甘蔗汁乳酸發(fā)酵工藝優(yōu)化研究

余森艷，何渺源，盧珍蘭，李志紅

（廣西民族師范學(xué)院化學(xué)與生物工程學(xué)院，廣西 崇左 532200）

利用生物技術(shù)制備乳酸發(fā)酵飲品，能很好地維持和改善果蔬等原料固有的營養(yǎng)和感官品質(zhì)，產(chǎn)品不僅具有典型的果蔬風(fēng)味，還能有效提高其營養(yǎng)保健功效、改善腸道功能、延長產(chǎn)品貨架期[1]。在日本及歐洲很多國家，乳酸發(fā)酵飲品在乳制品市場的比例高達(dá)70%，發(fā)酵飲品產(chǎn)業(yè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了世界其他飲品的增長率[2]。

廣西崇左被稱為“中國糖都”[3]，富產(chǎn)甘蔗。甘蔗汁中含有黃酮類化合物、多酚類等多種生理活性物質(zhì)，可以去除人體內(nèi)的自由基，起到抗氧化的作用。醫(yī)學(xué)研究表明，甘蔗汁中豐富的多酚和黃酮類物質(zhì)具有較強(qiáng)的抗氧化能力、抗炎癥能力[4-5]。目前，國內(nèi)種植的甘蔗主要用于制糖，鮮有對其進(jìn)行乳酸發(fā)酵的研究。基于地區(qū)特色，研發(fā)了甘蔗汁乳酸發(fā)酵飲品，產(chǎn)品直接利用甘蔗汁中的糖分，無需另外添加蔗糖，既可以解決甘蔗加工方式的單一問題，拓展甘蔗深加工產(chǎn)業(yè)鏈，助力蔗農(nóng)經(jīng)濟(jì)增收，也能很好地滿足消費(fèi)者對乳酸發(fā)酵飲品在口感、營養(yǎng)、健康等方面的更高要求，具有較好的開發(fā)前景和社會效益。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

甘蔗，購自崇左市江州區(qū)農(nóng)貿(mào)市場；乳酸菌（嗜熱鏈球菌與保加利亞乳桿菌復(fù)合菌），安琪酵母股份有限公司提供；脫脂乳粉，德運(yùn)食品有限公司提供；羧甲基纖維素鈉（CMC-Na，食品級），河南萬邦實(shí)業(yè)有限公司提供；黃原膠，山東阜豐發(fā)酵有限公司提供；0.05 moL/L 氫氧化鈉溶液、0.1 moL/L鹽酸溶液、1%酚酞溶液，飛凈生物科技有限公司提供。

1.2 儀器與設(shè)備

BD-320HEM 型冰箱，青島海爾特種電冰柜有限公司產(chǎn)品；LCZ-80 型甘蔗榨汁機(jī)，浙江應(yīng)曉工貿(mào)有限公司產(chǎn)品；WYT-4 型手持糖量計，上海易測儀器設(shè)備有限公司產(chǎn)品；YP5002 型電子天平，上海佑科儀器儀表有限公司產(chǎn)品；C21-WT2103A 型電磁爐，廣東美的生活電器制造有限公司產(chǎn)品；pHS-3S 型酸度計，上海佑科儀器儀表有限公司產(chǎn)品；RCD-1A型高速均質(zhì)乳化機(jī)，常州越新儀器制造有限公司產(chǎn)品；LRH-400A 型生化培養(yǎng)箱，廣東泰宏君科學(xué)儀器股份有限公司產(chǎn)品。

1.3 試驗方法

1.3.1 工藝流程

1.3.2 操作要點(diǎn)

（1） 甘蔗汁的制備。選擇新鮮、無霉變的甘蔗，洗凈后去皮、切塊、榨汁、過濾，得到甘蔗原汁備用。

（2） 混料、均質(zhì)。將脫脂乳粉、穩(wěn)定劑0.1%（CMC-Na 與黃原膠質(zhì)量比1∶1）[6-8]加入甘蔗汁中攪拌均勻，采用均質(zhì)機(jī)在15~20 MPa 下對混合液均質(zhì)5 min，使產(chǎn)品組織狀態(tài)均勻，獲得甘蔗汁乳酸發(fā)酵基質(zhì)。

