益生菌发酵甘薯汁的工艺优化设计

杨艳君,胡变芳,陈林晶,邵青玲,李洪燕

(晋中学院 生物科学与技术学院,山西 晋中,030600)

甘薯(Dioscoreaesculenta(Lour.)Burkill)是薯系粮食中营养较为丰富的食品,甘薯能供给人体大量的黏液蛋白、糖、维生素A和维生素C,因此，具有补虚乏、益气力、健脾胃、强肾阴以及和胃、暖胃、益肺、增强免疫功能、防癌抗癌等作用[1]。益生菌是一类对宿主有益的活性微生物,是定植于人体肠道、生殖系统内,能产生确切健康功效从而改善宿主微生态平衡、发挥有益作用的活性微生物的总称[2]。目前,益生菌主要用于酸奶的生产过程中。因为乳糖不耐受患者体内缺少乳糖酶,不能消化乳糖从而引起腹泻，所以，发酵果蔬汁的出现有效地解决了这个问题。以果蔬作为原料,经益生菌发酵并调制而成,这是将益生菌和果蔬汁的优点结合的最佳方法[3-6]。日本和韩国等一些国家发现了益生菌发酵果蔬汁的巨大商机,研发并上市了红甜椒和枸杞子等[7]果蔬汁。FONTELES等[8]研究了发酵甜瓜汁的最好条件,研究发现在培养时间为8 h,发酵汁起始pH为6.1,温度为31 ℃条件下益生菌发酵甜瓜汁的口感最佳。XU等[9]以橙子和苹果原料,以双歧杆菌为发酵剂进行厌氧发酵,得到了品质优良、固形物含量适中、色泽鲜黄明亮的混合果肉饮料[9]。邓开野和戴雪群[10]对发酵芒果饮料进行了研究。另外,其他研究人员也对其他果蔬原料进行了发酵研究，如南瓜[11-12]、香瓜[13]、西瓜[14]、苦瓜[15]、番茄和芦荟[16]等。以果蔬汁作为原料,经益生菌发酵并调制而成,可将益生菌和果蔬汁的优点结合起来，既具有果蔬原料自身的营养成分,又具有益生菌对人体的调节作用。目前,益生菌发酵果蔬汁研究材料大多为番茄、南瓜、火龙果、蜜柚等,对益生菌发酵甘薯汁及相关研究较少。

本研究以不同的甘薯为主要原料,以甘薯汁的感官评价值为响应值,构建四因素(发酵温度、发酵时间、底物体积分数、蔗糖添加量)三水平的响应面试验,并建立发酵液感官评价值与四因素的二次回归方程，经综合分析得出甘薯汁的最佳发酵组合。

1 材料与方法

1.1 试验材料

SLB1000为实验室从酸萝卜泡菜中筛选的菌株,经分子鉴定为植物乳杆菌,于-80 ℃保存备用。新鲜甘薯,市售。

1.2 试验设计

1.2.1 甘薯发酵饮料工艺

1)选料：挑选新鲜无虫害的甘薯,去掉须根及坏烂的部分,清洗干净并控干水分,去皮切块,煮熟并碾碎。

2)清洗、切块、打浆。

3)过滤：将较为粗老的甘薯纤维去除。

4)混匀：将一定量的白砂糖、水混匀,再加入一定比例经过初步碾碎的甘薯,搅拌,使物料混合均匀。

5)杀菌冷却：在85 ℃温度下杀菌5 min后迅速冷却。

6)菌的接种及发酵：将划线培养的SLB1000单菌落接种于100 mL MRS液体培养基的三角瓶中(三角瓶容积为250 mL),转速为160 r/min，在30 ℃摇床培养24 h后,以接菌量为5%接种于甘薯汁进行发酵。

1.2.2 响应面试验

以单因素实验结果为基础,使用Box-Benhnken(BBD)设计方案,以口感评价值为响应值,发酵温度、发酵时间、蔗糖添加量及底物体积分数为自变量,使用MATLAB R2012b软件,通过4因素3水平的响应面法对益生菌发酵甘薯汁的工艺进行优化[17],共29个处理组合,试验因素与水平见表1。

表1 试验因素水平与编码表

1.3 测量指标

感官评定值的测定：采用百分制,选取香气、口感、色泽、风味进行打分,每个指标25分,筛选出评分较高的发酵组合。评分标准见表2。

表2 益生菌发酵甘薯汁感官评分标准

1.4 统计分析

所有试验数据整理在Excel表格中,使用SAS9.4统计软件对数据进行分析处理,通过方差分析得到发酵时间、发酵温度、底物体积分数、蔗糖添加量及各因素之间相互作用对感官评价值的影响。通过对响应面数据进行回归分析,得到感官评价值与发酵温度、发酵时间、底物体积分数、蔗糖添加量之间的回归方程。在回归方程中,求出Y达到最大值时的最佳组合。当P<0.05时,表明有统计学意义；当P>0.05时,说明该因素对发酵液的感官评价值影响的无统计学意义。

2 结果与分析

2.1 单因素及因素之间相互作用对饮料口感的影响

根据Box-Benhnken实验(BBD)原理,使用MATLAB R2012b软件,以益生菌发酵甘薯汁的感官评价值为相应值,发酵温度、发酵时间、底物体积分数及蔗糖添加量为自变量,进行共29个试验组的4因素3水平的响应面试验。响应面设计水平以及感官评价值见表3。

