響應(yīng)面法優(yōu)化鲊?yán)苯返陌l(fā)酵工藝

白 娟，張 瑤，汪雪瑞，王若塵，薛栓栓，王承明*

（華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430070）

鲊?yán)苯酚址Q鲊胡椒、鲊金椒、鲊海椒、鲊廣椒，它是鄂、湘、黔、川等地區(qū)的一種傳統(tǒng)特色蔬菜發(fā)酵食品[1]，由鮮紅辣椒和米粉，加適量食鹽、生姜等輔料混合拌勻液封固態(tài)發(fā)酵而成，既可單獨(dú)成菜，也可加工成鲊菜[1]。因其顏色鮮艷、香氣濃郁、風(fēng)味獨(dú)特，具有促進(jìn)消化、增加食欲及保存時(shí)間長(zhǎng)而深受人們的喜愛(ài)。

鲊?yán)苯诽岣吡水a(chǎn)品營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，增加發(fā)酵食品種類，同時(shí)為辣椒和糧食作物的開(kāi)發(fā)利用提供新渠道。目前，鲊?yán)苯分谱鞣椒ㄒ宰鞣皇缴a(chǎn)為主，發(fā)酵周期長(zhǎng)，品質(zhì)不穩(wěn)定，嚴(yán)重阻礙鲊?yán)苯饭I(yè)化生產(chǎn)[2]，需對(duì)鲊?yán)苯分谱鞴に囘M(jìn)行改進(jìn)和完善。類似辣椒制品有初加工制品[3]如干辣椒，辣椒深加工制品如辣椒堿[4-7]、辣椒色素[8-10]以及提取辣椒籽油[11-14]等，類似米粉制品有發(fā)酵米粉[15-18]、方便米粉[19-20]等，類似的鲊?yán)苯酚胁糠盅芯縖21-27]。但鲊?yán)苯钒l(fā)酵工藝條件的研究鮮有報(bào)道。

本研究通過(guò)單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)，優(yōu)化大米粉鲊?yán)苯钒l(fā)酵工藝條件，為鲊?yán)苯返墓I(yè)化生產(chǎn)提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

1.1.1 材料

新鮮紅辣椒、秈米、生姜、大蒜：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)附近中百超市；食鹽：湖北藍(lán)天食鹽有限公司。

1.1.2 試劑

氫氧化鈉、甲醛溶液（分析純）：國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

BS 224S分析天平：賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司；FE20-Five EasyTM pH計(jì)：梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；KX-200型高速多功能粉碎機(jī)：浙江武義鼎藏日用金屬制品廠；C21-RK2102多功能電磁爐：廣東美的生活電器制造有限公司；SPX-150BⅢ生化培養(yǎng)箱：中國(guó)泰斯特儀器有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 鲊?yán)苯分谱鞴に嚵鞒碳安僮饕c(diǎn)

操作要點(diǎn)：按鲊?yán)苯穫鹘y(tǒng)發(fā)酵工藝，將洗干凈的紅辣椒切成大小為5 mm×5 mm小塊，生姜、大蒜切成大小為3 mm×3 mm的小塊，秈米粉碎過(guò)篩制得米粉，再將辣椒預(yù)腌1 h，將經(jīng)預(yù)腌的辣椒和少量生姜、大蒜等輔料混合后，加米粉，攪拌均勻后放入發(fā)酵罐中，將罐口用稻草固定，倒置液封，進(jìn)行發(fā)酵。

1.3.2 指標(biāo)測(cè)定方法

理化指標(biāo)的測(cè)定：pH值測(cè)定：pH計(jì)測(cè)定；總酸測(cè)定：中和滴定法，以乳酸計(jì)；氨基酸態(tài)氮測(cè)定：甲醛滴定法。

感官評(píng)分：加入10%（以樣品總質(zhì)量計(jì)）食用油，將200 g鲊?yán)苯烦粗瞥山瘘S色顆粒即可。從已接受食品感官評(píng)定基本知識(shí)培訓(xùn)的食品專業(yè)20名學(xué)生進(jìn)行鲊?yán)苯穼徳u(píng)標(biāo)準(zhǔn)及方法的培訓(xùn)，篩選5名男生、5名女生評(píng)價(jià)員進(jìn)行感官評(píng)分，采用100分制，取平均分作為最終評(píng)分[23]，感官評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 鲊?yán)苯犯泄僭u(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Sensory evaluation standards of preserved pepper

1.3.3 鲊?yán)苯钒l(fā)酵工藝優(yōu)化單因素試驗(yàn)

