苦瓜麦芽混合汁饮料的发酵工艺研究

许晓梅,陶兴无,刘仁禄,娄亚军

(武汉轻工大学生物与制药工程学院,湖北武汉 430023)



苦瓜麦芽混合汁饮料的发酵工艺研究

许晓梅,陶兴无*,刘仁禄,娄亚军

(武汉轻工大学生物与制药工程学院,湖北武汉 430023)

本文采用酵母菌和乳酸菌两步发酵法制备苦瓜麦芽混合汁饮料,并通过单因素实验和响应面法优化确定了发酵工艺条件。结果表明,在苦瓜麦芽混合汁中接种4%(mL/mL)的啤酒酵母,于28 ℃发酵12 h,灭菌后再接种3%(mL/mL)保加利亚乳杆菌和植物乳杆菌的混合乳酸菌,36 ℃发酵23 h,所得发酵液的口感柔和,香气饱满,感官评分为86.50。

苦瓜汁,麦芽汁,发酵,响应面优化法

苦瓜中的苦瓜皂苷和多糖等活性物质具有降血糖、抗肿瘤和抗病毒的功效[1-3],麦芽也具有改善肠胃功能的功效[4],在养生保健倍受人们关注的社会背景下,开发苦瓜汁和麦芽汁饮料具有良好的前景。

苦瓜汁的苦味及麦芽汁的生青气味对饮料风味有很大的影响。目前的研究是将苦瓜汁或麦芽汁与其它果蔬原料复合或使用食品添加剂来改善风味[5-6],也有用苦瓜汁发酵制备酸奶[7-8]以及用麦芽汁发酵制备乳酸饮料[9-10]或果蔬格瓦斯饮料的研究报道[11-12]。在这些报道中,用发酵法祛除苦瓜汁或麦芽汁不良风味的有关研究较少,市场上尚未见相关产品面市。本文为了探讨发酵法提高感官质量的效果,采用酵母菌和乳酸菌两步发酵法制备苦瓜麦芽混合汁饮料,以期为相关产品开发提供借鉴。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

苦瓜市售新鲜绿色苦瓜;麦芽澳洲二棱大麦芽,由武汉轻工大学啤酒发酵实验室提供;啤酒酵母(Saccharomycescerevisiae)、保加利亚乳杆菌(Lactobacillusbulgaricus,简称Lb)和植物乳杆菌(Lactobacillusplantarum,简称Lp)均为武汉轻工大学生物工程实验室保藏菌种。

ZZ1305榨汁机佛山艾诗凯奇电器有限公司;FW100型高速粉碎机郑州科丰仪器设备有限公司;糖锤度计余姚市方桥实验仪表厂。

1.2实验方法

1.2.1研究技术路线苦瓜、麦芽分别制备苦瓜汁、麦芽汁→调配成苦瓜麦芽混合汁→灭菌(115 ℃,30 min)、冷却→接入酵母菌发酵→灭菌(70 ℃,10 min)、冷却→接入乳酸菌发酵→灭菌(70 ℃,10 min)、冷却、离心(5000 r/min,10 min)→上清液检测分析

在以上技术路线中,苦瓜汁参考文献[13-14]方法制备:苦瓜洗净,去籽去瓤,切成小块,放入70～80 ℃的水中漂烫3～4 min,沥干,加适量的水榨汁,得到的苦瓜汁加水调整糖度为2.5 Bx。麦芽汁按文献[15]方法制备,得到的麦芽汁加水调整糖度为12 Bx;苦瓜麦芽混合汁是将调整糖度后的苦瓜汁与麦芽汁按一定比例混合得到。

1.2.2菌种的驯化及种子液的制备将菌种活化后,接入到体积比为1∶9、2∶8、3∶7的苦瓜麦芽混合汁中依次逐级驯化培养,再制成种子液[16]。Lb和Lp分别进行驯化和种子液的制备,使用时再按Lb与Lp的体积比为2∶1的比例接种。

