響應面法優化黃精鐵棍山藥酸奶工藝研究

李嘉瑜，焦佳音，魏詩婷，2，樊淑淼，余忠臣，3，黃曉明，李明婉，洪利亞，5*

(1.河南農業大學 農學院，河南 鄭州 450046；2.河南中醫藥大學 藥學院，河南 鄭州 450046；3.云南師范大學 生命科學學院，云南 昆明 650500；4.河南農業大學 林學院，河南 鄭州 450046；5.北京大學 藥學院，北京 100191)

酸奶是由乳酸菌發酵的牛奶制成的一款營養價值高且風味獨特的乳制品[1]，具有維護腸道微生物菌群平衡[2]、加速腸道蠕動、促進消化吸收、增加食欲、美容養顏、降低血脂和膽固醇等功效[3-4]，深受消費者喜愛。隨著科學飲食理念普及，食品的安全性與營養性得到重視，功能型酸奶研發極具市場前景[5]。黃精(Polygonatumsibiricum)為百合科黃精屬藥食同源食材，富含多糖、甾體皂苷、氨基酸、黃酮和礦物質等活性成分，具有補氣養陰、健脾潤肺和益腎等功效[6-8]。近期黃精酸奶研發多集中以黃精浸提液、濃縮液、黃精粉[9]等作為原料，存在固形物含量減少、有益物質損失、潤滑細膩度不足等問題。一年生黃精根莖具有纖維含量較低，營養成分高，蒸煮后勻漿能夠更大限度保留黃精的營養成分。鐵棍山藥口感甘甜，粉糯性強，含有淀粉、多糖、蛋白質、維生素等活性成分[10]，具有健脾補肺、生津益肺、抗衰老和調節內分泌等功效，素有“懷參”之稱，應用于酸奶開發能顯著增強酸奶綿密的口感，同時起到增黏劑和提高酸奶穩定性的作用[11]。綜上所述，本研究以新鮮一年生黃精幼嫩根莖和鐵棍山藥為原料，通過單因素試驗及響應面法優化黃精鐵棍山藥酸奶制備工藝，對發酵完成的酸奶進行感官評分和理化指標測定，制備出一款兼具黃精與鐵棍山藥風味及營養價值的酸奶，為拓寬黃精、鐵棍山藥在食品領域的應用途徑，豐富市場上酸奶品種提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

黃精：河南省三門峽市盧氏縣；鐵棍山藥：河南省焦作市溫縣；純牛奶：內蒙古蒙牛乳業(集團)股份有限公司；白砂糖：云南滇鵬糖業有限公司；乳酸菌酸奶發酵粉10菌型：北京川秀科技有限公司。

1.2 儀器與設備

冰箱：青島海爾股份有限公司；多功能酸奶機：施威朗電器(深圳)有限公司；破壁料理機：廣東新寶電器股份有限公司；賽多利斯BSA124S萬分之一分析天平：浙江納德科學儀器有限公司；熱風循環烘箱：蘇州王品工業烘箱設備有限公司；JW-1032低速離心機：安徽嘉文儀器裝備有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 黃精鐵棍山藥復合漿制備

黃精漿的制備：選取新鮮一年生黃精幼嫩根莖清洗去皮，圓氣上鍋蒸8 h，按黃精∶水(質量比)=1∶3勻漿，過濾即得均勻細膩且無明顯顆粒感黃精漿。

鐵棍山藥漿的制備：選取新鮮的鐵棍山藥清洗去皮，圓氣上鍋蒸30 min，按鐵棍山藥∶水(質量比)=1∶3勻漿，過濾即得均勻細膩且無明顯顆粒感鐵棍山藥漿。

1.3.2 黃精鐵棍山藥酸奶制作

工藝流程[12-13]：牛奶、黃精漿、鐵棍山藥漿、白砂糖→調配→滅菌→冷卻→接種→發酵→冷卻→后熟→成品。

將黃精漿和鐵棍山藥漿與牛奶、白砂糖按一定比例混勻，混合液(不含發酵劑)裝入酸奶瓶，高溫滅菌10 min，靜置，42 ℃時按照1%比例進行10菌型發酵粉接種，充分攪拌混合均勻，置于酸奶機中進行發酵，終止發酵后置于4 ℃冰箱冷卻后熟12 h。

