響應面法優化鲊辣椒的發酵工藝

白 娟，張 瑤，汪雪瑞，王若塵，薛栓栓，王承明*

（華中農業大學 食品科學技術學院，湖北 武漢 430070）

鲊辣椒又稱鲊胡椒、鲊金椒、鲊海椒、鲊廣椒，它是鄂、湘、黔、川等地區的一種傳統特色蔬菜發酵食品[1]，由鮮紅辣椒和米粉，加適量食鹽、生姜等輔料混合拌勻液封固態發酵而成，既可單獨成菜，也可加工成鲊菜[1]。因其顏色鮮艷、香氣濃郁、風味獨特，具有促進消化、增加食欲及保存時間長而深受人們的喜愛。

鲊辣椒提高了產品營養價值，增加發酵食品種類，同時為辣椒和糧食作物的開發利用提供新渠道。目前，鲊辣椒制作方法以作坊式生產為主，發酵周期長，品質不穩定，嚴重阻礙鲊辣椒工業化生產[2]，需對鲊辣椒制作工藝進行改進和完善。類似辣椒制品有初加工制品[3]如干辣椒，辣椒深加工制品如辣椒堿[4-7]、辣椒色素[8-10]以及提取辣椒籽油[11-14]等，類似米粉制品有發酵米粉[15-18]、方便米粉[19-20]等，類似的鲊辣椒有部分研究[21-27]。但鲊辣椒發酵工藝條件的研究鮮有報道。

本研究通過單因素試驗和響應面優化試驗，優化大米粉鲊辣椒發酵工藝條件，為鲊辣椒的工業化生產提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

1.1.1 材料

新鮮紅辣椒、秈米、生姜、大蒜：華中農業大學附近中百超市；食鹽：湖北藍天食鹽有限公司。

1.1.2 試劑

氫氧化鈉、甲醛溶液（分析純）：國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

BS 224S分析天平：賽多利斯科學儀器（北京）有限公司；FE20-Five EasyTM pH計：梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；KX-200型高速多功能粉碎機：浙江武義鼎藏日用金屬制品廠；C21-RK2102多功能電磁爐：廣東美的生活電器制造有限公司；SPX-150BⅢ生化培養箱：中國泰斯特儀器有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 鲊辣椒制作工藝流程及操作要點

操作要點：按鲊辣椒傳統發酵工藝，將洗干凈的紅辣椒切成大小為5 mm×5 mm小塊，生姜、大蒜切成大小為3 mm×3 mm的小塊，秈米粉碎過篩制得米粉，再將辣椒預腌1 h，將經預腌的辣椒和少量生姜、大蒜等輔料混合后，加米粉，攪拌均勻后放入發酵罐中，將罐口用稻草固定，倒置液封，進行發酵。

1.3.2 指標測定方法

理化指標的測定：pH值測定：pH計測定；總酸測定：中和滴定法，以乳酸計；氨基酸態氮測定：甲醛滴定法。

感官評分：加入10%（以樣品總質量計）食用油，將200 g鲊辣椒炒制成金黃色顆粒即可。從已接受食品感官評定基本知識培訓的食品專業20名學生進行鲊辣椒審評標準及方法的培訓，篩選5名男生、5名女生評價員進行感官評分，采用100分制，取平均分作為最終評分[23]，感官評分標準見表1。

表1 鲊辣椒感官評價標準Table 1 Sensory evaluation standards of preserved pepper

1.3.3 鲊辣椒發酵工藝優化單因素試驗

考察辣椒與米粉質量比（1.0∶2.0、1.0∶1.5、1.0∶1.0、1.5∶1.0、2.0∶1.0）、發酵時間（0、5 d、10d、15 d、20 d）、發酵溫度（20 ℃、25℃、30℃、35℃、40℃）、米粉粒度（＜10目、10目、20目、40目、60目）和食鹽含量（以辣椒和米粉的總質量計）（0、1%、3%、5%、7%）對鲊辣椒發酵品質的影響，通過測定鲊辣椒pH值、總酸、氨基酸態氮和感官評分來反映鲊辣椒的發酵規律。單因素試驗運用控制變量法，基本條件為辣椒與米粉質量比1.0∶1.0、發酵時間10 d、發酵溫度30 ℃、米粉粒度20目、食鹽含量5%、生姜6%、大蒜5%。

