响应面法优化菊糖酸奶的发酵工艺

熊政委1,2，王文佳1，温 瑞1，董 全1,*

（1.西南大学食品科学学院，重庆 400715；2.重庆第二师范学院生物与化学工程系，重庆 400715）

摘 要：将菊糖以不同的量添加到酸奶中，结果表明，菊糖能够刺激乳酸菌的增长，增加酸奶的持水力、黏度和甜度，降低酸奶的pH值，以及改变酸奶的组织状态。在接种量和发酵温度的单因素试验基础上，采用响应面分析方法，优化菊糖添加量、接种量、发酵温度的工艺参数。经Design-ExpertV8.0.6 软件对结果进行分析，确定菊糖酸奶生产的最优工艺参数为菊糖添加量47.85 g/L、接种量2.34%、发酵温度42 ℃。在此条件下，菊糖酸奶的感官得分92.12，理论值92.46与实验值的相对偏差是0.37%。

关键词：菊糖；酸奶；响应面；流变学；感官品质

Optimization of Fermentation Process for Yogurt with Added Inulin by Response Surface Analysis

XIONG Zheng-wei1,2, WANG Wen-jia1, WEN Rui1, DONG Quan1,*

(1. College of Food Science, Southwest University, Chongqing 400715, China; 2. School of Biological and Chemical Engineering, Chongqing University of Education, Chongqing 400715, China)

Abstract: By adding different amounts of inulin to milk before yogurt fermentation, it was found that the added inulin was able to stimulate the growth of lactic acid bacteria, enhance the water holding capacity, viscosity and sweetness of yogurt, decrease the pH value, and changed the texture. At the same time, inoculum size and fermentation temperature were investigated by single-factor experiments, and response surface methodology was designed to optimize the two fermentation conditions together with inulin concentration. By analyzing the experimental data using Design-Expert V8.0.6, the optimum fermentation parameters were determined as follows: 47.85 g/L inulin, an inoculum size of 2.34%, and a fermentation temperature of 42 ℃. Under these conditions, the sensory score of yogurt was 92.12 showing a relative standard deviation of 0.37% compared to the theoretical value of 92.46.

Key words: inulin; yogurt; response surface methodology; rheology; sensory quality

中图分类号：TS252.54 文献标志码：A 文章编号：1002-6630（2014）13-0156-05

doi:10.7506/spkx1002-6630-201413030

菊糖（inulin），又称菊粉，是一种广泛存在于自然界的果聚糖，由D-呋喃果糖分子经β-（2-1）糖苷键连接而成，末端常含有一个葡萄糖基，聚合度通常为2～60，平均聚合度为10[1]。菊糖作为一种功能性膳食纤维，已被认可的功能有促进矿物质的吸收、降低血脂和血清胆固醇的含量、预防便秘和治疗肥胖等功能[2]，近几年对于菊糖还有很多新的发现：菊糖具有非龋齿性，主要是因为它们不能被变形链球菌利用形成酸和葡聚糖，形成龋齿的主要原因就是这些酸和葡聚糖[3]；菊糖发酵代谢的产物不但能够刺激糖化菌发酵，而且还能够减少潜在的有毒蛋白发酵代谢产物二甲基三硫和乙苯[4]；在高脂膳食中添加菊糖，能够对新陈代谢产生有益的影响，还能够造成下丘脑神经元活动的显著变化[5]。菊糖和灭活的枯草芽孢杆菌，作为合成素具有协同效应，能够加强一些先天免疫功能[6]。

酸奶是用新鲜的牛奶或者脱脂奶粉作为主要原料，利用保加利亚乳杆菌与嗜热链球菌等微生物，通过乳酸发酵得到的一种发酵型乳制品，酸奶中含有大量的有利于健康的活性乳酸菌[7]。酸奶营养丰富、风味独特，已被越来越多的消费者喜爱。

随着生活水平的不断提高，人们会更加重视食品的营养与口感。将菊糖添加到酸奶中，不但可以发挥菊糖的生理功能，而且菊糖还能够刺激酸奶中乳酸菌的增长，改变酸奶的品质与口感。本实验研究菊糖对酸奶品质的影响，并且根据响应面法确定菊糖酸奶的最佳工艺，对菊糖添加量、接种量、发酵温度工艺等参数进行优化。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

