響應面法優化復合型打瓜軟棗獼猴桃格瓦斯飲料發酵條件

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(大連民族大學生命科學學院,生物技術與資源利用教育部重點實驗室,遼寧大連 116600)

軟棗獼猴桃(Actinidiaarguta)富含大量的營養成分,主要包括:葉綠素、β胡蘿卜素、葉黃素和黃酮等[1-2]。目前已有研究表明,軟棗獼猴桃含有大量的天然多酚[3-4],如咖啡酸、槲皮素[5]等,具有抗氧化活性,可以清除自由基,防止細胞氧化損傷[6],這意味著軟棗獼猴桃既有營養價值又有藥用價值[7],因此深受消費者的青睞。

打瓜,又名籽瓜,外形與西瓜相似但相對略小,多籽,味淡。打瓜中富含維生素、糖分、酚類物質,以及鈣、磷、鐵等微量元素[8-9],還含有較多的不飽和脂肪酸[10],適合患心腦血管疾病和高血壓的病人食用。中醫理論指出,打瓜味甘淡、性溫,具有生津止渴、解暑清熱、利尿等性質，常食用適量的打瓜可促進消化和新陳代謝[11]。

格瓦斯是一種用麥芽或面包經酵母和乳酸發酵釀造的低度酒精飲料[12]。其口感清爽,并富含維生素、有機酸、糖等[13],不僅可以為人體提供所需的多種營養成分,還可改善人體腸胃消化吸收功能[14]。隨著社會的發展,近年來飲料的發展趨勢由碳酸飲料轉向植物功能性飲料[15]。由于軟棗獼猴桃是季節性水果,每年的收獲季只有9、10兩個月,且貯藏期較短[16],不能滿足人們常年的需求。打瓜目前主要的應用是取打瓜籽榨油等,只取瓜籽舍棄瓜瓤瓜肉,嚴重浪費資源。為了消除軟棗獼猴桃季節性的影響,避免資源的浪費,本實驗采用響應面法研究復合型打瓜軟棗獼猴桃格瓦斯飲料的最佳工藝,所用原材料物美價廉,成品具有一定的生理功能,且風味獨特,是一種同時具有經濟效益和營養價值的植物功能性飲料,以期提供一種最佳的生產工藝。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

軟棗獼猴桃 遼寧農業職業技術學院獼猴桃基地;打瓜 內蒙古自治區通遼市開魯縣;秋林無糖碳烤面包 哈爾濱秋林集團;安琪甜酒酒曲、糯米 市售;MRS培養基 北京奧博星生物技術有限責任公司;果膠酶 活力5×104U/g,鄭州華峰食品科技有限公司;植物乳桿菌(Lactobacillusplantarum) 中國普通微生物菌種保藏管理中心。

AL204型電子天平 梅特勒-托利多有限公司;FKB型分層烤箱 佛山市祥興;XF-12型盤發酵箱 邢臺潤聯科技開發有限公司;FW135型中草藥粉碎機 上海楚柏實驗室設備有限公司;BJ11/YS-100型實驗室恒溫箱 武漢西化儀科技有限公司;PL203型精密電子天平 梅特勒-托利多儀器上海有限公司;Lamda-25型紫外可見分光光度計 美國PE公司;T25型勻漿機 德國IKA公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 格瓦斯飲料的制作方法

1.2.1.1 植物乳桿菌的活化與擴大培養 將保存的植物乳桿菌按2%接種量接入MRS培養基中,置于36 ℃電恒溫培養箱培養24 h進行活化,然后轉入乳酸菌擴大培養基中按5%接種量接入活化的植物乳桿菌,在36 ℃下進行擴大培養,待植物乳桿菌數量達到107CFU/mL時停止擴大培養。乳酸菌擴大培養基的配方組成為:西紅柿80 g,胡蘿卜80 g,泡好的黃豆30 g,白砂糖80 g,硫酸鎂6 g,碳酸鈣50 g,磷酸氫二鈉5 g,水669 g。

