復(fù)配益生菌發(fā)酵谷物飲料工藝優(yōu)化

◎ 陳 娟，冉軍艦

（1.中央儲(chǔ)備糧鄭州直屬庫有限公司，河南 鄭州 450000；2.河南科技學(xué)院 食品學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003）

隨著人們對(duì)食物要求的不斷變化，食品行業(yè)為適應(yīng)消費(fèi)者需求，各領(lǐng)域分布也要作出相應(yīng)改變[1]。谷物，作為人們所熟知的養(yǎng)生之物，又重新回到了大眾的視野，谷物飲料也成為軟飲料行業(yè)發(fā)展的新方向[2]。在我國歷史上，有關(guān)谷物的飲食文化從未間斷，究其原因是谷物中含有人類成長中不可缺少的元素[3]，同時(shí)表明，人們已經(jīng)適應(yīng)谷物類食材所呈現(xiàn)出的營養(yǎng)價(jià)值，因此，開發(fā)研制新型谷物類產(chǎn)品有很大的社會(huì)意義。谷物飲料是通過一系列自動(dòng)化工藝加工制得的產(chǎn)品，不僅在品質(zhì)方面做到了讓消費(fèi)者放心，更極大地降低了營養(yǎng)成分的流失，制作更加精細(xì)，適合各類人群食用[4-5]。谷物作為粗糧，富含膳食纖維，可增強(qiáng)人們的飽腹感[6]。

將益生菌運(yùn)用于谷物飲料的制作中，可以提高腸胃動(dòng)力，調(diào)節(jié)體內(nèi)菌群分布，促進(jìn)人體對(duì)有益物質(zhì)的吸收[7]。益生菌發(fā)酵谷物飲料，提高了谷物的食用價(jià)值，同時(shí)延長了益生菌存活時(shí)間，使谷物食品打破了難長期儲(chǔ)藏的局面，增加了谷物的儲(chǔ)藏手段[8]。益生菌發(fā)酵谷物飲料采用多種乳酸菌按比例混合作為復(fù)合發(fā)酵劑，發(fā)酵經(jīng)過糖化處理后的多種谷物，再通過調(diào)節(jié)溫度等因素，進(jìn)行工藝優(yōu)化，最終獲得消費(fèi)者滿意的谷物飲品[9-10]。

本試驗(yàn)以燕麥、糙米、黑米3中谷物為原料，利用嗜熱鏈球菌、嗜酸乳桿菌、鼠李糖乳桿菌、植物乳桿菌復(fù)合發(fā)酵劑發(fā)酵谷物，利用響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化工藝條件，以期得到狀態(tài)均勻、谷香濃郁、酸甜可口的發(fā)酵谷物飲料，為益生菌發(fā)酵飲料的研究奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

谷物：燕麥、糙米、黑米；發(fā)酵劑：嗜熱鏈球菌、嗜酸乳桿菌、鼠李糖乳桿菌、植物乳桿菌4種乳酸菌構(gòu)成；蒙牛袋裝牛奶；MRS培養(yǎng)基；M17培養(yǎng)基。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 原料處理

取干凈燒杯1個(gè)，稱取原料各50 g，清洗干凈后晾干，研磨粉碎，量取8倍谷物體積的水，煮至沸騰，加入粉碎后的混合谷物，煮5 min，為避免焦糊，需不斷攪拌。結(jié)束后冷卻至65 ℃，用檸檬酸調(diào)節(jié)酸堿度為pH 6.2，加入0.8%的3 700 U·g-1中溫淀粉酶，谷物淀粉與碘液不發(fā)生顏色反應(yīng)時(shí)，則表明液化結(jié)束，經(jīng)過沸水浴5 min使酶滅活后冷卻至65 ℃，Na2CO3調(diào)pH至4.2，在62 ℃條件下加入1%的500 U·g-1糖化酶，利用無水乙醇鑒定糖化是否反應(yīng)完全。再次沸水浴使糖化酶失去活性，冷卻后經(jīng)過粗過濾獲得試驗(yàn)樣品[11]。

1.2.2 菌種活化

從菌種庫中取出4種菌種，用稀釋涂布平板法將4種菌先進(jìn)行初步的鑒定與篩選[12]。嗜酸乳桿菌、植物乳桿菌、鼠李糖乳桿菌用MRS固體培養(yǎng)基37 ℃培養(yǎng)，嗜熱鏈球菌選用M17固體培養(yǎng)基在42 ℃下培養(yǎng)，待培養(yǎng)基中可清楚看到有菌落生成后，觀察菌落的形態(tài)、大小、顏色等，初步判斷是否有雜菌進(jìn)入，再通過鏡檢進(jìn)一步判斷菌株是否被污染[13]；確定無誤后，挑出單菌落在液體培養(yǎng)基中進(jìn)一步活化，活化2次后，測定其生長曲線如圖1所示。

