紫薯水溶性提取物對發酵乳性能的研究

張 倩,雷 苗,吳 濤,蔡 杰,*,何靜仁，*,李書藝，舒 靜,馬成杰

(1.武漢輕工大學食品科學與工程學院,湖北武漢 430023;2.乳業生物技術國家重點實驗室,光明乳業股份有限公司乳業研究院,上海 200436)

紫薯水溶性提取物對發酵乳性能的研究

張 倩1,雷 苗1,吳 濤1,蔡 杰1,*,何靜仁1，*,李書藝1，舒 靜1,馬成杰2

(1.武漢輕工大學食品科學與工程學院,湖北武漢 430023;2.乳業生物技術國家重點實驗室,光明乳業股份有限公司乳業研究院,上海 200436)

本研究利用紫薯水溶性提取物和干奶粉為原料研制發酵型紫薯酸奶。實驗分別以發酵過程中pH、酸度、黏度及發酵終點的含菌量為指標,研究了紫薯提取物添加量對發酵乳性能的影響,結果表明提取物的添加導致發酵乳初始和發酵終點pH均降低、黏度減小,而酸度均升高、含菌量增加;同時結合紫薯酸奶的特點通過感官評價體系對紫薯酸奶的制作工藝條件進行了優化得出最佳工藝方案如下:紫薯提取物的添加量16 mg/mL,白糖的添加量8%,發酵時間4.75 h;并以未添加紫薯提取物的普通酸奶為對照,通過GC/MS檢測分析比較了紫薯酸奶中主要的揮發性風味物質及與普通酸奶之間的特性與差異:萜烯類、烴類物質、呋喃類物質和含硫化合物這四類風味物質均只在紫薯酸奶中檢測得到。實驗研究的相關結論以期為新型紫薯酸奶的制作提供理論依據。

紫薯提取物,發酵乳,性能,工藝優化,揮發性風味成分

紫薯(又稱黑薯)肉呈紫色或深紫色,除含有普通甘薯的營養成分外,還具有特殊的食用和藥用價值,這主要歸功于其富含的花色苷、黃酮等多酚類功能性成分以及礦物質元素[1-2]。紫薯在預防心血管疾病、抗氧化、抗衰老、抗突變、護肝、抗癌等方面具有一定的功效[3-4]。已有研究報道,紫薯色素可以通過阻斷NLRP3炎癥體抑制內皮細胞過早衰老,而且能夠顯著降低在Caco-2細胞中雙氧水誘導IL-1β、IL-6、IL-8和 TNF-α的表達[5-6]。此外,紫薯產量高,價格相對較低,是一種十分易得的材料。因此,合理開發紫薯類產品具有廣泛的應用價值與市場前景。

發酵乳制品因其獨有的滋味受到廣大消費者的青睞。而隨著生活質量的改善,人們對食品需求已由初始的感官屬性上升到了營養與保健層次,因此當今乳制品研究開發的主流之一是提高營養價值和保健功能[7]。師文添、湯高奇、趙叢叢[8-10]通過感官評價分別研究了紫薯漿或紫薯泥對紫薯酸奶影響,得到最佳配方和發酵工藝。賀紅軍等[11]添加紫薯粉制作紫薯酸奶,通過氣質研究了紫薯酸奶和普通酸奶揮發性風味物質,結果表明紫薯酸奶中揮發性風味物質種類最多,橙花醇、愈創木酚、香草醛等只在紫薯酸奶中檢測到。本文考慮到減少紫薯提取物中花色苷及其活性的損失[12],在乳液滅菌后添加滅菌水溶解的紫薯凍干粉[13],研究其水溶性提取物對酸乳發酵過程中的pH、酸度、黏度、含菌量等的影響,以期得到對發酵乳相關性能的影響規律;同時通過感官評價體系優化紫薯酸奶的制作工藝以達到該制品的最佳品質;并利用GC-MS比較分析了紫薯酸奶與普通酸奶在風味物質上的差別與特性。實驗結論可為紫薯酸奶的研制提供一定的理論依據。此外,在豐富發酵乳市場的基礎上又為合理有效地開發利用紫薯資源提供了一條新途徑。

