李程程,陳曉紅,姜 梅,董明盛*
(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院,江蘇 南京 210095)
一株產(chǎn)黏植物乳桿菌發(fā)酵豆乳條件優(yōu)化
李程程,陳曉紅,姜 梅,董明盛*
(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院,江蘇 南京 210095)
采用分離自泡菜的植物乳桿菌發(fā)酵豆乳。通過(guò)單因素試驗(yàn)和響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)確定豆乳的最優(yōu)發(fā)酵條件。結(jié)果表明:制作酸豆乳的最佳工藝條件為:豆水比1:8(m/V)、4g/100mL蔗糖+3g/100mL乳糖、接種量4%、33℃發(fā)酵8h。在此條件下,發(fā)酵酸豆乳黏度最大可達(dá)3589.1mPa·s、酸度48.88oT、感官86分,菌落總數(shù)1.2×109CFU/mL。
植物乳桿菌;響應(yīng)曲面法;大豆;豆乳;工藝條件
Abstract:Soybean was used as the fermentation substrate to produce fermented soybean milk byLactobacillus plantarumisolated from pickle. The optimal production conditions of fermented soybean milk were explored by single-factor experiments and response surface methodology. Soybean-to-water ratio of 1:8 (m/V), sucrose amount of 4 g/100mL and lactose amount of 3 g/100mL, inoculum amount of 4%, incubation time of 8 h and incubation temperature of 33 ℃ were found optimum, and under these optimum conditions, the maximum viscosity of fermented soybean milk was 3589.1 mPa·s, the acidity 48.88oT, the sensory evaluation score 86, and the total bacterial count 1.2 × 109CFU/mL.
Key words:Lactobacillus plantarum;response surface methodology;soybean;soybean milk;process condition
酸豆乳是一種以大豆為原料,經(jīng)乳酸菌發(fā)酵制成的一種外觀頗似酸奶的具有獨(dú)特豆香味的時(shí)尚健康食品。對(duì)豆乳進(jìn)行發(fā)酵不僅為保存豆?jié){提供了一種方法而且有可能調(diào)整或改善其風(fēng)味與質(zhì)構(gòu),從而使之更適合西方人的口味[1]。乳酸細(xì)菌以及雙歧桿菌培養(yǎng)物發(fā)酵豆乳,對(duì)人類有相當(dāng)大的益處[2-3],酸豆乳含有豐富的植物蛋白、不飽和脂肪酸、人體必需的18種氨基酸和提高人體免疫機(jī)能的大豆低聚糖和大豆異黃酮等功能成分[4],且不含膽固醇和乳糖,是高血壓及乳糖不耐癥患者的良好選擇。乳酸菌的作用眾所周知,另外,大豆相對(duì)于牛乳原料在中國(guó)更易獲得,大大降低了生產(chǎn)成本。有學(xué)者研究證明乳酸桿菌廣泛的被用作益生菌,大豆是這些益生菌生長(zhǎng)的良好基質(zhì),干酪乳桿菌[5-6]、瑞士乳桿菌[3,7]、發(fā)酵乳桿菌[8]、嗜酸乳桿菌[9]、鼠李糖乳桿菌[10]都已經(jīng)被證明能在豆乳中良好生長(zhǎng)。
國(guó)內(nèi)外對(duì)酸豆乳的研究已經(jīng)很多,但植物乳桿菌作為發(fā)酵劑的研究甚少,經(jīng)過(guò)拉絲實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明該植物乳桿菌是一種能夠產(chǎn)黏的乳酸菌,經(jīng)過(guò)苯酚-硫酸法測(cè)定后發(fā)現(xiàn)該黏性物質(zhì)是多糖,利用能夠產(chǎn)生多糖的乳酸菌發(fā)酵豆乳,可以增加酸豆乳的黏度以及穩(wěn)定性,從而降低穩(wěn)定劑的添加量,同時(shí),作為乳酸菌的一種次級(jí)代謝產(chǎn)物,多糖具有一定的降血脂、降血壓、抗氧化、抑菌、抗癌等重要功能,極大的提高了酸豆乳的益生特性,對(duì)人體更加有益。
