植物基復合谷物發(fā)酵飲料工藝優(yōu)化

董 璇,魏雨晴,吳珊珊,何 珊

(蚌埠學院 食品與生物工程學院,安徽 蚌埠 233030)

谷物飲料是指以谷物為主要原料加工制成的飲料產(chǎn)品,是谷物食品的一個重要組成部分。谷物中富含膳食纖維、維生素、礦物質(zhì)及具有抗氧化活性的多酚、黃酮等植物化學物質(zhì),是人們?nèi)粘Ｉ攀辰Y(jié)構(gòu)中的重要選擇[1,2]。將谷物作為原材料,通過發(fā)酵后制成的谷物飲料,不僅可以豐富谷物食品的種類,而且易于攜帶、方便食用,基于此,谷物飲料已逐漸受到消費者們的青睞[3]。

赤小豆營養(yǎng)豐富,含有蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物、粗纖維、鈣、磷、鐵、B族維生素、皂苷等營養(yǎng)成分,具有較高的食用價值和藥用價值[4,5];綠豆,是一種富含淀粉的雜豆類食物,同時含有人體必需的氨基酸、多糖、B族維生素和一些礦物質(zhì),具有清熱解毒抗氧化等功效[6,7];薏仁中含有多種氨基酸成分、維生素B1、膳食纖維等成分,具有促進新陳代謝和減少胃腸負擔的作用[8,9];藜麥是植物中唯一含有完全蛋白的食物,其對促進智力發(fā)育、調(diào)節(jié)血糖、保護心血管具有重要意義[10,11];黑米中的礦物質(zhì)、B族維生素和植物化學物含量豐富,具有抗氧化和抗炎作用[12,13]。谷物飲料可以是單一原料品種制成,也可以選用多種谷物原料復配而成[14],如高禎彥以大米、小米和玉米為原料,以植物乳桿菌為發(fā)酵菌株,研制了一款復合益生發(fā)酵飲料[15];馬雪等以玉米蛋白粉、紅豆、薏米為原料,對玉米肽紅豆薏米復合谷物飲料進行了調(diào)配[16]。

本研究以赤小豆、綠豆、薏仁、白藜麥、黑米等谷物為研究對象,選用酵母菌作為發(fā)酵菌種,采用單因素試驗和響應(yīng)面試驗的方法,以感官評定和酸度作為評價依據(jù),來確定產(chǎn)品的最優(yōu)工藝,旨在研制出一款風味適宜的復合谷物飲料。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

赤小豆、綠豆、黑米、薏仁、白藜麥:(粉質(zhì)細膩、干燥、無質(zhì)變結(jié)塊現(xiàn)象)河南慶文食品有限公司提供;礦泉水:蚌埠市海晶科工貿(mào)有限公司提供;白砂糖:一級品;檸檬酸、黃原膠、小蘇打、CMC-Na、糖化酶等,均為食品級;高活性干酵母:安琪酵母股份有限公司提供。

1.2 儀器設(shè)備

HH-4水浴鍋:金壇區(qū)西城新瑞儀器廠;JM-B2003電子天平:余姚市紀銘重校驗設(shè)備有限公司;糖度計:成都豪創(chuàng)光電儀器有限公司;pH計:上海力辰邦西儀器科技有限公司;堿式滴定管、鐵架臺、錐形瓶等。

1.3 酸度測定方法

酸度測定:參照《食品安全國家標準:食品酸度的測定》(GB 5009.239—2016)第一法酚酞指示劑法測定進行。取發(fā)酵飲料10g于錐形瓶中,加入蒸餾水20mL,滴加3滴酚酞指示劑,然后取0.1 mol/LNaOH標準溶液進行滴定,連續(xù)微搖至30秒內(nèi)淡紅色不消失為止。

滴定酸度(°T)=(c×V×100)/(m×0.1)

式中:c表示NaOH標準溶液濃度(mol/L),V表示待測復合飲料樣品滴定消耗NaOH體積(mL),m表示待測飲料樣品質(zhì)量(g)。

1.4 感官評定方法

實驗過程中以感官評分作為評價指標。設(shè)置評分小組,選取十名年齡相近且感官正常的同學,其中男生、女生各五名組成感官評分小組,分別制定了復合谷物漿料感官評分標準(表1)和復合谷物發(fā)酵飲料成品感官評分標準(表2)。