表1 紫薯酸奶感官評分標準Table 1 Sensory evaluation criteria of purple potato yogurt

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

紫薯 市售紫薯,購于武商量販;全脂奶粉 內蒙古伊利實業集團股份有限公司;白砂糖 廈門綠帝生態股份有限公司;直投式凍干濃縮乳酸菌種 丹尼斯克添加劑(上海)有限公司;MRS培養基,MC培養基 青島日水生物技術有限公司;檸檬酸、抗壞血酸、氫氧化鈉等 國藥集團化學試劑有限公司。

Agilent7890GC/5975C 氣相色譜質譜聯用儀 美國Agilent公司;SPME萃取頭 50 μm/30 μm CAR/DVB/PDMS(2 cm) 美國Supelco公司;R-3型旋轉蒸發儀 瑞士Buchi有限公司;ALPHA2-4型真空冷凍干燥機 德國Christ公司;SW-CJ-2FD型雙人單面凈化工作臺 蘇州凈化設備有限公司;YXQ-LS-70A型立式壓力蒸汽滅菌鍋 上海博迅實業有限公司醫療設備廠;BSC-400型恒溫恒濕箱 上海博迅實業有限公司醫療設備廠。

1.2 實驗方法

1.2.1 紫薯提取物的制備 新鮮紫薯洗凈削皮,切塊,放入攪拌機中打碎勻漿,破碎過程中加入一定量的抗壞血酸和檸檬酸以防止氧化,然后用多層紗布過濾、取濾液4000 r/min離心30 min,上清液冷凍干燥。凍干之后得到的粉末即為紫薯水溶性提取物。紫薯提取物制備的具體工藝流程如下圖1所示。

圖1 紫薯提取物的工藝流程Fig.1 The process of purple potato extract

1.2.2 紫薯酸奶制作 按照每100 mL水中加入12 g全脂奶粉和8 g白砂糖,沖調成全脂乳液,20～30 MPa壓力下均質,然后將乳液在90～95 ℃下進行滅菌20 min。待冷卻后將1.2.1中制得的紫薯提取物按0、4、8、12、16、20 mg/mL等不同的添加量加入至乳液中[14],并接種發酵劑(保加利亞乳桿菌與嗜熱鏈球菌的混合物)。接種完成后放入42 ℃的恒溫培養箱中發酵4.5 h,隨后放入4 ℃的冰箱中冷藏后熟。紫薯酸奶制作的具體工藝流程如下圖2所示。

圖2 紫薯酸奶的制作工藝流程Fig.2 The process of purple potato yogurt

1.2.3 發酵過程中相關特性的測定

1.2.3.1 pH測定 使用Starter-3100型實驗室pH計,發酵過程中每隔30 min測定[15]。

1.2.3.2 酸度測定 發酵過程中按照GB 5413.34-2010的方法[16],每隔30 min測定。

1.2.3.3 黏度測定 發酵過程中使用NDJ-7型旋轉式粘度計,每隔30 min測定。

1.2.3.4 含菌量測定 按照GB 4789.35-2010,采用平板菌落計數法[17],檢測不同紫薯提取物添加量下的發酵乳發酵終點時的乳酸菌含量。

1.2.4 紫薯酸奶制作工藝優化

1.2.4.1 單因素實驗設計 按照1.2.1的發酵工藝,按每100 mL水加8%的全脂奶粉,12%的白糖調制成乳液,均質,滅菌,冷卻后將紫薯水提取物分別以0、4、8、12、16、20 mg/mL的添加量加入乳液中,按萬分之0.5的接種量進行接種發酵,并在42 ℃的恒溫箱中發酵4.5 h。后熟24 h后按照表1對其進行感官評定[18-20],得出紫薯提取物的最佳添加量。固定紫薯水提取物為12 mg/mL,發酵時間4.5 h,白糖比例4%、6%、8%、10%、12%;固定紫薯水提取物為12 mg/mL,白糖為12%,發酵時間4～6 h,其他條件同上,感官評價得出白糖的最佳添加量和紫薯酸奶的最佳發酵時間。

