麦胚乳酸菌发酵饮品的工艺优化及品质分析

赵 雯，孙心悦，崔相宜，王雪梅，邓飞龙，郭瑞瑞，刘明喜，岳昌武，吕玉红*

（1.延安大学 医学院，延安市微生物药物创新与转化重点实验室，陕西 延安 716000；2.延安市健康食品研究院，陕西 延安 716000）

小麦胚芽富含蛋白质、脂肪、不饱和脂肪酸、维生素、矿物质、膳食纤维和谷胱甘肽、凝集素、黄酮类物质等活性物质，有抗肿瘤、抗氧化、预防心血管疾病等功效[1-4]。目前国内外学者对小麦胚芽的研究主要集中于动物饲料原料、麦胚的稳定化及其对麦胚性质影响、麦胚主要活性成分及功能性研究以及食品应用等方面，我国麦胚利用多处于粗加工状态，资源未能发挥优势，因此合理利用麦胚仍需再研究，以最大程度发挥小麦胚芽的价值[5-7]。麦胚具有一定营养价值，其在医学、食品、保健、防衰老等（尤其是作为重要的功能食品因子）方面的作用正引起人们日益广泛的关注，是生产谷物饮料、植物蛋白饮料、营养液等的良好原料来源[7-12]。

近年，乳酸菌发酵饮品成为食品领域关注热点，越来越多的研究表明，不同的乳酸菌及其发酵产物对人体具有不同的活性功能[13-15]。比如嗜热链球菌（Streptococcus ther mophilus）和保加利亚乳杆菌（Lactobacillus bulgaricus）具有改善肠道微环境、调节血压、抗癌、抑制有害菌、抗衰老、缓解乳糖不耐受等活性，是市场上大多数乳酸发酵产品的首选菌株组合[16]。乳双歧杆菌（Bifidobacterium lactis）能够合成维生素B1、B2、B6和K等维生素并帮助机体吸收钙、铁和维生素D，有助于防止缺铁性贫血和软骨病[17]。鼠李糖乳杆菌（Lactobacillus rhamnosus）和干酪乳杆菌（Lactobacillus casei）耐胃酸和胆汁方面的性能非常突出，可以活体进入人体肠道，其功能特性主要有调节肠道菌群、预防和治疗腹泻、毒素的排出和提升机体免疫力，具有较高的应用价值，符合现代人类健康保健的基本需求[18-19]。植物乳杆菌（Lactobacillus plantarum）除具备其他乳酸菌的活性功能外，还可利用植物来源氮源、碳源产生乳酸杆菌素，降解重金属等作用[20]。嗜酸乳杆菌（Lactobacillus acidophilus）则主要通过分泌抗生物素类物质（嗜酸乳菌素（acidolin）、嗜酸杆菌素（acidophilin）、乳酸菌素（1aetocidon））等，对肠道致病菌产生的拮抗作用而发挥作用[21]。因此，将多种乳酸菌按照一定的比例优化组合发酵小麦胚芽，充分利用不同乳酸菌发酵过程中产生乳酸、乙酸、氨基酸、维生素和酶类等多种活性物质，可极大地提高小麦胚芽的营养价值[22-26]。

本研究以麦胚为原料，利用复合乳酸菌研制麦胚乳酸菌发酵饮品，优化其发酵工艺条件，并对其理化指标测定分析，对满足保健饮品市场需求及充分利用我国麦胚资源有重要意义。

1 材料与方法

1.1 原料与试剂

1.1.1 原料

小麦胚芽：市售；活性干乳酸菌：嗜热链球菌（S.thermophiles，St）、保加利亚乳杆菌（L.bulgaricus，Lb）、乳双歧杆菌（B.lactis，Bl）、鼠李糖乳杆菌（L.rhamnosus，Lr）、植物乳杆菌（L.plantarum，Lp）、嗜酸乳杆菌（L.acidophilus，La）、干酪乳杆菌（L.casei，Lc）：昆山佰生优生物科技有限公司。

1.1.2 化学试剂

果葡糖浆、羟丙基二淀粉磷酸酯、琼脂、三氯蔗糖（均为食品级）：河南宏益生物科技有限公司；白砂糖、葡萄籽、奶粉（均为食品级）：市售；1,1-二苯基-2-苦肼基（1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl，DPPH）、无水乙醇、无水葡萄糖、氢氧化钠（分析纯）：天津大茂化学试剂厂；牛血清蛋白（纯度＞98%）：合肥博美生物科技有限责任公司；乙酸标准品（色谱纯）：天津市北方天医化学试剂厂；3,5-二硝基水杨酸（dinitrosalicylic acid，DNS）（分析纯）：国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

