益生菌發(fā)酵甘薯汁的工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)

楊艷君,胡變芳,陳林晶,邵青玲,李洪燕

(晉中學(xué)院 生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山西 晉中,030600)

甘薯(Dioscoreaesculenta(Lour.)Burkill)是薯系糧食中營養(yǎng)較為豐富的食品,甘薯能供給人體大量的黏液蛋白、糖、維生素A和維生素C,因此，具有補(bǔ)虛乏、益氣力、健脾胃、強(qiáng)腎陰以及和胃、暖胃、益肺、增強(qiáng)免疫功能、防癌抗癌等作用[1]。益生菌是一類對宿主有益的活性微生物,是定植于人體腸道、生殖系統(tǒng)內(nèi),能產(chǎn)生確切健康功效從而改善宿主微生態(tài)平衡、發(fā)揮有益作用的活性微生物的總稱[2]。目前,益生菌主要用于酸奶的生產(chǎn)過程中。因?yàn)槿樘遣荒褪芑颊唧w內(nèi)缺少乳糖酶,不能消化乳糖從而引起腹瀉，所以，發(fā)酵果蔬汁的出現(xiàn)有效地解決了這個問題。以果蔬作為原料,經(jīng)益生菌發(fā)酵并調(diào)制而成,這是將益生菌和果蔬汁的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合的最佳方法[3-6]。日本和韓國等一些國家發(fā)現(xiàn)了益生菌發(fā)酵果蔬汁的巨大商機(jī),研發(fā)并上市了紅甜椒和枸杞子等[7]果蔬汁。FONTELES等[8]研究了發(fā)酵甜瓜汁的最好條件,研究發(fā)現(xiàn)在培養(yǎng)時間為8 h,發(fā)酵汁起始pH為6.1,溫度為31 ℃條件下益生菌發(fā)酵甜瓜汁的口感最佳。XU等[9]以橙子和蘋果原料,以雙歧桿菌為發(fā)酵劑進(jìn)行厭氧發(fā)酵,得到了品質(zhì)優(yōu)良、固形物含量適中、色澤鮮黃明亮的混合果肉飲料[9]。鄧開野和戴雪群[10]對發(fā)酵芒果飲料進(jìn)行了研究。另外,其他研究人員也對其他果蔬原料進(jìn)行了發(fā)酵研究，如南瓜[11-12]、香瓜[13]、西瓜[14]、苦瓜[15]、番茄和蘆薈[16]等。以果蔬汁作為原料,經(jīng)益生菌發(fā)酵并調(diào)制而成,可將益生菌和果蔬汁的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，既具有果蔬原料自身的營養(yǎng)成分,又具有益生菌對人體的調(diào)節(jié)作用。目前,益生菌發(fā)酵果蔬汁研究材料大多為番茄、南瓜、火龍果、蜜柚等,對益生菌發(fā)酵甘薯汁及相關(guān)研究較少。

本研究以不同的甘薯為主要原料,以甘薯汁的感官評價值為響應(yīng)值,構(gòu)建四因素(發(fā)酵溫度、發(fā)酵時間、底物體積分?jǐn)?shù)、蔗糖添加量)三水平的響應(yīng)面試驗(yàn),并建立發(fā)酵液感官評價值與四因素的二次回歸方程，經(jīng)綜合分析得出甘薯汁的最佳發(fā)酵組合。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

SLB1000為實(shí)驗(yàn)室從酸蘿卜泡菜中篩選的菌株,經(jīng)分子鑒定為植物乳桿菌,于-80 ℃保存?zhèn)溆?。新鮮甘薯,市售。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 甘薯發(fā)酵飲料工藝

1)選料：挑選新鮮無蟲害的甘薯,去掉須根及壞爛的部分,清洗干凈并控干水分,去皮切塊,煮熟并碾碎。

2)清洗、切塊、打漿。

3)過濾：將較為粗老的甘薯纖維去除。

4)混勻：將一定量的白砂糖、水混勻,再加入一定比例經(jīng)過初步碾碎的甘薯,攪拌,使物料混合均勻。

5)殺菌冷卻：在85 ℃溫度下殺菌5 min后迅速冷卻。

6)菌的接種及發(fā)酵：將劃線培養(yǎng)的SLB1000單菌落接種于100 mL MRS液體培養(yǎng)基的三角瓶中(三角瓶容積為250 mL),轉(zhuǎn)速為160 r/min，在30 ℃搖床培養(yǎng)24 h后,以接菌量為5%接種于甘薯汁進(jìn)行發(fā)酵。

