一种玛卡发酵饮料的工艺设计

(枣庄学院　山东　枣庄　277000)

一、前言

(一)玛卡的概况

玛卡(Lepidium meyenii Walp.(Maca))属于十字花科(Cruciferae或Brassicaceae)独行菜属(Lepidium)的一种植物。叶子呈椭圆形，根茎形似小圆萝卜，营养成分非常丰富，是一种纯天然食品。原产地是位于南美的海拔距离3500-4500米的安第斯山区，现如今主要分布在秘鲁东南部城市Puno和Puna生态区，有红、白、黄、黑、紫5种类型。目前，玛卡作为保健食品已获得包括美国食品和药物管理局在内的多个世界各发达国家的相关部门认证，我国原卫生部也在2011年批准玛卡粉作为新型保健食品。自20世纪60年代初，关于玛卡化学成分的研究日益增多，分析内容也逐步系统化。据科学家分析，玛卡含有近59 %的碳水化合物、10 %左右的蛋白质、8.5 %的纤维素和含量不高的脂类化合物，以及高含量的矿质营养元素(如碘、铁、钾、镁、钠和钙等)，多种维生素(Vb1、Vb2、Vb12、Ve和Vc等)。此外，玛卡块茎中含有玛卡酰胺、玛卡烯、生物碱、芥子油苷、类固醇等主要次生代谢物。

(二)玛卡的研究现状

1.能够减轻负担，缓解自身焦虑

玛卡中的活性物质比如玛卡酰胺等对人体头部的脑垂体能够产生直接影响，具有适应原样的作用，在释放压力、缓解不良情绪、提高脑运动能力、提高人自身睡眠质量、保存体力等方面有显著的作用。

2.能提高人体免疫力

据科学家研究发现，玛卡能十分显著地降低疲劳小鼠血清中尿素的产生，增加小鼠肝糖原的储备量，对小鼠运动中血乳酸上升也显示出突出的抑制作用，并对小鼠运动后血乳酸消除促进作用十分明显。

3.可以增强体力，抗疲劳

玛卡块茎中富含多种氨基酸，其中本身包含的支链氨基酸可以有效减轻人体因运动产生的肌肉疲劳；微量元素锌有助于人体神经内分泌激素水平调节，提高抗疲劳能力；玛卡块茎中牛磺酸含量十分丰富，而且牛磺酸对脂类的吸收有较强效果，可以增强心肌运动能力。

4.能够调节内分泌，延缓身体衰老，调节性功能的作用

玛卡中所含有的多种生物碱对于人体的内分泌调节均具有显著作用；含有的甾醇和皂苷是多种激素的前体物质；对调节内分泌起作用的芥子油苷和异硫氰酸苄脂在玛卡中含量丰富，可以使中老年人身体的内分泌系统保持较稳定状态，身体组织的衰老速度也会放缓。玛卡块茎中特有的玛卡烯与玛卡酰胺这两种生物活性物质，可以有效地改善男女性功能，所含前列腺素和固醇对性荷尔蒙的分泌起到一定程度的调节与协助的功效，使人体分泌的性激素趋于正常状态。

(三)乳酸发酵饮料的发展状况

1.乳酸菌发酵饮料的种类

近年来，乳酸菌发酵饮料深受人们的喜爱。不仅与其独特的风味、老少皆宜的口感有关，更重要的是乳酸发酵饮料具有较高的营养价值和保健作用。从而导致诸多学者对乳酸发酵饮料的研究日益增多，乳酸发酵饮料的种类也随之增多。根据国家对于蛋白质含量不同的标准，可分为乳酸菌乳饮料和乳酸菌饮料。从饮料的组织形态上分为凝固型和搅拌型发酵饮料。从生产工艺上又分为分批式和连续式。

2.乳酸菌发酵饮料的发展现状

当今社会，人们消费水平的提高，人们的目光越来越多的聚焦到饮食健康和人体健康这两个方面。乳酸菌作为一种对人体有益的菌，把其加入食品中加工成对人体有益的保健食品以成为全世界保健食品行业的焦点话题。但是乳酸菌应该符合下列条件：对正常人肠上皮细胞具有吸附性，能够在人体消化道固定繁殖；产生抗菌物质；对致癌物具有拮抗作用；具有抗胃酸和胆汁酸盐能力；具有安全性；临床证实对健康有效。国外的乳酸发酵饮料已经拓展到果蔬型和稻谷物型乳酸发酵饮料等多个品种，这标志着乳酸菌发酵的原料范围不只局限在乳制品，原料的选择可以多样化。而且在欧美其他国家的乳酸发酵制品已经占总乳制品的绝大部分，但是在国内的占有率却十分有限。这表明我国的发酵产品具有一定的发展空间，潜力巨大。

