甘蔗汁乳酸發酵工藝優化研究

余森艷，何渺源，盧珍蘭，李志紅

（廣西民族師范學院化學與生物工程學院，廣西 崇左 532200）

利用生物技術制備乳酸發酵飲品，能很好地維持和改善果蔬等原料固有的營養和感官品質，產品不僅具有典型的果蔬風味，還能有效提高其營養保健功效、改善腸道功能、延長產品貨架期[1]。在日本及歐洲很多國家，乳酸發酵飲品在乳制品市場的比例高達70%，發酵飲品產業遠遠超過了世界其他飲品的增長率[2]。

廣西崇左被稱為“中國糖都”[3]，富產甘蔗。甘蔗汁中含有黃酮類化合物、多酚類等多種生理活性物質，可以去除人體內的自由基，起到抗氧化的作用。醫學研究表明，甘蔗汁中豐富的多酚和黃酮類物質具有較強的抗氧化能力、抗炎癥能力[4-5]。目前，國內種植的甘蔗主要用于制糖，鮮有對其進行乳酸發酵的研究。基于地區特色，研發了甘蔗汁乳酸發酵飲品，產品直接利用甘蔗汁中的糖分，無需另外添加蔗糖，既可以解決甘蔗加工方式的單一問題，拓展甘蔗深加工產業鏈，助力蔗農經濟增收，也能很好地滿足消費者對乳酸發酵飲品在口感、營養、健康等方面的更高要求，具有較好的開發前景和社會效益。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

甘蔗，購自崇左市江州區農貿市場；乳酸菌（嗜熱鏈球菌與保加利亞乳桿菌復合菌），安琪酵母股份有限公司提供；脫脂乳粉，德運食品有限公司提供；羧甲基纖維素鈉（CMC-Na，食品級），河南萬邦實業有限公司提供；黃原膠，山東阜豐發酵有限公司提供；0.05 moL/L 氫氧化鈉溶液、0.1 moL/L鹽酸溶液、1%酚酞溶液，飛凈生物科技有限公司提供。

1.2 儀器與設備

BD-320HEM 型冰箱，青島海爾特種電冰柜有限公司產品；LCZ-80 型甘蔗榨汁機，浙江應曉工貿有限公司產品；WYT-4 型手持糖量計，上海易測儀器設備有限公司產品；YP5002 型電子天平，上海佑科儀器儀表有限公司產品；C21-WT2103A 型電磁爐，廣東美的生活電器制造有限公司產品；pHS-3S 型酸度計，上海佑科儀器儀表有限公司產品；RCD-1A型高速均質乳化機，常州越新儀器制造有限公司產品；LRH-400A 型生化培養箱，廣東泰宏君科學儀器股份有限公司產品。

1.3 試驗方法

1.3.1 工藝流程

1.3.2 操作要點

（1） 甘蔗汁的制備。選擇新鮮、無霉變的甘蔗，洗凈后去皮、切塊、榨汁、過濾，得到甘蔗原汁備用。

（2） 混料、均質。將脫脂乳粉、穩定劑0.1%（CMC-Na 與黃原膠質量比1∶1）[6-8]加入甘蔗汁中攪拌均勻，采用均質機在15~20 MPa 下對混合液均質5 min，使產品組織狀態均勻，獲得甘蔗汁乳酸發酵基質。

（3） 殺菌、冷卻。將甘蔗汁乳酸發酵基質在85 ℃條件下殺菌約15 min，再冷卻至室溫。

（4） 恒溫發酵。在殺菌冷卻后的甘蔗汁乳酸發酵基質中添加一定量的乳酸菌，攪拌均勻后密封，置于培養箱中進行42 ℃恒溫發酵。

（5） 冷藏。發酵結束后，將成品冷卻至室溫，置于4~7 ℃的冰箱中冷藏。

1.4 單因素試驗設計

1.4.1 甘蔗汁質量分數對乳酸發酵飲品感官評價的影響

設置甘蔗汁質量分數為60%，70%，80%，90%，100%，固定脫脂乳粉添加量2%，乳酸菌添加量3%，發酵溫度為42 ℃，發酵時間10 h，考查甘蔗汁質量分數對乳酸發酵飲品感官評價的影響。

1.4.2 脫脂乳粉添加量對乳酸發酵飲品感官評價的影響

設置脫脂乳粉添加量為1.0%，1.5%，2.0%，2.5%，3.0%，固定甘蔗汁質量分數80%，乳酸菌添加量3%，發酵溫度為42 ℃，發酵時間10 h，考查脫脂乳粉添加量對乳酸發酵飲品感官評價的影響。