考察辣椒與米粉質(zhì)量比（1.0∶2.0、1.0∶1.5、1.0∶1.0、1.5∶1.0、2.0∶1.0）、發(fā)酵時(shí)間（0、5 d、10d、15 d、20 d）、發(fā)酵溫度（20 ℃、25℃、30℃、35℃、40℃）、米粉粒度（＜10目、10目、20目、40目、60目）和食鹽含量（以辣椒和米粉的總質(zhì)量計(jì)）（0、1%、3%、5%、7%）對(duì)鲊?yán)苯钒l(fā)酵品質(zhì)的影響，通過(guò)測(cè)定鲊?yán)苯穚H值、總酸、氨基酸態(tài)氮和感官評(píng)分來(lái)反映鲊?yán)苯返陌l(fā)酵規(guī)律。單因素試驗(yàn)運(yùn)用控制變量法，基本條件為辣椒與米粉質(zhì)量比1.0∶1.0、發(fā)酵時(shí)間10 d、發(fā)酵溫度30 ℃、米粉粒度20目、食鹽含量5%、生姜6%、大蒜5%。

1.3.4 鲊?yán)苯钒l(fā)酵工藝優(yōu)化響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用Design Expert 10根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，以辣椒∶米粉（g∶g）（A）、發(fā)酵時(shí)間（B）、發(fā)酵溫度（C）、米粉粒度（D）為4個(gè)影響因素，以感官評(píng)分（Y）為響應(yīng)值，采用響應(yīng)面法進(jìn)行中心組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)，因素與水平見(jiàn)表2。

表2 Box-Behnken設(shè)計(jì)試驗(yàn)因素與水平Table 2 Factors and levels of Box-Behnken experiments design

1.3.5 數(shù)據(jù)處理

每組試驗(yàn)進(jìn)行3次平行，響應(yīng)面數(shù)據(jù)用軟件Design Expert 10分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 鲊?yán)苯钒l(fā)酵工藝條件單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 辣椒與米粉質(zhì)量比對(duì)鲊?yán)苯钒l(fā)酵品質(zhì)的影響

表3 辣椒與米粉質(zhì)量比對(duì)鲊?yán)苯菲焚|(zhì)的影響Table 3 Effect of the mass ratio of pepper and rice flour on the quality of preserved pepper

由表3可知，當(dāng)辣椒∶米粉為1.0∶2.0、1.0∶1.5（g∶g）時(shí)，辣椒含量較低，體系水分含量較少，不利于微生物發(fā)酵，發(fā)酵效果較差，故pH值較高，總酸、氨基酸態(tài)氮及感官評(píng)分較低；當(dāng)辣椒∶米粉為1.0∶1.5、1.5∶1.0（g∶g）時(shí)，隨辣椒含量的增多，體系中水分含量適中，發(fā)酵效果增強(qiáng)，此范圍內(nèi)辣椒相對(duì)較少，辣味適中，鲊?yán)苯凤L(fēng)味及口感占優(yōu)勢(shì)，故pH值較低，總酸、氨基酸態(tài)氮含量及感官評(píng)分較高；當(dāng)辣椒∶米粉為1.5∶1.0、2.0∶1.0（g∶g）時(shí)，辣椒含量較高，體系中水分含量較高，發(fā)酵效果增強(qiáng)，故pH值最低，總酸和氨基酸態(tài)氮含量最高，說(shuō)明辣椒主要作用是為發(fā)酵提供水分，對(duì)厭氧發(fā)酵菌抑制性較小，但此時(shí)辣椒含量較多辣味較重，氣味刺鼻，掩蓋了發(fā)酵產(chǎn)生的風(fēng)味，感官評(píng)分較低。綜上所述，鲊?yán)苯钒l(fā)酵最佳的辣椒∶米粉為1.0∶1.0（g∶g）。

2.1.2 發(fā)酵時(shí)間對(duì)鲊?yán)苯钒l(fā)酵品質(zhì)的影響

由表4可知，隨發(fā)酵時(shí)間在0～20 d范圍延長(zhǎng)，微生物利用米粉發(fā)酵產(chǎn)生代謝產(chǎn)物不斷累積，使pH值降低，總酸和氨基酸態(tài)氮升高，但對(duì)于感官評(píng)分而言，在發(fā)酵0～15 d，隨發(fā)酵時(shí)間延長(zhǎng)，代謝產(chǎn)物增加，鲊?yán)苯凤L(fēng)味物質(zhì)增加，因此感官評(píng)分逐漸增加，但發(fā)酵時(shí)間＞15 d之后，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，鲊?yán)苯钒l(fā)酵代謝產(chǎn)物累積量較多，酸性較強(qiáng)，對(duì)口感不利，此時(shí)感官評(píng)分降低。綜上所述，最佳發(fā)酵時(shí)間為15d。

