菊芋膳食纖維酸奶的工藝研究及營養分析

【摘 要】通過研究菊糖與蔗糖的配比、膳食纖維的添加量、發酵時間、菌種接種量對菊糖膳食纖維酸奶品質的影響，得到較優工藝參數，再對各因素間的相互作用進行分析，最終確定菊糖膳食纖維酸奶的最優工藝參數組合為：菊糖與蔗糖的配比7：5、膳食纖維的添加量2.27%、發酵時間4.02h、菌種接種量3.02%。得到的菊糖膳食纖維酸奶：膳食纖維含量明顯增加，水分含量略有減少，不明顯，乳酸菌菌數為10.98±1.7×107 cfu/ml，同時帶有全脂脂肪的口感。

【關鍵詞】菊糖；膳食纖維；響應面法

[Abstract] This research get the optimal process parameters through the research of inulin and sucrose ratio， amount of dietary fibre， strains of fermentation time， quantity of influence on quality of inulin dietary fiber yoghurt， and analyzed the interaction between different affecting factors， which is finally determined the optimal process parameters combination of dietary fiber yoghurt is： inulin and the ratio of sugar， dietary fiber， 2.27% of bacterial species， fermentation time 4.02 h， inoculation amount 3.02%. The inulin dietary fiber yoghurt： dietary fiber content increased significantly， moisture content is reduced slightly， not obvious， lactic acid bacteria count was 10.98 + / - 1.7 x 107 cfu/ml， at the same time with the taste of whole milk fat.

[Key words] inulin； dietary fiber； response surface method

菊糖為菊芋（Helianthus tuberosus L.）加工產品，是由D-果糖經β （1→2）鍵連接而成的線性直鏈多糖，作為一種天然食品配料被廣泛應用[1-2]。菊糖具有改善食品組織狀態，改變乳制品的口感，抑制有害微生物的生長，維持腸道微生態平衡以及促進鈣，磷等物質吸收等保健功能[3-4]。膳食纖維（dietary fiber，DF）通常被認為是既不能被人體的胃腸道中消化酶所消化的，且不被人體吸收利用。膳食纖維能減少腸道吸收糖類、脂類，潤滑腸道，促進排便，可有效預防肥胖、糖尿病、冠心病、直腸癌、結腸癌等。高纖維食品將是21 世紀主導食品之一[5-7]。隨著生活水平的提高，人們追求更營養、更全面功能食品。本論文以菊糖與蔗糖的配比、膳食纖維的添加量、發酵時間、菌種接種量為因子，通過響應面分析，確定菊糖膳食纖維酸奶的最優工藝參數，為菊芋的綜合開發提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設備

1.1.1 試驗材料 菊粉：白銀熙瑞生物工程有限公司（質量標準Q/BYXR0001S）；菌種：嗜熱鏈球菌（Streptococcus thermophilus，簡稱S）、保加利亞乳酸桿菌（Lactobacillus bulgar，簡稱L）；伊利純牛奶（市售），蔗糖（市售）；膳食纖維（市售）；其他試劑均為分析純。

1.1.2 試驗設備 HWS智能型恒溫恒濕培養箱（寧波江南儀器廠）；DH6000電熱恒溫培養箱（天津市泰斯特儀器有限公司）；DSX—2808高壓蒸汽滅菌鍋（上海市申安醫療器械廠）；SLS-60-70高壓均質機（上海申鹿均質有限公司）；FR-88手壓盒杯封口機（瑞安市天馬包裝機械有限公司）；全自動定氮儀2300（瑞典福斯特卡托公司）。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗流程

1.2.2 感官評分評價

感官評分標準如表1所示：

1.2.3單因素條件的確立 ①菊糖與蔗糖的配比對酸奶品質的影響：試驗固定總糖添加量為6%，膳食纖維添加量為2%，菌種接種量為3%，發酵時間為4h，菊糖和蔗糖的配比分別為5：7、6：6、7：5、8：4、9：3五個水平進行實驗，每個梯度做三個平行樣，按照2.2.2方法經品嘗者品評評定后得出結果，確定最佳配比。②膳食纖維添加量對酸奶品質的影響：如2.2.3.1 同法；膳食纖維添加量分別為1%、1.5%、2%、2.5%、3%五個水平進行實驗，確定膳食纖維最佳添加量。③菌種添加量對酸奶品質的影響：如2.2.3.1 同法；菌種接種量為1%，2%，3%，4%，5%五個水平進行實驗，確定最適宜種添加量。④發酵時間對酸奶品質的影響：如2.2.3.1；發酵時間分別為3h，4h，5h，6h，7h五個水平進行實驗，確定最佳發酵時間。