1.2.3苦瓜麦芽混合汁发酵工艺单因素实验单因素实验的基本条件为:在苦瓜麦芽混合汁中,先接入4%(mL/mL)的酵母菌种子液,28 ℃发酵12 h,70 ℃杀菌15 min,冷却后再接入3%(mL/mL)的乳酸菌种子液,37 ℃发酵24 h。选取苦瓜汁和麦芽汁的体积比、酵母菌接种量和发酵时间以及乳酸菌接种量、发酵时间和温度六个因素进行实验。改变其中一个条件,固定其他条件,分别考察苦瓜汁和麦芽汁的体积比(30∶70、25∶75、20∶80、15∶85、10∶90)、酵母菌发酵时间(8、12、16、20、24 h)、酵母菌接种量(1%、2%、4%、6%、8%、10%)、乳酸菌接种量(2%、3%、4%、6%、9%)、乳酸菌发酵时间(12、16、20、24、28、32 h)、乳酸菌发酵温度(32、37、42、45 ℃)对发酵液酸度及感官得分的影响。

1.2.4响应面法优化苦瓜麦芽混合汁发酵工艺在单因素实验的基础上,根据Box-Behnken中心组合实验设计原理,对酵母菌发酵时间、乳酸菌发酵温度和乳酸菌发酵时间三个因素进行三因素三水平实验设计,对发酵工艺进行优化,实验因素与水平见表1。

表1　因素与水平设计

1.2.5理化指标检测酸度:采用酸碱滴定法[17];糖度:溶液样品经过5000 r/min,离心10 min后,取上清液直接用糖锤度计测定[18]。

1.2.6感官评定将发酵液离心后取上清液进行感官评定[19-20],评定的指标有色泽、气味、滋味、组织状态四个方面。其中色泽20分、气味30分、滋味40分、组织状态10分,总评得分为四项得分之和(满分100分)。由10位受过培训的人员分别进行打分,取平均值作为最终的感官评分,评分标准见表2。

表2　感官评价标准

1.3数据处理

每个实验在相同的条件下重复三次,单因素实验用Excle软件进行数据处理与作图;响应面实验用Design-expert.V8.0.6.1软件进行实验设计、数据处理及作图。

2　结果与分析

2.1苦瓜麦芽混合汁发酵工艺单因素实验

预备实验结果表明,酵母菌单独发酵对发酵液的苦涩味并没有明显改善,但可以部分去除发酵液的青草气味;乳酸菌单独发酵能去除部分发酵液中的苦味[7-8]和青草气味[9]。而先用酵母菌发酵,再用乳酸菌进行二次发酵,比单用酵母菌或乳酸菌的效果要好得多。

2.1.1苦瓜汁和麦芽汁的体积比对感官评价及酸度的影响由图1可知,发酵液的感官评分随着苦瓜汁在混合汁中比例下降而增加。实验结果提示,苦味是引起感官评分下降的主要原因。当苦瓜汁和麦芽汁的体积比大于15∶85时,发酵液仍有苦味。由于苦味难以被多数人接受,为了使饮料口感上更大众化,确定以体积比为10∶90的苦瓜麦芽混合汁进行下一步的实验。

图1　苦瓜汁和麦芽汁的体积比对发酵液感官评价及酸度的影响Fig.1　Effect of volume ratio of bitter melon juice to wort on the sensory evaluation and the acidity

2.1.2酵母菌发酵时间对感官评价及酸度的影响由图2可知,发酵时间8 h以及超过16 h后,均比发酵12 h感官评分低。这是由于发酵时间短,香味较淡。发酵时间超过16 h后,苦味重,较涩口,这可能是酵母菌发酵消耗了过多的营养成分,不利于后期的乳酸菌代谢去苦及产酸。考虑到控制酵母菌的发酵程度对产品感官评分的影响比较突出,因此,选择酵母菌发酵时间12 h左右,进行下一步的优化实验。

图2　酵母菌发酵时间对发酵液感官评价及酸度的影响Fig.2　Effect of yeast fermentation time on the sensory evaluation and the acidity

2.1.3酵母菌接种量对感官评价及酸度的影响由图3可知,在实验范围内,接种量低于2%或超过6%,发酵液的感官得分均很低。接种量低于2%,杂味较明显,可能因为接种量过小,酵母菌生长繁殖所需时间较长,12 h的发酵程度不够;接种量超过6%,酵母菌生长过快,易老化从而影响产品风味,同时接种量过大,耗糖量大,影响后期乳酸菌发酵,最终使发酵液仍有较重的涩味和苦味。并且,当接种量达到10%时,酸度从85 °T减少到65 °T以下,对发酵液的口感产生不利影响。而酵母菌接种量在2%～6%的范围内,感官评分变化不大。因此,控制酵母菌接种量为4%左右为宜。在下面的实验中,将酵母菌接种量定为4%。

