石榴芦荟柠檬复合发酵饮料的研制

李 慧，韩 卓，叶 玲，李士汉，陶澳贤，朱文倩

（蚌埠学院 食品与生物工程学院，安徽 蚌埠 233030）

芦荟隶属于百合科、芦荟属的草本植物。芦荟种类较多，富含较多化学成分，其中有效成分高达72 种，主要包括氨基酸、维生素、矿物质、芦荟素、芦荟大黄素苷、多糖、有机酸、矿物质和微量元素等[1]。柠檬是芸香科、柑橘属的植物。柠檬的利用价值高，其具有多种营养成分，以及维 C、维 B、矿物质、类黄酮及多种微量元素；不仅可以为食品添加香气，还可以应用于医学，治疗肠胃疾病、紧张、高血压、贫血等疾病[2]。

石榴是石榴科、石榴属植物，果实鲜艳、营养丰富。石榴含丰富的维 B1、维 B2和维 C 及烟酸、钾和植物雌激素，对人体健康十分有利[3-4]。以石榴汁调制的各种饮料，具有帮助消化、抗胃酸过多、软化血管、止泻、生津、解毒、降温等多种功能。经常饮用可预防冠心病、高血压，可健胃提神、增强食欲[5]。随着国民健康意识的增强，对于饮料的要求不仅局限于单一果蔬汁，更倾向于复合果蔬汁和混合菌种发酵饮料。

以石榴、芦荟和柠檬为发酵原料，以混合发酵剂 （乳酸菌和酵母菌） 进行发酵，分析质量比、糖的添加量、初始 pH 值、菌种接种量及发酵时间对感官评分的影响，采用响应面试验优化酵素发酵条件，为实现大批量生产提供一定的理论基础和数据分析。

1 材料与方法

1.1 试验材料

怀远石榴、库拉索芦荟、柠檬，购自市场；乳酸菌、酵母菌 （果酒），安琪酵母有限公司提供；食用碳酸钠、异维 C 钠，德兴市明缘化工材料有限责任公司提供；纤维素酶酶 （酶活力 10 万 U/g）、果胶酶（酶活力 10 万 U/g），和氏璧生物科技有限公司提供。

1.2 试验设备

榨汁机，九阳股份有限公司产品；电子分析天平，上海海康电子仪器厂生产产品；紫外 - 分光光度计，上海菁华科技仪器有限公司生产产品；糖度计，广州铭睿电子科技公司产品；1 000 μL 移液枪、20 μL 移液枪，力辰科技股份有限公司产品；数显恒温水浴锅，上海力辰邦西仪器科技有限公司产品。

1.3 石榴芦荟柠檬复合发酵饮料的研究

1.3.1 工艺流程石榴、库拉索芦荟、柠檬→清洗削皮→榨汁→加水加糖→巴氏灭菌→酶解→复合发酵→成品。

1.3.2 操作要点

（1） 石榴汁的制备。选用全熟、无腐烂及无虫害的石榴 （怀远），剥皮、分离石榴籽。用水洗净、沥水，然后用榨汁机压榨，添加 0.1 g/100 mL 的异维 C 钠进行护色[6-7]。

（2） 芦荟和柠檬汁的制备。挑选新鲜的芦荟和柠檬，用无菌水洗净并晾干；去除芦荟的外皮，将芦荟果肉切成 1 cm 左右的块状，放在无菌水浸泡0.5 h 去毒；将柠檬带皮切成 1 cm 的块状备用，整个过程都在无菌台内进行操作。将切成块状的芦荟和柠檬分别用榨汁机打碎成汁。

（3） 调配。利用均质机进行果蔬汁、白砂糖和无菌水的混匀，用碳酸钠调节 pH 值适宜微生物生长。

（4） 灭菌。混合果汁放入 65 ℃水浴锅中进行30 min 巴氏灭菌。

（5） 复合酶解。在灭菌后的芦荟柠檬果汁中按质量分数添加纤维素酶 （0.4%） 和果胶酶 （0.2%），使果汁中的有效成分分解成容易被人体吸收的小分子，然后在 50 ℃的环境中酶解 180 min[8]。

