响应面法优化黄精铁棍山药酸奶工艺研究

李嘉瑜，焦佳音，魏诗婷，2，樊淑淼，余忠臣，3，黄晓明，李明婉，洪利亚，5*

(1.河南农业大学 农学院，河南 郑州 450046；2.河南中医药大学 药学院，河南 郑州 450046；3.云南师范大学 生命科学学院，云南 昆明 650500；4.河南农业大学 林学院，河南 郑州 450046；5.北京大学 药学院，北京 100191)

酸奶是由乳酸菌发酵的牛奶制成的一款营养价值高且风味独特的乳制品[1]，具有维护肠道微生物菌群平衡[2]、加速肠道蠕动、促进消化吸收、增加食欲、美容养颜、降低血脂和胆固醇等功效[3-4]，深受消费者喜爱。随着科学饮食理念普及，食品的安全性与营养性得到重视，功能型酸奶研发极具市场前景[5]。黄精(Polygonatumsibiricum)为百合科黄精属药食同源食材，富含多糖、甾体皂苷、氨基酸、黄酮和矿物质等活性成分，具有补气养阴、健脾润肺和益肾等功效[6-8]。近期黄精酸奶研发多集中以黄精浸提液、浓缩液、黄精粉[9]等作为原料，存在固形物含量减少、有益物质损失、润滑细腻度不足等问题。一年生黄精根茎具有纤维含量较低，营养成分高，蒸煮后匀浆能够更大限度保留黄精的营养成分。铁棍山药口感甘甜，粉糯性强，含有淀粉、多糖、蛋白质、维生素等活性成分[10]，具有健脾补肺、生津益肺、抗衰老和调节内分泌等功效，素有“怀参”之称，应用于酸奶开发能显著增强酸奶绵密的口感，同时起到增黏剂和提高酸奶稳定性的作用[11]。综上所述，本研究以新鲜一年生黄精幼嫩根茎和铁棍山药为原料，通过单因素试验及响应面法优化黄精铁棍山药酸奶制备工艺，对发酵完成的酸奶进行感官评分和理化指标测定，制备出一款兼具黄精与铁棍山药风味及营养价值的酸奶，为拓宽黄精、铁棍山药在食品领域的应用途径，丰富市场上酸奶品种提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

黄精：河南省三门峡市卢氏县；铁棍山药：河南省焦作市温县；纯牛奶：内蒙古蒙牛乳业(集团)股份有限公司；白砂糖：云南滇鹏糖业有限公司；乳酸菌酸奶发酵粉10菌型：北京川秀科技有限公司。

1.2 仪器与设备

冰箱：青岛海尔股份有限公司；多功能酸奶机：施威朗电器(深圳)有限公司；破壁料理机：广东新宝电器股份有限公司；赛多利斯BSA124S万分之一分析天平：浙江纳德科学仪器有限公司；热风循环烘箱：苏州王品工业烘箱设备有限公司；JW-1032低速离心机：安徽嘉文仪器装备有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 黄精铁棍山药复合浆制备

黄精浆的制备：选取新鲜一年生黄精幼嫩根茎清洗去皮，圆气上锅蒸8 h，按黄精∶水(质量比)=1∶3匀浆，过滤即得均匀细腻且无明显颗粒感黄精浆。

铁棍山药浆的制备：选取新鲜的铁棍山药清洗去皮，圆气上锅蒸30 min，按铁棍山药∶水(质量比)=1∶3匀浆，过滤即得均匀细腻且无明显颗粒感铁棍山药浆。

1.3.2 黄精铁棍山药酸奶制作

工艺流程[12-13]：牛奶、黄精浆、铁棍山药浆、白砂糖→调配→灭菌→冷却→接种→发酵→冷却→后熟→成品。

将黄精浆和铁棍山药浆与牛奶、白砂糖按一定比例混匀，混合液(不含发酵剂)装入酸奶瓶，高温灭菌10 min，静置，42 ℃时按照1%比例进行10菌型发酵粉接种，充分搅拌混合均匀，置于酸奶机中进行发酵，终止发酵后置于4 ℃冰箱冷却后熟12 h。

