響應(yīng)面法優(yōu)化益生菌發(fā)酵香蕉金針菇飲料的工藝研究

郗恩光,譚海生,楊勁松*,鞠雪莉,崔坤鵬,郭海陽,李曉雷

(1.海南大學(xué) 食品學(xué)院,海南 海口 570228;2.海南大學(xué) 材料與化工學(xué)院,海南 海口 570228)

香蕉(Musa nana Lour)為芭蕉科芭蕉屬植物,主要生長在熱帶地區(qū)。亞洲東南部國家種植較多,我國的臺(tái)灣、海南、廣東、廣西等地區(qū)均有栽培[1]。其果肉味香、營養(yǎng)豐富,還含有多種礦物質(zhì)元素及維生素[2]。香蕉味甘性寒,可清熱、解毒、潤腸、利尿、消腫,促進(jìn)腸胃蠕動(dòng),具有較高的食療價(jià)值和醫(yī)用價(jià)值,對于便秘、痔瘡出血癥等疾病具有良好的效果[3-5]。

金針菇(Flammulina velutiper)又稱樸菇、金菇、冬菇、毛柄金錢菌、構(gòu)菌等,隸屬擔(dān)子菌亞門層菌綱傘菌目口蘑科小火焰菌屬或金錢菌屬[6-7]。其含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì),具有較高的藥用價(jià)值和營養(yǎng)價(jià)值。金針菇多糖能抗癌、降低膽固醇[8-9];蛋白質(zhì)含量高且質(zhì)量好。金針菇還含有火菇素和構(gòu)菌蛋白原等抗腫瘤的蛋白類物質(zhì)[10-11];金針菇中含有18種氨基酸,其中8種人體必需氨基酸齊全[12],尤其是賴氨酸和精氨酸含量較高。

近年來,隨著人們生活水平的持續(xù)提高和消費(fèi)觀念的不斷改變,人們在飲食方面發(fā)生了很大的變化,對健康和營養(yǎng)日趨重視,在選擇食品時(shí)逐漸偏向于選擇營養(yǎng)更加全面、更加健康的食品,將香蕉和金針菇進(jìn)行搭配,既包含了香蕉中豐富的營養(yǎng)物質(zhì)及果香,又包含了金針菇中豐富的氨基酸及金針菇的清香,因其具有獨(dú)特風(fēng)味、芳香可口、營養(yǎng)豐富以及含有多種對人體有益的維生素而深受廣大消費(fèi)者的青睞,市場前景廣闊。因此,不斷研發(fā)新型乳酸發(fā)酵飲料已成為行業(yè)發(fā)展的一大趨勢。復(fù)合益生菌由多種益生菌組成,每種益生菌有不同的功效,將多種功效結(jié)合在一起的復(fù)合益生菌要優(yōu)于單種益生菌發(fā)酵。所以由復(fù)合益生菌發(fā)酵的香蕉金針菇飲料必將受到人們的青睞。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

香蕉、金針菇、蔗糖:市售;植物乳桿菌(Lactobacillus plantarum)HN1、J1,副酪乳桿菌(Lactobacillus paracasei)YLC92:海南大學(xué)食品學(xué)院實(shí)驗(yàn)室;MRS培養(yǎng)基:北京陸橋技術(shù)有限責(zé)任公司;羧甲基纖維素鈉(carboxymethylcellulose-Na,CMC-Na)、黃原膠、卡拉膠:浙江多味化工食品有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

SW-CJ-17-D超凈工作臺(tái):蘇州佳寶凈化工作設(shè)備有限公司;DHG-9203A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱:寧波江南儀器廠;SKP-01電熱恒溫培養(yǎng)箱:湖北省黃石恒豐醫(yī)療器械有限公司;PhS-3E型pH計(jì):上海雷磁儀器廠;PL303電子天平:梅特勒托利多儀器(儀器)有限公司;BCD-201D容聲冰箱:海信容聲(廣東)冰箱有限公司;MDF-382E(N)超低溫冰箱:日本三洋公司YM50FGN全自動(dòng)高壓滅菌鍋:上海滬譽(yù)貿(mào)易有限公司。

1.3 方法

1.3.1 香蕉金針菇飲料的工藝流程及操作要點(diǎn)

(1)香蕉汁的制備

香蕉去皮后切成1 cm小段,放入護(hù)色液(檸檬酸∶維生素C=2∶1)中,密封護(hù)色0.5 h[15-16]。將護(hù)色好的香蕉段于95℃熱水中熱燙5 min。將熱燙冷卻后的香蕉按規(guī)定料液比1∶2(g∶mL)進(jìn)行打漿,打漿0.5 min,將香蕉勻漿先過濾,再用循環(huán)水式真空泵抽濾得香蕉汁,備用。