1.2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)

以單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ),使用Box-Benhnken(BBD)設(shè)計(jì)方案,以口感評價值為響應(yīng)值,發(fā)酵溫度、發(fā)酵時間、蔗糖添加量及底物體積分?jǐn)?shù)為自變量,使用MATLAB R2012b軟件,通過4因素3水平的響應(yīng)面法對益生菌發(fā)酵甘薯汁的工藝進(jìn)行優(yōu)化[17],共29個處理組合,試驗(yàn)因素與水平見表1。

表1 試驗(yàn)因素水平與編碼表

1.3 測量指標(biāo)

感官評定值的測定：采用百分制,選取香氣、口感、色澤、風(fēng)味進(jìn)行打分,每個指標(biāo)25分,篩選出評分較高的發(fā)酵組合。評分標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 益生菌發(fā)酵甘薯汁感官評分標(biāo)準(zhǔn)

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理在Excel表格中,使用SAS9.4統(tǒng)計(jì)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,通過方差分析得到發(fā)酵時間、發(fā)酵溫度、底物體積分?jǐn)?shù)、蔗糖添加量及各因素之間相互作用對感官評價值的影響。通過對響應(yīng)面數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,得到感官評價值與發(fā)酵溫度、發(fā)酵時間、底物體積分?jǐn)?shù)、蔗糖添加量之間的回歸方程。在回歸方程中,求出Y達(dá)到最大值時的最佳組合。當(dāng)P<0.05時,表明有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；當(dāng)P>0.05時,說明該因素對發(fā)酵液的感官評價值影響的無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素及因素之間相互作用對飲料口感的影響

根據(jù)Box-Benhnken實(shí)驗(yàn)(BBD)原理,使用MATLAB R2012b軟件,以益生菌發(fā)酵甘薯汁的感官評價值為相應(yīng)值,發(fā)酵溫度、發(fā)酵時間、底物體積分?jǐn)?shù)及蔗糖添加量為自變量,進(jìn)行共29個試驗(yàn)組的4因素3水平的響應(yīng)面試驗(yàn)。響應(yīng)面設(shè)計(jì)水平以及感官評價值見表3。

表3 響應(yīng)面設(shè)計(jì)方案及試驗(yàn)結(jié)果

通過方差分析得到單因素底物體積分?jǐn)?shù)對發(fā)酵液的感官評價值有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01),底物體積分?jǐn)?shù)、發(fā)酵時間、發(fā)酵溫度、蔗糖添加量的二次項(xiàng)對發(fā)酵液感官評價值均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01),且均為負(fù)效應(yīng)。其中,發(fā)酵時間與蔗糖添加量,發(fā)酵溫度與蔗糖添加量交互作用有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01),其他因素交互作用無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。結(jié)果見表4。得到兩個因素的相互作用相應(yīng)的響應(yīng)面等高線圖和曲面圖，見圖1、圖2。由圖1可知：當(dāng)發(fā)酵溫度和底物體積分?jǐn)?shù)固定為零時,隨著發(fā)酵時間、蔗糖添加量的增加,感官評價值先升后降,曲面最高點(diǎn)在X2∈[-1,1.5],X4∈[-1,1]范圍內(nèi)。其原因?yàn)殡S著發(fā)酵時間的延長,糖部分轉(zhuǎn)化為酸,使得飲品酸度上升,酸甜適口,口感提升,而隨著發(fā)酵時間繼續(xù)增長,酸度過大,影響其適口性,分值下降。等高線沿蔗糖添加量軸向較發(fā)酵時間軸向密集(見圖1),說明蔗糖添加量對感官評價的影響比較大。由圖2可知：將發(fā)酵時間,底物體積分?jǐn)?shù)值固定為零,感官評定值隨發(fā)酵溫度和糖的添加量先升后降,最大值出現(xiàn)X3∈[-1.25,1.1],X4∈[-0.8,1.2]區(qū)域。發(fā)酵溫度是發(fā)酵過程中的重要因素,溫度過低或過高,都會影響菌株的生長和產(chǎn)酸能力,從而進(jìn)一步影響飲品的口感和風(fēng)味。由圖2可知,發(fā)酵溫度的曲面較蔗糖添加量的曲面陡峭,說明發(fā)酵溫度比蔗糖添加量對益生菌發(fā)酵甘薯汁的影響更顯著。