1.4 試驗設計

1.4.1 單因素試驗

基于黃精鐵棍山藥酸奶加工工藝流程，選取黃精漿添加量(A)、鐵棍山藥漿添加量(B)、白砂糖添加量(C)、發酵時間(D)四因素進行單因素試驗[14-15]。在鐵棍山藥漿添加量8%、白砂糖添加量7%、發酵10 h條件下進行黃精漿添加量2%、4%、6%、8%、10%的5個水平試驗；在黃精漿添加量6%、白砂糖添加量7%、發酵10 h條件下進行鐵棍山藥漿添加量4%、6%、8%、10%、12%的5個水平試驗；在黃精漿添加量6%、鐵棍山藥漿添加量8%、發酵10 h條件下進行白砂糖添加量5%、6%、7%、8%、9%的5個水平試驗；黃精漿添加量6%、鐵棍山藥漿添加量8%和白砂糖添加量7%條件下進行發酵時間8、9、10、11、12 h的5個水平試驗。通過單因素試驗初步選取每個因素的水平范圍，每次發酵試驗設置3個平行試驗，對酸奶進行感官評分和理化指標測定，分析4個單因素變量對黃精鐵棍山藥酸奶各指標的影響。

1.4.2 響應面試驗

根據單因素試驗[16]結果，以感官評分(Y)為響應值，A、B、C因素為自變量，基于Box Behnken中心組合設計原理，設計響應面試驗，對試驗數據進行分析，優化黃精鐵棍山藥酸奶的制備參數。響應面優化分析結果如表1所示。

表1 響應面試驗因素與水平編碼Table 1 Response surface test factors and levels 單位：%

1.4.3 感官評價

由20位專業人士組成評定小組，參考GB 19302—2010《食品安全國家標準：發酵乳》的要求，分別從外觀(20%)、組織狀態(25%)、風味(25%)及口感(30%)4項指標對黃精鐵棍山藥酸奶進行感官評定。評分標準[17-18]如表2所示。

表2 黃精鐵棍山藥酸奶感官評價標準Table 2 Sensory evaluation standards for yogurt of Polygonatum sibiricum and Dioscorea polystachya Turczaninow. cv. Tiegun

1.4.4 理化指標測定

固形物含量測定：固形物含量(風味發酵乳)按GB 5413.39—2010標準測定[19]；酸度測定：參照GB 5009.239—2016《食品安全國家標準食品酸度的測定》中的酚酞指示劑法，滴定單位以°T表示。

持水性測定[20-21]：取5 mL酸奶3 000 r·min-1離心20 min，稱量酸奶質量并記錄為W1，離心，靜置后棄上清，稱量沉淀質量并記錄為W。計算公式如下：

Y=100%W/W1。

式中：Y持水性，%；W1為酸奶質量，g；W為沉淀質量，g。

1.5 數據統計與分析

試驗結果采用Excel 2022及Design-Expert 8.0.6 Trial軟件進行數據分析。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 黃精漿添加量對酸奶品質的影響

如圖1所示，黃精鐵棍山藥酸奶感官評分隨黃精漿添加量的增加呈先增加后降低趨勢，黃精漿添加量6%時，黃精鐵棍山藥酸奶的感官評分最高。此條件下黃精與山藥氣味協調；酸奶組織狀態色澤清亮均一，無乳清析出，無氣泡，無分層；口感絲滑細膩，酸甜度俱佳。在黃精漿添加量2%時，黃精鐵棍山藥酸奶中黃精的風味不足，功能價值難以體現，口感欠佳；黃精漿添加量高于8%時，產品色澤加深，黃精特有風味顯著，酸奶香味弱，整體滋味不協調。

圖1 黃精漿添加量對酸奶感官評分的影響Fig.1 Effect of the amount of Polygonatum sibiricum syrup added on the sensory score of yogurt

如圖2所示，隨著黃精漿添加量的增加，黃精鐵棍山藥酸奶的持水性呈現下降趨勢，推測是黃精中的多糖荷電性導致持水性降低[22-23]。黃精鐵棍山藥酸奶的酸度[24]隨黃精漿添加量增加呈增長趨勢，乳酸菌利用碳水化合物代謝產生乳酸使酸度增大。同時，黃精鐵棍山藥酸奶中固形物含量也呈增加趨勢，推測因黃精漿添加量增多，酸奶黏附性增強，固形物含量升高。

圖2 黃精漿添加量對酸奶品質的影響Fig.2 Effect of the amount of Polygonatum sibiricum syrup added on the quality of yogurt

