玉米皮膳食纤维酸奶的工艺优化及营养学评价
摘 要：利用发酵法从玉米皮中提取膳食纤维，将其添加至酸奶中，以感官评价得分为试验指标，通过单因素及响应面法设计，优化玉米皮膳食纤维酸奶的制作工艺参数。结果表明：膳食纤维添加量为1.9%，白砂糖添加量为7.0%，发酵时间为4.0 h，菌种接种量为3.2%是玉米皮膳食纤维酸奶的最佳制作工艺条件。各因素对酸奶感官评价的影响从大到小依次为：玉米皮膳食纤维添加量>白砂糖添加量>发酵时间>菌种接种量。按最佳工艺条件制备的玉米皮膳食纤维酸奶，膳食纤维增加较多，水分含量略有增加，乳酸菌数为（11.47±1.8）×107 cfu/mL，约为普通酸奶的2倍。
关键词：玉米皮；膳食纤维；酸奶；响应面法；营养学分析
中图分类号：TS202.3 文献标识码：A 文章编号：1006-060X（2014）09-0000-00
膳食纤维（Dietary Fiber，DF）被认为是不能为人体胃肠道消化酶所吸收利用的一类多糖和木质素类物质的总称。按其在水中的溶解性，分为水溶性膳食纤维（SDF）和水不溶性膳食纤维（IDF）两类[1]。膳食纤维虽然不能被人体消化吸收，但在体内具有重要的生理作用，例如胃肠道中的膳食纤维会吸水膨胀，使人体产生饱腹感，从而控制饮食量，避免肠道对糖、脂等物质的过量吸收。1998年，美国FDA建议，适量地补充膳食纤维可有效预防肥胖、糖尿病、冠心病等疾病。因此，膳食纤维被现代营养界称为人体必需的“第七大营养素”[2-6]。
为充分发挥其生理作用，在美日英等发达国家，膳食纤维早已被广泛添加到如糖果、饼干、冰激凌、面包等功能食品中，而在我国消费市场中含膳食纤维的食品品种较少[7]。玉米皮来源广泛，富含优质膳食纤维，且其口感已被人们接受，是一种不可多得的膳食纤维原料。因此，试验以玉米皮为原料，将其添加到酸奶中[8]，通过单因素和响应面法对玉米皮膳食纤维酸奶的制作工艺进行优化，以期研制出口感风味适宜的保健酸奶。
1 材料与方法
1.1 试验材料
1.1.1 供试原料及试剂 供试原料有：玉米皮（长春宝成生化发展有限公司）；纯牛奶、白砂糖（市售）；嗜热链球菌（Streptococcus thermophilus，简称S）、保加利亚乳酸杆菌（Lactobacillus bulgar，简称L）（吉林农业科技学院微生物实验室）；无水乙醇、氢氧化钠、浓盐酸等（分析纯）。
1.1.2 主要仪器 浆渣自动分离磨浆机（广东恒联食品机械有限公司）；LDZ4-0.8型离心机（北京医用离心机）；DHG-9241型电热恒温干燥箱（上海精宏实验设备有限公司）；SLS-60-70高压均质机（上海申鹿均质有限公司）；HWS智能型恒温恒湿培养箱（宁波江南仪器厂）；DSX-2808型高压蒸汽灭菌锅（上海市申安医疗器械厂）；全自动定氮仪2300（瑞典福斯特卡托公司）等。
1.2 试验方法
1.2.1 发酵法提取膳食纤维 取清洗后的玉米皮，加蒸馏水浸泡2 h，经不锈钢浆渣分离机（100目）分离；分离后取玉米皮渣10 g，按料液比1︰10混合均匀，置于95℃水浴中灭菌10 min；冷却至42℃，接种保加利亚利亚乳酸杆菌和嗜热链球菌（S︰L=1︰1），在42℃恒温培养箱中恒温发酵3 d；发酵后原料过滤，滤渣即为不溶性膳食纤维（IDF）；滤液用4倍体积无水乙醇洗涤脱色，在离心机中以3 000 r/min离心5 min，即可得到水溶性膳食纤维（SDF）。将制得的膳食纤维在50℃真空干燥箱中干燥4 h（至恒重）[9-11]。
