植物基复合谷物发酵饮料工艺优化

董 璇,魏雨晴,吴珊珊,何 珊

(蚌埠学院 食品与生物工程学院,安徽 蚌埠 233030)

谷物饮料是指以谷物为主要原料加工制成的饮料产品,是谷物食品的一个重要组成部分。谷物中富含膳食纤维、维生素、矿物质及具有抗氧化活性的多酚、黄酮等植物化学物质,是人们日常膳食结构中的重要选择[1,2]。将谷物作为原材料,通过发酵后制成的谷物饮料,不仅可以丰富谷物食品的种类,而且易于携带、方便食用,基于此,谷物饮料已逐渐受到消费者们的青睐[3]。

赤小豆营养丰富,含有蛋白质、脂肪、碳水化合物、粗纤维、钙、磷、铁、B族维生素、皂苷等营养成分,具有较高的食用价值和药用价值[4,5];绿豆,是一种富含淀粉的杂豆类食物,同时含有人体必需的氨基酸、多糖、B族维生素和一些矿物质,具有清热解毒抗氧化等功效[6,7];薏仁中含有多种氨基酸成分、维生素B1、膳食纤维等成分,具有促进新陈代谢和减少胃肠负担的作用[8,9];藜麦是植物中唯一含有完全蛋白的食物,其对促进智力发育、调节血糖、保护心血管具有重要意义[10,11];黑米中的矿物质、B族维生素和植物化学物含量丰富,具有抗氧化和抗炎作用[12,13]。谷物饮料可以是单一原料品种制成,也可以选用多种谷物原料复配而成[14],如高祯彦以大米、小米和玉米为原料,以植物乳杆菌为发酵菌株,研制了一款复合益生发酵饮料[15];马雪等以玉米蛋白粉、红豆、薏米为原料,对玉米肽红豆薏米复合谷物饮料进行了调配[16]。

本研究以赤小豆、绿豆、薏仁、白藜麦、黑米等谷物为研究对象,选用酵母菌作为发酵菌种,采用单因素试验和响应面试验的方法,以感官评定和酸度作为评价依据,来确定产品的最优工艺,旨在研制出一款风味适宜的复合谷物饮料。

1 材料与方法

1.1 试验材料

赤小豆、绿豆、黑米、薏仁、白藜麦:(粉质细腻、干燥、无质变结块现象)河南庆文食品有限公司提供;矿泉水:蚌埠市海晶科工贸有限公司提供;白砂糖:一级品;柠檬酸、黄原胶、小苏打、CMC-Na、糖化酶等,均为食品级;高活性干酵母:安琪酵母股份有限公司提供。

1.2 仪器设备

HH-4水浴锅:金坛区西城新瑞仪器厂;JM-B2003电子天平:余姚市纪铭重校验设备有限公司;糖度计:成都豪创光电仪器有限公司;pH计:上海力辰邦西仪器科技有限公司;碱式滴定管、铁架台、锥形瓶等。

1.3 酸度测定方法

酸度测定:参照《食品安全国家标准:食品酸度的测定》(GB 5009.239—2016)第一法酚酞指示剂法测定进行。取发酵饮料10g于锥形瓶中,加入蒸馏水20mL,滴加3滴酚酞指示剂,然后取0.1 mol/LNaOH标准溶液进行滴定,连续微摇至30秒内淡红色不消失为止。

滴定酸度(°T)=(c×V×100)/(m×0.1)

式中:c表示NaOH标准溶液浓度(mol/L),V表示待测复合饮料样品滴定消耗NaOH体积(mL),m表示待测饮料样品质量(g)。

1.4 感官评定方法

实验过程中以感官评分作为评价指标。设置评分小组,选取十名年龄相近且感官正常的同学,其中男生、女生各五名组成感官评分小组,分别制定了复合谷物浆料感官评分标准(表1)和复合谷物发酵饮料成品感官评分标准(表2)。

表1 复合谷物浆料感官评分标准

表2 复合谷物发酵饮料成品感官评分标准

1.5 实验方法

1.5.1 工艺流程

(粉状)原料→制浆→糖化→灭菌→接种→发酵→调配→消泡脱气→灌装→成品

1.5.2 复合谷物配比的确定

(1)复合谷物原料配比的选择

以绿豆、赤小豆、薏仁、黑米、白藜麦五种磨制成粉状的谷物为原料,进行复合谷物原料的比例选择。以两组固定复合原料搭配分别各设置三组比例进行实验。每小组同时设3组平行。

第一组复合谷物组合:

A1、绿豆∶白藜麦∶薏仁∶黑米(4∶2∶1∶3)

B1、绿豆∶白藜麦∶薏仁∶黑米(4∶2∶2∶2)

C1、绿豆∶白藜麦∶薏仁∶黑米(4∶3∶1∶2)

