響應(yīng)面法優(yōu)化葡萄籽鷹嘴豆復(fù)合飲料發(fā)酵工藝的研究

田 歌,申 雪,朱倍倍,吳浩天,王犁燁,程方方,宋 鈺,武 運(yùn)*

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與藥學(xué)學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830052;2.吐魯番市質(zhì)量與計(jì)量檢測(cè)所,新疆 吐魯番 838000)

響應(yīng)面法優(yōu)化葡萄籽鷹嘴豆復(fù)合飲料發(fā)酵工藝的研究

田 歌1,申 雪1,朱倍倍1,吳浩天1,王犁燁1,程方方1,宋 鈺2,武 運(yùn)1*

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與藥學(xué)學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830052;2.吐魯番市質(zhì)量與計(jì)量檢測(cè)所,新疆 吐魯番 838000)

以葡萄籽鷹嘴豆復(fù)合飲料酸度為評(píng)價(jià)指標(biāo),研究了不同發(fā)酵條件對(duì)葡萄籽鷹嘴豆復(fù)合飲料酸度的影響,在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上采用響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化葡萄籽鷹嘴豆復(fù)合飲料的發(fā)酵工藝條件。結(jié)果表明,葡萄籽鷹嘴豆復(fù)合飲料最佳發(fā)酵條件為:乳酸乳球菌∶干酪乳桿菌=1∶2,蔗糖添加量為6%,接種量9%,發(fā)酵時(shí)間73 h,發(fā)酵溫度39℃。在此最佳條件下,葡萄籽鷹嘴豆復(fù)合飲料酸度可達(dá)30.66 °T,感官評(píng)分為93分。

葡萄籽鷹嘴豆復(fù)合飲料;乳酸菌;發(fā)酵工藝優(yōu)化

隨著葡萄酒產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,釀酒副產(chǎn)物葡萄籽的數(shù)量也逐年上升[1-2],如果能夠?qū)⑵咸炎堰M(jìn)行深加工,不僅可以避免環(huán)境污染,而且對(duì)葡萄酒產(chǎn)業(yè)的提質(zhì)增效做出貢獻(xiàn)[3]。鷹嘴豆原產(chǎn)于西亞、土耳其一帶,2 500年前已傳入我國新疆?，F(xiàn)主要在我國西部、北部等干旱和半干旱地區(qū)種植,是新疆特色植物之一[4]。目前對(duì)于葡萄籽和鷹嘴豆的精深加工種類單一,附加值低。隨著社會(huì)的發(fā)展和生活水平的提高,人類越來越注重自身的保健[5],各種具有一定功能性作用的飲料不斷出現(xiàn)。葡萄籽中多種成分具有極高的營養(yǎng)價(jià)值和保健價(jià)值。富含有多種功能性成分,其中原花青素、葡萄籽油、白葵蘆醇、維生素、單寧等成分具有較高的營養(yǎng)價(jià)值和美容保健作用[6-10]。鷹嘴豆在植物分類學(xué)上屬于豆科鷹嘴豆屬,其具有潤(rùn)肺止咳、養(yǎng)顏、強(qiáng)骨、健胃的功效。在防治糖尿病、高脂血癥、高血壓方面具有較好的效果。它含有多種氨基酸及鈣、鉀、銅、維生素B1、維生素B2、維生素C、維生素E等營養(yǎng)物質(zhì),其蛋白質(zhì)功效比值、氨基酸含量和消化率等均優(yōu)于其他豆類,經(jīng)常食用可以增強(qiáng)免疫力,降低患病率[11]。

研究利用葡萄酒發(fā)酵副產(chǎn)物葡萄籽結(jié)合新疆地區(qū)特色植物鷹嘴豆釀酒副產(chǎn)物葡萄籽和新疆特色植物鷹嘴豆為原料,以干酪乳桿菌(Lactobacillus casei)MLS5、乳酸乳球菌(Lactococus lactis)WLB5為發(fā)酵菌株,以產(chǎn)品酸度和感官評(píng)分為考察指標(biāo),通過單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化葡萄籽鷹嘴豆復(fù)合飲料發(fā)酵工藝參數(shù),為新疆地區(qū)葡萄酒產(chǎn)業(yè)副產(chǎn)物利用提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

