复合牛蒡果蔬酵素饮料配方优化研究

◎ 王乃馨，丁 朋，丁 利，张 朋，李 超，李 文，苗敬芝，曹泽虹

（1.徐州工程学院食品（生物）工程学院江苏省食品资源开发与质量安全重点建设试验室，江苏 徐州 221018；2.天益食品（徐州）有限公司，江苏 徐州 221000）

牛蒡(Arctium lappaL.)是菊科两年生草本植物，分布广泛[1]。其直立茎是我国重要的经济植物，在我国江苏徐州等地区建立有种植基地，经济效益可观。牛蒡营养丰富，除含人体所必需的17种氨基酸，还具有大量的胡萝卜素、菊糖、纤维素、蛋白质、钙、磷、铁等维生素及矿物质[2-3]，是一种优良的药食两用植物，其保健价值正在慢慢被人们所认识和接受。酵素是一种以植物性材料为主、通过发酵制作成的功能性食品，原料来源丰富，菌菇、蔬菜、海藻、水果等均可使用。发酵过程添加红糖或白糖、特定发酵菌种，控温或者自然温度条件进行发酵。通过微生物的作用，酵素产品具有丰富的酶、次生代谢产物、小分子营养物质等易吸收、高活性物质[4-5]，具有一定的抗氧化性、抗炎、净化血液等作用[6-9]。因此，食用型酵素作为一种新型保健产品在日本以及我国台湾等地区已经被大众所认同，形成相对较成熟的供应链及市场。我国部分企业也开始关注该类产品的功效和产值，已经进行了相关产品开发研究和产业建设[10-11]。以牛蒡为主要原料，充分利用其药食两用特性，通过开发相关高保健、高营养的酵素产品，改变食用途径和产品形态，使人们能够更方便、高效吸收有效成分。同时，解决牛蒡自然生长过程中根茎老嫩不一、长时间存储牛蒡存在的根茎纤维化、未及时采收的老根、易老硬、口感差的问题。因此，开发牛蒡酵素等产品对这一经济植物的深加工、提升当地农产品附加值具有重要意义。酵素中的淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等酶活性、小分子物质的含量、抗氧化性、在发酵过程中活力会因菌种差异、发酵时间、温度、加工方式等发生变化，对酵素品质有明显影响，因此工艺流程研究具有重要应用价值和一定的理论意义。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

牛蒡、苹果、胡萝卜、枸杞、橘子、火龙果、芹菜、卷心菜、梨、西兰花、鲜山楂，均购自当地农贸市场，白糖购自当地超市；酿酒酵母、米曲霉，均为试验室自留菌种；酵母浸出物、胰蛋白胨、氯化钠、琼脂粉、葡萄糖，购自天津福晨化学试剂厂；三羟甲基氨基甲烷、乙二胺四乙酸二钠盐、邻苯三酚、盐酸等，均购自国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

5417R型离心机，德国Eppendorf；恒温摇床、恒温培养箱，上海新苗医疗器械制造有限公司；SX-500高压灭菌锅，日本TPMY公司；WFJ-756PC紫外可见分光光度计，上海精密科学仪器有限公司；阿贝折射仪，上海光学仪器五厂；PHS-3酸度计，上海世义精密仪器有限公司；GZX-DH 600-II电热恒温干燥箱，上海博讯实业有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 工艺流程

工艺流程，如图1所示。

图1 工艺流程图

1.3.2 操作要点

将牛蒡、苹果、梨、山楂、火龙果、枸杞、橘子、卷心菜、芹菜、西兰花和萝卜等各种新鲜材料洗净，按一定比例称重混合，在紫外灯下灭菌30 min，其中牛蒡、苹果、梨、火龙果、橘子需去皮，所有原料切成10 mm×10 mm×10 mm左右小块装入发酵罐中，按原料重量比例补白糖10%，无菌水与原料按体积重量比5∶1添加，混合均匀作为原料发酵液。按该发酵液体积添加菌种，添加量分别为酵母菌2%，米曲酶3%，混合均匀后28 ℃条件下控温发酵培养，并在发酵期间跟踪检测SOD酶活力、总酸及可溶性固形物含量。发酵结束后先用滤布滤去果蔬渣，进行风味调配后，再用0.22 μm滤膜除菌，灌装后密封，冷藏条件下保存。

1.3.3 原料配方试验

牛蒡果蔬酵素饮料原料中，牛蒡占总原料用量固定20.00%，苹果、梨、山楂、火龙果、枸杞、橘子、卷心菜、芹菜、西兰花及萝卜等其他材料占80.00%。由于不同果蔬成分差异较大，可能对发酵产品有明显影响，因此需设计配方试验找到最优配比。设定x1（山楂）、x2（枸杞）、x3（苹果）和x4（其他原辅料），以上4个参数之和为1（或约定于1）。每隔1天检测发酵液中SOD酶活力、可溶性固形物含量及总酸含量，以数据最高配方为最优。配方均匀设计表，见表1。

表1 原料配方试验因素水平表

1.3.4 饮料配方试验

以感官评分为响应值，研究酵素原液添加量、蜂蜜添加量、白糖添加量3个因素对酵素饮料感官的影响，剩余体积用无菌水补足。采用Design-Expert8.0软件进行Box-Behnken响应面试验设计[12]。具体因素水平，见表2。

