香蕉胡蘿卜復合果蔬汁的發酵工藝優化及抗氧化活性研究

黃 杰，韋 璐，鄭博強，孫欽菊，杜麗娟，張嘉佳，文 凈

（廣西農業職業技術學院 食品工程系，廣西 南寧 530007）

香蕉（Musa nanaLour.）為芭蕉科芭蕉屬植物，是熱帶地區最常見和最受歡迎的水果之一。近年來，我國香蕉產量達1 100 萬t，其廣泛種植于我國廣東、廣西、臺灣、海南等地區[1-2]。香蕉風味好、口感甜美，富含多種營養物質，因而受到消費者的青睞。胡蘿卜（Daucus carrot）又名紅蘿卜，其原料豐富價格低廉，營養價值高，富含β-胡蘿卜素、核黃素、尼克酸、硫胺素等多種維生素，具有抑制衰老、抵抗癌、健胃和降血壓等功能[3-4]。胡蘿卜汁因其色澤、口感、外觀品質良好，而受到人們的喜愛。果蔬類食品在儲藏和運輸過程中易產生腐敗變質，造成浪費[5]。對果蔬進行深加工利用，可以延長其貨架期，提高產品的商品價值[6]。

有報道發現，乳酸菌發酵給果蔬汁帶來了獨特的口感，發酵過程中又產生了多種營養成分和一些乳酸菌的代謝產物。這些產物能調節腸胃菌群，降低膽固醇的活性，對人體有一定的保健效果[7]。因此，近年來利用益生菌發酵果蔬汁類飲品越來越受到人們的關注[8-10]。SEELAM D N S等[11]利用球形芽孢桿菌發酵胡蘿卜汁，制備了一款風味好、營養豐富的發酵果蔬汁飲品，并且發現發酵后的胡蘿卜汁有更高的氧化活性。李南薇等[12]以香蕉和橙為主要原料，制備了一款營養豐富、酸甜適口，具有濃郁的香蕉、橙香味，穩定性較好的混合果汁酸乳飲料。韋璐等[13]以香蕉、芒果、六堡茶湯為主要原料，佰生優益生菌果蔬酵素發酵菌為菌種，研制了一款發酵型香蕉復合果汁飲料。

本研究以香蕉、胡蘿卜為原料，研究利用植物乳桿菌（Lactobacillusplantarum）和發酵乳桿菌（Lactobacillus fermentium）復合菌種發酵香蕉胡蘿卜果蔬汁的加工工藝，考察原料配比、接種量、發酵溫度、發酵時間等發酵條件對乳酸發酵的影響，通過單因素及響應面試驗對發酵條件進行優化，同時分析了其成分指標和抗氧化活性，為香蕉、胡蘿卜類果蔬汁飲品開發利用途徑提供了參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

香蕉、胡蘿卜、白砂糖：市售；植物乳桿菌（Lactobacillus plantarum）21802、發酵乳桿菌（Lactobacillus fermentum）21800：中國工業微生物菌種保藏管理中心；MRS培養基：廣東環凱微生物科技有限公司；果膠酶（1.0×104U/g）：南寧市東恒華道生物科技有限責任公司；1,1-二苯基-2-三硝基苯肼（1,1-diphenyl-2-trinitrophenylhydrazine，DPPH）、2,2'-聯氮-雙-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸（2,2'-diazo-di-3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid，ABTS）：上海源葉生物科技有限公司。其他試劑均為國產分析純。

1.2 儀器與設備

SKP-01 電熱恒溫培養箱：湖北省黃石恒豐醫療器械有限公司；SW-CJ-1F 潔凈工作臺：蘇凈集團蘇州安泰技術有限公司；TG16-WS 臺式高速離心機：上海盧湘儀離心機儀器有限公司；IS-RDV1 恒溫振蕩箱：上海呈天醫流科技股份有限公司；HWS-28電熱恒溫水浴鍋：上海齊欣科學儀器有限公司；T6-新世紀紫外可見分光光度計：北京普析通用儀器有限責任公司；ME204E 電子天平：梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；IMJ-54A 立式壓力蒸汽滅菌鍋：上海博迅實業有限公司醫療設備廠；TM-767Ⅲ攪拌機：中山市海盤電器有限公司；LB90T 糖度計：廣州市速為電子科技有限公司；PHS-3C pH計：上海儀電科學儀器股份有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 香蕉胡蘿卜復合果蔬汁的加工工藝流程