(2)金針菇汁的制備

挑選新鮮的金針菇,清洗后按料液比為1∶2(g∶mL),加水煮沸5 min,以防止氧化褐變。將浸提液和金針菇置于打漿機(jī)中打漿2～3 min,打漿后將金針菇勻漿放入冰箱冷凍,解凍后將金針菇勻漿先用紗布過濾,再用循環(huán)水式真空泵抽濾得金針菇汁,備用[17]。

(3)殺菌:水浴85℃保溫5 min。

(4)冷卻至37℃接種。

(5)發(fā)酵:37℃恒溫發(fā)酵。

1.3.2 香蕉金針菇飲料發(fā)酵條件優(yōu)化單因素試驗(yàn)

分別考察香蕉金針菇汁配比(1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1(mL∶mL)),發(fā)酵劑接種量(HN1∶J1∶YLC92=1∶1∶1)(1%、2%、3%、4%、5%),蔗糖添加量(2%、4%、6%、8%、10%),發(fā)酵時(shí)間(4 h、8 h、12 h、16 h、20 h、24 h),發(fā)酵溫度(29℃、33 ℃、37℃、41℃、45℃)對香蕉金針菇飲料感官評分的影響。

1.3.3 香蕉金針菇飲料發(fā)酵條件優(yōu)化響應(yīng)面試驗(yàn)

依據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果,以香蕉金針菇汁配比(A)、發(fā)酵劑接種量(B)、蔗糖添加量(C)為3個(gè)因素,感官評分(Y)為響應(yīng)值,選擇采用Box-Behnken響應(yīng)面設(shè)計(jì)法進(jìn)行優(yōu)化[18-20]。響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平見表1。

表1 香蕉金針菇飲料發(fā)酵條件優(yōu)化響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平Table1 Factors and levels of response surface methodology for banana and Flammulina velutipes beverage fermentation conditions optimization

1.3.4 香蕉金針菇飲料穩(wěn)定性試驗(yàn)

分別考察CMC-Na添加量(0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%)、卡拉膠添加量(0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%)、黃原膠添加量(0.01%、0.02%、0.03%、0.04%、0.05%)對香蕉金針菇飲料感官品質(zhì)的影響。

1.3.5 測定方法

(1)乳酸含量:按照參考文獻(xiàn)[21]的方法進(jìn)行測定。

(2)感官評價(jià):由10名食品學(xué)院老師及同學(xué)依據(jù)感官評分標(biāo)準(zhǔn)表對飲料進(jìn)行感官評分,感官評分標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 香蕉金針菇飲料感官評分標(biāo)準(zhǔn)Table2 Sensory evaluation standards of banana and Flammulina velutipes beverage

(3)微生物指標(biāo):按照參考文獻(xiàn)[22]的方法進(jìn)行測定。

圖1 香蕉金針菇汁配比對飲料感官品質(zhì)的影響Fig.1 Effect of banana and Flammulina velutipes juice ratio on sensory quality of the beverage

2 結(jié)果與分析

2.1 發(fā)酵條件單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 香蕉金針菇汁配比對香蕉金針菇飲料感官品質(zhì)的影響

由圖1可以看出,香蕉金針菇飲料的感官評分隨主料香蕉汁比例的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢,當(dāng)香蕉金針菇汁配比為4∶1(mL∶mL)時(shí)感官評分最高,達(dá)到92分;香蕉金針菇飲料中乳酸的含量隨香蕉汁比例的增大呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢,當(dāng)香蕉金針菇汁配比為4∶1(mL∶mL)時(shí)乳酸的含量最高,達(dá)到7.2 g/L。當(dāng)香蕉汁的添加量逐漸增加時(shí),乳酸菌發(fā)酵營養(yǎng)物質(zhì)效率逐漸增高,同時(shí)乳酸的含量也逐漸增加,風(fēng)味逐漸濃郁;當(dāng)香蕉汁的添加量過量時(shí),乳酸菌不能有效的發(fā)酵香蕉汁中的營養(yǎng)物質(zhì),導(dǎo)致飲料的風(fēng)味較差和乳酸的含量較低。因此,最佳香蕉汁金針菇汁配比為4∶1(mL∶mL)。

2.1.2 發(fā)酵劑接種量對香蕉金針菇飲料感官品質(zhì)的影響

圖2 發(fā)酵劑接種量對飲料感官品質(zhì)的影響Fig.2 Effect of starter inoculum on sensory quality of the beverage

