郭晶晶 李 斌

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院，湖北 武漢 430070)

馬鈴薯俗稱土豆、洋芋，是中國餐桌上常見的食品[1]。馬鈴薯含豐富的賴氨酸與色氨酸，及鉀、鋅、鐵等礦物元素。馬鈴薯所含的纖維素細(xì)嫩，對胃腸黏膜無刺激作用，有解痛或減少胃酸分泌的作用，常食馬鈴薯已成為防治胃癌的輔助療法。近年來，隨著馬鈴薯主糧化的提出，馬鈴薯粉、馬鈴薯熱干面、馬鈴薯饅頭等研究層出不窮。同時(shí)，也有不少學(xué)者研究馬鈴薯的深加工，制作馬鈴薯休閑食品，如烘烤、膨化或是做果脯；還有飲料類如酒、罐頭等。王慧君[2]將馬鈴薯用酶先液化后糖化處理，再接種酵母制作蒸餾酒；王迎[3]從護(hù)色、脫水、殺菌等工藝參數(shù)研究了馬鈴薯咸菜；曾文杰[4]利用馬鈴薯發(fā)酵制取檸檬酸，嘗試取代傳統(tǒng)的玉米發(fā)酵。

酸奶中添加水果很常見，添加燕麥等粗糧也不少，但市面上還未出現(xiàn)將馬鈴薯添加到酸奶中的產(chǎn)品，本試驗(yàn)擬以馬鈴薯、奶粉為原料，通過對發(fā)酵時(shí)間、溫度、菌粉添加量及攪拌速度、時(shí)間、馬鈴薯漿添加量進(jìn)行研究，優(yōu)化發(fā)酵和攪拌工藝。并對制作出的馬鈴薯酸奶在貯藏期的理化性質(zhì)進(jìn)行探討，以期為馬鈴薯深加工研究提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

馬鈴薯：湖北省云夢縣產(chǎn)；

全脂奶粉：瑞士雀巢有限公司；

金海芳白砂糖：武漢海芳工貿(mào)發(fā)展有限公司；

酸奶發(fā)酵專用菌粉：法國丹尼斯克(DANISCO)有限公司；

氫氧化鈉、鹽酸：分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.1.2 儀器與設(shè)備

分析天平：BSA124S-CW型，德國Sartorius公司；

pH計(jì)：PHS-3C型，上海精密科學(xué)儀器有限公司；

電子天平：PTT-A600型，美國康州HZ電子科技有限公司；

恒溫培養(yǎng)箱：DNP-9162型，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；

磁力加熱攪拌器：78-1型，金壇市醫(yī)療儀器廠；

高速冷凍離心機(jī)：CR21G型，日本日立高新公司；

質(zhì)構(gòu)儀：TA.XT.plus.型，英國Stable Micro System公司；

流變儀：AR2000ex型，美國TA公司。

1.2 方法

1.2.1 工藝流程

(1)馬鈴薯→清洗去皮→切片→蒸10 min→打漿5 min→馬鈴薯漿

(2)全脂奶粉+6%白糖溶解→均質(zhì)→巴氏殺菌→冷卻后接種菌粉→發(fā)酵→添加馬鈴薯漿并攪拌→4 ℃冷藏后熟→成品

1.2.2 發(fā)酵單因素試驗(yàn)

(1)菌粉添加量對發(fā)酵的影響：選取接種量0.010%，0.015%，0.020%，0.025%，0.030%，控制發(fā)酵溫度41 ℃，發(fā)酵時(shí)間4 h，以pH值為評價(jià)指標(biāo)。

(2)發(fā)酵時(shí)間對發(fā)酵的影響：選取發(fā)酵時(shí)間3.5，4.0，4.5，5.0，5.5 h，控制發(fā)酵溫度41 ℃，菌種添加量0.02%，以pH值為評價(jià)指標(biāo)。

(3)溫度對發(fā)酵的影響：選取發(fā)酵溫度39，40，41，42，43 ℃，控制發(fā)酵時(shí)間4 h，菌種添加量0.02%，以pH值為評價(jià)指標(biāo)。

