乳酸菌發酵芪楂功能泡菜的工藝優化及品質分析

范龍泉,楊欽萍,曹引

(山西工商學院,太原 030036)

泡菜風味清香,口感酸鮮脆爽,具有減膩開胃、消食減脂的營養特點[1-3],是典型的蔬菜發酵制品,其制作工藝主要有自然發酵、母水發酵和直投式乳酸菌發酵[4-5]。直投式乳酸菌發酵具有發酵周期短、便于標準化生產、產品質量穩定等優勢[6],正在成為工業生產的主要方式,但也有研究表明,直投式乳酸菌發酵產品的風味和香氣不如傳統的自然發酵和母水發酵[7-8]。另外,隨著膳食結構的調整、充足新鮮蔬菜的供應和消費者健康意識的提升,泡菜食鹽含量高、亞硝酸鹽含量高、食品衛生等問題逐漸凸顯,使得民眾的消費需求明顯縮減[9-10]。因此,如何提升泡菜的風味和營養功能,打破“泡菜不健康”的觀點,實現泡菜產品的提檔增效和轉型升級,成為泡菜工業生產面臨的嚴峻挑戰。

黃芪在我國有2 000多年的藥用歷史[11],被譽為“補氣之要藥”[12],收載于《中國藥典》(2015年版),具有排毒生肌、補氣養血、保肝利尿、降壓降糖、抗腫瘤等功效[13-15]。黃芪在山西、內蒙古、甘肅等地也有著悠久的食用歷史,主要方法有煲湯、燉肉、煮粥、火鍋、泡酒、腌菜、泡茶等[16]。2002年衛生部發布通知明確了黃芪屬于可用于保健的食品。2020 年1月國家衛生健康委員會與國家市場監督總局聯合發布通知,將黃芪納入既是食品又是中藥材的生產經營試點工作,這為黃芪精深加工和黃芪相關功能食品的研發提供了重要的政策支持。山楂是藥食同源物質,具有消食化積、開胃健脾、行氣化瘀、減脂降壓等功效[17-19],廣泛用于鮮食、入藥和食品加工[20]。有研究顯示,黃芪和山楂搭配具有補中益氣、祛濕化瘀、行氣養血等功效[21—22]。吉林敖東延邊藥業股份有限公司以黃芪和山楂為主要原料研發了小兒芪楂口服液,用于治療小兒厭食癥脾胃氣虛證,并未發現任何不良反應[23]。陸銀[24]的研究表明,發酵黃芪和山楂復合物可促進乳酸菌繁殖,抑制致病菌生長,加入飼料中能提高動物生長性能,改善免疫功能。張萌[25]開展了山楂黃芪復合固體飲料的研制,結果表明產品具有較高的抗氧化活性。綜上可知,利用黃芪和山楂開發功能性食品具有一定的可行性和廣闊的市場前景。

本研究采用直投式乳酸菌發酵技術,將黃芪和山楂加入泡菜發酵體系中研發一款功能泡菜,以期提升泡菜的營養保健功能,降低亞硝酸鹽、生物胺等有害產物和腐敗微生物的污染。在單因素試驗的基礎上,以模糊數學感官評分為響應值,采用Box-Behnken試驗設計得到最佳生產工藝條件,并對產品進行品質檢測和分析,為促進泡菜功能化和創新性發展提供了重要的數據參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

黃芪:山西渾源萬生黃芪開發有限公司,經鑒定屬蒙古黃芪;山楂、新鮮大白菜、食鹽:均為市售;乳酸菌發酵劑(植物乳桿菌、嗜酸乳桿菌、鼠李糖乳桿菌的混合菌劑):北京川秀科技有限公司。氫氧化鈉、酒石酸鉀鈉、亞鐵氰化鉀、硫酸銅、葡萄糖、乙酸鋅:天津市北辰方正試劑廠;鹽酸萘乙二胺、對氨基苯磺酸:天津市科密歐化學試劑有限公司;乙酸、乙醇、鹽酸、甲醇:國藥集團化學試劑有限公司,以上試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

FW-100型高速萬能粉碎機 北京永光明醫療儀器有限公司;752型紫外分光光度計 上海菁華科技儀器有限公司;PHS-3C型 pH計 上海雷磁儀器廠;YXQ-75SⅡ型高溫滅菌鍋、SW-CJ-2FD型超凈工作臺 上海博迅醫療生物儀器股份有限公司;SJIA05C型均質器 寧波雙嘉儀器有限公司;SPX-250B型恒溫培養箱 天津市泰斯特儀器有限公司。