（3） 殺菌、冷卻。將甘蔗汁乳酸發(fā)酵基質(zhì)在85 ℃條件下殺菌約15 min，再冷卻至室溫。

（4） 恒溫發(fā)酵。在殺菌冷卻后的甘蔗汁乳酸發(fā)酵基質(zhì)中添加一定量的乳酸菌，攪拌均勻后密封，置于培養(yǎng)箱中進(jìn)行42 ℃恒溫發(fā)酵。

（5） 冷藏。發(fā)酵結(jié)束后，將成品冷卻至室溫，置于4~7 ℃的冰箱中冷藏。

1.4 單因素試驗設(shè)計

1.4.1 甘蔗汁質(zhì)量分?jǐn)?shù)對乳酸發(fā)酵飲品感官評價的影響

設(shè)置甘蔗汁質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%，70%，80%，90%，100%，固定脫脂乳粉添加量2%，乳酸菌添加量3%，發(fā)酵溫度為42 ℃，發(fā)酵時間10 h，考查甘蔗汁質(zhì)量分?jǐn)?shù)對乳酸發(fā)酵飲品感官評價的影響。

1.4.2 脫脂乳粉添加量對乳酸發(fā)酵飲品感官評價的影響

設(shè)置脫脂乳粉添加量為1.0%，1.5%，2.0%，2.5%，3.0%，固定甘蔗汁質(zhì)量分?jǐn)?shù)80%，乳酸菌添加量3%，發(fā)酵溫度為42 ℃，發(fā)酵時間10 h，考查脫脂乳粉添加量對乳酸發(fā)酵飲品感官評價的影響。

1.4.3 菌種添加量對乳酸發(fā)酵飲品感官評價的影響

設(shè)置乳酸菌添加量為1%，2%，3%，4%，5%，固定甘蔗汁質(zhì)量分?jǐn)?shù)80%，脫脂乳粉添加量2%，發(fā)酵溫度為42 ℃，發(fā)酵時間10 h，考查乳酸菌添加量對乳酸發(fā)酵飲品感官評價的影響。

1.4.4 發(fā)酵時間對乳酸發(fā)酵飲品感官評價的影響

設(shè)置發(fā)酵時間為6，8，10，12，14 h，固定甘蔗汁質(zhì)量分?jǐn)?shù)80%，脫脂乳粉添加量2%，乳酸菌添加量為3%，發(fā)酵溫度為42 ℃，考查發(fā)酵時間對乳酸發(fā)酵飲品感官評價的影響。

1.5 正交試驗設(shè)計

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，以模糊數(shù)學(xué)感官評價分?jǐn)?shù)為指標(biāo)，采用四因素三水平的正交試驗?zāi)Ｐ蚅9（34），利用Excel 軟件和SPSS 軟件對甘蔗汁質(zhì)量分?jǐn)?shù)、脫脂乳粉添加量、乳酸菌添加量、發(fā)酵時間4 個因子進(jìn)行正交試驗分析，從而確定出甘蔗汁乳酸發(fā)酵飲品的優(yōu)化工藝參數(shù)。

1.6 乳酸發(fā)酵飲品感官評價方法

1.6.1 感官評價方法

通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，制作甘蔗汁乳酸發(fā)酵飲品感官評價表。以10 位有經(jīng)驗的食品專業(yè)感官評價人員對甘蔗汁乳酸發(fā)酵飲品的組織狀態(tài)、色澤、口感、香氣4 個感官指標(biāo)進(jìn)行模糊數(shù)學(xué)感官評定，組織狀態(tài)占30 分，色澤占30 分，口感占20 分，香氣占20 分，評價等級分為優(yōu)、良、中、差4 個等級。單因素試驗和正交試驗均按此標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行感官評價。

甘蔗汁乳酸發(fā)酵飲料感官評價見表1。

1.6.2 建立模糊數(shù)學(xué)模型

根據(jù)對象集K、因素集M、評語集V、權(quán)重集S、模糊關(guān)系綜合評判集Y 的確定，建立建立模糊數(shù)學(xué)模型[9-10]。

研究對象集K：對單因素試驗中的20 組乳酸發(fā)酵飲料樣品和正交試驗中的9 組樣品進(jìn)行綜合評定，其中單因素試驗中評價對象集K={K1，K2...K20}，K1=標(biāo)號為1 的樣品，K2=標(biāo)號為2 的樣品，以此類推。