1.3.2 操作要點

香蕉胡蘿卜汁的制備：將去皮的香蕉和清洗干凈的胡蘿卜分別切成1 cm左右的片狀，并分別放置于攪拌機中不加水打漿至漿狀，然后按0.1%的果膠酶分別添加到香蕉漿和胡蘿卜漿中，水浴（60 ℃，3 h）下攪拌酶解。將酶解后的香蕉汁和胡蘿卜汁分別置于高速離心機（8 000 r/min，20 ℃、10 min）離心，取上清液，得香蕉汁和胡蘿卜汁。

均質：將香蕉汁和胡蘿卜汁分別按照不同體積比（4∶1、3∶1、2∶1、1∶1、1∶2）混合，并在均質機內均質均勻（230 MPa，55 ℃）。

殺菌、冷卻：取均質好的香蕉胡蘿卜復合果蔬汁300 mL，置于500 mL廣口瓶中，用兩層紗布封口，水浴條件下殺菌（90 ℃、15 min），然后冷卻至室溫備用。

菌株活化[14]：挑取適量的植物乳桿菌凍干粉、發酵乳桿菌凍干粉分別接種至10 mL MRS液體培養基中，于37 ℃條件下培養24 h，按接種量10%（V/V）分別接種至100 mL MRS液體培養基中，于37 ℃條件下培養24 h，待用。

接種：取活化好的植物乳桿菌和發酵乳桿菌按1∶1配比，按照一定接種量接種至殺菌冷卻后的復合果蔬汁中。

發酵：將接種后復合果蔬汁置于恒溫培養箱中發酵一段時間，當發酵液澄清且無氣泡產生時，發酵結束，即得香蕉胡蘿卜復合果蔬汁。

1.3.3 發酵工藝優化

（1）單因素試驗

設定香蕉汁與胡蘿卜汁體積比分別為4∶1、3∶1、2∶1、1∶1、1∶2，接種量分別為1%、3%、5%、7%、9%，發酵溫度分別為27 ℃、30 ℃、33 ℃、36 ℃、39 ℃條件下發酵24 h、36 h、48 h、60 h、72 h，分別測定其活菌數并進行感官評分，分別考察香蕉汁與胡蘿卜汁體積比、接種量、發酵溫度及發酵時間對香蕉胡蘿卜復合果蔬汁品質的影響。

（2）響應面試驗

在單因素試驗基礎上，采用Box-Behnken試驗設計，設置香蕉汁與胡蘿卜汁體積比（A）、乳酸菌菌種接種量（B）、發酵溫度（C）和發酵時間（D）4個因素為自變量，以發酵產品感官評分（Y）為響應值，進行發酵工藝優化，Box-Behnken試驗設計因素與水平見表1。

表1 Box-Behnken試驗設計因素與水平Table 1 Factors and levels of Box-Behnken experiments design

1.3.4 分析檢測

乳酸菌活菌數的測定：采用GB 4789.35—2016《食品安全國家標準食品微生物學檢驗乳酸菌檢驗》規定方法；pH值的測定：采用pH計；可溶性固形物含量的測定：采用手持折光儀；總酸（以乳酸計）含量的測定：采用電位滴定法[15]；還原糖含量的測定：按照GB 5009.7—2016《食品安全國家標準食品中還原糖的測定》規定方法；羥自由基清除率的測定：參照文獻[16-17]的方法；DPPH自由基清除率的測定：參照文獻[18-19]的方法測定；ABTS自由基清除率：參照文獻[20]的方法。

1.3.5 感官評定

參考文獻[21-22]方法，由10名具有食品專業的老師和同學組成品評小組，分別從色澤、口感、香氣、組織狀態四個方面來對復合果蔬汁進行感官評定，評分標準見表2。

表2 香蕉胡蘿卜復合果蔬汁飲料感官評分標準Table 2 Sensory evaluation standards of compound fruit and vegetable juice beverage

