晋西北酸粥发酵工艺的研究

王琪，李文亚

(山西大学 生命科学学院，山西 太原，030006)

晋西北酸粥发酵工艺的研究

王琪*，李文亚

(山西大学 生命科学学院，山西 太原，030006)

以短乳杆菌(Lactobacillusbrevis)、醋化醋杆菌(Acetobacteraceti)和酿酒酵母(Saccharomycescerevisiae)为发酵菌株，以pH值、酸度和感官评价得分作为发酵产物的评价指标，进行了晋西北酸粥的人工发酵试验。通过单因素试验及响应面分析，探讨了固液比、接种量、发酵时间和发酵温度对酸粥品质的影响。结果表明，在固液比1∶3.29(g∶mL)、接种量4.53%(V/V)、发酵时间31.71 h和发酵温度30.41 ℃的条件下，人工模拟发酵酸粥的感官评分最高为8.351。此条件下模拟发酵酸粥的营养成分与自然发酵酸粥的十分相似。

晋西北酸粥；糜米；酸粥发酵工艺；响应面分析

晋西北酸粥选用北方地区的优质糜米为原料，室温下自然发酵而成，主要食用地区分布在内蒙古西部、晋西北、陕西北部等地[1]。糜米是糜子经脱壳加工成的初加工产品，它不仅有很高的营养价值，同时还是我国传统的中草药之一，有一定的药用价值[2-4]。

酸粥作为一种传统谷物发酵食品因其营养成分丰富和产品风味独特而受到当地人们的青睐。但传统发酵食品由于受环境影响非常大，因而产品质量不稳定；同时，传统发酵食品大多以家庭式手工作坊为主要的操作方式，工业化水平较低，因而发展缓慢[5]。

响应面分析(Response Surface Methodology，RSM)是数学方法和统计方法结合的产物，是用来对所感兴趣的响应值受多个变量影响的问题进行建模和分析的，其最终目的是优化该响应值[6-8]。本研究根据Box-Behnken试验设计原理，采用四因素三水平的响应面分析法分析了固液比、接种量、发酵时间和发酵温度的交互作用对晋西北酸粥品质的影响，得出了最优的发酵工艺。这为以后晋西北酸粥的工业化生产奠定了理论基础。

1 材料与试剂

1.1试验材料

从忻州市河曲县购买的新鲜糜米。

1.2试验菌株

将本实验室分离到的的酿酒酵母[9](Saccharomycescerevisiae)F5接种于马铃薯葡萄糖液体培养基，30 ℃、150 r/min振荡培养24 h。将常健[10]从晋西北酸粥中分离得到的短乳杆菌(Lactobacillusbrevis)A10和购买于中国菌种保藏库编号为ATCC 15973的醋化醋杆菌(Acetobacteraceti)B10接种于MRS液体培养基，30 ℃、150 r/min振荡培养24 h。

将所得的培养物收集于离心管中，离心(3 000 r/min ，10 min)，弃上清，沉淀加入0.9%已灭菌的生理盐水，混匀后离心，如此清洗3次。向最后离心得到的菌体中加入灭菌生理盐水制成菌悬液，用于酸粥的发酵试验(细菌数为11.02 log10CFU/mL，酵母菌数为4.60 log10CFU/mL)。

2 方法与步骤

2.1酸粥发酵工艺

原料米→淘洗→沥干→加蒸馏水(含2%葡萄糖)→蒸煮杀菌(65 ℃、30 min)→冷却→接种→好氧发酵[11]。

2.2多菌株混合发酵

选定短乳杆菌A10、醋化醋杆菌B10和酿酒酵母F5为发酵菌株进行混合菌种发酵。

以250 mL的锥形瓶做为发酵容器，向锥形瓶中加入50.0 g糜米，再加入150 mL蒸馏水，灭菌。按表1接种发酵菌株(A10、B10、F5)，接种量为5%(V/V)，30 ℃静置培养24 h。综合酸粥的pH值、酸度和感官评价得分来确定最佳的菌株比例。

表1 多菌株混和发酵的比例

注：A10为短乳杆菌(L.brevis)，B10为醋化醋杆菌(A.aceti)，F5为酿酒酵母(S.cerevisiae)。

2.3酸粥固液比的确定

称取50.0 g糜米，按照1∶2、1∶3、1∶4、1∶5和1∶6(g∶mL)的比例加水，灭菌。按照最佳菌株比例接种，接种量为5%(V/V)，30 ℃静置培养24 h。测定酸粥的pH值、酸度并进行感官评价。

2.4菌株接种量的确定

称取50.0 g糜米，加入150 mL蒸馏水，灭菌。按照最佳菌株比例接种，接种量分别为3%、5%、7%、9%和11%(V/V)，30 ℃静置培养24 h。根据酸粥的pH值、酸度和感官评价得分来确定最佳接种量。

