发酵型小米营养乳加工技术的研究

杨健，孙大庆

（黑龙江八一农垦大学农产品加工工程技术研究中心，大庆 163319）

谷子（Setaria italica）又名粟，是世界上最古老的农作物之一。谷子脱壳称小米（foxtail millet），小米起源于我国黄河流域，主产区在我国华北及东北地区，产量占全世界产量20%左右。小米营养丰富、齐全，包括碳水化合物、蛋白质和氨基酸、脂肪酸、维生素、矿物质等，各种营养成分比例适宜，消化率很高，因此是食品加工优良的原料[1-2]。小米是一种药食同源的食物，据中医史料记载，小米具有清热、消渴、利尿等作用，可治脾胃气弱、食不消化、反胃呕吐等症，还可以防止幼儿贫血，对孕妇有安胎助产之功效[3]。

牛乳是人们公认的营养价值较为全面的食品，含有丰富的钙和胡萝卜素，补充了小米的不足。牛乳经过乳酸发酵后，大部分乳糖被分解转化为乳酸和其他有机酸，从而更容易被人体吸收利用。经常食用发酵乳制品可提高机体对磷、钙、铁的吸收，防止婴儿佝偻病，防止老人骨质疏松症[4-6]。

研究以小米和牛乳为原料，将湿磨的小米浆与牛乳混合发酵，通过单因素实验和L9（34）正交实验确定小米乳的最佳发酵条件和产品配方，并检测产品中主要营养成分含量与普通酸奶和牛乳的差异，进而开发一种纯天然的动、植物蛋白互补的，营养更为全面、配比更为合理的发酵型小米营养乳制品。

1 材料与方法

1.1 主要原料

小米、白砂糖、牛乳市售；嗜热链球菌、保加利亚乳杆菌由黑龙江八一农垦大学食品学院实验室提供。

1.2 主要仪器和设备

HR-120 分析天平、DNP-9052 电热恒温培养箱、无菌操作工作台、DTG-H 高压均质机、LDZX-40 立式自动电热压力蒸汽杀菌器、JM-250 胶体磨、TDL-40G 离心机、K12 全自动定氮仪、S433D 全自动氨基酸分析仪、6810 石墨炉原子吸收分光光度计等。

1.3 工艺流程

图1 发酵小米营养乳生产工艺流程图Fig.1 Fermented millet milk process flow diagram

1.4 实验主要方法

1.4.1 小米浆的制备

除杂后小米1 kg 加3 kg 水常温浸泡2 h，小米与水质量比调整为1∶5 进行湿磨成浆，煮沸16 min，3 000 rpm 离心弃沉淀，即得小米浆。

1.4.2 小米乳的调配、均质及灭菌

小米浆加入不同比例的标准化牛乳和白砂糖，在20 MPa 下进行均质，即得小米乳。小米乳在132 ℃维持4 s 进行高温瞬时灭菌。

1.4.3 发酵剂的制备

将嗜热链球菌和保加利亚乳杆菌菌种分别接种于灭菌的脱脂乳培养基中，传代培养三次进行菌种复壮与活化，然后将两个菌种的第三代培养物2%接种量分别接种于新鲜的脱脂乳培养基中，37 ℃培养8 h 后，两种菌脱脂乳培养液按体积1∶1 混合作为后续小米乳发酵实验的发酵剂。

1.4.4 小米乳发酵实验

通过单因素实验确定白砂糖的最佳添加量，以及小米浆与牛乳配比、接种量、发酵时间和发酵温度的正交实验范围值。具体实验步骤如下：

（1）白砂糖添加量对感官评分的影响实验

将体积比为1∶1 的小米浆与牛乳混合，分别添加小米乳质量4%、6%、8%、10%、12%、14%、16%的白砂糖，均质和灭菌后，接种2%发酵剂，在37 ℃发酵12 h，通过感官评价确定白砂糖最佳添加量。

（2）小米浆与牛乳配比对感官评分的影响实验

将小米浆与牛乳按4∶1、3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3、1∶4的体积比混合，添加8%白砂糖，均质和灭菌后，接种2%发酵剂，在37 ℃发酵12 h，通过感官评价确定小米乳与牛乳的正交实验范围值。

