杨承钰,龚盛祥,王正武

(上海交通大学农业与生物学院,上海 200240)

马铃薯作为世界上第四大粮食作物,因其所含有的丰富的蛋白质、碳水化合物、矿物质和维生素等营养成分,素有“地下苹果”和“第二面包”的美称[1-2]。2015年我国提出了“马铃薯主粮化”的战略,以进一步带动农业发展、改善我国人民的膳食营养[3]。相比于普通马铃薯,除含有基本的营养成分外,紫马铃薯还含有大量的花青素[4]。很多研究表明花青素具有很强的自由基清除能力,具有增强机体免疫力、防癌抗癌、预防心血管疾病等功能[5-8]。

随着经济发展以及人民生活水平的不断提高,酸奶以其丰富的营养价值和独特的风味越来越受到广大消费者的喜爱,伴随酸奶市场的不断扩大,很多种类的功能性酸奶应运而生[9]。Perina等[10]在酸奶中添加了西番莲果皮粉,生产出具有保健功效的新型功能性酸奶;苏颖晶等[11]利用解淀粉酶乳杆菌发酵了全谷物酸奶,使得酸奶更易吸收。同时人们对酸奶的安全性也越来越关注,各种添加剂的使用让广大消费者对酸奶产品望而却步。因此,研发一种无添加剂、高营养价值的新型功能性酸奶具有广阔的市场前景。

本实验以紫马铃薯全粉和牛奶为原料,以模糊数学感官评分为指标,通过单因素和响应面实验对紫马铃薯酸奶的工艺配方进行优化,并利用主成分分析法对紫马铃薯酸奶的质构进行分析,构建出可用于评价其品质的质构模型,为紫马铃薯和酸奶的综合利用提供了理论依据与参考方向。

表1 紫马铃薯酸奶感官评分指标参考Table 1 Reference to sensory indexes of purple potato yogurt

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

紫马铃薯全粉 乐陵市东大食品枣业有限公司;蔗糖 广州福正东海食品有限公司;乳酸菌 北京川秀国际贸易有限公司;纯牛奶 内蒙古蒙牛乳业(集团)股份有限公司。

APV 2000高压均质机 安培威机械制造有限公司;T18高速分散机 IKA工业设备公司;YB-1000A多功能粉碎机 永康市速锋工贸有限公司;MS105DU分析天平 上海恒勤仪器设备有限公司质构仪;Universal TA质构仪 上海腾拔仪器科技有限公司;TGL-16M高速台式离心机 上海卢湘仪器;恒温恒湿箱 美墨尔特有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 紫马铃薯酸奶的制备工艺流程

1.2.2 操作要点

1.2.2.1 原料预处理 紫马铃薯粉经粉碎机磨碎后,过100目筛,用密封袋包装好后置于干燥器中避光保存备用。

1.2.2.2 均质 将紫马铃薯粉与蔗糖加入牛奶中混匀后,于20 MPa下均质两次。

1.2.2.3 杀菌 采用巴氏杀菌法,将原料加热至68～70 ℃,并保持此温度30 min以后急速冷却。

1.2.2.4 发酵 将原料置于42 ℃恒温箱中发酵。

1.2.2.5 后发酵 将发酵后的紫马铃薯酸奶于4 ℃下保存24 h,即得成品[12]。

1.2.3 模糊数学-感官评定法[13]:

1.2.3.1 建立评价因素集 评价因素集U为紫马铃薯酸奶感官质量构成因素指标的集合。U1代表色泽、U2代表滋味、U3代表组织状态、U4代表马铃薯风味,得到U={U1,U2,U3,U4}={色泽、滋味、组织状态、马铃薯风味}。

1.2.3.2 建立评价语集 评价等级集V为对前述色泽、滋味、组织状态、马铃薯风味四个评价因素的评价V={V1,V2,V3,V4},V1,V2,V3,V4分别代表优、良、中、差。

表2 被评定因素各分值段打分人数汇总Table 2 Summary of the number of divided segments

1.2.3.3 建立权重集 权重集是前述各评价因素的权重系数的集合,反应了评价因素在食品感官质量因素构成中的重要程度[14]。本实验前期采用“用户调查法”确定酸奶各感官指标的权重,经统计分析后得到质量因素权重集X={X1,X2,X3,X4}={0.205,0.315,0.260,0.220}={0.2,0.3,0.3,0.2},即色泽占0.2,滋味占0.3,组织状态占0.3,马铃薯风味占0.2。

1.2.3.4 模糊关系综合评定集 对每一个被评定因素建立从U到V的模糊关系评判矩阵运算关系:

综合评定集Y=X·R是指研究过程中需要进行评价的产品的集合,其中X为权重集,R为模糊矩阵[15]。

Y=X·R=(0.2,0.3,0.3,0.2)

1.2.4 单因素实验 在预实验的基础上,选取乳酸菌接种量、发酵时间、蔗糖添加量、紫马铃薯粉添加量进行单因素实验,按照1.2.1所述工艺条件制备紫马铃薯酸奶,单因素实验条件:

1.2.4.1 紫马铃薯粉添加量对紫马铃薯感官评分的影响 固定蔗糖添加量7%、乳酸菌接种量0.4%、发酵时间7 h,考察不同紫马铃薯粉添加量(4%、5%、6%、7%、8%)对紫马铃薯酸奶感官评分的影响;

1.2.4.2 蔗糖添加量 对紫马铃薯酸奶感官评分的影响 固定紫马铃薯粉添加量6%、乳酸菌接种量0.4%、发酵时间7 h,考察不同蔗糖添加量(5%、6%、7%、8%、9%)对紫马铃薯酸奶感官评分的影响;

1.2.4.3 乳酸菌接种量对紫马铃薯酸奶感官评分的影响 固定紫马铃薯粉添加量6%、蔗糖添加量7%、发酵时间7 h,考察不同乳酸菌接种量(0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%)对紫马铃薯酸奶感官评分的影响;

1.2.4.4 发酵时间对紫马铃薯酸奶感官评分的影响 固定紫马铃薯粉添加量6%、蔗糖添加量7%、乳酸菌接种量0.4%,考察不同发酵时间(5、6、7、8、9 h)对紫马铃薯酸奶感官评分的影响。

1.2.5 响应面实验 根据单因素实验的结果,选取每个因素中对紫马铃薯酸奶影响较为显著的三个水平,以感官评分为评价指标,应用Design-Expert软件设计4因素3水平实验。

表3 紫马铃薯酸奶的响应面实验因素及水平Table 3 Factors and levels of purple potatoyogurt ofresponse surface experimental

1.2.6 紫马铃薯酸奶质构与持水力主成分分析

1.2.6.1 质构指标的测定 采用Universal TA质构仪进行TPA测试分析,实验用P/PE反挤压探头,测量条件如下:测前速度为1.0 mm/s,测试速度为1.0 mm/s,测后速度为1.0 mm/s,压缩距离20 mm,两次压缩间隔为5s,进行3次重复实验,测定的质构指标为硬度、粘附性、胶着性、内聚性[16-18]。

1.2.6.2 持水力测定 取酸奶20 g,4 ℃下4000 r/min离心10 min后,弃上清液,离心管倒置10 min后立即称重,计算持水力,所有样品平行测3次取平均值[10,19]。

式中:M1为离心沉淀物的重量,g;M0为样品重量,g。

1.2.6.3 质构指标参数转化 质构指标参数的大小与质构品质的优劣并不呈线性相关,因此在响应面实验中质构指标参数不能直接用作响应面指标。通过分析感官得分最高时的质构指标参数Xmax,按照公式建立感官得分与质构指标参数之间的函数关系,可将其转化为可直接代表紫马铃薯酸奶质构品质优劣的质构得分,公式如下[20]:

式中:Yi-质构得分(分),*;Xmax-感官评分最高时对应的质构指标参数;Xi-实际测得的质构指标参数。

1.2.6.4 相关性及主成分分析 利用SPSS 16.0软件,对紫马铃薯酸奶的质构指标得分及持水性进行主成分分析,对紫马铃薯酸奶的感官评分和质构综合得分进行相关性分析。

1.3 数据处理

响应面实验设计和结果分析采用Design-Expert 10软件,应用OriginPro 8软件做图,实验数据分析利用SPSS 16.0软件。

2 结果与讨论

2.1 单因素实验

图1 紫马铃薯粉添加量对紫马铃薯酸奶感官评分的影响Fig.1 Effect of purple potato powder additionon sensory score of purple potato yogurt

2.1.1 紫马铃薯粉添加量对紫马铃薯酸奶感官品质的影响 紫马铃薯粉添加量的单因素实验结果如图1所示。由图可知,在紫马铃薯粉添加量为6%时感官评分最高,当马铃薯粉添加量超过6%时,紫马铃薯酸奶的感官评分逐渐降低。紫马铃薯粉的添加不仅赋予了酸奶诱人的淡紫色以及紫马铃薯特有的风味,还能够起到增稠的效果,从而可以降低酸奶中稳定剂增稠剂等食品添加剂的用量。若紫马铃薯粉添加量过低,则产品质地过稀、有部分乳清析出,且马铃薯风味不够突出,色彩稍淡;而紫马铃薯粉添加量较高时,酸奶组织状态会过于黏稠,且口感粗糙,从而导致感官评分降低。因此根据单因素实验结果,选择紫马铃薯粉添加量为5%、6%、7%进行响应面实验。