2.5发酵时间的确定

称取50.0 g糜米，加入150 mL蒸馏水，灭菌。按照最佳菌株比例接种，接种量为5%(V/V)，30 ℃下分别静置培养6、12、18、24、30和36 h。测定发酵后酸粥的pH值、酸度和发酵过程中的活菌数，并结合感官评价得分来确定酸粥的最佳发酵时间。

2.6发酵温度的确定

称取50.0 g糜米，加入150 mL蒸馏水，灭菌。按照最佳菌株比例接种，接种量为5%(V/V)，分别于20、25、30、35和40 ℃下静置培养24 h。测定发酵后酸粥的pH值、酸度和发酵过程中的活菌数，并结合感官评价得分来确定酸粥的最佳发酵温度。

2.7响应面分析晋西北酸粥的最佳发酵工艺

将固液比、接种量、发酵时间和发酵温度作为单因素值，以感官评价得分为响应值来优化晋西北酸粥的最佳发酵工艺。

2.8酸粥的感官评价指标

本试验的晋西北酸粥感官评价标准是基于晋西北地区人民对酸粥的感官要求，在调查研究的基础上参照了GB/T 29605—2013制定出最终的评价指标[12-14]，见表2。

表2 酸粥的感官评价指标

感官评价小组成员为10人/组。选定的小组成员会经常食用酸粥，年龄范围为20～50岁，并进行了相关培训。最后的得分为各项指标相加后的平均值，即总分=(风味+口感及滋味+色泽+组织结构)/4。

2.9模拟发酵酸粥营养成分的测定

以总糖、脂肪和蛋白质等作为指标测定模拟发酵酸粥的营养成分。总糖含量采用苯酚硫酸法[15]测定；脂肪含量采用索氏抽提法(GB/T 5009.6—2003)测定；蛋白质含量采用凯氏定氮法(GB 5009.5—2010)测定。

3 结果与分析

3.1酸粥的多菌株混合发酵

3株菌混合发酵后酸粥的pH值、酸度和感官评价结果如表3所示。

表3 多菌株混合发酵对酸粥的pH值、酸度及感官评价的影响

续表3

编号菌种组合菌种比例pH值酸度/oT感官得分5A10+B10+F52∶1∶13.83±0e50.3±0.28b6.59±0.86d6A10+B10+F51∶2∶13.7±0.01cd51.9±0.03b6.19±1.20bc7A10+B10+F51∶1∶23.73±0.03d50.3±1.61b6.17±1.22bc

注：A10为短乳杆菌(L.brevis)，B10为醋化醋杆菌(A.aceti)，F5为酿酒酵母(S.cerevisiae)。同一列带不同字母的数据存在显著性差异(p<0.05)。

由表3可知，菌株两两混合发酵的酸度和感官得分明显低于3株菌发酵的。短乳杆菌、醋化醋杆菌和酿酒酵母3株菌的比例为1∶2∶1时，酸粥的酸度最高，达到了51.9oT，感官评价为6.19；3株菌的比例为2∶1∶1时，酸粥的感官评价最高，为6.59；3株菌的比例为1∶1∶1时，酸粥酸度为49.9oT，感官评价为6.55，这与比例为2∶1∶1的酸粥的无明显差异，pH值也与自然发酵的酸粥相近。因此，从经济方面考虑，选取3株菌的比例为1∶1∶1来进行酸粥发酵试验。

3.2固液比对酸粥发酵的影响

表4表示不同固液比对酸粥发酵的影响。随着固液比的不断降低，酸粥的pH值在不断地升高，酸度在不断地降低，感官得分则出现了先增后减的趋势。谷物原料提供给菌株利用的糖一定的情况下，降低固液比只是起到稀释发酵液的作用。当固液比为1∶2(g∶mL)时酸度达到了79.47oT。酸度过高会导致酸味太重，盖过了糜米这种谷物特有的香味而不被人们接受。当固液比为1∶3(g∶mL)时，发酵得到的酸粥酸味适中，组织状态好，谷物特有的香味浓郁，感官评价最好。

表4 固液比对酸粥的pH值、酸度及感官评价的影响

注：同一列带不同字母的数据存在显著性差异(p<0.05)。

3.3接种量对酸粥发酵的影响

当接种量为3%、5%、7%、9%和11%(V/V)时，酸粥的pH值、酸度及感官评价结果如表5所示。随着接种量的不断增加，pH值出现了先降低后升高的趋势，酸度和感官评价反而都呈现先升高后降低的趋势。当接种量为3%，发酵24 h后，酸粥的酸味明显不足，感官得分也较低。接种量为5%，酸粥的酸度适中，感官得分也最高，达到8.23。当接种量由5%增加到7%时，酸粥酸味过重，感官得分降低。之后随着接种量的增加，酸度反而降低。综合考虑上述结果，得出5%为最佳接种量。

