利用开菲尔粒制作发酵乳饮料工艺技术研究

 曹凯1，邢军2，普燕2，张瑞1*

  1．新疆师范大学生命科学学院（乌鲁木齐830054）；2．新疆大学生命科学与技术学院（乌鲁木齐830046）

摘要采用响应面法对开菲尔发酵乳饮料工艺进行优化。在单因素试验基础上，选择开菲尔粒接种量、发酵时间和发酵温度为自变量，以发酵乳饮料酸度及感官评价值确定的复合指标为响应值，利用Box-Benhnken中心组合方法进行三因素三水平的试验设计，并做响应面分析，建立数学回归模型。结果表明，曲面回归方程拟合性好，利用开菲尔粒制作发酵乳饮料的最优工艺条件为：开菲尔的接种量2.8%，发酵时间22 h，发酵温度22℃。在优化条件下经3

次重复试验验证，预测值与验证试验平均值接近。说明该工艺稳定、可行。

关键词  开菲尔粒；发酵乳饮料；响应面分析法

 开菲尔粒是由数种乳酸菌与酵母菌等微生物之间的共生作用而形成的特殊颗粒状结构，多为白色或浅黄色，具有一定的弹性和特殊酸味，其中大约50%是黏性多糖（1：1比例的半乳糖和葡萄糖），此外，还有大量的水、少量蛋白质、脂肪和其它成分。其最大的特点是具有很强的环境适应能力和抗污染能力，因此开菲尔粒非常适用于家庭或工业化发酵乳制品的生产。人们直接将开菲尔粒添加到经加热灭菌、冷却后的牛乳中，使之发酵而生成具有爽快酸味的保健品——开菲尔。

 开菲尔具有较高的营养价值，含有消化性很高的乳蛋白质和乳脂肪。蛋白质中水溶性氮和氨基酸含量高，发酵过程中基本无损失；脂肪球小能够充分乳化，更易消化吸收；游离脂肪酸和挥发性脂肪酸含量高，风味良好。开菲尔中所含乳糖大部分被降解，经发酵产生的乳酸为100%L(+)型，普通酸乳中的乳酸只有58%属于右旋。右旋乳酸对人体有益。所以开菲尔乳除具有普通酸乳的保健作用外，更利于婴儿食用。开菲尔中的维生素含量和种类也很多。

醋酸菌在代谢时合成维生素B2和尼克酸。酵母在发酵中合成维生素B1、维生素B2和维生素B12。微量丙酸菌代谢也能提高B族维生素的含量，其中B12和叶酸的含量比普通酸乳提高4～5倍。开菲尔的保健作用可以概括为：①提高免疫功能，强化免疫系统，增强免疫细胞活力，具有调节机体的特异性和非特异性免疫功能；②调节循环和呼吸系统的功能，开菲尔可增强心脏收缩力、呼吸加深、调整血压、净化血液以及调节血脂；③开菲尔可增强有益菌群的优势，刺激肠道，加强胃肠蠕动，加速唾液，胰酶的分泌，增加胃肠和胰脏的功能，增强消化系统功能；④具有防癌抗癌功能；⑤具有抗菌消炎的功能；⑥具有抗疲劳功能，开菲尔提高ATP活性，促进机体代谢，有效地清除体内代谢废物，恢复体力，使精力旺盛；⑦具有恢复肝脏功能；另外开菲尔由于多种有益微生物菌相作用，使产品的营养比原乳有了很大提高，易于消化，成为具有丰富营养的保健食品。  

新疆地区少数民族自古以来就有制作和食用发酵乳制品的习惯，传统的乳制品制作方法有着明显的地域性，做成的乳制品有着浓厚的地区特色和风味。经过几千年的驯化，这些传统乳制品中保留了许多具有传代性好、抗逆性强以及风味浓郁独特的乳酸菌菌群。试验主要研究了其中开菲尔粒制作发酵乳饮料的方法，以获得地方特色风味的乳制品加工工艺技术，以期更好地保护与利用传统优良发酵乳酸菌菌群，为其今后在发酵乳制品中合理应用提供科学依据。

