地瓜黃漿水與山楂復合發酵飲料的研制

伊 靜,李 婷,袁 冬,梁曉月,徐 偉

(聊城大學生命科學學院,山東聊城 252000)

紅薯(IpomoeabatatasL.)在北方俗稱地瓜,除做主糧外,也是食品加工、淀粉和酒精制造工業的重要原料。地瓜中含有去氫表雄酮[1],可以用于預防結腸癌和乳腺癌,富含β-胡蘿卜素(維生素A前體)、維生素C和葉酸,有助于預防心血管疾病;含大量食物纖維和維生素A以及B族維生素等[2]。地瓜黃漿水是地瓜淀粉工業生產過程中產生的副產物,因含大量可溶性糖、可溶性蛋白質、礦物質、維生素以及其他生物活性物質,直接排放會造成嚴重的資源浪費和環境污染問題。

山楂(Crataegus pinnatifida Bunge),又名山里果、山里紅。果可生吃或作果脯果糕,干制后可入藥,是中國特有的藥果。山楂內的黃酮類化合物牡荊素,是一種抗癌作用較強的藥物[3]。乳酸菌是一種存在于人類體內的益生菌,能夠將碳水化合物發酵成乳酸,促進蛋白質、單糖及鈣、鎂等營養物質的吸收,產生維生素B族等大量有益物質[4]。可增加腸道有益菌群,改善人體胃腸道功能,恢復人體腸道內菌群平衡,形成抗菌生物屏障,維護人體健康。如今,研究報道使用的主要發酵菌種有保加利亞乳桿菌、雙歧桿菌、干酪乳桿菌等,進行發酵的原料主要是糧食作物和一些藥用植物[5-6]。乳酸菌發酵型飲料因經過乳酸菌發酵而風味獨特,同時其營養價值和保健功能賦予其廣大的市場價值。目前,發酵乳飲料、發酵果蔬汁飲料、發酵豆類飲料出現在多種消費場所并被廣大消費者所接受[7]。

目前,有關地瓜黃漿水的研究較少,其綜合開發利用技術尚不完善,本產品以地瓜黃漿水、山楂汁為主要原料,將黃漿水處理技術與果蔬飲料加工技術緊密結合,采用現代微生物發酵技術制得了一款口感酸甜、組織狀態均衡的飲品。產品含有豐富的粘蛋白、各種維生素、脫氫表雄酮(DHEA)等活性物質。降低其直接排放帶來的資源浪費和環境污染,豐富飲料市場品種,填補地瓜黃漿水功能性飲品的空白,為實現黃漿水的高值化利用提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

地瓜黃漿水 平陰縣于慶常淀粉廠;山楂(大金星) 山東聊城;食用堿 濟南山佳糖業有限公司;果膠 億鑫生物科技有限公司;蔗糖 安琪酵母有限公司。

LS-50HD立式壓力蒸汽滅菌器 江陰濱江醫療設備有限公司;NS1001L2K高壓均質機 GANiro Soavi公司;BS-2F恒溫震蕩培養箱 金壇市天竟實驗儀器廠;電子天平 上海菁海儀器有限公司;MB25水分測定儀 奧豪斯儀器有限公司;SW-CJ-1D單人單面垂直送風經濟型凈化工作臺 蘇州博菜爾凈化設備有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 飲料加工流程及操作要點

黃漿水預處理,用4層紗布濾掉黃漿水中的地瓜渣;采用90 ℃、20 min水浴加熱,使脂肪氧化酶失活并且使醛類物質揮發,去除澀味;冷凍離心機5000 r/min離心5 min,以除去蛋白懸濁物;采用001(732)型強酸離子交換樹脂反交換柱,除Mg2+,得到飲料原料液;調配,將地瓜黃漿水、山楂汁和蔗糖以不同質量比例混合均勻;添加穩定劑,溶解并按比例添加天然穩定劑果膠;均質,控制壓力為25～30 MPa;85 ℃巴氏滅菌15 min;接種乳酸菌發酵[8-14]。

1.2.2 單因素設計 以山楂汁和地瓜黃漿水總量為單位添加,分別按質量百分比選擇山楂汁與地瓜黃漿水配比、加糖量、穩定劑添加量、乳酸菌接種量和發酵時間作為影響感官評價的主要因素,通過單因素實驗選擇Plackett-Burman試驗的影響因素與水平[15-16]。

1.2.2.1 山楂汁與地瓜黃漿水配比的影響 取山楂汁與地瓜黃漿水按質量比1∶1、1∶2、1∶4、2∶1、3∶1,固定添加糖6%、穩定劑0.5%,乳酸菌接種量1.5%,發酵初始pH6.0,培養溫度39 ℃,發酵6 h后進行感官綜合評價。