表1 復合谷物漿料感官評分標準

表2 復合谷物發(fā)酵飲料成品感官評分標準

1.5 實驗方法

1.5.1 工藝流程

(粉狀)原料→制漿→糖化→滅菌→接種→發(fā)酵→調(diào)配→消泡脫氣→灌裝→成品

1.5.2 復合谷物配比的確定

(1)復合谷物原料配比的選擇

以綠豆、赤小豆、薏仁、黑米、白藜麥五種磨制成粉狀的谷物為原料,進行復合谷物原料的比例選擇。以兩組固定復合原料搭配分別各設(shè)置三組比例進行實驗。每小組同時設(shè)3組平行。

第一組復合谷物組合:

A1、綠豆∶白藜麥∶薏仁∶黑米(4∶2∶1∶3)

B1、綠豆∶白藜麥∶薏仁∶黑米(4∶2∶2∶2)

C1、綠豆∶白藜麥∶薏仁∶黑米(4∶3∶1∶2)

第二組復合谷物組合:

A2、赤小豆∶白藜麥∶薏仁∶黑米(4∶2∶1∶3)

B2、赤小豆∶白藜麥∶薏仁∶黑米(4∶2∶2∶2)

C2、赤小豆∶白藜麥∶薏仁∶黑米(4∶3∶1∶2)

(2)配制復合谷物漿料

按照上述設(shè)置比例進行試驗,取潔凈的250 mL燒杯18個,每組按配比加入10 g原料和95 g純凈水,此時料水比為1∶9.5,用玻璃棒均勻攪拌至漿料充分混合且無結(jié)塊現(xiàn)象,之后將每組復合漿料平均分裝于10個紙杯中,請感官評分小組依據(jù)表1進行感官評分。

1.5.3 關(guān)鍵步驟

(1)制漿

按照料水比1∶9.5配制復合谷物漿料,攪拌均勻,使?jié){料處于無分層狀態(tài)。

(2)糖化

向處于均勻狀態(tài)下的復合谷物漿料中添加檸檬酸,調(diào)pH至4.0～4.5,根據(jù)預試驗計算可得添加檸檬酸含量為復合漿料的0.2%恰好處于可調(diào)pH范圍內(nèi)。在調(diào)好pH后的漿料中添加糖化酶為漿料總量的0.2%,將漿料置于60 ℃溫度下糖化2 h。

(3)滅菌

將糖化后的漿料置于100 ℃水浴條件下30 min,然后在常溫無菌環(huán)境中冷卻至室溫。

(4)接種發(fā)酵

將冷卻后的漿料用碳酸氫鈉調(diào)pH至6.8,添加干酵母,在恒溫40 ℃條件下,進行發(fā)酵試驗。

(5)調(diào)配

發(fā)酵后的漿料需加入添加劑和穩(wěn)定劑進行調(diào)配,提高產(chǎn)品口感和品質(zhì)等。將經(jīng)過發(fā)酵階段的復合谷物漿料先加入0.06%黃原膠、0.05%檸檬酸和2%糖等基礎(chǔ)添加劑后,再加入穩(wěn)定劑CMC-Na,使得產(chǎn)品口感品質(zhì)達到最佳。

(6)均質(zhì)

加入穩(wěn)定劑和添加劑后的漿料,會在一定程度上變的黏稠,需用均質(zhì)機進行均質(zhì)處理,均質(zhì)壓力為1 MPa。

(7)脫氣

脫氣后的復合漿料能更好的維持產(chǎn)品風味、口感等品質(zhì),因此均質(zhì)后的漿料可利用脫氣機進行脫氣處理。

(8)灌裝

經(jīng)均質(zhì)脫氣后的復合谷物飲料立即灌裝至無菌的容器中。

1.6 單因素試驗

以感官得分和酸度作為評價指標,采用單因素試驗分別考查不同梯度的菌種添加量、發(fā)酵時間以及穩(wěn)定劑添加量對產(chǎn)品風味品質(zhì)影響。

1.6.1 干酵母添加量對產(chǎn)品感官得分和酸度的影響

干酵母添加量分別設(shè)置為復合漿料含量的 0.025%、0.05%、0.075%、0.1%、0.125%,每個梯度設(shè)置三個平行實驗,每個平行實驗漿料為100 mL,將其在復合漿料糖化2 h且滅菌后分別加入,在40 ℃條件下,發(fā)酵時間固定為2 h,CMC-Na添加量固定為0.1%,依照實驗步驟進行單因素試驗,對成品進行酸度測定并根據(jù)表2進行感官評分,篩選出最佳干酵母添加量。