1.2.2 玉米皮膳食纤维酸奶的制作工艺流程
玉米皮膳食纤维、白砂糖
↓
鲜牛乳 → 混合、均质 → 杀菌→冷却→接种→灌装、封口 →发酵→冷藏后熟→成品
1.2.3 膳食纤维酸奶感官评价 根据膳食纤维酸奶特性，选择色泽、滋味与气味、组织状态3个能反映其质量的指标，由10名专业人员组成的评价小组进行评分，设玉米皮膳食纤维酸奶的评定域为色泽、滋味与气味、组织状态，规定相应的权重值分别为0.3、0.3、0.4，感官评分标准如表1所示，总分100分。
1.2.4 响应面法优化膳食纤维酸奶工艺 参考有关文献，综合衡量后选择玉米皮SDF添加量（%）、白砂糖添加量（%）、菌种接种量（%）、发酵时间（h）4个因素为自变量[12]。在单因素试验的基础上，利用Design-Expert 7.1.6软件试验设计中的Box-Behnken Design（BBD）设计响应面试验，每个因素取3个水平，详见表2。根据试验水平设计表进行试验，将所收集的数据进行二次回归拟合，得到交互项和平方项的二次方程，给出响应面分析图及方差分析表，分析各因素的主效应和交互效应，最后在一定的水平范围内求出最佳值，优化玉米皮膳食纤维酸奶工艺条件。
1.2.5 膳食纤维酸奶理化及微生物指标的测定 样品酸奶中水分、膳食纤维和蛋白质含量分别参照GB/T5009.3-2010（直接干燥）、GB/T4789.18（酸水解）和GB/T5009.5（凯氏定氮）中规定的方法测定。样品中乳酸菌总数反映了酸奶中有益菌的数量，是酸奶品质的一个重要指标，采用 GB4789.35-2010 中规定的方法测定。
2 结果与分析
2.1 数学模型的建立及显著性检验
通过Design-expert 7.1.6软件设计4因素3水平试验，共设计29个关键点，其中24个析因点，5个为零点，以零点估计误差。因素水平和试验设计结果见表2。
利用Design-Expert 7.1.6 对表2结果进行方差分析，其结果见表3。
对数据进行二次多元回归拟合，建立以感官得分（R）为目标函数的多元二次回归方程（实际值）：R=-558.033 33+50.133 33 A+50.433 33 B+144.133 33 C-2.800 00 D+1.000 00 AB-0.250 00 AC-6.153 46 AD+1.000 00 BC+3.750 00 BD+2.250 00 CD-13.533 33 A2-9.033 33 B2-10.908 33 C2-4.408 33 D2
对玉米皮SDF酸奶感官评分数学模型进行方差分析，由表3可知，二次多元模型中F=56.81，P=0.000 1<0.05，而失拟项为P=0.209 5>0.05，表明该模型显著。在模型中，一次项（A、B、C和D），二次项（A2、B2、C2和D2）以及交互项BD和CD的P值均小于0.05，表明这些项的作用显著。而交互项AB、AC、AD和BC项的P值大于0.05，为不显著交互项。
2.2 响应面工艺优化分析
通过Design-Expert 7.1.6分析得到玉米皮膳食纤维酸奶响应面分析如图1～6所示。从图1中看出，随着发酵时间的延长和玉米皮SDF添加量的升高，平均分值先升高后降低；而从等高线图中可明显地看出，玉米皮SDF添加量较发酵时间对玉米皮SDF酸奶的品质影响相对较为明显，表现为等高线陡峭。