1.4 试验设计

1.4.1 单因素试验

基于黄精铁棍山药酸奶加工工艺流程，选取黄精浆添加量(A)、铁棍山药浆添加量(B)、白砂糖添加量(C)、发酵时间(D)四因素进行单因素试验[14-15]。在铁棍山药浆添加量8%、白砂糖添加量7%、发酵10 h条件下进行黄精浆添加量2%、4%、6%、8%、10%的5个水平试验；在黄精浆添加量6%、白砂糖添加量7%、发酵10 h条件下进行铁棍山药浆添加量4%、6%、8%、10%、12%的5个水平试验；在黄精浆添加量6%、铁棍山药浆添加量8%、发酵10 h条件下进行白砂糖添加量5%、6%、7%、8%、9%的5个水平试验；黄精浆添加量6%、铁棍山药浆添加量8%和白砂糖添加量7%条件下进行发酵时间8、9、10、11、12 h的5个水平试验。通过单因素试验初步选取每个因素的水平范围，每次发酵试验设置3个平行试验，对酸奶进行感官评分和理化指标测定，分析4个单因素变量对黄精铁棍山药酸奶各指标的影响。

1.4.2 响应面试验

根据单因素试验[16]结果，以感官评分(Y)为响应值，A、B、C因素为自变量，基于Box Behnken中心组合设计原理，设计响应面试验，对试验数据进行分析，优化黄精铁棍山药酸奶的制备参数。响应面优化分析结果如表1所示。

表1 响应面试验因素与水平编码Table 1 Response surface test factors and levels 单位：%

1.4.3 感官评价

由20位专业人士组成评定小组，参考GB 19302—2010《食品安全国家标准：发酵乳》的要求，分别从外观(20%)、组织状态(25%)、风味(25%)及口感(30%)4项指标对黄精铁棍山药酸奶进行感官评定。评分标准[17-18]如表2所示。

表2 黄精铁棍山药酸奶感官评价标准Table 2 Sensory evaluation standards for yogurt of Polygonatum sibiricum and Dioscorea polystachya Turczaninow. cv. Tiegun

1.4.4 理化指标测定

固形物含量测定：固形物含量(风味发酵乳)按GB 5413.39—2010标准测定[19]；酸度测定：参照GB 5009.239—2016《食品安全国家标准食品酸度的测定》中的酚酞指示剂法，滴定单位以°T表示。

持水性测定[20-21]：取5 mL酸奶3 000 r·min-1离心20 min，称量酸奶质量并记录为W1，离心，静置后弃上清，称量沉淀质量并记录为W。计算公式如下：

Y=100%W/W1。

式中：Y持水性，%；W1为酸奶质量，g；W为沉淀质量，g。

1.5 数据统计与分析

试验结果采用Excel 2022及Design-Expert 8.0.6 Trial软件进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 黄精浆添加量对酸奶品质的影响

如图1所示，黄精铁棍山药酸奶感官评分随黄精浆添加量的增加呈先增加后降低趋势，黄精浆添加量6%时，黄精铁棍山药酸奶的感官评分最高。此条件下黄精与山药气味协调；酸奶组织状态色泽清亮均一，无乳清析出，无气泡，无分层；口感丝滑细腻，酸甜度俱佳。在黄精浆添加量2%时，黄精铁棍山药酸奶中黄精的风味不足，功能价值难以体现，口感欠佳；黄精浆添加量高于8%时，产品色泽加深，黄精特有风味显著，酸奶香味弱，整体滋味不协调。

图1 黄精浆添加量对酸奶感官评分的影响Fig.1 Effect of the amount of Polygonatum sibiricum syrup added on the sensory score of yogurt

如图2所示，随着黄精浆添加量的增加，黄精铁棍山药酸奶的持水性呈现下降趋势，推测是黄精中的多糖荷电性导致持水性降低[22-23]。黄精铁棍山药酸奶的酸度[24]随黄精浆添加量增加呈增长趋势，乳酸菌利用碳水化合物代谢产生乳酸使酸度增大。同时，黄精铁棍山药酸奶中固形物含量也呈增加趋势，推测因黄精浆添加量增多，酸奶黏附性增强，固形物含量升高。

图2 黄精浆添加量对酸奶品质的影响Fig.2 Effect of the amount of Polygonatum sibiricum syrup added on the quality of yogurt