1.2.2.2 加糖量的影響 分別設置蔗糖添加量為4%、5%、6%、7%、8%,固定山楂汁與地瓜黃漿水質量比為1∶1,加穩定劑0.5%,乳酸菌接種量1.5%,發酵初始pH6.0,培養溫度39 ℃,發酵6 h后進行感官綜合評價。

1.2.2.3 穩定劑添加量的影響 分別設置穩定劑添加量為0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%,固定山楂汁與地瓜黃漿水質量比1∶1,加糖6%,乳酸菌接種量1.5%,發酵初始pH6.0,培養溫度39 ℃,發酵6 h后進行感官綜合評價。

1.2.2.4 乳酸菌接種量的影響 分別設置乳酸菌接種量為1.0%、1.3%、1.5%、1.7%、1.9%,取山楂汁與地瓜黃漿水質量比1∶1,加糖6%,加穩定劑0.5%,發酵初始pH6.0,培養溫度39 ℃,發酵6 h后進行感官綜合評價。

1.2.2.5 發酵時間的影響 固定山楂汁與地瓜黃漿水質量比1∶1,加糖6%,加穩定劑0.5%,乳酸菌接種量1.5%,發酵初始pH6.0,培養溫度39 ℃,選取不同發酵時間:4、5、6、7、8 h,發酵結束后進行感官綜合評價。

1.2.3 PB設計 在單因素設計基礎上運用 Design-Expert8.0 軟件設計12次的PB設計[17]。對山楂汁與地瓜黃漿水配比(X1)、加糖量(X2)、穩定劑添加量(X3)、乳酸菌接種量(X4)、發酵時間(X5)進行對感官評分(Y)的顯著性考察,每個因素設計高(1)低(-1)2個水平。PB設計因素水平見表1。

表1 Plackett-Burman設計各因素及其編碼值 Table1 Design of Plackett-Burmanand coded values of each factor

1.2.4 響應面分析設計 結合單因素設計和PB設計結果,固定穩定劑添加量為0.5%,發酵時間為6 h,選擇山楂汁與地瓜黃漿水配比(X1)、加糖量(X2)、乳酸菌接種量(X4)為自變量,感官評分(Y)為因變量運用Design-Expert8.0進行響應面分析設計[18]。實驗自變量因素編碼及水平見表2。

表2 Box-behnken 設計各因素及其編碼值Table.2 Design of Box-behnkenand coded values of each factor

1.2.5 感官評價標準 組織本專業30名學生(15名男生和15名女生)對所得的功能飲料產品進行感觀評價并對所有感官評分取平均值[19]。詳細評分標準見表3。

表3 感官評價標準Table 3 Standard for sensory evaluation

1.3 理化指標

分別采用糖度計法,蒽酮-硫酸法,凱氏定氮法,酸堿中和滴定法測定飲品中的可溶性固形物含量,含糖量,蛋白質含量,酸度[19-21]。

1.4 微生物指標

參照GB47893-2016《食品微生物學檢驗 大腸菌群計數》、GB4789.15-2016《食品微生物學檢驗 霉菌和酵母計數》規定的方法分別測定菌落總數、大腸菌數、霉菌數、酵母菌數[22]。

1.5 數據處理

采用Design-Expert 8.0軟件進行響應曲面分析設計、數據分析和二次模型的建立,通過對回歸方程的解析以及響應曲面的分析獲得最佳變量水平,通過方差分析P值考察(P<0.05)模型及因素的顯著性[15]。

2 結果與討論

2.1 單因素實驗結果

2.1.1 山楂汁與地瓜黃漿水配比對產品感官品質的影響 由圖1得到隨著山楂汁與地瓜黃漿水配比的升高,感官評分呈先增大后減小的變化趨勢。山楂汁與地瓜黃漿水的比例為1∶1時,感官綜合評價得分最高。比例為3∶1時,感官評分最低。原因可能是隨著山楂汁占比的增大,其香氣逐漸遮蓋地瓜香氣,口感酸澀,酸度逐漸增大使酪蛋白發生絮凝,飲品渾濁[23]。

圖1 山楂汁與地瓜黃漿水配比對產品感官品質的影響Fig.1 Effect of water ratio between hawthorn juiceand sweet potato pulp on sensory quality

2.1.2 加糖量對產品感官品質的影響 由圖2得到加入不同量的白砂糖,發酵6 h,其感官品質隨著加糖量的增加,感官綜合評價得分呈先增大后減小的變化趨勢。當加糖量為6%時,感官評分最高。加糖量為4%時,感官評分最低。原因可能是乳酸菌發酵產生的乳酸及山楂中的有機酸沖淡了糖的甜度,口感較差,酸甜比例失調。

