王丹，李凱鋒，宮春穎，王慧敏，孫記濤

黑龍江省完達(dá)山乳業(yè)股份有限公司（哈爾濱 150078）

現(xiàn)代生活壓力大、飲食習(xí)慣不健康、抗生素大量使用等問(wèn)題往往導(dǎo)致人體腸道微生態(tài)平衡遭到破壞，引發(fā)一系列健康問(wèn)題。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，益生菌是調(diào)節(jié)和改善腸道健康的重要手段[1-7]。益生菌固體飲料通常是以益生菌為主要原料，通過(guò)混合工藝制成的粉末狀產(chǎn)品，其食用方便、包裝便攜，是補(bǔ)充益生菌的主要方式之一。

為保證益生菌活性，益生菌固體飲料通常采用干法粉粒體混合工藝，即把益生菌和其他不同成分組成的粉粒體配料，依靠外加的適當(dāng)操作，盡量使各成分的濃度分布達(dá)到均勻化的一種操作?；旌暇鶆蚨仁窃u(píng)價(jià)混合工藝參數(shù)是否適宜的重要指標(biāo)。在實(shí)際生產(chǎn)中，混合工藝參數(shù)決定著產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。優(yōu)化混合工藝的目標(biāo)，就是通過(guò)消耗最少的能源和時(shí)間，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的均一性[8]。對(duì)于機(jī)械攪拌式混合機(jī)的混合效果，其主要影響因素是混合時(shí)間、混料量和混合轉(zhuǎn)數(shù)頻率[9]。響應(yīng)曲面法是基于試驗(yàn)設(shè)計(jì)、模型建立和數(shù)據(jù)分析來(lái)評(píng)估各影響因素間的交互作用，進(jìn)而確定最優(yōu)試驗(yàn)條件的一種優(yōu)化分析方法[10]。應(yīng)用響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化益生菌固體飲料混合工藝，為提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

食用葡萄糖、低聚果糖、脫脂乳粉、麥芽糊精、動(dòng)物雙歧桿菌Bb-12（均為市售）。

1.2 儀器與設(shè)備

ACS電子計(jì)量秤（梅特勒-托利多國(guó)際貿(mào)易有限公司）；Pk/1-1515型電子計(jì)重衡（梅特勒-托利多國(guó)際貿(mào)易有限公司）；C1000干混機(jī)（基伊埃集團(tuán)公司）；BMJ-250生化培養(yǎng)箱（上海博迅醫(yī)療生物儀器股份有限公司）；BCD-630WDPGU1冰箱（青島海爾股份有限公司）。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 配料

按照產(chǎn)品配混料單要求，將1/2主料（食用葡萄糖、低聚果糖、脫脂乳粉）投入混料罐中，將經(jīng)預(yù)混的益生菌配料（將動(dòng)物雙歧桿菌Bb-12用3～8倍輔料麥芽糊精預(yù)混）投入混料罐中，投入剩余主輔料進(jìn)行混合。

1.3.2 取樣

用取樣器在接物料罐的上、中、下3個(gè)方位各取3個(gè)樣，共計(jì)9個(gè)樣品。取樣時(shí)不允許有任何翻動(dòng)或再混合[8]。

1.3.3 混合均勻度評(píng)價(jià)方法

以同一批次中雙歧桿菌計(jì)數(shù)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差反映所測(cè)產(chǎn)品的混合均勻度[11]。

式中：xi為第i樣品的雙歧桿菌計(jì)數(shù)，即第i樣品雙歧桿菌計(jì)數(shù)2次測(cè)定值的算術(shù)平均值；xm為所有樣品雙歧桿菌計(jì)數(shù)的算術(shù)平均值；SRSD為樣品雙歧桿菌計(jì)數(shù)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差；Mh為混合均勻度。

1.3.4 雙歧桿菌的測(cè)定

按照GB 4789.34—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品微生物學(xué)檢驗(yàn) 雙歧桿菌檢驗(yàn)》。

1.3.5 響應(yīng)面法優(yōu)化試驗(yàn)

采用中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)（CCD）模型，選擇混合時(shí)間（X1）、混料量（X2）、混合轉(zhuǎn)數(shù)頻率（X3）為自變量，以1.682，1，0，-1和-1.682代表自變量水平，以混合均勻度為響應(yīng)值Y，采用響應(yīng)面法對(duì)益生菌固體飲料混合工藝進(jìn)行優(yōu)化，具體試驗(yàn)方案見(jiàn)表1，使用Minitab軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