菊糖 广州市泽玉生物科技有限公司；纯牛奶（蛋白质2.9%、脂肪3.6%） 内蒙古蒙牛乳业股份有限公司；酸奶冻干发酵剂（嗜热链球菌、保加利亚乳杆菌数量比1∶1） 常州益菌加生物科技有限公司。

1.2 仪器与设备

Discovery HR-1流变仪 上海曲晨机电技术有限公司；SW-CJ-1FD超净工作台 苏净集团苏州安泰空气技术有限公司；DHP-600电热恒温培养箱 北京市永光明医疗仪器厂；JJ0.3/25均质机 廊坊市汇通机械厂。

1.3 方法

1.3.1 工艺流程

菊糖→与鲜牛乳混合→均质→杀菌→冷却→添加发酵剂、稳定剂→发酵→冷却→冷藏→成品

1.3.2 操作要点

菊糖与鲜牛乳混合：鲜牛乳分为6 组，添加菊糖质量浓度分别为：0、20、30、40、50、60 g/L，同时每组添加50 g/L的白糖。

均质：将混合溶液用JJ0.3/25均质机在25 MPa的条件下，均质1～2 次[8]。

杀菌：将混合溶液放在水浴锅中，85 ℃条件下持续杀菌30 min[9]。

冷却：杀菌后，将原料乳冷却到42 ℃，然后接种发酵。

接种：在42 ℃的条件下，在无菌的条件下，将混合发酵剂添加到乳中。

发酵：在42 ℃条件下，发酵4～6 h，待乳达到凝固状态，酸度达到70～80 °T时即可停止发酵。

冷却后熟：将发酵后的酸乳，冷却到10～15 ℃，然后放入0～4 ℃的冰箱中，抑制乳酸菌的生长，同时避免继续发酵造成的酸度升高，放置24 h即可[10]。

1.3.3 发酵剂的制备

酸奶发酵剂先经过活化，在无菌操作台上取少量乳酸菌干冻粉（约2.5 g），接种到经过121 ℃、15 min灭菌处理过的脱脂奶培养基进行培养至凝固。再用灭菌吸管从培养基底部吸取1～2 mL培养液，在无菌条件下，接种到灭菌的脱脂乳中培养至凝固。反复接种3 次，使菌种充分活化，最后接入灭菌过的脱脂奶培养基的三角瓶进行培养至凝固，4 ℃冷藏，作为工作发酵剂使用[11]。

1.3.4 乳酸菌数的测定

使用MRS培养基，样品经过梯度稀释，采用倾倒平板计数，让平皿倒置于40 ℃恒温箱内培养24～48 h，观察长出的细小的菌落，计菌落数目，按照常规的方法选择30～300 CFU平皿进行计算[12]。酸奶中乳酸菌活菌数用CFU/mL表示。

1.3.5 持水性的测定

取15～20 g的样品，在4 ℃条件下10 000 r/min离心30 min，倾去上层清物，使离心管保持倒置状态下10 min，然后称量沉淀物的质量，按下式计算酸奶的持水力[13]。

1.3.6 pH值的测定

用pH计直接测定。

1.3.7 流变学性质

用Discovery HR-1流变仪对样品进行测定。选用60 mm不锈钢锥板，选用Flow Ramp模式，剪切速率设为（2～200 s-1）[14]，在60 s内匀速上升，检测样品黏度随剪切速率的变化规律。

1.3.8 感官性质的评价[15]

