甘蔗乳酸菌飲料制備工藝的優化

楊建波，黃嬌麗，陳信賢，韋海輪

（百色學院農業與食品工程學院，廣西百色533000）

甘蔗（Saccharum officinarum）是一種熱帶亞熱帶多年生的藥食兩用的禾本科作物，莖液中含有大量的水分、糖分及人體所需的氨基酸、維生素等其他營養物質，是國內外食用糖生產的主要原料和酵母、糠醛等副產品的生產原料[1-2]。中國傳統中醫認為，甘蔗有清熱潤燥、生津下氣、補肺益胃的特殊效果。在眾多的水果之中含鐵量較高，有“補血果”之稱[3]。此外，甘蔗汁含有抗氧化成分，具有較高的養生價值[4]。

近年來，我國果汁飲料消費量逐年遞增，市場前景廣闊[2]。其中乳酸發酵型果蔬汁飲料因其高吸收、高營養以及風味獨特等優點，受到廣大消費者的青睞，具有很大的開發價值[5]。以植物性乳酸菌發酵而制成飲料“蔬菜的戰士”，在日本市場上受到消費者的喜愛[6]。張玉慧[7]研究得出最佳原料配比為藍莓果汁濃度30%、葡萄糖8%、脫脂乳3%，宜在接種4.9%的復合菌種（干酪乳桿菌 ∶植物乳桿菌=1∶2）后于36℃下發酵23 h。邢賀欽[8]優化工藝并通過添加5%的混合菌劑（保加利亞乳桿菌 ∶嗜熱鏈球菌=1∶1）后于37℃下發酵12 h的方法制得南瓜-苦瓜-胡蘿卜-洋蔥復合蔬菜汁發酵飲料。馮平平[9]通過單因素和正交試驗發現，將無花果汁、山藥汁、棗汁按50∶40∶9體積比混合并接種3%的混合菌種（保加利亞乳桿菌∶嗜熱鏈球菌=1∶1）后于40℃下發酵24 h，再以等量水、糖9%、檸檬酸0.3%進行調配，可制得最優的產品。

在上述發酵型飲料生產中，一般采用嗜熱鏈球菌和保加利亞乳桿菌作為發酵菌種，二者共生且相互作用，通過產酸、胞外多糖、風味物質來影響發酵產品的質地和風味[10-13]。此外，研究表明，乳酸菌具有營養、凈化調節腸道、拮抗病原菌和促進益生菌、降膽固醇、降血壓、增強機體免疫等多種功能[14]。

甘蔗是廣西的第一大戰略經濟作物和支柱產業，種植面積廣，產量大，占全國總產糖量的65%左右，影響著我國的食用糖產業，是當地農民增收的主要經濟來源[1-2，15]。為了推動甘蔗深加工產品的開發、豐富市面飲料的種類并減少發酵飲料制備對白砂糖的消耗，以糖料蔗蔗汁為原料，利用保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌的混合菌發酵蔗汁制備乳酸菌型蔗汁飲料，通過單因素試驗和正交試驗研究接種量、發酵時間、發酵溫度3個因素對蔗汁發酵效果的影響，根據感官評價對發酵工藝進行優化，為蔗汁飲料開發提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

1.1.1 材料

甘蔗：百色市四塘鎮；菌種（嗜熱鏈球菌與保加利亞乳桿菌為1∶1，食品級）：北京川秀科技有限公司。

1.1.2 試劑

葡萄糖（分析純）、乙醇（分析純）：天津市致遠化學試劑有限公司；氫氧化鈉（分析純）：上海國藥集團；鹽酸（分析純）：廉江市愛廉化學試劑公司；3，5-二硝基水楊酸（分析純）：上海展云化工有限公司。

1.2 儀器與設備

LCZ-80甘蔗榨汁機：浙江應曉工貿有限公司；BIC-300人工氣候箱：上海博迅實業有限公司；HXHX-3電熱鼓風干燥箱：蘇州恒新烘箱電爐制造設備公司；pHS-3C酸度計：上海雷磁儀器廠；PAL-1糖度計：維欣儀奧科技公司；WYT型手持糖度計：上海易測儀器設備有限公司；UV2700紫外分光光度計：廈門儀宸科技有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 工藝流程

新鮮甘蔗→清洗→去皮→榨汁→過濾→滅菌→接種→發酵→冷藏

1.3.2 操作要點

原料選擇：選用健康、新鮮的糖料蔗蔗莖。

榨汁：將甘蔗洗凈后削皮、榨汁，經無菌紗布過濾后裝罐。

滅菌：采用巴氏殺菌法進行蔗汁滅菌，最大限度地保留蔗汁的營養成分和清香味。

接種：按照一定的比例（菌種質量/蔗汁體積）將發酵菌種直投式接種到滅菌后降溫至28℃的蔗汁。

1.3.3 單因素試驗

根據前期試驗結果，在接種量0.6%，發酵溫度40℃，發酵時間11 h的工藝條件的基礎上對接種量、發酵溫度及發酵時長進行單因素試驗，接種量為0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%，發酵溫度為 36、38、40、42、44 ℃，發酵時長為 6、8、10、12、14 h。通過對制備好的飲料的感官評分和pH值測定來評價各因素對飲料品質的影響。

1.3.4 正交試驗

基于單因素試驗的感官評價得分，找出每個因素的較優水平，進而采用L9（34）正交表進行正交試驗，因素水平如表1所示。

表1 甘蔗乳酸菌飲料發酵條件優化正交試驗的因素及水平Table 1 Factors and levels of orthogonal experiment for fermentation conditions optimization of sugarcane lactobacillus beverage