圖1 蔗糖添加量和發(fā)酵時間對發(fā)酵液感官評價值的交互影響的等高線圖和曲面圖

圖2 蔗糖添加量和發(fā)酵溫度對發(fā)酵液感官評價值的交互影響的等高線圖和曲面圖

表4 感官評價回歸模型方差分析

2.2 最佳組合的確定

以底物體積分?jǐn)?shù)為X1,發(fā)酵時間為X2,發(fā)酵溫度為X3,蔗糖添加量為X4,用表3的試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立發(fā)酵液感官評價值與發(fā)酵條件的回歸模型。回歸方程為：Y=94.200+4.333X1+1.917X2-0.500X3+1.417X4-3.267X1X1-4.392X2X2-4.017X3X3-5.892X4X4+0.500X1X2+0.750X1X3+0.750X1X4+0.500X2X3-4.250X2X4-4.250X3X4,決定系數(shù)R2=0.772 90?；貧w方程具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01),失擬項(xiàng)無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05),說明模型的預(yù)測值與實(shí)際值吻合較好。通過對回歸模型分析得出,當(dāng)X1=0.686 2，X2=0.204 1，X3=-0.041 1和X4=0.105 1時,感官評價達(dá)到最大值95.97分，即最佳工藝參數(shù)如下：底物體積分?jǐn)?shù)為36.86%,發(fā)酵時間為38.45 h,發(fā)酵溫度為33.92 ℃,蔗糖添加量為10.26%。

2.3 最佳工藝參數(shù)的驗(yàn)證

篩選的最佳工藝參數(shù)未包含在所設(shè)計(jì)的29個試驗(yàn)處理組合中,為了進(jìn)一步對該工藝參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證,在底物體積分?jǐn)?shù)為36.86%,發(fā)酵時間為38.45 h,發(fā)酵溫度為33.92 ℃,蔗糖添加量為10.26%條件下,益生菌發(fā)酵甘薯汁,征集10個樣本根據(jù)感官評價標(biāo)準(zhǔn)得到感官評價值,平均值為96.13分。同時，在零水平條件下益生菌發(fā)酵甘薯汁,得到10個感官評價值的均值為89.78分。最佳水平組合比零水平組合分值增加 7.1%,進(jìn)一步驗(yàn)證了模型的實(shí)用性。

3 討論與結(jié)論

本研究中,通過建立發(fā)酵液感官評價與發(fā)酵條件的回歸模型,得知：由于蔗糖添加量和發(fā)酵時間、發(fā)酵溫度發(fā)生變化,感官評價值先增大,到達(dá)一定值后又會下降。因此,選擇合理的發(fā)酵條件對益生菌發(fā)酵甘薯汁的工業(yè)化生產(chǎn)至關(guān)重要。通過對回歸模型的響應(yīng)面分析,建立高度顯著的回歸模型可以用于實(shí)際生產(chǎn)。通過模型獲得了益生菌發(fā)酵甘薯汁的最佳工藝條件：即底物體積分?jǐn)?shù)為36.86%,發(fā)酵時間為38.45 h,發(fā)酵溫度為33.92 ℃,蔗糖添加量為10.26%。本試驗(yàn)通過響應(yīng)面分析得到的4因素(發(fā)酵溫度,發(fā)酵時間,蔗糖添加量,底物體積分?jǐn)?shù))與發(fā)酵液感官評價值之間的回歸模型顯著度極高,可用于實(shí)際預(yù)測。應(yīng)用試驗(yàn)與分析得到了較完善的益生菌發(fā)酵甘薯汁的工藝,感官評價較高，為進(jìn)一步開發(fā)益生菌發(fā)酵果蔬汁產(chǎn)品,實(shí)現(xiàn)發(fā)酵果蔬汁的工業(yè)化批量生產(chǎn)提高了理論依據(jù),并對果蔬汁的工藝優(yōu)化具有較大的實(shí)踐意義。

本次試驗(yàn)的目的在于通過益生菌發(fā)酵研制出營養(yǎng)價值較高的甘薯飲品,為飲料行業(yè)的發(fā)展提供參考依據(jù)。在此試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,不斷調(diào)整工業(yè)生產(chǎn)中底物體積分?jǐn)?shù)、發(fā)酵時間、發(fā)酵溫度等的水平值,不僅可以得到不同風(fēng)味口感的甘薯汁,更好地滿足廣大消費(fèi)者的要求,還可以高效地將農(nóng)產(chǎn)品利用起來,從而為我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供新的來源。