1.2.4.2 正交實驗 在單因素實驗的基礎上,選擇紫薯提取物添加量,白糖添加量,發酵時間3個因素的3個水平進行紫薯酸奶發酵工藝的優化實驗,并按照表1進行感官評定。工藝優化正交實驗因素水平設計見表2。

表2 L9(34)紫薯酸奶工藝優化正交因子水平表Table 2 Factors and levels of orthogonal test on purple potato yoghurt optimization

1.2.5 紫薯酸奶揮發性風味物質的測定 取一定量的最佳工藝條件下發酵的紫薯酸奶和普通酸奶樣品加入到萃取瓶中,旋緊瓶蓋后充分混勻,將萃取瓶放入50 ℃恒溫孵化30 min,萃取結束后迅速將萃取頭插入瓶中進行吸附[21-22]。GC條件:HP-FFAP 石英毛細管色譜柱(30 m×0.32 mm,0.25 μm),采用程序升溫方式,起始溫度為40 ℃,保持2.5 min,以5 ℃/min升溫到140 ℃,保持5 min,6 ℃/min升溫到230 ℃,保持5 min;進樣口溫度250 ℃,傳輸線230 ℃;載氣為He氣,流速2.0 mL/min;不分流進樣。MS條件:電離方式為EI,電子能量70 eV;離子源溫度為230 ℃,質量掃描范圍為30.0～500.0 amu;EMV為1094 V。

1.2.6 數據分析 將GC-MS檢測出的結果與數據庫進行檢索匹配,將累計貢獻率大于80%的作為暫定結果,并查閱相關文獻,對結果進行核對與確認。

2 結果與分析

2.1 紫薯提取物對酸奶相關特性的影響

2.1.1 紫薯提取物添加量對發酵乳酸度的影響 酸度是控制酸乳質量的一項重要指標。乳酸菌的發酵,使乳糖轉變為乳酸,使發酵乳的pH降低,產生凝固并形成酸味。酸度過低影響口味,過高影響乳酸菌的成活率。本實驗通過pH和滴定酸度來綜合衡量其變化。從紫薯酸奶發酵過程中pH變化來看(圖3),乳液的起始pH隨著紫薯提取物濃度增加而下降,pH6.6降低到6.0。由于紫薯提取物中含有一定量的水溶性酸,導致紫薯提取物本身的pH較低。在發酵的前1.5 h,pH呈現出比較平穩的下降趨勢;當發酵至1.5 h后,各組的下降明顯加快;而3 h后pH下降漸趨平緩逐漸形成凝乳。發酵時間至發酵終點,添加紫薯提取物的各組發酵乳pH均低于普通發酵乳(圖4)。當發酵乳體系中pH達到蛋白質的等電點蛋白膠粒開始凝聚沉降,逐漸形成一種蛋白質網絡立體結構,從發酵終點pH中可以看出只有未添加紫薯提取物的發酵終點在此等電點附近,添加紫薯提取物的發酵終點都低于這一等電點,說明紫薯提取物的添加影響了酸乳的穩定性。

圖3 不同添加量的紫薯提取物對發酵過程中pH的影響Fig.3 Effect of amount of purple potato extract on the pH value in the fermentation process

圖4 不同添加量的紫薯提取物對發酵終點pH的影響Fig.4 Effect of amount of purple potato extract on the pH value at the end of fermentation

從發酵乳滴定酸度變化來看(圖5),隨著紫薯提取物添加量的增加,當添加量低于12 mg/mL時,各組的起始酸度差距較大;當添加量大于12 mg/mL時,各組的起始酸度差距較小。在發酵的前1.5 h,各組的酸度上升較平緩;待發酵至1.5 h后,滴定酸度迅速增加,上升速度均有了極大提高;在發酵的最后1.5 h,酸度上升速度又漸趨平緩。發酵終點的滴定酸度在60～80 °T的范圍內。從總體上看,隨著紫薯提取物的添加,使得各組發酵乳的滴定酸度相應的增加,且與不添加紫薯提取物發酵乳的終點酸度相差較大,但添加了紫薯提取物的各組的滴定終點酸度相差不大。