由圖2可以看出,香蕉金針菇飲料的感官評分隨發(fā)酵劑接種量的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢,當(dāng)接種量為4%時(shí)感官評分最高,達(dá)到93分;香蕉金針菇飲料的乳酸含量隨接種量的增加而增加,當(dāng)接種量＞4%之后,乳酸菌產(chǎn)生的乳酸也會(huì)過高,會(huì)嚴(yán)重影響飲料的口感風(fēng)味。因此,最佳的接種量為4%。

2.1.3 蔗糖添加量對香蕉金針菇飲料感官品質(zhì)的影響

圖3 蔗糖添加量對飲料感官品質(zhì)的影響Fig.3 Effect of sucrose addition on sensory quality of the beverage

由圖3可以看出,香蕉金針菇飲料的感官評分隨蔗糖添加量的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢,當(dāng)蔗糖添加量為6%時(shí)感官評分最高,達(dá)到92分;香蕉金針菇飲料中乳酸的含量隨蔗糖添加量的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢,當(dāng)蔗糖添加量為6%時(shí)乳酸含量最高,達(dá)到7.47 g/L。當(dāng)蔗糖添加量逐漸增加時(shí),飲料中的營養(yǎng)物質(zhì)豐富,乳酸菌發(fā)酵徹底,乳酸逐漸增加,風(fēng)味越好;當(dāng)蔗糖添加量＞6%之后,會(huì)影響乳酸菌的生長,乳酸含量降低,風(fēng)味變差。因此,最佳的蔗糖添加量為6%。

2.1.4 發(fā)酵時(shí)間對香蕉金針菇飲料感官品質(zhì)的影響

圖4 發(fā)酵時(shí)間對飲料感官品質(zhì)的影響Fig.4 Effect of fermentation time on sensory quality of the beverage

由圖4可以看出,香蕉金針菇飲料的感官評分隨發(fā)酵時(shí)間的延長呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢,當(dāng)發(fā)酵時(shí)間為20 h時(shí)香蕉金針菇飲料的感官評分最高,達(dá)到93分;香蕉金針菇飲料的乳酸含量隨發(fā)酵時(shí)間的延長逐漸增加。發(fā)酵時(shí)間短,乳酸菌的菌量少且發(fā)酵不完全,當(dāng)發(fā)酵較完全時(shí),乳酸的含量較高,此時(shí)會(huì)影響飲料的風(fēng)味口感。因此,最佳的發(fā)酵時(shí)間為20 h。

2.1.5 發(fā)酵溫度對香蕉金針菇飲料感官品質(zhì)的影響

圖5 發(fā)酵溫度對飲料感官品質(zhì)的影響Fig.5 Effect of fermentation temperature on sensory quality of the beverage

由圖5可以看出,香蕉金針菇飲料的感官評分隨發(fā)酵溫度的升高呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢,當(dāng)發(fā)酵溫度為37℃時(shí)感官評分最高,達(dá)到93分;香蕉金針菇飲料的乳酸含量隨發(fā)酵溫度的升高呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢,當(dāng)發(fā)酵溫度為37℃時(shí)乳酸含量最高,達(dá)到7.56 g/L。當(dāng)溫度較低時(shí),乳酸菌的活性較低,不能完全發(fā)酵營養(yǎng)物質(zhì),感官評分較低;當(dāng)溫度過高時(shí),高溫會(huì)抑制乳酸菌的生長,乳酸菌不能完全發(fā)酵營養(yǎng)物質(zhì),感官評分較低,乃有在適宜的溫度條件下發(fā)酵,乳酸菌發(fā)酵較為徹底,風(fēng)味最好。因此,最佳的發(fā)酵溫度為37℃。

2.2 發(fā)酵條件優(yōu)化響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果,選擇香蕉金針菇汁配比(A)、發(fā)酵劑接種量(B)和蔗糖添加量(C)進(jìn)行3因素3水平的Box-Behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì),共計(jì)17次試驗(yàn),結(jié)果如表3所不。

表3 香蕉金針菇飲料發(fā)酵條件優(yōu)化響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案與結(jié)果Table3 Design and results of response surface methodology for banana and Flammulina velutipes beverage fermentation conditions optimization

利用Design-Expert8.0.6分析軟件對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元回歸分析,得到感官評分(Y)的預(yù)測模型:

由表4可知,P＜0.0001,說明模型回歸方程各因素關(guān)系極顯著;失擬項(xiàng)=0.2740＞0.05,失擬項(xiàng)不顯著,說明模型回歸方程能夠反映感官評分與各因素的關(guān)系;同時(shí)R2=0.9742,R2Adj=0.941 0,說明該模型回歸方程合理有效。從表4可以看出,A、C、AC、A2、B2、C2對應(yīng)的P＜0.01,對感官評分影響極顯著;B、AB對應(yīng)的P＜0.05,對感官評分影響顯著;BC對感官評分影響不顯著。根據(jù)表中各因素的F值的大小可以看出,各因素對感官評分的影響順序?yàn)檎崽翘砑恿?C)＞香蕉金針菇汁配比(A)＞發(fā)酵劑接種量(B)。

表4 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果方差分析Table4 Variance analysis of response surface methodology results

由圖6可知,香蕉金針菇飲料的感官評分隨香蕉金針菇汁配比的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢,隨接種量的增加呈現(xiàn)向上升后下降的趨勢。當(dāng)接種量是定值,香蕉金針菇汁配比較低或較高時(shí),感官評分較低,這是因?yàn)橹鬏o料較低或較高時(shí),飲料中的一種原料香氣過高,覆蓋了另一種原料的香氣,所以感官評分較低。當(dāng)香蕉金針菇汁配比是定值,接種量過低或過高時(shí),感官評分同樣較低,這是因?yàn)榻臃N量過低時(shí),乳酸菌不能完全發(fā)酵香蕉金針菇汁中的營養(yǎng)物質(zhì),缺乏乳酸風(fēng)味;接種量過高時(shí),乳酸菌基數(shù)較大,發(fā)酵速度較快產(chǎn)生大量乳酸,過高的乳酸也會(huì)影響口感,所以也影響感官評分。響應(yīng)面曲面較陡,說明香蕉金針菇汁配比和接種量對飲料的感官評分影響較大,與方差分析結(jié)果一致。香蕉金針菇飲料的感官評分隨香蕉汁的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢,隨含糖量的增加呈現(xiàn)向上升后下降的趨勢。當(dāng)蔗糖添加量是定值,香蕉金針菇汁配比較低或較高時(shí),感官評分較低,這是因?yàn)橹鬏o料較低或較高時(shí),飲料中的一種原料香氣過高,覆蓋了另一種原料的香氣,所以感官評分較低。當(dāng)香蕉金針菇汁配比是定值,含糖量過低或過高時(shí),感官評分同樣較低,這是因?yàn)檎崽翘砑恿窟^低時(shí),乳酸菌產(chǎn)生的乳酸會(huì)覆蓋糖的味道,飲料會(huì)偏酸影響口感;蔗糖添加量過高時(shí),糖的味道會(huì)覆蓋乳酸的味道,飲料會(huì)偏甜也會(huì)影響口感,所以也影響感官評分。響應(yīng)面曲面較陡,說明香蕉金針菇汁配比和蔗糖添加量對飲料的感官評分影響較大,與方差分析結(jié)果一致。隨著接種量的不斷增加感官評分呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢,隨蔗糖添加量的增加呈現(xiàn)向上升后下降的趨勢。當(dāng)蔗糖添加量是定值,接種量較低或較高時(shí),感官評分較低,這是因?yàn)榻臃N量過低時(shí),乳酸菌不能完全發(fā)酵香蕉金針菇汁中的營養(yǎng)物質(zhì),缺乏乳酸風(fēng)味;接種量過高時(shí),乳酸菌基數(shù)較大,發(fā)酵速度較快產(chǎn)生大量乳酸,過高的乳酸也會(huì)影響口感,所以也影響感官評分。當(dāng)接種量是定值,含糖量過低或過高時(shí),感官評分同樣較低,這是因?yàn)楹沁^低時(shí),乳酸菌產(chǎn)生的乳酸會(huì)覆蓋糖的味道,飲料會(huì)偏酸影響口感;含糖量過高時(shí),糖的味道會(huì)覆蓋乳酸的味道,飲料會(huì)偏甜也會(huì)影響口感,所以也影響感官評分。響應(yīng)面曲面較陡,說明發(fā)酵劑接種量和蔗糖添加量對飲料的感官評分影響較大,與方差分析結(jié)果一致。

圖6 香蕉金針菇汁配比、接種量與蔗糖添加量交互作用對飲料感官品質(zhì)影響的響應(yīng)曲面和等高線Fig.6 Response surface plots and contour line of effects of interaction between banana and Flammulina velutipes juice ratio,inoculum and sucrose addition on sensory quality of the beverage

