晉西北酸粥發酵工藝的研究

王琪，李文亞

(山西大學 生命科學學院，山西 太原，030006)

晉西北酸粥發酵工藝的研究

王琪*，李文亞

(山西大學 生命科學學院，山西 太原，030006)

以短乳桿菌(Lactobacillusbrevis)、醋化醋桿菌(Acetobacteraceti)和釀酒酵母(Saccharomycescerevisiae)為發酵菌株，以pH值、酸度和感官評價得分作為發酵產物的評價指標，進行了晉西北酸粥的人工發酵試驗。通過單因素試驗及響應面分析，探討了固液比、接種量、發酵時間和發酵溫度對酸粥品質的影響。結果表明，在固液比1∶3.29(g∶mL)、接種量4.53%(V/V)、發酵時間31.71 h和發酵溫度30.41 ℃的條件下，人工模擬發酵酸粥的感官評分最高為8.351。此條件下模擬發酵酸粥的營養成分與自然發酵酸粥的十分相似。

晉西北酸粥；糜米；酸粥發酵工藝；響應面分析

晉西北酸粥選用北方地區的優質糜米為原料，室溫下自然發酵而成，主要食用地區分布在內蒙古西部、晉西北、陜西北部等地[1]。糜米是糜子經脫殼加工成的初加工產品，它不僅有很高的營養價值，同時還是我國傳統的中草藥之一，有一定的藥用價值[2-4]。

酸粥作為一種傳統谷物發酵食品因其營養成分豐富和產品風味獨特而受到當地人們的青睞。但傳統發酵食品由于受環境影響非常大，因而產品質量不穩定；同時，傳統發酵食品大多以家庭式手工作坊為主要的操作方式，工業化水平較低，因而發展緩慢[5]。

響應面分析(Response Surface Methodology，RSM)是數學方法和統計方法結合的產物，是用來對所感興趣的響應值受多個變量影響的問題進行建模和分析的，其最終目的是優化該響應值[6-8]。本研究根據Box-Behnken試驗設計原理，采用四因素三水平的響應面分析法分析了固液比、接種量、發酵時間和發酵溫度的交互作用對晉西北酸粥品質的影響，得出了最優的發酵工藝。這為以后晉西北酸粥的工業化生產奠定了理論基礎。

1 材料與試劑

1.1試驗材料

從忻州市河曲縣購買的新鮮糜米。

1.2試驗菌株

將本實驗室分離到的的釀酒酵母[9](Saccharomycescerevisiae)F5接種于馬鈴薯葡萄糖液體培養基，30 ℃、150 r/min振蕩培養24 h。將常健[10]從晉西北酸粥中分離得到的短乳桿菌(Lactobacillusbrevis)A10和購買于中國菌種保藏庫編號為ATCC 15973的醋化醋桿菌(Acetobacteraceti)B10接種于MRS液體培養基，30 ℃、150 r/min振蕩培養24 h。

將所得的培養物收集于離心管中，離心(3 000 r/min ，10 min)，棄上清，沉淀加入0.9%已滅菌的生理鹽水，混勻后離心，如此清洗3次。向最后離心得到的菌體中加入滅菌生理鹽水制成菌懸液，用于酸粥的發酵試驗(細菌數為11.02 log10CFU/mL，酵母菌數為4.60 log10CFU/mL)。

2 方法與步驟

2.1酸粥發酵工藝

原料米→淘洗→瀝干→加蒸餾水(含2%葡萄糖)→蒸煮殺菌(65 ℃、30 min)→冷卻→接種→好氧發酵[11]。

2.2多菌株混合發酵

選定短乳桿菌A10、醋化醋桿菌B10和釀酒酵母F5為發酵菌株進行混合菌種發酵。

以250 mL的錐形瓶做為發酵容器，向錐形瓶中加入50.0 g糜米，再加入150 mL蒸餾水，滅菌。按表1接種發酵菌株(A10、B10、F5)，接種量為5%(V/V)，30 ℃靜置培養24 h。綜合酸粥的pH值、酸度和感官評價得分來確定最佳的菌株比例。

表1 多菌株混和發酵的比例

注：A10為短乳桿菌(L.brevis)，B10為醋化醋桿菌(A.aceti)，F5為釀酒酵母(S.cerevisiae)。

2.3酸粥固液比的確定

稱取50.0 g糜米，按照1∶2、1∶3、1∶4、1∶5和1∶6(g∶mL)的比例加水，滅菌。按照最佳菌株比例接種，接種量為5%(V/V)，30 ℃靜置培養24 h。測定酸粥的pH值、酸度并進行感官評價。

2.4菌株接種量的確定

稱取50.0 g糜米，加入150 mL蒸餾水，滅菌。按照最佳菌株比例接種，接種量分別為3%、5%、7%、9%和11%(V/V)，30 ℃靜置培養24 h。根據酸粥的pH值、酸度和感官評價得分來確定最佳接種量。