1.6.2 發(fā)酵時間對產(chǎn)品感官得分和酸度的影響

發(fā)酵時間分別設(shè)置為2 h、2.5 h、3 h、3.5 h、4 h,每個發(fā)酵階段設(shè)置三組平行實驗,每組平行實驗漿料為100 mL。發(fā)酵溫度為40 ℃,干酵母添加量固定為0.025%,CMC-Na添加量固定為0.1%,依照實驗步驟進行單因素試驗,測定成品酸度并根據(jù)表2進行感官評分,篩選出最佳發(fā)酵時間。

1.6.3 CMC-Na添加量對產(chǎn)品感官得分和酸度的影響

采用食品級添加劑黃原膠0.06%、檸檬酸 0.05%、白砂糖2%作為基礎(chǔ)添加劑,固定其干酵母添加量為0.025%,發(fā)酵2 h。穩(wěn)定劑 CMC-Na添加量分別設(shè)置為復合漿料含量的 0.1%、0.15%、0.2%、0.25%、0.3%,每組梯度重復三次進行,每個平行實驗所需復合漿料為100 mL,依照實驗步驟進行單因素試驗,對產(chǎn)品進行酸度測定并根據(jù)表2進行評分,篩選出最佳CMC-Na添加量。

1.7 響應(yīng)面試驗

在單因素試驗的基礎(chǔ)上,以干酵母添加量(A)、發(fā)酵時間(B)、CMC-Na添加量(C)三因素為考察對象,進行三因素三水平的響應(yīng)面試驗。試驗因素水平見表3。

表3 響應(yīng)面試驗因素水平表

2 結(jié)果與分析

2.1 復合谷物漿料感官評分結(jié)果分析

復合谷物漿料最終感官評分結(jié)果如表4所示。

表4 復合谷物漿料配比感官評分結(jié)果

由表4可知,不同配比下的復合谷物漿料其風味口感不同,經(jīng)過綜合感官評價可知最佳配比為綠豆∶白藜麥∶薏仁∶黑米(4∶2∶2∶2),該配比下的漿料具有復合谷物特有色澤,芬芳谷香,口感細膩潤滑,風味獨特;料水比為1∶9.5時的復合谷物漿料經(jīng)后續(xù)糖化、發(fā)酵流程制得的產(chǎn)品粘稠度適中,因此以此漿料配比條件為基礎(chǔ)進行下一步試驗。

2.2 單因素試驗結(jié)果分析

2.2.1 干酵母添加量對產(chǎn)品感官評分和酸度的影響

干酵母添加量對復合谷物發(fā)酵飲料感官評分和酸度的影響分別見圖1和圖2。

圖1 干酵母添加量對復合谷物飲料感官評分的影響

圖2 干酵母添加量對復合谷物發(fā)酵飲料酸度的影響

由圖1可知,隨著干酵母添加比例的逐漸增加,復合谷物漿料的感官評分總體呈現(xiàn)出先升后降趨勢。干酵母添加量在0.025%～0.05%之間時,復合谷物發(fā)酵飲料感官評分不斷升高;在添加量為0.05%時,其感官評價得分最高,為88分;當干酵母添加量大于0.05%后,其感官評分下降趨勢明顯。這是因為,隨著菌種添加量的增加,菌種數(shù)量過多,總體進行新陳代謝所消耗的有機物增加,使得飲品中特殊風味物質(zhì)減少,進而影響產(chǎn)品感官評分,呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢。

由圖2可知,干酵母添加量在0.025%～0.05%之間時,復合谷物發(fā)酵飲料的酸度隨著干酵母添加量的增加而降低;干酵母添加量為0.05%時,其酸度最低,為3.3×10-2/°T;當干酵母添加量大于0.05%后,飲品中的酸度隨著干酵母添加量的增加不斷升高。這是由于干酵母添加量超過一定范圍后,菌種數(shù)量增加,導致消耗過多糖分并產(chǎn)生大量有機酸,使發(fā)酵飲料的酸度不斷增加,在一定程度上影響產(chǎn)品品質(zhì)。

