紫薯葛根酸奶发酵工艺优化及其抗氧化性研究
2018-07-09史田田
徐 艳,史田田
(荆楚理工学院 生物工程学院,湖北 荆门 448000)
酸奶是通过乳酸菌发酵制成的风味宜人、营养丰富的乳制品。与鲜奶相比,其营养成分更加丰富,并且更容易被人体吸收利用。随着我国人民的生活水平不断提高,人们对酸奶质量与风味的要求也越来越高。基于消费者的不同需求,有必要研发不同功能的酸奶产品[1-4]。
酸奶中的乳酸菌和在发酵过程中所产生的氨基酸、多肽均有一定的抗氧化能力[5]。紫薯(Solanum tuberdsm)具有较高的营养价值,含有硒、花青素、纤维素等多种成分,具有一定的抗氧化性[6]。葛根(Pueraria lobata)为豆科植物葛的根,是药食两用的物质,含有葛根素、葛根素木糖苷等异黄酮成分及铁、钙、锌、硒等矿物质元素,具有较强的抗氧化性[7-8]。近几年来多人将具有各种营养成分的植物与牛乳相结合发酵生产保健酸奶。曹亚丽等[9]以紫薯、牛乳为原料,经发酵剂发酵确定了最佳发酵工艺条件;李亚军等[10]以葛根、牛奶为主要原料制备了葛根酸奶;赵丛丛[11]以紫薯和纯牛奶为原料,通过单因素及正交试验制得了紫薯酸奶。国外也有相关研究[12-16]。但未见紫薯葛根酸乳发酵生产及其抗氧化活性方面的报道。本试验以紫薯、葛根和脱脂奶粉为原料,采用正交试验优化紫薯葛根酸奶发酵工艺,并对其理化性质及抗氧化活性进行研究。旨在为紫薯葛根酸奶的发酵工艺提供参考,为酸乳保健产品的开发提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
紫薯(广紫薯1号):湖北省荆门市东宝区种植;野生葛根:湖北钟祥市客店镇市售;奶粉:内蒙古伊利实业集团股份有限公司;白砂糖(纯度99.8%):广州福正东海食品有限公司;复合乳酸菌(嗜热链球菌∶保加利亚乳杆菌=1∶1):北京川秀国际贸易有限公司。
α-淀粉酶(50 000 U/mL)、糖化酶(50 000 U/mL):北京索莱宝科技有限公司;邻苯二甲酸氢钾、氢氧化钠、酚酞、维生素C(vitaminC,VC)、过氧化氢、水杨酸、硫酸亚铁、1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl,DPPH)(均为分析纯):天津市福晨化学试剂厂。
1.2 仪器与设备
JY1002电子天平:上海上天精密有限公司;DK-98-11A电热恒温水浴锅、PH20电热恒温培养箱:天津市泰斯特仪器有限公司;WK2102电磁炉:广东美的生活电器制造有限公司;RSD-348T榨汁机:合肥荣事达小家电有限公司;海尔BC/BD-519HK卧式冷藏冷冻转换柜:青岛海尔特种电冰柜有限责任公司。
1.3 方法
1.3.1 紫薯葛根酸奶发酵工艺流程及操作要点[17]
紫薯浆的制备:选择外观优良,新鲜成熟的紫薯,清洗干净之后蒸熟,去皮后置于榨汁机中,按质量比1∶4加水打浆,加入α-淀粉酶40 U/g(按紫薯浆进行计算),用柠檬酸调节pH至6.0,90℃酶解25min,待酶解液冷却至约67℃,加入130 U/g糖化酶,用柠檬酸调节pH至4.5,在67℃条件下糖化1 h,最后用双层纱布过滤即可得紫薯浆。
葛根汁的制备:将新鲜葛根清洗干净、切片、烘干、磨粉,按质量比1∶4加水打汁,加入40U/g(按葛根汁进行计算)α-淀粉酶,于90℃、pH 6.0条件下完全液化,再将完全液化的溶液冷却至约67℃,加入130 U/g糖化酶,在pH值为4.5、67℃的条件下进行糖化1 h,将糖化后的葛根液用双层纱布过滤,得到的滤液为葛根汁。
调配:奶粉按质量比1∶4加水制成复原奶,然后将紫薯浆、葛根汁、复原奶和白砂糖调和混匀。
