非熱殺菌牡丹花飲料的創新工藝

趙久毅，游歡，唐春紅

重慶工商大學環境與資源學院綠色食品研究院（重慶 400067）

牡丹有“花中之王”之稱，為一類雙子葉植物，分為8種不同類別，均廣泛分布于中國各地[1]。其花色鮮艷，賞心悅目，早在漢代的《神農本草經》中就記載，牡丹是上好的食用原料和藥用藥材，是中華民族貢獻給世界園林的珍品[2]。

牡丹花中的主要成分為紫云英苷、牡丹花苷、蹄紋天竺苷，具有活血調經、美白養顏的作用[3]。其原因之一是牡丹花中的這些多酚具有較強的抗氧化作用，能夠有效清除自由基，從而起到祛斑美顏、抗皮膚衰老的效果。朱素英[4]在牡丹花多酚抗氧化試驗中表明牡丹花多酚的DPPH自由基清除率大于人工合成抗氧化劑BHT。此外，牡丹花瓣還具有極高的營養價值，除了含有豐富的蛋白質、脂肪、淀粉和糖類，還含鈣、鎂、磷、鐵、硒等礦物質以及多種維生素，特別是所含的多種游離氨基酸，可作為高營養食物的原材料，也是功能性蛋白重要來源之一，且易被人體所吸收[5]。

一款健康、非熱殺菌的牡丹花飲料的生產開發是符合市場需求的。市面上的調味飲料添加了化學防腐劑以及大量的糖，長期飲用會對人體健康造成負面影響，此外它們的殺菌工藝大多采用高溫殺菌，會對飲料的口感和原料中的營養成分造成破壞，從而降低消費者的消費體驗。探究在不進行高溫滅菌和添加化學合成防腐劑的前提下，同時保證牡丹花飲料中營養成分和最佳口感，從最開始的水源就進行“步步減菌”，利用原料自身的抑菌作用、超聲波滅菌作用和特制的天然植物萃取物對飲料滅菌，確定牡丹花飲料生產的創新工藝，為飲料行業提供技術指導，有助于拓寬更具多樣性的飲料市場。

1 材料與方法

1.1 材料和試劑

牡丹花（丹鳳牡丹，產于重慶墊江縣）；玫瑰花、金銀花（重慶中藥材市場）；木糖醇、赤蘚糖醇、安賽蜜、甜蜜素、白醋、檸檬酸（均為食品級）；馬鈴薯葡萄糖瓊脂培養基、牛肉膏蛋白胨培養基（上海博微生物科技有限公司）。

1.2 儀器與設備

FB223分析天平（上海舜宇恒平科學儀器有限公司）；UV2400紫外可見分光光度計（上海舜宇恒平科學儀器有限公司）；HL-900超聲波（九江市廬山區志遠不銹鋼設備經營部）；802離心機（金壇市大地自動化儀器廠）；DHG電熱恒溫鼓風干燥箱（上海龍躍儀器設備有限公司）；SW-CJ-2FD潔凈工作臺（蘇凈集團蘇州安泰空氣技術有限公司）；GHP-9080隔水式恒溫培養箱（上海齊欣科學儀器有限公司）；立式壓力蒸汽滅菌鍋（上海博訊實業有限公司醫療設備廠）；LTF-8D電熱恒溫三孔水槽（上海龍躍儀器設備有限公司）；DL-1萬用電爐（北京中興偉業儀器有限公司）；pH計（賽多利斯科學儀器（北京）有限公司）。

1.3 方法

1.3.1 創新工藝

原料挑選→清洗干燥→按比例混合打粉→超聲浸提→過濾→調配→添加天然植物萃取物滅菌防腐→灌裝封口

原料處理：在選擇牡丹花、玫瑰花、金銀花等原料時，要剔除一些霉爛、蟲蛀的原料和明顯渣滓，確保符合原料品質要求。按照牡丹花∶玫瑰花∶金銀花質量比2∶1∶1稱量混勻，微波30 s干燥殺菌，打粉粉碎至0.425 mm（40目）以下備用。

制備純凈水：將自來水過濾，吸附雜質后，經過孔徑1～10 nm的反滲透膜材料精過濾，然后再紫外線殺菌1～2 h，制成pH 5.8～6.8，電導率0～10 μS/cm的純凈水，備用。

