響應面法優(yōu)化黃精泡菜制備工藝

摘要：以新鮮一年生黃精（Polygonatum sibiricum）根莖為原料研制黃精泡菜，采用單因素試驗研究發(fā)酵溫度、鹽添加量和糖添加量對黃精泡菜總酸、鹽度等理化性質的影響；以感官評分為評價指標，利用響應面優(yōu)化黃精泡菜加工工藝。結果表明，黃精泡菜的最佳工藝條件為發(fā)酵溫度25 ℃、鹽添加量4.0%和糖添加量4.0%，其感官評分達到最高，在此條件下生產的黃精泡菜酸甜適口、清爽脆嫩，具有較高的營養(yǎng)價值。

關鍵詞：黃精（Polygonatum sibiricum）泡菜；工藝；響應面法

中圖分類號：TS255.54" " " " "文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2024）11-0147-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.11.025 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Optimization of processing technology of Polygonatum sibiricum pickles by response surface methodology

LIU Gang-qiang1，2，FAN Shu-miao1，LI Jia-yu1，JIAO Jia-yin1，DING Jian-jian1，

YANG Li-xin3，LI Lian-zhen1，LI Juan1，HONG Li-ya1

（1. College of Agronomy， Henan Agricultural University， Zhengzhou" 450046， China； 2. School of Pharmacy， Hebei Medical University， Shijiazhuang" 050017， China； 3. Key Laboratory of Economic Plants and Biotechnology， Kunming Institute of Botany， Chinese Academy of Sciences， Kunming" 650201， China）

Abstract： The fresh annual rhizome of Polygonatum sibiricum was used as the raw material for the development of Polygonatum sibiricum pickles. The single-factor experiment was conducted to investigate the effects of fermentation temperature， salt addition， and sugar addition on the physicochemical properties of these pickles， such as total acid， salinity and so on. The processing technology of Polygonatum sibiricum pickles was optimized using response surface methodology with the sensory score as the evaluation index. The results showed that the optimum processing condition of Plygonatum sibiricum pickles was fermentation temperature of 25 ℃， salt addition of 4.0% and sugar addition of 4.0%. Under this condition， the sensory score reached the highest， and the resulting Plygonatum sibiricum pickles exhibited moderate sweetness and sourness， crispness and refreshing taste， and high nutritional value.

Key words： Polygonatum sibiricum pickles； processing； response surface methodology

泡菜在中國食用歷史悠久［1］，具有區(qū)域特色明顯、工藝類型多樣等特點。泡菜是以新鮮蔬菜為原料，利用乳酸菌和多種菌種共同發(fā)酵而成的蔬菜制品［2］，包括豇豆、茭白、菊芋、胡蘿卜等。因其口感酸爽脆嫩、開胃可口、制作方便簡單的特點深受老百姓喜愛，現代研究表明泡菜具有凈腸、抗菌、抗肥胖及抗衰老等功效［3-6］。

黃精為百合科黃精（Polygonatum sibiricum）的干燥根莖，具有補氣養(yǎng)陰、補益脾氣等功效。黃精作為藥食同源的食材，營養(yǎng)價值高，其根莖中淀粉含量8.33%～10.89%、可溶性膳食纖維含量3.41%～9.53%［7］，還含有18種人體所需氨基酸［8］、多糖［9］、甾體皂苷、酚酸、黃酮等生物活性物質［10，11］。黃精食用歷史悠久，在安徽、湖南、河南、廣東、廣西等地有燉肉、泡酒、藥膳、饅頭、煲湯等［12-14］食用習慣，市場上也可見黃精茶、黃精粉等功能性產品。新鮮黃精具有麻舌感且纖維含量豐富，其加工產品較少，市場上以黃精為原材料的泡菜鮮有開發(fā)。因此本研究以新鮮一年生黃精根莖為原料研制黃精泡菜，通過單因素試驗分析黃精泡菜pH、總酸、鹽度、亞硝酸鹽和感官評分在不同發(fā)酵溫度、鹽添加量、糖添加量下的變化規(guī)律，通過響應面法進行工藝優(yōu)化，探究黃精泡菜最佳發(fā)酵工藝，為黃精產品的開發(fā)和泡菜種類的豐富提供產業(yè)化依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