从图2中看出，随着玉米皮SDF和白砂糖添加量的增加，平均分值均为先增加后降低。由此可知，适当地增加玉米皮SDF和白砂糖添加量可明显改善玉米皮SDF酸奶的品质。同样，从等高线图中可看出，玉米皮SDF的添加量对玉米皮SDF酸奶品质的影响要比白砂糖添加量对玉米皮SDF酸奶品质的影响显著。
从图3中看出，随着玉米皮SDF量的增加，平均分值表现为先增加后降低；而菌种接种量的响应面较平缓。这表明适当地增加玉米皮SDF添加量可以明显改善玉米皮SDF酸奶的品质，而菌种接种量在合理数值内对响应值影响不大。从等高线图中可以了解到，玉米皮SDF的添加量对玉米皮SDF酸奶品质的影响要比菌种接种量对玉米皮SDF酸奶品质的影响明显。
从图4中看出，随着发酵时间的增加，感官评价平均分值逐渐降低；随着菌种接种量的增加，感官评价平均分值先升高后降低；曲面图的起降不显著，故其对酸奶的品质影响均不明显。从等高线图中可以直观地看出，发酵时间较菌种接种量对玉米皮SDF酸奶品质的影响较为明显，且两者的相互影响作用不显著。
从图5中看出，随着发酵时间和白砂糖添加量的增加，感官评价平均分值逐渐降低；而从等高线图中可得出，发酵时间较白砂糖添加量对玉米皮SDF酸奶品质的影响明显，等高线较密集，说明两者具有一定的交互作用。
从图6中看出，随着白砂糖添加量的增加，平均分值先增加后降低，而菌种接种量在一定范围内对响应值影响不显著；从等高线图中得出，白砂糖添加量较菌种接种量对玉米皮SDF酸奶品质的影响明显，等高线较密集，表明两者交互作用显著。
综上所述，玉米皮SDF的添加量和白砂糖添加量对玉米皮膳食纤维酸奶的影响较为明显，表现为曲线较为陡峭，而发酵时间、菌种接种量对玉米皮膳食纤维酸奶的品质影响较小，表现为曲线较为平缓，即随其添加量的增加，响应值变化范围不大。因此，在所选因素水平范围内各因素对结果的影响排序为：玉米皮SDF添加量>白砂糖添加量>菌种接种量>发酵时间。
2.3 最佳工艺的预测及验证
模型中存在不显著项将影响模型的预测性，因此经手动调节去除交互项AC，AD，可使失拟项F值降至0.20，得到优化后方程模型：R=-554.533 33+48.383 33 A+50.433 33 B+143.633 33 C-2.800 00 D+1.00000 AB+1.000 00 BC+3.750 00 BD+2.250 00 CD-13.533 33 A2-9.033 33 B2-10.908 33 C2-4.408 33 D2
除去交互项AC和AD后得到方差分析表4。由表4可知，二次多元模型中F=75.21，P=0.000 1<0.05，而失拟项为P=0.263 9>0.05，表明该模型显著。对其进行求解，在试验的因素水平范围内，预测玉米膳食纤维酸奶最佳工艺的参数：玉米膳食纤维添加量为1.93%，发酵时间为3.95 h，白砂糖添加量为7.09%，菌种添加量为3.17%。在此条件下玉米皮膳食纤维酸奶的感官评价最高值可达96.703 8。
由于试验需可操作性，故对玉米皮膳食纤维酸奶的最佳工艺参数进行如下修正：玉米皮膳食纤维添加量为1.9%，发酵时间为4.0 h，白砂糖添加量为7.0%，菌种添加量为3.2%。在此条件下进行3次验证性试验，测得玉米皮膳食纤维酸奶感官评价的平均分值为96.689 9，与理论预测值相十分接近，说明模型的拟合程度很好，经手动化调节的回归方程对玉米皮膳食纤维酸奶工艺的分析和预测准确率达99.98%。
2.4 理化及微生物测定