（3）接种量对感官评分的影响实验

将体积比为1∶2 的小米浆与牛乳混合，添加8%白砂糖，均质和灭菌后，分别接种1%、2%、4%、6%、8%、10%、12%的发酵剂，在37 ℃发酵12 h，通过感官评价确定接种量的正交实验范围值。

（4）发酵时间对感官评分的影响实验

将体积比为1∶2 的小米浆与牛乳混合，添加8%白砂糖，均质和灭菌后，接种4%的发酵剂，在37 ℃下，分别发酵5、6、7、8、9、10、11 h，通过感官评价确定发酵时间的正交实验范围值。

（5）发酵温度对感官评分的影响实验

将体积比为1∶2 的小米浆与牛乳混合，添加8%白砂糖，均质和灭菌后，接种4%的发酵剂，分别在32、34、36、38、40、42、44 ℃下发酵10 h，通过感官评价确定发酵温度的正交实验范围值。

根据以上单因素实验结果，通过L9（34）正交实验继续优化小米浆与牛乳配比、接种量、发酵时间和发酵温度，进而确定发酵型小米乳的最佳发酵条件和最佳配方。

1.4.5 发酵小米乳的感官评价

挑选12 名有经验的学生（8 名）和教师（4 名）在感官评价实验室进行产品的感官指标评价实验。感官评价指标和评分标准如表1 所示。

表1 发酵小米乳感官评价标准Table 1 Fermented millet milk sensory evaluation standard

1.4.6 发酵小米乳营养成分的测定

蛋白质含量的检测采用凯氏定氮法[7]。

必需氨基酸含量的检测采用自动氨基酸分析仪[8]。

脂肪含量的检测采用索氏提取法[9]。

维生素含量采用试剂盒检测[10]。

微量元素Ca 和Se 的检测采用原子吸收法[11-12]。

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果

2.1.1 白砂糖添加量对感官评分的影响

图2 白砂糖添加量对发酵小米乳感官评分影响Fig.2 Influence of the adding amount of sugar to fermentation millet milk flavor

由图2 可知，随着白砂糖添加量的增加，发酵小米乳感官评价得分先高后低，添加量为8%时，评分值最高。这说明，白砂糖添加量为8%时，产品可以得到酸甜适宜的口感，同时不至于过甜而掩盖小米乳特有的发酵风味[13]。

2.1.2 小米浆与牛乳配比对感官评分的影响

采用SAS8.2 统计系统进行分析，F=17 472.4，P＜0.000 1，说明不同的小米浆与牛乳配比对小米乳感官评分有显著的影响，由图3 可知，随着牛乳量的增加，评分值不断升高，当两者配比为2∶1、1∶1、1∶2时，评分值变化不大，差异不显著，而两者配比中小米浆的添加量降低到一定程度，评分值也随之降低。因此，选择小米浆与牛乳的配比2∶1、1∶1、1∶2 为正交实验的范围值进一步优化。

图3 小米浆与牛乳配比对发酵小米乳感官评分影响Fig.3 Influence of the ratio of millet pulp and milk to fermentation millet milk flavor

2.1.3 接种量对感官评分的影响

采用SAS8.2 统计系统进行分析，F=2 754.35，P＜0.000 1，说明不同的接种量对小米乳感官评分有显著的影响，由图4 可知，随着接种量增加，评分值不断升高，当接种量为2%、4%、6%时，评分值变化缓慢，差异不显著，而接种量继续增加，评分值也随之降低。因此，选择接种量2%、4%、6%为正交实验的范围值进一步优化。

图4 接种量对发酵小米乳感官评分影响Fig.4 Influence of the inoculation amount to fermentation millet milk flavor

2.1.4 发酵时间对感官评分的影响

采用SAS8.2 统计系统进行分析，F=1 597.69，P＜0.000 1，说明不同的发酵时间对小米乳感官评分有显著的影响，由图5 可知，随着发酵时间的增加，评分值不断升高，当发酵时间为8、9、10 h 时，评分值变化缓慢，差异不显著，而当发酵时间继续增加，评分值随之降低。因此，选择发酵时间8、9、10 h 为正交实验的范围值进一步优化。

图5 发酵时间对发酵小米乳感官评分影响Fig.5 Influence of the the fementation time to fermentation millet milk flavor

