一種瑪卡發(fā)酵飲料的工藝設(shè)計

(棗莊學(xué)院　山東　棗莊　277000)

一、前言

(一)瑪卡的概況

瑪卡(Lepidium meyenii Walp.(Maca))屬于十字花科(Cruciferae或Brassicaceae)獨(dú)行菜屬(Lepidium)的一種植物。葉子呈橢圓形，根莖形似小圓蘿卜，營養(yǎng)成分非常豐富，是一種純天然食品。原產(chǎn)地是位于南美的海拔距離3500-4500米的安第斯山區(qū)，現(xiàn)如今主要分布在秘魯東南部城市Puno和Puna生態(tài)區(qū)，有紅、白、黃、黑、紫5種類型。目前，瑪卡作為保健食品已獲得包括美國食品和藥物管理局在內(nèi)的多個世界各發(fā)達(dá)國家的相關(guān)部門認(rèn)證，我國原衛(wèi)生部也在2011年批準(zhǔn)瑪卡粉作為新型保健食品。自20世紀(jì)60年代初，關(guān)于瑪卡化學(xué)成分的研究日益增多，分析內(nèi)容也逐步系統(tǒng)化。據(jù)科學(xué)家分析，瑪卡含有近59 %的碳水化合物、10 %左右的蛋白質(zhì)、8.5 %的纖維素和含量不高的脂類化合物，以及高含量的礦質(zhì)營養(yǎng)元素(如碘、鐵、鉀、鎂、鈉和鈣等)，多種維生素(Vb1、Vb2、Vb12、Ve和Vc等)。此外，瑪卡塊莖中含有瑪卡酰胺、瑪卡烯、生物堿、芥子油苷、類固醇等主要次生代謝物。

(二)瑪卡的研究現(xiàn)狀

1.能夠減輕負(fù)擔(dān)，緩解自身焦慮

瑪卡中的活性物質(zhì)比如瑪卡酰胺等對人體頭部的腦垂體能夠產(chǎn)生直接影響，具有適應(yīng)原樣的作用，在釋放壓力、緩解不良情緒、提高腦運(yùn)動能力、提高人自身睡眠質(zhì)量、保存體力等方面有顯著的作用。

2.能提高人體免疫力

據(jù)科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，瑪卡能十分顯著地降低疲勞小鼠血清中尿素的產(chǎn)生，增加小鼠肝糖原的儲備量，對小鼠運(yùn)動中血乳酸上升也顯示出突出的抑制作用，并對小鼠運(yùn)動后血乳酸消除促進(jìn)作用十分明顯。

3.可以增強(qiáng)體力，抗疲勞

瑪卡塊莖中富含多種氨基酸，其中本身包含的支鏈氨基酸可以有效減輕人體因運(yùn)動產(chǎn)生的肌肉疲勞；微量元素鋅有助于人體神經(jīng)內(nèi)分泌激素水平調(diào)節(jié)，提高抗疲勞能力；瑪卡塊莖中?；撬岷渴重S富，而且?；撬釋χ惖奈沼休^強(qiáng)效果，可以增強(qiáng)心肌運(yùn)動能力。

4.能夠調(diào)節(jié)內(nèi)分泌，延緩身體衰老，調(diào)節(jié)性功能的作用

瑪卡中所含有的多種生物堿對于人體的內(nèi)分泌調(diào)節(jié)均具有顯著作用；含有的甾醇和皂苷是多種激素的前體物質(zhì)；對調(diào)節(jié)內(nèi)分泌起作用的芥子油苷和異硫氰酸芐脂在瑪卡中含量豐富，可以使中老年人身體的內(nèi)分泌系統(tǒng)保持較穩(wěn)定狀態(tài)，身體組織的衰老速度也會放緩?，斂▔K莖中特有的瑪卡烯與瑪卡酰胺這兩種生物活性物質(zhì)，可以有效地改善男女性功能，所含前列腺素和固醇對性荷爾蒙的分泌起到一定程度的調(diào)節(jié)與協(xié)助的功效，使人體分泌的性激素趨于正常狀態(tài)。

(三)乳酸發(fā)酵飲料的發(fā)展?fàn)顩r

1.乳酸菌發(fā)酵飲料的種類

近年來，乳酸菌發(fā)酵飲料深受人們的喜愛。不僅與其獨(dú)特的風(fēng)味、老少皆宜的口感有關(guān)，更重要的是乳酸發(fā)酵飲料具有較高的營養(yǎng)價值和保健作用。從而導(dǎo)致諸多學(xué)者對乳酸發(fā)酵飲料的研究日益增多，乳酸發(fā)酵飲料的種類也隨之增多。根據(jù)國家對于蛋白質(zhì)含量不同的標(biāo)準(zhǔn)，可分為乳酸菌乳飲料和乳酸菌飲料。從飲料的組織形態(tài)上分為凝固型和攪拌型發(fā)酵飲料。從生產(chǎn)工藝上又分為分批式和連續(xù)式。