表2 试验因素水平表

1.3.5 检测指标

①SOD值测定方法。依据GB/T5009.171-2003测定SOD酶活力。②可溶性固形物含量测定方法。采用阿贝折射仪测定发酵液中可溶性固形物含量。③总酸含量测定方法。根据GB/T 12456-2008测定样品总酸含量，以乙酸计。

1.3.6 感官鉴评标准

选定12人进行产品感官鉴评，根据评分准则表打分，各项评分结果求和后计算平均值，作为响应值录入软件进行计算，获得模型，得到最佳调配方案。评分准则见表3。

表3 酵素饮料感官评价的评分准则表

2 结果与分析

2.1 原料配比试验结果

2.1.1 SOD酶活力变化

通过分析图1发现，不同原料组成的SOD酶活力在发酵液中始终存在差异，可能是由于原料中成分的影响。虽然差异从一开始就存在，但这种影响并没有一直维持下去。根据检测结果，SOD活力表现较好的前3个配方为为1号、7号、3号，其中1号为最高，可达43.80 U/mL。

图1 不同配比对SOD酶活力影响图

2.1.2 可溶性固形物含量变化

分析图2可以发现，随着发酵时间延长，发酵液中可溶性固形物含量呈现由高到低再升高的趋势，这可能和原料在水中浸泡出可溶性物质被生物降解后再转化产生小分子物质有关。发酵时间结束后可溶性固形物含量较高的配方为7号、1号、5号，其中含量最高为配方7号，可达7.00%。

图2 不同配比对可溶性固形物含量变化影响图

2.1.3 总酸含量变化

通过分析图3可知，发酵过程中，各配方发酵液随发酵时间延长总酸含量均逐渐升高，在第8～10 d时到达峰值后趋于稳定并略有降低。发酵液总酸含量最高的配方为1号、4号、6号，其中总酸含量最高为1号，可达4.05 g/mL。

图3 不同配比对总酸含量变化影响图

综上考虑各实验结果，1号配方在SOD活力、总糖和总酸3个指标上都有较为出色的数据支撑，因而最终确定除牛蒡外的酵素原料中，山楂占60.30%、枸杞13.40%、苹果4.90%、其他水果蔬菜21.40%。

2.2 饮料配方试验结果

按照Box-Behnken试验设计所设计的因素水平表进行试验，选取12人遵循评分标准依次品尝打分，平均评分结果见表4，响应面试验结果方差分析表见表5。

表4 Box-Behnken试验设计感官鉴评得分表

表5 回归方程各项方差表

从表5可知，酵素原料配方条件优化试验模型中，0.01＜P值（0.036 9）＜0.05达到显著，失拟项P值（0.854 8）＞0.05达到不显著，说明了酵素原料配方条件优化试验模型和实际情况拟合度比较好，模型合理，能对酵素原料配方进行预测。其中一次项B（白糖添加量）对饮料风味影响达到极其显著，其余各项均不显著，图4各个因素交互作用等高线曲线也显示出了这一点。通过分析表5数据，可以得出迎合多数人口感要求的酵素饮料配方的二次回归拟合方程如下：

R1=33.612 5+52.256A+4.376 5B+1.332 5C-0.056AB+0.35AC+0.45BC-0.099 7A2-0.146 7B2- 2.226 75C2（其中，A为酵素添加量，B为白糖添加量，C为蜂蜜添加量，R1为感官评分）。

最终得到酵素饮料配方：酵素添加量13.65%，白糖添加量15%，蜂蜜添加量2.95%。此时感官鉴评的得分最高达到90.442 9分。经试验验证，此配方做出的饮料，感官鉴评酸甜可口、风味独特，色香味俱全。

图4 （a） 白糖添加量（B）和酵素添加量（A）对感官评分影响图

图4 （b） 蜂蜜添加量（C）和酵素添加量（A）对感官评分影响图

图4 （c） 蜂蜜添加量（C）和白糖添加量（B）图对感官评分影响图

3 结语

试验对牛蒡酵素饮料的原料配比和饮料配方进行了优化。原料配方试验中，针对SOD酶活力、固定物含量和总酸含量进行检测，最终得到发酵原料最佳配比为牛蒡20.00%、山楂48.24%、枸杞10.72%、苹果3.92%、其他水果蔬菜17.12 %。饮料配方试验主要考察酵素原液、白糖和蜂蜜添加量这3个因素，最终获得饮料最佳配方为酵素添加量13.65%，白糖添加量15%，蜂蜜添加量2.95%，可得到酸甜可口、风味独特的保健型酵素饮料。色泽明亮，口味独特，溶液澄清。从原料配方实验结果能够发现，不同种类、不同比例的原料组成对实验结果的影响是存在的。目前，国内商品化的酵素发酵原料多数为单一种类的果蔬，国际品牌中有采用几十种甚至上百种原料进行发酵的酵素产品。是否原料品种越多越好，特定主料的酵素是否存在特定成分差异，这些差异是否重要，有待进一步研究。