复配益生菌发酵谷物饮料工艺优化

◎ 陈 娟，冉军舰

（1.中央储备粮郑州直属库有限公司，河南 郑州 450000；2.河南科技学院 食品学院，河南 新乡 453003）

随着人们对食物要求的不断变化，食品行业为适应消费者需求，各领域分布也要作出相应改变[1]。谷物，作为人们所熟知的养生之物，又重新回到了大众的视野，谷物饮料也成为软饮料行业发展的新方向[2]。在我国历史上，有关谷物的饮食文化从未间断，究其原因是谷物中含有人类成长中不可缺少的元素[3]，同时表明，人们已经适应谷物类食材所呈现出的营养价值，因此，开发研制新型谷物类产品有很大的社会意义。谷物饮料是通过一系列自动化工艺加工制得的产品，不仅在品质方面做到了让消费者放心，更极大地降低了营养成分的流失，制作更加精细，适合各类人群食用[4-5]。谷物作为粗粮，富含膳食纤维，可增强人们的饱腹感[6]。

将益生菌运用于谷物饮料的制作中，可以提高肠胃动力，调节体内菌群分布，促进人体对有益物质的吸收[7]。益生菌发酵谷物饮料，提高了谷物的食用价值，同时延长了益生菌存活时间，使谷物食品打破了难长期储藏的局面，增加了谷物的储藏手段[8]。益生菌发酵谷物饮料采用多种乳酸菌按比例混合作为复合发酵剂，发酵经过糖化处理后的多种谷物，再通过调节温度等因素，进行工艺优化，最终获得消费者满意的谷物饮品[9-10]。

本试验以燕麦、糙米、黑米3中谷物为原料，利用嗜热链球菌、嗜酸乳杆菌、鼠李糖乳杆菌、植物乳杆菌复合发酵剂发酵谷物，利用响应面试验优化工艺条件，以期得到状态均匀、谷香浓郁、酸甜可口的发酵谷物饮料，为益生菌发酵饮料的研究奠定基础。

1 材料与方法

1.1 材料

谷物：燕麦、糙米、黑米；发酵剂：嗜热链球菌、嗜酸乳杆菌、鼠李糖乳杆菌、植物乳杆菌4种乳酸菌构成；蒙牛袋装牛奶；MRS培养基；M17培养基。

1.2 试验方法

1.2.1 原料处理

取干净烧杯1个，称取原料各50 g，清洗干净后晾干，研磨粉碎，量取8倍谷物体积的水，煮至沸腾，加入粉碎后的混合谷物，煮5 min，为避免焦糊，需不断搅拌。结束后冷却至65 ℃，用柠檬酸调节酸碱度为pH 6.2，加入0.8%的3 700 U·g-1中温淀粉酶，谷物淀粉与碘液不发生颜色反应时，则表明液化结束，经过沸水浴5 min使酶灭活后冷却至65 ℃，Na2CO3调pH至4.2，在62 ℃条件下加入1%的500 U·g-1糖化酶，利用无水乙醇鉴定糖化是否反应完全。再次沸水浴使糖化酶失去活性，冷却后经过粗过滤获得试验样品[11]。

1.2.2 菌种活化

从菌种库中取出4种菌种，用稀释涂布平板法将4种菌先进行初步的鉴定与筛选[12]。嗜酸乳杆菌、植物乳杆菌、鼠李糖乳杆菌用MRS固体培养基37 ℃培养，嗜热链球菌选用M17固体培养基在42 ℃下培养，待培养基中可清楚看到有菌落生成后，观察菌落的形态、大小、颜色等，初步判断是否有杂菌进入，再通过镜检进一步判断菌株是否被污染[13]；确定无误后，挑出单菌落在液体培养基中进一步活化，活化2次后，测定其生长曲线如图1所示。

图1 不同菌种生长曲线图

1.2.3 发酵剂的制备

由于菌种无法在纯谷物溶液中生长，因此将4种菌种驯化后以3%的比例均匀接种到处理好的样品原液中，置于37 ℃培养12 h。

1.2.4 感官评分

根据相关评定标准，选10个评定人员（5位男生，5位女生），按照表1对产品3方面（色泽、气味、状态）打分。

表1 复合浆料感官评价标准表

1.2.5 单因素试验

（1）发酵温度单因素试验。固定发酵剂接种量3%和发酵时间11 h，依次按照33 ℃、36 ℃、39 ℃、42 ℃和45 ℃条件下进行试验，对产品进行感官评定。

（2）发酵时间单因素试验。固定发酵温度39 ℃，发酵剂接种量3%，分别在发酵时间为时间7 h、9 h、11 h、13 h和15 h条件下进行试验，对产品进行感官评定。