2.5發酵時間的確定

稱取50.0 g糜米，加入150 mL蒸餾水，滅菌。按照最佳菌株比例接種，接種量為5%(V/V)，30 ℃下分別靜置培養6、12、18、24、30和36 h。測定發酵后酸粥的pH值、酸度和發酵過程中的活菌數，并結合感官評價得分來確定酸粥的最佳發酵時間。

2.6發酵溫度的確定

稱取50.0 g糜米，加入150 mL蒸餾水，滅菌。按照最佳菌株比例接種，接種量為5%(V/V)，分別于20、25、30、35和40 ℃下靜置培養24 h。測定發酵后酸粥的pH值、酸度和發酵過程中的活菌數，并結合感官評價得分來確定酸粥的最佳發酵溫度。

2.7響應面分析晉西北酸粥的最佳發酵工藝

將固液比、接種量、發酵時間和發酵溫度作為單因素值，以感官評價得分為響應值來優化晉西北酸粥的最佳發酵工藝。

2.8酸粥的感官評價指標

本試驗的晉西北酸粥感官評價標準是基于晉西北地區人民對酸粥的感官要求，在調查研究的基礎上參照了GB/T 29605—2013制定出最終的評價指標[12-14]，見表2。

表2 酸粥的感官評價指標

感官評價小組成員為10人/組。選定的小組成員會經常食用酸粥，年齡范圍為20～50歲，并進行了相關培訓。最后的得分為各項指標相加后的平均值，即總分=(風味+口感及滋味+色澤+組織結構)/4。

2.9模擬發酵酸粥營養成分的測定

以總糖、脂肪和蛋白質等作為指標測定模擬發酵酸粥的營養成分。總糖含量采用苯酚硫酸法[15]測定；脂肪含量采用索氏抽提法(GB/T 5009.6—2003)測定；蛋白質含量采用凱氏定氮法(GB 5009.5—2010)測定。

3 結果與分析

3.1酸粥的多菌株混合發酵

3株菌混合發酵后酸粥的pH值、酸度和感官評價結果如表3所示。

表3 多菌株混合發酵對酸粥的pH值、酸度及感官評價的影響

續表3

編號菌種組合菌種比例pH值酸度/oT感官得分5A10+B10+F52∶1∶13.83±0e50.3±0.28b6.59±0.86d6A10+B10+F51∶2∶13.7±0.01cd51.9±0.03b6.19±1.20bc7A10+B10+F51∶1∶23.73±0.03d50.3±1.61b6.17±1.22bc

注：A10為短乳桿菌(L.brevis)，B10為醋化醋桿菌(A.aceti)，F5為釀酒酵母(S.cerevisiae)。同一列帶不同字母的數據存在顯著性差異(p<0.05)。

由表3可知，菌株兩兩混合發酵的酸度和感官得分明顯低于3株菌發酵的。短乳桿菌、醋化醋桿菌和釀酒酵母3株菌的比例為1∶2∶1時，酸粥的酸度最高，達到了51.9oT，感官評價為6.19；3株菌的比例為2∶1∶1時，酸粥的感官評價最高，為6.59；3株菌的比例為1∶1∶1時，酸粥酸度為49.9oT，感官評價為6.55，這與比例為2∶1∶1的酸粥的無明顯差異，pH值也與自然發酵的酸粥相近。因此，從經濟方面考慮，選取3株菌的比例為1∶1∶1來進行酸粥發酵試驗。

3.2固液比對酸粥發酵的影響

表4表示不同固液比對酸粥發酵的影響。隨著固液比的不斷降低，酸粥的pH值在不斷地升高，酸度在不斷地降低，感官得分則出現了先增后減的趨勢。谷物原料提供給菌株利用的糖一定的情況下，降低固液比只是起到稀釋發酵液的作用。當固液比為1∶2(g∶mL)時酸度達到了79.47oT。酸度過高會導致酸味太重，蓋過了糜米這種谷物特有的香味而不被人們接受。當固液比為1∶3(g∶mL)時，發酵得到的酸粥酸味適中，組織狀態好，谷物特有的香味濃郁，感官評價最好。

表4 固液比對酸粥的pH值、酸度及感官評價的影響

注：同一列帶不同字母的數據存在顯著性差異(p<0.05)。

3.3接種量對酸粥發酵的影響

當接種量為3%、5%、7%、9%和11%(V/V)時，酸粥的pH值、酸度及感官評價結果如表5所示。隨著接種量的不斷增加，pH值出現了先降低后升高的趨勢，酸度和感官評價反而都呈現先升高后降低的趨勢。當接種量為3%，發酵24 h后，酸粥的酸味明顯不足，感官得分也較低。接種量為5%，酸粥的酸度適中，感官得分也最高，達到8.23。當接種量由5%增加到7%時，酸粥酸味過重，感官得分降低。之后隨著接種量的增加，酸度反而降低。綜合考慮上述結果，得出5%為最佳接種量。

