響應面法優化曲拉的 預脫水工藝

中拉毛草,陳夢音,王琳琳,韓 玲,*,丁考仁青

(1.甘南藏族自治州動物疫病預防控制中心,甘肅合作 747000;2.甘肅農業大學食品科學與工程學院,甘肅蘭州 730070;3.甘南藏族自治州畜牧科學研究所,甘肅合作 747000)

曲拉是青藏高原地區的特色食品,是將牦牛乳脫脂分離、煮開、接種、發酵,再經脫水干燥后得到的奶制品[1]。曲拉除被牧民作為干糧直接食用外,主要用于干酪素和酪朊酸鹽等產品的生產。近年來隨著干酪素和酪朊酸鹽等產品的市場需求不斷擴大,高質量曲拉的需求量也逐漸上升[2],但是，目前曲拉仍采用傳統方式生產,存在酸臭味濃厚、褐變嚴重、雜質含量高以及色澤較差等問題[3]。為了適應生產需要,改善曲拉品質,需要對曲拉的生產工藝進行改進,研究優化后的工藝對曲拉品質的影響,從而減少曲拉在生產過程中的品質劣變,降低下游產品的生產加工成本,這對曲拉乃至傳統乳制品行業的生產都具有極其重要的意義。

干燥是影響曲拉品質的重要環節,可以減少營養成分流失、防治氧化褐變、抑制微生物的生長繁殖[4]。近年來有關食品尤其是乳制品干燥技術的研究報道甚多,其中真空冷凍干燥、噴霧干燥、微波干燥、太陽能干燥等干燥技術在食品工業中應用十分廣泛[5]。郭雅翠等[6]闡述了真空冷凍干燥技術目前主要應用在蔬菜類、水果類、肉禽類、水產品、飲料類等方面。趙群等[7]通過應用算法仿真技術對不同控制方法下的干燥塔干燥乳制品的性能進行了比較。呂為群等[8]研究了乳酪真空冷凍干燥過程中乳酸菌發酵劑活力的變化,為進一步研究干燥過程對乳制品品質的影響奠定了基礎。周玉桂等[9]以凍干驢奶粉為分析對象,研究了冷凍干燥工藝對特殊奶制品營養成分的影響。申曉曦等[10]的研究發現太陽能干燥能有效縮短干燥時間，減輕了干燥過程對產品色澤、口感品質的不利影響。發酵完成的曲拉凝塊含水量較高,不利于直接干燥,需要對干燥前的曲拉進行預脫水,因此本文在前人研究的基礎之上,根據曲拉的生產工藝和牧區的特殊條件,采用太陽能干燥技術對曲拉進行干燥,并在優化的曲拉生產過程中增加預脫水工藝。

本研究就曲拉的預脫水工藝進行優化,以預脫水壓力、凝塊含水量、預脫水時間為影響因素,以產品的色度值(L*、a*、b*)為目標的響應面實驗,根據實驗結果,建立預脫水壓力、凝塊含水量、預脫水時間與產品色度綜合得分的關系模型,基于牧區實際條件的考慮,篩選出預脫水工藝的最佳參數,為優化曲拉生產工藝改善產品色澤和品質提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

牦牛乳 采自甘南牧區;曲拉直投式發酵劑 韓玲教授團隊研發的復配菌種經凍干后所得的菌粉。

5-羥甲基糠醛標準品(純度≥98%) 美國sigma公司;硫代苯巴比妥酸反應底物(thiobarbituric acid,TBA) 上?？曝S化學試劑有限公司;1,1,3,3,-四乙氧基丙烷(1,1,3,3-tetraethoxypropane,TEP) 上海圻明生物科技有限公司;碘化鉀、三氯乙酸、乙二胺四乙酸、淀粉指示劑 均為分析純,天津市光復精細化工研究所。