因 素 集M={M1，M2，M3，M4}，其 中M1、M2、M3、M4分別對應(yīng)組織狀態(tài)、口感、色澤、香氣。

評語集V={V1，V2，V3，V4}={優(yōu)，良，中，差}。

權(quán)重集S={S1，S2，S3，S4}={0.3，0.3，0.2，0.2}，分別對應(yīng)組織狀態(tài)30 分，口感30 分，色澤20 分，香氣20 分。

模糊關(guān)系綜合評價集Y=S·Ri，R 為模糊矩陣。

為了使感官評分更直觀呈現(xiàn)，結(jié)合評語集和感官評價，將糊關(guān)系綜合評價集賦值計算，設(shè)定優(yōu)為90 分，良為80 分，中為70 分，差為60 分[11]，即評價等級集V={90，80，70，60}。將模糊關(guān)系綜合評價集Y 分別乘以評價等級集V，然后相加即可得到乳酸發(fā)酵飲品的綜合評價得分。

1.6.3 產(chǎn)品主要理化指標(biāo)的測定

pH 值的測定，使用酸度計測定；可溶性固形物的測定，使用手持糖量計測定；總酸度的測定，參考國家標(biāo)準(zhǔn)《GB5009.239—2016 食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品酸度的測定》中的直接滴定法測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗結(jié)果與分析

2.1.1 甘蔗汁質(zhì)量分?jǐn)?shù)對乳酸發(fā)酵飲品的影響

甘蔗汁質(zhì)量分?jǐn)?shù)對產(chǎn)品感官評分及pH 值的影響見圖1。

圖1 甘蔗汁質(zhì)量分?jǐn)?shù)對產(chǎn)品感官評分及pH 值的影響

由于甘蔗原汁中含糖量較高，發(fā)酵前一般需要稀釋，以降低甘蔗汁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及生產(chǎn)成本。由圖1可知，甘蔗汁質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%時，發(fā)酵后飲品的pH值較小，酸甜度不適宜，且味道較淡，香味不足，感官評分較低。當(dāng)甘蔗汁質(zhì)量分?jǐn)?shù)為100%的情況下，發(fā)酵后產(chǎn)品的pH 值相對偏高，味道較甜，乳酸發(fā)酵風(fēng)味不協(xié)調(diào)，感官評分低。因此選擇甘蔗汁質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%，80%，90% 3 個水平用于正交試驗。

2.1.2 脫脂乳粉添加量對乳酸發(fā)酵飲品的影響

脫脂乳粉添加量對產(chǎn)品感官評分及pH 值的影響見圖2。

圖2 脫脂乳粉添加量對產(chǎn)品感官評分及pH 值的影響

脫脂乳粉添加量對乳酸發(fā)酵飲品的口感、穩(wěn)定性起著重要的作用。由圖2 可知，在脫脂乳粉添加量為2%的情況下，感官評分最高，產(chǎn)品組織狀態(tài)均勻一致，口感濃厚細(xì)膩，酸甜可口，無異味。脫脂乳粉添加量越高，其感官評分反而越低，其原因可能是脫脂乳粉添加量過多時，會影響產(chǎn)品的組織狀態(tài)，且風(fēng)味不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致感官評分低。因此選擇脫脂乳粉添加量為1.5%，2.0%，2.5% 3 個水平用于正交試驗。

2.1.3 乳酸菌添加量對乳酸發(fā)酵飲品的影響

乳酸菌添加量對產(chǎn)品感官評分及pH 值的影響見圖3。

圖3 乳酸菌添加量對產(chǎn)品感官評分及pH 值的影響

由圖3 可知，在乳酸菌添加量為2%~4%時，產(chǎn)品的感官評分較高，酸度適宜，當(dāng)乳酸菌添加量為1%時，pH 值偏高，酸度低，說明菌種添加量較少可能會導(dǎo)致發(fā)酵不完全，產(chǎn)品風(fēng)味淡薄，感官評分低。當(dāng)菌種添加量較大時，發(fā)酵后產(chǎn)品的香氣和口感會下降，pH 值偏低，酸甜不協(xié)調(diào)。因此選擇菌種添加量為2%，3%，4%3 個水平用于正交試驗。

