乳酸菌发酵芪楂功能泡菜的工艺优化及品质分析

范龙泉,杨钦萍,曹引

(山西工商学院,太原 030036)

泡菜风味清香,口感酸鲜脆爽,具有减腻开胃、消食减脂的营养特点[1-3],是典型的蔬菜发酵制品,其制作工艺主要有自然发酵、母水发酵和直投式乳酸菌发酵[4-5]。直投式乳酸菌发酵具有发酵周期短、便于标准化生产、产品质量稳定等优势[6],正在成为工业生产的主要方式,但也有研究表明,直投式乳酸菌发酵产品的风味和香气不如传统的自然发酵和母水发酵[7-8]。另外,随着膳食结构的调整、充足新鲜蔬菜的供应和消费者健康意识的提升,泡菜食盐含量高、亚硝酸盐含量高、食品卫生等问题逐渐凸显,使得民众的消费需求明显缩减[9-10]。因此,如何提升泡菜的风味和营养功能,打破“泡菜不健康”的观点,实现泡菜产品的提档增效和转型升级,成为泡菜工业生产面临的严峻挑战。

黄芪在我国有2 000多年的药用历史[11],被誉为“补气之要药”[12],收载于《中国药典》(2015年版),具有排毒生肌、补气养血、保肝利尿、降压降糖、抗肿瘤等功效[13-15]。黄芪在山西、内蒙古、甘肃等地也有着悠久的食用历史,主要方法有煲汤、炖肉、煮粥、火锅、泡酒、腌菜、泡茶等[16]。2002年卫生部发布通知明确了黄芪属于可用于保健的食品。2020 年1月国家卫生健康委员会与国家市场监督总局联合发布通知,将黄芪纳入既是食品又是中药材的生产经营试点工作,这为黄芪精深加工和黄芪相关功能食品的研发提供了重要的政策支持。山楂是药食同源物质,具有消食化积、开胃健脾、行气化瘀、减脂降压等功效[17-19],广泛用于鲜食、入药和食品加工[20]。有研究显示,黄芪和山楂搭配具有补中益气、祛湿化瘀、行气养血等功效[21—22]。吉林敖东延边药业股份有限公司以黄芪和山楂为主要原料研发了小儿芪楂口服液,用于治疗小儿厌食症脾胃气虚证,并未发现任何不良反应[23]。陆银[24]的研究表明,发酵黄芪和山楂复合物可促进乳酸菌繁殖,抑制致病菌生长,加入饲料中能提高动物生长性能,改善免疫功能。张萌[25]开展了山楂黄芪复合固体饮料的研制,结果表明产品具有较高的抗氧化活性。综上可知,利用黄芪和山楂开发功能性食品具有一定的可行性和广阔的市场前景。

本研究采用直投式乳酸菌发酵技术,将黄芪和山楂加入泡菜发酵体系中研发一款功能泡菜,以期提升泡菜的营养保健功能,降低亚硝酸盐、生物胺等有害产物和腐败微生物的污染。在单因素试验的基础上,以模糊数学感官评分为响应值,采用Box-Behnken试验设计得到最佳生产工艺条件,并对产品进行品质检测和分析,为促进泡菜功能化和创新性发展提供了重要的数据参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

黄芪:山西浑源万生黄芪开发有限公司,经鉴定属蒙古黄芪;山楂、新鲜大白菜、食盐:均为市售;乳酸菌发酵剂(植物乳杆菌、嗜酸乳杆菌、鼠李糖乳杆菌的混合菌剂):北京川秀科技有限公司。氢氧化钠、酒石酸钾钠、亚铁氰化钾、硫酸铜、葡萄糖、乙酸锌:天津市北辰方正试剂厂;盐酸萘乙二胺、对氨基苯磺酸:天津市科密欧化学试剂有限公司;乙酸、乙醇、盐酸、甲醇:国药集团化学试剂有限公司,以上试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

FW-100型高速万能粉碎机 北京永光明医疗仪器有限公司;752型紫外分光光度计 上海菁华科技仪器有限公司;PHS-3C型 pH计 上海雷磁仪器厂;YXQ-75SⅡ型高温灭菌锅、SW-CJ-2FD型超净工作台 上海博迅医疗生物仪器股份有限公司;SJIA05C型均质器 宁波双嘉仪器有限公司;SPX-250B型恒温培养箱 天津市泰斯特仪器有限公司。