1材料与方法

1.1材料与仪器

  原料：乌鲁木齐市南山山区牧民家庭制作奶疙瘩（2011年购得，自测水分含量为32.2%）；消毒乳：市售，新疆西域春乳业公司。

  0.1 mol/L氢氧化钠、酚酞、邻苯二甲酸氢钾。

  HWS28型电热恒温水浴锅：上海恒科学仪器有限公司；DHA-9123A型号电热恒温鼓风干燥箱：上海一恒科仪器有限公司；电子天平BS223S型：北京多赛多利斯仪器系统有限公司；超净工作台：安泰公司。

1.2试验方法

1.2.1开菲尔粒制备工艺

1.2.2开菲尔粒的活化

  将原料奶在100℃下进行灭菌，并将灭菌好的牛奶冷却到25℃。然后以开菲尔粒与灭菌的牛奶1：20的质量比配定，并在25℃下培养24 h。最后过滤得到开菲尔粒，测得开菲尔粒的酸度是350T，水分含量为59%。

1.2.3感官评价方法

先将感官评定标准及评定过程对8名实验室研究人员进行培训，再经8人组成的无经验型感官评价人员（由实验室研究人员组成）将试验产品进行评分检验，每组试验重复3次，评分取平均值，分别评分后再进行数据统计处理。

1.2.4 Na OH的标定方法

 1)准确称取0.5 g基准试剂邻苯二甲酸氢钾3份，置于锥形瓶中标号。

2)加25 m L新煮沸的冷蒸馏水，震荡使其溶解，并设置一个空白试验，再分别滴加2滴酚酞指示剂。

 3)用配置好的氢氧化钠溶液分别滴定至溶液呈微红色，且30 s内不褪色，记录每次消耗氢氧化钠的体积，按式(1)计算。

1.2.5酸度的测定方法

  取样品10 m L于试管中，搅拌均匀后滴入2～3滴酚酞指示剂，用0.1 mol/L的Na OH溶液滴定至红色，在0.5 min内不消失即为终点，记录消耗Na OH溶液的体积，此体积乘以10即为乳制品酸度(0T)。

1.2.6开菲尔粒的接种量对发酵乳饮料发酵的影响

 1)对牛奶进行灭菌(加热到100 ℃，保持20min)，然后将灭菌后的牛奶冷却到25℃。

 2)在灭菌好的200 g牛奶中加入开菲尔粒，接种量分别为1.5%，2%，2.5%，3%，3.5%和4%（质量分数），编号分别为1，2，3，4，5和6，充分搅拌，25℃的条件下恒温培养24 h，每组试验重复3次。

 3)感官评价不同条件下开菲尔的品质，并记录。然后以开菲尔粒的接种量为横坐标，以感官评分为纵坐标，绘制开菲尔的接种量-感官曲线。找出相对的最好条件。

 4)测量不同条件下开菲尔的酸度（分别滴加酚酞3滴，再用经邻苯二甲酸氢钾标定过的0.1 mol/L Na OH进行滴定至微红色，30 s不退色，记录消耗氢氧化钠的体积）。

 5)以开菲尔粒的接种量为横坐标，以开菲尔的酸度为纵坐标，绘制开菲尔粒的接种量-酸度曲线。研究不同开菲尔粒的接种量对开菲尔发酵的影响。

1.2.7时间对发酵乳饮料发酵的影响

 1)在5份灭菌冷却至25 ℃的牛奶200 g中加入开菲尔粒，接种量为2.5%（质量分数），编号分别为1，2，3，4和5，充分搅拌，25℃的条件下分别培养18，20，22，24和26 h，每组试验重复3次。

 2)感官评价不同条件下开菲尔的品质，并记录。然后以时间为横坐标，感官评分为纵坐标，绘制时间-感官评分曲线。找出发酵相对好的时间。

  31测量不同条件下开菲尔的酸度。

  41以时间为横坐标，以不同时间下开菲尔的酸度为纵坐标，绘制时间-酸度曲线。研究发酵时间对开菲尔发酵的影响。

1.2.8温度对发酵乳饮料发酵的影响。

 1)在5份灭菌冷却至25℃的牛奶200 g中加入开菲尔粒，接种量为2.5%（质量分数），编号分别为1，2，3，4和5，充分搅拌，分别放在19 ℃，23 ℃，27 ℃, 31 ℃和35 ℃下进行培养22 h，每组试验重复3次。