依據(jù)感官評分和酸度的變化,以感官評分為主要參考指標,本實驗選擇干酵母添加量0.05%左右為后期響應(yīng)面試驗因素水平。

2.2.2 發(fā)酵時間對產(chǎn)品感官評分和酸度的影響

發(fā)酵時間對復合谷物發(fā)酵飲料感官評分和酸度的影響分別見圖3和圖4。

圖3 發(fā)酵時間對復合谷物發(fā)酵飲料感官評分的影響

圖4 發(fā)酵時間對復合谷物發(fā)酵飲料酸度的影響

如圖3所示,發(fā)酵時間在2～2.5 h之間時,復合谷物發(fā)酵飲料的感官得分隨發(fā)酵時間的增加而升高;發(fā)酵時間為2.5 h時,其感官評分最高為85分,此時復合谷物發(fā)酵飲料的口感最佳,具有濃郁的谷物醇香;當發(fā)酵時間大于2.5 h后,飲品的感官評分不斷隨著發(fā)酵時間的增加而降低且下降趨勢明顯。這是因為,在前期發(fā)酵階段,隨著發(fā)酵時間延長,飲品中的風味物質(zhì)因菌種的發(fā)酵作用而不斷生成,感官評價較好。但是,發(fā)酵時間過長,菌種代謝產(chǎn)物大量積累,影響產(chǎn)品質(zhì)量,導致感官評分下降。

如圖4所示,隨著發(fā)酵時間的延長,復合谷物發(fā)酵飲料中的酸度持續(xù)上升;在發(fā)酵時間為2～3 h之間時,飲品中酸度的增加較為緩慢;當發(fā)酵時間大于3 h后,飲品中酸度上升趨勢明顯。這是因為從發(fā)酵開始,發(fā)酵菌種就不斷進行新陳代謝,產(chǎn)生的有機酸也在發(fā)酵飲料中持續(xù)積累,發(fā)酵時間過長,發(fā)酵過度,酸度升高。

依據(jù)感官評分和酸度的變化,以感官評分為主要參考指標,本實驗選擇發(fā)酵時間2.5 h左右為后期響應(yīng)面試驗因素水平。

2.2.3 CMC-Na添加量對產(chǎn)品感官評分和酸度的影響

CMC-Na添加量對復合谷物發(fā)酵飲料感官評分和酸度的影響分別見圖5和圖6。

圖5 CMC-Na添加量對復合谷物發(fā)酵飲料感官評分的影響

圖6 CMC-Na添加量對復合谷物發(fā)酵飲料酸度的影響

如圖5所示,CMC-Na添加量為0.1%～0.15%之間時,復合谷物發(fā)酵飲料的感官評分隨著穩(wěn)定劑添加量的增加而升高;CMC-Na添加量為0.15%時,其感官評分最高為86分;之后,隨著CMC-Na添加量的持續(xù)增加,感官評分不斷下降?？赡苁荂MC-Na具有的乳化作用,可以改變飲品的黏稠度和口感,當其添加量適中時,可使復合谷物發(fā)酵飲料口感潤滑,不易產(chǎn)生分層現(xiàn)象且粘稠度適中,此時感官評價最佳。而過量添加則使飲品乳化過度,降低感官評分。

如圖6所示,隨著CMC-Na添加量的不斷增加,復合谷物發(fā)酵飲料的酸度并無明顯變化。這可能是因為CMC-Na具有乳化穩(wěn)定性,可穩(wěn)定谷類飲品中所含的蛋白質(zhì),并減少脂肪與水之間的表面張力,增加乳化作用。因此CMC-Na添加量可改變飲料有關(guān)粘稠度方面的物理特性,對其理化特性-酸度的影響并不大。CMC-Na添加量影響產(chǎn)品的粘稠度從而對其感官評分產(chǎn)生顯著的影響。

依據(jù)感官評分和酸度的變化,以感官評分為主要參考指標,本實驗選擇CMC-Na添加量0.15%左右為后期響應(yīng)面試驗因素水平。

2.3 響應(yīng)面試驗結(jié)果

2.3.1 Box-Behnken 設(shè)計及提取結(jié)果

在單因素試驗的基礎(chǔ)上,以干酵母添加量(A)、發(fā)酵時間(B)、CMC-Na添加量(C)為自變量,感官得分為響應(yīng)值,設(shè)計三因素三水平響應(yīng)面試驗。試驗設(shè)計及結(jié)果見表5。

表5 響應(yīng)面試驗結(jié)果表

2.3.2 回歸模型的建立和顯著性分析

利用Design-Expert 8.0軟件對表5數(shù)據(jù)進行二元回歸擬合分析,獲得各個因素與感官得分評價之間的二次多項回歸方程:Y=87.12+0.32A+0.26B+0.32C-0.35AB+0.30BC-1.27A2-1.49B2-1.82C2。該模型的有效性和顯著性分析見表6。

表6 響應(yīng)面方差分析表

由表6可知,模型P值<0.0001,表明影響顯著。失擬項影響不顯著,即無關(guān)因素影響不顯著。模型決定系數(shù) R2為0.9901,即實際與預測相差不大,該模型可以對復合谷物發(fā)酵飲料的最優(yōu)工藝條件進行分析預測,由數(shù)據(jù)分析可知,A、B、C、AB、AC、A2、B2、C2影響顯著,其他項影響不顯著。根據(jù)F值可知,三個因素中對感官評分影響最大的是穩(wěn)定劑CMC-Na的添加量,干酵母添加量的影響次之,發(fā)酵時間的影響最小。