經(jīng)Design-Expert8.0.6分析,香蕉金針菇飲料的最佳工藝條件為香蕉金針菇汁配比3.9∶1,發(fā)酵劑接種量4.19%,蔗糖添加量5.45%,發(fā)酵時(shí)間20 h,發(fā)酵溫度37℃,此時(shí)香蕉金針菇飲料的感官評分的預(yù)測值為91.86,乳酸含量的預(yù)測值為7.30 g/L。為了方便實(shí)際操作,將最佳工藝條件變更為香蕉汁與金針菇汁比例為4∶1,發(fā)酵劑接種量為4%,蔗糖添加量5.5%,發(fā)酵時(shí)間20 h,發(fā)酵溫度37℃。驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明,此時(shí)香蕉金針菇飲料感官評分為93分,乳酸含量為7.21g/L,證實(shí)該工藝配方的試驗(yàn)結(jié)果與模型得出的最佳工藝條件的試驗(yàn)結(jié)果相當(dāng),證明響應(yīng)面法可以有效的分析出香蕉金針菇飲料的最佳工藝,具有有效性。

2.3 香蕉金針菇飲料穩(wěn)定劑添加量優(yōu)化單因素試驗(yàn)

2.3.1 CMC-Na添加量對香蕉金針菇飲料感官品質(zhì)的影響

圖7 CMC-Na添加量對飲料感官品質(zhì)的影響Fig.7 Effect of CMC-Na addition on sensory evaluation of the beverage

由圖7可知,隨著CMC-Na添加量的增加,感官評分呈先上升后下降的趨勢。當(dāng)添加量為0.05%時(shí),感官評分為84分,此時(shí)香蕉金針菇飲料的分層現(xiàn)象明顯;當(dāng)添加量為0.20%時(shí),感官評分最高,為95分,且穩(wěn)定效果好,無分層現(xiàn)象。當(dāng)添加量＞0.20%之后,感官評分下降,可能是因?yàn)殡SCMC-Na添加量的增加,香蕉金針菇飲料的黏度增加,會(huì)影響金針菇飲料的口感。因此選擇CMC-Na添加量為0.20%。2.3.2黃原膠添加量對香蕉金針菇飲料感官品質(zhì)的影響

圖8 黃原膠的添加量對飲料感官品質(zhì)的影響Fig.8 Effect of xanthan gum addition on sensory evaluation of the beverage

黃原膠具有良好的耐酸性和耐熱性,但透明性不太好,使用濃度不要超過0.3%,否則會(huì)出現(xiàn)掛壁糊狀現(xiàn)象,影響外觀與口感。由圖8可知,隨著黃原膠添加量的增加,感官評分呈先上升后下降的趨勢。當(dāng)黃原膠添加量＜0.04%時(shí),香蕉金針菇飲料有分層現(xiàn)象;當(dāng)添加量為0.04%時(shí),感官評分為94分,此時(shí)香蕉金針菇飲料無分層現(xiàn)象;當(dāng)添加量＞0.04%之后,感官評分下降。因此選擇黃原膠添加量為0.04%。

2.3.3 卡拉膠添加量對香蕉金針菇飲料感官品質(zhì)的影響

圖9 卡拉膠添加量對飲料感官品質(zhì)的影響Fig.9 Effect of carrageenan addition on sensory evaluation of the beverage

由圖9可知,隨著卡拉膠添加量的增加,感官評分呈先上升后下降的趨勢。當(dāng)卡拉膠添加量＜0.4%時(shí),香蕉金針菇飲料有分層現(xiàn)象;當(dāng)添加量為0.4%時(shí),感官評分為96分,此時(shí)香蕉金針菇飲料無分層現(xiàn)象;當(dāng)添加量＞0.4%之后,感官評分下降。因此選擇卡拉膠添加量為0.4%。

2.4 微生物指標(biāo)的測定結(jié)果

細(xì)菌總數(shù)為12CFU/g≤100CFU/g,大腸桿菌數(shù)≦3MPN/100g,未檢測出致病菌,均符合國家食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)論

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,采用Box-Behnken響應(yīng)面法對香蕉金針菇飲料的工藝進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明,最佳發(fā)酵工藝條件為香蕉汁∶金針菇汁為4∶1(mL∶mL),發(fā)酵劑接種量4%,蔗糖添加量5.5%,發(fā)酵時(shí)間20 h,發(fā)酵溫度37℃,在此工藝條件下得到的香蕉金針菇飲料的感官評分為93分,乳酸含量為7.21 g/L。穩(wěn)定劑CMC-Na、黃原膠和卡拉膠的最適添加量分別為0.20%、0.04%和0.4%。