（6） 活 化 菌 种 。 根 据 接 种 量， 按 质 量 比 乳 酸菌∶酵母菌 = 2∶3 称取菌种于烧杯中，加入适量的无菌水和糖，在 37 ℃下活化 60 min[9-10]。

（7） 接种。在无菌室中按试验设计对果汁进行接种。

（8） 发酵。按照试验设计，在 37 ℃的保温箱内发酵一段时间。

1.3.3 单因素试验设计

以石榴芦荟柠檬复合发酵饮料的感官评价作为考 查 指 标 ， 设 置 石 榴 芦 荟 柠 檬 质 量 比 （4 ∶11 ∶2，6∶9∶4，6∶7∶4，4∶9∶4，4∶7∶6）、白砂糖添加量 （20%，25%，30%，35%，40%）、初始pH 值 （3.2， 3.4， 3.6， 3.8， 4.0）、 菌 种 接 种 量（0.5% ， 1.0% ， 1.5% ， 2.0% ， 2.5%）、 发 酵 温 度（35，37，39，41，43 ℃）、发酵时间 （2，3，4，5，6 d） 为单因素变量，考查其对石榴芦荟柠檬复合发酵饮料感官评分的影响。

1.4 响应面优化试验

使用 Box-benhnken 设计优化试验，结合单因素试验结果，进行三因素三水平的响应面试验。用A、B、C表示白砂糖添加量、初始 pH 值、发酵时间 3 个因素，用 -1，0，1 代表变量的 3 个水平，以感官评分为指标，确定石榴芦荟柠檬复合发酵饮料最佳发酵工艺。

发酵条件响应面优化试验因素与水平设计见表 1。

表1 发酵条件响应面优化试验因素与水平设计

1.5 感官评测方法

参考 QB/T 5323—2018 和 NY 82.2—1988，从石榴芦荟柠檬复合发酵饮料的外观、滋味、香味、组织状态等 4 个方面制定评定感官评分的标准[11]；同时，由 20 个人组成评定小组，根据标准，对饮料进行品尝打分，感官评分取平均值。

石榴芦荟柠檬复合发酵饮料感官评分标准见表 2。

表2 石榴芦荟柠檬复合发酵饮料感官评分标准

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 石榴芦荟柠 檬质量比对饮料感官评分的影响质量比对饮料感官评分的影响见图 1。

图1 质量比对饮料感官评分的影响

由图 1 可知，随着石榴芦荟柠檬质量比的减少，感官评分出现了先增加后减少的趋势，其中芦荟果肉本身味道较淡，石榴味道起主要调味作用。当石榴∶芦荟∶柠檬质量比为 6∶7∶4 时，饮料感官评分最高；随后，由于柠檬添加量过多及发酵过程中乳酸菌产酸，饮料总体偏酸，影响口感。因此，石榴芦荟柠檬复合饮料的最佳质量比为 6∶7∶4。

2.1.2 白砂糖添加 量对饮料感 官评分的影响

白砂糖添加量对饮料感官评分的影响见图 2。

图2 白砂糖添加量对饮料感官评分的影响

由图 2 可知，当白砂糖添加量为 20%～25%时，饮料感官评分表现出上升的趋势，当白砂糖添加量到达 25%时，感官评分达到最大值，但之后白砂糖添加量的增加使其呈现下降趋势。这可能是白砂糖为发酵体系中微生物的生长发育提供充足的能源，但过多的糖将会抑制微生物的生长，最终导致产酶活力受到抑制[12-13]。因此，石榴芦荟柠檬复合饮料的最佳白砂糖添加量为 25%。

2.1.3 菌种接种量对饮料感官评分的影响

菌种接种量对饮料感官评分的影响见图 3。

图3 菌种接种量对饮料感官评分的影响

由图 3 可知，当菌种接种量为 1%时，感官评分最高。后期随着接种量的添加，感官评分呈下降趋势。这可能是因为菌种的接种量可以直接影响其在发酵体系中的生长，合适的菌种量可以保证溶氧充分，破坏植物细胞结构，同时由于酵母菌是优势菌种，减少杂菌的干扰，适当的菌种使发酵液充分发酵[14]，使感官评分提高；但当菌种量过多时，发酵体系中的微生物含量增加，维持其生长消耗的营养物质也增加，过量的菌种易产生较多的代谢废物，影响酵素口感[12]。因此，石榴芦荟柠檬复合饮料最佳接种量为 1.0%。