第二组复合谷物组合:

A2、赤小豆∶白藜麦∶薏仁∶黑米(4∶2∶1∶3)

B2、赤小豆∶白藜麦∶薏仁∶黑米(4∶2∶2∶2)

C2、赤小豆∶白藜麦∶薏仁∶黑米(4∶3∶1∶2)

(2)配制复合谷物浆料

按照上述设置比例进行试验,取洁净的250 mL烧杯18个,每组按配比加入10 g原料和95 g纯净水,此时料水比为1∶9.5,用玻璃棒均匀搅拌至浆料充分混合且无结块现象,之后将每组复合浆料平均分装于10个纸杯中,请感官评分小组依据表1进行感官评分。

1.5.3 关键步骤

(1)制浆

按照料水比1∶9.5配制复合谷物浆料,搅拌均匀,使浆料处于无分层状态。

(2)糖化

向处于均匀状态下的复合谷物浆料中添加柠檬酸,调pH至4.0～4.5,根据预试验计算可得添加柠檬酸含量为复合浆料的0.2%恰好处于可调pH范围内。在调好pH后的浆料中添加糖化酶为浆料总量的0.2%,将浆料置于60 ℃温度下糖化2 h。

(3)灭菌

将糖化后的浆料置于100 ℃水浴条件下30 min,然后在常温无菌环境中冷却至室温。

(4)接种发酵

将冷却后的浆料用碳酸氢钠调pH至6.8,添加干酵母,在恒温40 ℃条件下,进行发酵试验。

(5)调配

发酵后的浆料需加入添加剂和稳定剂进行调配,提高产品口感和品质等。将经过发酵阶段的复合谷物浆料先加入0.06%黄原胶、0.05%柠檬酸和2%糖等基础添加剂后,再加入稳定剂CMC-Na,使得产品口感品质达到最佳。

(6)均质

加入稳定剂和添加剂后的浆料,会在一定程度上变的黏稠,需用均质机进行均质处理,均质压力为1 MPa。

(7)脱气

脱气后的复合浆料能更好的维持产品风味、口感等品质,因此均质后的浆料可利用脱气机进行脱气处理。

(8)灌装

经均质脱气后的复合谷物饮料立即灌装至无菌的容器中。

1.6 单因素试验

以感官得分和酸度作为评价指标,采用单因素试验分别考查不同梯度的菌种添加量、发酵时间以及稳定剂添加量对产品风味品质影响。

1.6.1 干酵母添加量对产品感官得分和酸度的影响

干酵母添加量分别设置为复合浆料含量的 0.025%、0.05%、0.075%、0.1%、0.125%,每个梯度设置三个平行实验,每个平行实验浆料为100 mL,将其在复合浆料糖化2 h且灭菌后分别加入,在40 ℃条件下,发酵时间固定为2 h,CMC-Na添加量固定为0.1%,依照实验步骤进行单因素试验,对成品进行酸度测定并根据表2进行感官评分,筛选出最佳干酵母添加量。

1.6.2 发酵时间对产品感官得分和酸度的影响

发酵时间分别设置为2 h、2.5 h、3 h、3.5 h、4 h,每个发酵阶段设置三组平行实验,每组平行实验浆料为100 mL。发酵温度为40 ℃,干酵母添加量固定为0.025%,CMC-Na添加量固定为0.1%,依照实验步骤进行单因素试验,测定成品酸度并根据表2进行感官评分,筛选出最佳发酵时间。

1.6.3 CMC-Na添加量对产品感官得分和酸度的影响

采用食品级添加剂黄原胶0.06%、柠檬酸 0.05%、白砂糖2%作为基础添加剂,固定其干酵母添加量为0.025%,发酵2 h。稳定剂 CMC-Na添加量分别设置为复合浆料含量的 0.1%、0.15%、0.2%、0.25%、0.3%,每组梯度重复三次进行,每个平行实验所需复合浆料为100 mL,依照实验步骤进行单因素试验,对产品进行酸度测定并根据表2进行评分,筛选出最佳CMC-Na添加量。

1.7 响应面试验

在单因素试验的基础上,以干酵母添加量(A)、发酵时间(B)、CMC-Na添加量(C)三因素为考察对象,进行三因素三水平的响应面试验。试验因素水平见表3。

表3 响应面试验因素水平表

2 结果与分析

2.1 复合谷物浆料感官评分结果分析

复合谷物浆料最终感官评分结果如表4所示。

表4 复合谷物浆料配比感官评分结果

由表4可知,不同配比下的复合谷物浆料其风味口感不同,经过综合感官评价可知最佳配比为绿豆∶白藜麦∶薏仁∶黑米(4∶2∶2∶2),该配比下的浆料具有复合谷物特有色泽,芬芳谷香,口感细腻润滑,风味独特;料水比为1∶9.5时的复合谷物浆料经后续糖化、发酵流程制得的产品粘稠度适中,因此以此浆料配比条件为基础进行下一步试验。

