地瓜黄浆水与山楂复合发酵饮料的研制

伊 静,李 婷,袁 冬,梁晓月,徐 伟

(聊城大学生命科学学院,山东聊城 252000)

红薯(IpomoeabatatasL.)在北方俗称地瓜,除做主粮外,也是食品加工、淀粉和酒精制造工业的重要原料。地瓜中含有去氢表雄酮[1],可以用于预防结肠癌和乳腺癌,富含β-胡萝卜素(维生素A前体)、维生素C和叶酸,有助于预防心血管疾病;含大量食物纤维和维生素A以及B族维生素等[2]。地瓜黄浆水是地瓜淀粉工业生产过程中产生的副产物,因含大量可溶性糖、可溶性蛋白质、矿物质、维生素以及其他生物活性物质,直接排放会造成严重的资源浪费和环境污染问题。

山楂(Crataegus pinnatifida Bunge),又名山里果、山里红。果可生吃或作果脯果糕,干制后可入药,是中国特有的药果。山楂内的黄酮类化合物牡荆素,是一种抗癌作用较强的药物[3]。乳酸菌是一种存在于人类体内的益生菌,能够将碳水化合物发酵成乳酸,促进蛋白质、单糖及钙、镁等营养物质的吸收,产生维生素B族等大量有益物质[4]。可增加肠道有益菌群,改善人体胃肠道功能,恢复人体肠道内菌群平衡,形成抗菌生物屏障,维护人体健康。如今,研究报道使用的主要发酵菌种有保加利亚乳杆菌、双歧杆菌、干酪乳杆菌等,进行发酵的原料主要是粮食作物和一些药用植物[5-6]。乳酸菌发酵型饮料因经过乳酸菌发酵而风味独特,同时其营养价值和保健功能赋予其广大的市场价值。目前,发酵乳饮料、发酵果蔬汁饮料、发酵豆类饮料出现在多种消费场所并被广大消费者所接受[7]。

目前,有关地瓜黄浆水的研究较少,其综合开发利用技术尚不完善,本产品以地瓜黄浆水、山楂汁为主要原料,将黄浆水处理技术与果蔬饮料加工技术紧密结合,采用现代微生物发酵技术制得了一款口感酸甜、组织状态均衡的饮品。产品含有丰富的粘蛋白、各种维生素、脱氢表雄酮(DHEA)等活性物质。降低其直接排放带来的资源浪费和环境污染,丰富饮料市场品种,填补地瓜黄浆水功能性饮品的空白,为实现黄浆水的高值化利用提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

地瓜黄浆水 平阴县于庆常淀粉厂;山楂(大金星) 山东聊城;食用碱 济南山佳糖业有限公司;果胶 亿鑫生物科技有限公司;蔗糖 安琪酵母有限公司。

LS-50HD立式压力蒸汽灭菌器 江阴滨江医疗设备有限公司;NS1001L2K高压均质机 GANiro Soavi公司;BS-2F恒温震荡培养箱 金坛市天竟实验仪器厂;电子天平 上海菁海仪器有限公司;MB25水分测定仪 奥豪斯仪器有限公司;SW-CJ-1D单人单面垂直送风经济型净化工作台 苏州博菜尔净化设备有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 饮料加工流程及操作要点

黄浆水预处理,用4层纱布滤掉黄浆水中的地瓜渣;采用90 ℃、20 min水浴加热,使脂肪氧化酶失活并且使醛类物质挥发,去除涩味;冷冻离心机5000 r/min离心5 min,以除去蛋白悬浊物;采用001(732)型强酸离子交换树脂反交换柱,除Mg2+,得到饮料原料液;调配,将地瓜黄浆水、山楂汁和蔗糖以不同质量比例混合均匀;添加稳定剂,溶解并按比例添加天然稳定剂果胶;均质,控制压力为25～30 MPa;85 ℃巴氏灭菌15 min;接种乳酸菌发酵[8-14]。

1.2.2 单因素设计 以山楂汁和地瓜黄浆水总量为单位添加,分别按质量百分比选择山楂汁与地瓜黄浆水配比、加糖量、稳定剂添加量、乳酸菌接种量和发酵时间作为影响感官评价的主要因素,通过单因素实验选择Plackett-Burman试验的影响因素与水平[15-16]。

1.2.2.1 山楂汁与地瓜黄浆水配比的影响 取山楂汁与地瓜黄浆水按质量比1∶1、1∶2、1∶4、2∶1、3∶1,固定添加糖6%、稳定剂0.5%,乳酸菌接种量1.5%,发酵初始pH6.0,培养温度39 ℃,发酵6 h后进行感官综合评价。