材料：黃精，河南省三門峽市盧氏縣黃精種植基地；白酒，瀘州老窖股份有限公司；泡菜鹽，中鹽河南鹽業(yè)物流配送有限公司；乳酸菌發(fā)酵粉，北京川秀科技有限公司；涼白開；姜、小米辣、蒜、花椒、冰糖購自鄭州農貿市場。

試劑：氫氧化鈉（AR），上海麥克林生化有限公司；硫酸鋅、正辛醇、酚酞指示劑（AR），國藥集團化學試劑有限公司；95%乙醇（AR），上海泰坦科技有限公司；亞鐵氰化鉀，天津市光復精細化工研究所；硝酸鉀標準溶液，深圳市安澤欣科技有限公司；鹽酸（ρ=1.19 g/mL）， 揚州市華富化工有限公司；氨水（25.00%），山東青甲化工有限公司；活性炭（粉狀），江蘇恩凱活性炭有限公司；去離子水，杭州娃哈哈集團有限公司。

1.2 儀器與設備

PHS-3E型精密pH計，上海儀電科學儀器股份有限公司；HT212ATC型鹽度計，源恒通科技有限公司；721型紫外可見分光光度計，上?？等A生化儀器制造有限公司；LRH-250A型生化培養(yǎng)箱，寧波普朗特儀器有限公司；SW-CJ-2F型超凈工作臺，浙江蘇凈凈化設備有限公司；YP10001型電子天平，上海衡際科學儀器有限公司。

1.3 黃精泡菜發(fā)酵工藝

原料準備→初加工→瀝干水分→調制腌料→接種，調鹽、糖濃度→裝壇→控溫發(fā)酵→包裝→成品［15，16］。

1.4 試驗設計

1.4.1 單因素試驗 基于黃精泡菜加工工藝流程，選取發(fā)酵溫度（A）、鹽添加量（B）和糖添加量（C）3個因素進行單因素試驗。在鹽添加量4%和糖添加量4%條件下選取20、25、30 ℃ 3個水平的發(fā)酵溫度進行試驗；在25 ℃發(fā)酵溫度、4%鹽添加量條件下進行糖添加量2%、3%、4%、5%、6%的5個水平試驗；在發(fā)酵溫度25 ℃、4%糖添加量條件下進行鹽添加量2%、3%、4%、5%、6%的5個水平試驗。通過單因素試驗初步選取每個因素的水平范圍，每次發(fā)酵試驗設置3個平行試驗。在發(fā)酵7 d內，分別測定第1天、第3天、第5天、第7天不同發(fā)酵時間下總酸含量、pH、亞硝酸鹽含量、鹽度和感官評分，分析并比較不同發(fā)酵方式對各指標的影響。

1.4.2 響應面試驗設計 在單因素試驗［17］的基礎上，確定三因素三水平分別為發(fā)酵溫度（20、25、30 ℃）、鹽添加量（3%、4%、5%）和糖添加量（3%、4%、5%），以感官評分作為優(yōu)化指標，采用響應面分析法對黃精泡菜生產工藝進行優(yōu)化。因素水平見表1。

1.4.3 感官評價 邀請20位專業(yè)人士對黃精泡菜進行感官評價，根據色澤（25%）、香味（25%）、風味（25%）、質地（25%）進行評分，滿分100分，評分標準如表2所示。

1.5 黃精泡菜品質測定方法

按照國家食品安全相關要求，總酸參照GB/T 12456—2021《食品安全國家標準 食品中總酸的測定》測定；pH采用pH計測定；鹽度按GB/T 5009.44—2016《食品安全國家標準 食品中氯化物的測定》測定；亞硝酸鹽含量按照GB/T 5009.33—2016《食品安全國家標準 食品中亞硝酸鹽與硝酸鹽的測定》進行測定。