图3　酵母菌接种量对发酵液感官评价及酸度的影响Fig.3　Effect of yeast inoculation quantity on the sensory evaluation and acidity

2.1.4乳酸菌接种量对感官评价及酸度的影响由图4可知,当接种量在3%以下时,发酵液酸度随着乳酸菌接种量加大而增加较快,发酵液感官评分也有增加的趋势,这与文献[9]描述的相同。但是,在实验范围内,当接种量增加到3%以上时,酸度增加不明显,对发酵液感官评分影响也不大。从节省乳酸菌种子液培养成本等方面综合考虑,在下面的实验中,将乳酸菌接种量定为3%。

图4　乳酸菌接种量对发酵液感官评价及酸度的影响Fig.4　Effect of Lactobacillus inoculation quantity on the sensory evaluation and acidity

2.1.5乳酸菌发酵时间对感官评价及酸度的影响由图5可知,随着乳酸菌发酵时间的增加,发酵液酸度不断增加,但是发酵液感官评分却呈现先升后降的现象,这与文献[9]描述的相同。在实验范围内,乳酸菌发酵24 h时感官评分最高,此时,产品香气浓郁,无杂味,酸味适宜。超过28 h酸度虽然有所上升,但变化不大,说明发酵已接近尾声,继续延长发酵时间,细胞自溶可能导致风味变差。考虑到乳酸菌发酵时间对产品感官评分的影响比较突出,因此,选择乳酸菌发酵时间24 h左右,进行下一步的优化实验。

图5　乳酸菌发酵时间对发酵液感官评价及酸度的影响Fig.5　Effect of Lactobacillus fermentation time on the sensory evaluation and acidity

2.1.6乳酸菌发酵温度对感官评价及酸度的影响在发酵过程中,不同的发酵温度将导致微生物代谢途径的不同,产物也不同。温度较高时,菌种的发酵速度快,产酸多,产香味物质少而导致风味差;过低的发酵温度会使发酵时间延长,香味亦淡[10]。由图6可知,在本实验条件下,32～37 ℃是乳酸菌生长产酸较适宜的温度。当温度达到42 ℃以上时,菌种不仅产酸少,而且发酵液的感官评分快速下降。由于乳酸菌的发酵温度对感官评分和产酸的影响较大,因此,选择乳酸菌发酵时间37 ℃左右,进行下一步的优化实验。

图6　乳酸菌发酵温度对发酵液感官评价及酸度的影响Fig.6　Effect of Lactobacillus fermentation temperature on the sensory evaluation and acidity

表4　回归统计分析结果

注:**为p<0.01表明模型或考察因素有极显著的影响,*为p<0.05表明模型或考察因素有显著影响。

>2.2响应面法优化苦瓜麦芽混合汁发酵工艺

2.2.1响应面分析法优化实验结果及回归统计分析以酵母菌发酵时间(X1)、乳酸菌发酵温度(X2)和乳酸菌发酵时间(X3)为自变量,感官得分(Y)为响应值进行响应面实验,实验结果见表3,回归统计分析结果见表4。

表3　响应面实验结果

对表3的实验数据进行响应面回归分析,得到酵母菌发酵时间(X1)、乳酸菌发酵温度(X2)、乳酸菌发酵时间(X3)与感官得分(Y)之间的二阶拟合方程式为:

Y=85.36-9.12X1-2.85X2-0.88X3+1.40X1X2+3.55X1X3+0.75X2X3-29.48X12-9.48X22-6.08X32

通过回归统计分析(表4)可知,X1、X2、X1X3、X12、X22、X32对响应值感官评分的影响极显著;X3、X1X2对响应值感官评分的影响显著;X2X3对响应值感官评分的影响不显著。各因素对感官评价得分(Y)的影响次序是酵母菌发酵时间(X1)>乳酸菌发酵温度(X2)>乳酸菌发酵时间(X3)。