表5 接種量對酸粥的pH值、酸度及感官評價的影響

注：同一列帶不同字母的數據存在顯著性差異(p<0.05)。

3.4不同發酵時間對酸粥的影響

在接種量為5%，30 ℃下進行酸粥的發酵時間試驗，結果如表6。隨著發酵時間的延長，酸度在不斷增加，pH值先降低之后保持不變。感官評價分數則呈現先增加后降低的趨勢。發酵18 h之內酸粥的酸味不足，感官得分較低，這可能是由于發酵時間過短谷物中的淀粉未完全轉化為糖類，不能供給微生物生長導致的。由圖1可以看出，酸粥發酵24 h后活菌數達到最大值，之后保持不變。酸粥發酵30 h后酸度達到59oT，感官得分為8.06。結合感官評價分數和酸粥活菌數，選擇30 h為酸粥的最佳發酵時間。

表6 發酵時間對酸粥的pH值、酸度及感官評價的影響

注：同一列帶不同字母的數據存在顯著性差異(p<0.05)。

圖1 發酵過程中活菌數的變化Fig.1 The change of viable microorganism during fermentation

3.5不同發酵溫度對酸粥的影響

表7的結果表明，當發酵溫度為30 ℃時，酸度51oT，感官得分最高，為7.47。隨著發酵溫度的升高，菌株生長旺盛但是產酸能力降低。在不同的發酵溫度下，一般以發酵溫度低，發酵時間長的產品風味最好。在圖2中，隨著溫度的不斷增加，發酵液中活菌數先增加，之后基本不變。由表8可知，隨著發酵溫度的不斷增加酸粥的酸度和感官得分都是先升高后降低。在30 ℃下發酵的酸粥，酸度適宜，組織狀態良好。故選取30 ℃作為酸粥的最適發酵溫度。

表7 發酵溫度對酸粥的pH值、酸度及感官評價的影響

注：同一列帶不同字母的數據存在顯著性差異(p<0.05)。

圖2 不同發酵溫度下活菌數的變化Fig.2 The change of viable microorganism in different temperatures

3.6響應面優化酸粥的發酵工藝

3.6.1 模型的建立和顯著性分析

Box-Behnken法共設計了29個試驗來分析酸粥發酵后的感官得分結果(表8)。對表8的數據進行了回歸分析，得到固液比、接種量、發酵時間和發酵溫度的四元二次回歸方程如下：

Y=-0.42A2-0.14B2-0.36C2-1.08D2+0.14AB+0.55AC+0.19AD-0.12BC+0.012BD+0.16CD+0.11A-0.067B+0.018C+0.083D+8.32

其中，A表示固液比(g∶mL)，B表示接種量(%)，C表示發酵時間(h)，D表示發酵溫度(℃)。

表8 酸粥發酵條件試驗設計及結果

表9 酸粥發酵條件回歸模型的方差分析

注：**p<0.01表示差異極顯著，*p<0.05表示差異顯著。

3.6.2 響應面曲面分析

經Design-Expert.8.0.5.0軟件處理后，得出各因素相互作用對酸粥感官評價的響應值。響應曲面圖坡度越陡，表明因素對響應值影響越大；等高線密集呈橢圓形，說明兩因素交互作用對響應值影響大；等高線呈圓形則說明影響不大[82]。

由圖3～圖8可以看出，酸粥的感官得分隨著各兩因素的增加呈現先升高后降低的趨勢。圖3、4、5和圖8中，當以酸粥的感官分數為響應值時，固液比與接種量、固液比與發酵時間、固液比與發酵溫度、發酵時間和發酵溫度相互作用的3D響應曲面圖較陡峭，且等高線呈橢圓形，說明這幾個因素交互作用對酸粥風味影響最顯著；從圖6可以看出，接種量和發酵時間的交互作用對酸粥風味影響較顯著；從圖7可以看出，接種量和發酵溫度交互作用的響應曲面較平緩，對酸粥風味影響不顯著。該結果與試驗方差分析結果一致。在固液比為1∶3.29(g∶mL)、接種量為4.53%(V/V)、發酵時間為31.71 h、發酵溫度為30.41 ℃的條件下，酸粥的感官得分最高，為8.351。

圖3 固液比和接種量交互影響酸粥得分的響應面和等高線圖Fig.3 Response surface and contour plots for the effect of solid-liquid ratio and inoculum size on the score of sour porridge

圖4 固液比和發酵時間交互影響酸粥得分的響應面和等高線圖Fig.4 Response surface and contour plots for the effect of solid-1iquid ratio and fermentation time on the score of sour porridge