制備混合有機酸：混合有機酸為白醋和檸檬酸混合酸；按白醋-檸檬酸質量比3∶2配制備用。

超聲處理：處理好的原料與水混合，攪拌均勻后置于超聲波清洗機進行提取。

調配：將提取后的混合物與水按一定比例混合攪拌均勻，煮沸、冷卻、過濾，得到澄清浸提液。加入酸味劑、甜味劑進行調配。

殺菌灌裝：在調配好的提取液中加入天然植物萃取物進行滅菌，灌裝。

1.3.2 微生物指標檢測

菌落總數的測定按照GB 4789.2—2016[6]進行，大腸桿菌的檢測按照GB 4789.3—2016[7]進行。

殺菌率按式（1）計算。

殺菌率=（殺菌前菌落總數-殺菌后菌落總數）/殺菌前菌落總數×100% （1）

1.3.3 超聲波殺菌單因素試驗

分別考察固液比（1∶10，1∶15，1∶20，1∶25和1∶30 g/mL）、超聲功率（120，180，240，300和360 W）、超聲時間（10，20，30，40和50 min）、溫度（30，40，50，60和70 ℃）對超聲波殺菌率的影響，過濾浸提液，取樣進行菌落總數的測定。

1.3.4 超聲條件優化正交試驗

在單因素試驗基礎上，選定超聲功率、超聲時間、固液比、溫度4個因素進行正交試驗，以殺菌率為優化指標，采用L9(34)正交試驗對浸提液進行超聲條件的優化。

1.3.5 感官評分標準（見表1）

表1 茶湯評分方法

1.3.6 飲料口感調配正交試驗

原液料液比（超聲波處理后的浸提液與純凈水比例）、甜味劑（木糖醇、赤蘚糖醇、安賽蜜、甜蜜素等）、混合有機酸（白醋-檸檬酸質量比3∶2）配比是影響飲料口感的主要因素，對這3個影響因素進行L9(33)正交試驗，通過感官評價篩選出最優配方。

1.3.7 天然植物萃取物添加量的確定

以天然植物萃取物作為防腐劑，研究其添加量分別為0，0.5%，1.0%，1.5%和2.0%時，對牡丹花飲料菌落總數的影響，確定天然植物萃取物添加量。

1.3.8 牡丹花飲料保質期的測定

在37 ℃下，根據時間的長短測定牡丹花飲料中菌落總數和大腸菌群，判斷其保質期[8]。

2 結果與分析

2.1 超聲波殺菌單因素結果

2.1.1 固液比的確定

如圖1所示，固液比1∶10（g/mL）時，殺菌率為88.89%，固液比1∶20（g/mL）之前，殺菌率呈上升趨勢，固液比1∶20（g/mL）時達到殺菌率的轉折點92.31%，而固液比1∶20～1∶30（g/mL）殺菌率呈緩慢下降趨勢。在超聲波殺菌中，是需要一定的液體介質更好地實現空化效應，所以一定的固液比能夠對原料進行有效清洗和殺菌，液體介質過多可能會影響超聲殺菌效率，從而降低殺菌效果[9]。所以選取固液比1∶15，1∶20和1∶25（g/mL）進行正交優化試驗。

圖1 固液比對殺菌率的影響

2.1.2 超聲功率的確定

數據顯示，超聲功率120～240 W時，殺菌率呈上升趨勢，且240 W時殺菌率出現轉折點，此時殺菌率為92.66%，而超聲功率240～360 W時，菌落總數反而呈緩慢下降趨勢。隨著超聲功率增大，超聲的空化效應增強，所以滅菌效果也隨之變強，但在達到某一超聲功率時，空化效應達到飽和，此時如果繼續增加功率，反而會產生許多無用的氣泡從而增加散射衰減，降低空化強度，使滅活效果下降[10]。所以選取超聲功率180，240和300 W進行正交優化試驗。

圖2 超聲功率對殺菌率的影響

2.1.3 超聲時間的確定

如圖3顯示，超聲時間10～30 min時，殺菌率急劇上升，30 min時殺菌率為93.22%，而30～50 min時，殺菌率又略有降低。超聲時間的長短很大程度上決定殺菌效果，理論上來說超聲時間越長殺菌效果越好，但是超過某一時間節點菌落總數反而增加，這可能是因為原料細胞內大量不溶物及黏液質等溶出，從而增大傳質阻力，降低滅菌效果[11]。所以選擇超聲時間20，30和40 min進行正交優化試驗。

