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沙米人参果复合酸奶沉淀率的工艺优化
王晓琴,张科学,张志凯,窦润玲,李建红,潘晶晶,张芬琴*
(河西学院农业与生物技术学院,甘肃张掖 734000)
摘 要:应用 Plackett-Burman(PB)实验、最陡爬坡实验、Box-Behnkens中心组合设计法对沙米人参果复合酸奶的生产
工艺进行优化。首先,采用 Plackett-Burman设计法对影响沙米人参果复合酸奶沉淀率的 6 个因素的效应进行评价,筛
选出了具有显著正效应的沙米汁添加量、人参果汁添加量、加糖量和有显著负效应的接种量;在此基础上,通过最陡爬
坡实验逼近最大响应区域;最后采用 Box-Behnkens实验对显著因素进行优化,最终确定沙米人参果复合酸奶的最佳
生产工艺参数为:沙米浆添加量 6.6%,人参果汁 11.8%,加糖量 7.2%,接种量 4.2%,沉淀率可达 58.69%,与预测值
59.29%接近,说明本工艺优化行之有效。制得的沙米人参果复合酸奶,质地均匀,口感细腻润滑,酸甜适口。
关键词:最陡爬坡实验,人参果,沙米,复合酸奶,工艺优化
Production technology on the sedimentation rate of
Agriophyllum squaarrosum and Sozamnmuiiatnm composite yogurt
by Response Surface Methodology
WANG Xiao-qin,ZHANG Ke-xue,ZHANG Zhi-kai,DOU Run- ling,
LI Jian-hong,PAN Jing-jing,ZHANG Fen-qin*
(College of Agriculture and Biotechnology(CAB) ,Hexi University,Zhangye 734000,China)
Abstract:Process optimization on the sedimentation rate of Agriophyllum squaarrosum and Sozamnmuiiatnm
composite yogurt was investigated using Plackett Burman design,steepest ascent design and Box- Behnkens
composite design.Firstly,Plackett Burman(PB)design method was used to evaluate the effect of six factors which
affect the rate of sedimentation of Agriophyllum squarrosum and Sozamnmuiiatnm composite yogurt. Then the
center points of the two factors were determined based on steepest ascent design.Then the optimization of the two
factors was carried out by using Box-Behnkens composite design.The results showed that the best production
process parameters were as follows:The amount of Agriophyllum squarrosum extract was 6.6%,Sozamnmuiiatnm
juice was 11.8%,sugar was 7.2%,the inoculum size was 4.2% .The sedimentation rate was 58.69% .Which was in
good agreement with the predicted one of 59.29% . In conclusion,the optimized process had good reliability.The
Sozamnmuiiatnm and Agriophyllum squarrosum composite yogurt has uniform texture,delicate lubrication and
sweet taste.