考慮到大豆中含有豐富的植物蛋白,且該菌種來(lái)源于傳統(tǒng)的泡菜食品,同為植物原料,發(fā)酵性能會(huì)有所提高,使菌種能夠更好的適應(yīng)生長(zhǎng)環(huán)境。本研究將以本實(shí)驗(yàn)室分離的一株產(chǎn)黏植物乳桿菌為發(fā)酵劑,發(fā)酵豆乳生產(chǎn)高黏度酸豆乳,通過(guò)單因素試驗(yàn)和響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)確定酸豆乳生產(chǎn)的最優(yōu)發(fā)酵條件。以期為以后的工業(yè)化生產(chǎn)提供指導(dǎo)。
小黃豆、蔗糖、乳糖 市售。
植物乳桿菌(Lactobacillus plantarum)由本實(shí)驗(yàn)室分離。
MRS培養(yǎng)基[11]:蛋白胨10.0g、牛肉膏10.0g、酵母膏5.0g、葡萄糖20.0g、K2HPO42.0g、乙酸鈉5.0g、檸檬酸三銨2.0g、MgSO4·7H2O 0.58g、MnSO4·4H2O 0.25g、吐溫-801.0mL、蒸餾水1000mL,pH6.2~6.4,121℃滅菌20min。
原料→精選大豆→浸泡過(guò)夜(可隨季節(jié)調(diào)節(jié)時(shí)間)→磨漿→過(guò)濾→加配料→均質(zhì)→分裝→滅菌→冷卻接種→發(fā)酵→成品
植物乳桿菌按體積分?jǐn)?shù)2%的接種量接種于MRS培養(yǎng)基中,經(jīng)過(guò)兩次活化后于5000r/min離心15min,取菌體懸浮于0.85g/100mL的生理鹽水中備用。
挑選籽粒飽滿無(wú)霉變的大豆,用清水浸泡過(guò)夜,選取1:6、1:8、1:10(m/V)的豆水比進(jìn)行實(shí)驗(yàn),121℃滅菌15min,待豆乳冷卻至30℃時(shí)按4%接種量接種乳酸菌,放入30℃培養(yǎng)箱恒溫發(fā)酵10h,測(cè)定酸度、固形物含量。
在滅好菌的豆乳中分別加入質(zhì)量濃度4g/100mL的蔗糖、乳糖、D-半乳糖、D-麥芽糖、葡萄糖、果糖,按4%接種量接入菌種,于30℃發(fā)酵10h,測(cè)定其酸度。
1.4.4.1 乳糖添加量的選擇
取20mL豆乳(豆水比1:8),分別添加0、1、2、3、4、5、6g/100mL乳糖,滅菌后冷卻到30℃左右,按4%的接種量接種,30℃恒溫發(fā)酵10h,測(cè)定其酸度。
1.4.4.2 蔗糖添加量的選擇
取20mL豆乳(豆水比1:8),分別添加0、1、2、3、4、5、6g/100mL蔗糖,滅菌后冷卻到30℃左右,按4%的接種量接種,30℃恒溫發(fā)酵10h,測(cè)定其酸度。
取20mL豆乳(豆水比1:8),添加一定量的蔗糖和乳糖,分裝滅菌后冷卻到30℃左右,分別按體積分?jǐn)?shù)0%、1%、2%、3%、4%、5%、6%的接種量接種,30℃恒溫發(fā)酵10h,測(cè)定其酸度。
取20mL豆乳(豆水比1:8),添加一定量的蔗糖和乳糖,滅菌后冷卻到30℃左右,按4%的接種量接種,分別于27、30、33、36、39、42、45℃條件下發(fā)酵10 h,測(cè)定其酸度。
取20mL豆乳(豆水比1:8),添加一定量的蔗糖和乳糖,分裝滅菌后冷卻到30℃左右,按4%的接種量接種,于33℃條件下分別發(fā)酵0、2、4、6、8、10、12h,發(fā)酵結(jié)束后測(cè)定其酸度。
酸度:采用滴定酸度法[12];總固形物含量:采用干燥法[12];黏度:采用NDJ-8S黏度計(jì);菌落總數(shù):采用GB/T 4789.35—2010《食品微生物學(xué)檢驗(yàn) 乳酸菌檢驗(yàn)》[13]。
感官評(píng)價(jià)(總分100分):評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。
表1 感官評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Standards of sensory evaluation for fermented soybean milk
在單因素試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上,以酸豆乳的酸度、黏度、感官為指標(biāo),主要影響因素為碳源添加量(A)、接種量(B)、發(fā)酵時(shí)間(C)、發(fā)酵溫度(D),采用4因素3水平的Box-Behnken設(shè)計(jì)方法[14],每組試驗(yàn)重復(fù)3次。
表2 響應(yīng)曲面試驗(yàn)因素水平表Table 2 Factors and levels in the response surface design
采用Design Expert 7.0軟件處理,并進(jìn)行顯著性分析。