灭菌:在90~95℃条件下将调配好的紫薯葛根奶液灭菌30 min。
接种、发酵:将灭菌好的紫薯葛根奶液冷却至约50℃,按质量比1∶10接入复合乳酸菌(保加利亚乳杆菌∶嗜热链球菌=1∶1),混合均匀后分装入已灭菌的酸乳瓶,拧紧密封,于恒温培养箱中发酵。
后熟:发酵结束后,将酸乳瓶置于4~6℃冰箱中贮藏12~14 h,测得紫薯葛根酸奶的pH值为4.0~4.5。
1.3.2 单因素试验
选取紫薯浆、葛根汁与复原奶配比(5∶15∶80、10∶10∶80、15∶5∶80、10∶20∶70、15∶15∶70(V/V))、白砂糖添加量(3%、5%、7%、9%、11%)、发酵时间(6 h、7 h、8 h、9 h、10 h)和发酵温度(35℃、37℃、39℃、41℃、43℃)进行单因素试验,考察这4个因素对紫薯葛根酸奶品质的影响。
1.3.3 正交试验[18-19]
根据单因素试验结果,以感官评分为评价指标,进行L9(34)正交试验设计,优化紫薯葛根酸奶的发酵条件。正交试验因素与水平见表1。
表1 酸奶发酵条件优化正交试验因素与水平Table 1 Factors and levels of orthogonal experiments for formula fermentation conditions optimization
1.3.4 测定方法
感官评定标准[17]:组织10名酸奶品评员(男女各5名),在饭后2~3 h对产品的色泽、风味、滋味、组织状态进行评分,最后取平均值作为最终感官评分结果,满分为100分。酸奶感官评分标准见表2。
表2 酸奶感官评分标准Table 2 Sensory evaluation standards of yogurt
脂肪、蛋白质、酸度、微生物指标:按GB 19302—2010《食品安全国家标准发酵乳》的方法进行测定。
1.3.5 抗氧化性的测定
DPPH自由基清除能力[15]:为评价添加紫薯葛根后酸奶清除DPPH自由基能力的变化,将其与复原奶酸奶(未加紫薯、葛根,实验步骤一样制成的酸奶)的清除DPPH自由基能力做比较,以VC作为阳性对照。将样品用蒸馏水进行萃取,配制成5 mg/mL、10 mg/mL、15 mg/mL、20 mg/mL、25mg/mL的溶液。取3mL样品溶液,加入3mL0.16mmol/L的DPPH溶液,在25℃条件下加热15min,然后在波长517nm处测定吸光度值(Ai);取3 mL样品溶液,加3 mL蒸馏水,在波长517 nm处同样波长条件下测定样品本底吸光度值(Aj);以蒸馏水代替样品作为空白对照测定空白吸光度值(A0),以VC作为阳性对照。所有样品均重复测定3次。DPPH自由基清除率(R)计算公式如下:
式中:Ai为样品吸光度值;Aj为样品本底吸光度值;A0为空白吸光度值。
羟基自由基清除能力[15]:同上,分别量取4mL5mg/mL、10 mg/mL、15 mg/mL、20 mg/mL、25 mg/mL的样品溶液,9mmol/L的FeSO40.5mL,9mmol/L水杨酸0.5mL,8.8mmol/L的H2O20.5mL,混合均匀后,置于37℃水浴锅中加热30 min,在波长510 nm处测定样品吸光度值(A)i。以0.5 mL蒸馏水代替8.8 mmol/L H2O2,在波长510 nm处测定样品本底吸光度值(A)j,以蒸馏水代替样品作为空白对照测定空白吸光度值(A0),以VC作为阳性对照。所有样品均重复测定3次,羟基自由基清除率计算公式同上。
2 结果与分析
2.1 单因素试验
2.1.1 紫薯浆、葛根汁与复原奶的配比对紫薯葛根酸奶感官品质的影响