1.2.3 發(fā)酵工藝優(yōu)化 選取菌粉添加量、發(fā)酵時(shí)間、發(fā)酵溫度為試驗(yàn)因素，采用L9(33)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以pH值為評價(jià)指標(biāo)，確定酸奶的最佳發(fā)酵工藝[5]。

1.2.4 攪拌工藝單因素試驗(yàn)

(1)攪拌速度對攪拌工藝的影響：選取攪拌速度60，70，80，90，100 r/min，控制攪拌時(shí)間30 min，馬鈴薯漿添加量25%，以持水力為評價(jià)指標(biāo)。

(2)攪拌時(shí)間對攪拌工藝的影響：選取攪拌時(shí)間15，20，25，30，35 min，控制攪拌速度90 r/min，馬鈴薯漿添加量25%，以持水力為評價(jià)指標(biāo)。

(3)馬鈴薯漿添加量對攪拌工藝的影響：選取馬鈴薯漿添加量15%，20%，25%，30%，35%，控制攪拌速度90 r/min，攪拌時(shí)間30 min，以持水力為評價(jià)指標(biāo)。

1.2.5 攪拌工藝優(yōu)化 根據(jù)單因素試驗(yàn)所篩選的最佳攪拌速度、攪拌時(shí)間和馬鈴薯漿添加量，應(yīng)用三因素三水平的Box-Behnken設(shè)計(jì)[6]，以持水力為響應(yīng)值，采用響應(yīng)面法進(jìn)行分析。

1.3 指標(biāo)測定

1.3.1 pH值和酸度的測定 從冰箱中取出樣品并恢復(fù)至室溫，攪拌均勻后，直接用pH計(jì)測定樣品的pH值并記錄數(shù)據(jù)；樣品的酸度測定參考GB 5413.34—2010。

1.3.2 持水力的測定 根據(jù)文獻(xiàn)[7]進(jìn)行測定，酸奶的持水力按式(1)計(jì)算：

(1)

式中：

X——持水力，%；

W0——離心前樣品質(zhì)量，g；

W1——離心后樣品質(zhì)量，g。

1.3.3 水分的測定 按GB 5009.3—2016執(zhí)行。

1.3.4 酸奶質(zhì)構(gòu)分析 根據(jù)文獻(xiàn)[8]進(jìn)行測定。檢測指標(biāo)有：硬度、稠度、內(nèi)聚性、黏度。

1.3.5 酸奶流變學(xué)分析 根據(jù)文獻(xiàn)[9]進(jìn)行測定，每組樣品平行測定3次。

1.3.6 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析 用Excel 2003軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，Origin 8.0作圖并進(jìn)行顯著性分析，顯著水平P=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 馬鈴薯酸奶制作工藝

2.1.1 發(fā)酵工藝參數(shù)的確定 由圖1(a)可知，隨著發(fā)酵時(shí)間的延長，酸奶的pH值逐漸降低，這是乳酸菌利用乳糖發(fā)酵產(chǎn)生乳酸的結(jié)果。由于一般酸奶在pH為4.5左右品質(zhì)較好，過酸同樣會(huì)影響酸奶的風(fēng)味，所以選擇發(fā)酵時(shí)間為3.5～4.5 h進(jìn)行正交試驗(yàn)。由圖1(b)可知，隨著菌粉添加量的增加，酸奶的pH值逐漸降低，因?yàn)榫墼蕉?，即乳酸菌越多，分解更多乳糖產(chǎn)酸導(dǎo)致。同理選擇菌粉添加量為0.015%～0.025%進(jìn)行正交試驗(yàn)。由圖1(c)可知，隨著溫度的升高，酸奶的pH值先下降后上升，當(dāng)發(fā)酵溫度為41 ℃時(shí)，pH值最小，之后溫度上升，pH值反而升高，因?yàn)?1 ℃附近是乳酸菌較適宜的生長溫度，超過之后，不利于生長，乳糖消耗減小，乳酸產(chǎn)量減小，因而pH值升高，所以選擇發(fā)酵溫度為40～42 ℃進(jìn)行下一步正交試驗(yàn)。

2.1.2 發(fā)酵工藝參數(shù)優(yōu)化 根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)因素水平表[10]，見表1，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