2.1.2 蔗糖添加量对紫马铃薯酸奶感官品质的影响 蔗糖添加量的单因素实验结果如图2所示。紫马铃薯酸奶的感官评分随蔗糖添加量的增大先升高后降低,当添加量在8%时感官评分最高。蔗糖的加入可以缓和乳酸的酸味,从而改善了风味,使得产品口感更佳。同时蔗糖作为微生物代谢的碳源,适量地添加有助于乳酸菌的生长繁殖;而蔗糖浓度过高会导致乳酸菌因内外渗透压过高而脱水死亡,从而不利于酸奶的发酵。王攀[21]研究了加糖量对羊奶酸奶发酵过程中的酸度、黏度、持水力等特性的影响,认为加糖量为8%时酸奶的感官质量最佳。因此根据感官评分情况选取蔗糖添加量7%、8%、9%进行响应面实验。

图2 蔗糖添加量对紫马铃薯酸奶感官评分的影响Fig.2 Effect of sucrose additionon sensory score of purple potato yogurt

2.1.3 乳酸菌接种量对紫马铃薯酸奶感官品质的影响 乳酸菌接种量的单因素实验结果如图3所示。在乳酸菌接种量为0.1%～0.5%的范围内,紫马铃薯酸奶的感官评分呈现先上升后下降的趋势。当接种量低于0.4%时,酸奶发酵不完全,酸味没有完全释放出来,口感偏甜,使得感官评分降低;当接种量高于0.4%时,乳酸菌代谢产生的乳酸过多,导致酸度较高,酸甜比例失调。方依依[22]等在研制马铃薯全粉酶解酸奶时也得到相近的结果。因此后续选取接种量0.3%、0.4%、0.5%进行响应面实验。

图3 乳酸菌接种量对紫马铃薯酸奶感官评分的影响Fig.3 Effect of inoculating amount oflactic acid bacteria on sensory score of purple potato yogurt

2.1.4 发酵时间对紫马铃薯酸奶感官品质的影响 发酵时间的单因素实验结果如图4所示。紫马铃薯酸奶的感官评分随发酵时间的延长呈现出先升高后降低的趋势,在发酵时间为6 h时感官评分达到最大值81.5分。当发酵时间较短时,紫马铃薯酸奶的粘度低,组织状态较为松散,且酸度不够;发酵时间超过6 h后,酸奶凝乳过度,质地过于黏稠,口感不佳,导致感官评分结果偏低。刘春芬[23]等在优化山药保健酸奶工艺配方时,也认为酸奶的发酵时间应在6 h左右。因此后续选取发酵时间5、6、7 h进行响应面实验。

图4 发酵时间对紫马铃薯酸奶感官评分的影响Fig.4 Effect of fermentation timeon sensory score of purple potato yogurt

2.2 响应面优化紫马铃薯酸奶工艺配方

2.2.1 响应面实验设计及结果 由单因素实验选取的紫马铃薯粉添加量(A)、蔗糖添加量(B)、菌种添加量(C)、发酵时间(D)四个自变量因素,以模糊数学法所得的感官评分为响应值,利用Design-Expert 10.0软件Box-Behnken Design模块设计四因素三水平响应面实验,共29个实验点,结果如表4所示。

表4 紫马铃薯酸奶Box-Behnken实验结果Table 4 Experimental results of Box-Behnkenof purple potato yogurt

续表

2.2.2 回归模型的建立及方差分析 对表4中的响应面实验结果进行回归拟合分析,得紫马铃薯酸奶感官评分Y对自变量紫马铃薯粉添加量(A)、蔗糖添加量(B)、菌种添加量(C)以及发酵时间(D)的四个因素的二次多项回归模型如下:

Y=90.18+0.078A-2.51B+2.13C+1.33D+2.25AB-0.39AC+0.68AD+0.94BC+1.65BD-0.22CD-4.25A2-2.99B2-1.46C2-3.31D2。

紫马铃薯酸奶配方优化的响应面二次多项式回归方程的方差分析结果如表5所示:

表5 响应面二次多项式回归方程方差分析Table 5 Variance Analysis of two polynomialregression equation for response surface