SW-CJ-1FD超净工作台：苏净集团安泰技术有限公司；BKQ-B75II高压灭菌锅：济南鑫贝西生物技术有限公司；303A-4恒温培养箱：浙江赛德仪器设备有限公司；5804R离心机：德国Eppendorf公司；PHS-3C型pH计、ZP1-MYP11-2磁力搅拌器：北京中西远大科技有限公司；DJ-10A粉碎机：上海隆拓仪器设备有限公司；iChrom 5100高效液相色谱仪：大连依利特分析仪器有限公司；752紫外分光光度计：深圳市斯诺顿仪器设备有限公司。

1.3 方法

1.3.1 麦胚乳酸菌发酵饮品工艺流程及操作要点

前处理→调配→均浆→糖化→添加不耐温物→灭菌→接种→发酵→冷藏

操作要点：

前处理：新鲜麦胚热风风干（60 ℃、60 min），超微粉碎机粉碎至200目，将麦胚粉加入5倍体积灭菌去离子水室温浸泡30 min。

调配：添加适量增稠剂（羟丙基二淀粉磷酸酯、琼脂），白砂糖，甜味剂（三氯蔗糖、果葡糖浆）。

均浆：将麦胚液用磁力搅拌器在55℃下充分搅拌15min。

糖化：将预混液90 ℃、100 r/min搅拌，糖化30 min。

添加不耐温物：待冷却至室温后，添加适量奶粉、葡萄籽粉（200目）。

灭菌：65 ℃灭菌30 min。

接种：乳酸菌发酵剂在无菌条件按一定接种量接种入麦胚混合液。

发酵：对上述混合液密封，在恒温培养箱42 ℃静置发酵10 h（酸度值95°T或pH 4.0时终止发酵）。

冷藏：将发酵完成后制品置于4 ℃冷藏，即得麦胚乳酸菌发酵饮品。

1.3.2 分析检测

DPPH自由基清除率：参照文献[25]进行；乳酸菌活菌数：参照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》[27]；pH值：采用PHS-3C型pH计；可溶性蛋白含量：按照考马斯亮蓝法；挥发性脂肪酸（乙酸）含量：参照CB 5009.157—2016《食品安全国家标准食品有机酸的测定》[28]；还原糖含量：采用3,5-二硝基水杨酸法[29]；蛋白质含量：参照GB 5009.5—2016《食品中蛋白质的测定》[32]；膳食纤维含量：参照GB 5009.88—2014《食品中膳食纤维的测定》[33]；维生素E含量：参照GB 5009.82—2016《食品中维生素A、D、E的测定》[34]；α-亚麻酸含量：参照GB 5009.168—2016[35]；碳水化合物含量：参照GB 28050—2011《预包装食品营养标签通则》[36]。

感官评定[37]：邀请10名感官评分者按表1评判标准，从口感、色泽、形态、风味评分，满分100 分，取均值为感官评分结果。

表1 麦胚乳酸菌发酵饮品感官品质评价标准Table 1 Sensory evaluation criteria of lactic acid bacteria fermented wheat germ beverage

续表

1.3.3 乳酸菌发酵剂配比优化

发酵剂制备：将乳酸菌按比例，加入5倍体积无菌水，2.5%全脂奶粉，2.5%蔗糖，加入乳酸菌粉，42 ℃静置1 h，得到复合乳酸菌发酵剂，4 ℃条件下贮藏备用。

以乳酸菌发酵活菌数、pH值、还原糖利用率为指标，优化菌种，将St、Lb、Lp、La、Lc、Bl、Lr共7种乳酸菌设定8组发酵剂，编号1#～8#（St∶Lb∶Lp=1∶1∶1、1∶2∶1、1∶2∶2、1∶2∶3、2∶1∶1、1∶3∶1）、St∶Lb∶Lp∶La∶Lc=1∶1∶1∶1∶1、St∶Lb∶Lp∶La∶Lc∶Bl∶Lr=1∶1∶1∶1∶1∶1∶1。按接种量0.02%直接加入活化后的复合乳酸菌发酵剂，在42 ℃发酵22 h[25]，每组3次平行实验，统计平均值。

1.3.4 麦胚发酵饮品工艺条件优化

单因素试验：以感官评价、乙酸含量、可溶性蛋白含量等为评价指标，研究接种量（0.01%、0.02%、0.03%、0.04%、0.05%、0.06%）、发酵时间（18 h、20 h、22 h、24 h、26 h、28 h）、发酵温度（36 ℃、38 ℃、40 ℃、42 ℃、44 ℃、46 ℃）对发酵工艺条件的影响。

