响应面法优化益生菌发酵香蕉金针菇饮料的工艺研究

郗恩光,谭海生,杨劲松*,鞠雪莉,崔坤鹏,郭海阳,李晓雷

(1.海南大学 食品学院,海南 海口 570228;2.海南大学 材料与化工学院,海南 海口 570228)

香蕉(Musa nana Lour)为芭蕉科芭蕉属植物,主要生长在热带地区。亚洲东南部国家种植较多,我国的台湾、海南、广东、广西等地区均有栽培[1]。其果肉味香、营养丰富,还含有多种矿物质元素及维生素[2]。香蕉味甘性寒,可清热、解毒、润肠、利尿、消肿,促进肠胃蠕动,具有较高的食疗价值和医用价值,对于便秘、痔疮出血症等疾病具有良好的效果[3-5]。

金针菇(Flammulina velutiper)又称朴菇、金菇、冬菇、毛柄金钱菌、构菌等,隶属担子菌亚门层菌纲伞菌目口蘑科小火焰菌属或金钱菌属[6-7]。其含有丰富的营养物质,具有较高的药用价值和营养价值。金针菇多糖能抗癌、降低胆固醇[8-9];蛋白质含量高且质量好。金针菇还含有火菇素和构菌蛋白原等抗肿瘤的蛋白类物质[10-11];金针菇中含有18种氨基酸,其中8种人体必需氨基酸齐全[12],尤其是赖氨酸和精氨酸含量较高。

近年来,随着人们生活水平的持续提高和消费观念的不断改变,人们在饮食方面发生了很大的变化,对健康和营养日趋重视,在选择食品时逐渐偏向于选择营养更加全面、更加健康的食品,将香蕉和金针菇进行搭配,既包含了香蕉中丰富的营养物质及果香,又包含了金针菇中丰富的氨基酸及金针菇的清香,因其具有独特风味、芳香可口、营养丰富以及含有多种对人体有益的维生素而深受广大消费者的青睐,市场前景广阔。因此,不断研发新型乳酸发酵饮料已成为行业发展的一大趋势。复合益生菌由多种益生菌组成,每种益生菌有不同的功效,将多种功效结合在一起的复合益生菌要优于单种益生菌发酵。所以由复合益生菌发酵的香蕉金针菇饮料必将受到人们的青睐。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

香蕉、金针菇、蔗糖:市售;植物乳杆菌(Lactobacillus plantarum)HN1、J1,副酪乳杆菌(Lactobacillus paracasei)YLC92:海南大学食品学院实验室;MRS培养基:北京陆桥技术有限责任公司;羧甲基纤维素钠(carboxymethylcellulose-Na,CMC-Na)、黄原胶、卡拉胶:浙江多味化工食品有限公司。

1.2 仪器与设备

SW-CJ-17-D超净工作台:苏州佳宝净化工作设备有限公司;DHG-9203A电热恒温鼓风干燥箱:宁波江南仪器厂;SKP-01电热恒温培养箱:湖北省黄石恒丰医疗器械有限公司;PhS-3E型pH计:上海雷磁仪器厂;PL303电子天平:梅特勒托利多仪器(仪器)有限公司;BCD-201D容声冰箱:海信容声(广东)冰箱有限公司;MDF-382E(N)超低温冰箱:日本三洋公司YM50FGN全自动高压灭菌锅:上海沪誉贸易有限公司。

1.3 方法

1.3.1 香蕉金针菇饮料的工艺流程及操作要点

(1)香蕉汁的制备

香蕉去皮后切成1 cm小段,放入护色液(柠檬酸∶维生素C=2∶1)中,密封护色0.5 h[15-16]。将护色好的香蕉段于95℃热水中热烫5 min。将热烫冷却后的香蕉按规定料液比1∶2(g∶mL)进行打浆,打浆0.5 min,将香蕉匀浆先过滤,再用循环水式真空泵抽滤得香蕉汁,备用。

(2)金针菇汁的制备

挑选新鲜的金针菇,清洗后按料液比为1∶2(g∶mL),加水煮沸5 min,以防止氧化褐变。将浸提液和金针菇置于打浆机中打浆2～3 min,打浆后将金针菇匀浆放入冰箱冷冻,解冻后将金针菇匀浆先用纱布过滤,再用循环水式真空泵抽滤得金针菇汁,备用[17]。

(3)杀菌:水浴85℃保温5 min。

(4)冷却至37℃接种。

(5)发酵:37℃恒温发酵。

1.3.2 香蕉金针菇饮料发酵条件优化单因素试验

分别考察香蕉金针菇汁配比(1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1(mL∶mL)),发酵剂接种量(HN1∶J1∶YLC92=1∶1∶1)(1%、2%、3%、4%、5%),蔗糖添加量(2%、4%、6%、8%、10%),发酵时间(4 h、8 h、12 h、16 h、20 h、24 h),发酵温度(29℃、33 ℃、37℃、41℃、45℃)对香蕉金针菇饮料感官评分的影响。