Agilent-1100型高效液相色譜儀 美國Agilent公司;J5-Plava-EL 50型奶油分離機 東寧銀河貿易有限責任公司;SW-CG-2SD型潔凈工作臺 蘇凈集團蘇州安泰空氣技術有限公司;SP-756P型紫外可見分光光度計 上海光譜儀器有限公司;SPX-150-II型生化培養箱 上海躍進醫療器械有限公司;CR-19型色差儀 上海物理光學儀器廠;DHG-9123A型電熱恒溫鼓風干燥箱 上海精宏實驗設備有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 曲拉優化生產工藝流程及操作要點 原料乳過濾→脫脂→接菌→保溫發酵→煮制→預脫水→干燥→包裝貯藏。

過濾:將新鮮牦牛乳用3～4層紗布過濾,濾去牛毛、灰塵等雜質。

脫脂:4500 r/min,10 min條件下牦牛乳離心脫脂。

接菌:按0.3%接直投式發酵劑。

發酵:將脫脂牦牛乳倒入保溫桶中,接菌發酵,發酵溫度為40 ℃,發酵時間約為12 h,當發酵凝固物pH達到4.3～4.6時,停止發酵。

煮制:將發酵完成的發酵凝固物連同乳清一起加熱煮制,當凝固物中心溫度達到63 ℃左右時,停止加熱,保溫30 min。

預脫水:在不銹鋼桶篩網內壁上襯兩層紗布,將煮制冷卻后的曲拉凝塊倒入預脫水設備的不銹鋼桶(不銹鋼桶直徑為25 cm,桶高為30 cm)中,物料高度為桶高度的2/3,使用不銹鋼的圓形鐵塊施加壓力后進行凝塊預脫水操作。

干燥:將預脫水后曲拉的置于太陽能熱風干燥設備中進行干燥,干燥條件為熱風溫度41 ℃,物料厚度10 mm,風速60 m/min。

1.2.2 單因素實驗 將發酵后得到的曲拉凝塊分別倒入不銹鋼桶中,預脫水條件為:固定反應條件為凝塊含水量40%、預脫水時間3 h,考察不同預脫水壓力(對照-不進行預脫水、50、100、200、300、400 N)對氧化褐變和色澤的影響;固定反應條件為預脫水壓力300 N、預脫水時間3 h,考察不同凝塊含水量(對照-不進行預脫水、60%、50%、40%、30%、20%)對氧化褐變和色澤的影響;固定反應條件為預脫水壓力300 N、凝塊含水量30%,考察不同預脫水時間(對照-不進行預脫水、1、3、5、7、10 h)對氧化褐變和色澤的影響。進行單因素實驗,考察各因素變量對曲拉褐變和色澤的影響。

1.2.3 響應面實驗 以預脫水壓力X1、凝塊含水量X2、預脫水時間X3為實驗因素,以干燥后產品的L*、a*和b*為考核指標進行響應面中心組合設計。根據單因素實驗的結果,確定X1、X2、X3的水平及編碼,見表1。

表1 Box-Behnken實驗因素水平表Table 1 Factors and levels in the central composite design

1.2.4 指標測定及方法

1.2.4.1 抗氧化值的測定 過氧化值(POV值)的測定參考文獻[11];硫代苯巴比妥酸值(TBARS值)的測定參考文獻[12-13]。

1.2.4.2 美拉德反應程度的測定 5-羥甲基糠醛(5-HMF)的測定參考文獻[14]。

1.2.4.3 色度值的測定 將曲拉磨成粉末,使用色差儀測定樣品的L*值、a*值及b*值。通過色度值來判定美拉德反應與脂質氧化造成的樣品褐變程度[15]。

標準化處理:利用數據標準化的綜合評分方法[11],將干燥后產品色度的3項指標對曲拉預脫水工藝進行綜合得分的計算。a*和b*值越小,表示產品品質越好,其標準化過程按照公式(1)計算。

式(1)

式中：Ci分別為指標a*和b*值的實驗測定值;Cmax為指標測定最大值;Cmin為指標測定最小值。

L*值越大,產品的品質越好,其標準化按照公式(2)計算。

式(2)

式中：Ci為指標L*的實驗測定值;Cmax為指標最大值;Cmin為指標最小值。

按照式(3)進行加權得到曲拉樣品的綜合得分。

S=Q1l1+Q2l2+Q3l3

式(3)