评定指标为酸奶的色泽、组织形态、滋味、气味，参与评定的人数为10 人，取平均分作为感官评价的结果。

表 1 酸奶感官评分标准

Table 1 Criteria for sensory evaluation of yoghurt

1.3.9 菊糖酸奶单因素试验

依次改变菊糖添加量、菌种接种量、发酵温度做单因素试验，以菊糖酸奶的pH值、持水力、黏度和感官评价为考核指标。

1.3.9.1 菊糖添加量的影响

在发酵温度42 ℃、发酵时间6 h、接种量2%条件下，考察菊糖添加量分别为0、10、20、30、40、50 g/L的影响。

1.3.9.2 菌种接种量的影响

在发酵温度42 ℃、发酵时间6 h、菊糖添加量40 g/L的条件下，考察接种量分别为1%、2%、3%、4%、5%、6%的影响。

1.3.9.3 发酵温度的影响

在发酵时间6 h、接种量2%、菊糖添加量40 g/L的条件下，考察发酵温度分别为36、38、40、42、44、46 ℃的影响。

1.3.10 菊糖酸奶发酵工艺的响应面优化

以单因素试验结果确定三因素三水平的最佳参数，根据感官评价指标进行响应面分析。

1.4 数据处理

数据处理采用SPSS 17.0软件进行统计分析，不同组间与对照组的比较采用方差分析，P＜0.05为差异显著，P＜0.01为差异极显著，响应面分析结果用Design-ExpertV8.0.6进行分析。

2 结果与分析

2.1 菊糖对酸奶品质的影响

表 2 菊糖对酸奶品质的影响（

x

±s，n=4）

Table 2 Effects of inulin concentration on quality characteristics of yogurt (

x

±s, n = 4)

注：*.与对照组（菊糖添加量为0g/L）比较差异显著（P＜0.05）。表3同。

将菊糖以不同的质量浓度添加到酸奶中，测定酸奶中乳酸菌的数量，结果见表2。将菊糖添加到酸奶中，能够显著刺激微生物的生长（P＜0.05），在菊糖的添加量为40 g/L时，乳酸菌的数量最高，为（6.8±0.15）×
109 CFU/mL。在40 g/L后，随着菊糖添加量的增加乳酸菌的数量有所下降，可能是因为渗透压增高不利于微生物生长[16]。酸奶的pH值随着菊糖质量浓度的升高也显著的降低（P＜0.05），这是由于菊糖促进乳酸菌的生长，乳酸菌产酸使酸奶pH值降低，当菊糖添加量为40 g/L时，酸奶的pH值最低，为4.61±0.01。菊糖对酸奶持水力的提升效果显著（P＜0.05），随着菊糖添加量的增加，酸奶的持水力也不断的增加。在60 g/L时，达到最大值为（57.48±1.7）%。膳食纤维能够强化酸奶的持水性[17]。

2.2 菊糖对酸奶流变学性质的影响

图 1 菊糖添加量对酸奶流变学性质的影响

Fig.1 Effects of inulin concentration on rheological properties of yogurt

由图1可知，随着剪切速率的增大，酸奶的黏度在降低，在同一剪切速率的条件下，随着菊糖添加量的增加，酸奶的黏度也在增加，但是增幅各不相同，菊糖添加量为60 g/L时，酸奶的黏度最大。同时也可以从图中看出，酸奶的表观黏度随着剪切速率的增大而逐渐降低，流变曲线的斜率总体上也是逐渐降低的，存在明显的剪切稀释现象，说明酸奶属于非牛顿流体，具有明显的剪切稀释现象[18]，有利于食品加工，可以改进食品的灌注工艺和泵送，节省能源。

2.3 菊糖对酸奶感官品质的影响

表 3 菊糖添加量对酸奶感官品质的影响（

x

±s，n=4）

Table 3 Effects of inulin concentration on sensory evaluation of yogurt (

x

±s, n = 4)

由表3可知，将菊糖添加到酸奶中，对于酸奶的色泽没有任何影响，但能显著影响酸奶的滋味和组织状态
（P＜0.05），主要由于菊糖具有微甜的味道，而且能改变酸奶的组织状态。当菊糖添加量为40 g/L时，感官评分最高，菊糖酸奶酸甜可口、组织均匀。

2.4 接种量对酸奶品质的影响

表 4 接种量对酸奶品质的影响（

x

±s，n=4）

Table 4 Effects of inoculum concentration on quality characteristics of yoghurt (

x

±s, n = 4)

注：*.与1%接种量组比较差异显著（P＜0.05）；**.与1%接种量组比较差异极显著（P＜0.01）。

由表4可知，随着接种量的增加酸奶的pH值显著降低（P＜0.01），乳酸菌的含量显著增大（P＜0.01），在接种量为6%时，pH值达到最低为4.55±0.02，乳酸菌含量也达到最高为（1.25±0.15）×1010 CFU/mL。随着接种量的增加，持水力和感官评分都是呈先增大后减小的趋势，当接种量在2%的时候感官评分最高，同时2%的时候持水力也最高。