正交优化试验：根据单因素结果，选取接种量（A），发酵时间（B），发酵温度（C）因素的3个优水平，以感官评分、可溶性蛋白含量和乙酸含量为评价指标，采用L9（33）正交试验设计，对发酵条件进行优化，正交试验因素与水平见表2。

表2 麦胚乳酸菌发酵饮料工艺优化正交优化试验因素与水平Table 2 Factors and levels of orthogonal experiments for fermentation process optimization of lactic acid bacteria fermented wheat germ beverage

1.3.5 麦胚发酵饮品稳定剂研究

按照工艺流程及最佳发酵条件，将羟丙基二淀粉磷酸酯和琼脂分别按照0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%添加，将发酵饮品离心，观察沉淀情况，沉淀越少，稳定性越好。计算离心沉淀率（sedimentation rate，SR）[31]，优化两种稳定剂的含量。SR计算方法为取100 mL发酵后样品于100 mL离心管中，称取其质量，3 000 r/min，离心20 min后除去上清液，准确称得离心后的沉淀物质量，按如下公式计算发酵产物的离心沉淀率。

1.3.6 数据处理

数据用SPSS 20.0软件统计处理。

2 结果与分析

2.1 乳酸菌发酵剂优化结果

在接种量0.02%、发酵温度42 ℃、发酵时间22 h条件下，考察不同乳酸菌组合对乳酸菌活菌数、pH值和还原糖利用率的影响，结果见图1。

图1 菌株组合对乳酸菌活菌数、pH值和还原糖利用率的影响Fig.1 Effect of strain combination on the viable count of lactic acid bacteria,pH and utilization rate of reducing sugar

由图1可知，在相同的发酵条件下，第8组7菌株组合乳酸菌活菌数接近109CFU/mL，还原糖利用率最高接近80%，产酸的速率最快（pH值最低），表明该组合中乳酸菌生长状况和产酸优于其他7种组合。因此，最佳菌株比例为St∶Lb∶Lp∶La∶Lc∶Bl∶Lr=1∶1∶1∶1∶1∶1∶1。

2.2 麦胚发酵饮品工艺优化单因素试验

2.2.1 接种量的影响

图2 接种量对感官评分、乙酸和可溶性蛋白含量的影响Fig.2 Effect of inoculum on sensory score,acetic acid and soluble protein contents

在发酵温度42 ℃、发酵时间22 h条件下，考察不同接种量对感官评分、乙酸和可溶性蛋白含量的影响，结果见图2。

由图2可知，随着接种量增加，发酵产物中的乙酸含量和可溶性蛋白含量不断增加，并在接种量为0.03%时达到峰值，之后随着接种量的继续增加而表现为逐渐下降。而发酵产物的感官评分的变化趋势与乙酸含量和可溶性蛋白含量变化趋势一致。因此，最适接种量为0.03%。

2.2.2 发酵时间的影响

在按接种量0.02%、发酵温度42 ℃条件下，考察不同发酵时间对感官评分、乙酸和可溶性蛋白含量的影响，结果见图3。

图3 发酵时间对感官评分、乙酸和可溶性蛋白含量的影响Fig.3 Effect of fermentation time on sensory score,acetic acid and soluble protein contents

由图3可知，在发酵时间24 h前随着发酵时间增加，感官评分、乙酸和可溶性蛋白含量升高，在24 h时达到高峰，此后随着时间推移，各指标均呈下降趋势，可能是由于发酵时间过长，部分菌体裂解，活菌总数，菌体内容物外泄、活性蛋白在蛋白酶等作用下降解等从而破坏营养物质及风味物质，影响口感。因此，最适发酵时间为24 h。

2.2.3 发酵温度的影响

图4 发酵温度对感官评分、乙酸和可溶性蛋白含量的影响Fig.4 Effect of fermentation temperature on sensory score,acetic acid and soluble protein contents

温度影响发酵速率，发酵时，温度越高，乳酸菌繁殖加快，产酸越多；温度越低，发酵缓慢，酸度越低[23]。在按接种量0.02%、发酵时间22 h条件下，考察不同发酵温度对感官评分、乙酸和可溶性蛋白含量的影响，结果见图4。

由图4可知，在发酵温度42 ℃前随着温度的升高，感官评分、乙酸和可溶性蛋白含量均升高，在42 ℃时达到峰值，此后各指标呈下降趋势。可能是因为发酵温度过高，乙酸挥发影响风味，乳酸菌生长过快导致蛋白质降解加快，繁殖代谢产物增多，破坏了大多数营养物质及风味口感。因此，最适发酵温度为42 ℃。