2.1.4 發(fā)酵時間對乳酸發(fā)酵飲品的影響

發(fā)酵時間對產(chǎn)品感官評分及pH 值的影響見圖4。

圖4 發(fā)酵時間對產(chǎn)品感官評分及pH 值的影響

發(fā)酵時間的長短直接影響乳酸發(fā)酵飲品的口感和香氣。發(fā)酵時間過短，產(chǎn)酸及風(fēng)味形成不足，感官評分低；發(fā)酵時間過長，會導(dǎo)致發(fā)酵過度，pH 值偏低，口感下降，且生產(chǎn)時間成本增加。由圖4 可知，隨著發(fā)酵時間的延長，pH 值逐漸下降，發(fā)酵8~12 h 的產(chǎn)品感官評分較高，說明這個時間段的乳酸發(fā)酵飲品口感及風(fēng)味較好，酸味適中。綜合感官評價和生產(chǎn)成本等因素，選擇發(fā)酵時間為8，10，12 h 3 個水平用于正交試驗。

2.2 正交試驗結(jié)果與分析

2.2.1 甘蔗汁乳酸發(fā)酵飲品模糊感官評分結(jié)果

正交試驗因素與水平設(shè)計見表2。

表2 正交試驗因素與水平設(shè)計

在表2 的正交試驗設(shè)計方案基礎(chǔ)上，采用模糊數(shù)學(xué)評價法，得出感官評價結(jié)果。

正交試驗設(shè)計見表3，方差分析見表4。

表3 正交試驗設(shè)計

表4 方差分析

由表3 可知，基于模糊數(shù)學(xué)綜合感官評價得到的正交試驗結(jié)果表明，影響乳酸發(fā)酵飲品感官品質(zhì)因素的主次順序為A＞B＞C＞D，即甘蔗汁質(zhì)量分?jǐn)?shù)是主要因素，脫脂乳粉添加量次之，隨后是乳酸菌添加量，發(fā)酵時間影響因素最小。A2B2C2D2為最優(yōu)因素組合，即甘蔗汁質(zhì)量分?jǐn)?shù)80%，脫脂乳粉添加量2%，乳酸菌添加量3%，發(fā)酵時間10 h。

由表4 可知，甘蔗汁質(zhì)量分?jǐn)?shù)和脫脂乳粉添加量對乳酸發(fā)酵飲品的品質(zhì)影響極顯著，乳酸菌添加量影響顯著，發(fā)酵時間影響不顯著。

2.2.2 驗證試驗結(jié)果分析

正交試驗的最佳工藝組合A2B2C2D2沒有出現(xiàn)在正交試驗表中，因此需要進(jìn)行驗證試驗，在最佳工藝條件為甘蔗汁質(zhì)量分?jǐn)?shù)80%，脫脂乳粉添加量2%，乳酸菌添加量3%，發(fā)酵時間10 h 的情況下，進(jìn)行3 次平行試驗并取平均值，得分為89.9 分，比正交試驗表3 中的所有感官評分高，因此可將A2B2C2D2作為最佳乳酸發(fā)酵工藝組合。

2.3 乳酸發(fā)酵飲品理化指標(biāo)檢測結(jié)果

以最優(yōu)工藝組合A2B2C2D2制備的甘蔗汁乳酸發(fā)酵飲品為樣品，測定其主要理化指標(biāo)。

乳酸發(fā)酵飲料基礎(chǔ)理化指標(biāo)測定結(jié)果見表5。

表5 乳酸發(fā)酵飲料基礎(chǔ)理化指標(biāo)測定結(jié)果

3 結(jié)論

采用模糊數(shù)學(xué)法綜合評價方法，得出甘蔗汁乳酸發(fā)酵飲品的最優(yōu)生產(chǎn)工藝條件為發(fā)酵溫度42 ℃，甘蔗汁質(zhì)量分?jǐn)?shù)80%，脫脂乳粉添加量2%，乳酸菌添加量3%，穩(wěn)定劑添加量0.1%（CMC-Na 與黃原膠質(zhì)量比1∶1），發(fā)酵時間10 h。在此最優(yōu)工藝條件下研制的甘蔗汁乳酸發(fā)酵飲品呈乳白色，組織狀態(tài)均勻一致，無分層，酸甜適口，具有濃郁的乳酸發(fā)酵風(fēng)味和甘蔗清香，兼具營養(yǎng)、健康、美味于一體，開發(fā)前景較好。