甘蔗汁乳酸发酵工艺优化研究

余森艳，何渺源，卢珍兰，李志红

（广西民族师范学院化学与生物工程学院，广西 崇左 532200）

利用生物技术制备乳酸发酵饮品，能很好地维持和改善果蔬等原料固有的营养和感官品质，产品不仅具有典型的果蔬风味，还能有效提高其营养保健功效、改善肠道功能、延长产品货架期[1]。在日本及欧洲很多国家，乳酸发酵饮品在乳制品市场的比例高达70%，发酵饮品产业远远超过了世界其他饮品的增长率[2]。

广西崇左被称为“中国糖都”[3]，富产甘蔗。甘蔗汁中含有黄酮类化合物、多酚类等多种生理活性物质，可以去除人体内的自由基，起到抗氧化的作用。医学研究表明，甘蔗汁中丰富的多酚和黄酮类物质具有较强的抗氧化能力、抗炎症能力[4-5]。目前，国内种植的甘蔗主要用于制糖，鲜有对其进行乳酸发酵的研究。基于地区特色，研发了甘蔗汁乳酸发酵饮品，产品直接利用甘蔗汁中的糖分，无需另外添加蔗糖，既可以解决甘蔗加工方式的单一问题，拓展甘蔗深加工产业链，助力蔗农经济增收，也能很好地满足消费者对乳酸发酵饮品在口感、营养、健康等方面的更高要求，具有较好的开发前景和社会效益。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

甘蔗，购自崇左市江州区农贸市场；乳酸菌（嗜热链球菌与保加利亚乳杆菌复合菌），安琪酵母股份有限公司提供；脱脂乳粉，德运食品有限公司提供；羧甲基纤维素钠（CMC-Na，食品级），河南万邦实业有限公司提供；黄原胶，山东阜丰发酵有限公司提供；0.05 moL/L 氢氧化钠溶液、0.1 moL/L盐酸溶液、1%酚酞溶液，飞净生物科技有限公司提供。

1.2 仪器与设备

BD-320HEM 型冰箱，青岛海尔特种电冰柜有限公司产品；LCZ-80 型甘蔗榨汁机，浙江应晓工贸有限公司产品；WYT-4 型手持糖量计，上海易测仪器设备有限公司产品；YP5002 型电子天平，上海佑科仪器仪表有限公司产品；C21-WT2103A 型电磁炉，广东美的生活电器制造有限公司产品；pHS-3S 型酸度计，上海佑科仪器仪表有限公司产品；RCD-1A型高速均质乳化机，常州越新仪器制造有限公司产品；LRH-400A 型生化培养箱，广东泰宏君科学仪器股份有限公司产品。

1.3 试验方法

1.3.1 工艺流程

1.3.2 操作要点

（1） 甘蔗汁的制备。选择新鲜、无霉变的甘蔗，洗净后去皮、切块、榨汁、过滤，得到甘蔗原汁备用。

（2） 混料、均质。将脱脂乳粉、稳定剂0.1%（CMC-Na 与黄原胶质量比1∶1）[6-8]加入甘蔗汁中搅拌均匀，采用均质机在15~20 MPa 下对混合液均质5 min，使产品组织状态均匀，获得甘蔗汁乳酸发酵基质。

（3） 杀菌、冷却。将甘蔗汁乳酸发酵基质在85 ℃条件下杀菌约15 min，再冷却至室温。

（4） 恒温发酵。在杀菌冷却后的甘蔗汁乳酸发酵基质中添加一定量的乳酸菌，搅拌均匀后密封，置于培养箱中进行42 ℃恒温发酵。

（5） 冷藏。发酵结束后，将成品冷却至室温，置于4~7 ℃的冰箱中冷藏。

1.4 单因素试验设计

1.4.1 甘蔗汁质量分数对乳酸发酵饮品感官评价的影响

设置甘蔗汁质量分数为60%，70%，80%，90%，100%，固定脱脂乳粉添加量2%，乳酸菌添加量3%，发酵温度为42 ℃，发酵时间10 h，考查甘蔗汁质量分数对乳酸发酵饮品感官评价的影响。

1.4.2 脱脂乳粉添加量对乳酸发酵饮品感官评价的影响

设置脱脂乳粉添加量为1.0%，1.5%，2.0%，2.5%，3.0%，固定甘蔗汁质量分数80%，乳酸菌添加量3%，发酵温度为42 ℃，发酵时间10 h，考查脱脂乳粉添加量对乳酸发酵饮品感官评价的影响。