2.3 麦胚发酵饮品工艺优化正交试验

在单因素试验基础上，选取St∶Lb∶Lp∶La∶Lc∶Bl∶Lr=1∶1∶1∶1∶1∶1∶1的乳酸菌比例组合发酵，以接种量（A）、发酵时间（B）、发酵温度（C）为影响因素，以感官评分、可溶性蛋白含量和乙酸含量为评价指标，采用L9（33）正交试验设计，对发酵条件进行优化，正交试验结果与分析见表3。

表3 麦胚乳酸菌发酵饮料工艺优化正交优化试验结果与分析Table 3 Results and analysis of orthogonal experiments for fermentation process optimization of lactic acid bacteria fermented wheat germ beverage

由表3可知，以感官评分、可溶性蛋白和乙酸含量为评价指标，3因素主次顺序为发酵温度＞发酵时间＞接种量。最佳发酵工艺条件为A2B2C2，即接种量0.03%、发酵温度42 ℃、发酵时间24 h。在此优化条件下，麦胚乳酸菌发酵饮料的感官评分为92分，可溶性蛋白含量为4.54 mg/mL，乙酸含量为4.88 mg/mL。

2.4 麦胚乳酸菌发酵饮品稳定剂结果

通过改变两种不同稳定剂羟丙基二淀粉磷酸酯和琼脂的添加量，分别考察其对离心沉淀率（SR）的影响，从而优化两种稳定剂的添加量，结果见图5。

图5 稳定剂添加量对麦胚发酵饮品的离心沉淀率影响Fig.5 Effect of stabilizer addition on the centrifugal sedimentation rate of fermented wheat germ beverage

由图5可知，随着羟丙基二淀粉磷酸酯添加量的增加，SR降低，添加量0.5%时SR最低；琼脂添加量在0.2%时SR最低，因此，羟丙基二淀粉磷酸酯的优化添加量为0.5%，琼脂的优化添加量为0.2%。

2.5 麦胚发酵饮品品质分析

2.5.1 抗氧化性

通过比较发酵前后对DPPH自由基清除率的影响，研究麦胚发酵饮品的抗氧化性，结果见图6。

图6 发酵前后对DPPH自由基清除率的影响Fig.6 Effect of DPPH free radical scavenging rate before and after fermentation

由图6可知，在发酵液体积400μL前随着体积不断增加，发酵前后对DPPH自由基清除率均呈明显上升趋势，在发酵液体积＞400 μL以后，发酵前液体对DPPH自由基清除率逐渐趋于平缓，而发酵后液体对DPPH自由基清除率仍在不断升高，可能是因为发酵过程乳酸菌活性提高及其代谢产物的改变，同时发酵对麦胚中黄酮产生影响，不同结构种类的黄酮对DPPH自由基清除率差异较大，增加其抗氧化活性[37]。因此，麦胚发酵后可以显著增加DPPH自由基清除率，抗氧化活性有所增强。

2.5.2 营养成分含量测定结果

在麦胚乳酸菌发酵饮品优化的工艺基础上，参照国标方法测定麦胚乳酸菌发酵饮品的营养成分，结果见表4。由表4可知，麦胚乳酸菌发酵饮品的蛋白质含量为3.53 g/100 g，碳水化合物含量为11.6g/100g，能量值为333kJ/100g，膳食纤维含量至少为2.12 g/100 g，乳酸菌活菌数为2.1×109CFU/mL。结果表明，其理化及卫生指标满足GB/T 21732—2008《含乳饮料》[38]要求，乳酸菌活菌数比市售乳酸菌饮料高出约10倍，而且富含维生素E、必需脂肪酸（α-亚麻酸和亚油酸）。

表4 麦胚乳酸菌发酵饮品和市售饮料的部分营养成分Table 4 Partial nutritional values of lactic acid bacteria fermented wheat germ beverages and commercial beverages

3 结论

通过乳酸菌发酵剂优化实验得到的最佳发酵剂为：嗜热链球菌、保加利亚乳杆菌、乳双歧杆菌、鼠李糖乳杆菌、植物乳杆菌、嗜酸乳杆菌、干酪乳杆菌按照配比1∶1∶1∶1∶1∶1∶1制备发酵剂。单因素和正交试验优化的发酵工艺参数为：接种量0.03%、发酵时间24 h、发酵温度42 ℃。在工艺优化条件下，麦胚乳酸菌发酵饮品可溶性蛋白含量为4.54 mg/mL，乙酸含量为4.88 mg/mL，感官评分为92分。营养成分含量及结果表明麦胚发酵饮品富含多种营养成分，包括维生素E、必需脂肪酸、活性乳酸菌、蛋白质、碳水化合物和膳食纤维等，在调节肠道菌群，提高机体生命代谢，促进消化吸收、延缓衰老等方面有重要意义，在麦胚深加工利用和发酵饮品市场有广阔前景。