圖2 加糖量對產品感官品質的影響Fig.2 Effect of added sugar on sensory quality of products

2.1.3 穩定劑對產品感官品質的影響 由圖3得到隨著穩定劑的增加,感官綜合評價得分呈先增大后減小的變化趨勢。穩定劑添加量為0.5%時,感官評分最高。添加量為0.2%時,感官評分較低。原因可能是當果膠添加量不足時,酸性酪蛋白粒子間的電壓力和重力平衡性差,仍會產生酸性酪蛋白的沉降,使上層為不含酸性酪蛋白的半透明層[24]。

圖3 穩定劑對產品感官品質的影響Fig.3 Effect of stabilizer on sensory quality of product

2.1.4 乳酸菌接種量對產品感官品質的影響 由圖4知感官綜合評價得分隨接種量的增大先增大后減小。在接種量為1.5%時,發酵狀態、組織風味都較好,接種量繼續增大時,飲品凝結性好但口感偏酸不柔和。原因可能是乳酸菌接種量越多,將碳水化合物轉化為乳酸越多,使飲品的酸度不斷增大,影響口感。

圖4 接種量對產品感官品質的影響Fig.4 Effect of inoculation amounton sensory quality of product

2.1.5 發酵時間對產品感官品質的影響 由圖5知,不同飲料產品的感官綜合評價得分隨發酵時間的增加先增大后減小。當發酵時間為6 h時,pH=5,飲品組織狀態穩定且口感較好。原因是發酵時間過短,發酵不充分,發酵時間過長,飲品pH低于酪蛋白等電點,酪蛋白絮凝析出。

圖5 發酵時間對產品感官品質的影響Fig.5 Effect of fermentation timeon sensory quality of products

2.2 PB設計及結果

根據表4試驗結果,利用Design-Expert8.0軟件進行多元回歸方程擬合和方差分析。得到回歸方程為:Y=8.49+1.52X1+0.28X2+0.25X3+0.31X4-0.17X5。PB試驗模型方差分析見表5。

表5 PB試驗模型方差分析Table 5 Experimental model variance analysis for Plackett-Burman design

注:**表示差異極顯著(P<0.01);*表示差異顯著(P<0.05)。

表4 Plackett-Burman試驗設計與結果 Table 4 Plackett-Burman design with experimental results

由表5可以看出,回歸模型具有顯著性(P<0.05),表明該模型可用于研究發酵條件的顯著性因素的分析,AdjR2=0.9591與R2=0.9851接近,表明該模型具有較好的解釋力。各因素對響應值的影響由P值可以看出,原料配比對飲料風味影響極其顯著(P<0.01);加糖量、接種量對飲料風味影響顯著(P<0.05),故將此3個因素作為響應面法的考察因素。

2.3 響應面分析設計結果及分析

響應面分析設計及實驗結果如表6所示。

表6 Box-Behnken試驗設計與結果Table 6 Box-Behnken experiment with experimental results

圖6 原料配比和加糖量對產品感官影響的響應面圖Fig.6 Response surface diagram of the influence ofraw material ratio and sugar contenton sensory perception of the product

表7 回歸模型方差分析結果 Table 7 Analysis of variance for the regression model

圖7 原料配比和接種量對產品感官影響的響應面圖Fig.7 Response surface diagram of the influence of rawmaterial ratio and inoculation amounton sensory perception of the product

圖8 加糖量和接種量對產品感官影響的響應面圖Fig.8 Response surface diagram of sensory effects ofadded sugar and inoculated dose on the product

通過Design-Expert8.0軟件對回歸方程進一步分析得出最佳配方為:原料配比為27∶23,加糖量為6%,接種量為1.5%,感官評分預測值94。

2.4 驗證性實驗

考慮實際可操作性,取山楂汁與地瓜黃漿水按質量比1∶1,分別添加糖6%、穩定劑0.5%,接種乳酸菌1.5%,在優化工藝條件下進行3次驗證性試驗,感官綜合得分平均為(93.4±0.5)分,與預測值的相對誤差為0.64%,說明BBD設計響應面法得到最佳制作工藝參數準確可靠。

2.5 飲料特征性指標

每100 mL產品中可溶性固形物含量達到20%,碳水化合物26.1 g,蛋白質1.1 g,菌落總數96 CFU/mL,大腸桿菌檢出值為50 MPN/100 mL,霉菌檢出值為16 CFU/mL,酵母菌檢出值為18 CFU/mL,均已達飲用標準[26]。

3 結論

利用黃漿水為主要原料制作功能性飲品,在單因素設計和PB設計的基礎上,通過BBD響應面分析優化配方,確定了黃漿水功能性飲料的最佳配方:按山楂汁與地瓜黃漿水質量比1∶1、糖添加量6%、穩定劑添加量0.5%、乳酸菌接種量1.5%,發酵6 h。感官綜合評分平均值為93.4分。該產品色澤均勻,口感均衡,酸甜適中,具有典型的地瓜香味和山楂清香,無氣泡無雜質,感官評分達93.4分。本研究為黃漿水的資源化利用和地瓜加工產業全面發展提供了理論依據。