表5 接种量对酸粥的pH值、酸度及感官评价的影响

注：同一列带不同字母的数据存在显著性差异(p<0.05)。

3.4不同发酵时间对酸粥的影响

在接种量为5%，30 ℃下进行酸粥的发酵时间试验，结果如表6。随着发酵时间的延长，酸度在不断增加，pH值先降低之后保持不变。感官评价分数则呈现先增加后降低的趋势。发酵18 h之内酸粥的酸味不足，感官得分较低，这可能是由于发酵时间过短谷物中的淀粉未完全转化为糖类，不能供给微生物生长导致的。由图1可以看出，酸粥发酵24 h后活菌数达到最大值，之后保持不变。酸粥发酵30 h后酸度达到59oT，感官得分为8.06。结合感官评价分数和酸粥活菌数，选择30 h为酸粥的最佳发酵时间。

表6 发酵时间对酸粥的pH值、酸度及感官评价的影响

注：同一列带不同字母的数据存在显著性差异(p<0.05)。

图1 发酵过程中活菌数的变化Fig.1 The change of viable microorganism during fermentation

3.5不同发酵温度对酸粥的影响

表7的结果表明，当发酵温度为30 ℃时，酸度51oT，感官得分最高，为7.47。随着发酵温度的升高，菌株生长旺盛但是产酸能力降低。在不同的发酵温度下，一般以发酵温度低，发酵时间长的产品风味最好。在图2中，随着温度的不断增加，发酵液中活菌数先增加，之后基本不变。由表8可知，随着发酵温度的不断增加酸粥的酸度和感官得分都是先升高后降低。在30 ℃下发酵的酸粥，酸度适宜，组织状态良好。故选取30 ℃作为酸粥的最适发酵温度。

表7 发酵温度对酸粥的pH值、酸度及感官评价的影响

注：同一列带不同字母的数据存在显著性差异(p<0.05)。

图2 不同发酵温度下活菌数的变化Fig.2 The change of viable microorganism in different temperatures

3.6响应面优化酸粥的发酵工艺

3.6.1 模型的建立和显著性分析

Box-Behnken法共设计了29个试验来分析酸粥发酵后的感官得分结果(表8)。对表8的数据进行了回归分析，得到固液比、接种量、发酵时间和发酵温度的四元二次回归方程如下：

Y=-0.42A2-0.14B2-0.36C2-1.08D2+0.14AB+0.55AC+0.19AD-0.12BC+0.012BD+0.16CD+0.11A-0.067B+0.018C+0.083D+8.32

其中，A表示固液比(g∶mL)，B表示接种量(%)，C表示发酵时间(h)，D表示发酵温度(℃)。

表8 酸粥发酵条件试验设计及结果

表9 酸粥发酵条件回归模型的方差分析

注：**p<0.01表示差异极显著，*p<0.05表示差异显著。

3.6.2 响应面曲面分析

经Design-Expert.8.0.5.0软件处理后，得出各因素相互作用对酸粥感官评价的响应值。响应曲面图坡度越陡，表明因素对响应值影响越大；等高线密集呈椭圆形，说明两因素交互作用对响应值影响大；等高线呈圆形则说明影响不大[82]。

由图3～图8可以看出，酸粥的感官得分随着各两因素的增加呈现先升高后降低的趋势。图3、4、5和图8中，当以酸粥的感官分数为响应值时，固液比与接种量、固液比与发酵时间、固液比与发酵温度、发酵时间和发酵温度相互作用的3D响应曲面图较陡峭，且等高线呈椭圆形，说明这几个因素交互作用对酸粥风味影响最显著；从图6可以看出，接种量和发酵时间的交互作用对酸粥风味影响较显著；从图7可以看出，接种量和发酵温度交互作用的响应曲面较平缓，对酸粥风味影响不显著。该结果与试验方差分析结果一致。在固液比为1∶3.29(g∶mL)、接种量为4.53%(V/V)、发酵时间为31.71 h、发酵温度为30.41 ℃的条件下，酸粥的感官得分最高，为8.351。

图3 固液比和接种量交互影响酸粥得分的响应面和等高线图Fig.3 Response surface and contour plots for the effect of solid-liquid ratio and inoculum size on the score of sour porridge

图4 固液比和发酵时间交互影响酸粥得分的响应面和等高线图Fig.4 Response surface and contour plots for the effect of solid-1iquid ratio and fermentation time on the score of sour porridge