圖5 不同添加量的紫薯提取物對發酵過程中滴定酸度的影響Fig.5 Effect of amount of purple potato extract on titratable acidity in the fermentation process

2.1.2 紫薯提取物添加量對發酵乳黏度的影響 質量好的酸奶需要具有適宜的口感,良好的組織形態和穩定性,而酸奶的黏度是體現酸奶質量的一個重要的指標,是酸奶中的乳成分在發酵和儲藏過程中發生變化的反映。黏度直接影響酸奶的質地和口感,只有適當的黏度,才能產生良好的感官特性。因此對不同紫薯提取物添加量下的發酵乳在發酵時的黏度變化進行了測定。由圖6可知,在發酵開始的2.5 h左右,各組的黏度變化不大;但是從2.5 h開始,發酵乳的黏度迅速上升,最終達到350～600 mPa·s。隨著紫薯提取物添加量的逐步增大,發酵乳在發酵過程中的黏度增大幅度有一定的減小,且發酵終點的黏度有明顯的減小的趨勢。可能是紫薯提取物的添加,增加了酸乳的含水量,稀釋了粘性物質的濃度,但是與普通酸奶相比,添加了紫薯提取物的酸奶給人一種稠厚感,而不添加紫薯提取物的普通酸奶則相對較為稀薄。

圖6 不同添加量的紫薯提取物對發酵過程中黏度的影響Fig.6 Effect of amount of purple potato extract on viscosity in the fermentation process

圖7 不同添加量的紫薯提取物對菌種生長的影響Fig.7 Effect of amount of purple potato extract on the growth of the bacteria in terminal point of fermentation

2.1.3 紫薯提取物添加量對發酵終點含菌量的影響 衡量酸奶營養價值的一個很重要的指標是酸奶中的活性乳酸菌的含量,因此本實驗對不同紫薯提取物添加量下的發酵乳發酵終點的保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌的含量進行了測量。在酸奶發酵過程中,保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌利用乳液中的營養物質進行生長繁殖,將乳液中的乳糖發酵為乳酸,但隨著時間的增長,酸度增加,菌體的生長繁殖受到抑制,從而使發酵進入終點。由圖7可以看出酸乳中乳酸菌總數隨著紫薯提取物添加量的增大而有增加的趨勢,其中保加利亞乳桿菌菌落數有較大的增長趨勢,而嗜熱鏈球菌的菌落數隨著紫薯提取物添加量的增加而逐步降低,但仍始終高于不添加紫薯提取物的普通酸奶。可能紫薯提取物中含有較多的營養物質,添加后可以使乳酸菌的對數期延長,繁殖代數增加,而且由于凝固較慢,對酸奶的發酵起到了很好的緩沖作用,同時有益于酸奶的后熟,更有利于風味物質的產生。

2.2 紫薯酸奶工藝單因素實驗

2.2.1 紫薯提取物添加量對產品品質的影響 由圖8可知,當紫薯提取物的添加量為16 mg/mL時,紫薯酸奶的感官品質評分值最高,此時產品組織細膩,粘度適中,質地均勻,表面無乳清析出;色澤均勻一致,呈現出好看的淡紫色;紫薯特有的香味與發酵乳的奶香協調性較好;口感細膩滑潤,酸甜適口。

圖8 紫薯提取物添加量對感官評定的影響Fig.8 Effect of amount of purple potato extract on the sensory evaluation