表1 CCD試驗(yàn)因素水平表

2 結(jié)果與分析

2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)方案及結(jié)果

采用CCD試驗(yàn)設(shè)計(jì)三因素五水平的響應(yīng)面分析試驗(yàn)，以混合均勻度為響應(yīng)值Y，以混合時(shí)間9 min、混料量500 mg、混合轉(zhuǎn)數(shù)頻率40 Hz為中心點(diǎn)實(shí)施響應(yīng)面分析。CCD試驗(yàn)的設(shè)計(jì)及結(jié)果見(jiàn)表2。其中，試驗(yàn)1～8是析因試驗(yàn)，試驗(yàn)15～20是中心試驗(yàn)。14個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)分為析因和零點(diǎn)，其中析因點(diǎn)為自變量取值在X1、X2、X3所構(gòu)成的頂點(diǎn)，零點(diǎn)為區(qū)域的中心點(diǎn)，零點(diǎn)試驗(yàn)重復(fù)6次，用以估計(jì)試驗(yàn)誤差。

2.2 響應(yīng)面方差分析

使用Minitab軟件對(duì)表2的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次回歸分析，回歸方差分析結(jié)果見(jiàn)表3。經(jīng)多元回歸擬合后，得到回歸方程（以編碼單位表示）：Y=87.863+3.623X1-0.546X1X2-0.704X1X3-0.296X2X3。

表2 CCD試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

表3中方差分析結(jié)果顯示，回歸模型p＜0.01，差異極顯著；模型的擬合優(yōu)度R2=0.9913，回歸模型決定系數(shù)R2adj=0.9835，R2和Radj2比較接近，表明模型與實(shí)際情況擬合好。表3中模型失擬項(xiàng)的p值為0.342＞0.05，表明模型失擬項(xiàng)不顯著，該模型的選擇比較合適，而且試驗(yàn)誤差小。因此，各因素和響應(yīng)值之間的真實(shí)關(guān)系可以由該回歸方程來(lái)解釋，即應(yīng)用此數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析可行。模型中一次項(xiàng)X1、X2、X3對(duì)混合均勻度的影響均極顯著（p＜0.01），影響因素按主次順序排序?yàn)閄1=X3＞X2；二次項(xiàng)和對(duì)混合均勻度的影響均極顯著（p＜0.01）；交互項(xiàng)X1X2、X1X3的交互作用對(duì)混合均勻度有顯著影響（p＜0.05）。

表3 回歸方程方差分析

2.3 響應(yīng)面交互作用分析及優(yōu)化

應(yīng)用Minitab軟件繪制響應(yīng)面圖進(jìn)行三維可視化的分析，結(jié)果見(jiàn)圖1～圖3。等高線的形狀可反映因素之間交互效應(yīng)的大小，橢圓形表示兩因素的交互作用顯著，而圓形則表示兩因素之間的交互作用不顯著。由圖1（b）和圖2（d）可見(jiàn)，等高線均呈橢圓形，顯示混合時(shí)間與混料量、混合時(shí)間與混合轉(zhuǎn)速頻率之間的交互作用顯著。

圖1 混合時(shí)間與混料量的交互作用

圖2 混合時(shí)間與混合轉(zhuǎn)速頻率的交互作用

圖3 混料量與混合轉(zhuǎn)速頻率的交互作用

應(yīng)用Minitab統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)所建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行最優(yōu)化分析，可以預(yù)測(cè)得到模型的最大混合均勻度為91.01%，此時(shí)的最優(yōu)工藝參數(shù)分別為混合時(shí)間11.0 min、混料量400.0 kg、混合轉(zhuǎn)速頻率42.32 Hz。對(duì)模型計(jì)算的最優(yōu)工藝條件進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，考慮到實(shí)際生產(chǎn)的便利，將工藝參數(shù)修改為混合時(shí)間11 min、混料量400 kg、混合轉(zhuǎn)速頻率40 Hz。按此生產(chǎn)工藝進(jìn)行3次重復(fù)驗(yàn)證試驗(yàn)，3次試驗(yàn)的平均混合均勻度為91.62%，與模型預(yù)測(cè)的理論值91.01%比較接近，說(shuō)明采用響應(yīng)面優(yōu)化得到的最佳參數(shù)準(zhǔn)確可靠，按照建立的模型進(jìn)行預(yù)測(cè)試驗(yàn)在實(shí)踐中可行。

3 結(jié)論

通過(guò)響應(yīng)面法試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)益生菌固體飲料混合均勻度進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)。結(jié)果表明，混合時(shí)間、混料量與混合轉(zhuǎn)速頻率對(duì)混合均勻度均有極顯著影響（p＜ 0.01），混合時(shí)間與混料量、混合時(shí)間與混合轉(zhuǎn)速頻率兩個(gè)因素之間的交互作用，對(duì)混合均勻度均有顯著影響（p＜0.05）。優(yōu)化后得到最佳工藝參數(shù)：混合時(shí)間11 min、混料量400 kg、混合轉(zhuǎn)速頻率40 Hz，驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果與模型預(yù)測(cè)的理論值比較接近。因此采用響應(yīng)面分析優(yōu)化得到的益生菌固體飲料混合工藝參數(shù)具有可行性和可靠性，可用于生產(chǎn)實(shí)際操作。