乳酸菌發酵番茄醬的加工工藝研究

武進雨，季小康，趙蘇源，姚沛琳

（宿州學院生物與食品工程學院，安徽宿州 234000）

0 引言

番茄醬作為番茄的濃縮產物其營養成分更易被人體吸收[1-2]。其中的番茄紅素具有很多抗氧化能力極強的活性物質，其抗氧化能力可以達到β -胡蘿卜素的2.0～3.2 倍。番茄紅素還可以預防癌癥，如前列腺癌、乳腺癌等[3-4]。番茄紅素如今在食品與醫療方面備受關注，在醫藥、功能食品、化妝品等行業得到了廣泛應用[5-6]。

乳酸菌是一類能運用可發酵碳水化合物產出大量乳酸細菌的通稱。乳酸菌對保護人體有很大益處，可以提高乳酸菌在腸道中的含量，減少有害菌群數量，調整腸道菌群比例，保護人體腸道菌群的平衡和正常生理功能[7-9]。目前，我國關于番茄類的產品主要以初加工為主，如番茄醬、番茄汁等，缺乏深加工，特別是利用乳酸菌制得發酵番茄醬的研究較少。因此，采用乳酸菌發酵番茄醬能夠綜合乳酸菌和番茄醬兩者的優點。

試驗以新鮮番茄為原材料，添加具有益生元功能的菊芋作為輔料，采用人工接種乳酸菌的發酵形式發酵番茄醬，通過響應面法優化番茄醬的發酵工藝，為乳酸菌發酵型番茄醬的生產提供一定的理論研究基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 原料

選擇鮮紅飽滿、色澤均勻、無蟲害的番茄作為原材料；以外觀均勻、成熟新鮮、無霉變及腐敗變質的菊芋為輔料；冰糖，食鹽，以上材料均購自宿州市特爾惠超市。

發酵菌種：嗜酸乳桿菌CICC20250，植物乳桿菌CICC21805，以上菌種均由宿州學院生物與食品工程學院保藏。

1.1.2 試劑

MRS 培養基；氫氧化鈉、酚酞，國藥集團提供。

1.2 設備

GI100T 型高壓滅菌鍋，致微（廈門）儀器有限公司產品；SW-CJ-1CU 型超凈工作臺，蘇州安泰空氣技術有限公司產品；1-1SPK 型小型臺式冷凍離心機，美國Sigma 公司產品；SHP-400ε型恒溫培養箱，上海三發科學儀器有限公司產品。

1.3 試驗方法

1.3.1 乳酸菌菌懸液的制備

從保菌管內分別吸取嗜酸乳桿菌CICC20250 和植物乳桿菌CICC21805 菌液100 μL，接種到10 mL MRS 液體培養基中，于37 ℃下靜置培養12 h，連續活化2 次，離心得菌體，用生理鹽水洗滌3 次，最后用等體積生理鹽水重懸作為后續發酵種子液[10]。

1.3.2 發酵番茄醬的制備

將新鮮的番茄用水洗干凈，熱燙除去果皮，打漿；新鮮的菊芋用熱水蒸煮，去皮，打漿。番茄漿和菊芋漿按照不同比例進行混合，然后加入3%的食鹽，6%的冰糖，4%的成品番茄醬，進行熬制，裝入玻璃罐中，于85 ℃下水浴加熱15 min，進行巴氏殺菌，冷卻后再接入制備好的乳酸菌菌懸液，混勻，發酵[11]。

1.3.3 單因素試驗

（1）不同發酵劑的影響。依次采用嗜酸乳桿菌CICC20250、植物乳桿菌CICC21805、嗜酸乳桿菌CICC20250∶植物乳桿菌CICC21805=1∶1 這3 種發酵劑，以總酸度為考核指標，確定最佳的接菌種類。

（2）接菌量的影響。將乳酸菌分別按照0，0.5%，1.0%，1.5%，2.0%的比例接種到番茄醬里進行發酵，以總酸度為考核指標，確定最佳接菌量。

（3）菊芋添加量的影響。菊芋分別按照0，5%，10%，15%，20%的添加量加入到番茄醬里，每組都分別接2%的嗜酸乳桿菌，于37 ℃下靜置培養10 d，以總酸度為考核指標，確定最佳的菊芋添加量。

（4）發酵溫度的影響。按照菊芋的添加量為10%，接入2%的嗜酸乳桿菌，分別置于26，30，34，37，42 ℃的培養箱里，靜置培養10 d，以總酸度為考核指標，確定最佳的發酵溫度。

（5）發酵時間的影響。按照菊芋添加量為10%，接入2%的嗜酸乳桿菌CICC20250，置于37 ℃恒溫的培養箱中，分別在5，10，15，20，25，30 d 后進行取樣，以總酸度為考核指標，確定最優發酵時間。