1.3.6 數據處理

采用Origin 2019軟件繪圖，采用SPASS 26.0對試驗進行方差分析和差異顯著性分析，每組試驗均做3組平行。

2 結果與分析

2.1 發酵工藝優化單因素試驗

2.1.1 香蕉汁與胡蘿卜汁體積比的影響

由圖1可知，香蕉汁與胡蘿卜汁體積比在4∶1、3∶1、2∶1時，發酵果蔬汁感官評分隨著香蕉汁的減少而逐漸提高；并在香蕉汁與胡蘿卜汁體積比為2∶1時感官評分最高，為82分；香蕉汁與胡蘿卜汁體積比在1∶1、1∶2時感官評分有所下降。而活菌數隨著香蕉汁和胡蘿卜汁體積比的變化而逐漸緩慢的減少。原因可能是，當香蕉汁含量較高時，復合果蔬汁飲料口感稍甜，色澤稍暗，感官評分較低；當香蕉汁和胡蘿卜汁的體積比達到2∶1時，復合果蔬汁飲料的酸甜度較適宜，外觀色澤也較好；當香蕉汁和胡蘿卜汁的體積比繼續變化時，復合果蔬汁飲料的酸度逐漸增加，又由于此時復合果蔬汁飲料酸甜比例不協調，也導致了感官評分開始減小。而隨著原料的配比的減小，復合果蔬汁飲料中總糖含量也逐漸減少，乳酸菌生長所需營養減少，導致活菌數逐漸減少[23]。因此，選擇最適香蕉汁和胡蘿卜汁體積比為2∶1。

圖1 不同香蕉汁與胡蘿卜汁體積比對復合果蔬汁飲料感官評分和活菌數的影響Fig.1 Effect of different volume ratio of banana juice and carrot juice on viable count and sensory evaluation of compound fruit and vegetable juice beverage

2.1.2 接種量的影響

由圖2可知，當乳酸菌接種量從1%增大到5%時，復合果蔬汁飲料的感官評分和活菌數持續增加；并當接種量為5%時感官評分最高，為82分；而當接種量＞5%之后，感官評分逐漸緩慢的減小。當接種量為1%～7%時，活菌數隨接種量增加而迅速增高；當接種量為7%～9%時，活菌數增加的較為緩慢。這可能是因為，當乳酸菌的接種量＜7%時，乳酸菌的初始數量較少，生長和繁殖的速度緩慢，導致其發酵能力有限，影響了果蔬汁的口感，導致感官評分較低；當接種量＞5%時，繼續加大乳酸菌的接種量，使得乳酸菌的初始數目增加了，但因其生長繁殖消耗了太多的營養，使得最終活菌數數目增加不明顯，同時，由于此時發酵產生的酸度較高，導致復合果蔬汁飲料口感不協調，感官評分降低[24-25]。因此，選擇最適乳酸菌接種量為5%。

圖2 不同接種量對復合果蔬汁飲料感官評分和活菌數的影響Fig.2 Effect of different inoculum on viable count and sensory evaluation of compound fruit and vegetable juice beverage

2.1.3 發酵溫度的影響

由圖3可知，當發酵溫度從27 ℃升高到33 ℃時，復合果蔬汁飲料的感官評分和活菌數都隨之升高；當發酵溫度為33 ℃時，復合果蔬汁飲料的感官評分和活菌數都達到最高，分別為82分；而當發酵溫度高于33 ℃之后，復合果蔬汁飲料的感官評分和活菌數都呈現出快速減少的趨勢。這是因為乳酸菌生長和發酵有最適宜的溫度，當低于該溫度時，乳酸菌生長受到抑制，發酵不足產酸量較低，導致感官評分減少。而當高于該溫度時，乳酸菌生長緩慢或者不能繼續生長，導致了活菌數和感官評分都降低[26-27]。因此，選擇最適發酵溫度為33 ℃。

圖3 不同發酵溫度對復合果蔬汁飲料感官評分和活菌數的影響Fig.3 Effect of different fermentation temperature on viable count and sensory evaluation of compound fruit and vegetable juice beverage

2.1.4 發酵時間的影響

由圖4可知，不同發酵時間對復合果蔬汁飲料感官評分的影響存在明顯差異，隨著發酵時間逐漸延長，復合果蔬汁飲料的感官評分先增加后減小，到48 h時最大。活菌數隨著發酵時間的延長，36 h以前增長的很快，從36 h后增長的較為緩慢。復合果蔬汁飲料在發酵的過程中，由于發酵時間不足，造成酸度不夠，使得產品風味還不夠好；當發酵時間過長，乳酸菌發酵能力有限，不再繼續產酸，同時時間延長后又會產生其他代謝產物和產生雜菌污染的問題，導致感官評分降低[28]。因此，選擇最適發酵時間為48 h。

圖4 不同發酵時間對復合果蔬汁飲料感官評分和活菌數的影響Fig.4 Effect of different fermentation time on viable count and sensory evaluation of compound fruit and vegetable juice beverage

