甘蔗乳酸菌饮料制备工艺的优化

杨建波，黄娇丽，陈信贤，韦海轮

（百色学院农业与食品工程学院，广西百色533000）

甘蔗（Saccharum officinarum）是一种热带亚热带多年生的药食两用的禾本科作物，茎液中含有大量的水分、糖分及人体所需的氨基酸、维生素等其他营养物质，是国内外食用糖生产的主要原料和酵母、糠醛等副产品的生产原料[1-2]。中国传统中医认为，甘蔗有清热润燥、生津下气、补肺益胃的特殊效果。在众多的水果之中含铁量较高，有“补血果”之称[3]。此外，甘蔗汁含有抗氧化成分，具有较高的养生价值[4]。

近年来，我国果汁饮料消费量逐年递增，市场前景广阔[2]。其中乳酸发酵型果蔬汁饮料因其高吸收、高营养以及风味独特等优点，受到广大消费者的青睐，具有很大的开发价值[5]。以植物性乳酸菌发酵而制成饮料“蔬菜的战士”，在日本市场上受到消费者的喜爱[6]。张玉慧[7]研究得出最佳原料配比为蓝莓果汁浓度30%、葡萄糖8%、脱脂乳3%，宜在接种4.9%的复合菌种（干酪乳杆菌 ∶植物乳杆菌=1∶2）后于36℃下发酵23 h。邢贺钦[8]优化工艺并通过添加5%的混合菌剂（保加利亚乳杆菌 ∶嗜热链球菌=1∶1）后于37℃下发酵12 h的方法制得南瓜-苦瓜-胡萝卜-洋葱复合蔬菜汁发酵饮料。冯平平[9]通过单因素和正交试验发现，将无花果汁、山药汁、枣汁按50∶40∶9体积比混合并接种3%的混合菌种（保加利亚乳杆菌∶嗜热链球菌=1∶1）后于40℃下发酵24 h，再以等量水、糖9%、柠檬酸0.3%进行调配，可制得最优的产品。

在上述发酵型饮料生产中，一般采用嗜热链球菌和保加利亚乳杆菌作为发酵菌种，二者共生且相互作用，通过产酸、胞外多糖、风味物质来影响发酵产品的质地和风味[10-13]。此外，研究表明，乳酸菌具有营养、净化调节肠道、拮抗病原菌和促进益生菌、降胆固醇、降血压、增强机体免疫等多种功能[14]。

甘蔗是广西的第一大战略经济作物和支柱产业，种植面积广，产量大，占全国总产糖量的65%左右，影响着我国的食用糖产业，是当地农民增收的主要经济来源[1-2，15]。为了推动甘蔗深加工产品的开发、丰富市面饮料的种类并减少发酵饮料制备对白砂糖的消耗，以糖料蔗蔗汁为原料，利用保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌的混合菌发酵蔗汁制备乳酸菌型蔗汁饮料，通过单因素试验和正交试验研究接种量、发酵时间、发酵温度3个因素对蔗汁发酵效果的影响，根据感官评价对发酵工艺进行优化，为蔗汁饮料开发提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

1.1.1 材料

甘蔗：百色市四塘镇；菌种（嗜热链球菌与保加利亚乳杆菌为1∶1，食品级）：北京川秀科技有限公司。

1.1.2 试剂

葡萄糖（分析纯）、乙醇（分析纯）：天津市致远化学试剂有限公司；氢氧化钠（分析纯）：上海国药集团；盐酸（分析纯）：廉江市爱廉化学试剂公司；3，5-二硝基水杨酸（分析纯）：上海展云化工有限公司。

1.2 仪器与设备

LCZ-80甘蔗榨汁机：浙江应晓工贸有限公司；BIC-300人工气候箱：上海博迅实业有限公司；HXHX-3电热鼓风干燥箱：苏州恒新烘箱电炉制造设备公司；pHS-3C酸度计：上海雷磁仪器厂；PAL-1糖度计：维欣仪奥科技公司；WYT型手持糖度计：上海易测仪器设备有限公司；UV2700紫外分光光度计：厦门仪宸科技有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 工艺流程

新鲜甘蔗→清洗→去皮→榨汁→过滤→灭菌→接种→发酵→冷藏

1.3.2 操作要点

原料选择：选用健康、新鲜的糖料蔗蔗茎。

榨汁：将甘蔗洗净后削皮、榨汁，经无菌纱布过滤后装罐。

灭菌：采用巴氏杀菌法进行蔗汁灭菌，最大限度地保留蔗汁的营养成分和清香味。

接种：按照一定的比例（菌种质量/蔗汁体积）将发酵菌种直投式接种到灭菌后降温至28℃的蔗汁。

1.3.3 单因素试验

根据前期试验结果，在接种量0.6%，发酵温度40℃，发酵时间11 h的工艺条件的基础上对接种量、发酵温度及发酵时长进行单因素试验，接种量为0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%，发酵温度为 36、38、40、42、44 ℃，发酵时长为 6、8、10、12、14 h。通过对制备好的饮料的感官评分和pH值测定来评价各因素对饮料品质的影响。

1.3.4 正交试验

基于单因素试验的感官评价得分，找出每个因素的较优水平，进而采用L9（34）正交表进行正交试验，因素水平如表1所示。

表1 甘蔗乳酸菌饮料发酵条件优化正交试验的因素及水平Table 1 Factors and levels of orthogonal experiment for fermentation conditions optimization of sugarcane lactobacillus beverage