2.2.2响应面分析与优化通过上述回归方程所作的各因素的响应面图见图7～图9。

图7　酵母菌发酵时间和乳酸菌发酵温度对发酵液的感官评价影响的响应曲面Fig.7　Response surface for the effects of yeast fermentation time and lactobacillus fermentation temperature on the sensory evaluation

图8　酵母菌发酵时间和乳酸菌发酵时间对发酵液的感官评价影响的响应曲面Fig.8　Response surface for the effects of yeast fermentation time and lactobacillus fermentation time on the sensory evaluation

图9　乳酸菌发酵温度和乳酸菌发酵时间对发酵液的感官评价影响的响应曲面Fig.9　Response surface for the effects of lactobacillus fermentation temperature and lactobacillus fermentation time on the sensory evaluation

从图7～图9可以看到,三组响应面曲面图都向下,有极大值点,响应值(感官得分)随酵母菌发酵时间、乳酸菌发酵温度和乳酸菌发酵时间的增大都呈现出先增后降的趋势,三个因素在所选范围内能产生较好的响应值。其中,图7和图8曲面陡峭,说明酵母菌发酵时间和乳酸菌发酵温度、酵母菌发酵时间和乳酸菌发酵时间交互作用显著;图9曲面较为平缓,说明乳酸菌发酵温度和乳酸菌发酵时间交互作用不显著;与方差分析结果相符。

图7所示为固定乳酸菌发酵时间为零水平,酵母菌发酵时间和乳酸菌发酵温度对感官得分的影响以及两者之间的交互作用;感官得分随酵母菌发酵时间和乳酸菌发酵温度的增加呈先上升后下降的趋势,且酵母菌发酵时间上升的幅度较乳酸菌发酵温度稍陡峭,说明酵母菌发酵时间对感官得分的影响较乳酸菌发酵温度稍大。图8所示为固定乳酸菌发酵温度为零水平,酵母菌发酵时间和乳酸菌发酵时间对感官得分的影响以及两者之间的交互作用;感官得分随酵母菌发酵时间和乳酸菌发酵时间的增加呈先上升后下降的趋势,且酵母菌发酵时间的上升幅度明显大于乳酸菌发酵时间的上升幅度,说明酵母菌发酵时间对感官得分的影响较乳酸菌发酵时间较大。

2.2.3最佳发酵工艺条件的验证通过软件Design-expert.V8.0.6.1对二次回归方程进行求解,得到的最佳发酵工艺条件为:酵母菌发酵时间为11.33 h,乳酸菌发酵温度为36.16 ℃,乳酸菌发酵时间为23.37 h,预测的感官评分为86.42。

在验证实验中,考虑到实际操作的方便,将发酵工艺参数调整为:酵母菌发酵时间为12 h,乳酸菌发酵温度为36 ℃,乳酸菌发酵时间为23 h。以此工艺条件平行实验3次,结果表明,各样品最终平均感官得分为86.50,与预测值86.42相差0.08,说明此方程与实际情况拟合良好,即基于响应面法分析所得到的优化发酵工艺条件是可靠的。

3　结论

本实验以啤酒酵母、保加利亚乳杆菌及植物乳杆菌为菌种发酵苦瓜麦芽混合汁,采用酵母菌、乳酸菌两步发酵,赋予发酵液较好的气味和滋味。酵母菌发酵能祛除混合汁的生青气味,赋予其饱满的香味;乳酸菌发酵能改善苦瓜汁的苦味,赋予其柔和的酸感。在单因素实验基础上,利用响应面法优化了苦瓜麦芽混合汁发酵工艺。结果表明,在2.5 Bx苦瓜汁与12 Bx麦芽汁的混合汁(苦瓜汁与麦芽汁体积比为10∶90)中,接入4%的啤酒酵母种子液,于28 ℃发酵12 h,灭菌冷却后,接入3%的乳酸菌种子液(保加利亚乳杆菌种子液和植物乳杆菌种子液的体积比为2∶1),36 ℃发酵23 h,所得到的发酵液的口感柔和,香气饱满,感官得分为86.50。本研究结果对苦瓜麦芽饮料的技术开发具有指导价值。

[1]Krawinkel M,Keding G.Bitter gourd(Momordica charantia):a dietary approach to hyperglycemia[J].Nutrition Reviews,2006,64(7):331-337.