1.3 泡菜制作工藝流程

黃芪、山楂處理:將山楂去核,切片,置于烘箱中烘干,分別稱取黃芪和山楂片各10 g,于萬能粉碎機中粉碎,加入100 mL蒸餾水,于超聲萃取儀中萃取30 min,超聲功率300 W,取上清液備用;白菜處理:將新鮮白菜去根、去老葉、去爛葉,洗凈后切分,晾干至表面無水分殘留,分別稱取50 g樣品裝入玻璃密封罐中;泡菜液配制:用冷沸水配制一定質量濃度的食鹽水,加入一定量的黃芪提取液、山楂提取液和混合發酵菌粉,混勻。按照料液比1∶2量取100 mL泡菜液裝入玻璃密封罐中,完全淹沒白菜樣品;發酵:將泡菜罐密封,置于25 ℃恒溫條件下發酵。

1.4 單因素試驗

按照泡菜的制作工藝,以感官評分和亞硝酸鹽含量為優化指標,對食鹽添加量、菌種接種量、發酵時間、黃芪添加量、山楂添加量進行單因素試驗。在預試驗的基礎上,固定菌種接種量0.2%、發酵時間5 d、黃芪添加量0.2%、山楂添加量4%,考察不同食鹽添加量1%、2%、3%、4%、5%、6%(以白菜質量計,下同)對泡菜指標的影響;固定食鹽添加量3%、發酵時間5 d、黃芪添加量0.2%、山楂添加量4%,考察不同菌種接種量0.05%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%對泡菜指標的影響;固定食鹽添加量3%、菌種接種量0.2%、黃芪添加量0.2%、山楂添加量4%,考察不同發酵時間2,3,4,5,6,7 d對泡菜指標的影響;固定食鹽添加量3%、菌種接種量0.2%、發酵時間5 d、山楂添加量4%,考察不同黃芪添加量0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%對泡菜指標的影響;固定食鹽添加量3%、菌種接種量0.2%、發酵時間5 d、黃芪添加量0.2%,考察不同山楂添加量2%、3%、4%、5%、6%、7%對泡菜指標的影響;確定最適食鹽添加量、菌種接種量、發酵時間、黃芪添加量和山楂添加量。

1.5 響應面優化試驗

在以上單因素試驗的基礎上,選取對芪楂功能泡菜品質影響較顯著的因素和水平,采用Design-Expert 8.0.6軟件,根據Box-Behnken試驗設計原理,以模糊數學感官評價得分為響應值,固定接種量為0.2%,選取食鹽添加量、發酵時間、黃芪添加量、山楂添加量進行四因素三水平的響應面試驗設計,試驗設計因素與水平見表1。

表1 響應面試驗因素水平表

1.6 泡菜感官評價標準

根據本課題組的評價方法[26]結合參考文獻[27—28]稍作改進,評價標準見表2。為提高評分的可信度,泡菜樣品不得做任何符號標記,評價組成員品評前30 min不得攝入刺激性食物,各成員獨立品評,不得交談討論,樣品間隔5 min并需溫水漱口。

表2 泡菜感官評價標準

表3 各因素權重分布

1.7 模糊數學感官評價模型的構建

1.7.1 評價因素集和評語集的建立

設定泡菜感官評價因素集U,由滋味U1、氣味U2、形態U3和色澤U4組成評價因素集,即U={U1,U2,U3,U4};設定泡菜感官質量評語集V,由優V1、良V2、中V3、差V4組成評語集,即V={V1,V2,V3,V4}。

1.7.2 權重集的確定

設定泡菜感官評價各因素權重集A,采用用戶調查法和二元對比法確定各因素的權重[29-30],由10位專業感官評價人員獨立對各因素的重要性進行投票,得到權重集A={A1,A2,A3,A4},其中A1,A2,A3,A4分別為評價因素滋味、氣味、形態、色澤的權重,即A={0.32, 0.26, 0.22, 0.20}。

1.7.3 模糊矩陣的建立

邀請10位食品質量與安全專業的學生組成評價小組,根據感官評價標準,依次對樣品進行評價,計算各因素在4個等級中的票數,各因素的票數除以感官評價人數,即得模糊轉換矩陣R。綜合隸屬度L=R×A;感官評分Y=L×V。

1.8 品質分析指標測定

亞硝酸鹽含量的測定采用紫外分光光度法,參考GB 5009.33—2016《食品國家安全標準 食品中亞硝酸鹽與硝酸鹽的測定》;總酸含量的測定采用酸堿指示劑滴定法;還原糖含量的測定采用直接滴定法;氨基酸態氮含量的測定采用比色法,參考SB/T 10213—1994《醬腌菜理化檢驗方法》;pH值采用pH計直接測定;乳酸菌數的測定參考GB 4789.35—2016《食品安全國家標準 食品微生物學檢驗 乳酸菌檢驗》;致病菌數參考GB 29921—2021《食品安全國家標準 預包裝食品中致病菌限量》相關要求進行檢測。

