一種瑪卡發酵飲料的工藝設計

(棗莊學院　山東　棗莊　277000)

一、前言

(一)瑪卡的概況

瑪卡(Lepidium meyenii Walp.(Maca))屬于十字花科(Cruciferae或Brassicaceae)獨行菜屬(Lepidium)的一種植物。葉子呈橢圓形，根莖形似小圓蘿卜，營養成分非常豐富，是一種純天然食品。原產地是位于南美的海拔距離3500-4500米的安第斯山區，現如今主要分布在秘魯東南部城市Puno和Puna生態區，有紅、白、黃、黑、紫5種類型。目前，瑪卡作為保健食品已獲得包括美國食品和藥物管理局在內的多個世界各發達國家的相關部門認證，我國原衛生部也在2011年批準瑪卡粉作為新型保健食品。自20世紀60年代初，關于瑪卡化學成分的研究日益增多，分析內容也逐步系統化。據科學家分析，瑪卡含有近59 %的碳水化合物、10 %左右的蛋白質、8.5 %的纖維素和含量不高的脂類化合物，以及高含量的礦質營養元素(如碘、鐵、鉀、鎂、鈉和鈣等)，多種維生素(Vb1、Vb2、Vb12、Ve和Vc等)。此外，瑪卡塊莖中含有瑪卡酰胺、瑪卡烯、生物堿、芥子油苷、類固醇等主要次生代謝物。

(二)瑪卡的研究現狀

1.能夠減輕負擔，緩解自身焦慮

瑪卡中的活性物質比如瑪卡酰胺等對人體頭部的腦垂體能夠產生直接影響，具有適應原樣的作用，在釋放壓力、緩解不良情緒、提高腦運動能力、提高人自身睡眠質量、保存體力等方面有顯著的作用。

2.能提高人體免疫力

據科學家研究發現，瑪卡能十分顯著地降低疲勞小鼠血清中尿素的產生，增加小鼠肝糖原的儲備量，對小鼠運動中血乳酸上升也顯示出突出的抑制作用，并對小鼠運動后血乳酸消除促進作用十分明顯。

3.可以增強體力，抗疲勞

瑪卡塊莖中富含多種氨基酸，其中本身包含的支鏈氨基酸可以有效減輕人體因運動產生的肌肉疲勞；微量元素鋅有助于人體神經內分泌激素水平調節，提高抗疲勞能力；瑪卡塊莖中?；撬岷渴重S富，而且牛磺酸對脂類的吸收有較強效果，可以增強心肌運動能力。

4.能夠調節內分泌，延緩身體衰老，調節性功能的作用

瑪卡中所含有的多種生物堿對于人體的內分泌調節均具有顯著作用；含有的甾醇和皂苷是多種激素的前體物質；對調節內分泌起作用的芥子油苷和異硫氰酸芐脂在瑪卡中含量豐富，可以使中老年人身體的內分泌系統保持較穩定狀態，身體組織的衰老速度也會放緩。瑪卡塊莖中特有的瑪卡烯與瑪卡酰胺這兩種生物活性物質，可以有效地改善男女性功能，所含前列腺素和固醇對性荷爾蒙的分泌起到一定程度的調節與協助的功效，使人體分泌的性激素趨于正常狀態。

(三)乳酸發酵飲料的發展狀況

1.乳酸菌發酵飲料的種類

近年來，乳酸菌發酵飲料深受人們的喜愛。不僅與其獨特的風味、老少皆宜的口感有關，更重要的是乳酸發酵飲料具有較高的營養價值和保健作用。從而導致諸多學者對乳酸發酵飲料的研究日益增多，乳酸發酵飲料的種類也隨之增多。根據國家對于蛋白質含量不同的標準，可分為乳酸菌乳飲料和乳酸菌飲料。從飲料的組織形態上分為凝固型和攪拌型發酵飲料。從生產工藝上又分為分批式和連續式。

2.乳酸菌發酵飲料的發展現狀

當今社會，人們消費水平的提高，人們的目光越來越多的聚焦到飲食健康和人體健康這兩個方面。乳酸菌作為一種對人體有益的菌，把其加入食品中加工成對人體有益的保健食品以成為全世界保健食品行業的焦點話題。但是乳酸菌應該符合下列條件：對正常人腸上皮細胞具有吸附性，能夠在人體消化道固定繁殖；產生抗菌物質；對致癌物具有拮抗作用；具有抗胃酸和膽汁酸鹽能力；具有安全性；臨床證實對健康有效。國外的乳酸發酵飲料已經拓展到果蔬型和稻谷物型乳酸發酵飲料等多個品種，這標志著乳酸菌發酵的原料范圍不只局限在乳制品，原料的選擇可以多樣化。而且在歐美其他國家的乳酸發酵制品已經占總乳制品的絕大部分，但是在國內的占有率卻十分有限。這表明我國的發酵產品具有一定的發展空間，潛力巨大。