1.6 數據分析處理

試驗結果采用Excel 2022及Design-Expert 8.0.6 軟件進行數據分析。

2 結果與分析

2.1 不同溫度、鹽添加量和糖添加量對黃精泡菜發(fā)酵液pH和總酸的影響

2.1.1 不同溫度對黃精泡菜發(fā)酵液pH和總酸的影響 pH和總酸是影響泡菜品質的重要理化參數，可反映泡菜品質、突顯微生物的變化情況［18，19］。如圖1所示，隨發(fā)酵時間進行總酸含量呈先快速增加后逐漸穩(wěn)定的趨勢，這與其他泡菜研究變化趨勢相符［20］，前期pH下降和總酸上升，推測其主要原因為乳酸菌快速繁殖代謝生成大量乳酸［21］。pH在發(fā)酵溫度為20 ℃和25 ℃條件下均為隨發(fā)酵時間進行逐漸降低且趨于穩(wěn)定，30 ℃條件下呈先降低再上升后穩(wěn)定的趨勢。推測其原因為發(fā)酵初期發(fā)酵液中碳源含量豐富，各種菌快速增殖，碳源被快速代謝使各種有機酸含量迅速增加，中后期碳源減少且逐漸積累大量乳酸和H+，乳酸菌生長受到抑制，乳酸代謝途徑因乳酸的積累產生反饋抑制作用，使泡菜發(fā)酵中后期pH下降趨勢和總酸增加趨勢均處于減緩或平穩(wěn)狀態(tài)。有別于20 ℃和25 ℃，30 ℃條件下pH在第3天達到最低，之后又上升并趨于穩(wěn)定，推測原因可能是溫度升高加快菌類的代謝，導致一部分乳酸被消耗，或布氏乳桿菌、丙酸菌屬和梭菌屬利用乳酸代謝丙酸等物質［22］。同一發(fā)酵時間下，總酸含量隨溫度升高而呈上升趨勢，說明升高溫度，加快乳酸菌代謝產酸。黃精泡菜pH在發(fā)酵前3 d隨溫度的升高呈下降的趨勢，且在20 ℃和25 ℃條件下差異不大，但明顯高于發(fā)酵溫度30 ℃條件下pH；從第3天開始，發(fā)酵溫度25 ℃條件下pH仍低于20 ℃條件下pH，但兩者之間差異增大，發(fā)酵溫度30 ℃條件下pH 2.92，并略低于20 ℃條件下pH 2.95。

2.1.2 不同鹽添加量對黃精泡菜發(fā)酵液pH和總酸的影響 食鹽在泡菜發(fā)酵和儲存過程中能夠影響泡菜中微生物菌群結構及風味，產生的滲透壓可以在一定程度上抑制致病菌和腐敗菌生長［23］。如圖2所示，不同鹽添加量下黃精泡菜的pH均隨發(fā)酵時長呈逐漸降低并趨于穩(wěn)定的趨勢；相同發(fā)酵時間下，黃精泡菜的pH隨著鹽添加量的增加呈上升的趨勢。不同鹽添加量下總酸含量隨發(fā)酵時長呈增長且趨于穩(wěn)定的狀態(tài)，發(fā)酵進行到第5天后，總酸含量出現降低及趨于穩(wěn)定。可能是因為在高鹽濃度下，高滲透壓會抑制乳酸菌等微生物的代謝，鹽溶液產生的滲透壓使耐受性差的微生物脫水甚至失去活力，抑制泡菜中后期乳酸菌的生長和代謝。

2.1.3 不同糖添加量對黃精泡菜發(fā)酵液pH和總酸的影響 糖分作為乳酸菌的碳源物質，使乳酸菌快速生長繁殖，能提高泡菜的發(fā)酵速度，增加泡菜風味。從圖3可以看出，不同糖添加量下隨發(fā)酵時間的增加黃精泡菜的總酸含量升高，而pH呈現降低并趨于穩(wěn)定的狀態(tài)。前期由于菌類在碳源充足的條件下快速繁殖和代謝，使發(fā)酵液中總酸含量和pH在前3 d變化幅度最大，發(fā)酵3 d后泡菜中微生物的增長速率減慢，活性受到酸度的抑制使增長速率減緩。在發(fā)酵前5 d，不同糖添加量對pH和總酸影響不大；發(fā)酵第7天糖添加量3%和4%時所得總酸含量較高，分別為12.57 g/L和13.42 g/L。