1.3.3 香蕉金针菇饮料发酵条件优化响应面试验

依据单因素试验结果,以香蕉金针菇汁配比(A)、发酵剂接种量(B)、蔗糖添加量(C)为3个因素,感官评分(Y)为响应值,选择采用Box-Behnken响应面设计法进行优化[18-20]。响应面试验因素水平见表1。

表1 香蕉金针菇饮料发酵条件优化响应面试验因素与水平Table1 Factors and levels of response surface methodology for banana and Flammulina velutipes beverage fermentation conditions optimization

1.3.4 香蕉金针菇饮料稳定性试验

分别考察CMC-Na添加量(0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%)、卡拉胶添加量(0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%)、黄原胶添加量(0.01%、0.02%、0.03%、0.04%、0.05%)对香蕉金针菇饮料感官品质的影响。

1.3.5 测定方法

(1)乳酸含量:按照参考文献[21]的方法进行测定。

(2)感官评价:由10名食品学院老师及同学依据感官评分标准表对饮料进行感官评分,感官评分标准见表2。

表2 香蕉金针菇饮料感官评分标准Table2 Sensory evaluation standards of banana and Flammulina velutipes beverage

(3)微生物指标:按照参考文献[22]的方法进行测定。

图1 香蕉金针菇汁配比对饮料感官品质的影响Fig.1 Effect of banana and Flammulina velutipes juice ratio on sensory quality of the beverage

2 结果与分析

2.1 发酵条件单因素试验结果

2.1.1 香蕉金针菇汁配比对香蕉金针菇饮料感官品质的影响

由图1可以看出,香蕉金针菇饮料的感官评分随主料香蕉汁比例的增加呈现先升高后降低的趋势,当香蕉金针菇汁配比为4∶1(mL∶mL)时感官评分最高,达到92分;香蕉金针菇饮料中乳酸的含量随香蕉汁比例的增大呈现先升高后降低的趋势,当香蕉金针菇汁配比为4∶1(mL∶mL)时乳酸的含量最高,达到7.2 g/L。当香蕉汁的添加量逐渐增加时,乳酸菌发酵营养物质效率逐渐增高,同时乳酸的含量也逐渐增加,风味逐渐浓郁;当香蕉汁的添加量过量时,乳酸菌不能有效的发酵香蕉汁中的营养物质,导致饮料的风味较差和乳酸的含量较低。因此,最佳香蕉汁金针菇汁配比为4∶1(mL∶mL)。

2.1.2 发酵剂接种量对香蕉金针菇饮料感官品质的影响

图2 发酵剂接种量对饮料感官品质的影响Fig.2 Effect of starter inoculum on sensory quality of the beverage

由图2可以看出,香蕉金针菇饮料的感官评分随发酵剂接种量的增加呈现先升高后降低的趋势,当接种量为4%时感官评分最高,达到93分;香蕉金针菇饮料的乳酸含量随接种量的增加而增加,当接种量＞4%之后,乳酸菌产生的乳酸也会过高,会严重影响饮料的口感风味。因此,最佳的接种量为4%。

2.1.3 蔗糖添加量对香蕉金针菇饮料感官品质的影响

图3 蔗糖添加量对饮料感官品质的影响Fig.3 Effect of sucrose addition on sensory quality of the beverage

由图3可以看出,香蕉金针菇饮料的感官评分随蔗糖添加量的增加呈现先升高后降低的趋势,当蔗糖添加量为6%时感官评分最高,达到92分;香蕉金针菇饮料中乳酸的含量随蔗糖添加量的增加呈现先升高后降低的趋势,当蔗糖添加量为6%时乳酸含量最高,达到7.47 g/L。当蔗糖添加量逐渐增加时,饮料中的营养物质丰富,乳酸菌发酵彻底,乳酸逐渐增加,风味越好;当蔗糖添加量＞6%之后,会影响乳酸菌的生长,乳酸含量降低,风味变差。因此,最佳的蔗糖添加量为6%。

2.1.4 发酵时间对香蕉金针菇饮料感官品质的影响

图4 发酵时间对饮料感官品质的影响Fig.4 Effect of fermentation time on sensory quality of the beverage