Key words:steepest ascent design;Sozamnmuiiatnm;Agriophyllum squarrosum;composite yogurt;optimization
technology
中图分类号:TS252.54 文献标识码:B 文 章 编 号:1002-0306(2014)07-0250-05
收稿日期:2013-09-17 * 通讯联系人
作者简介:王晓琴(1964-) ,女,本科,高级实验师,研究方向:食品微
生物。
基金项目:河西学院大学生科技创新活动项目(117) ;河西学院教改项
目(HXXYJG-2011-007)。
沙米(Agriophyllum squarrosum)为藜科沙蓬属,
沙漠野生一年生草本植物。在我国甘肃民勤沙漠地
带大量分布,一般多指它的种子。沙米种子营养价
值很高,富含蛋白质、脂肪、淀粉、多种维生素、SOD、
绿原酸、皂甙、异黄酮、生物碱等生物活性成分[1]。用
其加工而成的沙米食品,助消化、健脾胃,可谓食品
中之佳品。所含人体必需氨基酸中的苏氨酸、蛋氨
酸、赖氨酸、苯丙氨酸含量高于主要粮食作物和一些
保健作物产品,是一种增稠剂和天然功能性食品[2],
目前我国对沙米乳饮料的研究未见报道。因此,如
果能够对其加以开发利用,既能充分利用野生资源,
增加农民收入,又能不断满足人们对纯天然绿色保
健食品消费的需求。
人参果(Sozamnmuiiatnm)又名“香艳梨”、“南美
仙桃”等,系多年生茄科植物。果实形状多似心脏形
和椭圆形,成熟时果皮呈金黄色,带紫色条纹,果肉
清爽多汁,风味独特。它具有高蛋白、低糖、低脂外,
还富含维生素 C,以及多种人体所必需的微量元素,
尤其是硒的含量大大地高于其他的果实和蔬菜[3]。
因此人参果有抗癌、抗衰老、降血压、降血糖、补钙、
美容等功能。本研究将沙米、人参果、鲜奶融为一
体,利用保加利亚乳杆菌与嗜热链球菌混合(1∶1)菌
群发酵研制出沙米人参果复合酸奶并对其生产工艺
DOI:10.13386/j.issn1002-0306.2014.07.056
251
进行优化,得出沙米人参果复合酸奶的最佳生产工
艺,以期制成符合现代需求的色、香、味俱全的新型
风味型发酵保健酸奶。
本实验以沙米、人参果、鲜奶为实验材料,采用
Plackett - Burman 实验[4-5]、最陡爬坡实验、Box -
Behnkens中心组合设计[6-8]对沙米人参果复合酸奶
的工艺进行优化。促进沙米人参果复合酸奶功能
食品加工可持续发展,以期为沙米人参果复合酸奶
开发利用开辟新的途径,为其工厂化生产奠定
基础。
1 材料与方法
1.1 材料与仪器
沙米 采自民勤东湖镇,米粒饱满、均匀;人参
果 采自武威张仪镇,新鲜、匀称、颜色鲜亮、无虫蛀、
无明显沟痕、分叉;鲜牛乳 甘肃省张掖市鑫源乳业公
司;白砂糖 市售,优质;酵母粉 广州艾斯金生物科
技有限公司;葡萄糖;蔗糖;NaCl;CaCO3 分析纯,天
津市光复科技发展有限公司;95%乙醇 分析纯,天
津市 百 世 化 工 有 限 公 司。保 加 利 亚 乳 杆 菌
(Lactobacillus bulgaricus)和嗜热链球菌(Stretococcus
thermophilus)混合(1∶1)菌群 由河西学院农业与生
物技术学院微生物实验室经实验筛选、培养驯化
而得。
HH-4 数显恒温水浴锅 常州国华电器有限公
司;PHS-2F数字 pH计 上海雷磁仪器厂;TDZ5-WS
多管架自动平衡离心机 长沙湘仪离心机仪器有限
公司;电冰箱 青岛-利勃海尔;CL-30L 全自动高压
灭菌锅 日本 ALP 公司;SHP - 150 型生化培养
箱 上海精宏实验设备有限公司;A-260 盖勃氏乳
脂计 沧州高密分析仪器厂;JJ-2B 型组织捣碎匀浆
机 江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司;SW-CJ-
ID型洁净工作台 苏州净化设备厂;SY-6 型家用榨
汁机 九阳股份有限公司。
1.2 实验方法
1.2.1 沙米人参果复合酸奶的加工方法
1.2.1.1 人参果汁的制备 选取新鲜、匀称、颜色鲜
亮、无虫蛀、无明显沟痕和分叉的新鲜人参果,洗净表
面泥沙等可见污垢,然后将人参果切成 3~4mm的薄片
后,立即放入 0.05% VC 和 0.05%柠檬酸钠(1∶1)的混
合溶液中在室温下浸泡 20min进行护色处理[9],用无
菌水冲洗干净,放入榨汁机中榨汁。将榨出的汁液
用 8 层无菌脱脂纱布过滤 2 次,在 3000r /min 条件下
离心 15min,分离浆液后,取上清液即得人参果原汁,
冷藏备用。
1.2.1.2 沙米汁的制备 沙米 ∶水(固液比 1∶30)→煮沸