2.2.2 白糖添加量對產品品質的影響 由圖9可知,不同添加量的白砂糖對紫薯酸奶的感官品質評分值影響較大。由于白砂糖具有較強的甜味,添加白砂糖能有效的緩和酸奶的酸度,提高風味,同時也可以為發酵提供能源。當加糖量過低時,酸奶的奶味較淡,同時酸味過重,風味不協調。隨著加糖量的增加,甜味增重,酸味減弱。當白糖添加量過高時,甜味較明顯但又掩蓋了紫薯的香味,酸味又不夠。當白糖的添加量為8%時,紫薯酸奶的感官品質評分值最高。

圖9 白糖添加量對感官評定的影響Fig.9 Effect of amount of sugar on the sensory evaluation

2.2.3 發酵時間對產品品質的影響 由圖10知,當發酵時間為4 h時,產品的香味不足,組織形態過于松軟,粘度過低,口感粗糙;當發酵時間為5～6 h時,產品酸味過大,甜味不足,但組織細膩柔和,體態較好。當發酵時間為4.5 h時,紫薯酸奶的感官品質評分值最高。

圖10 發酵時間對感官評定的影響Fig.10 Effect of fermentation time on the sensory evaluation

2.2.4 正交實驗 在上述各單因素實驗的實際操作中,它們對產品品質的影響是相互聯系的。因此,為了全面的研究各因素對產品品質的影響,采用正交實驗法確定紫薯酸奶的最佳工藝條件。正交實驗的結果見表3。

表3 L9(34)正交實驗結果Table 3 Results of orthogonal test

由表3可知,RA>RB>RC,即可得在正交實驗所設計的各因素水平中,發酵時間、白糖添加量、紫薯提取物添加量對紫薯酸奶的感官品質的影響依次增大。通過比較相關的數據可得出影響紫薯酸奶感官品質的最主要因素及最佳的工藝條件組合是A2B2C3,即紫薯提取物的添加量為16 mg/mL,白糖的添加量為8%,發酵時間為4.75 h。在此工藝條件下,紫薯酸奶的感官評分最高,得到的產品組織狀態良好,色澤均勻,香味適宜,滋味細膩,口感適中。

2.3 紫薯酸奶揮發性風味物質的測定

采用頂空固相微萃取裝置對最佳工藝條件下的紫薯酸奶和在此條件下不添加紫薯水提物中的揮發性風味成分進行萃取,然后運用GC/MS對其進行分析檢測。對經過預處理的普通酸奶和紫薯酸奶樣品進行平行取樣測定,得到總離子流圖如圖11所示。

圖11 紫薯酸奶(a)和普通酸奶(b)香氣成分的GC/MS離子圖譜Fig.11 Total ion current chromatograms of flavor compositions in purple potato yoghurt(a)and regular yogurt(b)

通過GC-MS進行分析檢查,并利用計算機譜庫(NISTLibrary)中各個化合物的質譜數據,結合參考文獻,對圖中的結果進行匹配檢索核定與確認,得到普通酸奶和紫薯酸奶中的揮發性化合物種類,同時使用峰面積計算出各個揮發性風味物質在酸奶中的相對含量,結果如表4所示。

由表中可知普通酸奶和紫薯酸奶中的揮發性風味物質共有81種,包括醛類、酸類、酯類、酮類、醇類、萜烯類、芳香類等。紫薯酸奶中共檢測到揮發性風味物質為72種,普通酸奶中檢測到的揮發性風味物質共有44種,比普通酸奶多28種;紫薯酸奶中醛類為主要揮發性風味成分,共有32種,占紫薯酸奶中揮發性風味物質總量的48.96%,其次為酸類物質,共有14種,占總量的44.84%,而普通酸奶中含量最高的為酸類物質,共有10種,占普通酸奶中揮發性風味物質總量的48.49%,其次為醛類物質,共有26種,占總量的48.31%;紫薯酸奶中其它的風味物質還包括酮類物質4種,萜烯類物質1種,酯類物質6種,芳香雜環類物質3種,醇類物質7種,烴類物質3種,呋喃類物質1種,含硫化合物1種,普通酸奶中含有酮類物質2種,酯類物質4種,芳香雜環類物質1種,醇類物質1種。綜上可以看出兩種酸奶中的主要的揮發性風味物質成分并無明顯差別,但是各物質的相對含量及閾值的差別較大,而且本實驗總體來看普通酸奶與紫薯酸奶相比,缺少萜烯類、烴類物質、呋喃類物質和含硫化合物這四類物質。