表3 豆水比對(duì)發(fā)酵豆乳的影響Table 3 Effects of soybean-to-water ratio on some physico-chemical parameters and sensory evaluation of fermented soybean milk
由表3可見(jiàn),隨著水量的不斷增加,豆?jié){的固形物含量逐漸降低。從狀態(tài)來(lái)看,豆水比為1:6和1:8時(shí)酸豆乳凝乳較好,沒(méi)有乳清析出;其他處理則有不同程度的乳清析出,且很軟。從酸度來(lái)看,豆水比為1:6、1:8及1:10時(shí)酸豆乳酸度都相近。所以,從經(jīng)濟(jì)、組織狀態(tài)以及酸度方面綜合考慮,豆水比定為1:8。
碳源決定益生菌的產(chǎn)酸量,大豆中的碳水化合物含量只有15%左右,而且還有一些種類的碳源不能被益生菌所利用。經(jīng)過(guò)浸泡、分離等處理工序后,豆?jié){中可供益生菌利用的碳源損失較多,所以需要添加必要量的碳源以促進(jìn)益生菌產(chǎn)酸、凝乳[15]。
圖1 不同碳源對(duì)酸豆乳酸度的影響Fig.1 Effect of carbon source type on the acidity of fermented soybean milk
由圖1可見(jiàn),蔗糖、乳糖、葡萄糖為碳源時(shí)酸豆乳凝乳均很好,果糖、D-麥芽糖、D-半乳糖為碳源時(shí),凝乳較軟,其中添加蔗糖的酸豆乳滋味酸甜適口,其他糖酸甜味較淡,且果糖的有酸澀味。添加乳糖產(chǎn)酸量最高。故確定蔗糖和乳糖為添加碳源。
圖2 不同蔗糖和乳糖添加量對(duì)酸豆乳酸度的影響Fig.2 Effect of amounts of added sucrose and lactose as carbon sources on the acidity of fermented soybean milk
由圖2可知,當(dāng)乳糖添加量為3g/100mL時(shí),酸豆乳酸度最高為49°T。添加蔗糖4g/100mL時(shí)酸度達(dá)到最大為50°T。當(dāng)蔗糖添加量4g/100mL和乳糖添加量3g/100mL時(shí),酸豆乳口感最佳,無(wú)乳清析出,且較黏稠。故選擇乳糖添加量為3g/100mL,蔗糖添加量為4g/100mL。
圖3 不同接種量對(duì)酸豆乳酸度的影響Fig.3 Effect of inoculum amount on the acidity of fermented soybean milk
酸度是衡量乳酸菌發(fā)酵優(yōu)良的一個(gè)重要指標(biāo),酸度高說(shuō)明乳酸菌能很好的利用糖類產(chǎn)酸,酸度低說(shuō)明乳酸菌沒(méi)有很好的生長(zhǎng)。由圖3可知,隨著接種量的增加,酸度呈上升趨勢(shì),到4%時(shí)達(dá)到最高,隨后有所降低,這是因?yàn)槿樗峋l(fā)酵要利用糖類等一些物質(zhì),接種量低時(shí),菌種不能完全利用糖類,接種量太高,糖類又不足,因此,只有接種量適宜時(shí),才能使糖類的利用發(fā)揮最大的效用。故選擇接種量為4%。
圖4 不同發(fā)酵溫度對(duì)酸豆乳酸度的影響Fig.4 Effect of fermentation temperature on the acidity of fermented soybean milk
由圖4可以看出,27~39℃范圍內(nèi)隨著發(fā)酵溫度的升高,酸度逐漸升高,之后酸度開(kāi)始降低,33℃和36℃時(shí)酸度基本相同,39℃時(shí)酸度達(dá)到最高,但33℃時(shí)感官較好,且優(yōu)考慮到植物乳桿菌的最適生長(zhǎng)溫度是30~35℃,所以確定33℃為最佳發(fā)酵溫度。
圖5 不同發(fā)酵時(shí)間對(duì)酸豆乳酸度的影響Fig.5 Effect of fermentation time on the acidity of fermented soybean milk
發(fā)酵時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)于酸豆乳的工廠化生產(chǎn)有很大的影響,時(shí)間越短,可以更有效的節(jié)省資源。由圖5可見(jiàn),隨著發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng),酸度逐漸升高,8h和12h時(shí)酸度都較高,故確定8h為最佳發(fā)酵時(shí)間。
在單因素試驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上,確定豆水比為1:8,乳糖添加量為3g/100mL的條件下,進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì),結(jié)果見(jiàn)表4。