2.5 发酵温度对酸奶品质的影响

由表5可知，随着发酵温度的升高，pH值显著降低（P＜0.05），持水力在显著增加（P＜0.01），在发酵温度为46 ℃的时候，pH值最低为4.57±0.01，持水力最高为（49.263±1.232）%。随着发酵温度的升高，乳酸菌数、感官评分都是呈现先升高后降低的趋势，当发酵温度在44 ℃时，乳酸菌数最高为（1.74±0.09）×1010 CFU/mL，
当发酵温度在42 ℃时，感官评分最高为93.1±1.0。

表 5 发酵温度对酸奶品质的影响（

x

±s，n=4）

Table 5 Effects of fermentation temperature on quality characteristics of yoghurt (

x

±s, n = 4)

注：*.与发酵温度36 ℃组比较差异显著（P＜0.05）；**.与发酵温度36 ℃组比较差异极显著（P＜0.01）。

2.6 响应面试验结果

选用菊糖添加量（X1）、接种量（X2）、发酵温度（X3）3个因素作为自变量，感官评分作为因变量，采用Box-Behnken设计原理对菊糖酸奶发酵工艺参数进行优化，如表6所示。

表 6 响应面试验设计与结果

Table 6 Experimental design and results for response surface analysis

对试验数据进行分析，得到响应面回归模拟方程：

Y＝94.58＋1.99X1＋3.68X2＋1.61X3＋0.3X1X2－0.92X1X3－2.60X2X3－7.05X12－5.73X22－4.20X32

对方程进行显著性分析，见表7。建立的数学模型P＜0.000 1，说明该数学模型非常显著，失拟项
0.638 8＞0.1，不显著，说明该实验能很好的拟合实验的真实情况，可以用于菊糖酸奶发酵工艺的优化。另外，相互项X2X3极显著，说明接种量和发酵温度这个两个因素对酸奶感官品质影响存在着交互作用。

表 7 方差分析表

Table 7 Analysis of variance for the response surface regression equation

注：*. P＜0.05，表示差异显著；**. P＜0.01，表示差异极显著。

2.7 各因素之间的交互作用

图 2 菊糖添加量、接种量及交互作用对感官得分的响应面

Fig.2 Response surface plot for the effects of inulin concentration (g/L) and inoculum size (%) on the sensory score of yogurt

由图2可知，当发酵温度为42 ℃时，菊糖添加量的比例增加，感官得分逐渐升高，在菊糖添加量47 g/L左右达到最大，之后又逐渐下降。随着接种量的增加，感官得分逐渐增大，在接种量在2.3%左右时，感官得分达到最大，之后又逐渐下降。

图 3 发酵温度、菊糖添加量及交互作用对感官得分的响应面

Fig.3 Response surface plot for the effects of fermentation temperature and inulin concentration on the sensory score of yogurt

由图3可知，当接种量为2%时，随着菊糖添加量的增加感官得分逐渐升高，在47 g/L左右达到最高，此后逐渐下降；随着发酵温度的增加，感官得分逐渐升高，在42 ℃时，达到最高，此后逐渐下降。

图 4 发酵温度、接种量及交互作用对感官得分的响应面

Fig.4 Response surface plot for the effects of fermentation temperature and inoculum size on the sensory score of yogurt

由图4可知，当菊糖添加量为40 g/L时，随着接种量的增加感官得分在增加，在2.3%左右达到最高；随着发酵温度增加，感官得分也是逐渐升高，在42 ℃时达到最高，此后逐渐下降。

3 结 论

菊糖能够促进乳酸菌的增长，增强酸奶的持水力、黏度和甜度，降低酸奶的pH值，并改变酸奶的组织状态。

以牛奶为原料，通过单因素试验和Box-Behnken响应面分析得到了酸奶感官品质和菊糖添加量、接种量和发酵温度的回归模型，得到优化的工艺参数为：菊糖添加量为47.85 g/L、接种量为2.34%、发酵温度为42 ℃。在此条件下的验证实验中菊糖酸奶的感官得分是92.12，理论值（92.46）与实验值的相对偏差是0.37%，此时感官品质最佳。

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