2.2 不同溫度、鹽添加量和糖添加量和對黃精泡菜鹽度的影響

如圖4A所示，在發(fā)酵前3 d，不同發(fā)酵溫度下黃精泡菜液的鹽度為：30 ℃下鹽度gt;20 ℃下鹽度gt;25 ℃下鹽度。發(fā)酵第5天后不同發(fā)酵溫度下黃精泡菜液的鹽度為：25 ℃下鹽度gt;20 ℃下鹽度gt;30 ℃下鹽度，其中發(fā)酵溫度25 ℃與20 ℃時鹽度無顯著性差異，原因可能是發(fā)酵溫度高時鹽浸漬速度較快，泡菜質地變得松軟，含水量提高，黃精泡菜本身鎖住大量鹽分，發(fā)酵后期溶液酸度更大，碳源減少，產鹽效率大大降低，故30 ℃泡菜液發(fā)酵第7天時鹽度較低。如圖4B所示，發(fā)酵液的鹽度隨著發(fā)酵時間的增加呈先增加后穩(wěn)定的趨勢，不同鹽添加量變化趨勢相同，鹽添加量越大對應的鹽度也越大。如圖4C所示，發(fā)酵液的鹽度隨發(fā)酵時間的變化大致呈先增長后穩(wěn)定的趨勢，隨著糖添加量增加鹽度越大。發(fā)酵溫度較高、鹽度和糖度增加均能使黃精泡菜發(fā)酵初期鹽度浸漬速率高，當發(fā)酵完成時鹽分和糖分完全浸入蔬菜使得鹽度達到內外環(huán)境平衡狀態(tài)，逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)，說明泡菜已發(fā)酵成熟［24，25］。

2.3 不同溫度、鹽添加量和糖添加量對黃精泡菜感官評價的影響

黃精泡菜的感官評價根據色澤、香味、風味、質地進行統(tǒng)計。如圖5A所示，發(fā)酵溫度20 ℃在第7天感官評價總體評分最佳，25 ℃在第5天感官評價總體評分最佳，30 ℃在第3天感官評價總體評分最佳。發(fā)酵溫度20 ℃發(fā)酵5 d所得黃精泡菜在香味和風味偏弱，成熟度不高，部分菜品還未發(fā)酵完全；30 ℃時前3 d香味、風味和質地明顯優(yōu)于20 ℃和25 ℃，但后期發(fā)酵天數增長出現過酸及質地軟化等情況；25 ℃時黃精泡菜第5天的感官評分高達87分，泡菜的風味、香味和爽脆度較好。如圖5B所示，不同鹽添加量下感官評分隨發(fā)酵時長呈先上升后下降的趨勢；隨著鹽添加量增加其評分呈先增加后減少的現象。鹽添加量過高或過低都對黃精泡菜風味有較大影響，在鹽添加量4%時，泡菜在發(fā)酵溫度25 ℃發(fā)酵" 5 d時風味和脆度適中，酸甜可口，與圖5A所示結果一致。如圖5C所示，不同糖添加量的感官評分隨發(fā)酵時長出現先上升后下降的趨勢。黃精泡菜在糖添加量4%和5%時前5 d的感官評分無差異性，發(fā)酵第5天時表現為風味酸甜可口，質地脆嫩，色澤均勻鮮亮；糖添加量5%時在發(fā)酵5 d后酸度較大；糖添加量6%時發(fā)酵3 d后酸味加重，因此確定糖添加量4%時風味較佳，酸甜適口。