式中了l1、l2、l3為曲拉樣品的a*、b*和L*值的標準化結果;Q1、Q2、Q3分別為a*、b*和L*值的權重。

本文考慮到以b*值為主要指標,a*值和L*值為次要指標,于是取權重Q1=0.2,Q2=0.5,Q3=0.3[4]。

1.3 數據分析

實驗中所有數據均平行測定3次,采用Microsoft Excel 2007進行整理,SPSS 19.0軟件以及Design Expert 8.05b軟件進行數據處理及分析。

2 結果與討論

2.1 單因素實驗

2.1.1 預脫水壓力對曲拉氧化褐變及色澤的影響 圖1、圖2分別為曲拉凝塊含水量為40%,預脫水時間為3 h時,不同預脫水壓力對曲拉氧化褐變及色澤的影響。

圖1 不同預脫水壓力對曲拉氧化褐變的影響Fig.1 Effect of different pre-dehydration pressure on oxidation and browning of qula

由圖1可知,隨著預脫水壓力的增大,曲拉的氧化褐變程度是先下降后升高的趨勢。曲拉樣品(對照組)不進行預脫水時,POV含量為2.06 meq/kg、TBARS含量為2.80 mg/kg、5-HMF含量為9.25 μg/mL,此時反應曲拉氧化褐變程度的三個指標均高于進行預脫水處理的樣品。當脫水壓力達到300 N時,曲拉樣品的POV、TBARS以及5-HMF含量達到最低。

由圖2可以看出,隨著預脫水壓力的增大,曲拉色度的a*值和b*值均呈現出先下降后上升的趨勢,當壓力在50 ～300 N范圍時,a*值、b*值呈現下降趨勢;當壓力為300 N時,a*值、b*值達到最小值;當壓力大于300 N時,a*值、b*值呈逐漸上升趨勢。隨著脫水壓力的變化,L*值的變化趨勢與a*值、b*值的趨勢相反,當壓力達300 N時L*值最大。在預脫水過程中,預脫水工藝可以大大降低濕凝塊的水分含量,由此縮短了產品干燥時間,有效抑制了干燥過程中褐變反應的發生[16],不同的脫水壓力會得到不同水分含量的曲拉樣品,進而在后續的干燥過程中會發生不同程度的脂質氧化及美拉德反應,最終影響產品的色度[17-18]。因此,以氧化褐變程度及色度值為評價因素,結合實際情況,選擇預脫水壓力為300 N較適宜。

圖2 不同預脫水壓力對曲拉色澤的影響Fig.2 Effect of different pre-dehydration pressure on qula chroma

2.1.2 凝塊含水量對曲拉氧化褐變及色澤的影響 圖3、圖4分別為曲拉預脫水壓力為300 N,預脫水時間為3 h時曲拉凝塊的不同含水量對曲拉氧化褐變及色澤的影響。

圖3 不同凝塊含量對曲拉氧化褐變的影響Fig.3 Effect of different clot water content on oxidation and browning of qula

由圖3可知,隨著凝塊含水量的減小,曲拉的氧化褐變程度是呈下降趨勢。曲拉樣品(對照組)不進行預脫水時,POV、TBARS、5-HMF含量分別為1.88 meq/kg、2.91 mg/kg、8.76 μg/mL,極顯著高于其它組的曲拉樣品。隨著凝塊含水量的降低,當其降低到30%時,此時的樣品的氧化褐變程度最低,反應進行程度的三個指標(POV、TBARS、5-HMF)的含量分別是0.85 meq/kg、1.37 mg/kg、2.19 μg/mL。當凝塊含水量繼續降低,即達到20%時,樣品的氧化褐變程度與30%無顯著差異,由此可知凝塊含水量約為30%時,樣品的氧化褐變程度已進行到最低。