2.1.2 铁棍山药浆添加量对酸奶品质的影响

铁棍山药浆能协调酸奶的口感，提升酸奶品质，但添加量过多易掩盖其他风味；添加量过少会影响酸奶中山药特有风味。如图3所示，黄精铁棍山药酸奶的感官评分随铁棍山药浆添加量的增加呈先增加后降低的趋势。铁棍山药浆添加量8%时，黄精铁棍山药酸奶色泽均匀，凝块细腻，呈现出乳白色，无乳清分离，口感细腻绵润，感官评分达到最高；铁棍山药浆添加量4%时，黄精铁棍山药酸奶中山药的风味不足、缺乏山药绵密的口感；铁棍山药浆添加量高于10%时，山药味重而掩盖酸奶本身的香气，酸奶黏度和硬度增大，且酸奶凝固过程中易出现分层现象，酸奶口感不佳，组织状态不均匀，感官评分降低[25]。

图3 铁棍山药浆添加量对酸奶感官评分的影响Fig.3 Effect of the amount of Dioscorea polystachya Turczaninow. cv. Tiegun syrup added on the sensory score of yogurt

如图4所示，随着铁棍山药浆添加量的增加，黄精铁棍山药酸奶的持水性呈先增加后降低趋势，添加量10%时达到最高，推测是多糖易与水分子作用形成胶体[26]，或蛋白质通过包裹脂肪球颗粒，增加凝胶表面积，增强凝胶对水的束缚能力，更多的水分被截留[27-28]；黄精铁棍山药酸奶的酸度整体呈现微弱下降趋势；黄精铁棍山药酸奶的固体物含量呈先增加后降低的趋势，添加量8%时达到最高，过量铁棍山药浆会使酸奶凝固困难，出现分层现象，组织不均匀[29]。

图4 铁棍山药浆添加量对酸奶品质的影响Fig.4 Effect of the amount of Dioscorea polystachya Turczaninow. cv. Tiegun syrup added on the quality of yogurt

2.1.3 白砂糖添加量对酸奶品质的影响

白砂糖为乳酸菌发酵提供碳源，具有缓和酸度，改善风味[30]的作用。如图5所示，白砂糖的添加量为7%时，黄精铁棍山药酸奶凝块细腻，酸甜度适中，感官评分最高。

图5 白砂糖添加量对酸奶感官评分的影响Fig.5 Effect of white sugar added on the sensory score of yogurt

如图6所示，随着白砂糖添加量增加，黄精铁棍山药酸奶的持水性呈增加趋势；黄精铁棍山药酸奶的酸度呈现先升后降的趋势，在添加量6%时最高，白砂糖添加量过多易产生较高渗透压，抑制发酵菌种的生长繁殖，菌种活力下降；黄精铁棍山药酸奶的固体物含量呈上升趋势，白砂糖添加量增加提高了酸奶黏度，利于酸奶凝固，提升酸奶品质。

图6 白砂糖添加量对酸奶品质的影响Fig.6 Effect of white sugar added on the quality of yogurt

2.1.4 发酵时间对酸奶品质的影响

由图7可知，黄精铁棍山药酸奶发酵10 h时，黄精铁棍山药酸奶感官评分最高；发酵时间低于9 h时，可能是因为乳酸菌繁殖不充分，成品酸奶组织状态分布不均匀，凝固性差，黏稠度低，酸度低，酸奶风味不足；发酵时间高于11 h时，乳酸菌繁殖旺盛，菌群密度高，酸奶过酸，口感降低[31]，可能是因为酸奶中原有的蛋白胶体结构发生改变[32]，上层有少量乳清析出。

图7 发酵时间对酸奶感官评分的影响Fig.7 Effect of fermentation time on the sensory score of yogurt

如图8所示，随着发酵时间增加，黄精铁棍山药酸奶的持水性和酸度均呈先增加后降低趋势，发酵10 h和11 h最高；黄精铁棍山药酸奶的固形物含量呈先降低后增加的趋势，发酵12 h最高。

图8 发酵时间对酸奶品质的影响Fig.8 Effect of fermentation time on the quality of yogurt

2.2 响应面分析

2.2.1 响应面试验结果

基于Box-Behnken试验设计模型，以A、B、C作为响应因子，以黄精铁棍山药酸奶的Y作为响应值，对三因素三水平进行响应面分析。响应面试验方案与结果见表3，共17组试验，得到黄精铁棍山药酸奶最佳配方制备参数。

