李 良，王 帅，程建军，冯宪民，杨文鑫

（东北农业大学食品学院，黑龙江哈尔滨150030）

响应面法优化胡萝卜苹果乳清发酵饮料工艺

李 良，王 帅，程建军，冯宪民，杨文鑫

（东北农业大学食品学院，黑龙江哈尔滨150030）

实验以胡萝卜、苹果、乳清发酵液为原料，研究乳清发酵饮料制备的工艺条件。采用响应面法对胡萝卜苹果乳清发酵饮料生产的工艺条件进行优化。结果表明，最佳工艺条件为白砂糖6.7%，胡萝卜苹果汁比例2.2∶1（果汁占总量的50%），乳清发酵液添加量38%。最终得到稳定性较好的混合果蔬乳清发酵饮料，感官评价得分为92.5，产品酸甜适中，口感良好，营养丰富，具有浓郁的胡萝卜苹果混合的清香味。

响应面法，乳清饮料，发酵，胡萝卜，苹果

乳清是生产干酪、干酪素等的副产品，一般每生产1kg干酪会产生9kg乳清[1-2]。乳清营养极为丰富，其营养物质含量占原料奶55%，干物质约占6%～8%，粗蛋白占1%，总糖占3%～5%[3]。乳清富含具有多种功能特性、营养和生物活性的蛋白质，乳清蛋白大部分为α-乳白蛋白和β-乳球蛋白，它占总蛋白的70%～80%，其他蛋白组分为牛乳血清白蛋白、乳铁蛋白、乳过氧化酶、免疫球蛋白、生长因子和许多生物活性因子及酶，这些物质均具有一定的生物活性[4]。乳清富含多种高质量、高生物活性蛋白质，并含有碳水化合物和矿物质，因此其具有保健和防止疾病的作用[5]。乳清蛋白的理化性质、生物学特性和保健功能决定了乳清的市场应用前景。欧美等国家不仅将乳清应用于普通食品中，还开发出了糖尿病饮料、减肥食品、免疫功能食品和运动营养食品。目前我国乳清蛋白质的应用尚处于起步阶段[6]，大量乳清被作为废水排掉，这不仅浪费了营养资源，降低了企业经济效益；而且乳清中乳糖会消耗水中的溶解氧，会造成环境污染。因此合理开发利用乳清资源已成为急待解决的问题[1]。

发酵型乳清饮料是利用营养价值极丰富的乳清作主要原料，添加乳酸菌发酵到一定程度，可以降低乳糖，产生乳酸，最后生成一种酸甜适口、营养丰富的高档饮料。这样既可充分利用乳清资源，又具有工艺简单、投资设备少、产量大、经济效益高等特点，故发酵乳清饮料是乳清利用的一个重要方向[7-8]。

本实验对发酵型乳清饮料的配方工艺进行优化，得到口感细腻，酸甜可口，风味独特，营养丰富的乳清饮品，为乳清的利用拓宽了思路，为进一步开发保健型乳清产品奠定理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

乳清粉、胡萝卜、苹果、白砂糖、CMC、发酵剂（德氏乳杆菌保加利亚种、嗜热链球菌） 均为市售。

电子分析天平 上海精密仪器仪表有限公司；超净工作台 北京东联哈尔仪器制造有限公司；电热恒温培养箱 上海一恒科技有限公司；pH计 雷迪美特中国有限公司；Midea榨汁机 广东美的生活电器制造有限公司等。

1.2 工艺流程[9]

1.3 操作要点

1.3.1 胡萝卜汁制备 将胡萝卜切成2～3cm的小块，预煮5min以便于打浆。打浆时胡萝卜∶水=1∶2，榨汁后用两层纱布过滤得到胡萝卜汁。

1.3.2 苹果汁的制备 原料切分约3cm见方的块状。打浆时苹果∶水=1∶2，过滤得到苹果汁。

1.3.3 乳清处理 称取100g乳清粉溶解至1000mL，过滤。

1.3.4 加热 采用巴氏灭菌法，加热温度85℃，时间15min。

1.3.5 发酵 冷却至温度42℃，接种乳酸菌种，在42℃左右保温培养4～5h。

1.3.6 调配 添加糖、柠檬酸等添加剂进行调配。

1.4 单因素实验

选择发酵剂接种量、发酵时间和乳糖添加量三个因素进行单因素实验，以感官评价为指标，对这三个因素对乳清发酵液的影响进行研究。固定乳糖添加量为4%，发酵时间4h，分别在发酵剂接种量2%、3%、4%、5%、6%的条件下进行发酵，对发酵剂接种量进行优化；固定乳糖添加量为4%，发酵剂接种量4%的条件下，分别在发酵时间3、4、5、6、7h的条件下进行发酵，对发酵时间进行优化；固定发酵时间5h，发酵剂接种量4%，分别在乳糖添加量为1%、2%、3%、4%、5%的条件下进行发酵，对乳糖的添加量进行优化。