2.1.5 发酵温度对感官评分的影响

采用SAS8.2 统计系统进行分析，F=22 023.6，P＜0.000 1，说明不同的发酵温度对小米乳感官评分有显著的影响，由图6 可知，随着发酵温度的增加，评分值不断升高，当发酵温度为38、40、42 ℃时，评分值变化缓慢，差异不显著，而当发酵温度继续增加，评分值随之降低。因此，选择发酵温度38、40、42 ℃为正交实验的范围值进一步优化。

图6 发酵温度对发酵小米乳感官评分影响Fig.6 Influence of the the fementation temparature to fermentation millet milk flavor

2.2 正交实验结果

在单因素实验结果的基础上，采用正交实验进一步优化小米乳发酵条件和产品配方，实验编码表如表2 所示，实验安排及实验结果如表3 所示。

表2 因素水平表Table 2 Table of factors and levels

表3 实验安排以及实验结果Table 3 Design of experiment and its results

根据表3 中极差R 值的大小，进行因素影响程度的比较，发现A、B、C、D 四因素对实验的影响顺序为：A＞B＞C＞D，即小米浆与牛乳配比＞温度＞时间＞接种量。对表3 的实验结果进行方差分析，结果如表4所示。

表4 实验方差分析表Table 4 Variance analysis of the experiment

经方差分析可知：A 因素（小米浆与牛乳配比）对小米乳饮料的感官评定值的影响极显著，B 因素（温度）对评定值的影响显著，而C 因素和D 因素对实验无显著影响。由表2 和3 结果可知，最佳的工艺优化组合为A3B3C1D1，因此，发酵小米营养乳的最佳发酵条件为温度42 ℃、时间8 h、接种量2%，产品最佳配方为小米浆与牛乳配比为1∶2，白砂糖添加量8%。

2.3 发酵小米乳营养成分分析

发酵小米乳主要营养成分含量检测结果，以及与小米、牛乳和酸奶营养成分对比情况如表5 所示。将表5 中发酵小米乳与牛乳和酸奶的主要营养成分含量数据对比可知，发酵小米乳的主要营养成分几乎均高于牛乳和酸奶，其中由于小米中维生素A、维生素B1、维生素E 和Se 元素含量极高，因此与牛乳和酸奶相比，发酵小米乳中这四种营养素的含量分别提高了1.2 倍和1.0 倍、4.3 倍和6 倍、3.3 倍和6.5倍、14.8 倍和16.6 倍。将表5 中四种食品营养素含量与中国居民膳食营养素参考摄入量进行比较可知，发酵小米乳比小米、牛乳和酸奶的主要营养成分含量更接近于参考摄入量，其营养成分配比更趋于合理。

表5 主要营养成分含量Table 5 Content of main nutritional ingredient

研究发酵小米乳必需氨基酸含量检测结果，以及与小米、牛乳和酸奶中必需氨基酸含量对比情况如表6 所示。由表6 中可知，发酵小米乳必需氨基酸含量均高于酸奶中必需氨基酸含量，并且除苯丙氨酸、异亮氨酸和赖氨酸含量稍低于牛乳以外，其余5种必需氨基酸均高于牛乳。由于牛乳中赖氨酸含量高于小米，将两者混合发酵制成的发酵小米乳在一定程度上弥补了小米本身赖氨酸含量不足的缺陷[14]，使发酵小米乳产品必需氨基酸的含量和配比更接近于FAO/WHO 的推荐量，是一种必需氨基酸齐全、配比合理的优质蛋白质食品。

表6 八种必需氨基酸含量Table 6 Content of eight essential amino acids

3 结论

通过单因素和正交实验确定了发酵小米乳产品的最佳发酵条件和产品配方。其最佳发酵条件为温度42 ℃、时间8 h、接种量2%；产品最佳配方为小米浆与牛乳配比为1∶2，白砂糖添加量8%。

发酵小米乳主要营养成分和必需氨基酸齐全、配比合理。通过发酵小米乳营养成分含量的检测，以及与小米、牛乳和酸奶营养成分的对比可知，发酵小米乳营养成分和必需氨基酸齐全，含量丰富，其各营养素和必需氨基酸配比接近中国居民膳食营养素参考摄入量和FAO/WHO 推荐量，是一种理想健康的全营养食品，适宜各年龄段人群食用，尤其适合于老年人、婴幼儿及孕妇等人群食用[15]。

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