由图4可以看出,香蕉金针菇饮料的感官评分随发酵时间的延长呈现先升高后降低的趋势,当发酵时间为20 h时香蕉金针菇饮料的感官评分最高,达到93分;香蕉金针菇饮料的乳酸含量随发酵时间的延长逐渐增加。发酵时间短,乳酸菌的菌量少且发酵不完全,当发酵较完全时,乳酸的含量较高,此时会影响饮料的风味口感。因此,最佳的发酵时间为20 h。

2.1.5 发酵温度对香蕉金针菇饮料感官品质的影响

图5 发酵温度对饮料感官品质的影响Fig.5 Effect of fermentation temperature on sensory quality of the beverage

由图5可以看出,香蕉金针菇饮料的感官评分随发酵温度的升高呈现先升高后降低的趋势,当发酵温度为37℃时感官评分最高,达到93分;香蕉金针菇饮料的乳酸含量随发酵温度的升高呈现先升高后降低的趋势,当发酵温度为37℃时乳酸含量最高,达到7.56 g/L。当温度较低时,乳酸菌的活性较低,不能完全发酵营养物质,感官评分较低;当温度过高时,高温会抑制乳酸菌的生长,乳酸菌不能完全发酵营养物质,感官评分较低,乃有在适宜的温度条件下发酵,乳酸菌发酵较为彻底,风味最好。因此,最佳的发酵温度为37℃。

2.2 发酵条件优化响应面试验结果

根据单因素试验结果,选择香蕉金针菇汁配比(A)、发酵剂接种量(B)和蔗糖添加量(C)进行3因素3水平的Box-Behnken中心组合试验设计,共计17次试验,结果如表3所不。

表3 香蕉金针菇饮料发酵条件优化响应面试验设计方案与结果Table3 Design and results of response surface methodology for banana and Flammulina velutipes beverage fermentation conditions optimization

利用Design-Expert8.0.6分析软件对试验结果进行多元回归分析,得到感官评分(Y)的预测模型:

由表4可知,P＜0.0001,说明模型回归方程各因素关系极显著;失拟项=0.2740＞0.05,失拟项不显著,说明模型回归方程能够反映感官评分与各因素的关系;同时R2=0.9742,R2Adj=0.941 0,说明该模型回归方程合理有效。从表4可以看出,A、C、AC、A2、B2、C2对应的P＜0.01,对感官评分影响极显著;B、AB对应的P＜0.05,对感官评分影响显著;BC对感官评分影响不显著。根据表中各因素的F值的大小可以看出,各因素对感官评分的影响顺序为蔗糖添加量(C)＞香蕉金针菇汁配比(A)＞发酵剂接种量(B)。

表4 响应面试验结果方差分析Table4 Variance analysis of response surface methodology results

由图6可知,香蕉金针菇饮料的感官评分随香蕉金针菇汁配比的增加呈现先上升后下降的趋势,随接种量的增加呈现向上升后下降的趋势。当接种量是定值,香蕉金针菇汁配比较低或较高时,感官评分较低,这是因为主辅料较低或较高时,饮料中的一种原料香气过高,覆盖了另一种原料的香气,所以感官评分较低。当香蕉金针菇汁配比是定值,接种量过低或过高时,感官评分同样较低,这是因为接种量过低时,乳酸菌不能完全发酵香蕉金针菇汁中的营养物质,缺乏乳酸风味;接种量过高时,乳酸菌基数较大,发酵速度较快产生大量乳酸,过高的乳酸也会影响口感,所以也影响感官评分。响应面曲面较陡,说明香蕉金针菇汁配比和接种量对饮料的感官评分影响较大,与方差分析结果一致。香蕉金针菇饮料的感官评分随香蕉汁的增加呈现先上升后下降的趋势,随含糖量的增加呈现向上升后下降的趋势。当蔗糖添加量是定值,香蕉金针菇汁配比较低或较高时,感官评分较低,这是因为主辅料较低或较高时,饮料中的一种原料香气过高,覆盖了另一种原料的香气,所以感官评分较低。当香蕉金针菇汁配比是定值,含糖量过低或过高时,感官评分同样较低,这是因为蔗糖添加量过低时,乳酸菌产生的乳酸会覆盖糖的味道,饮料会偏酸影响口感;蔗糖添加量过高时,糖的味道会覆盖乳酸的味道,饮料会偏甜也会影响口感,所以也影响感官评分。响应面曲面较陡,说明香蕉金针菇汁配比和蔗糖添加量对饮料的感官评分影响较大,与方差分析结果一致。随着接种量的不断增加感官评分呈现先上升后下降的趋势,随蔗糖添加量的增加呈现向上升后下降的趋势。当蔗糖添加量是定值,接种量较低或较高时,感官评分较低,这是因为接种量过低时,乳酸菌不能完全发酵香蕉金针菇汁中的营养物质,缺乏乳酸风味;接种量过高时,乳酸菌基数较大,发酵速度较快产生大量乳酸,过高的乳酸也会影响口感,所以也影响感官评分。当接种量是定值,含糖量过低或过高时,感官评分同样较低,这是因为含糖过低时,乳酸菌产生的乳酸会覆盖糖的味道,饮料会偏酸影响口感;含糖量过高时,糖的味道会覆盖乳酸的味道,饮料会偏甜也会影响口感,所以也影响感官评分。响应面曲面较陡,说明发酵剂接种量和蔗糖添加量对饮料的感官评分影响较大,与方差分析结果一致。