1.3 泡菜制作工艺流程

黄芪、山楂处理:将山楂去核,切片,置于烘箱中烘干,分别称取黄芪和山楂片各10 g,于万能粉碎机中粉碎,加入100 mL蒸馏水,于超声萃取仪中萃取30 min,超声功率300 W,取上清液备用;白菜处理:将新鲜白菜去根、去老叶、去烂叶,洗净后切分,晾干至表面无水分残留,分别称取50 g样品装入玻璃密封罐中;泡菜液配制:用冷沸水配制一定质量浓度的食盐水,加入一定量的黄芪提取液、山楂提取液和混合发酵菌粉,混匀。按照料液比1∶2量取100 mL泡菜液装入玻璃密封罐中,完全淹没白菜样品;发酵:将泡菜罐密封,置于25 ℃恒温条件下发酵。

1.4 单因素试验

按照泡菜的制作工艺,以感官评分和亚硝酸盐含量为优化指标,对食盐添加量、菌种接种量、发酵时间、黄芪添加量、山楂添加量进行单因素试验。在预试验的基础上,固定菌种接种量0.2%、发酵时间5 d、黄芪添加量0.2%、山楂添加量4%,考察不同食盐添加量1%、2%、3%、4%、5%、6%(以白菜质量计,下同)对泡菜指标的影响;固定食盐添加量3%、发酵时间5 d、黄芪添加量0.2%、山楂添加量4%,考察不同菌种接种量0.05%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%对泡菜指标的影响;固定食盐添加量3%、菌种接种量0.2%、黄芪添加量0.2%、山楂添加量4%,考察不同发酵时间2,3,4,5,6,7 d对泡菜指标的影响;固定食盐添加量3%、菌种接种量0.2%、发酵时间5 d、山楂添加量4%,考察不同黄芪添加量0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%对泡菜指标的影响;固定食盐添加量3%、菌种接种量0.2%、发酵时间5 d、黄芪添加量0.2%,考察不同山楂添加量2%、3%、4%、5%、6%、7%对泡菜指标的影响;确定最适食盐添加量、菌种接种量、发酵时间、黄芪添加量和山楂添加量。

1.5 响应面优化试验

在以上单因素试验的基础上,选取对芪楂功能泡菜品质影响较显著的因素和水平,采用Design-Expert 8.0.6软件,根据Box-Behnken试验设计原理,以模糊数学感官评价得分为响应值,固定接种量为0.2%,选取食盐添加量、发酵时间、黄芪添加量、山楂添加量进行四因素三水平的响应面试验设计,试验设计因素与水平见表1。

表1 响应面试验因素水平表

1.6 泡菜感官评价标准

根据本课题组的评价方法[26]结合参考文献[27—28]稍作改进,评价标准见表2。为提高评分的可信度,泡菜样品不得做任何符号标记,评价组成员品评前30 min不得摄入刺激性食物,各成员独立品评,不得交谈讨论,样品间隔5 min并需温水漱口。

表2 泡菜感官评价标准

表3 各因素权重分布

1.7 模糊数学感官评价模型的构建

1.7.1 评价因素集和评语集的建立

设定泡菜感官评价因素集U,由滋味U1、气味U2、形态U3和色泽U4组成评价因素集,即U={U1,U2,U3,U4};设定泡菜感官质量评语集V,由优V1、良V2、中V3、差V4组成评语集,即V={V1,V2,V3,V4}。

1.7.2 权重集的确定

设定泡菜感官评价各因素权重集A,采用用户调查法和二元对比法确定各因素的权重[29-30],由10位专业感官评价人员独立对各因素的重要性进行投票,得到权重集A={A1,A2,A3,A4},其中A1,A2,A3,A4分别为评价因素滋味、气味、形态、色泽的权重,即A={0.32, 0.26, 0.22, 0.20}。

1.7.3 模糊矩阵的建立

邀请10位食品质量与安全专业的学生组成评价小组,根据感官评价标准,依次对样品进行评价,计算各因素在4个等级中的票数,各因素的票数除以感官评价人数,即得模糊转换矩阵R。综合隶属度L=R×A;感官评分Y=L×V。

1.8 品质分析指标测定

亚硝酸盐含量的测定采用紫外分光光度法,参考GB 5009.33—2016《食品国家安全标准 食品中亚硝酸盐与硝酸盐的测定》;总酸含量的测定采用酸碱指示剂滴定法;还原糖含量的测定采用直接滴定法;氨基酸态氮含量的测定采用比色法,参考SB/T 10213—1994《酱腌菜理化检验方法》;pH值采用pH计直接测定;乳酸菌数的测定参考GB 4789.35—2016《食品安全国家标准 食品微生物学检验 乳酸菌检验》;致病菌数参考GB 29921—2021《食品安全国家标准 预包装食品中致病菌限量》相关要求进行检测。