1.2.1.2 面包屑的制備 烘烤前將秋林面包切成1 cm左右的面包片擺入烤盤中,每個烤盤擺放兩層面包片,在120～130 ℃下烘烤0.5 h,當面包片顏色略微發黃時,將面包片翻面,用相同溫度和時間烘烤,待面包片兩面都成金黃色即可。冷卻后用粉碎機將烘烤后的面包片粉碎,室溫下密封保存備用。

1.2.1.3 浸泡液的制備 將粉碎好的面包屑放入浸泡容器中,以1∶4 (g/g)加入70～80 ℃的熱水,浸泡2～3 h,在此過程中會觀察到混合物會逐漸分層,其中下層沉淀物為面包屑,上層液體為浸泡液,將經四層紗布過濾分離得到的浸泡液放在發酵容器中暫存,重復上述浸泡過程2～3次。浸泡容器溫度控制在37 ℃左右,經過浸泡過程后,浸泡液會呈面包的金黃色,并且會散發出面包的糊香味。

1.2.1.4 糖化液的制備 用上述浸泡液對糯米進行24 h浸泡,然后將4～5 cm厚泡透的糯米放入蒸鍋中,蒸20 min,待糯米蒸熟后將糯米降溫至30 ℃,用30 ℃的溫水將安琪甜酒酒曲化開,邊倒入降溫后的糯米邊攪拌,再將糯米表面抹平,并將糯米飯呈棋盤式挖出9個直徑5 cm,3 cm深的酒窩以便于觀察發酵狀況,溫度控制在30～32 ℃之間,放置48 h進行糖化;糯米糖化過程結束后經固液分離,即得到糖化液,放入5 ℃冷庫中備用。

1.2.1.5 打瓜軟棗獼猴桃混合汁的制備 軟棗獼猴桃的挑選與清洗:選取新鮮、無病蟲害和機械傷的軟棗獼猴桃,進行清洗,并晾干表面水分備用;打瓜的挑選與清洗:選取無壓痕、無蟲蝕,味清香的打瓜洗凈,去皮去籽,取瓜肉備用。

果汁的制備:各取等量處理好的打瓜和軟棗獼猴桃放入榨汁機榨汁(注意榨汁時間,以防止時間過長將獼猴桃籽打碎,影響果汁顏色,一般以1～2 min為宜,轉速為12000 r/min),所得汁液按照4∶5的質量比加水調漿后,用四層紗布過濾掉果肉部分后,即可得到新鮮的打瓜軟棗獼猴桃汁混合汁。

1.2.1.6 打瓜軟棗獼猴桃格瓦斯飲料的制備 將糖化液和打瓜軟棗獼猴桃混合汁按一定比例調配,在100 ℃下滅菌15 min后冷卻,并接種一定量的上述含有107CFU/mL乳酸菌的乳酸菌擴大培養基,攪拌均勻后放入已消毒的不銹鋼桶中,蓋上蓋子并用保鮮膜封緊,放入30 ℃培養箱中進行前發酵一定時間,篩選出最佳時間后轉入5 ℃冷庫中進行24 h的后發酵。在發酵后的打瓜軟棗獼猴桃果汁中加入一定量的果膠酶,43 ℃下酶解5 h,用多層紗布過濾后,觀察飲料呈澄清無沉淀后進行裝瓶,在100 ℃水浴中滅菌15 min,冷卻后即可得到復合型打瓜軟棗獼猴桃格瓦斯飲料。

1.2.2 響應面優化工藝條件 根據預實驗結果,實驗中所選取的乳酸菌最佳發酵溫度為37 ℃,選取對格瓦斯飲料品質影響較大的乳酸菌接種量、乳酸菌發酵時間、糖化液與軟棗獼猴桃汁比例以及果膠酶添加量為自變量,感官評分為響應值,采用4因素3水平的Box-Behnken響應面優化復合型打瓜軟棗獼猴桃格瓦斯飲料的生產工藝,試驗方案設計見表1[17]。