2.1.2 鐵棍山藥漿添加量對酸奶品質的影響

鐵棍山藥漿能協調酸奶的口感，提升酸奶品質，但添加量過多易掩蓋其他風味；添加量過少會影響酸奶中山藥特有風味。如圖3所示，黃精鐵棍山藥酸奶的感官評分隨鐵棍山藥漿添加量的增加呈先增加后降低的趨勢。鐵棍山藥漿添加量8%時，黃精鐵棍山藥酸奶色澤均勻，凝塊細膩，呈現出乳白色，無乳清分離，口感細膩綿潤，感官評分達到最高；鐵棍山藥漿添加量4%時，黃精鐵棍山藥酸奶中山藥的風味不足、缺乏山藥綿密的口感；鐵棍山藥漿添加量高于10%時，山藥味重而掩蓋酸奶本身的香氣，酸奶黏度和硬度增大，且酸奶凝固過程中易出現分層現象，酸奶口感不佳，組織狀態不均勻，感官評分降低[25]。

圖3 鐵棍山藥漿添加量對酸奶感官評分的影響Fig.3 Effect of the amount of Dioscorea polystachya Turczaninow. cv. Tiegun syrup added on the sensory score of yogurt

如圖4所示，隨著鐵棍山藥漿添加量的增加，黃精鐵棍山藥酸奶的持水性呈先增加后降低趨勢，添加量10%時達到最高，推測是多糖易與水分子作用形成膠體[26]，或蛋白質通過包裹脂肪球顆粒，增加凝膠表面積，增強凝膠對水的束縛能力，更多的水分被截留[27-28]；黃精鐵棍山藥酸奶的酸度整體呈現微弱下降趨勢；黃精鐵棍山藥酸奶的固體物含量呈先增加后降低的趨勢，添加量8%時達到最高，過量鐵棍山藥漿會使酸奶凝固困難，出現分層現象，組織不均勻[29]。

圖4 鐵棍山藥漿添加量對酸奶品質的影響Fig.4 Effect of the amount of Dioscorea polystachya Turczaninow. cv. Tiegun syrup added on the quality of yogurt

2.1.3 白砂糖添加量對酸奶品質的影響

白砂糖為乳酸菌發酵提供碳源，具有緩和酸度，改善風味[30]的作用。如圖5所示，白砂糖的添加量為7%時，黃精鐵棍山藥酸奶凝塊細膩，酸甜度適中，感官評分最高。

圖5 白砂糖添加量對酸奶感官評分的影響Fig.5 Effect of white sugar added on the sensory score of yogurt

如圖6所示，隨著白砂糖添加量增加，黃精鐵棍山藥酸奶的持水性呈增加趨勢；黃精鐵棍山藥酸奶的酸度呈現先升后降的趨勢，在添加量6%時最高，白砂糖添加量過多易產生較高滲透壓，抑制發酵菌種的生長繁殖，菌種活力下降；黃精鐵棍山藥酸奶的固體物含量呈上升趨勢，白砂糖添加量增加提高了酸奶黏度，利于酸奶凝固，提升酸奶品質。

圖6 白砂糖添加量對酸奶品質的影響Fig.6 Effect of white sugar added on the quality of yogurt

2.1.4 發酵時間對酸奶品質的影響

由圖7可知，黃精鐵棍山藥酸奶發酵10 h時，黃精鐵棍山藥酸奶感官評分最高；發酵時間低于9 h時，可能是因為乳酸菌繁殖不充分，成品酸奶組織狀態分布不均勻，凝固性差，黏稠度低，酸度低，酸奶風味不足；發酵時間高于11 h時，乳酸菌繁殖旺盛，菌群密度高，酸奶過酸，口感降低[31]，可能是因為酸奶中原有的蛋白膠體結構發生改變[32]，上層有少量乳清析出。

圖7 發酵時間對酸奶感官評分的影響Fig.7 Effect of fermentation time on the sensory score of yogurt

如圖8所示，隨著發酵時間增加，黃精鐵棍山藥酸奶的持水性和酸度均呈先增加后降低趨勢，發酵10 h和11 h最高；黃精鐵棍山藥酸奶的固形物含量呈先降低后增加的趨勢，發酵12 h最高。

圖8 發酵時間對酸奶品質的影響Fig.8 Effect of fermentation time on the quality of yogurt

2.2 響應面分析

2.2.1 響應面試驗結果

基于Box-Behnken試驗設計模型，以A、B、C作為響應因子，以黃精鐵棍山藥酸奶的Y作為響應值，對三因素三水平進行響應面分析。響應面試驗方案與結果見表3，共17組試驗，得到黃精鐵棍山藥酸奶最佳配方制備參數。