(3min)→糊化(15min)→ 纱布过滤(4 层)→ 沙米浆→ 灭菌
→冷藏备用。
1.2.1.3 发酵剂的制备 选取产酸性缓和产香性强
后熟性良好的保加利亚乳杆菌和嗜热乳链球菌以1∶1
的比例混合接入灭菌鲜乳中,42~47℃条件下恒温培
养 4~5h,凝乳酸度为 70~75° T,冷却后置于 4℃冰箱
中保存。隔天传代一次,共传代 3 次,菌种可达正常
活力,制得母发酵剂。
1.2.2 制作沙米人参果复合酸奶的工艺流程 鲜牛
乳→预热(50~55℃)→配料(沙米汁、人参果汁和白砂糖)→
均质→灭菌(90℃,5min)→冷却(42℃)→接种(加入发酵剂)
→无菌灌装→保温发酵→冷却(水冷)→后熟(4℃,24~36h)
→检验→成品
1.2.3 沙米人参果复合酸奶的工艺操作要点
1.2.3.1 预热、配料、匀质、灭菌及接种 将原料乳预
热至 50~55℃时加入白砂糖,搅拌,加热至 90~95℃,
保温 5min[10]。降温至 70℃,搅拌后加入沙米浆和人
参果汁,再搅拌,加热 2min;降温至 45℃,在无菌条件
下,将发酵剂充分搅匀按比例加到混合乳中,搅拌
5min至均匀,灌装发酵。
1.2.3.2 保温发酵及冷藏 在 44℃条件下进行恒温
发酵,待完全凝乳后停止发酵,将其放入 4℃的冷藏
箱中后熟 24~36h。
1.2.4 实验设计方法
1.2.4.1 Plackett-Burman实验设计 在前期实验的基
础上,选取可能影响沙米人参果复合酸奶沉淀率的 6
个因素:沙米汁添加量、人参果汁添加量、发酵时间、发
酵温度、接种量、加糖量进行 Plackett-Burman设计,每
个因子取高(+ 1)和低(-1)2 个水平,响应值为沉淀
率(Y)。实验因素、水平及编码见表 1。
表 1 Plackett-Burman实验设计因素水平范围
Table 1 Factors and levels in the Plackett-Burman design
因素
水平
低(-1) 高(+ 1)
X1 沙米浆添加量(%) 5 7
X2 人参果汁添加量(%) 10 14
X3 加糖量(%) 6 8
X4 接种量(%) 3 5
X5 发酵时间(h) 2.5 4.5
X6 发酵温度(℃) 42 47
1.2.4.2 最陡爬坡实验 响应面拟合方程只有在考
察区域里才能充分近似真实情况,所以先逼近最大
沉淀率区域后才能建立有效的拟合方程。根据 PB
实验筛选出显著因子,进行最陡爬坡实验,以期寻找
到最大沉淀率。
1.2.4.3 Box- Behnken 实验设计 逼近最大响应区
间后,采用 Box-Behnken 响应面设计法对影响沙米
人参果复合酸奶沉淀率的关键性因素进行研究和探
索。根据 Box-Behnken 中心组合设计原理,以沉淀
率(%)为响应值,利用 Design-Expert 8.0.5.0 软件进
行 4 因素 3 水平的响应面优化实验设计,各因素及其
水平见表 2。
表 2 Box-Behnkens实验设计因素及水平编码
Table 2 Levels of variables used in the Box-Behnkens design
因素
水平
- 1 0 1
A沙米浆量(%) 5 6 7
B人参果汁量(%) 10 12 14
C加糖量(%) 6 7 8
D接种量(%) 3 4 5
252
1.2.5 沉淀率的测定 沉淀率的测定:准确称取样
液 5mL 于离心管中,3000r /min 离心 10min,去除上
清液,准确称取沉淀质量,计算沉淀率,公式如下:
沉淀率(%)=沉淀物质量
样液质量
× 100
2 结果与分析
2.1 Plackett-Burman实验设计及结果
利用 Design - Expert 8.0.5.0 软件对 Plackett -
Burman实验结果(见表 3)进行方差分析,各因素的
影响效果见表 4。由表 4 可以看出,沙米浆添加量、
人参果汁添加量和加糖量对沙米人参果复合酸奶沉
淀率的影响最为显著,而且沙米浆添加量、人参果汁
添加量和加糖量的效应值为正;接种量对沙米人参
果复合酸奶沉淀率的影响呈负效应。因此在后续的
最陡爬坡实验中沙米浆添加量、人参果汁添加量、加
糖量应取较高水平,接种量取较低水平。发酵温度
和发酵时间对沙米人参果复合酸奶沉淀率的影响较
小,故在下一步响应面分析中只考虑沙米浆添加量、
人参果汁添加量、加糖量和接种量。
表 3 Plackett-Burman 实验设计及结果
Table 3 Plackett-Burman experiment design
and corresponding results