2.乳酸菌發(fā)酵飲料的發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)今社會，人們消費(fèi)水平的提高，人們的目光越來越多的聚焦到飲食健康和人體健康這兩個方面。乳酸菌作為一種對人體有益的菌，把其加入食品中加工成對人體有益的保健食品以成為全世界保健食品行業(yè)的焦點(diǎn)話題。但是乳酸菌應(yīng)該符合下列條件：對正常人腸上皮細(xì)胞具有吸附性，能夠在人體消化道固定繁殖；產(chǎn)生抗菌物質(zhì)；對致癌物具有拮抗作用；具有抗胃酸和膽汁酸鹽能力；具有安全性；臨床證實對健康有效。國外的乳酸發(fā)酵飲料已經(jīng)拓展到果蔬型和稻谷物型乳酸發(fā)酵飲料等多個品種，這標(biāo)志著乳酸菌發(fā)酵的原料范圍不只局限在乳制品，原料的選擇可以多樣化。而且在歐美其他國家的乳酸發(fā)酵制品已經(jīng)占總?cè)橹破返慕^大部分，但是在國內(nèi)的占有率卻十分有限。這表明我國的發(fā)酵產(chǎn)品具有一定的發(fā)展空間，潛力巨大。

(四)實驗的目的及意義

瑪卡是一種非常獨(dú)特的高原農(nóng)作物，含有對身體有益的多種營養(yǎng)成分和具有諸多藥用成分，有強(qiáng)身健體、增強(qiáng)人體免疫力、緩解疲勞、提升男女生育能力等多種功效。從而逐漸被世界所關(guān)注、研究?，F(xiàn)如今，以瑪卡為原料生產(chǎn)的各種保健食品在歐美各國銷量一路走紅。

本實驗以瑪卡為主要原料，通過食用酒精浸提，用乳酸菌在適宜條件下發(fā)酵，在調(diào)配的單因素實驗基礎(chǔ)上進(jìn)行正交實驗優(yōu)化，以求獲得最佳的瑪卡發(fā)酵飲料制作工藝，這不僅對食品科學(xué)和工藝有著很重要的參考價值，還可以提升瑪卡的附加值。并對本實驗進(jìn)行工藝的設(shè)計、物料衡算、熱料衡算和設(shè)備的選擇。

二、實驗方案

(一)實驗結(jié)果

1.單因素實驗結(jié)果分析

1.1槐花蜂蜜添加量對瑪卡飲料的影響

在發(fā)酵液添加量30 %、檸檬酸添加量0.3 %、鮮橙多香精0.5 %的基礎(chǔ)上，按照4.0 %、5.0 %、6.0 %、7.0 %、8.0 %的比例加入到瑪卡發(fā)酵液后，感官評定：由圖2-1可以看出，槐花蜂蜜在添加量為6 %時口感和質(zhì)地最佳，繼續(xù)添加蜂蜜時，甜味和酸味比例失衡。因此確定槐花蜂蜜的添加量為5.0 %～7.0 %為優(yōu)化的考查范圍。

1.2 檸檬酸的添加量對瑪卡飲料的影響

在發(fā)酵液添加量30 %、蜂蜜添加量6 %、鮮橙多香精0.5 %的基礎(chǔ)上，按照0.1 %、0.2 %、0.3 %、0.4 %、0.5 %的比例加入瑪卡發(fā)酵液后，感官評定：由圖2-2可以看出，檸檬酸的添加量在0.3%時口感最佳，酸度適宜，有瑪卡特有的淡淡的味道，繼續(xù)添加檸檬酸時，則酸甜味道的比例失衡。因此確定檸檬酸的添加量為0.2 %～0.4 %為優(yōu)化的考查范圍。

1.3 鮮橙多香精的添加量對瑪卡飲料的影響

在發(fā)酵液添加量30 %、蜂蜜添加量6 %、檸檬酸0.3 %的基礎(chǔ)上，按照0.3 %、0.4 %、0.5 %、0.6 %、0.7 %的比例加入瑪卡發(fā)酵液好后，感官評定：鮮橙多香精添加量在0.5 %時風(fēng)味最佳，香氣適宜，繼續(xù)添加時，則香精的味道過重，掩蓋了原有瑪卡的香氣。因此確定鮮橙多香精的添加量為0.4 %～0.6 %為優(yōu)化的考查范圍。