 2)感官评价不同条件下开菲尔的品质，并记录。以温度为横坐标，以感官评分为纵坐标，绘制温度一感官曲线。找出相对好的发酵温度。

 3)测量不同条件下开菲尔的酸度。

 4)以温度为横坐标，以不同温度下开菲尔的酸度为纵坐标。绘制温度-酸度曲线。研究温度对开菲尔发酵的影响。

1.2.9响应面法对乳饮料发酵工艺的优化设计

 正交设计仅能从试验预先设定的几个水平中优选组合得到的最佳工艺条件，并非真实意义的最佳条件，只能说是理想条件，所以无法给出整个区域上因素的最佳组合的最优值。响应面分析法是一种寻找多因素系统中最佳条件的数学统计方法。由于采用了合理的试验设计，能以最经济的方式，用很少的试验数量和时间对试验进行全面研究，能在整个考察区域上确定各个因素的最佳组合及最有响应值。所以试验将通过单因素试验设计筛选的对发酵乳饮料生产的主要因素进一步采用响应面法进行优化，得到最佳发酵条件，并为将来的发酵乳饮料生产提供科学依据。

 在单因素考察基础上，利用响应面法确定影响水平，根据Box-Benhnken的中心组合试验设计，采用三因素三水平进行试验，确定开菲尔粒发酵乳制品最佳工艺技术条件。试验设计见表2。

1.2.10复合指标的确定

  试验在进行响应面法优化乳饮料发酵工艺时选用了复合指标，在进行单因素试验时，已经发现酸度指标与感官指标具有较好的趋同性，因此可以将两个指标进行权重整合，构建复合指标用于评价响应面试验数学理论模型与实践中优化数据的拟合情况。试验中选取复合指标：酸度值×50%+感官评分平均值×50%。

2结果与分析

2.1开菲尔粒的制备

 如图1所示，活化3次后获得的开菲尔粒湿态，呈白色微小颗粒状，具有黏性，开菲尔粒之间相互聚集成团状。

 如图2所示，干制后开菲尔粒为白色微小颗粒及其聚集而成的团状物。

2.2开菲尔粒接种量对开菲尔制品酸度及风味的影响

 由图3可以看出开菲尔的酸度随着开菲尔粒接种量的增加先增加后缓慢降低，在开菲尔粒的接种量为3%时酸度达到最大。但在开菲尔粒的接种量为2.5%时，开菲尔的感官条件最好。因此接下来两组单因素试验都是在此基础上做的。当接种量太少，则菌体细胞增长缓慢，发酵时间延长，且乳球菌产酸含量降低，从而影响产品中乳酸乙酯风味物质的形成。当接种量过多时，在前期培养基的营养物质消耗过快，即过多的利用乳糖繁殖菌体，而乳球菌利用乳糖产生大量乳酸使酸度相对较高，造成凝乳中蛋白质脱水收缩严重，使乳清析出，出现分层，同时较多的接种量，会导致大量的酵母菌体早衰和自溶，产生发酵臭，从而影响开菲尔的风味。

2.3时间对开菲尔制品酸度及风味的影响

 在开菲尔粒的接种量为2.5%的基础上，由图4可看出，随着培养时间的增加，开菲尔的酸度先缓慢增加再缓慢降低，培养至22 h时，制品酸度最大，且此时的口感风味也最好。若发酵时间较短，则乳酸菌产生乳酸量不足而导致产品酸度较低，同时，酵母菌产生的乙醇量亦不足，乙醇与乳酸作用生成乳酸乙酯的量就少，风味欠佳。如果发酵时间过长，会导致产品酸度过高，产品适口性变差。

2.4温度对开菲尔制品酸度及风味的影响

  由图5可以看出，随着温度的增加，开菲尔的酸度呈现先增加后又略微减小的趋势，27℃时制品酸度达到最高点。而在23℃左右时，开菲尔制品的感官评价指标最好。发酵温度较高时，虽然高温促使乳球菌代谢旺盛，繁殖较快，使之发酵乳糖产生乳酸能力增强，但产酸过快容易导致乳清析出。同时，前期乳酸菌消耗过多的乳糖又不利于后期乳糖发酵性酵母利