实验号 X1 X2 X3 X4 X5 X6
沉淀率
(%)
1 1 1 - 1 1 1 1 47.79
2 - 1 1 1 - 1 1 1 46.44
3 1 - 1 1 1 - 1 1 49.98
4 - 1 1 - 1 1 1 - 1 47.29
5 - 1 - 1 1 - 1 1 1 48.91
6 - 1 - 1 - 1 1 - 1 1 42.94
7 1 - 1 - 1 - 1 1 - 1 48.98
8 1 1 - 1 - 1 - 1 1 53.74
9 1 1 1 - 1 - 1 - 1 54.48
10 - 1 1 1 1 - 1 - 1 47.88
11 1 - 1 1 1 1 - 1 49.53
12 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 43.38
表 4 Plackett-Burman 实验参数估计表
Table 4 Coefficient estirnates of vareables
in Plackett-Burman design
因素 效应值 均方和 影响(%)显著性排序
X1 4.61 63.76 48.83 1
X2 2.32 16.10 12.33 2
X3 2.18 14.30 10.95 3
X4 - 1.75 9.22 7.06 4
X5 - 0.58 1.00 0.76 5
X6 - 0.29 0.25 0.19 6
2.2 最陡爬坡实验(Steepest ascent design)确定
因素水平
由表 4 关键因素效应可以看出,要提高沙米人
参果复合酸奶沉淀率以增强其稳定性,应该提高沙
米汁添加量、人参果汁添加量、加糖量和降低接种
量,根据上述 4 个关键因素效应的大小比例设定它
们的变化方向及步长进行的实验设计及结果见表 5,
随着 4 个重要因素的不同变化,沉淀率的变化趋势
是先上升后下降,其中在 4 号水平上达到最大值,由
结果可知,最佳沉淀率在 4 号水平附近,故选此水平
为中心点作为后续的响应面设计。
表 5 最陡爬坡实验设计与结果
Table 5 Steepest ascent design and corresponding results
实验号
沙米浆量
(A)
人参果汁量
(B)
加糖量
(C)
接种量
(D)
沉淀率
(%)
1 3 6 4 5 41.84
2 4 8 5 4.5 46.91
3 5 10 6 4 51.79
4 6 12 7 3.5 53.24
5 7 14 8 3 50.94
2.3 Box-Behnken中心组合实验设计及结果
取爬坡实验表 5 中的 4 号实验条件作为响应面
实验因素水平的中心点进行响应面实验设计。以四
因素三水平进行响应面中心组合实验,Box -
Behnkens中心组合实验设计及结果见表 6。
表 6 中心组合实验设计及结果
Table 6 Box-Behnkens design and corresponding results
实验号 A B C D 沉淀率(%)
1 - 1 - 1 0 0 45.91
2 1 - 1 0 0 54.21
3 - 1 1 0 0 47.87
4 1 1 0 0 52.91
5 0 0 - 1 - 1 52.74
6 0 0 1 - 1 56.24
7 0 0 - 1 1 48.05
8 0 0 1 1 49.91
9 - 1 0 0 - 1 48.39
10 1 0 0 1 58.19
11 - 1 0 0 1 48.29
12 1 0 0 1 50.23
13 0 - 1 - 1 0 49.74
14 0 1 - 1 0 49.99
15 0 - 1 1 0 50.29
16 0 1 1 0 52.91
17 - 1 0 - 1 0 47.44
18 1 0 - 1 0 52.44
19 - 1 0 1 0 48.84
20 1 0 1 0 54.38
21 0 - 1 0 - 1 52.98
22 0 1 0 - 1 51.84
23 0 - 1 0 1 47.24
24 0 1 0 1 51..89
25 0 0 0 0 57.89
26 0 0 0 0 57.12
27 0 0 0 0 57.99
28 0 0 0 0 57.79
29 0 0 0 0 57.84
253
表 7 回归方差分析结果
Table 7 Results of regression analysis
变异来源 平方和 自由度 df 均方 F值 p值 显著性
模型 397.88 14 28.42 63.79 < 0.0001 **
A 105.73 1 105.73 237.31 < 0.0001 **