(四)實驗的目的及意義

瑪卡是一種非常獨特的高原農作物，含有對身體有益的多種營養成分和具有諸多藥用成分，有強身健體、增強人體免疫力、緩解疲勞、提升男女生育能力等多種功效。從而逐漸被世界所關注、研究。現如今，以瑪卡為原料生產的各種保健食品在歐美各國銷量一路走紅。

本實驗以瑪卡為主要原料，通過食用酒精浸提，用乳酸菌在適宜條件下發酵，在調配的單因素實驗基礎上進行正交實驗優化，以求獲得最佳的瑪卡發酵飲料制作工藝，這不僅對食品科學和工藝有著很重要的參考價值，還可以提升瑪卡的附加值。并對本實驗進行工藝的設計、物料衡算、熱料衡算和設備的選擇。

二、實驗方案

(一)實驗結果

1.單因素實驗結果分析

1.1槐花蜂蜜添加量對瑪卡飲料的影響

在發酵液添加量30 %、檸檬酸添加量0.3 %、鮮橙多香精0.5 %的基礎上，按照4.0 %、5.0 %、6.0 %、7.0 %、8.0 %的比例加入到瑪卡發酵液后，感官評定：由圖2-1可以看出，槐花蜂蜜在添加量為6 %時口感和質地最佳，繼續添加蜂蜜時，甜味和酸味比例失衡。因此確定槐花蜂蜜的添加量為5.0 %～7.0 %為優化的考查范圍。

1.2 檸檬酸的添加量對瑪卡飲料的影響

在發酵液添加量30 %、蜂蜜添加量6 %、鮮橙多香精0.5 %的基礎上，按照0.1 %、0.2 %、0.3 %、0.4 %、0.5 %的比例加入瑪卡發酵液后，感官評定：由圖2-2可以看出，檸檬酸的添加量在0.3%時口感最佳，酸度適宜，有瑪卡特有的淡淡的味道，繼續添加檸檬酸時，則酸甜味道的比例失衡。因此確定檸檬酸的添加量為0.2 %～0.4 %為優化的考查范圍。

1.3 鮮橙多香精的添加量對瑪卡飲料的影響

在發酵液添加量30 %、蜂蜜添加量6 %、檸檬酸0.3 %的基礎上，按照0.3 %、0.4 %、0.5 %、0.6 %、0.7 %的比例加入瑪卡發酵液好后，感官評定：鮮橙多香精添加量在0.5 %時風味最佳，香氣適宜，繼續添加時，則香精的味道過重，掩蓋了原有瑪卡的香氣。因此確定鮮橙多香精的添加量為0.4 %～0.6 %為優化的考查范圍。

2. 配方的確定

由調配的單因素實驗分析結果得到瑪卡發酵飲料的最佳配方為槐花蜂蜜添加量為6.0 %，檸檬酸添加量為0.3 %，鮮橙多香精的添加量為0.5 %。在此最佳配方下進行的正交試驗結果分析所得，三個因素對調配方案的指標影響程度依次為檸檬酸的添加量、蜂蜜的添加量、香精的添加量。

三、工程設計

(一)物料衡算

云南瑪卡作為一種一年一熟的高原作物，因其收獲次數的特殊性而受到限制導致瑪卡發酵飲料只能作為一種季節性的飲料產品。故本次以云南會澤地區的瑪卡成熟季節12月份來生產，以月產40噸瑪卡發酵飲品，每月工作20天進行計算。

1. 瑪卡發酵飲品的配方

瑪卡提取液15.0 %，蜂蜜添加量為6.0 %，檸檬酸添加量為0.3 %，鮮橙多香精0.5 %，CMC-Na添加量為0.03 %，乳酸菌接種量為3.0 %，水添加量75.0 %。

2.瑪卡發酵飲品的物料衡算

瑪卡用量：瑪卡發酵飲料月產40噸，月消耗瑪卡：40 000kg×15%×15%=900 kg。將瑪卡粉碎成粉末質量耗損為6.0 %，則需要瑪卡原料為954 kg。