表4 響應(yīng)曲面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 4 Response surface central composite design matrix and experimental results
用Design Expert 7.0軟件對(duì)表8中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得出4個(gè)影響因素與黏度、酸度、感官3個(gè)響應(yīng)值之間的二次回歸方程:
黏度模型的P<0.0001,說(shuō)明方差模型達(dá)到顯著,失擬項(xiàng)P=0.0086<0.05,說(shuō)明模型擬合顯著,模型的總決定系數(shù)R2達(dá)0.9472,表明響應(yīng)值的變化有94.72%來(lái)自所選因素;AB對(duì)黏度的交互作用顯著。
酸度模型的P=0.0153<0.05,說(shuō)明方差模型達(dá)到顯著,失擬項(xiàng)P=0.183>0.05,說(shuō)明模型擬合不顯著,模型的擬合程度很好。模型的總決定系數(shù)R2達(dá)0.7704,表明響應(yīng)值的變化有77.04%來(lái)自所選因素;BC對(duì)酸度的交互作用顯著。
感官模型的P=0.006<0.05,說(shuō)明方差模型達(dá)到顯著,失擬項(xiàng)P=0.0838>0.05,說(shuō)明模型擬合不顯著,模型的擬合程度很好。模型的總決定系數(shù)R2達(dá)0.8673,表明響應(yīng)值的變化有86.73%來(lái)自所選因素;BD對(duì)感官的交互作用顯著。
圖6 碳源和接種量交互影響?zhàn)ざ鹊捻憫?yīng)曲面Fig.6 Response surface plot illustrating the interactive effects of inoculum amount and carbon source amount on the viscosity of fermented soybean milk
圖7 發(fā)酵時(shí)間和接種量交互影響酸度的響應(yīng)曲面Fig.7 Response surface plot illustrating the interactive effects of fermentation time and inoculum amount on the acidity of fermented soybean milk
由圖6可以看出,隨著接種量和碳源的增加,黏度先增高后下降,其中碳源下降的較快;由等高線圖可以看出,碳源相對(duì)于接種量等高線陡峭說(shuō)明碳源對(duì)黏度的影響較接種量更顯著。由圖7可以看出,當(dāng)接種量在3%~4%范圍時(shí)酸度隨接種量的增加先升高后降低,當(dāng)接種量在4%~5%時(shí)酸度隨接種量的增加逐漸降低。由等高線圖可以看出發(fā)酵時(shí)間相對(duì)于接種量等高線陡峭,說(shuō)明發(fā)酵時(shí)間對(duì)酸度的影響更顯著。由圖8可以看出,隨著接種量和發(fā)酵溫度的增加,感官分值先增高后下降,由等高線可以看出碳源相對(duì)于接種量等高線較陡峭說(shuō)明碳源對(duì)感官影響更顯著。
圖8 發(fā)酵溫度和接種量交互影響感官評(píng)價(jià)值的響應(yīng)曲面Fig.8 Response surface plot illustrating the interactive effects of fermentation temperature and inoculum amount on the sensory score of fermented soybean milk
根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)所得結(jié)果和二次多項(xiàng)式方程,利用Design-Expert軟件計(jì)算出最佳條件選擇:蔗糖添加量4.39g/100mL、接種量3.89%、發(fā)酵時(shí)間8.08h、發(fā)酵溫度32.83℃,為了便于操作將上述條件參數(shù)修訂為蔗糖4g/100mL、接種量4%、發(fā)酵時(shí)間8h、發(fā)酵溫度33℃,在此最佳條件下,酸豆乳黏度3021.5mPa·s、酸度47.13oT、感官得分86分,菌落總數(shù)1.2×109CFU/mL。根據(jù)軟件給出的最優(yōu)條件進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),黏度為3589.1mPa·s,酸度為48.88oT,感官得分為86,菌落總數(shù)1.2×109CFU/mL,與軟件給出的結(jié)果較為吻合,可見(jiàn)該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法可靠高效。