1.4.3 菌種添加量對乳酸發酵飲品感官評價的影響

設置乳酸菌添加量為1%，2%，3%，4%，5%，固定甘蔗汁質量分數80%，脫脂乳粉添加量2%，發酵溫度為42 ℃，發酵時間10 h，考查乳酸菌添加量對乳酸發酵飲品感官評價的影響。

1.4.4 發酵時間對乳酸發酵飲品感官評價的影響

設置發酵時間為6，8，10，12，14 h，固定甘蔗汁質量分數80%，脫脂乳粉添加量2%，乳酸菌添加量為3%，發酵溫度為42 ℃，考查發酵時間對乳酸發酵飲品感官評價的影響。

1.5 正交試驗設計

在單因素試驗的基礎上，以模糊數學感官評價分數為指標，采用四因素三水平的正交試驗模型L9（34），利用Excel 軟件和SPSS 軟件對甘蔗汁質量分數、脫脂乳粉添加量、乳酸菌添加量、發酵時間4 個因子進行正交試驗分析，從而確定出甘蔗汁乳酸發酵飲品的優化工藝參數。

1.6 乳酸發酵飲品感官評價方法

1.6.1 感官評價方法

通過查閱相關文獻，制作甘蔗汁乳酸發酵飲品感官評價表。以10 位有經驗的食品專業感官評價人員對甘蔗汁乳酸發酵飲品的組織狀態、色澤、口感、香氣4 個感官指標進行模糊數學感官評定，組織狀態占30 分，色澤占30 分，口感占20 分，香氣占20 分，評價等級分為優、良、中、差4 個等級。單因素試驗和正交試驗均按此標準來進行感官評價。

甘蔗汁乳酸發酵飲料感官評價見表1。

1.6.2 建立模糊數學模型

根據對象集K、因素集M、評語集V、權重集S、模糊關系綜合評判集Y 的確定，建立建立模糊數學模型[9-10]。

研究對象集K：對單因素試驗中的20 組乳酸發酵飲料樣品和正交試驗中的9 組樣品進行綜合評定，其中單因素試驗中評價對象集K={K1，K2...K20}，K1=標號為1 的樣品，K2=標號為2 的樣品，以此類推。

因 素 集M={M1，M2，M3，M4}，其 中M1、M2、M3、M4分別對應組織狀態、口感、色澤、香氣。

評語集V={V1，V2，V3，V4}={優，良，中，差}。

權重集S={S1，S2，S3，S4}={0.3，0.3，0.2，0.2}，分別對應組織狀態30 分，口感30 分，色澤20 分，香氣20 分。

模糊關系綜合評價集Y=S·Ri，R 為模糊矩陣。

為了使感官評分更直觀呈現，結合評語集和感官評價，將糊關系綜合評價集賦值計算，設定優為90 分，良為80 分，中為70 分，差為60 分[11]，即評價等級集V={90，80，70，60}。將模糊關系綜合評價集Y 分別乘以評價等級集V，然后相加即可得到乳酸發酵飲品的綜合評價得分。

1.6.3 產品主要理化指標的測定

pH 值的測定，使用酸度計測定；可溶性固形物的測定，使用手持糖量計測定；總酸度的測定，參考國家標準《GB5009.239—2016 食品安全國家標準食品酸度的測定》中的直接滴定法測定。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果與分析

2.1.1 甘蔗汁質量分數對乳酸發酵飲品的影響

甘蔗汁質量分數對產品感官評分及pH 值的影響見圖1。

圖1 甘蔗汁質量分數對產品感官評分及pH 值的影響

由于甘蔗原汁中含糖量較高，發酵前一般需要稀釋，以降低甘蔗汁的質量分數及生產成本。由圖1可知，甘蔗汁質量分數為60%時，發酵后飲品的pH值較小，酸甜度不適宜，且味道較淡，香味不足，感官評分較低。當甘蔗汁質量分數為100%的情況下，發酵后產品的pH 值相對偏高，味道較甜，乳酸發酵風味不協調，感官評分低。因此選擇甘蔗汁質量分數為70%，80%，90% 3 個水平用于正交試驗。