1.2.4 響應面優化實驗設計

在單因素試驗的基礎上，以菊糖和蔗糖的配比、膳食纖維添加量（%）、菌種接種量（%）、發酵時間（h）為自變量，感官得分平均分為響應值，應用Design-expert 7.1.6中的Box-Behnken（BBD）原理設計試驗，因素水平編碼見表2。

1.2.5 響應面優化數據分析

實驗數據采用Design-Expert 7.1.6建模，并進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 單因素生產工藝優化條件

2.1.1 菊糖與蔗糖的配比對酸奶品質的影響 由圖1可知：菊糖與蔗糖的配比逐漸增加時，感官得分也不斷升高。當菊糖與蔗糖的配比超過7：5時，感官評分下降。實驗的最佳菊糖與蔗糖的配比為7：5。

2.1.2 膳食纖維添加量對酸奶品質的影響 由圖2可知：提取膳食纖維添加量的增加，感官評分也隨之增加。當添加量超過2%后，感官得分又重新呈下降趨勢，實驗的最佳膳食纖維添加量為2%。

2.1.3 菌種添加量對酸奶品質的影響 由圖3可知：隨著菌種添加量的增加，感官得分也在升高。當菌種添加量超過3%后，又開始下降，所以本實驗中最佳的菌種添加量為3%。

2.1.4 發酵時間對酸奶品質的影響 由圖4可知：當發酵時間為4h時，感官評分最高，所以該實驗中最佳的發酵時間為4h.

2.2 響應面優化分析結果

2.2.1 數學建模 在單因素試驗的基礎上，以菊糖和蔗糖的配比、膳食纖維添加量（%）、菌種接種量（%）、發酵時間（h）為自變量，感官得分平均分為響應值，應用Design-expert 7.1.6中的Box-Behnken（BBD）原理設計試驗，試驗設計及結果見表3。

利用Design-Expert 7.1.6 對表3結果進行方差分析，方差分析的結果見表4。對數據進行二次多元回歸擬合，建立以感官得分（R）為目標函數的多元二次回歸方程：R1=-187.97500-4.75000A+57.03333B+159.56667C+5.15000D+1.00000AB-0.50000AC-7.10543E-015AD+2.00000BC+3.75000BD+4.50000CD-13.73333A2-9.23333B2-44.43333C2-4.60833D2。

2.2.2 方差分析 利用BBD原理對模型進行方差分析，結果見表4。

注：*代表該項具有顯著性（P≤0.05），下表同。

由表4可知，對菊糖膳食纖維酸奶感官得分數學模型驚醒方差分析，二次多元模型中F=66.69，P<0.0001，而失擬項P=0.1909>0.05，表明該模型顯著。在模型中，一次項（A、B、C和D），二次項（A2、B2、C2、D2）以及交互項AB和BD的P值均小于0.05，表明這些項的作用顯著，而交互項AC、AD、BC、CD項的P值大于0.05，為不顯著交互項。

2.3 響應面工藝優化分析

在其他兩個因素固定的條件下，利用Design-Expert 7.1.6分析交互項對還原糖含量的影響，結果如圖5-圖10所示。

從圖5中看出，當菊糖與蔗糖的配比為7：5、發酵時間為4h時，隨著發酵時間的增加，感官得分逐漸升高，在發酵時間為4h左右時達到最大，之后又逐漸下降。隨著菊糖與蔗糖配比增加，感官得分逐漸增大，在配比數值為7：5左右時，感官得分達最大，之后又逐漸下降。同時，從等高線圖中可看出菊糖與蔗糖配比對酸奶感官得分的影響要比發酵時間對酸奶感官得分的影響顯著。而發酵時間在合理數值內對響應值影響不大。

從圖6中看出，當菊糖與蔗糖的配比為7：5、膳食纖維添加量為2%時，隨著提菊糖與蔗糖配比增加，感官得分逐漸升高，在配比值為7：5左右時達到最大，之后又逐漸下降。隨著膳食纖維添加量增加，感官得分逐漸增大，在膳食纖維添加量2%左右時，感官得分達最大，之后又逐漸下降。同時，從等高線圖中可看出菊糖與蔗糖配比對酸奶感官得分的影響要比膳食纖維添加量對酸奶感官得分的影響顯著。