2.2 發酵工藝優化響應面試驗

2.2.1 響應面設計及結果

在單因素試驗基礎上，采用Box-Behnken試驗設計，以香蕉汁與胡蘿卜汁體積比（A）、接種量（B）、發酵溫度（C）和發酵時間（D）為自變量，感官評分（Y）為因變量進行響應面試驗，Box-Behnken試驗設計及結果見表3，方差分析結果見表4。

表3 Box-Behnken試驗設計及結果Table 3 Design and results of Box-Behnken experiments design

表4 回歸模型的方差分析Table 4 Variance analysis of regression model

續表

采用Design Expert 8.0.6軟件對各個因素進行二次回歸方程擬合，得到感官評分（Y）對試驗結果的擬合方程為：

由表4可知，建立的模型是極顯著的（P＜0.000 1），說明該模型預測結果有效。其中，一次項A、B、C、D和交互項CD，二次項A2、B2、C2、D2對結果影響是極顯著的（P＜0.01），AB、AC、AD、BC和BD對結果影響不顯著（P＞0.05）。方差分析結果表明，各因素對結果影響大小依次為：接種量＞香蕉汁與胡蘿卜汁體積比＞發酵溫度＞發酵時間。

2.2.2 響應面最佳配方的確定及驗證試驗

采用Design Expert 8.0.6軟件對復合果蔬汁的4個影響因素進行交互分析，其響應面及等高線見圖5。

由圖5可知，各因素交互響應面圖均為曲面且開口向下，這表明隨著各個因素的增長，感官評分值先增大，增大到最大值后，各因素繼續增大，感官評分將逐漸減小。

圖5 各因素交互作用對感官評分影響的響應面和等高線Fig.5 Response surface plots and contour lines of effects of interaction between each factor on sensory score

經Design Expert 8.0.6軟件分析得到的復合果蔬汁最佳發酵工藝條件為：香蕉汁與胡蘿卜汁體積比1.69∶1.00、菌種接種量4.41%、發酵溫度32.10 ℃、發酵時間49.46 h，在此條件下復合果蔬汁的感官評分的預測值為84.64分。為了驗證預測值的準確性和實際試驗操作的方便，將發酵工藝條件修正為香蕉汁與胡蘿卜汁體積比1.7∶1.0、發酵時間50.0 h、菌種添加量4.4%、發酵溫度32.0 ℃。在此優化條件下進行3次平行試驗，得出復合果蔬汁的感官評分實測值為85分，與預測值比較近，說明該模型可行性較高，可作為實際生產的依據。

2.3 香蕉胡蘿卜復合發酵飲料品質分析和體外抗氧化活性

利用最優發酵條件發酵的香蕉胡蘿卜復合果蔬汁的品質指標見表5，體外抗氧化活性指標見表6。

表5 香蕉胡蘿卜復合果蔬汁飲料理化指標測定結果Table 5 Determination results of physicochemical indexes of banana and carrot compound fruit and vegetable juice beverage

表6 香蕉胡蘿卜復合果蔬汁飲料抗氧化活性Table 6 Antioxidant activity of banana and carrot compound fruit and vegetable juice beverage

由表5和表6的結果可知，優化條件下復合果蔬汁的pH值為3.29，可溶性固形物含量為12.00%，總酸含量為9.66 g/100 mL，還原糖含量為5.65 g/100 mL，香蕉胡蘿卜復合果蔬汁飲料對DPPH·、ABTS+·、·OH的清除率分別為53.60%、77.00%、46.97%，結果表明復合果蔬汁飲料具有一定的抗氧化活性。

3 結論

通過單因素和響應面優化試驗分析得到香蕉胡蘿卜復合果蔬汁飲料的最佳發酵條件為：香蕉汁與胡蘿卜汁體積比1.7∶1.0、發酵時間50.0 h、菌種添加量4.4%、發酵溫度32.0 ℃。在此優化工藝條件下，香蕉胡蘿卜果蔬汁的感官評分為85分，活菌數為5.8×106CFU/mL，發酵果蔬汁的pH值為3.29，可溶性固形物為12.00%，總酸為9.66 g/100 mL，還原糖為5.65 g/100 mL，復合果蔬汁飲料對DPPH·、ABTS+·、·OH的清除率分別為53.60%、77.00%、46.97%。該復合果蔬汁飲料色澤鮮艷、風味良好、澄清透明、口感協調，并且具有一定的抗氧化活性，試驗結果為香蕉、胡蘿卜的開發利用途徑提供了參考依據。