2.1.2 脫脂乳粉添加量對乳酸發酵飲品的影響

脫脂乳粉添加量對產品感官評分及pH 值的影響見圖2。

圖2 脫脂乳粉添加量對產品感官評分及pH 值的影響

脫脂乳粉添加量對乳酸發酵飲品的口感、穩定性起著重要的作用。由圖2 可知，在脫脂乳粉添加量為2%的情況下，感官評分最高，產品組織狀態均勻一致，口感濃厚細膩，酸甜可口，無異味。脫脂乳粉添加量越高，其感官評分反而越低，其原因可能是脫脂乳粉添加量過多時，會影響產品的組織狀態，且風味不協調，導致感官評分低。因此選擇脫脂乳粉添加量為1.5%，2.0%，2.5% 3 個水平用于正交試驗。

2.1.3 乳酸菌添加量對乳酸發酵飲品的影響

乳酸菌添加量對產品感官評分及pH 值的影響見圖3。

圖3 乳酸菌添加量對產品感官評分及pH 值的影響

由圖3 可知，在乳酸菌添加量為2%~4%時，產品的感官評分較高，酸度適宜，當乳酸菌添加量為1%時，pH 值偏高，酸度低，說明菌種添加量較少可能會導致發酵不完全，產品風味淡薄，感官評分低。當菌種添加量較大時，發酵后產品的香氣和口感會下降，pH 值偏低，酸甜不協調。因此選擇菌種添加量為2%，3%，4%3 個水平用于正交試驗。

2.1.4 發酵時間對乳酸發酵飲品的影響

發酵時間對產品感官評分及pH 值的影響見圖4。

圖4 發酵時間對產品感官評分及pH 值的影響

發酵時間的長短直接影響乳酸發酵飲品的口感和香氣。發酵時間過短，產酸及風味形成不足，感官評分低；發酵時間過長，會導致發酵過度，pH 值偏低，口感下降，且生產時間成本增加。由圖4 可知，隨著發酵時間的延長，pH 值逐漸下降，發酵8~12 h 的產品感官評分較高，說明這個時間段的乳酸發酵飲品口感及風味較好，酸味適中。綜合感官評價和生產成本等因素，選擇發酵時間為8，10，12 h 3 個水平用于正交試驗。

2.2 正交試驗結果與分析

2.2.1 甘蔗汁乳酸發酵飲品模糊感官評分結果

正交試驗因素與水平設計見表2。

表2 正交試驗因素與水平設計

在表2 的正交試驗設計方案基礎上，采用模糊數學評價法，得出感官評價結果。

正交試驗設計見表3，方差分析見表4。

表3 正交試驗設計

表4 方差分析

由表3 可知，基于模糊數學綜合感官評價得到的正交試驗結果表明，影響乳酸發酵飲品感官品質因素的主次順序為A＞B＞C＞D，即甘蔗汁質量分數是主要因素，脫脂乳粉添加量次之，隨后是乳酸菌添加量，發酵時間影響因素最小。A2B2C2D2為最優因素組合，即甘蔗汁質量分數80%，脫脂乳粉添加量2%，乳酸菌添加量3%，發酵時間10 h。

由表4 可知，甘蔗汁質量分數和脫脂乳粉添加量對乳酸發酵飲品的品質影響極顯著，乳酸菌添加量影響顯著，發酵時間影響不顯著。

2.2.2 驗證試驗結果分析

正交試驗的最佳工藝組合A2B2C2D2沒有出現在正交試驗表中，因此需要進行驗證試驗，在最佳工藝條件為甘蔗汁質量分數80%，脫脂乳粉添加量2%，乳酸菌添加量3%，發酵時間10 h 的情況下，進行3 次平行試驗并取平均值，得分為89.9 分，比正交試驗表3 中的所有感官評分高，因此可將A2B2C2D2作為最佳乳酸發酵工藝組合。

2.3 乳酸發酵飲品理化指標檢測結果

以最優工藝組合A2B2C2D2制備的甘蔗汁乳酸發酵飲品為樣品，測定其主要理化指標。

乳酸發酵飲料基礎理化指標測定結果見表5。

表5 乳酸發酵飲料基礎理化指標測定結果

3 結論

采用模糊數學法綜合評價方法，得出甘蔗汁乳酸發酵飲品的最優生產工藝條件為發酵溫度42 ℃，甘蔗汁質量分數80%，脫脂乳粉添加量2%，乳酸菌添加量3%，穩定劑添加量0.1%（CMC-Na 與黃原膠質量比1∶1），發酵時間10 h。在此最優工藝條件下研制的甘蔗汁乳酸發酵飲品呈乳白色，組織狀態均勻一致，無分層，酸甜適口，具有濃郁的乳酸發酵風味和甘蔗清香，兼具營養、健康、美味于一體，開發前景較好。