2.2 单因素试验结果分析

2.2.1 干酵母添加量对产品感官评分和酸度的影响

干酵母添加量对复合谷物发酵饮料感官评分和酸度的影响分别见图1和图2。

图1 干酵母添加量对复合谷物饮料感官评分的影响

图2 干酵母添加量对复合谷物发酵饮料酸度的影响

由图1可知,随着干酵母添加比例的逐渐增加,复合谷物浆料的感官评分总体呈现出先升后降趋势。干酵母添加量在0.025%～0.05%之间时,复合谷物发酵饮料感官评分不断升高;在添加量为0.05%时,其感官评价得分最高,为88分;当干酵母添加量大于0.05%后,其感官评分下降趋势明显。这是因为,随着菌种添加量的增加,菌种数量过多,总体进行新陈代谢所消耗的有机物增加,使得饮品中特殊风味物质减少,进而影响产品感官评分,呈现出不断下降的趋势。

由图2可知,干酵母添加量在0.025%～0.05%之间时,复合谷物发酵饮料的酸度随着干酵母添加量的增加而降低;干酵母添加量为0.05%时,其酸度最低,为3.3×10-2/°T;当干酵母添加量大于0.05%后,饮品中的酸度随着干酵母添加量的增加不断升高。这是由于干酵母添加量超过一定范围后,菌种数量增加,导致消耗过多糖分并产生大量有机酸,使发酵饮料的酸度不断增加,在一定程度上影响产品品质。

依据感官评分和酸度的变化,以感官评分为主要参考指标,本实验选择干酵母添加量0.05%左右为后期响应面试验因素水平。

2.2.2 发酵时间对产品感官评分和酸度的影响

发酵时间对复合谷物发酵饮料感官评分和酸度的影响分别见图3和图4。

图3 发酵时间对复合谷物发酵饮料感官评分的影响

图4 发酵时间对复合谷物发酵饮料酸度的影响

如图3所示,发酵时间在2～2.5 h之间时,复合谷物发酵饮料的感官得分随发酵时间的增加而升高;发酵时间为2.5 h时,其感官评分最高为85分,此时复合谷物发酵饮料的口感最佳,具有浓郁的谷物醇香;当发酵时间大于2.5 h后,饮品的感官评分不断随着发酵时间的增加而降低且下降趋势明显。这是因为,在前期发酵阶段,随着发酵时间延长,饮品中的风味物质因菌种的发酵作用而不断生成,感官评价较好。但是,发酵时间过长,菌种代谢产物大量积累,影响产品质量,导致感官评分下降。

如图4所示,随着发酵时间的延长,复合谷物发酵饮料中的酸度持续上升;在发酵时间为2～3 h之间时,饮品中酸度的增加较为缓慢;当发酵时间大于3 h后,饮品中酸度上升趋势明显。这是因为从发酵开始,发酵菌种就不断进行新陈代谢,产生的有机酸也在发酵饮料中持续积累,发酵时间过长,发酵过度,酸度升高。

依据感官评分和酸度的变化,以感官评分为主要参考指标,本实验选择发酵时间2.5 h左右为后期响应面试验因素水平。

2.2.3 CMC-Na添加量对产品感官评分和酸度的影响

CMC-Na添加量对复合谷物发酵饮料感官评分和酸度的影响分别见图5和图6。

图5 CMC-Na添加量对复合谷物发酵饮料感官评分的影响

图6 CMC-Na添加量对复合谷物发酵饮料酸度的影响

如图5所示,CMC-Na添加量为0.1%～0.15%之间时,复合谷物发酵饮料的感官评分随着稳定剂添加量的增加而升高;CMC-Na添加量为0.15%时,其感官评分最高为86分;之后,随着CMC-Na添加量的持续增加,感官评分不断下降。可能是CMC-Na具有的乳化作用,可以改变饮品的黏稠度和口感,当其添加量适中时,可使复合谷物发酵饮料口感润滑,不易产生分层现象且粘稠度适中,此时感官评价最佳。而过量添加则使饮品乳化过度,降低感官评分。

如图6所示,随着CMC-Na添加量的不断增加,复合谷物发酵饮料的酸度并无明显变化。这可能是因为CMC-Na具有乳化稳定性,可稳定谷类饮品中所含的蛋白质,并减少脂肪与水之间的表面张力,增加乳化作用。因此CMC-Na添加量可改变饮料有关粘稠度方面的物理特性,对其理化特性-酸度的影响并不大。CMC-Na添加量影响产品的粘稠度从而对其感官评分产生显著的影响。