B 3.67 1 3.67 8.25 0.0123 *
C 12.34 1 12.34 27.70 < 0.0001 **
D 52.79 1 52.79 118.50 < 0.0001 **
AB 2.66 1 2.66 5.96 0.0285 *
AC 0.07 1 0.07 0.16 0.6920
AD 15.44 1 15.44 34.67 < 0.0001 **
BC 1.40 1 1.40 3.15 0.0976
BD 7.26 1 7.26 16.30 0.0012 *
CD 0.67 1 0.67 1.51 0.2395
A2 87.07 1 87.07 195.43 < 0.0001 **
B2 97.59 1 97.59 219.04 < 0.0001 **
C2 65.60 1 65.60 147.23 < 0.0001 **
D2 52.78 1 52.78 118.47 < 0.0001 **
残差 6.24 14 0.45
失拟项 5.76 10 0.58 4.79 0.0724
纯误差 0.48 4 0.12
总变异 404.11 28
R2adj 98.46%
R2pred 91.61%
R2 96.91%
注:**为极度显著,p≤0.001;* 为显著,p≤0.05;不显著,p > 0.05。
Box-Behnkens实验设计中对实验结果进行拟合
的二次模型方差分析见表 7,回归方程中各变量对响
应值影响的显著性由 p 值来判定,概率 p(Prob > F)
的值越小,则相应变量的显著性越高[12]。利用软件
Design-Expert 8.0.5.0 对表中的实验数据进行多元回
归拟合,得到编码空间二次函数模型为:Y = 57.73 +
2.97A + 0.55B + 1.01C - 2.10D - 0.81AB + 0.1AC -
1.97AD +0.59BC + 1.35BD-0.41CD-3.66A2 -3.88B2 -
3.18C2-2.85D2,方差分析及 F检验结果列于表 7。
由表 7 可知,本模型拟合程度明显,多元回归模
型拟合度采用 R2 表示,以 R2 > 0.9 判定为优[13]。软
件分析的多元拟合系数为 R2 = 0.9846,说明模型对实
验实际情况拟合较好;预测 R2 = 0.9161,模型的校正
决定系数 R2 = 0.9691,说明该模型能解释 96.91%响
应值的变化;其 F 值为 63.79,模型 p 值小于 0.0001,
说明模型极显著,可用来进行响应值预测。根据模
型失拟项 0.0724 > 0.05,不显著,说明模型中不需要
引入更高次数的项,模型选择合适。所以,我们可以
使用该模型来分析响应值的变化。从表中还可以看
出因素一次项(A、C、D)、交互项 AD 二次项(A2、B2、
C2、D2)对结果影响是极显著的,交互项 AB 和 BD 以
及一次项 B对结果影响显著。
2.4 显著因素水平优化
利用 Design-Expert8.0.5.0 软件根据回归方程进
行响应面分析,绘制多因素对沉淀率交互影响的响
应面图,结果如图 1 所示,以便进一步研究相关变量
之间的交互作用以及确定最优点。通过对图 1 响应
面交互趋势图进行分析,可以看出响应值存在最大
值。虽然沉淀率越大,凝固型酸奶越稳定,但考虑到
风味、口感、粘度,酸度适宜等综合因素,利用 Design
-Expert8.0.5.0 软件分析计算,最终得到酸奶沉淀率
预测值最佳时的发酵条件:沙米浆添加量 6.58%,人
参果汁 11.84%,加糖量 7.20%,接种量 4.20%,预测
值为 59.29%。考虑到实际配制的方便,将各因素条
件修正为:沙米浆添加量 6.6%,人参果汁 11.8%,加
糖量 7.2%,接种量 4.2%。为了验证模型预测的准确
性,在修正条件下对实验结果进行 3 次验证实验,测
得酸奶沉淀率的平均值为 58.69%,与理论预测值吻
合得很好,表明模型合理有效。
3 结论
采用 Plackett - Burman(PB)设计、最陡爬坡实
验、响应面法,确定沙米人参果复合酸奶的最佳生产
工艺参数为:沙米浆添加量 6.6%,人参果汁添加量
11.8%,加糖量 7.2%,接种量 4.2%。沙米人参果复
合酸奶沉淀率可达 58.69%。因此,利用响应面分析
方法对沙米人参果复合酸奶的生产工艺进行优化,
可以获得最优的工艺参数,能有效的减少工艺操作
的盲目性,从而为进一步的实验研究打好基础。
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