分標準如表4所示。

表4 黑米堅果復合發酵乳飲料感官評分標準

1.4 貨架期的預測

1.4.1 微生物檢測

參考GB 4789.2—2022[19]測定菌落總數。

1.4.2 貯藏期間感官品質的變化

感官品質是消費者對于食品最為直觀的判斷方式。因此,試驗對巴氏殺菌的黑米堅果發酵乳飲料樣品置于不同的貯藏溫度,按照感官評價標準進行評估,其評分標準根據表4進行感官評定。

1.4.3 快速貨架期試驗

參考李雨浩[20]的研究方法,通過加速貨架期試驗法(accelerated shelf life test,ASLT)對黑米堅果復合發酵乳飲料的保質期進行預測。以菌落總數和感官評價為考察指標判斷黑米堅果復合發酵乳飲料的貨架期,當評分低于75分為感官不可接受,以其和微生物指標超標作為試驗終點。

1.5 黑米堅果發酵飲料的理化指標測定

脂肪測定:參照GB 5009.6—2016[21];蛋白質含量測定:參照GB 5009.5—2016[22],采用凱氏定氮儀測蛋白質含量;pH值的測定:參照GB 5009.237—2016[23],采用pH計測定。

2 結果與分析

2.1 黑米堅果發酵液的單因素試驗結果和分析

2.1.1 黑米堅果原液的添加量對發酵液感官品質的影響

由圖3(a)分析可知,滋味的影響較為突出,由圖3(b)分析可知,當原液添加量為30%時,感官得分相對較高,發酵液的組織狀態很好,口感細膩,具有濃郁的黑米和堅果的香味。當添加量超過30%,則呈現下降趨勢,由于發酵液的粘度隨著原液的增加而增加,使得其口感變差,顏色也隨之加深。因此,選擇黑米堅果原液的添加量在30%左右為宜。

圖3 黑米堅果原液的添加量對發酵液感官品質的影響

2.1.2 混合乳酸菌的添加量對發酵液感官品質的影響

由圖4(a)分析可知,其滋味影響較為突出,由圖4(b)分析可知,隨著乳酸菌添加量的增加,發酵液的接種量在0.10%為變化點,呈現先上升后下降的變化。當接種量為0.05%時,其發酵不完全,呈半固體狀態,組織狀態較差,特有風味不明顯;當乳酸菌接種量為0.10%時,發酵液組織均勻,無析出物,酸甜適宜;當乳酸菌添加量達到0.25%時,發酵液的發酵速度加快,導致出現析出物,口感過酸,使得感官評分下降。因此,乳酸菌的接種量在0.10%左右為宜。

圖4 混合乳酸菌的添加量對發酵液感官品質的影響

2.1.3 發酵溫度對發酵液感官品質的影響

由圖5(a)分析可知,發酵溫度對其滋味影響較為突出,由圖5(b)分析可知,隨著溫度的上升,感官評分呈現先升后降趨勢。在40 ℃發酵條件下,感官得分最高,口感酸甜適中,組織狀態良好;當溫度低于40 ℃時,未達到乳酸菌最適生長溫度,乳酸含量較低,甜味較高;當溫度高于40 ℃時,乳酸含量過多,導致黑米堅果的香味被掩蓋,同時還有少量的乳清析出,口感欠佳。因此,在40 ℃條件下發酵時口感最好。

圖5 發酵溫度對發酵液感官品質的影響

2.1.4 發酵時間對發酵液感官品質的影響

由圖6分析可知,當發酵時間在6～9 h之間,感官評分隨發酵時間的延長而上升,發酵時間不足,導致其組織狀態較差,酸度較低,口感過甜。當發酵9 h時,黑米堅果發酵液達到相對最佳的狀態,此時評分較高。但當發酵時間達到10 h時,有明顯沉淀和乳清析出,且酸味偏重,口感較差。因此,最佳發酵時間為9 h。

圖6 發酵時間對發酵液感官品質的影響

2.2 黑米堅果發酵液的正交試驗結果和分析

由表5分析可知,A2B2C3D2為最優發酵工藝,即乳酸菌接種量為0.10%,發酵溫度為42 ℃,發酵時間為9 h,黑米堅果漿的添加量為30%;其影響次序為發酵溫度(C)>乳酸菌接種量(D)>發酵時間(B)>黑米堅果漿的添加量(A)。由于正交表中未出現其最佳配比A2B2C3D2,需再進行一次驗證試驗,經驗證試驗得其感官評分為86.5分,其評分明顯高于正交表中的組合;因此,最佳配方應是A2B2C3D2。