從圖7中看出，當菊糖與蔗糖的配比為7：5、菌種接種量為3%時，隨著菊糖與蔗糖配比的增加，感官得分逐漸升高，在菊糖和蔗糖配比7：5左右時達到最大，之后又逐漸下降。隨著菌種接種量的增加，感官得分略微增大，在數值為3%左右時，感官得分達最大，之后又逐漸下降。同時，從等高線圖中可看出菊糖與蔗糖的配比對酸奶感官得分影響要比菌種接種量對酸奶感官得分的影響顯著。而菌種接種量在合理數值內對響應值影響不大。

從圖8中看出，當膳食纖維添加量為2%、發酵時間為4h時，隨著膳食纖維添加量增加，感官值逐漸增大，在膳食纖維添加量為2%左右時，感官值達最大，之后又逐漸下降。隨著發酵時間的增加，感官得分逐漸升高，在發酵時間為4h左右時達到最大，之后又逐漸下降。

從圖9中看出，當發酵時間為4h、菌種接種量為3%時，隨著菌種接種量的增加，感官得分逐漸增大，在菌種接種量為3%左右時，感官值達最大，之后又逐漸下降。隨著發酵時間的增加，感官得分逐漸升高，在發酵時間為4h左右時達到最大，之后又逐漸下降。從圖中可以看出。發酵時間和菌種接種量對菊糖膳食纖維酸奶感官得分不顯著。

從圖10中看出，當膳食纖維添加量為2%、發酵時間為4h時，隨著膳食纖維添加量增加，感官值逐漸增大，在膳食纖維添加量為2%左右時，感官值達最大，之后又逐漸下降。隨著菌種接種量的增加，感官得分逐漸增大，在菌種接種量為4%左右時，感官值達最大，之后又逐漸下降。

綜上所述，菊糖與蔗糖配比和膳食纖維的添加量比對菊糖膳食纖維酸奶感官值的影響較為明顯，表現為曲線較為陡峭，而發酵時間、菌種接種量對菊糖膳食纖維酸奶感官值的影響較小，表現為曲線較為平緩，即隨其添加量的增加，響應值變化范圍不大。因此，在所選因素水平范圍內各因素對結果的影響排序為：菊糖與蔗糖配比>膳食纖維添加量>發酵時間>菌種接種量。

為進一步確定工藝最佳點，用Design-Expert 7.1.6軟件進行數值優化分析，經軟件分析，最適條件值分別為菊糖與蔗糖配比7：5、膳食纖維添加量為2.27%、發酵時間為4.02h、菌種接種量3.02%，在此條件下經手動化調節的回歸方程對菊糖膳食纖維酸奶工藝的分析和預測準確率達98.99%。

2.4 營養成分分析

通過實驗測定的數據，得到以下結果：

由表5看出，制得的菊糖膳食纖維酸奶，增加了較多的營養元素膳食纖維，而膳食纖維具有吸水性，水分含量較純酸奶略有減少；因為膳食纖維的加入，有利于保加利亞乳桿菌具有一定的促進增殖作用，乳酸菌菌數增加幅度較大；同時帶有全脂脂肪口感，其營養價值和口感總體高于純酸奶。

3 結論

將菊糖與蔗糖的配比、膳食纖維添加到鮮牛乳中進行乳酸發酵，制備菊糖膳食纖維酸奶。試驗通過單因素試驗，以膳食纖維添加量、菌種接種量、發酵時間、白砂糖添加量為自變量，感官評分為因變量。再采用響應面法，按照中心組合設計法中的 Box-Behnken 法設計試驗，得出優化菊糖膳食纖維酸奶的生產工藝參數。優化得到的最佳工藝參數為：菊糖與蔗糖的配比為7：5，膳食纖維添加量 2.27%，菌種接種量 3.02%，發酵時間4.02h。各因素影響順序：菊糖與蔗糖的配比>膳食纖維添加量>發酵時間>菌種接種量。

工藝優化后的菊糖膳食纖維酸奶的表面有少量乳清析出，口感細膩，并帶有全脂脂肪口感，色澤均勻，呈微黃色，質地均勻，具有奶香味及乳酸發酵香味。最佳工藝條件下制備的菊糖膳食纖維酸奶：膳食纖維含量明顯增加，水分含量略有有減少，不明顯，乳酸菌菌數為10.98±1.7×107 cfu/ml，同時帶有全脂脂肪的口感。

隨著國際、國內糖質資源的匱乏，菊芋作為工業原料部分可緩解糧食深加工行業原料來源不足的難題，菊糖正在被越來越多熱愛生活、追求生活的消費者所認識、關注，為菊芋的綜合開發提供理論依據。

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