復配益生菌發酵谷物飲料工藝優化

◎ 陳 娟，冉軍艦

（1.中央儲備糧鄭州直屬庫有限公司，河南 鄭州 450000；2.河南科技學院 食品學院，河南 新鄉 453003）

隨著人們對食物要求的不斷變化，食品行業為適應消費者需求，各領域分布也要作出相應改變[1]。谷物，作為人們所熟知的養生之物，又重新回到了大眾的視野，谷物飲料也成為軟飲料行業發展的新方向[2]。在我國歷史上，有關谷物的飲食文化從未間斷，究其原因是谷物中含有人類成長中不可缺少的元素[3]，同時表明，人們已經適應谷物類食材所呈現出的營養價值，因此，開發研制新型谷物類產品有很大的社會意義。谷物飲料是通過一系列自動化工藝加工制得的產品，不僅在品質方面做到了讓消費者放心，更極大地降低了營養成分的流失，制作更加精細，適合各類人群食用[4-5]。谷物作為粗糧，富含膳食纖維，可增強人們的飽腹感[6]。

將益生菌運用于谷物飲料的制作中，可以提高腸胃動力，調節體內菌群分布，促進人體對有益物質的吸收[7]。益生菌發酵谷物飲料，提高了谷物的食用價值，同時延長了益生菌存活時間，使谷物食品打破了難長期儲藏的局面，增加了谷物的儲藏手段[8]。益生菌發酵谷物飲料采用多種乳酸菌按比例混合作為復合發酵劑，發酵經過糖化處理后的多種谷物，再通過調節溫度等因素，進行工藝優化，最終獲得消費者滿意的谷物飲品[9-10]。

本試驗以燕麥、糙米、黑米3中谷物為原料，利用嗜熱鏈球菌、嗜酸乳桿菌、鼠李糖乳桿菌、植物乳桿菌復合發酵劑發酵谷物，利用響應面試驗優化工藝條件，以期得到狀態均勻、谷香濃郁、酸甜可口的發酵谷物飲料，為益生菌發酵飲料的研究奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 材料

谷物：燕麥、糙米、黑米；發酵劑：嗜熱鏈球菌、嗜酸乳桿菌、鼠李糖乳桿菌、植物乳桿菌4種乳酸菌構成；蒙牛袋裝牛奶；MRS培養基；M17培養基。

1.2 試驗方法

1.2.1 原料處理

取干凈燒杯1個，稱取原料各50 g，清洗干凈后晾干，研磨粉碎，量取8倍谷物體積的水，煮至沸騰，加入粉碎后的混合谷物，煮5 min，為避免焦糊，需不斷攪拌。結束后冷卻至65 ℃，用檸檬酸調節酸堿度為pH 6.2，加入0.8%的3 700 U·g-1中溫淀粉酶，谷物淀粉與碘液不發生顏色反應時，則表明液化結束，經過沸水浴5 min使酶滅活后冷卻至65 ℃，Na2CO3調pH至4.2，在62 ℃條件下加入1%的500 U·g-1糖化酶，利用無水乙醇鑒定糖化是否反應完全。再次沸水浴使糖化酶失去活性，冷卻后經過粗過濾獲得試驗樣品[11]。

1.2.2 菌種活化

從菌種庫中取出4種菌種，用稀釋涂布平板法將4種菌先進行初步的鑒定與篩選[12]。嗜酸乳桿菌、植物乳桿菌、鼠李糖乳桿菌用MRS固體培養基37 ℃培養，嗜熱鏈球菌選用M17固體培養基在42 ℃下培養，待培養基中可清楚看到有菌落生成后，觀察菌落的形態、大小、顏色等，初步判斷是否有雜菌進入，再通過鏡檢進一步判斷菌株是否被污染[13]；確定無誤后，挑出單菌落在液體培養基中進一步活化，活化2次后，測定其生長曲線如圖1所示。

圖1 不同菌種生長曲線圖

1.2.3 發酵劑的制備

由于菌種無法在純谷物溶液中生長，因此將4種菌種馴化后以3%的比例均勻接種到處理好的樣品原液中，置于37 ℃培養12 h。

1.2.4 感官評分

根據相關評定標準，選10個評定人員（5位男生，5位女生），按照表1對產品3方面（色澤、氣味、狀態）打分。

表1 復合漿料感官評價標準表

1.2.5 單因素試驗

（1）發酵溫度單因素試驗。固定發酵劑接種量3%和發酵時間11 h，依次按照33 ℃、36 ℃、39 ℃、42 ℃和45 ℃條件下進行試驗，對產品進行感官評定。

（2）發酵時間單因素試驗。固定發酵溫度39 ℃，發酵劑接種量3%，分別在發酵時間為時間7 h、9 h、11 h、13 h和15 h條件下進行試驗，對產品進行感官評定。

（3）發酵劑接種量單因素試驗。固定發酵時間11 h，發酵溫度39 ℃，分別在接種量1%、2%、3%、4%、和5%條件下進行試驗，對產品進行感官評定。

1.2.6 響應面試驗設計

在單因素試驗結果的基礎上，以發酵溫度（A）、發酵時間（B）、接種量（C）作為考察因素，以感官評定得分為試驗指標，利用Design-Expert 8.0軟件設計響應面試驗，優化工藝條件。試驗因素水平如表2所示。