（3）发酵剂接种量单因素试验。固定发酵时间11 h，发酵温度39 ℃，分别在接种量1%、2%、3%、4%、和5%条件下进行试验，对产品进行感官评定。

1.2.6 响应面试验设计

在单因素试验结果的基础上，以发酵温度（A）、发酵时间（B）、接种量（C）作为考察因素，以感官评定得分为试验指标，利用Design-Expert 8.0软件设计响应面试验，优化工艺条件。试验因素水平如表2所示。

表2 响应面试验因素水平表

2 结果与分析

2.1 单因素对感官评定的影响

2.1.1 发酵温度对益生菌发酵谷物饮料的影响

该谷物产品发酵剂菌种丰富，温度影响菌种生长以至于直接影响产品风味。由图2可知，发酵温度对谷物饮料感官评分影响存在显著影响，当发酵温度低于39 ℃时，感官评定得分呈上升趋势，当发酵温度到达39 ℃时达到峰值，在高于39 ℃条件下发酵的产品得分呈下降趋势。

图2 温度对发酵谷物饮料感官评分的影响图

2.1.2 发酵时间对益生菌发酵谷物饮料的影响

由图3可知，感官评定得分随时间的延长呈上升趋势，当发酵时间大于11 h，感官评定得分呈持续下降趋势，这是因为乳酸菌在发酵过程中使发酵液pH值下降，过度发酵会使谷物饮料酸度上升，影响产品口感。

图3 发酵时间对发酵谷物饮料感官评分的影响图

2.1.3 接种量对益生菌发酵谷物饮料的影响

由图4可知，当接种量为3%时，产品感官评分处于最高点，当接种量低于或高于3%时，评分都呈下降趋势，说明接种量过高或过低直接对产品风味带来不利影响，接种量过少，菌种生长缓慢，发酵时间长；接种量过多，营养损耗快，酸度上升影响产品口感。

图4 接种量对发酵谷物饮料感官评分的影响图

2.2 响应面试验

利用Design Expert 8.0软件，在单因素试验基础上，感官评分作为响应值优化工艺条件，最后对最优组合进行验证试验。

2.2.1 响应面设计

通过Design-Expert 8.0软件分析，试验设计方案及结果见表3，方差分析见表4。

表3 响应面试验结果表

表4 响应面法方差分析表

通过软件对3个变量（接种量、发酵温度、时间）分析得到回归方程：Y=-1 910.94+76.78A+56.93B+115.85C-0.42AB-1.17AC-2.00BC-0.87A2-1.59B2-8.35C2。

由表4可得，模型P值＜0.000 1，表明影响显著。失拟项影响不显著，即无关因素影响不显著。模型决定系数R2为0.984 1，即实际与预测相差不大，可以对益生菌发酵谷物饮料的最优工艺条件进行分析预测。由分析可得，A、C、AB、AC、BC、A2、B2和C2影响显著，其他项影响不显著。由F得出，温度对感官评分影响最大，接种量次之，时间最小。

2.2.2 响应面交互作用

（1）发酵温度与发酵时间的交互作用对感官评分的影响。当发酵温度确定为某一值时，感官评分会受到发酵时间长短的影响，当达到一定时间后即下降。发酵时间确定，自变量为温度时，温度较低时感官评分逐渐升高，当温度到达某一值继续升高，感官评分反而越来越低，由此可知一定存在某一发酵时间和温度下的产品评分是最优值。根据图5可得，发酵条件为37 ℃、11 h时有评分最优值85分。

图5 发酵温度和发酵时间交互作用图

（2）发酵温度和接种量的交互作用对感官评分的影响。发酵时间一定，感官评分随着发酵温度的增加先增高后降低，同时随着接种量的增加感官评分也呈现先增加后降低的趋势，根据图6可知发酵温度37 ℃、接种量3%，感官评分最优值85分。

图6 接种量和发酵温度的交互作用图

（3）接种量与发酵时间的交互作用对感官评定得分的影响。接种量一定，感官评分会在温度升高至某值得到最高分，确定发酵温度，感官评分会随接种量增加出现峰值。由图7可知，当条件为接种量3%，发酵11 h时有评分最优值85分。

2.3 验证试验

由响应面法分析可得益生菌发酵谷物产品的最佳条件：接种量3%、发酵时间11 h、发酵温度39 ℃。由回归方程得出此条件下发酵的产品感官评分84.84分，实际试验得到的感官评分84.67分，理论与实际数值误差0.2%，验证试验说明响应面法得到的最优工艺条件可行。

图7 接种量与发酵时间的交互作用图

3 结论

本研究利用酶制剂对燕麦、糙米、黑米混合谷物糖化后，利用嗜热链球菌、嗜酸乳杆菌、鼠李糖乳杆菌、植物乳杆菌混合发酵，通过单因素试验初步得到产品适宜的发酵条件，利用响应面设计对发酵时间、温度和接种量进行优化试验，得到优化工艺条件为：发酵温度39 ℃、发酵时间11 h、接种量3%，此条件工艺稳定，能制得状态均匀、谷香浓郁、酸甜可口的发酵谷物饮料。