表3 響應面試驗方案與結果Table 3 Response surface test plan and results

采用Design-Expert 8.0.6 Trial對表3試驗數據進行多元回歸方程擬合，得到回歸模型：

Y=86.93+0.87A+0.98B+0.066C+2.47AB+0.38AC-0.84BC-11.44A2-6.39B2-4.96C2

為檢驗方程的有效性，對黃精鐵棍山藥酸奶感官評分擬合得出的回歸方程進行方差分析，結果見表4。試驗的回歸模型極顯著(P<0.000 1)，模型失擬項P=0.060 4，差異不顯著(P>0.05)，表明該模型擬合精度高，預測結果具有可行性。在回歸模型中，交互項AB以及二次項A2、B2、C2對結果影響極顯著，因素A、B對結果影響顯著，單因素C及交互項AC、BC對結果影響不顯著。由表4中F值可知，主要因素A、B、C對黃精鐵棍山藥酸奶感官評分的影響程度依次為：B>A>C。

表4 回歸方程方差分析Table 4 Regression equation analysis of variance

2.2.2 響應面因子交互作用分析

利用Design-Expert 8.0.6 Trial軟件制作各因素之間交互作用的響應面見圖9，感官評分隨黃精漿添加量、鐵棍山藥漿添加量、白砂糖添加量的增加均呈先增后減的變化趨勢。兩因素間交互響應面圖的響應值均存在一個極大值，說明感官評分極值在所選水平范圍內，即此模型數據合理。由圖9中a可知，黃精漿添加量(A)和鐵棍山藥漿添加量(B)交互曲面縱向跨度較大，表明二者的交互作用對感官評分影響極顯著(P<0.01)，黃精漿添加量的變化趨勢較鐵棍山藥漿更明顯，對感官評分的影響更顯著。由圖9中b可知，黃精漿添加量(A)和白砂糖添加量(C)交互作用對感官評分的影響趨勢呈拋物曲面分布，交互作用不顯著(P>0.05)。由圖9中c可知，鐵棍山藥漿添加量(B)和白砂糖添加量(C)交互曲面縱向跨度較小，交互作用不顯著(P>0.05)，其結論同表4方差分析結論一致。

圖9 各因素之間交互作用對酸奶感官評分的響應曲面圖Fig.9 Response surface graph of the interaction between various factors on the sensory score of yogurt

2.3 最佳工藝條件驗證

采用Design-Expert 8.0.6 Trial軟件對所得回歸方程進行分析求解，得到黃精鐵棍山藥酸奶最佳制備參數為：黃精漿6.10%、鐵棍山藥漿8.17%、白砂糖7.00%，此條件黃精鐵棍山藥酸奶感官評分預測值為87.00分。兼顧配料的準確性和方便性，將工藝參數調整為：黃精漿6.00%、鐵棍山藥漿8.00%、白砂糖7.00%。按照該條件進行3組平行試驗，得到黃精鐵棍山藥酸奶的感官評分為86.93分，與模型預測結果相近，表明運用響應面法優化黃精鐵棍山藥酸奶的工藝參數方法可行合理，具有實際參考價值。

3 結論

藥食同源黃精、鐵棍山藥，口感風味獨特、適口性好，在保健食品的開發應用中具有獨特優勢。目前市場上已開發的功能性產品有黃精餅干、黃精軟糖、黃精果脯、山藥粉、山藥果糕等[33-35]，食用攜帶方便，且營養豐富，契合消費者對營養、健康、口感等方面的購買需求，具有極大的開發價值和市場應用前景。

本研究通過單因素試驗和響應面法結合優化得到黃精鐵棍山藥酸奶最佳發酵工藝條件為：黃精漿6.00%、鐵棍山藥漿8.00%、白砂糖7.00%、發酵時間10 h，感官評分為86.93分，在此條件下生產的黃精鐵棍山藥酸奶外觀如嫩豆腐，色澤清亮均一，無乳清析出，無結塊，無顆粒感；口感細膩爽滑，酸甜度俱佳；黃精與鐵棍山藥味道搭配適宜，兼具二者的特有風味和功能價值。黃精鐵棍山藥酸奶持水性為55.90%、酸度為75.12°T、固形物含量為19.17%，均符合GB 19302—2010《食品安全國家標準：發酵乳》要求。本研究豐富了酸奶品種，滿足消費者對功能型酸奶的需求，為黃精、鐵棍山藥在發酵食品中的應用提供了參考。