1.5 乳清发酵液条件的优化

根据单因素实验结果，本实验选用接种量、发酵时间、乳糖添加量三个因素进行正交实验，以感官评价为指标，正交因素水平表见表1。

表1 正交实验设计因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal test

1.6 胡萝卜、苹果乳清发酵饮料工艺条件的优化

在乳清发酵液配方的基础上，根据饮料自身的特点，本实验选用白砂糖、胡萝卜苹果汁的比例（果汁添加量占饮料总量的50%）、发酵乳清液添加量三个因素进行响应面实验，实验因素水平见表2。

1.7 感官评价

选择有品尝经验的10名人员对乳清发酵液和胡萝卜苹果乳清发酵饮料进行感官评价，发酵乳清感官评价标准如表3[10]，胡萝卜苹果乳清发酵饮料感官评价标准见表4，评定结果取平均值。

表2 响应面分析因素与水平Table 2 Factors and levels in the response surface design

表3 乳清发酵液感官评价标准Table 3 Sensory evaluation standards of whey fermented

2 结果与分析

2.1 单因素实验

2.1.1 发酵剂接种量的确定 发酵剂接种量对于产酸的速度和产品的感官评价有很大影响，发酵剂接种量对乳清发酵液感官评价的影响见图1所示。从图1可以看出，当发酵剂加量为4%时，乳清基料发酵液感官评价最高，为87分，因此选择发酵剂的添加量为4%。

图1 发酵剂接种量对乳清发酵液感官评价的影响Fig.1 The effect of supplementing amount of starter on sensory of whey fermentation liquid

2.1.2 发酵时间的确定 菌种生长过程中风味物质的产生与发酵时间有很大的关系，发酵时间与pH的关系如图2所示。

从图2中可以看出，在发酵时间3～7h，随时间的延长，发酵乳清的pH也呈下降趋势。由于发酵时间短，凝乳效果不好，但发酵时间过长酸度太高会影响发酵乳清液的酸度和口感。综合以上因素考虑，发酵时间在5h时，pH在4.5附近时，具有浓郁的乳酸风味，同时乳清发酵到pH4.5～4.6，这时可见乳清下部出现沉淀，通过过滤的方法将其除去可获得澄清液[9]。因此发酵5h对于生产澄清饮料是必要的。在接下来的发酵条件优化中，都以发酵时间5h条件下进行。

图2 发酵时间与pH的关系Fig.2 Relationship of fermentation time and pH

表4 胡萝卜苹果乳清发酵饮料感官评价标准Table 4 Sensory evaluation standards of carrot-apple-whey fermented beverage

图3 乳糖添加量对乳清发酵液感官评价的影响Fig.3 The effect of lactose on sensory of whey fermentation liquid

表5 正交实验方案与结果Table 5 Experimental design and results of orthogonal test

2.1.3 乳糖添加量的确定 乳糖的添加可以为乳酸菌提供碳源，同时通过乳酸菌的代谢可以产生许多风味物质，乳糖添加量对乳清基料发酵液感官评价的影响见图3所示。从图3可以看出，当乳糖添加量为4%时，乳清基料发酵液感官评价最高，为86分，因此选择乳糖添加量为4%。

2.2 乳清发酵液发酵条件优化

乳清发酵液发酵条件正交因素水平分析表见表5。

从表5中R值大小可知，接种量、发酵时间、乳糖添加量对乳清发酵液的感官评价有不同程度的影响，由极差分析得出各因素对胡萝卜乳清饮料的感官质量影响主次顺序为B＞A＞C，发酵时间的影响最大，其次是接种量，乳糖添加量为最次因素。确定最佳组合为A2B2C2，经过验证实验，A2B2C2感官评分为86，高于9个组合中的最高分，因此最佳组合为A2B2C2：即接种量为4%，发酵时间5h，乳糖添加量4%，以此配方制备的乳清发酵液为基料，通过响应面对制备胡萝卜苹果乳清发酵饮料的配方进行优化。

2.3 胡萝卜苹果乳清发酵饮料配方的确定

根据单因素实验，选择采用Box-Behnken响应面设计法进行优化。实验结果如表6所示。

2.3.1 模型方程的建立与显著性检验 利用Design Expert软件对表6数据进行二次多项回归拟合，获得感官评价（Y）对自变量蔗糖添加量（X1）、果汁比例（X2）、乳清液添加量（X3）的多元回归方程Y=91.00+ 4.37X1-0.88X2-1.00X3-3.75X1X2-1.00X1X3-1.50X2X3-7.37X12-5.37X22-2.63X32。