2.4 不同因素對黃精泡菜亞硝酸鹽含量的影響

泡菜發(fā)酵過程中原料在細菌代謝作用下產生一定的亞硝酸鹽，根據GB 2762—2022《食品安全國家標準 食品中污染物限量》規(guī)定泡菜中亞硝酸鹽含量不得高于2 mg/100 g。本試驗中不同發(fā)酵條件下黃精泡菜亞硝酸鹽含量均在發(fā)酵第1天達到最高值，隨著發(fā)酵時長增加呈下降趨勢［26，27］，其中亞硝酸鹽含量所測最大值為0.33 mg/100 g，遠低于國家標準限量值。

2.5 響應面優(yōu)化黃精泡菜生產工藝

綜合單因素試驗結果，選擇發(fā)酵溫度（A）、鹽添加量（B）、糖添加量（C）3個因素，以感官評分（Y）為響應值，采用Box-Behnken Design設計17組試驗，進行回歸分析，并分析各因素及各因素之間的交互作用對響應值的影響。試驗設計及結果見表3。

分析黃精泡菜的生產條件可知，發(fā)酵溫度、鹽添加量和糖添加量都是極顯著因素。黃精泡菜感官評分的二次回歸擬合方程為：感官評分=85.61-1.16A-0.89B + 1.92C - 0.18AB - 0.82AC - 1.09BC - 7.09A2 -6.97B2-6.10C2

從表4可知，模型Plt;0.000 1，表明回歸模型極顯著。但是失擬項P=0.874 8不顯著，說明模型和實際情況擬合度比較好，可對黃精泡菜生產工藝進行預測。

響應曲面圖反映了各因素交互作用對響應值的影響，主要以三維響應面的坡面陡峭程度來表示影響的作用大?。?8］。響應面越陡峭、等高線越接近橢圓形，表明兩個獨立變量的交互作用越強，對響應值的影響越顯著。由圖6可知，響應面的陡峭程度為BCgt;ACgt;AB，即鹽添加量與糖添加量的交互作用響應面最陡峭，對泡菜感官評分的影響最大，與表4結果相一致。

以試驗結果和回歸方程各項的方差分析為基礎，用響應面分析法對黃精泡菜的生產工藝進行優(yōu)化，得到黃精泡菜生產的最佳條件為發(fā)酵溫度24.4 ℃、鹽添加量3.9%和糖添加量4.2%，在此條件下黃精泡菜感官評分達85.83分。

3 小結

本研究探討在不同發(fā)酵溫度、鹽添加量和糖添加量條件下，黃精泡菜發(fā)酵過程中pH、總酸、鹽度、亞硝酸鹽和感官評分的變化規(guī)律，利用響應面法進行工藝優(yōu)化，得到黃精泡菜生產的最佳條件為發(fā)酵溫度24.4 ℃、鹽添加量3.9%和糖添加量4.2%，在此條件下生產的黃精泡菜感官評分達85.83分，亞硝酸鹽含量明顯低于限量標準。結合實際生產并再次驗證，最終將黃精泡菜發(fā)酵最佳條件調整為發(fā)酵溫度25 ℃、鹽添加量4.0%和糖添加量4.0%，此條件下生產的黃精泡菜色澤均勻，香味濃郁且無異味，咸淡適中，爽脆可口。本研究以期為黃精發(fā)酵蔬菜的加工提供技術支撐，為相關企業(yè)標準化生產提供參考。

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收稿日期：2023-05-08

基金項目：國家自然科學基金青年項目（32300334）；河南省中藥材產業(yè)科技特派員服務團項目（2024）；2023年教育部中西部高等學校青年骨干教師國內訪學項目；國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目（202010466044）；2022年度河南農業(yè)大學大學生創(chuàng)新訓練計劃項目（2022DC005）

作者簡介：劉剛強（2000-），男，河南濮陽人，在讀碩士研究生，研究方向為藥用植物資源開發(fā)與利用，（電話）15939385272（電子信箱）15939385272@163.com；通信作者，洪利亞（1984-），女（回族），河南漯河人，副教授，博士，主要從事藥用植物資源開發(fā)與利用研究，（電話）13525520103（電子信箱）hongliya@henau.edu.cn。