2.1.4 发酵时间对饮料感官评分的影响

发酵时间对饮料感官评分的影响见图 4。

由图 4 可知，随着发酵时间的延长，感官评分总体呈先上升后下降的趋势，发酵 15 h 时，感官评分达到最大值。这可能是因为发酵时间的延长，其中乳酸菌和酵母生长迅速，使饮料酸涩，酒精味过重，影响饮料口感。因此，石榴芦荟柠檬复合酵素最佳发酵时间为 15 h。

图4 发酵时间对饮料感官评分的影响

2.1.5 初始 pH 值对饮料感官评分的影响

初始 pH 值对饮料感官评分的影响见图 5。

图 5 初始 pH 值对饮料感官评分的影响

由图 5 可知，当初始 pH 值上升到 3.6 后，随着pH 值的升高，感官评分有所下降。这可能是因为pH 值会影响菌种的生长速率和产物形成，在一定程度内，随着 pH 值的增加，发酵速度增加，当 pH 值超过发酵体系的最适范围时，则抑制菌种的生长。因此，石榴芦荟柠檬复合饮料最佳初始 pH 值为 3.6。

2.2 响应面试验优化

以 Box-benhnken 原理为基础，结合单因素试验确定的发酵工艺条件水平范围，以感官评分为测评指标进行试验。

Box-behnken 试验设计及结果见表 3。

由表 3 可知，当白砂糖添加量 25%，发酵时间15 h，初始 pH 值 3.6 时，石榴芦荟柠檬复合饮料口感最佳，评分最高。为了对其进行更深入的研究和条件优化，利用软件对数据进行回归分析，并作出相应响应面图。多元回归拟合分析得到枸杞多糖酸奶感官评分与各因素变量的二次方程模型为：

表3 Box-behnken 试验设计及结果

方差分析结果见表 4。

由表 4 可知，该模型p<0.05，差异显著，失拟项p>0.05， 且R2=0.963 2，R2Adj=0.915 8， 不 显 著 ，表明该模型预测值与试验值相似，拟合性好，可用于优化酸奶发酵工艺。回归方程中A、C的p值小于0.05，表示显著；二次项A2，B2，C2的p值均小于0.05，表示显著。

表4 方差分析结果

2.3 响应面因素交互分析

白砂糖添加量与初始 pH 值的 3D 等高线和响应面图见图 6。

由图 6 可知，当初始 pH 值不变时，感官评分随着白砂糖添加量的增加而呈现先上升后下降的趋势；当感官评分不变时，感官评分变化趋势与保持初始pH 值不变时相同。表明白砂糖添加量和初始 pH 值对复合饮料感官评分存在较大的影响。

白砂糖添加量与发酵时间的 3D 等高线和响应面图见图 7。

由图 7 可知，当白砂糖添加量不变时，感官评分随着发酵时间的延长而表现出先升高后下降的趋势；当发酵时间不变时，感官评分的变化趋势与保持白砂糖添加量不变时相同，但变化的幅度趋于平缓，则白砂糖添加量和发酵时间的交互作用对复合饮料感官评分存在较大的影响。

图 6 白砂糖添加量与初始 pH值的 3D 等高线和响应面图

图 7 白砂糖添加量与发酵时间的 3D 等高线和响应面图

发酵温度与发酵时间的 3D 等高线和响应面图见图 8。

由图 8 可知，当初始 pH 值不变时，感官评分随着发酵时间的延长而表现出先升高后下降的趋势；当发酵时间不变时，感官评分变化趋势与保持初始pH 值不变时相同。

图 8 发酵温度与发酵时间的 3D 等高线和响应面图

3 结论

在单因素试验的基础上，采用响应面软件对石榴芦荟柠檬复合饮料的工艺进行优化，在分析各个因素的显著性和交互作用后，得出石榴芦荟柠檬复合饮料的最佳工艺条件为石榴∶芦荟∶柠檬 = 6∶7∶4，菌种接种量 1%，白砂糖添加量 25%，发酵时间 15 h，发酵温度 37 ℃，初始 pH 值 3.6，在此工艺条件下得到的石榴芦荟柠檬复合饮料的感官评分为 94 分。