葡萄籽:新疆新雅葡萄酒業(yè)有限公司;鷹嘴豆:購于烏魯木齊市北園春干果市場(chǎng);干酪乳桿菌(Lactobacilluscasei)MLS5、乳酸乳球菌(Lactococus lactis)WLB5:新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與藥學(xué)學(xué)院微生物實(shí)驗(yàn)室;MRS肉湯培養(yǎng)基:北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司;氫氧化鈉、碳酸氫鈉:天津永晟精細(xì)化工有限公司;蔗糖、β-環(huán)糊精:天津光復(fù)科技發(fā)展有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

FA2014N分析天平:北京東南儀誠實(shí)驗(yàn)室設(shè)備有限公司;HR40-IIA2生物安全柜:青島海爾特種電器有限公司;YXQ-LS-18SI手提式壓力蒸汽滅菌器:上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠;DHP-9052電熱恒溫培養(yǎng)箱、HWS-26電熱恒溫水浴鍋:上海一恒科學(xué)儀器有限公司;DJ-138型豆?jié){機(jī):九陽股份有限公司。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程及操作要點(diǎn)

葡萄籽烘焙:將篩選清洗干燥后的葡萄籽放入鍋中,使用電磁爐600 W烘焙1～2 min后待用。

鷹嘴豆浸泡去皮:使用0.3%碳酸氫鈉溶液浸泡12 h,使組織充分軟化,利于打漿。用清水將原料進(jìn)行清洗,清洗3～5次,剝?nèi)ネ馄ぁ?/p>

調(diào)配:將20 g蔗糖、4 gβ-環(huán)糊精溶解于1 300 mL水中,并混合均勻。

打漿:使用豆?jié){機(jī)將焙后的葡萄籽75 g、脫皮鷹嘴豆75 g及調(diào)配液混合,進(jìn)行打漿。

過濾:使用140目篩網(wǎng)進(jìn)行過濾,得到復(fù)合飲料原液。

發(fā)酵:將活化好的乳酸菌按照試驗(yàn)制定的發(fā)酵溫度、接種量、發(fā)酵溫度等發(fā)酵參數(shù)進(jìn)行發(fā)酵接種后放入恒溫培養(yǎng)箱中發(fā)酵。

1.3.2 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過單因素試驗(yàn)分別考察接種量(2%、4%、6%、8%、10%,V/V)、乳酸乳球菌、干酪乳桿菌接種比例(1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5)、發(fā)酵溫度(34 ℃、36 ℃、38 ℃、40 ℃、42 ℃)、蔗糖添加量(0、2%、4%、6%、8%)、發(fā)酵時(shí)間(12h、24h、48h、72h、96 h)對(duì)發(fā)酵葡萄籽鷹嘴豆復(fù)合飲料的酸度的影響。

1.3.3 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,以接種量(A)、發(fā)酵溫度(B)和發(fā)酵時(shí)間(C)為考察因子,以葡萄籽鷹嘴豆復(fù)合飲料中酸度(Y1)、感官評(píng)分(Y2)為響應(yīng)值,利用Design-Expert8.05中的Box-Behnken Design進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì),因素與水平編碼值表見表1。

表1 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素與水平Table 1 Factors and levels of Box-Behnken experiments design

1.3.4 測(cè)定方法

(1)總酸的測(cè)定[12]

按照國標(biāo)中GB 5009.239—2016《食品酸度的測(cè)定》方法測(cè)定葡萄籽鷹嘴豆復(fù)合飲料的總酸。

(2)感官評(píng)定[13]

選擇20名感官評(píng)定人員(男女各半)按照表2中的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)葡萄籽鷹嘴豆復(fù)合飲料進(jìn)行打分,取其平均值。

表2 復(fù)合飲料感官評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Sensory evaluation standards of compound beverage

(3)衛(wèi)生指標(biāo)[14]

發(fā)酵飲料中大腸菌群、沙門氏菌、金黃色葡萄球菌的測(cè)定按照國標(biāo)GB/T 4789.21—2003《食品衛(wèi)生微生物學(xué)檢驗(yàn)冷凍飲品、飲料檢驗(yàn)》中的方法進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 接種量對(duì)葡萄籽鷹嘴豆復(fù)合飲料的影響

圖1 接種量對(duì)葡萄籽鷹嘴豆復(fù)合飲料的影響Fig.1 Effect of inoculum on grape seed and chickpea compound beverage

