響應面法優化益生菌發酵香蕉金針菇飲料的工藝研究

郗恩光,譚海生,楊勁松*,鞠雪莉,崔坤鵬,郭海陽,李曉雷

(1.海南大學 食品學院,海南 海口 570228;2.海南大學 材料與化工學院,海南 海口 570228)

香蕉(Musa nana Lour)為芭蕉科芭蕉屬植物,主要生長在熱帶地區。亞洲東南部國家種植較多,我國的臺灣、海南、廣東、廣西等地區均有栽培[1]。其果肉味香、營養豐富,還含有多種礦物質元素及維生素[2]。香蕉味甘性寒,可清熱、解毒、潤腸、利尿、消腫,促進腸胃蠕動,具有較高的食療價值和醫用價值,對于便秘、痔瘡出血癥等疾病具有良好的效果[3-5]。

金針菇(Flammulina velutiper)又稱樸菇、金菇、冬菇、毛柄金錢菌、構菌等,隸屬擔子菌亞門層菌綱傘菌目口蘑科小火焰菌屬或金錢菌屬[6-7]。其含有豐富的營養物質,具有較高的藥用價值和營養價值。金針菇多糖能抗癌、降低膽固醇[8-9];蛋白質含量高且質量好。金針菇還含有火菇素和構菌蛋白原等抗腫瘤的蛋白類物質[10-11];金針菇中含有18種氨基酸,其中8種人體必需氨基酸齊全[12],尤其是賴氨酸和精氨酸含量較高。

近年來,隨著人們生活水平的持續提高和消費觀念的不斷改變,人們在飲食方面發生了很大的變化,對健康和營養日趨重視,在選擇食品時逐漸偏向于選擇營養更加全面、更加健康的食品,將香蕉和金針菇進行搭配,既包含了香蕉中豐富的營養物質及果香,又包含了金針菇中豐富的氨基酸及金針菇的清香,因其具有獨特風味、芳香可口、營養豐富以及含有多種對人體有益的維生素而深受廣大消費者的青睞,市場前景廣闊。因此,不斷研發新型乳酸發酵飲料已成為行業發展的一大趨勢。復合益生菌由多種益生菌組成,每種益生菌有不同的功效,將多種功效結合在一起的復合益生菌要優于單種益生菌發酵。所以由復合益生菌發酵的香蕉金針菇飲料必將受到人們的青睞。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

香蕉、金針菇、蔗糖:市售;植物乳桿菌(Lactobacillus plantarum)HN1、J1,副酪乳桿菌(Lactobacillus paracasei)YLC92:海南大學食品學院實驗室;MRS培養基:北京陸橋技術有限責任公司;羧甲基纖維素鈉(carboxymethylcellulose-Na,CMC-Na)、黃原膠、卡拉膠:浙江多味化工食品有限公司。

1.2 儀器與設備

SW-CJ-17-D超凈工作臺:蘇州佳寶凈化工作設備有限公司;DHG-9203A電熱恒溫鼓風干燥箱:寧波江南儀器廠;SKP-01電熱恒溫培養箱:湖北省黃石恒豐醫療器械有限公司;PhS-3E型pH計:上海雷磁儀器廠;PL303電子天平:梅特勒托利多儀器(儀器)有限公司;BCD-201D容聲冰箱:海信容聲(廣東)冰箱有限公司;MDF-382E(N)超低溫冰箱:日本三洋公司YM50FGN全自動高壓滅菌鍋:上海滬譽貿易有限公司。

1.3 方法

1.3.1 香蕉金針菇飲料的工藝流程及操作要點

(1)香蕉汁的制備

香蕉去皮后切成1 cm小段,放入護色液(檸檬酸∶維生素C=2∶1)中,密封護色0.5 h[15-16]。將護色好的香蕉段于95℃熱水中熱燙5 min。將熱燙冷卻后的香蕉按規定料液比1∶2(g∶mL)進行打漿,打漿0.5 min,將香蕉勻漿先過濾,再用循環水式真空泵抽濾得香蕉汁,備用。

(2)金針菇汁的制備

挑選新鮮的金針菇,清洗后按料液比為1∶2(g∶mL),加水煮沸5 min,以防止氧化褐變。將浸提液和金針菇置于打漿機中打漿2～3 min,打漿后將金針菇勻漿放入冰箱冷凍,解凍后將金針菇勻漿先用紗布過濾,再用循環水式真空泵抽濾得金針菇汁,備用[17]。

(3)殺菌:水浴85℃保溫5 min。

(4)冷卻至37℃接種。

(5)發酵:37℃恒溫發酵。

1.3.2 香蕉金針菇飲料發酵條件優化單因素試驗

分別考察香蕉金針菇汁配比(1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1(mL∶mL)),發酵劑接種量(HN1∶J1∶YLC92=1∶1∶1)(1%、2%、3%、4%、5%),蔗糖添加量(2%、4%、6%、8%、10%),發酵時間(4 h、8 h、12 h、16 h、20 h、24 h),發酵溫度(29℃、33 ℃、37℃、41℃、45℃)對香蕉金針菇飲料感官評分的影響。