表3 响应面试验方案与结果Table 3 Response surface test plan and results

采用Design-Expert 8.0.6 Trial对表3试验数据进行多元回归方程拟合，得到回归模型：

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

为检验方程的有效性，对黄精铁棍山药酸奶感官评分拟合得出的回归方程进行方差分析，结果见表4。试验的回归模型极显著(P<0.000 1)，模型失拟项P=0.060 4，差异不显著(P>0.05)，表明该模型拟合精度高，预测结果具有可行性。在回归模型中，交互项AB以及二次项A2、B2、C2对结果影响极显著，因素A、B对结果影响显著，单因素C及交互项AC、BC对结果影响不显著。由表4中F值可知，主要因素A、B、C对黄精铁棍山药酸奶感官评分的影响程度依次为：B>A>C。

表4 回归方程方差分析Table 4 Regression equation analysis of variance

2.2.2 响应面因子交互作用分析

利用Design-Expert 8.0.6 Trial软件制作各因素之间交互作用的响应面见图9，感官评分随黄精浆添加量、铁棍山药浆添加量、白砂糖添加量的增加均呈先增后减的变化趋势。两因素间交互响应面图的响应值均存在一个极大值，说明感官评分极值在所选水平范围内，即此模型数据合理。由图9中a可知，黄精浆添加量(A)和铁棍山药浆添加量(B)交互曲面纵向跨度较大，表明二者的交互作用对感官评分影响极显著(P<0.01)，黄精浆添加量的变化趋势较铁棍山药浆更明显，对感官评分的影响更显著。由图9中b可知，黄精浆添加量(A)和白砂糖添加量(C)交互作用对感官评分的影响趋势呈抛物曲面分布，交互作用不显著(P>0.05)。由图9中c可知，铁棍山药浆添加量(B)和白砂糖添加量(C)交互曲面纵向跨度较小，交互作用不显著(P>0.05)，其结论同表4方差分析结论一致。

图9 各因素之间交互作用对酸奶感官评分的响应曲面图Fig.9 Response surface graph of the interaction between various factors on the sensory score of yogurt

2.3 最佳工艺条件验证

采用Design-Expert 8.0.6 Trial软件对所得回归方程进行分析求解，得到黄精铁棍山药酸奶最佳制备参数为：黄精浆6.10%、铁棍山药浆8.17%、白砂糖7.00%，此条件黄精铁棍山药酸奶感官评分预测值为87.00分。兼顾配料的准确性和方便性，将工艺参数调整为：黄精浆6.00%、铁棍山药浆8.00%、白砂糖7.00%。按照该条件进行3组平行试验，得到黄精铁棍山药酸奶的感官评分为86.93分，与模型预测结果相近，表明运用响应面法优化黄精铁棍山药酸奶的工艺参数方法可行合理，具有实际参考价值。

3 结论

药食同源黄精、铁棍山药，口感风味独特、适口性好，在保健食品的开发应用中具有独特优势。目前市场上已开发的功能性产品有黄精饼干、黄精软糖、黄精果脯、山药粉、山药果糕等[33-35]，食用携带方便，且营养丰富，契合消费者对营养、健康、口感等方面的购买需求，具有极大的开发价值和市场应用前景。

本研究通过单因素试验和响应面法结合优化得到黄精铁棍山药酸奶最佳发酵工艺条件为：黄精浆6.00%、铁棍山药浆8.00%、白砂糖7.00%、发酵时间10 h，感官评分为86.93分，在此条件下生产的黄精铁棍山药酸奶外观如嫩豆腐，色泽清亮均一，无乳清析出，无结块，无颗粒感；口感细腻爽滑，酸甜度俱佳；黄精与铁棍山药味道搭配适宜，兼具二者的特有风味和功能价值。黄精铁棍山药酸奶持水性为55.90%、酸度为75.12°T、固形物含量为19.17%，均符合GB 19302—2010《食品安全国家标准：发酵乳》要求。本研究丰富了酸奶品种，满足消费者对功能型酸奶的需求，为黄精、铁棍山药在发酵食品中的应用提供了参考。