1.3.5 感官評價

待蔗汁發酵完成后，由30個人按照既定感官評分標準對組織狀態、香味、色澤和滋味進行綜合性評分，進而據此分析較優的工藝條件。感官評分表見表2。

表2 甘蔗乳酸菌飲料的感官評分標準Table 2 Sensory evaluation standard of sugarcane lactobacillus beverage

1.3.6 指標測定

總酸含量采用GB/T 12456-2008《食品中總酸的測定》中的酸堿滴定法進行測定；總糖含量采用GB/T 15038-2006《葡萄酒、果酒通用分析方法》中的直接滴定法進行測定；pH值用pH計進行測定。

1.4 數據處理方法

數據處理、極差分析以及圖表制作均通過Microsoft Office Excel 2007軟件完成。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果與分析

2.1.1 接種量對pH值和感官評價的影響

接種量對甘蔗乳酸菌飲料pH值和感官評價的影響見圖1。

圖1 接種量對甘蔗乳酸菌飲料pH值和感官評價的影響Fig.1 Effect of inoculum on pH and sensory evaluation of sugarcane lactobacillus beverage

如圖1所示，在0.1%～0.9%的接種量范圍內，隨著接種量的增加，蔗汁中的乳酸菌產酸量隨著菌種接種量的增加而增多，而蔗汁發酵液的感官評價得分先升高后下降，并在接種量為0.5%時的蔗汁發酵飲料的感官評價最好，平均得分為79.0分。由此看來，在發酵溫度40℃、發酵時長8 h的條件下，菌種的接種量在0.5%左右較為適宜。

2.1.2 發酵溫度對pH值和感官評價的影響

發酵溫度對甘蔗乳酸菌飲料pH值和感官評價的影響見圖2。

圖2 發酵溫度對甘蔗乳酸菌飲料pH值和感官評價的影響Fig.2 Effect of fermentation temperature on pH and sensory evaluation of sugarcane lactobacillus beverage

由圖2可知，發酵溫度在36℃～44℃范圍內，隨著發酵溫度的提高，蔗汁中乳酸菌的產酸量隨著發酵溫度的升高而增多，于40℃以上的溫度下發酵的蔗汁的pH值下降更快，而感官評價得分呈先升高后下降的變化，且在接種量0.5%和發酵時間8 h的條件下，40℃發酵的蔗汁飲料的感官評價最好，平均得分為78.2分。可見，在接種量0.5%和發酵時間8 h的條件下，發酵溫度40℃較為適宜。

2.1.3 發酵時間對pH值和感官評價的影響

發酵時間對甘蔗乳酸菌飲料pH值和感官評價的影響見圖3。

圖3 發酵時間對甘蔗乳酸菌飲料pH值和感官評價的影響Fig.3 Effect of fermentation time on pH and sensory evaluation of sugarcane lactobacillus beverage

由圖3可知，在6 h～14 h的發酵時間里，蔗汁中乳酸菌的產酸量隨著發酵時間的增加而增加，其中，蔗汁在發酵8 h～10 h之間的pH值快速降低，而感官評價得分則在6 h～14 h的發酵時間里先升高而后下降，并在發酵時間為10 h時蔗汁發酵飲料口感最好，感官評價平均得分為81.9分。可見，在接種量0.5%和發酵溫度40℃的條件下，發酵10 h較為適宜。

2.2 正交試驗

甘蔗乳酸菌飲料發酵條件優化正交試驗結果與分析見表3。

如表3中正交試驗分析結果所示，極差RA＞RB＞RC，即3個因素對蔗汁發酵飲料感官評價結果的影響大小排序為：接種量＞發酵時間＞發酵溫度。由表3中k值可知，當接種量為0.6%、發酵時間為11 h、發酵溫度為41℃時的感官評價最高，即得到的最優發酵工藝為A3B3C3。然而發酵溫度在39℃～41℃之間時，極差R值與試驗誤差（空白列）相當，可見其對乳酸菌型蔗汁發酵飲料的感官評價影響不大，所以正交試驗中感官評分最高的工藝條件A3B3C2比A3B3C3更容易實現也更經濟。進一步將兩組發酵工藝進行驗證性試驗，根據10個人的感官評價結果，最終確定最優的發酵工藝為A3B3C2，即接種量0.6%，發酵溫度40℃，發酵時間11 h。

表3 甘蔗乳酸菌飲料發酵條件優化正交試驗結果與分析Table 3 Results and analysis of orthogonal experiment for fermentation conditions optimization of sugarcane lactobacillus beverage

2.3 理化指標

采用最優工藝制得的發酵產品部分理化性質如表4所示。其可溶性固形物達15.0%，總酸和總糖含量分別為30.2 mg/mL和41.3 mg/mL，pH值為4.09，為酸甜口味。

表4 最優發酵條件下的甘蔗乳酸菌飲料的理化特性Table 4 Physical and chemical properties of sugarcane lactobacillus beverage under optimal fermentation conditions

3 結論

本研究以甘蔗為原料，利用保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌的混合菌發酵蔗汁制成乳酸菌型飲料，以pH值和感官評分作為評價指標，通過單因素試驗和正交試驗確定了乳酸菌型蔗汁發酵飲料的最優發酵工藝為菌種接種量0.6%，發酵時間11 h，發酵溫度40℃。采用最優工藝所制得的乳酸菌型蔗汁發酵飲料的pH值為4.09，總酸含量為30.2 mg/mL，總糖含量為41.3 mg/mL。此研究所用原料豐富，制備工藝簡單，為進一步豐富蔗汁發酵飲品的種類提供工藝參考。