2.3.3 響應(yīng)面交互作用

(1)干酵母添加量與發(fā)酵時間的交互作用對復合谷物發(fā)酵飲料感官評分的影響。由圖7可以看出,干酵母添加量與發(fā)酵時間的交互作用顯著,對復合谷物發(fā)酵飲料的感官評分影響較大。干酵母添加量為一固定值時,感官評分會隨著發(fā)酵時間的延長呈現(xiàn)出先升后降的趨勢。感官評分最好時的發(fā)酵時間固定后,干酵母添加量成為自變量,此時感官評分隨著干酵母的添加量呈現(xiàn)出先升后降的趨勢,由此可知在某一發(fā)酵時間和干酵母添加量下的感官評價的得分最高。從圖7可以看出,交互作用下,干酵母添加量為0.05%,發(fā)酵時間為2.40 h時其感官得分最佳為87分。

圖7 干酵母添加量與發(fā)酵時間的等高線圖和交互作用圖

(2)干酵母添加量與CMC-Na添加量的交互作用對復合谷物發(fā)酵飲料感官評分的影響。在發(fā)酵時間確定的情況下,干酵母添加量與穩(wěn)定劑CMC-Na添加量同樣存在交互作用,固定干酵母添加量,以穩(wěn)定劑添加量為自變量,其感官評分隨之呈現(xiàn)出先升后降的趨勢,反之以干酵母為自變量,感官評分的趨勢也為先升后降。由此根據(jù)圖8可以明顯看出,當干酵母添加量為0.05%,穩(wěn)定劑CMC-Na添加量為0.18%時,感官評價得分最高為87分。

圖8 干酵母添加量與CMC-Na添加量的等高線圖和交互作用圖

(3)發(fā)酵時間與CMC-Na添加量的交互作用對復合谷物發(fā)酵飲料感官評分的影響。固定發(fā)酵時間,以CMC-Na添加量為自變量,復合谷物發(fā)酵飲料的感官評分隨CMC-Na添加量的持續(xù)增加呈現(xiàn)出先升后降的趨勢,感官得分最高時對應(yīng)的CMC-Na添加量為最優(yōu)工藝參數(shù)。由圖9可知,當發(fā)酵時間為2.40 h,CMC-Na添加量為0.18%時其感官得分最佳為87分。

圖9 發(fā)酵時間與CMC-Na添加量的等高線圖和交互作用

2.3.4 驗證實驗

在單因素試驗基礎(chǔ)上,通過響應(yīng)面試驗設(shè)計優(yōu)化得到復合谷物發(fā)酵飲料的最佳工藝參數(shù)為:干酵母添加量0.05%,發(fā)酵時間2.40 h,CMC-Na添加量0.18%。該條件下復合谷物發(fā)酵飲料產(chǎn)品的感官評分最高,為87.1642。為檢驗響應(yīng)曲面法優(yōu)化結(jié)果的可靠性,組織感官評定小組對感官評分最高的樣品進行評價驗證,得到其實際值為87.12分。理論與實際結(jié)果相差較小,說明該模型對復合谷物發(fā)酵飲料的工藝優(yōu)化是可行的,可進行實際應(yīng)用生產(chǎn)。

3 結(jié)論

以赤小豆、綠豆、薏仁、白藜麥、黑米等谷物為主要原輔料,經(jīng)過清洗、制漿、糖化、滅菌、接種、發(fā)酵、調(diào)配、消泡脫氣、灌裝等一系列工藝研制復合谷物發(fā)酵飲料。以感官評價作為評價指標,試驗結(jié)果表明,各谷物的最佳配比為綠豆∶白藜麥∶薏仁∶黑米(4∶2∶2∶2),料水比為(1∶9.5),當復合漿料為100 mL時,復合谷物最佳工藝條件為:發(fā)酵時長2.4 h、發(fā)酵菌種添加比例為0.05%、羧甲基纖維素鈉(CMC-Na)的添加比例為0.18%、黃原膠添加比0.06%、發(fā)酵溫度40 ℃,此時響應(yīng)面綜合得分理論值最高,在該工藝條件下制得的產(chǎn)品具有濃郁的谷物芳香,組織狀態(tài)均勻,口感潤滑等特點,其營養(yǎng)價值和市場價值較高。