1.3.4 總酸度的測定

酸堿中和測定法，計算番茄醬的總酸度可以參考國標GB/T 12456—2008 食品總酸的測定[12]。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 不同發酵劑對乳酸菌發酵番茄醬品質的影響

不同發酵劑對發酵番茄醬總酸度的影響見圖1。

圖1 不同發酵劑對發酵番茄醬總酸度的影響

由圖1 可知，當植物乳桿菌和嗜酸乳桿菌以1∶1混合時，總酸度為37.05 mol/L。因此，在后面的研究中，用嗜酸乳桿菌和植物乳桿菌的相同比例混合菌種進行番茄醬的發酵。結合總酸的指標，可以得到發酵劑的最優選取種類是嗜酸乳桿菌CICC20250∶植物乳桿菌CICC21805 為1∶1 混合。

2.1.2 不同接菌量對乳酸菌發酵番茄醬品質的影響

不同接菌量對發酵番茄醬總酸度的影響見圖2。

圖2 不同接菌量對發酵番茄醬總酸度的影響

由圖2 可知，隨著接菌量的增加發酵番茄醬的總酸度呈上升趨勢，當接菌量為1%時達到峰值。由此可以得到，發酵時選取1%的接菌量最為適宜。

2.1.3 菊芋添加量對乳酸菌發酵型番茄醬品質的影響

菊芋添加量對發酵番茄醬的影響見圖3。

圖3 菊芋添加量對發酵番茄醬的影響

菊芋塊莖含有豐富的氨基酸、糖類、維生素等，具有較強的耐貯藏性，是提取高純低聚糖的最佳原料，其作為益生元的研究較多，可促進益生菌的增長[13]。由圖3 可知，隨著菊芋添加量的增大，番茄醬的總酸度逐漸增大，初始值酸度的增長值隨菊芋質量分數不是特別明顯，當達到5%以后酸度明顯上升，當添加量達到15%時，酸度達到峰值，再繼續添加總酸度明顯下降，說明此時乳酸菌已受到抑制，菊芋添加過多，可以得出結論，菊芋最優添加量應在15%附近。

2.1.4 發酵溫度對乳酸菌發酵番茄醬品質的影響

發酵溫度也是影響試驗結果的主要因素之一，若番茄醬中的發酵溫度太低，會使發酵菌液易感染雜菌，產酸程度太低而直接影響產品品質，甚至可能會導致產品周期延長，若番茄醬的發酵溫度太高則可能會導致產酸速度過快，雖然縮短了時間但是發酵風味物質會減少，對食物自身的品質會產生一定影響，因此選擇合適的發酵溫度是很重要的條件[14]。

發酵溫度對發酵番茄醬總酸度的影響見圖4。

圖4 發酵溫度對發酵番茄醬總酸度的影響

由圖4 可知，番茄醬的總酸度隨著發酵溫度的增長總體呈先上升后下降趨勢，當34 ℃時達到峰值，但是若發酵溫度持續增加，超過峰值后，酸度會逐漸下降，可能會使產品中的有機酸分解，以至于酸度下降，導致產品的風味有不好的改變，因此應將發酵溫度控制為30～34 ℃。

2.1.5 發酵時間對發酵番茄醬品質影響的試驗結果

發酵時間對發酵型番茄醬總酸度的影響見圖5。

由圖5 可知，總酸度隨著發酵時間的改變效果也較為顯著，起初因為發酵時間短，番茄醬的風味還沒有形成，所以風味酸味都不顯著，隨著時間的增加酸度逐漸增加，發酵時間過長也會導致酸度過大使番茄醬風味變質，由變化曲線可得發酵時間最適宜的為25 d，總酸度為40.3 mol/L。

圖5 發酵時間對發酵型番茄醬總酸的影響

2.2 乳酸菌發酵番茄醬的加工工藝優化響應面試驗設計

2.2.1 試驗設計

在單因素試驗的基礎上，采用Design Expert 8根據Box-bnheken Design 試驗設計原理，主要是發酵溫度（A）、菊芋質量分數（B）、接菌量（C）3 個影響因素，響應值仍選用總酸度（Y），利用響應面法進行中心組合設計試驗[15]。

發酵番茄醬工藝響應面試驗因素與水平設計見表1。

表1 發酵番茄醬工藝響應面試驗因素與水平設計

2.2.2 試驗設計結果

根據Box-bnhenken 試驗設計原理進行優化試驗。

Box-behnken 試驗設計結果見表2。

通過選用Box-beheken 響應面分析法對試驗結果擬合的模型進行方差分析，響應面數據的回歸分析[13]（見表2）。通過軟件對試驗數據進行多元回歸擬合，得到響應面擬合方程：