图1 紫薯浆、葛根汁与复原奶的配比对酸奶感官品质的影响Fig.1 Effect of the ratio of purple potato slurry,Puerariae lobata juice and reconstituted milk on the sensory quality of yogurt
由图1可知,紫薯浆、葛根汁的含量对酸奶的组织状态、口感及风味有一定的影响。当紫薯浆、葛根汁与复原奶的配比为10∶10∶80(V/V)时,紫薯葛根酸奶的组织状态、香味、口感评分最高,其组织状态和凝固状态、黏稠性较好,细腻爽口,有发酵的奶香味及紫薯葛根特有的香气。因此,选择最佳紫薯浆、葛根汁与复原奶配比为10∶10∶80(V/V)。
2.1.2 白砂糖添加量对紫薯葛根酸奶感官品质的影响
图2 白砂糖添加量对紫薯葛根酸奶感官品质的影响Fig.2 Effect of sugar content on the sensory quality of yogurt with purple potato andPueraria lobata
由图2可知,感官评分随着白砂糖添加量的增加呈先升高后下降的趋势,当白砂糖添加量为7%时,感官评定分数最高,为89分,口味酸甜适中,细腻爽口;当白砂糖添加量>7%时,则酸奶感官评分开始下降,酸甜比例失调、口感过甜,含糖量过高增加酸奶成本且不利于发酵。因此,选择白砂糖添加量7%为宜。
2.1.3 发酵时间对紫薯葛根酸奶感官品质的影响
图3 发酵时间对紫薯葛根酸奶感官品质的影响Fig.3 Effect of fermentation time on the sensory quality of yogurt with purple potato andPueraria lobata
由图3可知,随着发酵时间延长,酸奶感官评分呈先升高后下降的趋势。当发酵时间为8 h时,酸奶的凝固状态和组织状态都较好,且无乳清析出,酸甜适中,有发酵的奶香味及紫薯葛根特有的香气,其感官评分最高,为90分;当发酵时间<8 h时,产生的乳酸菌数量太少,发酵不完全,酸奶的凝固不好,部分未成形,酸味不足,风味欠佳,感官评分较低;而发酵时间>8 h,乳酸菌生长过量、菌种老化,会使酸奶黏稠性欠佳,有分层,酸度过大,风味不协调,感官评分较低。因此,选择发酵时间8 h为宜。
2.1.4 发酵温度对紫薯葛根酸奶感官品质的影响
图4 发酵温度对紫薯葛根酸奶感官品质的影响Fig.4 Effect of fermentation temperature on the sensory quality of yogurt with purple potato andPueraria lobata
由图4可知,感官评分随着发酵温度的上升呈现先增加后降低的趋势。发酵温度高于41℃时,会导致酸化过快,不利于风味物质的形成;当发酵温度低于41℃时,达不到乳酸菌生长的温度,发酵不充分,部分酸奶还未成形,还是液体状态,感官评分较低。发酵温度为41℃时,酸奶组织状态、凝固状态较好,无乳清析出,黏稠性好,酸甜适中,其感官评分最高。故选择发酵温度41℃。
2.2 正交试验
根据单因素试验结果,进行紫薯葛根酸奶发酵条件优化正交试验,结果见表3,方差分析结果见表4。
表3 酸奶发酵条件优化正交试验结果与分析Table 3 Results and analysis of orthogonal experiments for formula fermentation conditions optimization
由表3可知,RD>RC>RA>RB,4种因素对紫薯葛根酸奶感官品质影响大小依次为发酵温度(D)>发酵时间(C)>紫薯浆、葛根汁与复原奶配比(A)>白砂糖添加量(B)。