表2 響應面試驗因素水平表

2 結果與分析

2.1 單因素對感官評定的影響

2.1.1 發酵溫度對益生菌發酵谷物飲料的影響

該谷物產品發酵劑菌種豐富，溫度影響菌種生長以至于直接影響產品風味。由圖2可知，發酵溫度對谷物飲料感官評分影響存在顯著影響，當發酵溫度低于39 ℃時，感官評定得分呈上升趨勢，當發酵溫度到達39 ℃時達到峰值，在高于39 ℃條件下發酵的產品得分呈下降趨勢。

圖2 溫度對發酵谷物飲料感官評分的影響圖

2.1.2 發酵時間對益生菌發酵谷物飲料的影響

由圖3可知，感官評定得分隨時間的延長呈上升趨勢，當發酵時間大于11 h，感官評定得分呈持續下降趨勢，這是因為乳酸菌在發酵過程中使發酵液pH值下降，過度發酵會使谷物飲料酸度上升，影響產品口感。

圖3 發酵時間對發酵谷物飲料感官評分的影響圖

2.1.3 接種量對益生菌發酵谷物飲料的影響

由圖4可知，當接種量為3%時，產品感官評分處于最高點，當接種量低于或高于3%時，評分都呈下降趨勢，說明接種量過高或過低直接對產品風味帶來不利影響，接種量過少，菌種生長緩慢，發酵時間長；接種量過多，營養損耗快，酸度上升影響產品口感。

圖4 接種量對發酵谷物飲料感官評分的影響圖

2.2 響應面試驗

利用Design Expert 8.0軟件，在單因素試驗基礎上，感官評分作為響應值優化工藝條件，最后對最優組合進行驗證試驗。

2.2.1 響應面設計

通過Design-Expert 8.0軟件分析，試驗設計方案及結果見表3，方差分析見表4。

表3 響應面試驗結果表

表4 響應面法方差分析表

通過軟件對3個變量（接種量、發酵溫度、時間）分析得到回歸方程：Y=-1 910.94+76.78A+56.93B+115.85C-0.42AB-1.17AC-2.00BC-0.87A2-1.59B2-8.35C2。

由表4可得，模型P值＜0.000 1，表明影響顯著。失擬項影響不顯著，即無關因素影響不顯著。模型決定系數R2為0.984 1，即實際與預測相差不大，可以對益生菌發酵谷物飲料的最優工藝條件進行分析預測。由分析可得，A、C、AB、AC、BC、A2、B2和C2影響顯著，其他項影響不顯著。由F得出，溫度對感官評分影響最大，接種量次之，時間最小。

2.2.2 響應面交互作用

（1）發酵溫度與發酵時間的交互作用對感官評分的影響。當發酵溫度確定為某一值時，感官評分會受到發酵時間長短的影響，當達到一定時間后即下降。發酵時間確定，自變量為溫度時，溫度較低時感官評分逐漸升高，當溫度到達某一值繼續升高，感官評分反而越來越低，由此可知一定存在某一發酵時間和溫度下的產品評分是最優值。根據圖5可得，發酵條件為37 ℃、11 h時有評分最優值85分。

圖5 發酵溫度和發酵時間交互作用圖

（2）發酵溫度和接種量的交互作用對感官評分的影響。發酵時間一定，感官評分隨著發酵溫度的增加先增高后降低，同時隨著接種量的增加感官評分也呈現先增加后降低的趨勢，根據圖6可知發酵溫度37 ℃、接種量3%，感官評分最優值85分。

圖6 接種量和發酵溫度的交互作用圖

（3）接種量與發酵時間的交互作用對感官評定得分的影響。接種量一定，感官評分會在溫度升高至某值得到最高分，確定發酵溫度，感官評分會隨接種量增加出現峰值。由圖7可知，當條件為接種量3%，發酵11 h時有評分最優值85分。

2.3 驗證試驗

由響應面法分析可得益生菌發酵谷物產品的最佳條件：接種量3%、發酵時間11 h、發酵溫度39 ℃。由回歸方程得出此條件下發酵的產品感官評分84.84分，實際試驗得到的感官評分84.67分，理論與實際數值誤差0.2%，驗證試驗說明響應面法得到的最優工藝條件可行。

圖7 接種量與發酵時間的交互作用圖

3 結論

本研究利用酶制劑對燕麥、糙米、黑米混合谷物糖化后，利用嗜熱鏈球菌、嗜酸乳桿菌、鼠李糖乳桿菌、植物乳桿菌混合發酵，通過單因素試驗初步得到產品適宜的發酵條件，利用響應面設計對發酵時間、溫度和接種量進行優化試驗，得到優化工藝條件為：發酵溫度39 ℃、發酵時間11 h、接種量3%，此條件工藝穩定，能制得狀態均勻、谷香濃郁、酸甜可口的發酵谷物飲料。