由圖4可以看出,隨著凝塊含水量的降低,曲拉色度的a*值和b*值呈現先下降后上升趨勢。與對照組相比(未進行預脫水),低含水量組的a*值、b*值均小于對照組,在凝塊含水量為30%時,a*值、b*值達到最小。L*值的變化趨勢與a*值、b*值的趨勢相反,在凝塊含水量為30%時,L*值達到最大。在預脫水過程中,不同含水量的樣品會發生不同程度的脂質氧化反應和美拉德反應。同時有研究表明水分含量與褐變速度有較大關系,過低或過高的水含量時反應速度較低,在中等水含量時反應速度最大,食品中水分在10%～15%、40%～60%時,褐變程度會易于加深[17]。因此,結合曲拉樣品的氧化褐變程度及色度值,選擇凝塊含水量在30%為宜。

圖4 不同凝塊含水量對曲拉色度的影響Fig.4 Effect of different clot water content on qula chroma

2.1.3 預脫水時間對曲拉氧化褐變及色澤的影響 圖5、圖6分別為曲拉預脫水壓力為300 N,凝塊含水量為30%時不同預脫水時間對曲拉氧化褐變及色澤的影響。

圖5 不同預脫水時間對曲拉氧化褐變的影響Fig.5 Effect of different pre-dehydration time on oxidation and browning of Qula

由圖5可知,隨著預脫水時間的延長,曲拉的氧化褐變程度是呈現先下降后上升的趨勢。曲拉樣品(對照組)不進行預脫水時,POV含量為2.50 meq/kg、TBARS含量為3.17 mg/kg、5-HMF含量為12.74 μg/mL,顯著高于進行預脫水組。隨著預脫水時間的增加,當其增加到3 h時,反應褐變進行程度的三個指標(POV、TBARS、5-HMF)的含量分別為0.91 meq/kg、1.42 mg/kg、2.48 μg/mL,此時樣品的氧化褐變程度最低。當脫水時間持續增加時,樣品的氧化褐變程度加深。原因可能是預脫水時間過長時,樣品在預脫水的不銹鋼桶中的溫度會升高,但由于桶周邊的網眼過小無法及時散熱,所以隨著溫度的升高樣品的氧化褐變程度會加劇[19]。韓爽等[20]和Hayaloglu等[21]的研究表明不同包裝方式對曲拉和奶酪的色度品質有極大的影響,其原因就是不同包裝方式對后續奶制品的貯藏溫度有影響,貯藏溫度過高會加劇氧化褐變的發生,進而影響其色度品質。

由圖6可以看出,隨著預脫水時間的延長,曲拉色度的a*值和b*值均呈現出先下降后上升趨勢,當脫水時間在0 ～3 h范圍內時,a*值和b*值呈現下降趨勢;當脫水時間在3 ～10 h范圍內時,a*值和b*值是上升趨勢,脫水時間為3 h時,樣品的a*值和b*值下降到最低值。隨著預脫水時間的增加L*值的變化趨勢與a*值和b*值相反,當脫水時間為3 h時,樣品的L*值最大。因此,以干燥后曲拉的色度值為重要因素,綜合氧化褐變程度,選擇預脫水時間為3 h較佳。

圖6 不同預脫水時間對曲拉色度的影響Fig.6 Effect of different pre-dehydration time on qula chroma

2.2 響應面實驗優化結果

2.2.1 響應面模型的建立與分析 根據單因素實驗結果,得到曲拉溶解的最佳條件分別為:預脫水壓力為300 N,凝塊含水量為30%,預脫水時間為3 h。在單因素實驗的基礎上,進行三因素三水平的Box-Benhnken實驗,進一步優化篩選最佳的溶解條件。本實驗選用3因子的Box-Behnken響應面三水平設計[22-23],共有17個實驗點,其中12個為分析因子,5個為零點,響應值Z為色度綜合得分,實驗結果如表2所示。

表2 響應面實驗的Box-Behnken設計及結果Table 2 Experimental design and results of response surface analysis

表3 回歸模型及因素的方差分析Table 3 Analysis of variance of regression model and factor

注:*表示差異顯著(p<0.05);**表示差異極顯著(p<0.01);ns表示差異不顯著(p>0.05)。利用Design Expert對表2中得到的綜合得分進行回歸分析,得到如下回歸方程:

式(4)