2. 配方的確定

由調(diào)配的單因素實驗分析結(jié)果得到瑪卡發(fā)酵飲料的最佳配方為槐花蜂蜜添加量為6.0 %，檸檬酸添加量為0.3 %，鮮橙多香精的添加量為0.5 %。在此最佳配方下進(jìn)行的正交試驗結(jié)果分析所得，三個因素對調(diào)配方案的指標(biāo)影響程度依次為檸檬酸的添加量、蜂蜜的添加量、香精的添加量。

三、工程設(shè)計

(一)物料衡算

云南瑪卡作為一種一年一熟的高原作物，因其收獲次數(shù)的特殊性而受到限制導(dǎo)致瑪卡發(fā)酵飲料只能作為一種季節(jié)性的飲料產(chǎn)品。故本次以云南會澤地區(qū)的瑪卡成熟季節(jié)12月份來生產(chǎn)，以月產(chǎn)40噸瑪卡發(fā)酵飲品，每月工作20天進(jìn)行計算。

1. 瑪卡發(fā)酵飲品的配方

瑪卡提取液15.0 %，蜂蜜添加量為6.0 %，檸檬酸添加量為0.3 %，鮮橙多香精0.5 %，CMC-Na添加量為0.03 %，乳酸菌接種量為3.0 %，水添加量75.0 %。

2.瑪卡發(fā)酵飲品的物料衡算

瑪卡用量：瑪卡發(fā)酵飲料月產(chǎn)40噸，月消耗瑪卡：40 000kg×15%×15%=900 kg。將瑪卡粉碎成粉末質(zhì)量耗損為6.0 %，則需要瑪卡原料為954 kg。