1.3.3 香蕉金針菇飲料發酵條件優化響應面試驗

依據單因素試驗結果,以香蕉金針菇汁配比(A)、發酵劑接種量(B)、蔗糖添加量(C)為3個因素,感官評分(Y)為響應值,選擇采用Box-Behnken響應面設計法進行優化[18-20]。響應面試驗因素水平見表1。

表1 香蕉金針菇飲料發酵條件優化響應面試驗因素與水平Table1 Factors and levels of response surface methodology for banana and Flammulina velutipes beverage fermentation conditions optimization

1.3.4 香蕉金針菇飲料穩定性試驗

分別考察CMC-Na添加量(0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%)、卡拉膠添加量(0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%)、黃原膠添加量(0.01%、0.02%、0.03%、0.04%、0.05%)對香蕉金針菇飲料感官品質的影響。

1.3.5 測定方法

(1)乳酸含量:按照參考文獻[21]的方法進行測定。

(2)感官評價:由10名食品學院老師及同學依據感官評分標準表對飲料進行感官評分,感官評分標準見表2。

表2 香蕉金針菇飲料感官評分標準Table2 Sensory evaluation standards of banana and Flammulina velutipes beverage

(3)微生物指標:按照參考文獻[22]的方法進行測定。

圖1 香蕉金針菇汁配比對飲料感官品質的影響Fig.1 Effect of banana and Flammulina velutipes juice ratio on sensory quality of the beverage

2 結果與分析

2.1 發酵條件單因素試驗結果

2.1.1 香蕉金針菇汁配比對香蕉金針菇飲料感官品質的影響

由圖1可以看出,香蕉金針菇飲料的感官評分隨主料香蕉汁比例的增加呈現先升高后降低的趨勢,當香蕉金針菇汁配比為4∶1(mL∶mL)時感官評分最高,達到92分;香蕉金針菇飲料中乳酸的含量隨香蕉汁比例的增大呈現先升高后降低的趨勢,當香蕉金針菇汁配比為4∶1(mL∶mL)時乳酸的含量最高,達到7.2 g/L。當香蕉汁的添加量逐漸增加時,乳酸菌發酵營養物質效率逐漸增高,同時乳酸的含量也逐漸增加,風味逐漸濃郁;當香蕉汁的添加量過量時,乳酸菌不能有效的發酵香蕉汁中的營養物質,導致飲料的風味較差和乳酸的含量較低。因此,最佳香蕉汁金針菇汁配比為4∶1(mL∶mL)。

2.1.2 發酵劑接種量對香蕉金針菇飲料感官品質的影響

圖2 發酵劑接種量對飲料感官品質的影響Fig.2 Effect of starter inoculum on sensory quality of the beverage

由圖2可以看出,香蕉金針菇飲料的感官評分隨發酵劑接種量的增加呈現先升高后降低的趨勢,當接種量為4%時感官評分最高,達到93分;香蕉金針菇飲料的乳酸含量隨接種量的增加而增加,當接種量＞4%之后,乳酸菌產生的乳酸也會過高,會嚴重影響飲料的口感風味。因此,最佳的接種量為4%。

2.1.3 蔗糖添加量對香蕉金針菇飲料感官品質的影響

圖3 蔗糖添加量對飲料感官品質的影響Fig.3 Effect of sucrose addition on sensory quality of the beverage

由圖3可以看出,香蕉金針菇飲料的感官評分隨蔗糖添加量的增加呈現先升高后降低的趨勢,當蔗糖添加量為6%時感官評分最高,達到92分;香蕉金針菇飲料中乳酸的含量隨蔗糖添加量的增加呈現先升高后降低的趨勢,當蔗糖添加量為6%時乳酸含量最高,達到7.47 g/L。當蔗糖添加量逐漸增加時,飲料中的營養物質豐富,乳酸菌發酵徹底,乳酸逐漸增加,風味越好;當蔗糖添加量＞6%之后,會影響乳酸菌的生長,乳酸含量降低,風味變差。因此,最佳的蔗糖添加量為6%。

2.1.4 發酵時間對香蕉金針菇飲料感官品質的影響

圖4 發酵時間對飲料感官品質的影響Fig.4 Effect of fermentation time on sensory quality of the beverage

由圖4可以看出,香蕉金針菇飲料的感官評分隨發酵時間的延長呈現先升高后降低的趨勢,當發酵時間為20 h時香蕉金針菇飲料的感官評分最高,達到93分;香蕉金針菇飲料的乳酸含量隨發酵時間的延長逐漸增加。發酵時間短,乳酸菌的菌量少且發酵不完全,當發酵較完全時,乳酸的含量較高,此時會影響飲料的風味口感。因此,最佳的發酵時間為20 h。