玉米皮膳食纤维酸奶的检测结果表明：与普通纯酸奶相比，玉米皮膳食纤维酸奶的水分含量（55%）和乳酸菌数[（11.47±1.8）×107 cfu/mL]分别增加了2个百分点和5.07×107 cfu/mL；新增膳食纤维含量1.24%；但粗蛋白含量减少了1.06个百分点，仅2.95%。膳食纤维的添加有利于人体胃肠的蠕动，而酸奶中大量的活性乳酸菌可以帮助改善人体对乳糖的不耐性，是一款时尚营养型酸奶饮品。
3 结论和讨论
玉米皮膳食纤维酸奶的优化研发将进一步满足人们对营养全面功能食品的追求，同时为玉米深加工工业副产物提供一种利用途径，具有较高的理论和市场价值。试验利用发酵法从玉米皮中提取膳食纤维，将其添加至酸奶中，以感官评价得分为试验指标，通过单因素及响应面法设计，优化玉米皮膳食纤维酸奶的制作工艺参数。结果表明：玉米皮膳食纤维添加量为1.9%，白砂糖添加量为7.0%，发酵时间为4.0 h，菌种接种量为3.2%是玉米皮膳食纤维酸奶的最佳制作工艺条件。各因素对酸奶感官评价的影响从大到小依次为：玉米皮膳食纤维添加量>白砂糖添加量>发酵时间>菌种接种量。
按最佳工艺条件制备的玉米皮膳食纤维酸奶，口感细腻、色泽均匀、呈微黄色，质地均匀，具有玉米清香及乳酸发酵香味。与普通纯酸奶比较，增加较多的膳食纤维，实际含量为1.24%；水分含量略有增加，但差异不显著；乳酸菌数为11.47±1.8×107 cfu/mL，约为普通酸奶的2倍，增加幅度较大。因此，玉米皮膳食纤维酸奶营养价值总体高于纯酸奶，是一款营养素全面的保健酸奶，具有广阔的市场前景。
参考文献：
[1] 符 琼，林亲录，鲁 娜，等. 膳食纤维提取的研究进展[J]. 中国食物与营养，2010，15（3）：32-35.
[2] 马 力，陈永忠，陈隆升. 膳食纤维的提取及功能特性分析[J]. 农产品加工，2011，9（5）：15-18.
[3] 孟宪军，迟玉杰. 功能食品[M]. 北京：中国农业大学出版社，2010. 168-182.
[4] Tsen C C，Eyestone W，Weber J L. Evaluation of the quality of cookie supplement with DDG Flour[J]. Food Science，1982，47（2）：684-685.
[5] 王 刚，王 蕾，孙彩玉. 玉米皮膳食纤维提取研究[J]. 食品与发酵科技，2011，47（4）：55-59.
[6] 周 坚，肖安红. 功能性膳食纤维[M]. 北京：化学工业出版社，2005. 1-13.
[7] 李家洲，肖玉平，黄荣林，等. 发酵佛手瓜渣产膳食纤维的工艺研究[J]. 中国食品添加剂，2011，17（2）：193-197.
[8] 安 莹，周 颖，刘春芬，等. 响应面法研究黑玉米皮中膳食纤维提取工艺[J]. 农产品加工，2011，9（7）：66-84.
[9] 吴 剑，唐会周，褚伟雄. 豆渣中大豆异黄酮和膳食纤维的提取分离与活性研究进展[J].河南工业大学学报（自然科学版），2013，34（1）：114-118.
[10] 王 言. 玉米皮膳食纤维的制备、功能活化及活性的研究[D]. 吉林大学：生命科学学院硕士学位论文，2010.
[11] 裘纪莹，陈蕾蕾，王未名，等. 发酵法制备高品质膳食纤维的研究进展[J]. 中国食物与营养，2010，（6）：24-27.
[12] 白 婕，沈银梅，余庆斌. 豆渣膳食纤维酸奶的研制[J]. 中南林业科技大学学报，2012，32（10）：179-183.
（责任编辑：成 平）