1.2.2.2 加糖量的影响 分别设置蔗糖添加量为4%、5%、6%、7%、8%,固定山楂汁与地瓜黄浆水质量比为1∶1,加稳定剂0.5%,乳酸菌接种量1.5%,发酵初始pH6.0,培养温度39 ℃,发酵6 h后进行感官综合评价。

1.2.2.3 稳定剂添加量的影响 分别设置稳定剂添加量为0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%,固定山楂汁与地瓜黄浆水质量比1∶1,加糖6%,乳酸菌接种量1.5%,发酵初始pH6.0,培养温度39 ℃,发酵6 h后进行感官综合评价。

1.2.2.4 乳酸菌接种量的影响 分别设置乳酸菌接种量为1.0%、1.3%、1.5%、1.7%、1.9%,取山楂汁与地瓜黄浆水质量比1∶1,加糖6%,加稳定剂0.5%,发酵初始pH6.0,培养温度39 ℃,发酵6 h后进行感官综合评价。

1.2.2.5 发酵时间的影响 固定山楂汁与地瓜黄浆水质量比1∶1,加糖6%,加稳定剂0.5%,乳酸菌接种量1.5%,发酵初始pH6.0,培养温度39 ℃,选取不同发酵时间:4、5、6、7、8 h,发酵结束后进行感官综合评价。

1.2.3 PB设计 在单因素设计基础上运用 Design-Expert8.0 软件设计12次的PB设计[17]。对山楂汁与地瓜黄浆水配比(X1)、加糖量(X2)、稳定剂添加量(X3)、乳酸菌接种量(X4)、发酵时间(X5)进行对感官评分(Y)的显著性考察,每个因素设计高(1)低(-1)2个水平。PB设计因素水平见表1。

表1 Plackett-Burman设计各因素及其编码值 Table1 Design of Plackett-Burmanand coded values of each factor

1.2.4 响应面分析设计 结合单因素设计和PB设计结果,固定稳定剂添加量为0.5%,发酵时间为6 h,选择山楂汁与地瓜黄浆水配比(X1)、加糖量(X2)、乳酸菌接种量(X4)为自变量,感官评分(Y)为因变量运用Design-Expert8.0进行响应面分析设计[18]。实验自变量因素编码及水平见表2。

表2 Box-behnken 设计各因素及其编码值Table.2 Design of Box-behnkenand coded values of each factor

1.2.5 感官评价标准 组织本专业30名学生(15名男生和15名女生)对所得的功能饮料产品进行感观评价并对所有感官评分取平均值[19]。详细评分标准见表3。

表3 感官评价标准Table 3 Standard for sensory evaluation

1.3 理化指标

分别采用糖度计法,蒽酮-硫酸法,凯氏定氮法,酸碱中和滴定法测定饮品中的可溶性固形物含量,含糖量,蛋白质含量,酸度[19-21]。

1.4 微生物指标

参照GB47893-2016《食品微生物学检验 大肠菌群计数》、GB4789.15-2016《食品微生物学检验 霉菌和酵母计数》规定的方法分别测定菌落总数、大肠菌数、霉菌数、酵母菌数[22]。

1.5 数据处理

采用Design-Expert 8.0软件进行响应曲面分析设计、数据分析和二次模型的建立,通过对回归方程的解析以及响应曲面的分析获得最佳变量水平,通过方差分析P值考察(P<0.05)模型及因素的显著性[15]。

2 结果与讨论

2.1 单因素实验结果

2.1.1 山楂汁与地瓜黄浆水配比对产品感官品质的影响 由图1得到随着山楂汁与地瓜黄浆水配比的升高,感官评分呈先增大后减小的变化趋势。山楂汁与地瓜黄浆水的比例为1∶1时,感官综合评价得分最高。比例为3∶1时,感官评分最低。原因可能是随着山楂汁占比的增大,其香气逐渐遮盖地瓜香气,口感酸涩,酸度逐渐增大使酪蛋白发生絮凝,饮品浑浊[23]。

图1 山楂汁与地瓜黄浆水配比对产品感官品质的影响Fig.1 Effect of water ratio between hawthorn juiceand sweet potato pulp on sensory quality

2.1.2 加糖量对产品感官品质的影响 由图2得到加入不同量的白砂糖,发酵6 h,其感官品质随着加糖量的增加,感官综合评价得分呈先增大后减小的变化趋势。当加糖量为6%时,感官评分最高。加糖量为4%时,感官评分最低。原因可能是乳酸菌发酵产生的乳酸及山楂中的有机酸冲淡了糖的甜度,口感较差,酸甜比例失调。