表4 發(fā)酵時(shí)間對(duì)鲊?yán)苯菲焚|(zhì)的影響Table 4 Effect of fermentation time on the quality of preserved pepper

2.1.3 發(fā)酵溫度對(duì)鲊?yán)苯钒l(fā)酵品質(zhì)的影響

表5 發(fā)酵溫度對(duì)鲊?yán)苯菲焚|(zhì)的影響Table 5 Effect of fermentation temperature on the quality of preserved pepper

由表5可知，當(dāng)發(fā)酵溫度為20～30℃，隨溫度逐漸升高，微生物活性逐漸升高，發(fā)酵效果增強(qiáng)，發(fā)酵產(chǎn)物增多，故pH值降低，總酸、氨基酸態(tài)氮和感官評(píng)分隨之升高，當(dāng)發(fā)酵溫度＞30℃之后，隨溫度的升高，微生物活性逐漸減低，發(fā)酵受到抑制，代謝產(chǎn)物減少[24]，故pH值升高，總酸降低，氨基酸態(tài)氮升高，感官評(píng)分隨之降低，但降低程度比低溫時(shí)大，說(shuō)明高溫比低溫更不利于鲊?yán)苯返陌l(fā)酵。綜上所述，鲊?yán)苯纷罴寻l(fā)酵溫度為30℃。

2.1.4 食鹽含量對(duì)鲊?yán)苯钒l(fā)酵品質(zhì)的影響

表6 食鹽含量對(duì)鲊?yán)苯菲焚|(zhì)的影響Table 6 Effect of salt content on the quality of preserved pepper

由表6可知，當(dāng)食鹽含量為0～1%，微生物種類較多，代謝產(chǎn)物較多，故pH值較低，總酸含量和氨基酸態(tài)氮含量較高，但非發(fā)酵菌產(chǎn)生不良風(fēng)味，且口感極淡，故感官評(píng)分較低；當(dāng)食鹽含量為1%～5%，食鹽對(duì)微生物的抑制作用顯著增強(qiáng)，發(fā)酵效果減弱，故pH值升高，總酸和氨基酸態(tài)氮降低，此時(shí)咸味合適，對(duì)鲊?yán)苯返娘L(fēng)味及口感有利，感官評(píng)分較高；當(dāng)食鹽含量為5%～7%，食鹽含量較高，發(fā)酵效果較差，故pH值升高，總酸和氨基酸態(tài)氮降低，此時(shí)食鹽含量太高，對(duì)鲊?yán)苯房诟胁焕鸞25]。綜上所述，最佳食鹽含量為5%。

2.1.5 米粉粒度對(duì)鲊?yán)苯钒l(fā)酵品質(zhì)的影響

表7 米粉粒度對(duì)鲊?yán)苯菲焚|(zhì)的影響Table 7 Effect of particle size of rice flour on the quality of preserved pepper

由表7可知，當(dāng)米粉粒度＜10目時(shí)，大米顆粒組織完整，體系水分被米粉吸收較少，體系自由水含量較高，供微生物利用的水分含量相對(duì)較高[26]，故產(chǎn)酸較多，pH值較低、總酸含量較高，但米粉顆粒較大，太粗糙，對(duì)口感不利，感官評(píng)分較低；當(dāng)米粉粒度為10～20目時(shí)，隨米粉粒度的減小，微生物利用米粉發(fā)酵效果增加[27]，香氣增加，口感較好，故pH值降低，總酸、氨基酸態(tài)氮升高，感官評(píng)分升高；當(dāng)米粉粒度為20～60目時(shí)，隨米粉粒度的減小，此時(shí)米粉與水形成穩(wěn)定的糊狀溶液不利于微生物的發(fā)酵，因?yàn)榕c非水組分牢固結(jié)合的水不易被食品微生物生長(zhǎng)和化學(xué)水解反應(yīng)所利用[28]，故此時(shí)pH值升高，總酸和氨基酸態(tài)氮含量降低，且香氣減弱，易黏牙，感官評(píng)分較低，因此米粉粒度太小或太大均不利于鲊?yán)苯钒l(fā)酵。綜上所述，最佳米粉粒度為20目。