表5 黑米堅果發酵液的正交試驗結果

2.3 黑米堅果發酵乳飲料調配的單因素試驗結果和分析

2.3.1 發酵液的添加量對黑米堅果發酵乳飲料的影響

由圖7分析可知,發酵液添加量為45%時,感官評分最高,該飲料色澤均勻,氣味協調,口感細膩;當添加量少于45%時,顏色較淺,黑米堅果的香味較淡,口感欠佳;當添加量為75%時,有黑米堅果的香味,但過于濃稠,滅菌后有輕微的乳蛋白析出,同時產品的成本也有所提高。因此,發酵液的添加量以45%左右為宜。

2.3.2 復合穩定劑的添加量對黑米堅果發酵乳飲料的影響

如圖8分析可知,隨著羧甲基纖維素鈉、單雙甘油脂肪酸酯、蔗糖脂比例的調整,感官評分越來越高,當這三者比例為3∶1∶2時增稠效果最佳,口感醇厚,乳液均勻,組織狀態最佳,酸甜可口,風味適宜,感官評價得分最高為81分;而當比例為1∶2∶3時,增稠效果最差,口感粗糙,有沉淀,組織狀態較差。因此,復合穩定劑的比例為3∶1∶2時比較合適。

圖8 復合穩定劑對黑米堅果發酵乳飲料的影響

2.3.3 蔗糖添加量對黑米堅果發酵乳飲料的影響

由圖9分析可知,蔗糖添加量為5%,其感官評分最高。蔗糖添加量過低時,整體風味較差,口感不佳;蔗糖過多則會掩蓋發酵乳的酸甜口感。因此,蔗糖的添加量為5%左右較好。

圖9 蔗糖對黑米堅果發酵乳飲料的影響

2.4 黑米堅果發酵乳飲料配方的響應面優化的試驗結果和分析

響應面試驗設計和結果如表6所示,采用響應面設計方案,用方差分析和回歸方差分析進行計算如表7所示。利用Design Expert 8.06軟件對表7結果進行回歸方程擬合,得到響應面回歸方程:Y(感官評分)=87.28+0.68a+1.49b+1.84c+0.85ab+0.00ac+1.62bc-2.25a2-3.98b2-7.28c2。

表6 響應面試驗設計及結果

表7 回歸模型方差分析表

2.5 黑米堅果發酵乳飲料配方的響應面圖的分析

圖10～12為不同兩因素之間交互作用的響應面圖,在圖10(A)中,發酵液的添加量45%與蔗糖的添加量5%相交;在圖11(A)中發酵液的添加量為45%與復合穩定劑的添加量(羧甲基纖維素鈉∶蔗糖酯∶單雙甘油脂肪酸酯)為3∶1∶2時相交;圖12(A)中蔗糖的添加量5%與復合穩定劑的添加量(羧甲基纖維素鈉∶蔗糖酯∶單雙甘油脂肪酸酯)為3∶1∶2時相交。所以在發酵液的添加量45%、蔗糖的添加量5%、復合穩定劑的添加量(羧甲基纖維素鈉∶蔗糖酯∶單雙甘油脂肪酸酯)為3∶1∶2時存在極大值,該結果與單因素優化結果一致。由圖10(B)可知,當發酵乳添加量一定時,復合穩定劑比蔗糖對感官評分的影響大,同理圖11(B)～12(B),復合穩定劑對感官評分的影響大于蔗糖和發酵液。

圖10 發酵液和蔗糖添加量之間交互作用的等高線(A)及響應面(B)

圖11 發酵液和穩定劑的添加量之間交互作用的等高線(A)及響應面(B)

圖12 蔗糖和穩定劑的添加量之間交互作用的等高線(A)及響應面(B)