表1 響應面試驗因素及水平設計表Table 1 Response surface test factors and levels design table

1.2.3 指標的測定

1.2.3.1 感官評定方法 從樣品的色澤、香氣、口感和質地上對復合打瓜軟棗獼猴桃格瓦斯飲料品質做出評定,選20名經驗豐富的評質人員(10男10女)對飲料的各項指標進行打分,具體打分標準見表2,平均值作為感官評定結果。

表2 格瓦斯飲料感官評定標準Table 2 Criteria for sensory evaluation of kvass beverages

1.2.3.2 微生物測定 參照GB 4789.38-2012[18]、GB 4789.3-2010[19]、GB 4789.15-2010[20]、GB 4789.31-2013[21]中規定的方法對菌落總數、大腸菌群、霉菌和致病菌進行測定。

1.3 數據處理

利用Design-Expert 8.0.6軟件對數據進行處理,按照軟件設計結果共進行29組實驗,每組實驗重復3次。

2 結果與分析

2.1 Box-Bohnken方案設計與結果

通過Design-Expert 8.0.6數據處理軟件,輸入數據設計響應曲面優化實驗,分析結果見表3。

表3 Box-Bohnken試驗設計及結果Table 3 Box-Bohnken design in terms of coded levels with response variable

各因素經回歸擬合后,解得回歸方程為:

Y=78.78-2.14A+2.17B+0.97C+3.12D+0.53AB-0.32AC-2.68AD-0.85BC-0.70BD-1.62CD+2.74A2+1.59B2-9.62C2+1.90D2

式(1)

2.2 感官評定的優化分析

運用Design-Expert數據處理軟件對數據進行處理,取感官評分指標進行響應曲面優化,分析結果得表4。

表4 復合型打瓜軟棗獼猴桃格瓦斯飲料的感官評分響應曲面優化分析結果Table 4 Optimization of response surface analysis results of complex type of seeding-watermelon kiwifruit kvass beverage

根據Box-Bohnken試驗所得的多元回歸方程作響應面圖,在其他試驗因素固定不變的情況下,交互項對感官評分的影響可通過響應面進行分析[22]。響應面越平緩,表明該因素對感官評分影響越小,反之表明感官評分對因素的改變越敏感[23-24]。從圖1c可以看出,植物乳桿菌接種量和果膠酶添加量的交互作用最明顯,其他因素之間不明顯,與上文方差分析所得結果一致。

圖1 以感官評分為指標的響應面圖Fig.1 Response surface plots showing the interactive effects of various factors on the sensory score

2.3 驗證試驗

利用Design-Expert 8.0.6軟件優化程序對試驗設計與結果數據進行優化,通過響應面分析可求得最佳工藝參數為:植物乳桿菌接種量2×107CFU/mL,乳酸菌發酵時間12 h,糖化液與打瓜軟棗獼猴桃汁比例0.97∶1,果膠酶添加量15 mg/100 g,此配方所得的感官評分為93.9268。在此工藝條件下,經試驗驗證,感官評分為(94.0±0.2)分,復合型打瓜軟棗獼猴桃格瓦斯飲料的色澤、香氣、口感和質地均較好。

2.4 微生物檢測結果

復合型打瓜軟棗獼猴桃格瓦斯飲料中微生物檢測結果見表5,其中大腸菌群含量、菌落總數、霉菌含量均合格,各種致病菌均未檢測出。

表5 微生物檢測結果Table 5 Microbial detection results

3 結論

本實驗采用飲料發酵工藝,通過響應面優化法獲得復合型打瓜軟棗獼猴桃格瓦斯飲料的最佳配方工藝為:植物乳桿菌接種量為2×107CFU/ml,乳酸菌發酵時間為12 h,糖化液與打瓜軟棗獼猴桃汁比例為0.97∶1,果膠酶添加量為15 mg/100 g。本產品的微生物檢測結果:大腸菌群含量、菌落總數、霉菌含量均合格,各種致病菌均未檢測出。制得的飲料成品顏色呈淡黃綠色,風味純正,酸甜適中,澄清無沉淀,且具有打瓜軟棗獼猴桃汁的果香和發酵所產生的香味混為一體,口感新鮮而細膩,余味清爽。