图2 加糖量对产品感官品质的影响Fig.2 Effect of added sugar on sensory quality of products

2.1.3 稳定剂对产品感官品质的影响 由图3得到随着稳定剂的增加,感官综合评价得分呈先增大后减小的变化趋势。稳定剂添加量为0.5%时,感官评分最高。添加量为0.2%时,感官评分较低。原因可能是当果胶添加量不足时,酸性酪蛋白粒子间的电压力和重力平衡性差,仍会产生酸性酪蛋白的沉降,使上层为不含酸性酪蛋白的半透明层[24]。

图3 稳定剂对产品感官品质的影响Fig.3 Effect of stabilizer on sensory quality of product

2.1.4 乳酸菌接种量对产品感官品质的影响 由图4知感官综合评价得分随接种量的增大先增大后减小。在接种量为1.5%时,发酵状态、组织风味都较好,接种量继续增大时,饮品凝结性好但口感偏酸不柔和。原因可能是乳酸菌接种量越多,将碳水化合物转化为乳酸越多,使饮品的酸度不断增大,影响口感。

图4 接种量对产品感官品质的影响Fig.4 Effect of inoculation amounton sensory quality of product

2.1.5 发酵时间对产品感官品质的影响 由图5知,不同饮料产品的感官综合评价得分随发酵时间的增加先增大后减小。当发酵时间为6 h时,pH=5,饮品组织状态稳定且口感较好。原因是发酵时间过短,发酵不充分,发酵时间过长,饮品pH低于酪蛋白等电点,酪蛋白絮凝析出。

图5 发酵时间对产品感官品质的影响Fig.5 Effect of fermentation timeon sensory quality of products

2.2 PB设计及结果

根据表4试验结果,利用Design-Expert8.0软件进行多元回归方程拟合和方差分析。得到回归方程为:Y=8.49+1.52X1+0.28X2+0.25X3+0.31X4-0.17X5。PB试验模型方差分析见表5。

表5 PB试验模型方差分析Table 5 Experimental model variance analysis for Plackett-Burman design

注:**表示差异极显著(P<0.01);*表示差异显著(P<0.05)。

表4 Plackett-Burman试验设计与结果 Table 4 Plackett-Burman design with experimental results

由表5可以看出,回归模型具有显著性(P<0.05),表明该模型可用于研究发酵条件的显著性因素的分析,AdjR2=0.9591与R2=0.9851接近,表明该模型具有较好的解释力。各因素对响应值的影响由P值可以看出,原料配比对饮料风味影响极其显著(P<0.01);加糖量、接种量对饮料风味影响显著(P<0.05),故将此3个因素作为响应面法的考察因素。

2.3 响应面分析设计结果及分析

响应面分析设计及实验结果如表6所示。

表6 Box-Behnken试验设计与结果Table 6 Box-Behnken experiment with experimental results

图6 原料配比和加糖量对产品感官影响的响应面图Fig.6 Response surface diagram of the influence ofraw material ratio and sugar contenton sensory perception of the product

表7 回归模型方差分析结果 Table 7 Analysis of variance for the regression model

图7 原料配比和接种量对产品感官影响的响应面图Fig.7 Response surface diagram of the influence of rawmaterial ratio and inoculation amounton sensory perception of the product

图8 加糖量和接种量对产品感官影响的响应面图Fig.8 Response surface diagram of sensory effects ofadded sugar and inoculated dose on the product

通过Design-Expert8.0软件对回归方程进一步分析得出最佳配方为:原料配比为27∶23,加糖量为6%,接种量为1.5%,感官评分预测值94。

2.4 验证性实验

考虑实际可操作性,取山楂汁与地瓜黄浆水按质量比1∶1,分别添加糖6%、稳定剂0.5%,接种乳酸菌1.5%,在优化工艺条件下进行3次验证性试验,感官综合得分平均为(93.4±0.5)分,与预测值的相对误差为0.64%,说明BBD设计响应面法得到最佳制作工艺参数准确可靠。

2.5 饮料特征性指标

每100 mL产品中可溶性固形物含量达到20%,碳水化合物26.1 g,蛋白质1.1 g,菌落总数96 CFU/mL,大肠杆菌检出值为50 MPN/100 mL,霉菌检出值为16 CFU/mL,酵母菌检出值为18 CFU/mL,均已达饮用标准[26]。

3 结论

利用黄浆水为主要原料制作功能性饮品,在单因素设计和PB设计的基础上,通过BBD响应面分析优化配方,确定了黄浆水功能性饮料的最佳配方:按山楂汁与地瓜黄浆水质量比1∶1、糖添加量6%、稳定剂添加量0.5%、乳酸菌接种量1.5%,发酵6 h。感官综合评分平均值为93.4分。该产品色泽均匀,口感均衡,酸甜适中,具有典型的地瓜香味和山楂清香,无气泡无杂质,感官评分达93.4分。本研究为黄浆水的资源化利用和地瓜加工产业全面发展提供了理论依据。