2.6 最佳配方的確定和回歸模型的驗證

由于上述分析與方差分析結果一致,所以由響應面優化分析可得,黑米堅果發酵乳飲料的最優配方為發酵液的添加量為47.80%,水的添加量為52.20%,蔗糖的添加量為5.24%,復合穩定劑的配比(羧甲基纖維素鈉∶蔗糖酯∶單雙甘油脂肪酸酯)為3.42∶1.14∶2.28,在此條件下由公式計算得出理論的感官評分為87.67分。為便于實驗的操作并結合生產實際,將各因素進行調整為發酵液的添加量為47.80%,水的添加量為52.20%,蔗糖的添加量為5.20%,復合穩定劑的添加量為0.60%,比例(羧甲基纖維素鈉∶蔗糖酯∶單雙甘油脂肪酸酯)為3.4∶1.1∶2.3,進行3次平行試驗,得出此配方的感官評分為86.83分,與預測值相近。說明該模型對黑米堅果發酵乳飲料的工藝有進一步的優化。

2.7 黑米堅果發酵乳飲料的保質期預測

2.7.1 貯藏期間感官品質的變化

由圖13分析可知,樣品在4 ℃、25 ℃和35 ℃條件下貯藏,隨著時間的延長,感官評分呈現下降趨勢。35 ℃貯藏條件下的黑米堅果發酵乳飲料感官總分直線下降,品質劣變速度較快,25 ℃條件下飲料品質劣變次之,4 ℃條件下飲料評分變化較為緩慢,因此低溫貯藏對于黑米堅果發酵乳飲料的品質尤為關鍵。

圖13 貯藏期的不同對黑米堅果發酵乳飲料的感官品質影響

2.7.2 貯藏期內微生物的變化

由表8分析可知,在不同的貯藏溫度下,隨著貯藏時間的延長,微生物不斷增多,但由圖13和表8綜合分析可知,本試驗通過巴氏殺菌的滅菌方法,當感官評分在75分及以上時,其4 ℃、25 ℃和35 ℃條件下儲藏的黑米堅果發酵乳飲料菌落總數均未超標,均<100 CFU/mL。

表8 貯藏期對貯藏品質的影響

2.7.3 最終保質期的預測結果

試驗以樣品微生物指標超標和感官評分低于75 分作為其保質期終點,綜合以上指標,得出經巴氏殺菌的黑米堅果發酵乳飲料在 35 ℃的貯藏期為4 d,在25 ℃下的貯藏期為12 d。所以,根據公式可得低溫 4 ℃貯藏的黑米堅果發酵乳飲料的貨架期為62 d。

2.8 黑米堅果發酵乳飲料的理化指標

由表9分析可知,黑米堅果發酵乳飲料的理化指標:pH(4.35±0.02)、脂肪含量(1.38±0.02) g/100 mL、蛋白質含量(1.06±0.02) g/100 mL,其指標均符合國家標準。

表9 黑米堅果發酵乳飲料理化指標

3 結論

通過以上試驗得出,以黑米、核桃、巴旦木、牛奶為原料,以乳酸菌發酵劑為發酵菌種,經巴氏殺菌,進行研制了一種營養健康的黑米堅果發酵乳飲料。通過采用感官評定、單因素實驗和正交實驗來確定發酵液的最優發酵條件為溫度42 ℃、時間9 h、乳酸菌接種量0.1%、原液添加量30%;經響應面優化,建立回歸模型,其擬合度良好,確定最佳工藝配方為發酵液47.80%、水52.20%、蔗糖5.20%、復合穩定劑0.60%(羧甲基纖維素鈉∶蔗糖酯∶單雙甘油脂肪酸酯=3.4∶1.1∶2.3)。按此方法可研制出具有黑米和堅果的混合香味以及乳酸發酵產生的獨特風味的黑米堅果發酵乳飲料,顏色均勻為乳粉色,有光澤,酸甜適宜,口感細膩,無沉淀分層的現象,且微生物和理化指標均符合國家標準。同時經過保質期的預測,巴氏殺菌后的黑米堅果發酵乳飲料在4 ℃下保質期為62 d。本產品品質相對穩定,口感適宜,符合公眾的要求;同時巴氏殺菌后的乳酸菌飲料有助于調節腸道菌群的種類和數量等,可幫助通便,調節腸道健康等功能。所以經巴氏殺菌的發酵乳飲料有一定的研究前景,并為黑米和堅果產業的深加工提供一種新思路,同時也提高了它們相應的應用價值。