由表1、2可知，根據(jù)馬鈴薯酸奶發(fā)酵工藝條件優(yōu)化正交試驗(yàn)，進(jìn)行極差分析，影響產(chǎn)品pH值的主次因素依次為發(fā)酵時(shí)間>發(fā)酵溫度>菌粉添加量。正交設(shè)計(jì)表的9個(gè)試驗(yàn)組中，由于pH在4.5左右最優(yōu)，則第5組試驗(yàn)結(jié)果最優(yōu)，組合為A2B2C3。但分析表中的k值，則得到理論最佳組合為A2B3C2，由于9組試驗(yàn)組中無此組合，按此組合進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，得到產(chǎn)品的pH為4.502，因此最佳發(fā)酵工藝參數(shù)為菌粉添加量0.02%，發(fā)酵時(shí)間4 h，發(fā)酵溫度41 ℃。

2.1.3 攪拌工藝參數(shù)的確定 由圖2(a)可知，隨著攪拌速度的加快，持水力有一定程度的升高，但超過80 r/min后，持水力基本持平，攪拌速度較低時(shí)，只破壞酸奶的凝膠結(jié)構(gòu)，酸奶被分割成碎塊狀，因此持水力較低；但攪拌速度上升后，同樣的時(shí)間里能攪拌得更加均勻，之后的冷藏又能形成比較均一的體系，持水力就有所上升。選擇80～100 r/min進(jìn)行下一步響應(yīng)面試驗(yàn)。由圖2(b)可知，隨著攪拌時(shí)間的延長，持水力有小幅度的上升，但整體變化不大。選擇20～30 min進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)。由圖2(c)可知，添加馬鈴薯漿越多，持水力逐漸下降，因?yàn)轳R鈴薯漿含一定量的水分，相當(dāng)于往酸奶中添加了液體，不利于酸奶凝膠網(wǎng)絡(luò)成型，因此導(dǎo)致持水力有一定程度的下降。綜合實(shí)際情況，選擇添加量20%～30%進(jìn)行下一步試驗(yàn)。

圖1 發(fā)酵工藝對馬鈴薯酸奶pH值的影響Figure 1 Effect of fermentation on pH value of potato yogurt

表1 正交試驗(yàn)因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal experiment

表2 發(fā)酵工藝的正交試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of orthogonal experiment for fermentation technology

圖2 攪拌工藝對馬鈴薯酸奶持水力的影響Figure 2 Effect of mixing process on water holding of potato yogurt

2.1.4 攪拌工藝參數(shù)優(yōu)化 綜合分析單因素試驗(yàn)，確定攪拌速度、攪拌時(shí)間和馬鈴薯漿添加量3個(gè)因素為自變量，持水力為響應(yīng)值，根據(jù)Box-Behnken設(shè)計(jì)試驗(yàn)[11](表3)，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

使用Design Expert 8.0.6分析軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到二次多項(xiàng)回歸方程：

Y=47.12+0.64A+1.86B+0.76C-0.26AB-1.08AC+0.29BC-0.91A2-3.13B2-0.96C2。

(2)

表3 響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平表Table 3 Factors and levels of response surface experiment

表4 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 4 Box-Behnken design matrix and experimental results

表5 回歸模型的方差分析Table 5 Analysis results of regression and variance

從圖3可知，在所選的范圍內(nèi)存在極值點(diǎn)[12]。持水力隨著攪拌速度、攪拌時(shí)間和馬鈴薯漿添加量的變化呈先增大后下降趨勢，且3個(gè)響應(yīng)面均呈開口向下的凸型曲面。根據(jù)數(shù)學(xué)模型分析，預(yù)測出最佳攪拌工藝條件為馬鈴薯漿添加量25.5%、攪拌速度92.31 r/min，攪拌時(shí)間25 min。此條件下預(yù)測到的持水力為47.227 7%。為驗(yàn)證該預(yù)測，并結(jié)合實(shí)際情況，將最佳攪拌工藝參數(shù)調(diào)整為：馬鈴薯漿添加量25.5%、攪拌速度90 r/min，攪拌時(shí)間25 min，經(jīng)多次平行實(shí)驗(yàn)測得持水力為47.36%，與預(yù)測值接近，說明模型準(zhǔn)確性較高，能較好地預(yù)測馬鈴薯酸奶攪拌工藝條件。