2.1.5 發酵溫度對香蕉金針菇飲料感官品質的影響

圖5 發酵溫度對飲料感官品質的影響Fig.5 Effect of fermentation temperature on sensory quality of the beverage

由圖5可以看出,香蕉金針菇飲料的感官評分隨發酵溫度的升高呈現先升高后降低的趨勢,當發酵溫度為37℃時感官評分最高,達到93分;香蕉金針菇飲料的乳酸含量隨發酵溫度的升高呈現先升高后降低的趨勢,當發酵溫度為37℃時乳酸含量最高,達到7.56 g/L。當溫度較低時,乳酸菌的活性較低,不能完全發酵營養物質,感官評分較低;當溫度過高時,高溫會抑制乳酸菌的生長,乳酸菌不能完全發酵營養物質,感官評分較低,乃有在適宜的溫度條件下發酵,乳酸菌發酵較為徹底,風味最好。因此,最佳的發酵溫度為37℃。

2.2 發酵條件優化響應面試驗結果

根據單因素試驗結果,選擇香蕉金針菇汁配比(A)、發酵劑接種量(B)和蔗糖添加量(C)進行3因素3水平的Box-Behnken中心組合試驗設計,共計17次試驗,結果如表3所不。

表3 香蕉金針菇飲料發酵條件優化響應面試驗設計方案與結果Table3 Design and results of response surface methodology for banana and Flammulina velutipes beverage fermentation conditions optimization

利用Design-Expert8.0.6分析軟件對試驗結果進行多元回歸分析,得到感官評分(Y)的預測模型:

由表4可知,P＜0.0001,說明模型回歸方程各因素關系極顯著;失擬項=0.2740＞0.05,失擬項不顯著,說明模型回歸方程能夠反映感官評分與各因素的關系;同時R2=0.9742,R2Adj=0.941 0,說明該模型回歸方程合理有效。從表4可以看出,A、C、AC、A2、B2、C2對應的P＜0.01,對感官評分影響極顯著;B、AB對應的P＜0.05,對感官評分影響顯著;BC對感官評分影響不顯著。根據表中各因素的F值的大小可以看出,各因素對感官評分的影響順序為蔗糖添加量(C)＞香蕉金針菇汁配比(A)＞發酵劑接種量(B)。

表4 響應面試驗結果方差分析Table4 Variance analysis of response surface methodology results

由圖6可知,香蕉金針菇飲料的感官評分隨香蕉金針菇汁配比的增加呈現先上升后下降的趨勢,隨接種量的增加呈現向上升后下降的趨勢。當接種量是定值,香蕉金針菇汁配比較低或較高時,感官評分較低,這是因為主輔料較低或較高時,飲料中的一種原料香氣過高,覆蓋了另一種原料的香氣,所以感官評分較低。當香蕉金針菇汁配比是定值,接種量過低或過高時,感官評分同樣較低,這是因為接種量過低時,乳酸菌不能完全發酵香蕉金針菇汁中的營養物質,缺乏乳酸風味;接種量過高時,乳酸菌基數較大,發酵速度較快產生大量乳酸,過高的乳酸也會影響口感,所以也影響感官評分。響應面曲面較陡,說明香蕉金針菇汁配比和接種量對飲料的感官評分影響較大,與方差分析結果一致。香蕉金針菇飲料的感官評分隨香蕉汁的增加呈現先上升后下降的趨勢,隨含糖量的增加呈現向上升后下降的趨勢。當蔗糖添加量是定值,香蕉金針菇汁配比較低或較高時,感官評分較低,這是因為主輔料較低或較高時,飲料中的一種原料香氣過高,覆蓋了另一種原料的香氣,所以感官評分較低。當香蕉金針菇汁配比是定值,含糖量過低或過高時,感官評分同樣較低,這是因為蔗糖添加量過低時,乳酸菌產生的乳酸會覆蓋糖的味道,飲料會偏酸影響口感;蔗糖添加量過高時,糖的味道會覆蓋乳酸的味道,飲料會偏甜也會影響口感,所以也影響感官評分。響應面曲面較陡,說明香蕉金針菇汁配比和蔗糖添加量對飲料的感官評分影響較大,與方差分析結果一致。隨著接種量的不斷增加感官評分呈現先上升后下降的趨勢,隨蔗糖添加量的增加呈現向上升后下降的趨勢。當蔗糖添加量是定值,接種量較低或較高時,感官評分較低,這是因為接種量過低時,乳酸菌不能完全發酵香蕉金針菇汁中的營養物質,缺乏乳酸風味;接種量過高時,乳酸菌基數較大,發酵速度較快產生大量乳酸,過高的乳酸也會影響口感,所以也影響感官評分。當接種量是定值,含糖量過低或過高時,感官評分同樣較低,這是因為含糖過低時,乳酸菌產生的乳酸會覆蓋糖的味道,飲料會偏酸影響口感;含糖量過高時,糖的味道會覆蓋乳酸的味道,飲料會偏甜也會影響口感,所以也影響感官評分。響應面曲面較陡,說明發酵劑接種量和蔗糖添加量對飲料的感官評分影響較大,與方差分析結果一致。