1.3.4 鲊辣椒發酵工藝優化響應面試驗設計

在單因素試驗基礎上，采用Design Expert 10根據Box-Behnken試驗設計原理，以辣椒∶米粉（g∶g）（A）、發酵時間（B）、發酵溫度（C）、米粉粒度（D）為4個影響因素，以感官評分（Y）為響應值，采用響應面法進行中心組合設計試驗，因素與水平見表2。

表2 Box-Behnken設計試驗因素與水平Table 2 Factors and levels of Box-Behnken experiments design

1.3.5 數據處理

每組試驗進行3次平行，響應面數據用軟件Design Expert 10分析。

2 結果與分析

2.1 鲊辣椒發酵工藝條件單因素試驗結果

2.1.1 辣椒與米粉質量比對鲊辣椒發酵品質的影響

表3 辣椒與米粉質量比對鲊辣椒品質的影響Table 3 Effect of the mass ratio of pepper and rice flour on the quality of preserved pepper

由表3可知，當辣椒∶米粉為1.0∶2.0、1.0∶1.5（g∶g）時，辣椒含量較低，體系水分含量較少，不利于微生物發酵，發酵效果較差，故pH值較高，總酸、氨基酸態氮及感官評分較低；當辣椒∶米粉為1.0∶1.5、1.5∶1.0（g∶g）時，隨辣椒含量的增多，體系中水分含量適中，發酵效果增強，此范圍內辣椒相對較少，辣味適中，鲊辣椒風味及口感占優勢，故pH值較低，總酸、氨基酸態氮含量及感官評分較高；當辣椒∶米粉為1.5∶1.0、2.0∶1.0（g∶g）時，辣椒含量較高，體系中水分含量較高，發酵效果增強，故pH值最低，總酸和氨基酸態氮含量最高，說明辣椒主要作用是為發酵提供水分，對厭氧發酵菌抑制性較小，但此時辣椒含量較多辣味較重，氣味刺鼻，掩蓋了發酵產生的風味，感官評分較低。綜上所述，鲊辣椒發酵最佳的辣椒∶米粉為1.0∶1.0（g∶g）。

2.1.2 發酵時間對鲊辣椒發酵品質的影響

由表4可知，隨發酵時間在0～20 d范圍延長，微生物利用米粉發酵產生代謝產物不斷累積，使pH值降低，總酸和氨基酸態氮升高，但對于感官評分而言，在發酵0～15 d，隨發酵時間延長，代謝產物增加，鲊辣椒風味物質增加，因此感官評分逐漸增加，但發酵時間＞15 d之后，隨著時間延長，鲊辣椒發酵代謝產物累積量較多，酸性較強，對口感不利，此時感官評分降低。綜上所述，最佳發酵時間為15d。

表4 發酵時間對鲊辣椒品質的影響Table 4 Effect of fermentation time on the quality of preserved pepper

2.1.3 發酵溫度對鲊辣椒發酵品質的影響

表5 發酵溫度對鲊辣椒品質的影響Table 5 Effect of fermentation temperature on the quality of preserved pepper

由表5可知，當發酵溫度為20～30℃，隨溫度逐漸升高，微生物活性逐漸升高，發酵效果增強，發酵產物增多，故pH值降低，總酸、氨基酸態氮和感官評分隨之升高，當發酵溫度＞30℃之后，隨溫度的升高，微生物活性逐漸減低，發酵受到抑制，代謝產物減少[24]，故pH值升高，總酸降低，氨基酸態氮升高，感官評分隨之降低，但降低程度比低溫時大，說明高溫比低溫更不利于鲊辣椒的發酵。綜上所述，鲊辣椒最佳發酵溫度為30℃。

2.1.4 食鹽含量對鲊辣椒發酵品質的影響

表6 食鹽含量對鲊辣椒品質的影響Table 6 Effect of salt content on the quality of preserved pepper

由表6可知，當食鹽含量為0～1%，微生物種類較多，代謝產物較多，故pH值較低，總酸含量和氨基酸態氮含量較高，但非發酵菌產生不良風味，且口感極淡，故感官評分較低；當食鹽含量為1%～5%，食鹽對微生物的抑制作用顯著增強，發酵效果減弱，故pH值升高，總酸和氨基酸態氮降低，此時咸味合適，對鲊辣椒的風味及口感有利，感官評分較高；當食鹽含量為5%～7%，食鹽含量較高，發酵效果較差，故pH值升高，總酸和氨基酸態氮降低，此時食鹽含量太高，對鲊辣椒口感不利[25]。綜上所述，最佳食鹽含量為5%。

2.1.5 米粉粒度對鲊辣椒發酵品質的影響

表7 米粉粒度對鲊辣椒品質的影響Table 7 Effect of particle size of rice flour on the quality of preserved pepper