1.9 数据统计及分析

试验重复3次,均取得相似结果,数据结果表示为平均值±标准偏差。采用Design-Expert 8.0.6软件进行响应面试验分析;采用Microsoft Excel 2010软件进行整理和绘图。

2 结果与分析

2.1 芪楂功能泡菜工艺优化单因素试验

2.1.1 食盐添加量对芪楂功能泡菜感官评分和亚硝酸盐含量的影响

由图1可知,随着食盐添加量的增加,泡菜的感官评分呈先上升后下降的变化趋势,亚硝酸盐含量呈逐渐上升的趋势;当食盐添加量低于3%时,泡菜的口味清淡,汤色较浑浊;随着食盐添加量的增加,汤色逐渐清亮,当食盐添加量为3%时,感官评分最高,达到90.15分,亚硝酸盐含量为2.71 mg/kg,显著低于国家标准限量20 mg/kg,且泡菜质地嫩脆、香味浓郁;当食盐添加量高于3%时,泡菜的咸味增加,口感下降。因此,确定泡菜最适加盐量为3%。

图1 食盐添加量对泡菜感官评分及亚硝酸盐含量的影响

2.1.2 菌种接种量对芪楂功能泡菜感官评分和亚硝酸盐含量的影响

由图2可知,随着接种量的增加,感官评分整体呈先升后降的变化趋势,亚硝酸盐含量呈逐渐下降的趋势;当接种量低于0.2%时,泡菜的滋味淡薄;随着接种量的增加,酸度提升,当接种量达0.2%时,泡菜发酵较好,酸咸适中,此时感官评分最高,达到88.34分,亚硝酸盐含量为3.47 mg/kg;当接种量高于0.2%时,泡菜发酵进程加快,发酵5 d时口感下降,故确定泡菜的最适接种量为0.2%。

图2 菌种接种量对泡菜感官评分及亚硝酸盐含量的影响

2.1.3 发酵时间对芪楂功能泡菜感官评分和亚硝酸盐含量的影响

由图3可知,感官评分随发酵时间的延长呈先升后降的变化趋势,但在第4天后变化不明显,发酵第5天时,感官评分最高,达85.72分;亚硝酸盐含量随发酵时间的延长呈下降的趋势,发酵前5 d变化幅度较大,5 d后趋于平稳,约为3.41 mg/kg,故选择发酵4,5,6 d进行响应面优化试验。

图3 发酵时间对泡菜感官评分及亚硝酸盐含量的影响

2.1.4 黄芪添加量对芪楂功能泡菜感官评分和亚硝酸盐含量的影响

由图4可知,随着黄芪添加量的增加,泡菜的感官评分呈先上升后下降的变化趋势,亚硝酸盐含量呈下降的趋势,并逐渐趋于平稳。当黄芪添加量低于0.2%时,泡菜的光泽暗淡,气味淡薄;随着黄芪添加量的增加,光泽改善,当添加量达0.2%时,泡菜的风味独特,发酵香味浓郁,此时感官评分最高,达到88.91分,亚硝酸盐含量为3.07 mg/kg;当添加量高于0.2%时,泡菜中黄芪独特的豆香味明显。因此,最适黄芪添加量为0.2%。

图4 黄芪添加量对泡菜感官评分及亚硝酸盐含量的影响

2.1.5 山楂添加量对芪楂功能泡菜感官评分和亚硝酸盐含量的影响

由图5可知,随着山楂添加量的增加,感官评分明显上升,当添加量达到3%时,泡菜的光泽均匀,形态完整,酸咸适中,感官评分为90.34分,添加量达到4%时,感官评分最高,达91.13分;亚硝酸盐含量随着山楂添加量的增加呈逐渐下降的趋势,当添加量超过3%时,亚硝酸盐含量逐渐平稳。结合生产实际和经济效益,选择山楂添加量为3%、4%、5%作为响应面参数。

2.2 芪楂功能泡菜制作工艺优化响应面试验

2.2.1 响应面设计试验结果

根据单因素试验结果,确定菌种接种量为0.2%,以感官评分(Y)为响应值,选择对芪楂功能泡菜影响显著的4个因素,包括食盐添加量(A)、发酵时间(B)、黄芪添加量(C)、山楂添加量(D),进行四因素三水平的响应面优化设计试验。对29个试验组中各因素评价投票结果进行统计结果见表4,各组最终评分结果见表5。