用乳糖产生乙醇，从而使酒精度降低，导致产品醇味不足，而且较高温度的发酵不利于后熟时柔和风味物质的产生，亦会降低产品的风味品质。若发酵温度较低，虽然低温有利于酵母菌生长，使之发酵乳糖产生乙醇能力增强，但在低温条件下乳酸菌生长缓慢，产酸能力降低，产品酸味不足，从而影响产品的风味品质。另外随着培养温度的提高，发酵剂中的同型发酵乳酸菌（包括乳酸球菌和乳酸杆菌）的数量最终趋于一致，从而酸度基本不变，考虑以上两个因素可以确定在24℃时开菲尔发酵的最佳。

2.5  响应面法优化试验结果。

对表3数据进行ANOVA分析，结果见表4。

 由表3和4可得到开菲尔粒的接种量、时间、温度与开菲尔酸度之间关系的二次多项回归方程：

型p=0.000 6<0.01，表明该试验采用的模型在统计学上是有意义的。失拟项用来表示所用模型与试验拟合的程度，即二者差异的程度；p=0.375 2>0.05说明无失拟因素存在。由表3可知，单因素时间的p=0.009 3<0.01说明时间对开菲尔乳饮料发酵的复合指标有极显著的影响，单因素温度的p<0.05说明温度对开菲尔乳饮料发酵的复合指标有显著的影响，开菲尔粒的接种量、时间和温度的二次项p值均小于0.01，说明这三者的二次项对开菲尔产品发酵的复合指标有极显著的影响。三者之间的交互作用对开菲尔发酵酸度的影响不显著。表明试验因子对响应值不是简单的线性关系，二次项对响应值有很大的关系，这和模型回归中的线性和平方项影响显著项对应。失拟项没有显著性影响，说明数据中没有异常点，不需要引入更高次数的项，模型适当。

2.6响应面直观分析

 由图6分析可知，响应面的坡度较陡，可以得出开菲尔粒接种量和发酵时间的交互影响对开菲尔乳饮料发酵不够显著。通过等高线的疏密可以判断在交互影响中时间对响应值的影响大于开菲尔粒接种量。

 由图7分析可知，响应面的坡度较陡，可以得出开菲尔粒接种量和发酵温度的交互影响对开菲尔乳饮料发酵不够显著。通过等高线的疏密可以判断在交互影响中开菲尔粒接种量对响应值的影响大于温度。

 由图8分析可知，响应面的坡度较陡，可以得出发酵时间和发酵温度的交互影响对开菲尔乳饮料发酵不够显著。通过等高线的疏密可以判断在交互影响中发酵时间对响应值的影响大于发酵温度。

 通过软件分析，得到开菲尔发酵的最佳工艺参数为：开菲尔的接种量2.8%，时间21.93 h，温度21.850C。此条件下开菲尔发酵的酸度是68.834 90T。感官条件最好。为检验响应曲面法所得结果的可靠性，采用上述优化工艺条件开菲尔的接种量2.8%、发酵时间为22 h以及发酵温度22℃进行验证试验，3次重复试验结果：开菲尔发酵乳饮料酸度平均值为68.90T，感官评价平均值45与理论预测值酸度68.80T相比，其相对误差较小，因此，基于响应面分析法所得的开菲尔发酵乳饮料工艺技术参数准确可靠，具有实用价值。

3结论

 试验证明响应面分析法是优化发酵工艺技术参数非常有效的工具，Box-Behnken试验设计能建立各影响因素的二次多项数学模型，并利用统计学方法对该模型进行了显著性检验，优化了内在因素水平，找出最佳值。研究经响应面方法优化，得出利用开菲尔粒制作发酵乳饮料的最优工艺条件为：开菲尔的接种量2.8%、发酵时间22 h以及发酵温度22℃。在优化条件下经3次重复试验验证，预测值与验证试验平均值接近。