圖5 固液比和發酵溫度交互影響酸粥得分的響應面和等高線圖Fig.5 Response surface and contour plots for the effect of solid-1iquid ratio and fermentation temperature on the score of sour porridge

圖6 接種量和發酵時間交互影響酸粥得分的響應面和等高線圖Fig.6 Response surface and contour plots for the effect of inoculum size and fermentation time on the score of sour porridge

圖7 接種量和發酵溫度交互影響酸粥得分的響應面和等高線圖Fig.7 Response surface and contour plots for the effect of inoculum size and fermentation temperature on the score of sour porridge

圖8 發酵時間和發酵溫度交互影響酸粥得分的響應面和等高線圖Fig.8 Response surface and contour plots for the effect of fermentation time and fermentation temperature on the score of sour porridge

3.6.3 酸粥發酵工藝條件的驗證

為了驗證模型的準確性，考慮到實驗操作的可行性，將優化出的最優條件修改為：固液比1∶3(g∶mL)、接種量5%(V/V)、發酵時間30(h)、發酵溫度30(℃)。按此條件發酵酸粥，設計3個重復。發酵酸粥的感官評價平均得分為8.25，與模型預測值相差不大。

3.7模擬發酵酸粥、自然發酵酸粥和糜米的主要營養成分比較

從表10可以看出，模擬發酵酸粥的水分含量為78.39 g/100g，接近自然酸粥的水分含量。模擬發酵酸粥的pH值為3.24，酸度為74.5 °T，這和自然發酵酸粥的有一定的差異。模擬發酵酸粥的脂肪、總糖和蛋白質的含量和糜米的存在顯著差異。模擬發酵酸粥的脂肪含量為1.69 g/100g，是糜米的88.75%；模擬發酵酸粥的總糖含量為80.97 g/100g，是糜米的1.04倍；模擬發酵酸粥的蛋白質含量為11.07 g/100g，是糜米的1.12倍。模擬發酵酸粥中脂肪、總糖和蛋白質含量的變化趨勢與自然發酵酸粥的變化趨勢相同(自然發酵酸粥中脂肪含量為1.39 g/100g，是糜米的82.17%；總糖含量為83.70 g/100g，是糜米的1.1倍；蛋白質含量為11.70 g/100g，是糜米的1.18倍)。

表10 模擬發酵酸粥、自然發酵酸粥和糜米的主要營養成分

注：同一列帶不同字母的數據存在顯著性差異(p<0.05)。

4 討論

通過多菌株發酵的單因素試驗得出，當短乳桿菌A10、醋化醋桿菌B10和釀酒酵母F5的比例為1∶1∶1時，發酵的酸粥更易被人們接受。響應面優化酸粥的發酵工藝結果表明：固液比、接種量和發酵溫度對酸粥的影響顯著；固液比與接種量、固液比與發酵溫度、固液比與發酵時間、接種量與發酵時間、發酵時間和發酵溫度的交互作用對酸粥的得分影響較大。酸粥的最佳發酵條件為：固液比1∶3(g∶mL)、接種量5%(V/V)、發酵時間30 h、發酵溫度30 ℃。此條件下發酵酸粥的感官評價平均得分為8.25。

模擬發酵酸粥的主要營養成分雖然很接近自然發酵酸粥，但是仍然存在一定的差異。模擬發酵酸粥的脂肪含量降低，蛋白質含量升高，這與王偉偉[11]的試驗結果一致。

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FermentationcontrolofNorthwesternShanxisourporridge

WANG Qi*,LI Wen-ya

(School of Life Science，Shanxi University，Taiyuan 030006，China)

The bacteriaLactobacillusbrevis,AcetobacteracetiandSaccharomycescerevisiaewere used as fermentation strains for acid porridge. The pH, titratable acidity and sensory evaluation was used to evaluated the quality of simulated fermented sour porridge. The effect of solid-liquid ratio, inoculum size, fermentation time and fermentation temperature on the sensory evaluation of sour porridge were studied through single factor experiments and response surface analysis. The theoretical optimum fermentation conditions for the Northwestern Shanxi sour porridge were as follows: the solid-liquid ratio was 1∶3.29 (g∶mL), the inoculum size was 4.53% (V/V), the fermentation time was 31.71 h and the fermentation temperature was 27.5 ℃. Under the optimum fermentation condition, the sensory evaluation of the fermented product reached 8.351. The nutrient composition of sour porridge was similar to that of traditional Northwestern Shanxi sour porridge.

Northwestern Shanxi sour porridge;Broomcorn millet; fermentation technique of sour porridge; response surface analysis

博士，講師(通訊作者，E-mail：wangqi@sxu.edu.cn)。

2015設施食用菌高效碳循環研究與示范(FT2014-03-15)

2016-01-12，改回日期：2017-03-16

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.013816