图6 香蕉金针菇汁配比、接种量与蔗糖添加量交互作用对饮料感官品质影响的响应曲面和等高线Fig.6 Response surface plots and contour line of effects of interaction between banana and Flammulina velutipes juice ratio,inoculum and sucrose addition on sensory quality of the beverage

经Design-Expert8.0.6分析,香蕉金针菇饮料的最佳工艺条件为香蕉金针菇汁配比3.9∶1,发酵剂接种量4.19%,蔗糖添加量5.45%,发酵时间20 h,发酵温度37℃,此时香蕉金针菇饮料的感官评分的预测值为91.86,乳酸含量的预测值为7.30 g/L。为了方便实际操作,将最佳工艺条件变更为香蕉汁与金针菇汁比例为4∶1,发酵剂接种量为4%,蔗糖添加量5.5%,发酵时间20 h,发酵温度37℃。验证试验结果表明,此时香蕉金针菇饮料感官评分为93分,乳酸含量为7.21g/L,证实该工艺配方的试验结果与模型得出的最佳工艺条件的试验结果相当,证明响应面法可以有效的分析出香蕉金针菇饮料的最佳工艺,具有有效性。

2.3 香蕉金针菇饮料稳定剂添加量优化单因素试验

2.3.1 CMC-Na添加量对香蕉金针菇饮料感官品质的影响

图7 CMC-Na添加量对饮料感官品质的影响Fig.7 Effect of CMC-Na addition on sensory evaluation of the beverage

由图7可知,随着CMC-Na添加量的增加,感官评分呈先上升后下降的趋势。当添加量为0.05%时,感官评分为84分,此时香蕉金针菇饮料的分层现象明显;当添加量为0.20%时,感官评分最高,为95分,且稳定效果好,无分层现象。当添加量＞0.20%之后,感官评分下降,可能是因为随CMC-Na添加量的增加,香蕉金针菇饮料的黏度增加,会影响金针菇饮料的口感。因此选择CMC-Na添加量为0.20%。2.3.2黄原胶添加量对香蕉金针菇饮料感官品质的影响

图8 黄原胶的添加量对饮料感官品质的影响Fig.8 Effect of xanthan gum addition on sensory evaluation of the beverage

黄原胶具有良好的耐酸性和耐热性,但透明性不太好,使用浓度不要超过0.3%,否则会出现挂壁糊状现象,影响外观与口感。由图8可知,随着黄原胶添加量的增加,感官评分呈先上升后下降的趋势。当黄原胶添加量＜0.04%时,香蕉金针菇饮料有分层现象;当添加量为0.04%时,感官评分为94分,此时香蕉金针菇饮料无分层现象;当添加量＞0.04%之后,感官评分下降。因此选择黄原胶添加量为0.04%。

2.3.3 卡拉胶添加量对香蕉金针菇饮料感官品质的影响

图9 卡拉胶添加量对饮料感官品质的影响Fig.9 Effect of carrageenan addition on sensory evaluation of the beverage

由图9可知,随着卡拉胶添加量的增加,感官评分呈先上升后下降的趋势。当卡拉胶添加量＜0.4%时,香蕉金针菇饮料有分层现象;当添加量为0.4%时,感官评分为96分,此时香蕉金针菇饮料无分层现象;当添加量＞0.4%之后,感官评分下降。因此选择卡拉胶添加量为0.4%。

2.4 微生物指标的测定结果

细菌总数为12CFU/g≤100CFU/g,大肠杆菌数≦3MPN/100g,未检测出致病菌,均符合国家食品卫生标准。

3 结论

在单因素试验的基础上,采用Box-Behnken响应面法对香蕉金针菇饮料的工艺进行优化。结果表明,最佳发酵工艺条件为香蕉汁∶金针菇汁为4∶1(mL∶mL),发酵剂接种量4%,蔗糖添加量5.5%,发酵时间20 h,发酵温度37℃,在此工艺条件下得到的香蕉金针菇饮料的感官评分为93分,乳酸含量为7.21 g/L。稳定剂CMC-Na、黄原胶和卡拉胶的最适添加量分别为0.20%、0.04%和0.4%。