图5 固液比和发酵温度交互影响酸粥得分的响应面和等高线图Fig.5 Response surface and contour plots for the effect of solid-1iquid ratio and fermentation temperature on the score of sour porridge

图6 接种量和发酵时间交互影响酸粥得分的响应面和等高线图Fig.6 Response surface and contour plots for the effect of inoculum size and fermentation time on the score of sour porridge

图7 接种量和发酵温度交互影响酸粥得分的响应面和等高线图Fig.7 Response surface and contour plots for the effect of inoculum size and fermentation temperature on the score of sour porridge

图8 发酵时间和发酵温度交互影响酸粥得分的响应面和等高线图Fig.8 Response surface and contour plots for the effect of fermentation time and fermentation temperature on the score of sour porridge

3.6.3 酸粥发酵工艺条件的验证

为了验证模型的准确性，考虑到实验操作的可行性，将优化出的最优条件修改为：固液比1∶3(g∶mL)、接种量5%(V/V)、发酵时间30(h)、发酵温度30(℃)。按此条件发酵酸粥，设计3个重复。发酵酸粥的感官评价平均得分为8.25，与模型预测值相差不大。

3.7模拟发酵酸粥、自然发酵酸粥和糜米的主要营养成分比较

从表10可以看出，模拟发酵酸粥的水分含量为78.39 g/100g，接近自然酸粥的水分含量。模拟发酵酸粥的pH值为3.24，酸度为74.5 °T，这和自然发酵酸粥的有一定的差异。模拟发酵酸粥的脂肪、总糖和蛋白质的含量和糜米的存在显著差异。模拟发酵酸粥的脂肪含量为1.69 g/100g，是糜米的88.75%；模拟发酵酸粥的总糖含量为80.97 g/100g，是糜米的1.04倍；模拟发酵酸粥的蛋白质含量为11.07 g/100g，是糜米的1.12倍。模拟发酵酸粥中脂肪、总糖和蛋白质含量的变化趋势与自然发酵酸粥的变化趋势相同(自然发酵酸粥中脂肪含量为1.39 g/100g，是糜米的82.17%；总糖含量为83.70 g/100g，是糜米的1.1倍；蛋白质含量为11.70 g/100g，是糜米的1.18倍)。

表10 模拟发酵酸粥、自然发酵酸粥和糜米的主要营养成分

注：同一列带不同字母的数据存在显著性差异(p<0.05)。

4 讨论

通过多菌株发酵的单因素试验得出，当短乳杆菌A10、醋化醋杆菌B10和酿酒酵母F5的比例为1∶1∶1时，发酵的酸粥更易被人们接受。响应面优化酸粥的发酵工艺结果表明：固液比、接种量和发酵温度对酸粥的影响显著；固液比与接种量、固液比与发酵温度、固液比与发酵时间、接种量与发酵时间、发酵时间和发酵温度的交互作用对酸粥的得分影响较大。酸粥的最佳发酵条件为：固液比1∶3(g∶mL)、接种量5%(V/V)、发酵时间30 h、发酵温度30 ℃。此条件下发酵酸粥的感官评价平均得分为8.25。

模拟发酵酸粥的主要营养成分虽然很接近自然发酵酸粥，但是仍然存在一定的差异。模拟发酵酸粥的脂肪含量降低，蛋白质含量升高，这与王伟伟[11]的试验结果一致。

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FermentationcontrolofNorthwesternShanxisourporridge

WANG Qi*,LI Wen-ya

(School of Life Science，Shanxi University，Taiyuan 030006，China)

The bacteriaLactobacillusbrevis,AcetobacteracetiandSaccharomycescerevisiaewere used as fermentation strains for acid porridge. The pH, titratable acidity and sensory evaluation was used to evaluated the quality of simulated fermented sour porridge. The effect of solid-liquid ratio, inoculum size, fermentation time and fermentation temperature on the sensory evaluation of sour porridge were studied through single factor experiments and response surface analysis. The theoretical optimum fermentation conditions for the Northwestern Shanxi sour porridge were as follows: the solid-liquid ratio was 1∶3.29 (g∶mL), the inoculum size was 4.53% (V/V), the fermentation time was 31.71 h and the fermentation temperature was 27.5 ℃. Under the optimum fermentation condition, the sensory evaluation of the fermented product reached 8.351. The nutrient composition of sour porridge was similar to that of traditional Northwestern Shanxi sour porridge.

Northwestern Shanxi sour porridge;Broomcorn millet; fermentation technique of sour porridge; response surface analysis

博士，讲师(通讯作者，E-mail：wangqi@sxu.edu.cn)。

2015设施食用菌高效碳循环研究与示范(FT2014-03-15)

2016-01-12，改回日期：2017-03-16

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.013816