根据K值可知最佳因素组合为A2B2C2D2,即紫薯浆∶葛根汁∶复原奶配比=10∶10∶80(V/V),白砂糖添加量7%,发酵时间8 h,发酵温度41℃。在此发酵条件下进行3次验证试验,紫薯葛根酸奶感官评分平均值为94分,高于正交试验各组的分数。
表4 正交试验结果方差分析Table 4 Variance analysis of orthogonal experiments results
由表4可知,发酵温度、发酵时间及紫薯、葛根与复原奶配比这3个因素对紫薯葛根酸奶感官品质有极显著的影响(P<0.01),白砂糖添加量对紫薯葛根酸奶感官品质有显著的影响(P<0.05),4个因素影响的主次顺序为发酵温度(D)>发酵时间(C)>紫薯、葛根与复原奶配比(A)>白砂糖添加量(B),与极差分析结果一致。
2.3 DPPH自由基和羟基自由基清除能力的测定
按1.3.6抗氧化性的测定方法对紫薯葛根酸奶、VC、复原奶酸奶清除DPPH自由基、羟基自由基能力进行测定、计算,结果见图5~图6。
图5 不同样品对DPPH自由基清除率的影响Fig.5 Effect of different samples on scavenging effect of DPPH free radical
图6 不同样品对羟基自由基清除率的影响Fig.6 Effect of different samples on scavenging effect of hydroxyl free radical
由图5、图6可知,DPPH自由基、羟基自由基清除率都随紫薯葛根酸奶质量浓度增加而增加,其清除能力比VC略低,比复原奶酸奶要高。紫薯葛根酸奶对DPPH自由基的半清除率浓度(half maximal inhibitory concentration,IC50值)为7.5 mg/mL,对羟基自由基的IC50值为10 mg/mL,而复原乳酸奶对DPPH自由基的IC50值为42 mg/mL,对羟基自由基的IC50值为38 mg/mL,说明添加紫薯、葛根制作酸奶,其对清除能力大大提高。主要原因是紫薯含有的花青素、硒,葛根含有的异黄酮类成分等会增强酸奶的抗氧化性。
2.4 产品质量指标
紫薯葛根酸奶呈淡紫色,有紫薯葛根乳香复合香味,无异味,凝乳细腻柔和,组织形态呈固态,无明显乳清析出。酸奶的理化及微生物指标见表5。
表5 紫薯葛根酸奶理化及微生物指标Table 5 Physicochemical and microbiological indexes of yogurt with purple potato andPueraria lobata
由表5可知,在最佳发酵工艺条件下所研发的紫薯葛根酸奶各项理化指标符合GB 19302—2010《食品安全国家标准发酵乳》要求。
3 结论
本研究以紫薯、葛根和奶为原料,加入乳酸菌发酵制备紫薯葛根酸奶。在单因素试验的基础上,通过正交试验对紫薯葛根酸奶的发酵工艺参数进行优化。结果表明,紫薯葛根酸奶的最佳工艺参数为:紫薯、葛根与复原奶的比例10∶10∶80(V/V),白砂糖添加量7%,发酵时间8 h,发酵温度41℃。在此最佳条件下,所制得的紫薯葛根酸奶感官评分为94分,呈淡紫色,酸甜可口,细腻柔和,具有发酵酸乳和紫薯复合香味,对DPPH自由基的IC50值为7.5 mg/mL,对羟基自由基的IC50值为10 mg/mL,其抗气化性比复原奶酸奶高。
所研发的紫薯葛根酸奶各项理化指标符合GB19302—2010《食品安全国家标准发酵乳》要求。能为紫薯葛根酸奶的发酵生产提供参考,为植物型酸乳保健产品的开发提供理论依据。
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