對回歸方程進行方差分析,結果如表3所示。

由表3可知,對曲拉色度綜合得分所建立的回歸方程進行顯著性檢驗,F=252.80,p<0.01,表明該方程極顯著。模型的失擬項p=0.9596>0.05,不顯著,說明方程較好的擬合實際數據,實驗誤差較小。模型的多元相關系數R2=0.9969,說明三因素對于曲拉色度綜合得分中99.69%的實驗數據變異性可以用此模型來解釋。進一步對方程中回歸項系數進行顯著性檢驗,X1對方程影響極顯著(p<0.01),X2對方程影響不顯著(p>0.05),X3對方程影響極顯著(p<0.01);X12、X22、X32對方程影響極顯著(p<0.01);交互項X1X2對方程影響不顯著(p>0.05),X1X3和X2X3對方程影響均極顯著(p<0.01)。實驗所選參試因子對標準化綜合得分大小影響順序為X1>X3>X2,即預脫水壓力>預脫水時間>凝塊含水量。

2.2.2 兩因子間交互作用分析 由圖7(a)的響應圖可以看出,在凝塊含水量一定的條件下,隨著預脫水壓力和時間的增大,綜合得分呈先上升后下降趨勢,由此可見適當的預脫水壓力和時間可以改善曲拉的色度品質。由圖7(b)看出,預脫水壓力與預脫水時間之間的交互作用的等高線圖呈橢圓形,說明預脫水壓力與時間之間的交互作用顯著。由圖8(a)的響應圖可以得到,在預脫水壓力一定的條件下,隨凝塊含水量的降低,預脫水時間的增加,綜合得分呈先上升后下降的趨勢,由此可見適當的凝塊含水量和預脫水時間可以有效提高曲拉的色度品質。由圖8(b)可以看出,凝塊含水量與預脫水時間之間的交互作用的等高線呈橢圓形,凝塊含水量和預脫水時間之間的交互作用顯著。

圖7 預脫水壓力和預脫水時間對曲拉色度綜合得分的影響Fig.7 The effect of pre-dehydration pressure and pre- dehydration time on the chroma comprehensive score of qula

2.2.3 最佳條件的預測及驗證實驗 通過Design Expert軟件對回歸方程模型(4)進行優化求解,得到曲拉預脫水最佳工藝參數為:預脫水壓力315.65 N,凝塊含水量29.84%,預脫水時間3.13 h,此時得到最大綜合分為0.944?？紤]到實際操作,將理論組合校正為:預脫水壓力300 N、凝塊含水量29%、預脫水時間3 h,進行5次平行實驗,5次實驗的綜合分平均值為0.930,相對誤差為1.48%,和理論值誤差較小。因此,利用該響應面法得到的曲拉預脫水工藝最佳參數可靠,具有參考價值。

3 結論

采用響應面法對曲拉預脫水工藝條件進行優化,建立了曲拉色度綜合得分的回歸模型,由該模型優化的預脫水條件為預脫水壓力為300 N、預脫水時間為3 h、凝塊含水量為29%,此條件下,曲拉得到的最大色度綜合分0.930,相對誤差1.48%。實驗值與理論值基本吻合,模型可靠。

本文在王軍[4]等人研究的曲拉熱風干燥的基礎上增加預脫水工藝,不僅能夠縮短干燥時間，而且，可降低在干燥過程中氧化褐變及美拉德反應的發生,得到色澤品質佳的產品,同時，在實際生產中,預脫水工藝操作簡單且容易實現。但由于藏區的自然發酵方式,使曲拉在生產過程中存在口味過酸、產率不高等問題,這有待于研究人員在以后的研究中解決。同時牧民對曲拉的貯藏方式比較粗放,常導致曲拉在貯藏過程中發生品質劣變,對其食用和后期加工都造成不良影響[20],在以后的研究中可以通過改變曲拉包裝方式來解決。如果能很好的解決這些問題,提高曲拉的產品品質,不僅可以降低其下游產品生產要求,而且，由此帶來的經濟效益可以提高牧民的生活條件。

[1]王琳琳,王軍,韓玲,等. 牧區牦?！扒眱炠|發酵劑的研究[J]. 食品工業科技,2014,35(12):152-156.