2.2 馬鈴薯酸奶在貯藏期間的品質(zhì)變化

2.2.1 基本理化品質(zhì)變化 由圖4可知，馬鈴薯酸奶的持水力與空白組相差不大，1～7 d兩者持水力都有一定程度的下降，但幅度不大。貯藏后期，空白組持水力下降十分明顯，比樣品組下降更多，馬鈴薯酸奶的貯藏穩(wěn)定性較好[13]。

由圖5可知，馬鈴薯酸奶的水分含量比空白組高，分析是加入了馬鈴薯漿的緣故，兩者在第14天時(shí)水分含量有較明顯的下降，但整體變化不大。

由圖6、7可知，馬鈴薯的添加對酸奶的pH值有一定程度的影響，pH值更高，但仍在可接受的范圍內(nèi)：pH<4.5，兩者都存在后酸化現(xiàn)象，隨著冷藏時(shí)間延長，pH值逐漸降低，酸度逐漸升高。貯藏后期，雖然兩者下降較多，但空白組的pH值比樣品組更低，分析可能會(huì)對口感和滋味有一定程度影響。

2.2.2 質(zhì)構(gòu)的變化 由圖8可知，馬鈴薯酸奶的硬度、稠度、內(nèi)聚性、黏度相應(yīng)數(shù)值均比空白組低，馬鈴薯的添加對酸奶品質(zhì)有一定影響，但從貯藏時(shí)間來看，馬鈴薯酸奶質(zhì)構(gòu)特性指標(biāo)的變化幅度很小，穩(wěn)定性比空白組要好[14-16]。

圖3 攪拌工藝對馬鈴薯酸奶持水力的交互影響效應(yīng)Figure 3 Interaction effect of stirring process on water holding capacity of potato yogurt

圖4 馬鈴薯酸奶貯藏期間持水力變化Figure 4 The water holding capacity of potato yogurt during storage

圖5 馬鈴薯酸奶貯藏期間水分含量變化Figure 5 The water cotent change of potato yogurt during storage

2.2.3 流變變化 由圖9可知，隨著剪切速率的加快，表觀黏度逐漸降低，最后趨近于0。馬鈴薯酸奶的黏度比空白組低，隨著貯藏時(shí)間的增加，2組黏度都先下降后小幅上升，根據(jù)圖中散點(diǎn)可以看出，樣品組的散點(diǎn)較集中，可以反映出馬鈴薯酸奶的流變特性更穩(wěn)定[17-18]。

圖6 馬鈴薯酸奶貯藏期間pH值變化Figure 6 pH value change of potato yogurt during storage

圖7 馬鈴薯酸奶貯藏期間酸度變化Figure 7 Acidity change of potato yogurt during storage

圖8 馬鈴薯酸奶貯藏期間質(zhì)構(gòu)品質(zhì)變化Figure 8 Changes in texture of potato yogurt during storage

3 結(jié)論

本試驗(yàn)確定了馬鈴薯酸奶的制作工藝，試驗(yàn)結(jié)果表明，馬鈴薯酸奶的最佳發(fā)酵工藝為菌粉添加量0.02%、發(fā)酵溫度41 ℃、發(fā)酵時(shí)間4.5 h；最佳攪拌工藝為馬鈴薯漿添加量25.5%、攪拌速度90 r/min、攪拌時(shí)間25 min。通過對馬鈴薯酸奶在貯藏期間的理化品質(zhì)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)馬鈴薯酸奶具有良好的貯藏穩(wěn)定性，值得開發(fā)，為馬鈴薯的食用開辟了新途徑。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，環(huán)境條件與試驗(yàn)誤差不同，發(fā)酵、攪拌工藝的影響因素也更為復(fù)雜，后續(xù)可考慮將工藝參數(shù)進(jìn)行細(xì)化，如控制攪拌時(shí)的溫度，轉(zhuǎn)子的不同型號(hào)等；還可從不同分子水平如微生物水平進(jìn)行探討。

圖9 馬鈴薯酸奶貯藏期間流變變化Figure 9 Rheological changes of potato yogurt during storage