圖6 香蕉金針菇汁配比、接種量與蔗糖添加量交互作用對飲料感官品質影響的響應曲面和等高線Fig.6 Response surface plots and contour line of effects of interaction between banana and Flammulina velutipes juice ratio,inoculum and sucrose addition on sensory quality of the beverage

經Design-Expert8.0.6分析,香蕉金針菇飲料的最佳工藝條件為香蕉金針菇汁配比3.9∶1,發酵劑接種量4.19%,蔗糖添加量5.45%,發酵時間20 h,發酵溫度37℃,此時香蕉金針菇飲料的感官評分的預測值為91.86,乳酸含量的預測值為7.30 g/L。為了方便實際操作,將最佳工藝條件變更為香蕉汁與金針菇汁比例為4∶1,發酵劑接種量為4%,蔗糖添加量5.5%,發酵時間20 h,發酵溫度37℃。驗證試驗結果表明,此時香蕉金針菇飲料感官評分為93分,乳酸含量為7.21g/L,證實該工藝配方的試驗結果與模型得出的最佳工藝條件的試驗結果相當,證明響應面法可以有效的分析出香蕉金針菇飲料的最佳工藝,具有有效性。

2.3 香蕉金針菇飲料穩定劑添加量優化單因素試驗

2.3.1 CMC-Na添加量對香蕉金針菇飲料感官品質的影響

圖7 CMC-Na添加量對飲料感官品質的影響Fig.7 Effect of CMC-Na addition on sensory evaluation of the beverage

由圖7可知,隨著CMC-Na添加量的增加,感官評分呈先上升后下降的趨勢。當添加量為0.05%時,感官評分為84分,此時香蕉金針菇飲料的分層現象明顯;當添加量為0.20%時,感官評分最高,為95分,且穩定效果好,無分層現象。當添加量＞0.20%之后,感官評分下降,可能是因為隨CMC-Na添加量的增加,香蕉金針菇飲料的黏度增加,會影響金針菇飲料的口感。因此選擇CMC-Na添加量為0.20%。2.3.2黃原膠添加量對香蕉金針菇飲料感官品質的影響

圖8 黃原膠的添加量對飲料感官品質的影響Fig.8 Effect of xanthan gum addition on sensory evaluation of the beverage

黃原膠具有良好的耐酸性和耐熱性,但透明性不太好,使用濃度不要超過0.3%,否則會出現掛壁糊狀現象,影響外觀與口感。由圖8可知,隨著黃原膠添加量的增加,感官評分呈先上升后下降的趨勢。當黃原膠添加量＜0.04%時,香蕉金針菇飲料有分層現象;當添加量為0.04%時,感官評分為94分,此時香蕉金針菇飲料無分層現象;當添加量＞0.04%之后,感官評分下降。因此選擇黃原膠添加量為0.04%。

2.3.3 卡拉膠添加量對香蕉金針菇飲料感官品質的影響

圖9 卡拉膠添加量對飲料感官品質的影響Fig.9 Effect of carrageenan addition on sensory evaluation of the beverage

由圖9可知,隨著卡拉膠添加量的增加,感官評分呈先上升后下降的趨勢。當卡拉膠添加量＜0.4%時,香蕉金針菇飲料有分層現象;當添加量為0.4%時,感官評分為96分,此時香蕉金針菇飲料無分層現象;當添加量＞0.4%之后,感官評分下降。因此選擇卡拉膠添加量為0.4%。

2.4 微生物指標的測定結果

細菌總數為12CFU/g≤100CFU/g,大腸桿菌數≦3MPN/100g,未檢測出致病菌,均符合國家食品衛生標準。

3 結論

在單因素試驗的基礎上,采用Box-Behnken響應面法對香蕉金針菇飲料的工藝進行優化。結果表明,最佳發酵工藝條件為香蕉汁∶金針菇汁為4∶1(mL∶mL),發酵劑接種量4%,蔗糖添加量5.5%,發酵時間20 h,發酵溫度37℃,在此工藝條件下得到的香蕉金針菇飲料的感官評分為93分,乳酸含量為7.21 g/L。穩定劑CMC-Na、黃原膠和卡拉膠的最適添加量分別為0.20%、0.04%和0.4%。