班產瑪卡發酵飲料2 000 kg為計算單位：

(1)設定裝瓶過程中工藝損失為1.0%，則裝瓶損失前的物料量為

2 000÷0.99=2 020.20 kg

蜂蜜占6.0 %，即2 020.20×8%=161.61 kg

檸檬酸占0.3 %，即2 020.20×0.3%=6.06 kg

鮮橙多香精占0.5 %，即2 020.20×0.5%=10.10 kg

發酵劑占3.0 %，即2 020.20×3.0%=60.60 kg

則混合配料前的物料量為：

2 020.20-161.61-6.06-10.10=1 842.43 kg

(2)設定發酵過程的工藝損失為0.3 %，則發酵損失前的物料量為：

1 842.43÷0.97-60.60=1 781.83 kg

(3)設定冷卻過程的工藝損失為0.1 %，則冷卻損失前的物料量

1 781.83÷0.99=1 799.82 kg

(4)設定殺菌過程的工藝損失為0.2 %，則殺菌損失前的物料量為

1 799.82÷0.98=1 836.55 kg

(5)設定浸提過程中提取率為15.0 %，則浸提前的物料量為

1 886.69×0.15=275.4 kg

(6)設定過濾過程中工藝耗損為0.082 %，則過濾前的物料量為

275.4÷0.918=300.0 kg

(7)與30%食用酒精混合的比例為1：3，則混合前所需的瑪卡原料為

300.0×0.25=75.0 kg

則生產2000kg成品飲料需總物料量為：

75.0+161.61+6.06+10.10+60.60=313.37 kg

其中瑪卡粉末75.0 kg，蜂蜜161.61 kg，檸檬酸6.06 kg，鮮橙多食用香精10.10 kg，乳酸菌60.60 kg。

3.包裝衡算

已知瑪卡發酵飲料月產40噸，每月生產瑪卡發酵飲料的工作日20天，設定一天為一班制，每班工作時間為8小時。

故全月成產瑪卡發酵飲料班次：20×1=20 班次

每班次生產量=Q÷K=40÷20=2 t/班

每小時生產量=Q÷h=40÷(20×8)=0.25 t/h=250 kg/h

按每瓶0.25kg計算，每千克飲品消耗飲料瓶=1÷0.25=4 瓶

每班消耗用飲料包(包/班)=單位飲品消耗包裝飲料瓶×班產量×(1+0.1%耗損率)=4×250×8×1.1=8 800 包/班

采用PET食品飲料瓶包裝，采用紙箱裝箱，每箱20包，箱數為

8 800÷20=440箱

(二)設備選型

設備選型應符合加工工藝要求,應將物料衡算作為衡量的標準。設備選型的好壞直接影響產品質量的高低，是體現生產水平的標準而且必須充分利用廠區空間。設備選型為動力配電、水、汽用量計算提供依據。選取的設備盡可能具備高程度的機械化和自動化，節約人工勞動，符合衛生要求。對于生產中關鍵設備除按實際生產能力所需的臺數配備外，還應考慮備用設備。若幾種產品都需要的共同 設備，應按處理量最大的品種所需的臺數確定。

(三)熱量衡算

1.用水量衡算

生產車間用水主要是清洗瑪卡、加水浸提、飲料調配、冷卻用水、清洗設備和地面等，其中清洗瑪卡用自來水，生產用水均采用經處理過后的自來水。

①清洗瑪卡：每班需要對75 kg干瑪卡進行清水沖洗，設定1 kg干瑪卡需要10 kg進行清洗，清洗瑪卡用水量W1=75.0×10=750 kg

②加水浸提：W2=30 %食用酒精稀釋所用的凈化水為(75×9)-(75×9×0.3÷0.95)=462 kg

③飲料調配：生產2 000 kg瑪卡發酵飲料，其中純凈水的比例為75 %，W3= 2 000×0.75=1 500 kg

④冷卻用水：班產飲料2 000 kg，冷卻用水4 000 kg

⑤設備清洗：

式中：d-清洗設備進水管的內徑(m)

v-水在管道內的流速(m/s)

t-清洗設備使用時間(s)

ρ-水的密度(kg/m3)

根據食品工業用水標準，取車間內水管的內徑=70 mm，v=2.5 m/s，主要設備每次用后都要清洗，每班2次，5分鐘每次，耗時2×5=10分鐘，而發酵罐每班清洗約20分鐘，加上其他設備約20分鐘，所以估算耗時=10+20+20=50 min=3 000 s

⑥沖洗地面用水量：沖洗地面耗水量W5：一般情況下，每平方米地面用50kg，車間總面積1000m2。因此地面清洗用水為W5=50×1000=50 000kg

綜上所述：每班總耗水W=85 569.9 kg

2.用電衡算

工廠的實際運行需要供電支持，因此應對該工廠用電設備的實際耗電量進行統計計算。計算方法驟如下(以班產量計算)：

① 根據全設備功率估計用電量，設定設備使用率75 %，則設備總用電量：E1=100.54×0.75×8=603.24 kw·h

② 采光不足或夜間時照明用電，若按5 w/m2計算，則照明用電E2=1 000×5×8=40 kw·h

故總用電量為643.24 kw·h。

結語

本產品是一種乳酸發酵飲料，依靠乳酸菌發酵產生多種益于人體的氨基酸、維生素、酶，以此來提高發酵制品的營養價值。作為一種飲品，國內以瑪卡為主原料進行發酵研制飲料的工藝并不多見，多以輔料進行添加，進而生產有瑪卡風味的果酒、奶昔等產品，或僅進行瑪卡粉的生產，產品較為單一，開發市場十分巨大。本次瑪卡發酵飲品的開發，不僅能夠使瑪卡的生物成分較充分的利用，而且通過調配將瑪卡濃郁的味道進行稀釋到是消費者能夠接受的程度。該產品的出現，對國內瑪卡市場的開拓影響必定不俗。