(四)实验的目的及意义

玛卡是一种非常独特的高原农作物，含有对身体有益的多种营养成分和具有诸多药用成分，有强身健体、增强人体免疫力、缓解疲劳、提升男女生育能力等多种功效。从而逐渐被世界所关注、研究。现如今，以玛卡为原料生产的各种保健食品在欧美各国销量一路走红。

本实验以玛卡为主要原料，通过食用酒精浸提，用乳酸菌在适宜条件下发酵，在调配的单因素实验基础上进行正交实验优化，以求获得最佳的玛卡发酵饮料制作工艺，这不仅对食品科学和工艺有着很重要的参考价值，还可以提升玛卡的附加值。并对本实验进行工艺的设计、物料衡算、热料衡算和设备的选择。

二、实验方案

(一)实验结果

1.单因素实验结果分析

1.1槐花蜂蜜添加量对玛卡饮料的影响

在发酵液添加量30 %、柠檬酸添加量0.3 %、鲜橙多香精0.5 %的基础上，按照4.0 %、5.0 %、6.0 %、7.0 %、8.0 %的比例加入到玛卡发酵液后，感官评定：由图2-1可以看出，槐花蜂蜜在添加量为6 %时口感和质地最佳，继续添加蜂蜜时，甜味和酸味比例失衡。因此确定槐花蜂蜜的添加量为5.0 %～7.0 %为优化的考查范围。

1.2 柠檬酸的添加量对玛卡饮料的影响

在发酵液添加量30 %、蜂蜜添加量6 %、鲜橙多香精0.5 %的基础上，按照0.1 %、0.2 %、0.3 %、0.4 %、0.5 %的比例加入玛卡发酵液后，感官评定：由图2-2可以看出，柠檬酸的添加量在0.3%时口感最佳，酸度适宜，有玛卡特有的淡淡的味道，继续添加柠檬酸时，则酸甜味道的比例失衡。因此确定柠檬酸的添加量为0.2 %～0.4 %为优化的考查范围。

1.3 鲜橙多香精的添加量对玛卡饮料的影响

在发酵液添加量30 %、蜂蜜添加量6 %、柠檬酸0.3 %的基础上，按照0.3 %、0.4 %、0.5 %、0.6 %、0.7 %的比例加入玛卡发酵液好后，感官评定：鲜橙多香精添加量在0.5 %时风味最佳，香气适宜，继续添加时，则香精的味道过重，掩盖了原有玛卡的香气。因此确定鲜橙多香精的添加量为0.4 %～0.6 %为优化的考查范围。

2. 配方的确定

由调配的单因素实验分析结果得到玛卡发酵饮料的最佳配方为槐花蜂蜜添加量为6.0 %，柠檬酸添加量为0.3 %，鲜橙多香精的添加量为0.5 %。在此最佳配方下进行的正交试验结果分析所得，三个因素对调配方案的指标影响程度依次为柠檬酸的添加量、蜂蜜的添加量、香精的添加量。

三、工程设计

(一)物料衡算

云南玛卡作为一种一年一熟的高原作物，因其收获次数的特殊性而受到限制导致玛卡发酵饮料只能作为一种季节性的饮料产品。故本次以云南会泽地区的玛卡成熟季节12月份来生产，以月产40吨玛卡发酵饮品，每月工作20天进行计算。

1. 玛卡发酵饮品的配方

玛卡提取液15.0 %，蜂蜜添加量为6.0 %，柠檬酸添加量为0.3 %，鲜橙多香精0.5 %，CMC-Na添加量为0.03 %，乳酸菌接种量为3.0 %，水添加量75.0 %。

2.玛卡发酵饮品的物料衡算

玛卡用量：玛卡发酵饮料月产40吨，月消耗玛卡：40 000kg×15%×15%=900 kg。将玛卡粉碎成粉末质量耗损为6.0 %，则需要玛卡原料为954 kg。