式中：Y——番茄醬總酸度，mol/L。

由表2 可知，回歸方程中各因素對總酸度影響的顯著性可以通過F 檢驗來判斷。若p 值越小，則可以說明對應變量的顯著性越高[16]。該模型的F 值是36.52，大于0.01 水平上的F 值，且p＜0.001，表明該回歸模型極顯著，在統計學上有意義。失擬項F=2.56，p=0.192 8＞0.05，不顯著，說明該模型與實際的擬合情況比較好，回歸方程不失擬，能充分反映實際情況，所以可以選用回歸方程代替試驗真實點對發酵番茄醬的試驗結果進行預測分析。另外，通過分析可以得到，各因素中的一次項A、B，二次項A2、B2、C2對發酵番茄醬的總酸度影響極顯著，AB 項對發酵番茄醬的總酸度影響顯著，AC 項對發酵番茄醬的總酸度影響極顯著，BC 項對發酵番茄醬的總酸度影響不顯著。

表2 Box-behnken 試驗設計結果

響應面方差分析結果見表3。

番茄醬的總酸度影響顯著（p＜0.05），由表3 可知，各因素對發酵番茄醬的總酸度影響程度排序為菊芋添加量＞發酵溫度＞接菌量。

表3 響應面方差分析結果

2.2.3 響應曲面分析

通過分析模型的響應面和相應的等高線，可以得到兩兩交互作用的結果，并且通過驗證模型預測的最優值，可以確定生產研究發酵番茄醬的最佳工藝參數[14]。

發酵溫度與菊芋添加量交互作用的響應面圖見圖6，發酵溫度與菊芋添加量交互作用的等高線圖見圖7，發酵溫度與接菌量交互作用的響應面圖見圖8，發酵溫度與接菌量交互作用的等高線圖見圖9，菊芋添加量與接菌量交互作用的響應面圖見圖10，菊芋添加量與接菌量交互作用的等高線圖見圖11。

由圖6 可知，響應面曲線A 的弧度比B 的弧度陡，由圖7 可知，A 方向的等高線密度低于B 方向，則表明發酵溫度相比菊芋添加量，菊芋添加量對番茄醬總酸度的影響更顯著。等高線呈橢圓形，則說明發酵溫度與菊芋添加量的交互作用顯著。

圖6 發酵溫度與菊芋添加量交互作用的響應面圖

圖7 發酵溫度與菊芋添加量交互作用的等高線圖

由圖8 可知，響應面曲線A 的弧度比C 弧度陡，由圖9 可知，A 方向等高線密度高于C 方向，說明發酵溫度對發酵番茄醬總酸度的影響高于接菌量，等高線呈橢圓形，表明發酵溫度與接菌量的交互作用極顯著。

圖8 發酵溫度與接菌量交互作用的響應面圖

圖9 發酵溫度與接菌量交互作用的等高線圖

由圖10 可知，響應面曲線B 的弧度比C 的弧度陡，由圖11 可知，等高線B 的密度高于等高線C，說明菊芋添加量對發酵番茄醬總酸度的影響高于接菌量，等高線呈橢圓形，表明菊芋添加量與接菌量的交互作用不顯著。

圖10 菊芋添加量與接菌量交互作用的響應面圖

圖11 菊芋添加量與接菌量交互作用的等高線圖

為了驗證調配發酵番茄醬加工工藝模型方程的合適性，通過Design Expert 8 設計可以得到最終的優化條件為A=29.17，B=8.81，C=209.27，即得到的試驗最優組合為發酵溫度29.17 ℃，菊芋用量8.81 g，接菌量209.27 μL。此時，模型預測發酵型番茄醬的總酸度最大值為38.97 mol/L，考慮到實際因素，對上述優化條件進行適當調整，調整后的工藝條件為發酵溫度30 ℃，菊芋用量10 g，接菌量200 μL。在該條件下進行3 次平行試驗，結果表明，其平均值為35.45 mol/L。與預測值較為接近，由此可以得到該模型的擬合度較好，最終的優化試驗還是較為成功。因此，響應面法優化發酵型番茄醬的加工工藝條件可以采取。

模型驗證試驗結果見表4。

表4 模型驗證試驗結果/ mol·L-1

3 結論

通過單因素試驗，確定了發酵菌種類型、接菌量、菊芋質量分數，發酵溫度和發酵時間5 個因素的最優水平值，最優發酵種類是嗜酸乳桿菌CICC20250 植物乳桿菌CICC21805 同比例混合，最優接菌量為1%，最佳發酵時間為25 d，確定了影響因素對發酵型番茄醬的總酸度影響程度為菊芋添加量＞發酵溫度＞接菌量。通過進一步的響應面優化試驗，確定了發酵溫度、菊芋添加量、接菌量的最優參數，結合實際情況，最終得到結果為發酵溫度30 ℃，菊芋添加量15%，接菌量1%，在該條件下的發酵型番茄醬色澤誘人、酸甜適中、發酵風味濃厚、口感香醇。