1.9 數據統計及分析

試驗重復3次,均取得相似結果,數據結果表示為平均值±標準偏差。采用Design-Expert 8.0.6軟件進行響應面試驗分析;采用Microsoft Excel 2010軟件進行整理和繪圖。

2 結果與分析

2.1 芪楂功能泡菜工藝優化單因素試驗

2.1.1 食鹽添加量對芪楂功能泡菜感官評分和亞硝酸鹽含量的影響

由圖1可知,隨著食鹽添加量的增加,泡菜的感官評分呈先上升后下降的變化趨勢,亞硝酸鹽含量呈逐漸上升的趨勢;當食鹽添加量低于3%時,泡菜的口味清淡,湯色較渾濁;隨著食鹽添加量的增加,湯色逐漸清亮,當食鹽添加量為3%時,感官評分最高,達到90.15分,亞硝酸鹽含量為2.71 mg/kg,顯著低于國家標準限量20 mg/kg,且泡菜質地嫩脆、香味濃郁;當食鹽添加量高于3%時,泡菜的咸味增加,口感下降。因此,確定泡菜最適加鹽量為3%。

圖1 食鹽添加量對泡菜感官評分及亞硝酸鹽含量的影響

2.1.2 菌種接種量對芪楂功能泡菜感官評分和亞硝酸鹽含量的影響

由圖2可知,隨著接種量的增加,感官評分整體呈先升后降的變化趨勢,亞硝酸鹽含量呈逐漸下降的趨勢;當接種量低于0.2%時,泡菜的滋味淡薄;隨著接種量的增加,酸度提升,當接種量達0.2%時,泡菜發酵較好,酸咸適中,此時感官評分最高,達到88.34分,亞硝酸鹽含量為3.47 mg/kg;當接種量高于0.2%時,泡菜發酵進程加快,發酵5 d時口感下降,故確定泡菜的最適接種量為0.2%。

圖2 菌種接種量對泡菜感官評分及亞硝酸鹽含量的影響

2.1.3 發酵時間對芪楂功能泡菜感官評分和亞硝酸鹽含量的影響

由圖3可知,感官評分隨發酵時間的延長呈先升后降的變化趨勢,但在第4天后變化不明顯,發酵第5天時,感官評分最高,達85.72分;亞硝酸鹽含量隨發酵時間的延長呈下降的趨勢,發酵前5 d變化幅度較大,5 d后趨于平穩,約為3.41 mg/kg,故選擇發酵4,5,6 d進行響應面優化試驗。

圖3 發酵時間對泡菜感官評分及亞硝酸鹽含量的影響

2.1.4 黃芪添加量對芪楂功能泡菜感官評分和亞硝酸鹽含量的影響

由圖4可知,隨著黃芪添加量的增加,泡菜的感官評分呈先上升后下降的變化趨勢,亞硝酸鹽含量呈下降的趨勢,并逐漸趨于平穩。當黃芪添加量低于0.2%時,泡菜的光澤暗淡,氣味淡薄;隨著黃芪添加量的增加,光澤改善,當添加量達0.2%時,泡菜的風味獨特,發酵香味濃郁,此時感官評分最高,達到88.91分,亞硝酸鹽含量為3.07 mg/kg;當添加量高于0.2%時,泡菜中黃芪獨特的豆香味明顯。因此,最適黃芪添加量為0.2%。

圖4 黃芪添加量對泡菜感官評分及亞硝酸鹽含量的影響

2.1.5 山楂添加量對芪楂功能泡菜感官評分和亞硝酸鹽含量的影響

由圖5可知,隨著山楂添加量的增加,感官評分明顯上升,當添加量達到3%時,泡菜的光澤均勻,形態完整,酸咸適中,感官評分為90.34分,添加量達到4%時,感官評分最高,達91.13分;亞硝酸鹽含量隨著山楂添加量的增加呈逐漸下降的趨勢,當添加量超過3%時,亞硝酸鹽含量逐漸平穩。結合生產實際和經濟效益,選擇山楂添加量為3%、4%、5%作為響應面參數。

2.2 芪楂功能泡菜制作工藝優化響應面試驗

2.2.1 響應面設計試驗結果

根據單因素試驗結果,確定菌種接種量為0.2%,以感官評分(Y)為響應值,選擇對芪楂功能泡菜影響顯著的4個因素,包括食鹽添加量(A)、發酵時間(B)、黃芪添加量(C)、山楂添加量(D),進行四因素三水平的響應面優化設計試驗。對29個試驗組中各因素評價投票結果進行統計結果見表4,各組最終評分結果見表5。