班产玛卡发酵饮料2 000 kg为计算单位：

(1)设定装瓶过程中工艺损失为1.0%，则装瓶损失前的物料量为

2 000÷0.99=2 020.20 kg

蜂蜜占6.0 %，即2 020.20×8%=161.61 kg

柠檬酸占0.3 %，即2 020.20×0.3%=6.06 kg

鲜橙多香精占0.5 %，即2 020.20×0.5%=10.10 kg

发酵剂占3.0 %，即2 020.20×3.0%=60.60 kg

则混合配料前的物料量为：

2 020.20-161.61-6.06-10.10=1 842.43 kg

(2)设定发酵过程的工艺损失为0.3 %，则发酵损失前的物料量为：

1 842.43÷0.97-60.60=1 781.83 kg

(3)设定冷却过程的工艺损失为0.1 %，则冷却损失前的物料量

1 781.83÷0.99=1 799.82 kg

(4)设定杀菌过程的工艺损失为0.2 %，则杀菌损失前的物料量为

1 799.82÷0.98=1 836.55 kg

(5)设定浸提过程中提取率为15.0 %，则浸提前的物料量为

1 886.69×0.15=275.4 kg

(6)设定过滤过程中工艺耗损为0.082 %，则过滤前的物料量为

275.4÷0.918=300.0 kg

(7)与30%食用酒精混合的比例为1：3，则混合前所需的玛卡原料为

300.0×0.25=75.0 kg

则生产2000kg成品饮料需总物料量为：

75.0+161.61+6.06+10.10+60.60=313.37 kg

其中玛卡粉末75.0 kg，蜂蜜161.61 kg，柠檬酸6.06 kg，鲜橙多食用香精10.10 kg，乳酸菌60.60 kg。

3.包装衡算

已知玛卡发酵饮料月产40吨，每月生产玛卡发酵饮料的工作日20天，设定一天为一班制，每班工作时间为8小时。

故全月成产玛卡发酵饮料班次：20×1=20 班次

每班次生产量=Q÷K=40÷20=2 t/班

每小时生产量=Q÷h=40÷(20×8)=0.25 t/h=250 kg/h

按每瓶0.25kg计算，每千克饮品消耗饮料瓶=1÷0.25=4 瓶

每班消耗用饮料包(包/班)=单位饮品消耗包装饮料瓶×班产量×(1+0.1%耗损率)=4×250×8×1.1=8 800 包/班

采用PET食品饮料瓶包装，采用纸箱装箱，每箱20包，箱数为

8 800÷20=440箱

(二)设备选型

设备选型应符合加工工艺要求,应将物料衡算作为衡量的标准。设备选型的好坏直接影响产品质量的高低，是体现生产水平的标准而且必须充分利用厂区空间。设备选型为动力配电、水、汽用量计算提供依据。选取的设备尽可能具备高程度的机械化和自动化，节约人工劳动，符合卫生要求。对于生产中关键设备除按实际生产能力所需的台数配备外，还应考虑备用设备。若几种产品都需要的共同 设备，应按处理量最大的品种所需的台数确定。

(三)热量衡算

1.用水量衡算

生产车间用水主要是清洗玛卡、加水浸提、饮料调配、冷却用水、清洗设备和地面等，其中清洗玛卡用自来水，生产用水均采用经处理过后的自来水。

①清洗玛卡：每班需要对75 kg干玛卡进行清水冲洗，设定1 kg干玛卡需要10 kg进行清洗，清洗玛卡用水量W1=75.0×10=750 kg

②加水浸提：W2=30 %食用酒精稀释所用的净化水为(75×9)-(75×9×0.3÷0.95)=462 kg

③饮料调配：生产2 000 kg玛卡发酵饮料，其中纯净水的比例为75 %，W3= 2 000×0.75=1 500 kg

④冷却用水：班产饮料2 000 kg，冷却用水4 000 kg

⑤设备清洗：

式中：d-清洗设备进水管的内径(m)

v-水在管道内的流速(m/s)

t-清洗设备使用时间(s)

ρ-水的密度(kg/m3)

根据食品工业用水标准，取车间内水管的内径=70 mm，v=2.5 m/s，主要设备每次用后都要清洗，每班2次，5分钟每次，耗时2×5=10分钟，而发酵罐每班清洗约20分钟，加上其他设备约20分钟，所以估算耗时=10+20+20=50 min=3 000 s

⑥冲洗地面用水量：冲洗地面耗水量W5：一般情况下，每平方米地面用50kg，车间总面积1000m2。因此地面清洗用水为W5=50×1000=50 000kg

综上所述：每班总耗水W=85 569.9 kg

2.用电衡算

工厂的实际运行需要供电支持，因此应对该工厂用电设备的实际耗电量进行统计计算。计算方法骤如下(以班产量计算)：

① 根据全设备功率估计用电量，设定设备使用率75 %，则设备总用电量：E1=100.54×0.75×8=603.24 kw·h

② 采光不足或夜间时照明用电，若按5 w/m2计算，则照明用电E2=1 000×5×8=40 kw·h

故总用电量为643.24 kw·h。

结语

本产品是一种乳酸发酵饮料，依靠乳酸菌发酵产生多种益于人体的氨基酸、维生素、酶，以此来提高发酵制品的营养价值。作为一种饮品，国内以玛卡为主原料进行发酵研制饮料的工艺并不多见，多以辅料进行添加，进而生产有玛卡风味的果酒、奶昔等产品，或仅进行玛卡粉的生产，产品较为单一，开发市场十分巨大。本次玛卡发酵饮品的开发，不仅能够使玛卡的生物成分较充分的利用，而且通过调配将玛卡浓郁的味道进行稀释到是消费者能够接受的程度。该产品的出现，对国内玛卡市场的开拓影响必定不俗。