表4 芪楂功能泡菜感官评价票数分布

表5 响应面试验设计与结果

根据表4,将试验组中各因素的票数除以总参评人数得到模糊转化矩阵,以试验组1为例,得到R1：

根据模糊数学计算原理和权重集,计算综合隶属度L1：

根据感官质量评语集,为得到准确的分值,将等级优、良、中、差分别赋值90,80,70,60,即V=(90,80,70,60),计算综合感官评分Y1：

Y1=L1×V=0.822×90+0.178×80+0×70+0×60=88.22,同理得Y2～Y29。

2.2.2 模型建立与方差分析

采用Design-Expert 8.0.6软件对表5中数据进行回归拟合,得到二次多项式回归模型:Y=88.67+0.73A+0.26B+1.58C+0.47D+0.17AB+0.89AC+0.38AD+1.74BC-0.71BD-0.94CD-2.26A2-2.80B2-2.74C2-2.16D2,回归模型方差分析见表6。

由表6可知,模型的P<0.000 1,说明模型极显著;失拟项的P=0.110 2>0.05,不显著,说明回归模型可靠。模型的决定系数R2=0.976 7,说明模型的拟合度较高。模型的调整系数RAdj2=0.953 5,模型的预测系数RPred2=0.875 5,说明模型具有较高的预测精确性,试验结果与模型预测值符合程度较高。变异系数C.V.=0.63%,说明模型具有较高的重现性。根据P值可知,一次项A、C、D,交互项AC、BC、CD及二次项A2、B2、C2、D2对响应值的影响极显著(P<0.01);交互项BD对响应值的影响显著(P<0.05)。根据F值可知,各因素对泡菜感官评分影响程度的大小为黄芪添加量(C)>食盐添加量(A)>山楂添加量(D)发酵时间(B)。

2.2.3 交互作用分析

响应面越陡峭、等高线越扁,表明两个独立变量的交互作用越强,对响应值的影响越显著[31]。由图6可知,响应面的陡峭程度为BC>CD>AC>BD>AD>AB,即发酵时间与黄芪添加量的交互作用响应面最陡峭,对泡菜感官评分的影响最大。该结果与表5中方差分析结果一致,即响应面和等高线图与P值结果一致,对泡菜感官评分的影响一致。

图6 各因素交互作用的响应面和等高线

2.2.4 最优工艺确定及验证

通过响应面模型预测芪楂功能泡菜的最佳工艺条件为食盐添加量3.24%、发酵时间5.17 d、黄芪添加量0.24%、山楂添加量3.02%,在此条件下,泡菜感官评分的理论预测值为89.08分。结合生产实际条件和经济效益,调整最佳工艺条件为食盐添加量3.2%、发酵时间5.1 d、黄芪添加量0.24%、山楂添加量3%,在此条件下,经3次平行验证试验,得到实际感官评分为(89.08±0.11)分,与预测值接近,说明该模型能指导芪楂功能泡菜的生产。

2.3 芪楂功能泡菜品质评价

对最佳工艺条件下制作的芪楂功能泡菜进行感官、理化和微生物指标检测,检测结果见表7。

表7 芪楂功能泡菜品质评价

由表7可知,此条件下泡菜汤的pH为3.45±0.22,表明发酵成熟,泡菜形态完整,酸咸适中,脆爽可口,光泽鲜亮,具有黄芪独特的豆香味和山楂的鲜香味,符合国内贸易行业标准的感官要求;其亚硝酸盐含量为(3.07±0.19) mg/kg,符合国家标准限量(≤20 mg/kg);总酸含量为(1.09±0.18) g/100 g,符合国内贸易行业限量标准(≤1.5 g/100 g);还原糖含量为(14.98±0.34) g/100 g,符合国内贸易行业限量标准(≥10 g/100 g);氨基酸态氮含量为(0.88±0.27) g/100 g,符合国内贸易行业限量标准(≥0.1 g/100 g);乳酸菌活菌数为7.39×108CFU/mL,符合轻工行业标准要求(≥108CFU/mL);未检出大肠菌群和致病菌,符合国家标准限量。

3 结论

本试验以白菜为主料,以黄芪、山楂为辅料,通过直投式乳酸菌发酵方式研制一款功能泡菜,采用模糊数学感官评价和响应面法相结合得到最佳生产工艺条件为食盐添加量3.2%、菌种接种量为0.2%、发酵时间5.1 d、黄芪添加量0.24%、山楂添加量3%。在此条件下泡菜形态完整,酸咸适中,脆爽可口,光泽鲜亮,发酵香味浓郁,且具有黄芪独特的豆香味和山楂的鲜香味,感官评分为(89.08±0.11)分,亚硝酸盐含量为(3.07±0.19) mg/kg,感官、理化、微生物指标均符合相关标准要求。本试验为泡菜工业发展提供了新思路。