大豆在國(guó)內(nèi)占有大量的比例,易于獲得,價(jià)格相對(duì)于牛乳較低,如果能夠采用發(fā)酵法生產(chǎn)一種類似于酸乳的乳酸菌發(fā)酵豆乳產(chǎn)品,將會(huì)給人們生活帶來(lái)極大好處。關(guān)于乳酸菌發(fā)酵生產(chǎn)酸豆乳,前人也已經(jīng)做過(guò)很多研究。至于發(fā)酵豆乳用的乳酸菌,發(fā)現(xiàn)泡菜里面有些乳酸菌能夠有效利用植物中的成分使之產(chǎn)酸,在國(guó)內(nèi)泡菜資源也很豐富,而且微生物結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,廣泛存在著優(yōu)良的乳酸菌,可以作為分離篩選優(yōu)良菌種的來(lái)源,泡菜中主要存在著植物乳桿菌、短乳桿菌、腸膜明串珠菌、戊糖片球菌。
植物乳桿菌廣泛存在于泡菜中,是一種安全無(wú)公害的有益菌種。考慮到大豆和泡菜原料均為植物性原料,因此有一定的發(fā)酵相似性。植物乳桿菌在發(fā)酵豆乳上具有其他均無(wú)法比擬的優(yōu)越性,它既可以高效率的利用乳糖轉(zhuǎn)化為乳酸,又可以利用乳清中的殘余蛋白質(zhì)[16]。
通過(guò)單因素試驗(yàn)和響應(yīng)曲面試驗(yàn),最后確定利用植物乳桿菌發(fā)酵不添加任何輔料的大豆乳的最佳工藝配方是:乳糖加量3g/100mL、蔗糖添加量4g/100mL、接種量4%、發(fā)酵時(shí)間8h、發(fā)酵溫度33℃。采用該菌種發(fā)酵豆乳具有一定的優(yōu)越性,無(wú)論是在產(chǎn)酸、產(chǎn)黏,還是菌落總數(shù)上都好于其他菌株。
賀曉光等[17]采用從市售酸奶和自制泡菜中分離的乳酸菌進(jìn)行豆乳發(fā)酵,在36℃條件下發(fā)酵需要24h才可以發(fā)酵完全,而本實(shí)驗(yàn)中只需33℃發(fā)酵8h即可。大大縮短了發(fā)酵時(shí)間,有利于生產(chǎn)工藝的進(jìn)行。劉希山等[18]采用嗜熱鏈球菌和嗜酸乳桿菌混合培養(yǎng)發(fā)酵豆乳,其黏度最高可達(dá)到2200mPa·s,本實(shí)驗(yàn)采用植物乳桿菌發(fā)酵,酸豆乳黏度可達(dá)3589.1mPa·s。Kamaly[19]采用雙歧桿菌發(fā)酵豆乳,發(fā)酵結(jié)束后酸豆乳的菌落總數(shù)在107~108個(gè)數(shù)量級(jí),與本實(shí)驗(yàn)酸豆乳中的菌落總數(shù)為108~109個(gè)數(shù)量級(jí)基本一致,并且雙歧桿菌發(fā)酵時(shí)要求嚴(yán)格厭氧,操作要求嚴(yán)格不利于大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn),而植物乳桿菌是兼性厭氧菌,有利于工業(yè)化生產(chǎn)。
通過(guò)本實(shí)驗(yàn)研究,證明植物乳桿菌在發(fā)酵豆乳上確實(shí)具有良好的特性,尤其是在產(chǎn)黏上遠(yuǎn)好于其他菌株。前人的研究結(jié)果均表明利用植物乳桿菌生產(chǎn)出一種高黏度發(fā)酵豆乳是切實(shí)可行的。
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Optimization of Fermentation Conditions for Viscosity-producingLactobacillus plantarumto Prepare Soybean Milk
LI Cheng-cheng,CHEN Xiao-hong,JIANG Mei,DONG Ming-sheng*
(College of Food Science and Technology, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China)
TS201.3
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1002-6630(2010)17-0201-05
2010-04-19
國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目(2007AA10Z354);江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新項(xiàng)目(CX(08)113)
李程程(1985—),女,碩士研究生,研究方向?yàn)槭称肺⑸锱c生物技術(shù)。E-mail:lichengcheng1162@sina.com
*通信作者:董明盛(1961—),男,教授,博士,研究方向?yàn)槭称肺⑸锱c生物技術(shù)。E-mail:dongms@njau.edu.cn