圖1 不同菌種生長曲線圖

1.2.3 發(fā)酵劑的制備

由于菌種無法在純谷物溶液中生長，因此將4種菌種馴化后以3%的比例均勻接種到處理好的樣品原液中，置于37 ℃培養(yǎng)12 h。

1.2.4 感官評(píng)分

根據(jù)相關(guān)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，選10個(gè)評(píng)定人員（5位男生，5位女生），按照表1對(duì)產(chǎn)品3方面（色澤、氣味、狀態(tài)）打分。

表1 復(fù)合漿料感官評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)表

1.2.5 單因素試驗(yàn)

（1）發(fā)酵溫度單因素試驗(yàn)。固定發(fā)酵劑接種量3%和發(fā)酵時(shí)間11 h，依次按照33 ℃、36 ℃、39 ℃、42 ℃和45 ℃條件下進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行感官評(píng)定。

（2）發(fā)酵時(shí)間單因素試驗(yàn)。固定發(fā)酵溫度39 ℃，發(fā)酵劑接種量3%，分別在發(fā)酵時(shí)間為時(shí)間7 h、9 h、11 h、13 h和15 h條件下進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行感官評(píng)定。

（3）發(fā)酵劑接種量單因素試驗(yàn)。固定發(fā)酵時(shí)間11 h，發(fā)酵溫度39 ℃，分別在接種量1%、2%、3%、4%、和5%條件下進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行感官評(píng)定。

1.2.6 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，以發(fā)酵溫度（A）、發(fā)酵時(shí)間（B）、接種量（C）作為考察因素，以感官評(píng)定得分為試驗(yàn)指標(biāo)，利用Design-Expert 8.0軟件設(shè)計(jì)響應(yīng)面試驗(yàn)，優(yōu)化工藝條件。試驗(yàn)因素水平如表2所示。

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平表

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素對(duì)感官評(píng)定的影響

2.1.1 發(fā)酵溫度對(duì)益生菌發(fā)酵谷物飲料的影響

該谷物產(chǎn)品發(fā)酵劑菌種豐富，溫度影響菌種生長以至于直接影響產(chǎn)品風(fēng)味。由圖2可知，發(fā)酵溫度對(duì)谷物飲料感官評(píng)分影響存在顯著影響，當(dāng)發(fā)酵溫度低于39 ℃時(shí)，感官評(píng)定得分呈上升趨勢，當(dāng)發(fā)酵溫度到達(dá)39 ℃時(shí)達(dá)到峰值，在高于39 ℃條件下發(fā)酵的產(chǎn)品得分呈下降趨勢。

圖2 溫度對(duì)發(fā)酵谷物飲料感官評(píng)分的影響圖

2.1.2 發(fā)酵時(shí)間對(duì)益生菌發(fā)酵谷物飲料的影響

由圖3可知，感官評(píng)定得分隨時(shí)間的延長呈上升趨勢，當(dāng)發(fā)酵時(shí)間大于11 h，感官評(píng)定得分呈持續(xù)下降趨勢，這是因?yàn)槿樗峋诎l(fā)酵過程中使發(fā)酵液pH值下降，過度發(fā)酵會(huì)使谷物飲料酸度上升，影響產(chǎn)品口感。

圖3 發(fā)酵時(shí)間對(duì)發(fā)酵谷物飲料感官評(píng)分的影響圖

2.1.3 接種量對(duì)益生菌發(fā)酵谷物飲料的影響

由圖4可知，當(dāng)接種量為3%時(shí)，產(chǎn)品感官評(píng)分處于最高點(diǎn)，當(dāng)接種量低于或高于3%時(shí)，評(píng)分都呈下降趨勢，說明接種量過高或過低直接對(duì)產(chǎn)品風(fēng)味帶來不利影響，接種量過少，菌種生長緩慢，發(fā)酵時(shí)間長；接種量過多，營養(yǎng)損耗快，酸度上升影響產(chǎn)品口感。

圖4 接種量對(duì)發(fā)酵谷物飲料感官評(píng)分的影響圖

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)

利用Design Expert 8.0軟件，在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，感官評(píng)分作為響應(yīng)值優(yōu)化工藝條件，最后對(duì)最優(yōu)組合進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。