[2]Jilka C,Strifler B,Fortner G,et al.Invivoantitumor activity of the bitter melon(Momordica charantia)[J].Cancer Research,1983,43(11):5151-5155.

[3]Lee-Huang S,Huang P,Chen H,et al.Anti-HIV and anti-tumor activities of recombinant MAP30 from bitter melon[J]. Gene,1991,61(2):151-156.

[4]任嘉嘉.大麦食品加工及功能特性研究进展[J].粮油加工,2009(4):99-102.

[5]黄运凤,刘国凌.苦瓜苹果保健饮料的研制[J].安徽农业科学,2009,37(31):15403-15404.

[6]李爱江,张敏,辛莉.苦瓜汁保健饮料的工艺研究[J].安徽农业科学,2007,35(36):12018-12019.

[7]谢主兰,雷小凌.凝固性乳酸发酵苦瓜酸乳的研究[J].食品与机械,2003(2):21-22.

[8]崔蕊静,林茂宝,张梅申.豆奶中加入苦瓜汁生产酸豆奶的工艺研究[J].中国食品学报,2007,7(2):65-69.

[9]肖连冬,刘翠苹,陈艳洁,等.全麦芽汁乳酸菌发酵饮料的研制[J].江西食品工业,2010(3):19-21.

[10]韩珍琼,谭伟.果味麦芽汁乳酸饮料的研制[J].中国酿造,2004(9):36-40.

[11]唐军虎,潘阳,敬思群.红枣格瓦斯的研制[J].中国酿造,2010(4):180-183.

[12]罗斌,胡亚平,李海林,等.果蔬格瓦斯饮料的研制[J].保鲜与加工,2009,9(5):44-47.

[13]刘锐,赵翾.苦瓜汁的抑菌活性及其热稳定性研究[J].食品工业科技,2011,32(5):142-144.

[14]宋宇.热加工对苦瓜的抑菌作用[J].安徽农业科学,2007,35(5):1483-1483,1485.

[15]孙欣瑶.麦芽醋醋酸菌菌株筛选及发酵工艺条件优化[D].哈尔滨:东北农业大学,2013.

[16]汪枫.董英.乳酸发酵复合果蔬汁配方的研制[J].食品科技,2006(1):76-79.

[17]中华人民共和国卫生部.GB5413.34-2010.食品安全国家标准 乳和乳制品酸度的测定[S].

[18]董江清,林晓珊,林旭广,等.新型固定化酵母细胞发酵生产乙醇的研究[J].安徽农业科学,2011,39(24):15001-15002,15006.

[19]张爱霞,生庆海. 食品感官评定要素组成分析[J].中国乳品工业,2006,34(12):51-53.

[20]Harry T Lawless,Hildegrads Heymann著,王栋,李琦,华兆哲等译.食品感官评价原理与技术[M].北京:中国轻工业出版社,2001:318-331.

Study on the fermentation technology of the mixed juice drink of bitter melon juice and wort

XU Xiao-mei,TAO Xing-wu*,LIU Ren-lu,LOU Ya-jun

(College of Biotechnology and Pharmaceutical Engineering,Wuhan Polytechnic University,Wuhan 430023,China)

In this paper,the mixed juice drink of bitter melon juice and wort were prepared through two step fermentation by yeast andLactobacillus.The technical conditions of fermentation were determined by single factor experiment and response surface methodology.The results showed that the mixed juice was fermented for 12 h at 28 ℃ with 4%(mL/mL)inoculation quantity bySaccharomycescerevisiae,then inactivated and fermented for 23 h at 36 ℃ with 3%(mL/mL)inoculation quantity by the mixedLactobacillusofLactobacillusbulgaricusandLactobacillusplantarum. The fermented juice taste soft ,the flavor was abundant and full body,the sense evaluate were 86.50.

bitter melon juice;wort;fermentation;response surface methodology

2015-12-22

许晓梅(1989-),女,硕士研究生,研究方向:食品加工微生物的应用,E-mail:1009114398@qq.com。

陶兴无(1957-),男,教授,研究方向:发酵工程及食品加工,E-mail:txw141@126.com。

武汉轻工大学食品营养与安全研究院重大项目培育专项(2011Z01)。

TS275.1

B

1002-0306(2016)12-0195-06

10.13386/j.issn1002-0306.2016.12.029