1.4.3 菌种添加量对乳酸发酵饮品感官评价的影响

设置乳酸菌添加量为1%，2%，3%，4%，5%，固定甘蔗汁质量分数80%，脱脂乳粉添加量2%，发酵温度为42 ℃，发酵时间10 h，考查乳酸菌添加量对乳酸发酵饮品感官评价的影响。

1.4.4 发酵时间对乳酸发酵饮品感官评价的影响

设置发酵时间为6，8，10，12，14 h，固定甘蔗汁质量分数80%，脱脂乳粉添加量2%，乳酸菌添加量为3%，发酵温度为42 ℃，考查发酵时间对乳酸发酵饮品感官评价的影响。

1.5 正交试验设计

在单因素试验的基础上，以模糊数学感官评价分数为指标，采用四因素三水平的正交试验模型L9（34），利用Excel 软件和SPSS 软件对甘蔗汁质量分数、脱脂乳粉添加量、乳酸菌添加量、发酵时间4 个因子进行正交试验分析，从而确定出甘蔗汁乳酸发酵饮品的优化工艺参数。

1.6 乳酸发酵饮品感官评价方法

1.6.1 感官评价方法

通过查阅相关文献，制作甘蔗汁乳酸发酵饮品感官评价表。以10 位有经验的食品专业感官评价人员对甘蔗汁乳酸发酵饮品的组织状态、色泽、口感、香气4 个感官指标进行模糊数学感官评定，组织状态占30 分，色泽占30 分，口感占20 分，香气占20 分，评价等级分为优、良、中、差4 个等级。单因素试验和正交试验均按此标准来进行感官评价。

甘蔗汁乳酸发酵饮料感官评价见表1。

1.6.2 建立模糊数学模型

根据对象集K、因素集M、评语集V、权重集S、模糊关系综合评判集Y 的确定，建立建立模糊数学模型[9-10]。

研究对象集K：对单因素试验中的20 组乳酸发酵饮料样品和正交试验中的9 组样品进行综合评定，其中单因素试验中评价对象集K={K1，K2...K20}，K1=标号为1 的样品，K2=标号为2 的样品，以此类推。

因 素 集M={M1，M2，M3，M4}，其 中M1、M2、M3、M4分别对应组织状态、口感、色泽、香气。

评语集V={V1，V2，V3，V4}={优，良，中，差}。

权重集S={S1，S2，S3，S4}={0.3，0.3，0.2，0.2}，分别对应组织状态30 分，口感30 分，色泽20 分，香气20 分。

模糊关系综合评价集Y=S·Ri，R 为模糊矩阵。

为了使感官评分更直观呈现，结合评语集和感官评价，将糊关系综合评价集赋值计算，设定优为90 分，良为80 分，中为70 分，差为60 分[11]，即评价等级集V={90，80，70，60}。将模糊关系综合评价集Y 分别乘以评价等级集V，然后相加即可得到乳酸发酵饮品的综合评价得分。

1.6.3 产品主要理化指标的测定

pH 值的测定，使用酸度计测定；可溶性固形物的测定，使用手持糖量计测定；总酸度的测定，参考国家标准《GB5009.239—2016 食品安全国家标准食品酸度的测定》中的直接滴定法测定。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果与分析

2.1.1 甘蔗汁质量分数对乳酸发酵饮品的影响

甘蔗汁质量分数对产品感官评分及pH 值的影响见图1。

图1 甘蔗汁质量分数对产品感官评分及pH 值的影响

由于甘蔗原汁中含糖量较高，发酵前一般需要稀释，以降低甘蔗汁的质量分数及生产成本。由图1可知，甘蔗汁质量分数为60%时，发酵后饮品的pH值较小，酸甜度不适宜，且味道较淡，香味不足，感官评分较低。当甘蔗汁质量分数为100%的情况下，发酵后产品的pH 值相对偏高，味道较甜，乳酸发酵风味不协调，感官评分低。因此选择甘蔗汁质量分数为70%，80%，90% 3 个水平用于正交试验。