表4 芪楂功能泡菜感官評價票數分布

表5 響應面試驗設計與結果

根據表4,將試驗組中各因素的票數除以總參評人數得到模糊轉化矩陣,以試驗組1為例,得到R1：

根據模糊數學計算原理和權重集,計算綜合隸屬度L1：

根據感官質量評語集,為得到準確的分值,將等級優、良、中、差分別賦值90,80,70,60,即V=(90,80,70,60),計算綜合感官評分Y1：

Y1=L1×V=0.822×90+0.178×80+0×70+0×60=88.22,同理得Y2～Y29。

2.2.2 模型建立與方差分析

采用Design-Expert 8.0.6軟件對表5中數據進行回歸擬合,得到二次多項式回歸模型:Y=88.67+0.73A+0.26B+1.58C+0.47D+0.17AB+0.89AC+0.38AD+1.74BC-0.71BD-0.94CD-2.26A2-2.80B2-2.74C2-2.16D2,回歸模型方差分析見表6。

由表6可知,模型的P<0.000 1,說明模型極顯著;失擬項的P=0.110 2>0.05,不顯著,說明回歸模型可靠。模型的決定系數R2=0.976 7,說明模型的擬合度較高。模型的調整系數RAdj2=0.953 5,模型的預測系數RPred2=0.875 5,說明模型具有較高的預測精確性,試驗結果與模型預測值符合程度較高。變異系數C.V.=0.63%,說明模型具有較高的重現性。根據P值可知,一次項A、C、D,交互項AC、BC、CD及二次項A2、B2、C2、D2對響應值的影響極顯著(P<0.01);交互項BD對響應值的影響顯著(P<0.05)。根據F值可知,各因素對泡菜感官評分影響程度的大小為黃芪添加量(C)>食鹽添加量(A)>山楂添加量(D)發酵時間(B)。

2.2.3 交互作用分析

響應面越陡峭、等高線越扁,表明兩個獨立變量的交互作用越強,對響應值的影響越顯著[31]。由圖6可知,響應面的陡峭程度為BC>CD>AC>BD>AD>AB,即發酵時間與黃芪添加量的交互作用響應面最陡峭,對泡菜感官評分的影響最大。該結果與表5中方差分析結果一致,即響應面和等高線圖與P值結果一致,對泡菜感官評分的影響一致。

圖6 各因素交互作用的響應面和等高線

2.2.4 最優工藝確定及驗證

通過響應面模型預測芪楂功能泡菜的最佳工藝條件為食鹽添加量3.24%、發酵時間5.17 d、黃芪添加量0.24%、山楂添加量3.02%,在此條件下,泡菜感官評分的理論預測值為89.08分。結合生產實際條件和經濟效益,調整最佳工藝條件為食鹽添加量3.2%、發酵時間5.1 d、黃芪添加量0.24%、山楂添加量3%,在此條件下,經3次平行驗證試驗,得到實際感官評分為(89.08±0.11)分,與預測值接近,說明該模型能指導芪楂功能泡菜的生產。

2.3 芪楂功能泡菜品質評價

對最佳工藝條件下制作的芪楂功能泡菜進行感官、理化和微生物指標檢測,檢測結果見表7。

表7 芪楂功能泡菜品質評價

由表7可知,此條件下泡菜湯的pH為3.45±0.22,表明發酵成熟,泡菜形態完整,酸咸適中,脆爽可口,光澤鮮亮,具有黃芪獨特的豆香味和山楂的鮮香味,符合國內貿易行業標準的感官要求;其亞硝酸鹽含量為(3.07±0.19) mg/kg,符合國家標準限量(≤20 mg/kg);總酸含量為(1.09±0.18) g/100 g,符合國內貿易行業限量標準(≤1.5 g/100 g);還原糖含量為(14.98±0.34) g/100 g,符合國內貿易行業限量標準(≥10 g/100 g);氨基酸態氮含量為(0.88±0.27) g/100 g,符合國內貿易行業限量標準(≥0.1 g/100 g);乳酸菌活菌數為7.39×108CFU/mL,符合輕工行業標準要求(≥108CFU/mL);未檢出大腸菌群和致病菌,符合國家標準限量。

3 結論

本試驗以白菜為主料,以黃芪、山楂為輔料,通過直投式乳酸菌發酵方式研制一款功能泡菜,采用模糊數學感官評價和響應面法相結合得到最佳生產工藝條件為食鹽添加量3.2%、菌種接種量為0.2%、發酵時間5.1 d、黃芪添加量0.24%、山楂添加量3%。在此條件下泡菜形態完整,酸咸適中,脆爽可口,光澤鮮亮,發酵香味濃郁,且具有黃芪獨特的豆香味和山楂的鮮香味,感官評分為(89.08±0.11)分,亞硝酸鹽含量為(3.07±0.19) mg/kg,感官、理化、微生物指標均符合相關標準要求。本試驗為泡菜工業發展提供了新思路。