班產(chǎn)瑪卡發(fā)酵飲料2 000 kg為計算單位：

(1)設(shè)定裝瓶過程中工藝損失為1.0%，則裝瓶損失前的物料量為

2 000÷0.99=2 020.20 kg

蜂蜜占6.0 %，即2 020.20×8%=161.61 kg

檸檬酸占0.3 %，即2 020.20×0.3%=6.06 kg

鮮橙多香精占0.5 %，即2 020.20×0.5%=10.10 kg

發(fā)酵劑占3.0 %，即2 020.20×3.0%=60.60 kg

則混合配料前的物料量為：

2 020.20-161.61-6.06-10.10=1 842.43 kg

(2)設(shè)定發(fā)酵過程的工藝損失為0.3 %，則發(fā)酵損失前的物料量為：

1 842.43÷0.97-60.60=1 781.83 kg

(3)設(shè)定冷卻過程的工藝損失為0.1 %，則冷卻損失前的物料量

1 781.83÷0.99=1 799.82 kg

(4)設(shè)定殺菌過程的工藝損失為0.2 %，則殺菌損失前的物料量為

1 799.82÷0.98=1 836.55 kg

(5)設(shè)定浸提過程中提取率為15.0 %，則浸提前的物料量為

1 886.69×0.15=275.4 kg

(6)設(shè)定過濾過程中工藝耗損為0.082 %，則過濾前的物料量為

275.4÷0.918=300.0 kg

(7)與30%食用酒精混合的比例為1：3，則混合前所需的瑪卡原料為

300.0×0.25=75.0 kg

則生產(chǎn)2000kg成品飲料需總物料量為：

75.0+161.61+6.06+10.10+60.60=313.37 kg

其中瑪卡粉末75.0 kg，蜂蜜161.61 kg，檸檬酸6.06 kg，鮮橙多食用香精10.10 kg，乳酸菌60.60 kg。

3.包裝衡算

已知瑪卡發(fā)酵飲料月產(chǎn)40噸，每月生產(chǎn)瑪卡發(fā)酵飲料的工作日20天，設(shè)定一天為一班制，每班工作時間為8小時。

故全月成產(chǎn)瑪卡發(fā)酵飲料班次：20×1=20 班次

每班次生產(chǎn)量=Q÷K=40÷20=2 t/班

每小時生產(chǎn)量=Q÷h=40÷(20×8)=0.25 t/h=250 kg/h

按每瓶0.25kg計算，每千克飲品消耗飲料瓶=1÷0.25=4 瓶

每班消耗用飲料包(包/班)=單位飲品消耗包裝飲料瓶×班產(chǎn)量×(1+0.1%耗損率)=4×250×8×1.1=8 800 包/班

采用PET食品飲料瓶包裝，采用紙箱裝箱，每箱20包，箱數(shù)為

8 800÷20=440箱

(二)設(shè)備選型

設(shè)備選型應(yīng)符合加工工藝要求,應(yīng)將物料衡算作為衡量的標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)備選型的好壞直接影響產(chǎn)品質(zhì)量的高低，是體現(xiàn)生產(chǎn)水平的標(biāo)準(zhǔn)而且必須充分利用廠區(qū)空間。設(shè)備選型為動力配電、水、汽用量計算提供依據(jù)。選取的設(shè)備盡可能具備高程度的機(jī)械化和自動化，節(jié)約人工勞動，符合衛(wèi)生要求。對于生產(chǎn)中關(guān)鍵設(shè)備除按實際生產(chǎn)能力所需的臺數(shù)配備外，還應(yīng)考慮備用設(shè)備。若幾種產(chǎn)品都需要的共同 設(shè)備，應(yīng)按處理量最大的品種所需的臺數(shù)確定。

(三)熱量衡算

1.用水量衡算

生產(chǎn)車間用水主要是清洗瑪卡、加水浸提、飲料調(diào)配、冷卻用水、清洗設(shè)備和地面等，其中清洗瑪卡用自來水，生產(chǎn)用水均采用經(jīng)處理過后的自來水。

①清洗瑪卡：每班需要對75 kg干瑪卡進(jìn)行清水沖洗，設(shè)定1 kg干瑪卡需要10 kg進(jìn)行清洗，清洗瑪卡用水量W1=75.0×10=750 kg

②加水浸提：W2=30 %食用酒精稀釋所用的凈化水為(75×9)-(75×9×0.3÷0.95)=462 kg

③飲料調(diào)配：生產(chǎn)2 000 kg瑪卡發(fā)酵飲料，其中純凈水的比例為75 %，W3= 2 000×0.75=1 500 kg

④冷卻用水：班產(chǎn)飲料2 000 kg，冷卻用水4 000 kg

⑤設(shè)備清洗：

式中：d-清洗設(shè)備進(jìn)水管的內(nèi)徑(m)

v-水在管道內(nèi)的流速(m/s)

t-清洗設(shè)備使用時間(s)

ρ-水的密度(kg/m3)

根據(jù)食品工業(yè)用水標(biāo)準(zhǔn)，取車間內(nèi)水管的內(nèi)徑=70 mm，v=2.5 m/s，主要設(shè)備每次用后都要清洗，每班2次，5分鐘每次，耗時2×5=10分鐘，而發(fā)酵罐每班清洗約20分鐘，加上其他設(shè)備約20分鐘，所以估算耗時=10+20+20=50 min=3 000 s

⑥沖洗地面用水量：沖洗地面耗水量W5：一般情況下，每平方米地面用50kg，車間總面積1000m2。因此地面清洗用水為W5=50×1000=50 000kg

綜上所述：每班總耗水W=85 569.9 kg

2.用電衡算

工廠的實際運(yùn)行需要供電支持，因此應(yīng)對該工廠用電設(shè)備的實際耗電量進(jìn)行統(tǒng)計計算。計算方法驟如下(以班產(chǎn)量計算)：

① 根據(jù)全設(shè)備功率估計用電量，設(shè)定設(shè)備使用率75 %，則設(shè)備總用電量：E1=100.54×0.75×8=603.24 kw·h

② 采光不足或夜間時照明用電，若按5 w/m2計算，則照明用電E2=1 000×5×8=40 kw·h

故總用電量為643.24 kw·h。

結(jié)語

本產(chǎn)品是一種乳酸發(fā)酵飲料，依靠乳酸菌發(fā)酵產(chǎn)生多種益于人體的氨基酸、維生素、酶，以此來提高發(fā)酵制品的營養(yǎng)價值。作為一種飲品，國內(nèi)以瑪卡為主原料進(jìn)行發(fā)酵研制飲料的工藝并不多見，多以輔料進(jìn)行添加，進(jìn)而生產(chǎn)有瑪卡風(fēng)味的果酒、奶昔等產(chǎn)品，或僅進(jìn)行瑪卡粉的生產(chǎn)，產(chǎn)品較為單一，開發(fā)市場十分巨大。本次瑪卡發(fā)酵飲品的開發(fā)，不僅能夠使瑪卡的生物成分較充分的利用，而且通過調(diào)配將瑪卡濃郁的味道進(jìn)行稀釋到是消費(fèi)者能夠接受的程度。該產(chǎn)品的出現(xiàn)，對國內(nèi)瑪卡市場的開拓影響必定不俗。