2.2 鲊?yán)苯钒l(fā)酵工藝條件的響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果

在單因素試驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上，以辣椒∶米粉（g∶g）（A）、發(fā)酵時(shí)間（B）、發(fā)酵溫度（C）、米粉粒度（D）為影響因素，產(chǎn)品感官評(píng)分（Y）為評(píng)價(jià)指標(biāo)，根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)，試驗(yàn)因素設(shè)計(jì)及結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 8 Design and results of Box-Behnken experiments

續(xù)表

利用Design-Expert 10軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元回歸擬合后，得到關(guān)于鲊?yán)苯犯泄僭u(píng)分對(duì)各影響因子的二次多項(xiàng)回歸模型方程為：

利用軟件對(duì)回歸模型進(jìn)行方差分析，模型中各系數(shù)顯著性檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表9。

由表9可知，該回歸模型P＜0.000 1，表明回歸模型效果極顯著，決定系數(shù)R2=0.919 4，說(shuō)明該模型能解釋91.94%響應(yīng)值的變化，失擬項(xiàng)均不顯著（P＞0.05）；變異系數(shù)（coefficient of variation，CV）為2.14%，在可接受的范圍內(nèi)；復(fù)相關(guān)系數(shù)越大，表明變量之間的線性相關(guān)程度越密切，該模型的調(diào)整復(fù)相關(guān)系數(shù)（R2Adj=0.838 8）接近于1，說(shuō)明變量間的線性相關(guān)程度密切。綜上所述，該試驗(yàn)結(jié)果可靠，可以用此回歸模型來(lái)分析預(yù)測(cè)鲊?yán)苯返淖罴寻l(fā)酵工藝條件，得到最佳發(fā)酵條件為辣椒∶米粉1.04∶1.0（g∶g）、發(fā)酵時(shí)間15.51 d、發(fā)酵溫度30.06℃、米粉粒度27.90目，此時(shí)感官評(píng)分預(yù)測(cè)值87分。考慮實(shí)際情況，將最佳條件修正為辣椒∶米粉1.0∶1.0（g∶g）、發(fā)酵時(shí)間15 d、發(fā)酵溫度30 ℃、米粉粒度20目。此最佳發(fā)酵條件發(fā)酵得到的鲊?yán)苯犯泄僭u(píng)分為89分，與預(yù)測(cè)值接近，且鲊?yán)苯犯泄僭u(píng)分影響作用的大小順序?yàn)槊追哿６龋―）＞辣椒∶米粉（g∶g）（A）＞發(fā)酵時(shí)間（B）＞發(fā)酵溫度（C），說(shuō)明米粉粒度和辣椒∶米粉對(duì)鲊?yán)苯钒l(fā)酵品質(zhì)影響較大。

表9 回歸模型方差分析結(jié)果Table 9 Variance analysis results of the regression model

圖1 辣椒與米粉質(zhì)量比、發(fā)酵時(shí)間、發(fā)酵溫度和米粉粒度對(duì)鲊?yán)苯犯泄僭u(píng)分影響的響應(yīng)面及等高線Fig.1 Response surface plots and contour line of effects of interaction between the mass ratio of pepper and rice flour,fermentation time,fermentation temperature and rice flour particle size on the sensory scores of preserved pepper

為考察各因素交互作用對(duì)鲊?yán)苯犯泄倨焚|(zhì)的影響，利用Design-Expert 10軟件對(duì)回歸方程進(jìn)行運(yùn)算，得出各交互項(xiàng)的響應(yīng)面及等高線，結(jié)果見(jiàn)圖1。

由圖1可知，響應(yīng)面曲面圖直觀反映各因素間的交互作用對(duì)響應(yīng)值影響的顯著程度，曲面圖越陡表示交互作用越強(qiáng)，曲面圖越平表示交互作用越弱。

3 結(jié)論

通過(guò)單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)，得到鲊?yán)苯穬?yōu)化發(fā)酵工藝條件參數(shù)：辣椒∶米粉為1.0∶1.0（g∶g），發(fā)酵時(shí)間為15 d，發(fā)酵溫度30℃，米粉粒度為20目，食鹽含量為5%，此條件發(fā)酵得到的鲊?yán)苯犯泄僭u(píng)分為89分，與預(yù)測(cè)值87分接近，誤差＜5%，故本試驗(yàn)建立的回歸模型準(zhǔn)確有效，試驗(yàn)擬合性較好，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。在此條件下發(fā)酵的鲊?yán)苯奉伾r艷，風(fēng)味濃郁，口感極佳。