注:*、**分别表示该项目对感官评分的影响显著(P<0.05)和极显著(P<0.01),R2=0.9400。

紫马铃薯酸奶二次多项式回归方程的方差分析表显示:本实验模型的P<0.0001,说明该模型具有统计学意义;失拟项表示模型与实验结果的拟合程度,P=0.335>0.05,表示所得方程与实际拟合中的非正常误差所占比例小,因此未知因素对本实验的结果影响小;复相关系数越接近1,表明该实验模型拟合度越好,本实验复相关系数R2=0.9400。综上,该模型能较好地拟合、分析紫马铃薯酸奶工艺配方优化实验,可合理正确地预测紫马铃薯粉添加量(A)、蔗糖添加量(B)、菌种添加量(C)、发酵时间(D)的最佳参数。表4显示,一次项蔗糖添加量(B)、菌种添加量(C)对感官评定有极显著影响,一次项发酵时间(D)对感官评分有显著影响,一次项对感官评定结果的影响大小依次为B>C>D>A,即四个因素对紫马铃薯酸奶感官评分的影响大小依次为蔗糖添加量>菌种添加量>发酵时间>紫马铃薯粉添加量;二次项A2、B2、D2对感官评分有极显著影响,交互项AB对感官评分有显著影响。

2.2.3 响应面分析及最优配方预测 固定紫马铃薯粉添加量(A)、蔗糖添加量(B)、菌种添加量(C)、发酵时间(D)其中的两个因素可得另外两个因素的交互作用对感官评分的影响,结果如图5显示。观察三维曲面图,可确定两因素对感官评分结果的影响以及交互作用的程度。

从图5a可以看出,等高线沿蔗糖添加量轴向比紫马铃薯粉添加量轴向密集,说明蔗糖添加量对紫马铃薯酸奶感官评分的影响比紫马铃薯粉添加量大;三维曲面图倾斜程度强,说明两因素的交互作用较强,对紫马铃薯酸奶感官评分的影响显著;图5b显示,在蔗糖添加量和发酵时间一定的情况下,乳酸菌接种量在0.45%左右,紫马铃薯粉添加量在6%左右时,紫马铃薯酸奶的感官评分较高。乳酸菌接种量等高线较紫马铃薯粉添加量密集,说明乳酸菌接种量对紫马铃薯酸奶感官评分的影响比紫马铃薯粉添加量大;从图5c中可以看出,紫马铃薯酸奶的感官评分随发酵时间先升高后降低,发酵时间在6 h左右感官评分较高,主要原因是发酵时间与紫马铃薯酸奶产品的组织状态和滋味有很大关系,三维曲面图倾斜程度不明显,表明发酵时间和紫马铃薯粉添加量之间的交互作用不显著;图5d显示,蔗糖添加量的曲面较陡,乳酸菌接种量的曲面较平缓,说明蔗糖添加量对紫马铃薯酸奶感官评分的影响比乳酸菌接种量的影响显著,三维曲面图的倾斜程度显示两者之间的交互作用对感官评分的影响较明显;同理从图5e和图5f中可得蔗糖添加量对紫马铃薯酸奶感官评分的影响较发酵时间的影响显著,乳酸菌接种量对紫马铃薯酸奶感官评分的影响较发酵时间的影响显著。响应面图分析与方差分析结果一致。

图5 两因素的交互作用对感官评分影响的响应面图Fig.5 Response surface of interaction between two factors on sensory scores

由2.2.2所得二次多项式回归模型分析可预测紫马铃薯粉添加量(A)、蔗糖添加量(B)、菌种添加量(C)、发酵时间(D)四因素的最佳条件和最优感官评分分别为:紫马铃薯粉添加量5.90%,蔗糖添加量7.66%,菌种添加量0.46%,发酵时间6.09 h(6 h 5 min),感官评分Y=91.32±0.72分。

2.2.4 验证实验 按照1.2.1的方法以及最佳条件制作紫马铃薯酸奶,所得产品颜色均匀,呈淡紫色,滋味纯正,酸甜适口,口感舒适,组织细腻,具有马铃薯的香味和乳香,香气协调。采用模糊数学-感官评价法所得感官评分结果为90.86分,与预测值基本一致,表明所建数学模型预测可靠性高,具有一定的实用价值。

表6 紫马铃薯酸奶感官评分及质构得分Box-Behnken实验结果Table 6 Ox-Behnken results of Sensory and texture scores of purple potato yogurtB

续表

2.3 紫马铃薯酸奶质构与持水力特性主成分分析

2.3.1 质构指标参数转化 将质构数据与持水力和感官评分代入1.2.8中的公式,得到的指标参数转化分数如表6所示:

2.3.2 各指标得分相关性分析 采用SPSS软件对表6所得紫马铃薯酸奶的质构指标得分进行相关性分析,首先利用k-s检验验证了样本的正态性。Pearson积矩相关性计算结果见表7。由表可知,紫马铃薯酸奶的硬度与粘附性、胶着性、持水力呈正相关(P<0.05);粘附性与胶着性呈正相关(P<0.05),与持水力呈极显著正相关(P<0.01);胶着性与内聚性和持水力中度正相关(P<0.05)。从表中可以看出,大部分相关系数的绝对值大于0.3,由此可见,紫马铃薯酸奶的各个质构以及持水力之间存在着不同程度的相关性,即表明各质构指标之间存在着共线性[24]。所以紫马铃薯酸奶的质构特性适合进行主成分分析。

表7 紫马铃薯酸奶质构得分相关性分析表Table 7 Texture score correlation analysistable of purple potato yogurt

注:*、**分别表示该项目对感官评分的影响显著(P<0.05)和极显著(P<0.01)。

2.3.3 主成分分析 主成分分析是通过降维的方法,将较多的指标转化为可以综合概括所有变量的少数指标[25]。消除各指标之间的共线性关系,减少指标个数以便用于后续的分析。用SPSS软件对紫马铃薯酸奶的质构指标得分及持水性进行主成分分析,结果如表8所示,对紫马铃薯酸奶的4个质构指标以及持水力进行主成分分析后,提取了2个主成分,这2个主成分累积贡献率达到83.49%,能反应多数数据的信息,能正确反映紫马铃薯酸奶质构的整体信息。其中,第1主成分的贡献率为60.36%,特征值为3.02;第2主成分的贡献率为23.13%,特征值为1.16。

表8 主成分特征值及贡献率Table 8 Principal component eigenvalues and contribution rates

由表9初始主成分矩阵旋转后得到表10,由该表可知:第1主成分上高载荷的指标有硬度(因子载荷值为0.701)、粘附性(因子载荷值为0.961)、持水力(因子载荷值为0.949);第二主成分包含的指标有胶着性(因子载荷值为0.774)、内聚性(因子载荷值为0.922)。

表9 初始主成分矩阵Table 9 Initial principal component matrix

表10 旋转主成分矩阵Table 10 Rotating principal component matrix

由表10可计算得各主成分的表达式:

F1=0.701X1+0.961X2+0.483X3-0.015X4+0.949X5

F2=0.399X1+0.083X2+0.774X3+0.922X4+0.093X5

由以上2个主成分及其方差贡献率可构建出紫马铃薯酸奶的综合质构品质评价模型F:

F=3.02F1+1.16F2

表11 紫马铃薯酸奶感官评分和质构综合得分表Table 11 Sensory and texture score comprehensive score table of purple potato yogurt

2.3.4 感官评分和质构综合得分的相关性分析 感官评分或多或少存在着人为主观因素的影响,同时又耗费时间与资源。紫马铃薯酸奶的质构品质与感官品质存在着较大的关联性。根据2.3.3的综合质构品质评价模型可得紫马铃薯酸奶的各质构综合得分,如表11所示。利用SPSS对紫马铃薯酸奶的感官评分和综合质构得分进行相关性分析,可得两者成极显著正相关,相关性系数为0.696。说明由主成分分析所得的质构综合得分可作为评价紫马铃薯酸奶的指标,极大地降低紫马铃薯酸奶感官评分所耗费的人力和时间。

3 结论

本实验以模糊感官评分作为指标设计了响应面实验,确定了紫马铃薯酸奶的最佳工艺配方:菌种添加量为0.46%,发酵时间为6.09 h,蔗糖添加量为7.67%,紫马铃薯粉添加量为5.90%。所得产品颜色均匀,呈淡紫色,滋味纯正,酸甜适口,口感舒适,组织细腻,具有马铃薯的香味和乳香,香气协调。

利用Box-Behnken建立二次多项式模型(P<0.001),拟合度好。各因素对紫马铃薯酸奶感官评分的影响:蔗糖添加量>菌种添加量>发酵时间>紫马铃薯粉添加量。紫马铃薯粉添加量与蔗糖添加量之间的交互作用对紫马铃薯酸奶的感官评分影响显著。

将质构指标参数转化为可直接反映紫马铃薯酸奶质构品质优劣的质构得分,并通过主成分分析法将5项指标提取出2个主成分,累积贡献率达83.49%,构建出紫马铃薯酸奶品质的综合评价模型F=3.02F1+1.16F2,相关性分析显示通过此模型所得的质构综合得分对紫马铃薯酸奶的品质进行评判具有可行性,并可以降低紫马铃薯酸奶感官评价所耗费的人力和时间。