由圖1可知,葡萄籽鷹嘴豆復(fù)合飲料的酸度隨著接種量的增大逐漸增大,當(dāng)接種量為2%～4%時(shí),由于接種量較小,葡萄籽鷹嘴豆復(fù)合飲料中發(fā)酵菌株的適應(yīng)期較長(zhǎng),造成菌體細(xì)胞生長(zhǎng)量小[15],酸度較低。在其他發(fā)酵條件相同的情況下,當(dāng)乳酸菌接種量為8%時(shí),葡萄籽鷹嘴豆復(fù)合飲料的酸度達(dá)到27°T,并且感官評(píng)分也達(dá)到92分。接種量為10%時(shí),雖然酸度高于27°T,但是復(fù)合飲料出現(xiàn)分層,感官評(píng)分較低。綜合考慮確定復(fù)合飲料的乳酸菌接種量為8%。

2.1.2 乳酸乳球菌、干酪乳桿菌接種比例對(duì)葡萄籽鷹嘴豆復(fù)合飲料的影響

圖2 接種比例對(duì)葡萄籽鷹嘴豆復(fù)合飲料的影響Fig.2 Effect of inoculum ratio on grape seed anf chickpea compound beverage

由圖2可知,葡萄籽鷹嘴豆復(fù)合飲料的酸度在不同菌種接種比例下變化不同,隨著乳酸乳球菌、干酪乳桿菌接種比例的增加,其酸度變化總體呈先上升后下降再上升的趨勢(shì),其他發(fā)酵條件相同時(shí),接種比例為1∶2時(shí)酸度達(dá)到最高,為23°T,感官評(píng)分也高于其他接種比例,達(dá)到了90分,綜合考慮乳酸乳球菌、干酪乳桿菌接種比例為1∶2為宜。

2.1.3 蔗糖添加量對(duì)葡萄籽鷹嘴豆復(fù)合飲料的影響

圖3 蔗糖添加量對(duì)葡萄籽鷹嘴豆復(fù)合飲料的影響Fig.3 Effect of sucrose on grape seed and chickpea compound beverage

由圖3可知,在葡萄籽鷹嘴豆復(fù)合飲料發(fā)酵過程中添加不同比例的蔗糖,酸度均呈上升趨勢(shì),且不同比例的蔗糖添加量對(duì)葡萄籽鷹嘴豆復(fù)合飲料酸度的影響不明顯,在其他發(fā)酵條件相同時(shí),蔗糖添加量為6%時(shí),酸度最高,達(dá)到34°T,并且糖酸口感協(xié)調(diào),感官評(píng)分也達(dá)到最高,達(dá)到91分。綜合考慮,蔗糖添加量為6%較為合適。

2.1.4 發(fā)酵時(shí)間對(duì)葡萄籽鷹嘴豆復(fù)合飲料的影響

圖4 發(fā)酵時(shí)間對(duì)葡萄籽鷹嘴豆復(fù)合飲料的影響Fig.4 Effect of fermentation time on grape seed and chickpea compound beverage

由圖4可知,葡萄籽鷹嘴豆復(fù)合飲料的酸度在發(fā)酵過程中隨著發(fā)酵時(shí)間的增長(zhǎng),酸度呈先上升后下降趨勢(shì),在發(fā)酵時(shí)間為12～48 h,酸度緩慢上升,48～72 h時(shí)酸度顯著上升,在其他發(fā)酵條件相同發(fā)酵時(shí)間為72 h時(shí),酸度最高,達(dá)到30°T,同時(shí),感官評(píng)分的數(shù)據(jù)顯示,在發(fā)酵時(shí)間為72 h時(shí)分?jǐn)?shù)最高,達(dá)到91分。綜合考慮,發(fā)酵時(shí)間72h較為適宜。

2.1.5 發(fā)酵溫度對(duì)葡萄籽鷹嘴豆復(fù)合飲料的影響

圖5 發(fā)酵溫度對(duì)葡萄籽鷹嘴豆復(fù)合飲料的影響Fig.5 Effect of fermentation temperature on grape seed and chickpea compound beverage

由圖5可知,葡萄籽鷹嘴豆復(fù)合飲料的酸度在發(fā)酵過程中隨著發(fā)酵溫度的升高呈現(xiàn)上升趨勢(shì),發(fā)酵溫度為38℃時(shí),酸度最高,達(dá)到31°T。同時(shí),感官評(píng)分也達(dá)到92分。綜合考慮,發(fā)酵溫度38℃較合適。

2.2 葡萄籽鷹嘴豆復(fù)合飲料發(fā)酵條件的優(yōu)化

2.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果,綜合考慮選擇以接種量(A)、發(fā)酵溫度(B)和發(fā)酵時(shí)間(C)為自變量,以葡萄籽鷹嘴豆復(fù)合飲料中酸度(Y1)、感官評(píng)分(Y2)為響應(yīng)值,進(jìn)行3因素3水平試驗(yàn),響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表3,回歸模型方差分析結(jié)果見表4及表5。