[2]丁考仁青,王琳琳,韓玲,等. 不同地區牦牛曲拉的品質分析[J]. 食品工業科技,2015,36(1):105-109.

[3]武悅. 曲拉傳統制備工藝的優化研究及應用[D]. 蘭州:甘肅農業大學,2016.

[4]王軍,王琳琳,韓玲,等. 曲拉熱風干燥工藝參數篩選及色澤品質評價[J]. 農業工程學報,2014,30(16):296-304.

[5]馮愛國,李國霞,李春艷. 食品干燥技術的研究進展[J]. 農業機械,2012(18):90-93.

[6]郭雅翠,杜欽生,朱鳴麗,等. 真空冷凍干燥技術在食品工業中的應用[J]. 長春大學學報,2008,18(2):101-103.

[7]趙群,樊石,朱明清,等. 乳制品低溫干燥塔過程控制及算法研究[J]. 自動化技術與應用,2015,34(7):113-116.

[8]呂為群,駱承庠,劉書臣. 乳酸菌在冷凍干燥過程中存活率的影響因素探討[J]. 中國乳品工業,1993(5):217-220.

[9]周玉貴,陸東林,劉新安,等. 凍干驢乳粉理化和衛生指標分析[J]. 中國乳業,2016(1):58-63.

[10]申曉曦,李汴生,劉偉濤. 太陽能干燥對干濕梅品質的影響[J]. 食品工業科技,2011,32(6):107-111.

[12]ELMORE J S,CAMPO M,ENSER M,et al. The effect of lipid composition on meat-like model systems containing cysteine,ribose and polyunsaturated fatty acids[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry,2002,50(2):1126-1132.

[13]王軍,李永鵬,劉玲,等. 低溫儲藏過程中氧化狀態對牦牛肝中揮發性化合物的影響[J]. 食品工業科技,2013,32(22):294-297.

[14]TOKER O S,DOGAN M,ERS?Z N B,et al. Optimization of the content of 5-hydroxymethylfurfural(5-HMF)formed in some molasses types:HPLC-DAD analysis to determine effect of different storage time and temperature levels[J]. Industrial Crops

& Products,2013,50(10):137-144.

[15]Martins S I F S,Jongen W M F,Boekel M A J S V. A review of Maillard reaction in food and implications to kinetic modelling[J]. Trends in Food Science & Technology,2000,11(9-10):364-373.

[16]武悅,韓玲,紀銀莉,等. 改善牦牛曲拉精制干酪素色澤品質的研究[J]. 食品工業科技,2016,37(9):106-111.

[17]于淼. 曲拉精制干酪素褐變因素及工藝優化研究[D]. 哈爾濱:哈爾濱工業大學,2008.

[18]陳夢音,王琳琳,韓玲等. 基于主成分和聚類分析的曲拉品質的綜合評價[J]. 食品科學,2017，38(13):102-107.

[19]王軍.牦牛曲拉傳統制作工藝改進[D]. 蘭州:甘肅農業大學,2015.

[20]韓爽,王軍,韓玲,等. 不同包裝方式對曲拉貯藏過程中品質變化的影響[J]. 食品工業科技,2014,35(23):329-332.

[21]HayalogluA,Cakmakci S,Brechany E Y,et al. Microbiology,biochemistry,and volatile composition of Tulum cheese ripened in goat’s skin or plastic bags[J]. Journal of Dairy Science,2007,90(3):1102-1121.

[22]Feng Y L,Li W Q,Wu X Q,et al. Statistical optimization of media for mycelial growth and exo-polysaccharide production by Lentinusedodes and a kinetic model study of two growth morphologies.[J]. Biochemical Engineering Journal,2010,49(1):104-112.

[23]Ghosh D,Hallenbeck P C. Response surface methodology for process parameter optimization of hydrogen yield by the metabolically engineered strain Escherichia coli DJT135.[J]. Bioresource Technology,2010,101(6):1820-5.