由表7可知，當米粉粒度＜10目時，大米顆粒組織完整，體系水分被米粉吸收較少，體系自由水含量較高，供微生物利用的水分含量相對較高[26]，故產酸較多，pH值較低、總酸含量較高，但米粉顆粒較大，太粗糙，對口感不利，感官評分較低；當米粉粒度為10～20目時，隨米粉粒度的減小，微生物利用米粉發酵效果增加[27]，香氣增加，口感較好，故pH值降低，總酸、氨基酸態氮升高，感官評分升高；當米粉粒度為20～60目時，隨米粉粒度的減小，此時米粉與水形成穩定的糊狀溶液不利于微生物的發酵，因為與非水組分牢固結合的水不易被食品微生物生長和化學水解反應所利用[28]，故此時pH值升高，總酸和氨基酸態氮含量降低，且香氣減弱，易黏牙，感官評分較低，因此米粉粒度太小或太大均不利于鲊辣椒發酵。綜上所述，最佳米粉粒度為20目。

2.2 鲊辣椒發酵工藝條件的響應面優化試驗結果

在單因素試驗結果基礎上，以辣椒∶米粉（g∶g）（A）、發酵時間（B）、發酵溫度（C）、米粉粒度（D）為影響因素，產品感官評分（Y）為評價指標，根據Box-Behnken試驗設計原理進行優化試驗，試驗因素設計及結果見表8。

表8 Box-Behnken試驗設計及結果Table 8 Design and results of Box-Behnken experiments

續表

利用Design-Expert 10軟件對試驗結果進行多元回歸擬合后，得到關于鲊辣椒感官評分對各影響因子的二次多項回歸模型方程為：

利用軟件對回歸模型進行方差分析，模型中各系數顯著性檢驗結果見表9。

由表9可知，該回歸模型P＜0.000 1，表明回歸模型效果極顯著，決定系數R2=0.919 4，說明該模型能解釋91.94%響應值的變化，失擬項均不顯著（P＞0.05）；變異系數（coefficient of variation，CV）為2.14%，在可接受的范圍內；復相關系數越大，表明變量之間的線性相關程度越密切，該模型的調整復相關系數（R2Adj=0.838 8）接近于1，說明變量間的線性相關程度密切。綜上所述，該試驗結果可靠，可以用此回歸模型來分析預測鲊辣椒的最佳發酵工藝條件，得到最佳發酵條件為辣椒∶米粉1.04∶1.0（g∶g）、發酵時間15.51 d、發酵溫度30.06℃、米粉粒度27.90目，此時感官評分預測值87分。考慮實際情況，將最佳條件修正為辣椒∶米粉1.0∶1.0（g∶g）、發酵時間15 d、發酵溫度30 ℃、米粉粒度20目。此最佳發酵條件發酵得到的鲊辣椒感官評分為89分，與預測值接近，且鲊辣椒感官評分影響作用的大小順序為米粉粒度（D）＞辣椒∶米粉（g∶g）（A）＞發酵時間（B）＞發酵溫度（C），說明米粉粒度和辣椒∶米粉對鲊辣椒發酵品質影響較大。

表9 回歸模型方差分析結果Table 9 Variance analysis results of the regression model

圖1 辣椒與米粉質量比、發酵時間、發酵溫度和米粉粒度對鲊辣椒感官評分影響的響應面及等高線Fig.1 Response surface plots and contour line of effects of interaction between the mass ratio of pepper and rice flour,fermentation time,fermentation temperature and rice flour particle size on the sensory scores of preserved pepper

為考察各因素交互作用對鲊辣椒感官品質的影響，利用Design-Expert 10軟件對回歸方程進行運算，得出各交互項的響應面及等高線，結果見圖1。

由圖1可知，響應面曲面圖直觀反映各因素間的交互作用對響應值影響的顯著程度，曲面圖越陡表示交互作用越強，曲面圖越平表示交互作用越弱。

3 結論

通過單因素試驗和響應面優化試驗，得到鲊辣椒優化發酵工藝條件參數：辣椒∶米粉為1.0∶1.0（g∶g），發酵時間為15 d，發酵溫度30℃，米粉粒度為20目，食鹽含量為5%，此條件發酵得到的鲊辣椒感官評分為89分，與預測值87分接近，誤差＜5%，故本試驗建立的回歸模型準確有效，試驗擬合性較好，具有實際應用價值。在此條件下發酵的鲊辣椒顏色鮮艷，風味濃郁，口感極佳。