2.2.1 響應(yīng)面設(shè)計(jì)

通過Design-Expert 8.0軟件分析，試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果見表3，方差分析見表4。

表3 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果表

表4 響應(yīng)面法方差分析表

通過軟件對(duì)3個(gè)變量（接種量、發(fā)酵溫度、時(shí)間）分析得到回歸方程：Y=-1 910.94+76.78A+56.93B+115.85C-0.42AB-1.17AC-2.00BC-0.87A2-1.59B2-8.35C2。

由表4可得，模型P值＜0.000 1，表明影響顯著。失擬項(xiàng)影響不顯著，即無關(guān)因素影響不顯著。模型決定系數(shù)R2為0.984 1，即實(shí)際與預(yù)測相差不大，可以對(duì)益生菌發(fā)酵谷物飲料的最優(yōu)工藝條件進(jìn)行分析預(yù)測。由分析可得，A、C、AB、AC、BC、A2、B2和C2影響顯著，其他項(xiàng)影響不顯著。由F得出，溫度對(duì)感官評(píng)分影響最大，接種量次之，時(shí)間最小。

2.2.2 響應(yīng)面交互作用

（1）發(fā)酵溫度與發(fā)酵時(shí)間的交互作用對(duì)感官評(píng)分的影響。當(dāng)發(fā)酵溫度確定為某一值時(shí)，感官評(píng)分會(huì)受到發(fā)酵時(shí)間長短的影響，當(dāng)達(dá)到一定時(shí)間后即下降。發(fā)酵時(shí)間確定，自變量為溫度時(shí)，溫度較低時(shí)感官評(píng)分逐漸升高，當(dāng)溫度到達(dá)某一值繼續(xù)升高，感官評(píng)分反而越來越低，由此可知一定存在某一發(fā)酵時(shí)間和溫度下的產(chǎn)品評(píng)分是最優(yōu)值。根據(jù)圖5可得，發(fā)酵條件為37 ℃、11 h時(shí)有評(píng)分最優(yōu)值85分。

圖5 發(fā)酵溫度和發(fā)酵時(shí)間交互作用圖

（2）發(fā)酵溫度和接種量的交互作用對(duì)感官評(píng)分的影響。發(fā)酵時(shí)間一定，感官評(píng)分隨著發(fā)酵溫度的增加先增高后降低，同時(shí)隨著接種量的增加感官評(píng)分也呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，根據(jù)圖6可知發(fā)酵溫度37 ℃、接種量3%，感官評(píng)分最優(yōu)值85分。

圖6 接種量和發(fā)酵溫度的交互作用圖

（3）接種量與發(fā)酵時(shí)間的交互作用對(duì)感官評(píng)定得分的影響。接種量一定，感官評(píng)分會(huì)在溫度升高至某值得到最高分，確定發(fā)酵溫度，感官評(píng)分會(huì)隨接種量增加出現(xiàn)峰值。由圖7可知，當(dāng)條件為接種量3%，發(fā)酵11 h時(shí)有評(píng)分最優(yōu)值85分。

2.3 驗(yàn)證試驗(yàn)

由響應(yīng)面法分析可得益生菌發(fā)酵谷物產(chǎn)品的最佳條件：接種量3%、發(fā)酵時(shí)間11 h、發(fā)酵溫度39 ℃。由回歸方程得出此條件下發(fā)酵的產(chǎn)品感官評(píng)分84.84分，實(shí)際試驗(yàn)得到的感官評(píng)分84.67分，理論與實(shí)際數(shù)值誤差0.2%，驗(yàn)證試驗(yàn)說明響應(yīng)面法得到的最優(yōu)工藝條件可行。

圖7 接種量與發(fā)酵時(shí)間的交互作用圖

3 結(jié)論

本研究利用酶制劑對(duì)燕麥、糙米、黑米混合谷物糖化后，利用嗜熱鏈球菌、嗜酸乳桿菌、鼠李糖乳桿菌、植物乳桿菌混合發(fā)酵，通過單因素試驗(yàn)初步得到產(chǎn)品適宜的發(fā)酵條件，利用響應(yīng)面設(shè)計(jì)對(duì)發(fā)酵時(shí)間、溫度和接種量進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)，得到優(yōu)化工藝條件為：發(fā)酵溫度39 ℃、發(fā)酵時(shí)間11 h、接種量3%，此條件工藝穩(wěn)定，能制得狀態(tài)均勻、谷香濃郁、酸甜可口的發(fā)酵谷物飲料。