1.3.5 感官评价

待蔗汁发酵完成后，由30个人按照既定感官评分标准对组织状态、香味、色泽和滋味进行综合性评分，进而据此分析较优的工艺条件。感官评分表见表2。

表2 甘蔗乳酸菌饮料的感官评分标准Table 2 Sensory evaluation standard of sugarcane lactobacillus beverage

1.3.6 指标测定

总酸含量采用GB/T 12456-2008《食品中总酸的测定》中的酸碱滴定法进行测定；总糖含量采用GB/T 15038-2006《葡萄酒、果酒通用分析方法》中的直接滴定法进行测定；pH值用pH计进行测定。

1.4 数据处理方法

数据处理、极差分析以及图表制作均通过Microsoft Office Excel 2007软件完成。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果与分析

2.1.1 接种量对pH值和感官评价的影响

接种量对甘蔗乳酸菌饮料pH值和感官评价的影响见图1。

图1 接种量对甘蔗乳酸菌饮料pH值和感官评价的影响Fig.1 Effect of inoculum on pH and sensory evaluation of sugarcane lactobacillus beverage

如图1所示，在0.1%～0.9%的接种量范围内，随着接种量的增加，蔗汁中的乳酸菌产酸量随着菌种接种量的增加而增多，而蔗汁发酵液的感官评价得分先升高后下降，并在接种量为0.5%时的蔗汁发酵饮料的感官评价最好，平均得分为79.0分。由此看来，在发酵温度40℃、发酵时长8 h的条件下，菌种的接种量在0.5%左右较为适宜。

2.1.2 发酵温度对pH值和感官评价的影响

发酵温度对甘蔗乳酸菌饮料pH值和感官评价的影响见图2。

图2 发酵温度对甘蔗乳酸菌饮料pH值和感官评价的影响Fig.2 Effect of fermentation temperature on pH and sensory evaluation of sugarcane lactobacillus beverage

由图2可知，发酵温度在36℃～44℃范围内，随着发酵温度的提高，蔗汁中乳酸菌的产酸量随着发酵温度的升高而增多，于40℃以上的温度下发酵的蔗汁的pH值下降更快，而感官评价得分呈先升高后下降的变化，且在接种量0.5%和发酵时间8 h的条件下，40℃发酵的蔗汁饮料的感官评价最好，平均得分为78.2分。可见，在接种量0.5%和发酵时间8 h的条件下，发酵温度40℃较为适宜。

2.1.3 发酵时间对pH值和感官评价的影响

发酵时间对甘蔗乳酸菌饮料pH值和感官评价的影响见图3。

图3 发酵时间对甘蔗乳酸菌饮料pH值和感官评价的影响Fig.3 Effect of fermentation time on pH and sensory evaluation of sugarcane lactobacillus beverage

由图3可知，在6 h～14 h的发酵时间里，蔗汁中乳酸菌的产酸量随着发酵时间的增加而增加，其中，蔗汁在发酵8 h～10 h之间的pH值快速降低，而感官评价得分则在6 h～14 h的发酵时间里先升高而后下降，并在发酵时间为10 h时蔗汁发酵饮料口感最好，感官评价平均得分为81.9分。可见，在接种量0.5%和发酵温度40℃的条件下，发酵10 h较为适宜。

2.2 正交试验

甘蔗乳酸菌饮料发酵条件优化正交试验结果与分析见表3。

如表3中正交试验分析结果所示，极差RA＞RB＞RC，即3个因素对蔗汁发酵饮料感官评价结果的影响大小排序为：接种量＞发酵时间＞发酵温度。由表3中k值可知，当接种量为0.6%、发酵时间为11 h、发酵温度为41℃时的感官评价最高，即得到的最优发酵工艺为A3B3C3。然而发酵温度在39℃～41℃之间时，极差R值与试验误差（空白列）相当，可见其对乳酸菌型蔗汁发酵饮料的感官评价影响不大，所以正交试验中感官评分最高的工艺条件A3B3C2比A3B3C3更容易实现也更经济。进一步将两组发酵工艺进行验证性试验，根据10个人的感官评价结果，最终确定最优的发酵工艺为A3B3C2，即接种量0.6%，发酵温度40℃，发酵时间11 h。

表3 甘蔗乳酸菌饮料发酵条件优化正交试验结果与分析Table 3 Results and analysis of orthogonal experiment for fermentation conditions optimization of sugarcane lactobacillus beverage

2.3 理化指标

采用最优工艺制得的发酵产品部分理化性质如表4所示。其可溶性固形物达15.0%，总酸和总糖含量分别为30.2 mg/mL和41.3 mg/mL，pH值为4.09，为酸甜口味。

表4 最优发酵条件下的甘蔗乳酸菌饮料的理化特性Table 4 Physical and chemical properties of sugarcane lactobacillus beverage under optimal fermentation conditions

3 结论

本研究以甘蔗为原料，利用保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌的混合菌发酵蔗汁制成乳酸菌型饮料，以pH值和感官评分作为评价指标，通过单因素试验和正交试验确定了乳酸菌型蔗汁发酵饮料的最优发酵工艺为菌种接种量0.6%，发酵时间11 h，发酵温度40℃。采用最优工艺所制得的乳酸菌型蔗汁发酵饮料的pH值为4.09，总酸含量为30.2 mg/mL，总糖含量为41.3 mg/mL。此研究所用原料丰富，制备工艺简单，为进一步丰富蔗汁发酵饮品的种类提供工艺参考。