表4 普通酸奶和紫薯酸奶中的香味物質Table 4 Flavor compositions in Regular yogurt and Purple potato yoghurt

續表

3 結論

本文以紫薯提取物和奶粉為原料制作紫薯酸奶,研究了發酵過程中水提物添加量對酸乳pH、酸度、黏度、含菌量等變化規律。本實驗中紫薯水提物的添加使得發酵乳初始和發酵終點pH均降低,而酸度均升高,黏度減小,含菌量增加。同時通過感官評價體系優化紫薯酸奶制品的最佳品質工藝為:紫薯提取物的添加量16 mg/mL,白糖的添加量8%,發酵時間4.75 h。并采用了頂空固相微萃取和氣相質譜聯用技術分析檢測普通酸奶和紫薯酸奶中的風味物質的成分。通過比較發現未添加紫薯提取物的普通酸奶含有揮發性風味物質44種,而紫薯酸奶含有72種(多28種),而且普通酸奶與紫薯酸奶相比,沒有萜烯類、烴類物質、呋喃類物質和含硫化合物這四類物質。可能是由于紫薯提取物中豐富的風味成分參與了酸奶的發酵,從而產生了多種的風味物質。紫薯酸奶的特殊風味不僅與其豐富的揮發性風味物質有關,同時還與各風味物質的閾值及相互之間的協同作用有著密切的關系。所檢測出紫薯酸奶具有許多區別于普通酸奶而特有的風味物質,推測正是由于這些風味物質與固有風味物質的共同作用下才形成了紫薯酸奶特有的風味。本文相關實驗結論可為紫薯酸奶的研制提供一定的理論支持。

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Effect of water-soluble extract of purple sweet potato on property of fermented milk

ZHANG Qian1,LEI Miao1,WU Tao1,CAI Jie1，*,HE Jing-ren1，*,LI Shu-yi1,SHU Jing1,MA Cheng-jie2

(1.School of Food Science and Engineering,Wuhan Polytechnic University,Wuhan 430023,China;2.State Key Laboratory of Dairy Biotechnology,Technology Center of Bright Dairy and Food Co. Ltd.,Shanghai 200436,China)

In this paper,using purple sweet potato extract and milk powder as main materials,a new kind of yoghurt with bright color,favor and nutrition was produced. pH,acidity,viscosity,and the bacteria content at the end of fermentation were taken as indexes to analyze the effect of purple sweet potato extract on property of fermented milk. The addition of the extract of purple potato led the decrease of the initial and fermentation pH,and viscosity,while increased acidity and bacteria content in the fermented milk. On the basis of the sensory evaluation systems,the process conditions of purple potato yogurt were optimized to be 16 mg/mL purple sweet extract,8% sugar and 4.75 h fermentation time. The flavor substances of purple potato yogurt were then measured by GC-MS. Compared with yogurt without adding the extract of purple potato,terpenes,hydrocarbons,furan substance,and sulfocompound can be tested only in purple potato yoghurt. The results may be helpful to the development of the new type purple potato yoghurt.

Purple potato extract;fermented milk;performance;orocess optimization;volatile flavor components

2016-07-12

張倩(1991-),女,碩士,研究方向:農產品加工化學與食品營養,E-mail:13407110987@163.com。

*通訊作者:蔡杰(1987-),男,博士,講師,研究方向:生物大分子改性與納米技術,E-mail:caijievip@hotmail.com;caijievip@whpu.edu.cn。 何靜仁(1974-),男,博士,教授,研究方向:膳食功效物質基礎與分子營養,E-mail:jingren.he@whpu.edu.cn。

武漢市應用基礎研究計劃項目(2016020101010076);國家自然科學基金項目(31501482)。

TS252

A

:1002-0306(2017)03-0143-08

10.13386/j.issn1002-0306.2017.03.019