表3 响应面设计方案及试验结果

通过方差分析得到单因素底物体积分数对发酵液的感官评价值有统计学意义(P<0.01),底物体积分数、发酵时间、发酵温度、蔗糖添加量的二次项对发酵液感官评价值均有统计学意义(P<0.01),且均为负效应。其中,发酵时间与蔗糖添加量,发酵温度与蔗糖添加量交互作用有统计学意义(P<0.01),其他因素交互作用无统计学意义(P>0.05)。结果见表4。得到两个因素的相互作用相应的响应面等高线图和曲面图，见图1、图2。由图1可知：当发酵温度和底物体积分数固定为零时,随着发酵时间、蔗糖添加量的增加,感官评价值先升后降,曲面最高点在X2∈[-1,1.5],X4∈[-1,1]范围内。其原因为随着发酵时间的延长,糖部分转化为酸,使得饮品酸度上升,酸甜适口,口感提升,而随着发酵时间继续增长,酸度过大,影响其适口性,分值下降。等高线沿蔗糖添加量轴向较发酵时间轴向密集(见图1),说明蔗糖添加量对感官评价的影响比较大。由图2可知：将发酵时间,底物体积分数值固定为零,感官评定值随发酵温度和糖的添加量先升后降,最大值出现X3∈[-1.25,1.1],X4∈[-0.8,1.2]区域。发酵温度是发酵过程中的重要因素,温度过低或过高,都会影响菌株的生长和产酸能力,从而进一步影响饮品的口感和风味。由图2可知,发酵温度的曲面较蔗糖添加量的曲面陡峭,说明发酵温度比蔗糖添加量对益生菌发酵甘薯汁的影响更显著。

图1 蔗糖添加量和发酵时间对发酵液感官评价值的交互影响的等高线图和曲面图

图2 蔗糖添加量和发酵温度对发酵液感官评价值的交互影响的等高线图和曲面图

表4 感官评价回归模型方差分析

2.2 最佳组合的确定

以底物体积分数为X1,发酵时间为X2,发酵温度为X3,蔗糖添加量为X4,用表3的试验数据建立发酵液感官评价值与发酵条件的回归模型。回归方程为：Y=94.200+4.333X1+1.917X2-0.500X3+1.417X4-3.267X1X1-4.392X2X2-4.017X3X3-5.892X4X4+0.500X1X2+0.750X1X3+0.750X1X4+0.500X2X3-4.250X2X4-4.250X3X4,决定系数R2=0.772 90。回归方程具有统计学意义(P<0.01),失拟项无统计学意义(P>0.05),说明模型的预测值与实际值吻合较好。通过对回归模型分析得出,当X1=0.686 2，X2=0.204 1，X3=-0.041 1和X4=0.105 1时,感官评价达到最大值95.97分，即最佳工艺参数如下：底物体积分数为36.86%,发酵时间为38.45 h,发酵温度为33.92 ℃,蔗糖添加量为10.26%。

2.3 最佳工艺参数的验证

筛选的最佳工艺参数未包含在所设计的29个试验处理组合中,为了进一步对该工艺参数进行验证,在底物体积分数为36.86%,发酵时间为38.45 h,发酵温度为33.92 ℃,蔗糖添加量为10.26%条件下,益生菌发酵甘薯汁,征集10个样本根据感官评价标准得到感官评价值,平均值为96.13分。同时，在零水平条件下益生菌发酵甘薯汁,得到10个感官评价值的均值为89.78分。最佳水平组合比零水平组合分值增加 7.1%,进一步验证了模型的实用性。

3 讨论与结论

本研究中,通过建立发酵液感官评价与发酵条件的回归模型,得知：由于蔗糖添加量和发酵时间、发酵温度发生变化,感官评价值先增大,到达一定值后又会下降。因此,选择合理的发酵条件对益生菌发酵甘薯汁的工业化生产至关重要。通过对回归模型的响应面分析,建立高度显著的回归模型可以用于实际生产。通过模型获得了益生菌发酵甘薯汁的最佳工艺条件：即底物体积分数为36.86%,发酵时间为38.45 h,发酵温度为33.92 ℃,蔗糖添加量为10.26%。本试验通过响应面分析得到的4因素(发酵温度,发酵时间,蔗糖添加量,底物体积分数)与发酵液感官评价值之间的回归模型显著度极高,可用于实际预测。应用试验与分析得到了较完善的益生菌发酵甘薯汁的工艺,感官评价较高，为进一步开发益生菌发酵果蔬汁产品,实现发酵果蔬汁的工业化批量生产提高了理论依据,并对果蔬汁的工艺优化具有较大的实践意义。

本次试验的目的在于通过益生菌发酵研制出营养价值较高的甘薯饮品,为饮料行业的发展提供参考依据。在此试验的基础上,不断调整工业生产中底物体积分数、发酵时间、发酵温度等的水平值,不仅可以得到不同风味口感的甘薯汁,更好地满足广大消费者的要求,还可以高效地将农产品利用起来,从而为我国的经济发展提供新的来源。