表6 响应面实验方案与结果Table 6 Experimental design and results of response surface design

对得出的方程进行方差分析结果如表7所示。由表7可知，模型p＜0.01（p=0.0005），说明本实验选用的二次多项模型具有高度的显著性。失拟项p＞0.05（p= 0.2051）不显著，模型决定系数R2=0.9585，表明感官评价的实测值与预测值有很好的拟合度。因此，该模型拟合程度较好，可以用此模型来分析和预测胡萝卜苹果乳清发酵饮料的工艺。各影响因素主次顺序为：X1（白砂糖添加量）＞X3（乳清发酵液添加量）＞X2（胡萝卜汁∶苹果汁）。

2.3.2 响应面分析 利用Design Expert 7.0软件对数据进行二次多元回归拟合，所得到的二次回归方程的响应面图如图4～图6所示。

比较三组图可知：糖添加量与果汁比例对感官评价的影响显著；糖添加量与乳清发酵液添加量对感官评价的影响不显著；果汁比例与乳清发酵液添加量对感官评价的影响不显著。

回归模型的决定系数为X1、X1X2、X12、X22、X32，即白砂糖添加量、白砂糖和果汁比值之间的交互作用、白砂糖添加量的二次项、果汁比值的二次项对产品的感官评价的影响达到极显著，发酵乳清基料的添加量的二次项对产品的感官评价的影响达到显著。

表7 方差分析Table 7 Analysis of variance

图4 糖添加量与果汁比例对感官评价影响的响应面图Fig.4 Response surface for the effects of sugar and fruit juice ratio on sensory evaluation

图5 糖添加量与乳清发酵液添加量对感官评价影响的响应面图Fig.5 Response surface and for the effects of sugar and whey additive amount on sensory evaluation

2.3.3 最佳条件的确定 通过该回归方程求解优化后的最佳工艺参数为：白砂糖添加量6.7%、胡萝卜与苹果汁比例2.2∶1（果汁总量占饮料总量的50%）、乳清发酵液添加量38%，此条件下该乳酸饮料的感官评价可达到91.9589。对最佳条件下进行验证，选白砂糖添加量6.7%、胡萝卜与苹果汁比例2.2∶1、乳清发酵液添加量38%为样品进行感官评价，平均值为92.5，与预测值接近，说明模型能够较好预测实际情况。

图6 果汁比例与乳清液添加量对感官评价影响的响应面图Fig.6 Response surface for the effects of juice ratio and whey additive amount on sensory evaluation

3 结论

本实验利用乳清基料进行发酵，制备出具有发酵乳清特有风味，酸甜适中，口感良好，果味清香浓郁的乳清发酵饮料。本产品为乳制品副产物乳清基料的充分利用提供了依据，同时丰富了乳清产品的类型。

3.1 通过正交实验确定乳清基料发酵的最佳参数为：发酵温度42℃，接种量4%，发酵时间5h，乳糖添加量4%。

3.2 通过响应面法优化了胡萝卜苹果乳清发酵饮料加工工艺，建立了多元回归模型，模型拟合度良好。确定的最佳比例为：白砂糖添加量6.7%，胡萝卜苹果果汁比例2.2∶1（果汁占总量50%），乳清发酵液添加量38%。

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Optimization of technology of the carrot-apple-whey fermented beverage using response surface methodology

LI Liang，WANG Shuai，CHENG Jian-jun，FENG Xian-min，YANG Wen-xin
（Food College，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，China）

This experiment took the carrot，apple，whey fermented liquid as raw materials to study the process conditions of whey beverages preparation.Using response surface optimization method，the fermentation process of carrot-apple-whey fermented beverage fermented process were studied.Results showed that the best process conditions was sugar 6.7%，carrot apple juice percentage 2.2∶1（juice accounted for 50%of the total），whey fermented liquid 38%.The product was a kind of stability good mixed fruit and vegetable of fermented beverage，sensory evaluation score of 92.5，had rich nutrition，sweet，with full-bodied apple carrot mixture of incense smell.

response surface methodology；whey beverage；fermentation；carrot；apple

TS275.5

B

1002-0306（2014）08-0267-05

10.13386/j.issn1002-0306.2014.08.052

2013－07－08

李良（1981-），男，博士，讲师，研究方向：农产品精深加工。

黑龙江省教育厅面上项目（12531022）。