圖3 超聲時間對殺菌率的影響

2.1.4 溫度的確定

根據圖4可知，隨著溫度增加，殺菌率整體呈上升趨勢，表明適當的高溫能殺死大部分微生物。30～ 50 ℃時，菌落總數上升得更為明顯，而在50～70 ℃之間，上升較緩慢，但總體趨勢保持上升，說明超聲波殺菌結合適當的熱處理能夠更好地起到滅菌效果[12]。考慮到高溫對原材料營養的破壞與生產節能，所以選取溫度40，50和60 ℃進行正交優化試驗。

圖4 溫度對殺菌率的影響

2.2 超聲波提取工藝正交試驗

在單因素結果基礎上，選取固液比、超聲功率、超聲時間、溫度4個因素進行正交試驗，因素的水平設計見表2。以殺菌率作為優化指標進行正交優化，試驗結果見表3。

表2 正交試驗設計

由表3的結果可知，超聲波殺菌的過程中，影響浸提原液菌落總數最顯著的因素是固液比，其次是超聲時間，再次是溫度，最不顯著的因素是超聲功率，即A＞C＞D＞B。說明超聲殺菌中超聲時間和固液比對殺菌效果起到很大作用，液體介質的多少會顯著影響超聲效率，而超聲波空化作用的連續進行也會對微生物的結構不斷破壞[13]。溫度的顯著性和超聲時間非常接近，說明超聲殺菌輔以一定的溫度能起到更好作用。進一步通過k值得到超聲殺菌的最佳工藝條件A2B2C3D2，即固液比1∶20（g/mL）、超聲功率240 W、超聲時間40 min、提取溫度50 ℃。在此條件下進行驗證試驗，最終殺菌率為93.28%，比正交結果中的殺菌率都高。且該條件下原料能被很好地浸沒，提取溫度適宜，并不會大程度地破壞原料中的營養成分與口感。

表3 超聲波殺菌正交試驗結果表

2.3 飲料口感調配正交試驗

根據以往的飲料配方，用原液料液比、酸味劑、甜味劑3個因素做口感調配的正交試驗，以感官評分作為優化指標找出優化條件。因素的水平設計見表4，試驗結果見表5。

表4 因素水平設計表

表5 感官評價結果

結果表明，以感官評價綜合評分為優化指標，影響因素的主次順序為C＞B＞A，即甜味劑添加量＞酸味劑添加量＞原液料液比，最佳方案為A2B1C2，即飲料最佳配方為原液料液比1∶11（mL/mL）、酸味劑添加量0.1%、甜味劑添加量6%。在此條件下所得飲料口感酸甜適中，口感最佳。

2.4 天然植物萃取物添加量的確定

結果顯示，天然植物萃取物的添加量會同時影響牡丹花飲料中的菌落總數和口感，隨著天然植物萃取物增加，飲料中菌落總數會呈下降趨勢，添加量1.0%時，飲料的菌落總數就小于100 CFU/mL，符合GB 7101—2015[14]要求。但添加量大于1.0%后，飲料的感官評價分數有下降的趨勢，說明過量的植物萃取物會影響飲料的口感。綜合考慮到菌落總數和感官評分，天然植物萃取物添加量選取1.0%。

表6 天然植物萃取物添加量對飲料防腐的影響

2.5 牡丹花飲料保質期測定

通過菌落總數和大腸桿菌的測定，對牡丹花飲料的保質期進行檢測。保質期的測定方法采用加速破壞性試驗的方法[15]，把該飲料放置在37 ℃恒溫箱中，根據培養時間的長短及相應微生物指標判斷其保質期。如表7所示，牡丹花飲料在37 ℃條件下可以儲藏60 d，常溫下至少能保質6個月。

表7 牡丹花飲料保質期測定

3 結論

通過單因素試驗、正交試驗，對牡丹花飲料的超聲波提取工藝及飲料調配工藝進行優化，得到牡丹花飲料的最佳生產配方和工藝條件。超聲波提取條件為固液比1∶20（g/mL）、超聲功率240 W、超聲時間40 min、溫度50 ℃。在原液料液比1∶11（mL/mL）、酸味劑添加量0.1%、甜味劑添加量6%、天然植物萃取物添加量1%條件下得到一種風味獨特、質量穩定、可在常溫下貯藏6個月的飲料產品。

試驗證實，在非熱殺菌、無化學合成防腐劑的條件下，秉承“步步減菌”的理念，以超聲波殺菌和天然植物萃取物殺菌為主，以原材料的自身抑菌作用為輔，同樣能達到茶飲料應有的保質期，并且保持較好的風味口感，減少營養物質流失。隨著生活質量提升，非熱殺菌技術研發有望成為趨勢。