依据感官评分和酸度的变化,以感官评分为主要参考指标,本实验选择CMC-Na添加量0.15%左右为后期响应面试验因素水平。

2.3 响应面试验结果

2.3.1 Box-Behnken 设计及提取结果

在单因素试验的基础上,以干酵母添加量(A)、发酵时间(B)、CMC-Na添加量(C)为自变量,感官得分为响应值,设计三因素三水平响应面试验。试验设计及结果见表5。

表5 响应面试验结果表

2.3.2 回归模型的建立和显著性分析

利用Design-Expert 8.0软件对表5数据进行二元回归拟合分析,获得各个因素与感官得分评价之间的二次多项回归方程:Y=87.12+0.32A+0.26B+0.32C-0.35AB+0.30BC-1.27A2-1.49B2-1.82C2。该模型的有效性和显著性分析见表6。

表6 响应面方差分析表

由表6可知,模型P值<0.0001,表明影响显著。失拟项影响不显著,即无关因素影响不显著。模型决定系数 R2为0.9901,即实际与预测相差不大,该模型可以对复合谷物发酵饮料的最优工艺条件进行分析预测,由数据分析可知,A、B、C、AB、AC、A2、B2、C2影响显著,其他项影响不显著。根据F值可知,三个因素中对感官评分影响最大的是稳定剂CMC-Na的添加量,干酵母添加量的影响次之,发酵时间的影响最小。

2.3.3 响应面交互作用

(1)干酵母添加量与发酵时间的交互作用对复合谷物发酵饮料感官评分的影响。由图7可以看出,干酵母添加量与发酵时间的交互作用显著,对复合谷物发酵饮料的感官评分影响较大。干酵母添加量为一固定值时,感官评分会随着发酵时间的延长呈现出先升后降的趋势。感官评分最好时的发酵时间固定后,干酵母添加量成为自变量,此时感官评分随着干酵母的添加量呈现出先升后降的趋势,由此可知在某一发酵时间和干酵母添加量下的感官评价的得分最高。从图7可以看出,交互作用下,干酵母添加量为0.05%,发酵时间为2.40 h时其感官得分最佳为87分。

图7 干酵母添加量与发酵时间的等高线图和交互作用图

(2)干酵母添加量与CMC-Na添加量的交互作用对复合谷物发酵饮料感官评分的影响。在发酵时间确定的情况下,干酵母添加量与稳定剂CMC-Na添加量同样存在交互作用,固定干酵母添加量,以稳定剂添加量为自变量,其感官评分随之呈现出先升后降的趋势,反之以干酵母为自变量,感官评分的趋势也为先升后降。由此根据图8可以明显看出,当干酵母添加量为0.05%,稳定剂CMC-Na添加量为0.18%时,感官评价得分最高为87分。

图8 干酵母添加量与CMC-Na添加量的等高线图和交互作用图

(3)发酵时间与CMC-Na添加量的交互作用对复合谷物发酵饮料感官评分的影响。固定发酵时间,以CMC-Na添加量为自变量,复合谷物发酵饮料的感官评分随CMC-Na添加量的持续增加呈现出先升后降的趋势,感官得分最高时对应的CMC-Na添加量为最优工艺参数。由图9可知,当发酵时间为2.40 h,CMC-Na添加量为0.18%时其感官得分最佳为87分。

图9 发酵时间与CMC-Na添加量的等高线图和交互作用

2.3.4 验证实验

在单因素试验基础上,通过响应面试验设计优化得到复合谷物发酵饮料的最佳工艺参数为:干酵母添加量0.05%,发酵时间2.40 h,CMC-Na添加量0.18%。该条件下复合谷物发酵饮料产品的感官评分最高,为87.1642。为检验响应曲面法优化结果的可靠性,组织感官评定小组对感官评分最高的样品进行评价验证,得到其实际值为87.12分。理论与实际结果相差较小,说明该模型对复合谷物发酵饮料的工艺优化是可行的,可进行实际应用生产。

3 结论

以赤小豆、绿豆、薏仁、白藜麦、黑米等谷物为主要原辅料,经过清洗、制浆、糖化、灭菌、接种、发酵、调配、消泡脱气、灌装等一系列工艺研制复合谷物发酵饮料。以感官评价作为评价指标,试验结果表明,各谷物的最佳配比为绿豆∶白藜麦∶薏仁∶黑米(4∶2∶2∶2),料水比为(1∶9.5),当复合浆料为100 mL时,复合谷物最佳工艺条件为:发酵时长2.4 h、发酵菌种添加比例为0.05%、羧甲基纤维素钠(CMC-Na)的添加比例为0.18%、黄原胶添加比0.06%、发酵温度40 ℃,此时响应面综合得分理论值最高,在该工艺条件下制得的产品具有浓郁的谷物芳香,组织状态均匀,口感润滑等特点,其营养价值和市场价值较高。