2.1.2 脱脂乳粉添加量对乳酸发酵饮品的影响

脱脂乳粉添加量对产品感官评分及pH 值的影响见图2。

图2 脱脂乳粉添加量对产品感官评分及pH 值的影响

脱脂乳粉添加量对乳酸发酵饮品的口感、稳定性起着重要的作用。由图2 可知，在脱脂乳粉添加量为2%的情况下，感官评分最高，产品组织状态均匀一致，口感浓厚细腻，酸甜可口，无异味。脱脂乳粉添加量越高，其感官评分反而越低，其原因可能是脱脂乳粉添加量过多时，会影响产品的组织状态，且风味不协调，导致感官评分低。因此选择脱脂乳粉添加量为1.5%，2.0%，2.5% 3 个水平用于正交试验。

2.1.3 乳酸菌添加量对乳酸发酵饮品的影响

乳酸菌添加量对产品感官评分及pH 值的影响见图3。

图3 乳酸菌添加量对产品感官评分及pH 值的影响

由图3 可知，在乳酸菌添加量为2%~4%时，产品的感官评分较高，酸度适宜，当乳酸菌添加量为1%时，pH 值偏高，酸度低，说明菌种添加量较少可能会导致发酵不完全，产品风味淡薄，感官评分低。当菌种添加量较大时，发酵后产品的香气和口感会下降，pH 值偏低，酸甜不协调。因此选择菌种添加量为2%，3%，4%3 个水平用于正交试验。

2.1.4 发酵时间对乳酸发酵饮品的影响

发酵时间对产品感官评分及pH 值的影响见图4。

图4 发酵时间对产品感官评分及pH 值的影响

发酵时间的长短直接影响乳酸发酵饮品的口感和香气。发酵时间过短，产酸及风味形成不足，感官评分低；发酵时间过长，会导致发酵过度，pH 值偏低，口感下降，且生产时间成本增加。由图4 可知，随着发酵时间的延长，pH 值逐渐下降，发酵8~12 h 的产品感官评分较高，说明这个时间段的乳酸发酵饮品口感及风味较好，酸味适中。综合感官评价和生产成本等因素，选择发酵时间为8，10，12 h 3 个水平用于正交试验。

2.2 正交试验结果与分析

2.2.1 甘蔗汁乳酸发酵饮品模糊感官评分结果

正交试验因素与水平设计见表2。

表2 正交试验因素与水平设计

在表2 的正交试验设计方案基础上，采用模糊数学评价法，得出感官评价结果。

正交试验设计见表3，方差分析见表4。

表3 正交试验设计

表4 方差分析

由表3 可知，基于模糊数学综合感官评价得到的正交试验结果表明，影响乳酸发酵饮品感官品质因素的主次顺序为A＞B＞C＞D，即甘蔗汁质量分数是主要因素，脱脂乳粉添加量次之，随后是乳酸菌添加量，发酵时间影响因素最小。A2B2C2D2为最优因素组合，即甘蔗汁质量分数80%，脱脂乳粉添加量2%，乳酸菌添加量3%，发酵时间10 h。

由表4 可知，甘蔗汁质量分数和脱脂乳粉添加量对乳酸发酵饮品的品质影响极显著，乳酸菌添加量影响显著，发酵时间影响不显著。

2.2.2 验证试验结果分析

正交试验的最佳工艺组合A2B2C2D2没有出现在正交试验表中，因此需要进行验证试验，在最佳工艺条件为甘蔗汁质量分数80%，脱脂乳粉添加量2%，乳酸菌添加量3%，发酵时间10 h 的情况下，进行3 次平行试验并取平均值，得分为89.9 分，比正交试验表3 中的所有感官评分高，因此可将A2B2C2D2作为最佳乳酸发酵工艺组合。

2.3 乳酸发酵饮品理化指标检测结果

以最优工艺组合A2B2C2D2制备的甘蔗汁乳酸发酵饮品为样品，测定其主要理化指标。

乳酸发酵饮料基础理化指标测定结果见表5。

表5 乳酸发酵饮料基础理化指标测定结果

3 结论

采用模糊数学法综合评价方法，得出甘蔗汁乳酸发酵饮品的最优生产工艺条件为发酵温度42 ℃，甘蔗汁质量分数80%，脱脂乳粉添加量2%，乳酸菌添加量3%，稳定剂添加量0.1%（CMC-Na 与黄原胶质量比1∶1），发酵时间10 h。在此最优工艺条件下研制的甘蔗汁乳酸发酵饮品呈乳白色，组织状态均匀一致，无分层，酸甜适口，具有浓郁的乳酸发酵风味和甘蔗清香，兼具营养、健康、美味于一体，开发前景较好。