表3 飲料發(fā)酵條件優(yōu)化響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果與分析Table 3 Results and analysis of response surface experiments for beverage fermentation conditions optimization

按照表3試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸方程擬合,建立以酸度為評(píng)價(jià)指標(biāo)的擬合方程為:Y1=+30.20+1.38A+1.25B-0.13C+1.50AB+2.25AC-1.00BC-1.98A2-2.72B2-5.47C2。以感官評(píng)分為評(píng)價(jià)指標(biāo)的擬合方程為:Y2=+92.40+1.87A+0.87B-0.50C+2.25AB+2.50AC-1.00BC-2.32A2-3.82B2-6.08C2。

表4 以酸度為評(píng)價(jià)指標(biāo)的響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果及方差分析Table 4 Variance analysis of response surface experiment results with acidity as evaluation index

由表4可知,當(dāng)模型F=20.14時(shí),P＜0.01,說明模型是極顯著的。當(dāng)失擬項(xiàng)F=3.21時(shí),P=0.144 4＞0.05,說明模型失擬項(xiàng)不顯著。決定系數(shù)R2=0.9633,校正系數(shù)R2Adj=0.9161,表明酸度的實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值之間具有較好的擬合度,由此可以說明所得的回歸方程能夠很好的對(duì)酸度進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。

該模型中的二次項(xiàng)AC、B2、C2表現(xiàn)為極顯著(P＜0.01),一次項(xiàng)A、B和二次項(xiàng)AB、A2表現(xiàn)為顯著(P＜0.05),表明試驗(yàn)中接種量、發(fā)酵溫度都對(duì)葡萄籽鷹嘴豆復(fù)合飲料酸度具有較大影響,且這種影響也并非簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。由3個(gè)因素F值大小可推斷影響葡萄籽鷹嘴豆復(fù)合飲料酸度各因素主次順序?yàn)?A＞B＞C,即接種量對(duì)葡萄籽鷹嘴豆復(fù)合飲料酸度影響最大,發(fā)酵溫度次之,發(fā)酵時(shí)間最小。由交互項(xiàng)F值大小還可推斷,接種量與發(fā)酵時(shí)間的酸度協(xié)同效應(yīng)大于接種量與發(fā)酵溫度的協(xié)同效應(yīng)。

表5 以感官評(píng)分為評(píng)價(jià)指標(biāo)的響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果及方差分析Table 5 Variance analysis of response surface experiment results with sensory score as evaluation index

由表5可知,當(dāng)模型F=28.68時(shí),P＜0.01,說明模型是極顯著的。當(dāng)失擬項(xiàng)F=2.60時(shí),P=0.188 9＞0.05,說明模型失擬項(xiàng)不顯著。決定系數(shù)R2=0.9736,校正系數(shù)R2Adj=0.939 6,表明感官評(píng)分的實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值之間具有較好的擬合度,由此可以說明所得的回歸方程能夠很好的對(duì)感官評(píng)分進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。

該模型中的一次項(xiàng)A與二次項(xiàng)AB、AC、A2、B2、C2表現(xiàn)為極顯著(P＜0.001),表明試驗(yàn)中接種量對(duì)葡萄籽鷹嘴豆復(fù)合飲料感官評(píng)分具有較大影響,且這種影響也并非簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。由3個(gè)因素F值大小可推斷影響葡萄籽鷹嘴豆復(fù)合飲料酸度各因素主次順序?yàn)?A＞B＞C,即接種量對(duì)葡萄籽鷹嘴豆復(fù)合飲料感官評(píng)分影響最大,發(fā)酵溫度次之,發(fā)酵時(shí)間最小。由交互項(xiàng)F值大小還可推斷,接種量與發(fā)酵時(shí)間(AC)的感官評(píng)分協(xié)同效應(yīng)大于接種量與發(fā)酵溫度(AB)的協(xié)同效應(yīng)。

2.2.2 響應(yīng)面分析與優(yōu)化

為了考察各個(gè)交互項(xiàng)對(duì)葡萄籽鷹嘴豆復(fù)合飲料酸度及感官評(píng)分的影響,利用Design-Expert 8.06軟件對(duì)回歸方程進(jìn)行運(yùn)算,作出交互項(xiàng)的三維響應(yīng)面圖及等高線圖如圖6所示,能比較直觀的解釋各個(gè)變量和變量之間對(duì)響應(yīng)值的影響。對(duì)建立的回歸方程進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化分析,可得出葡萄籽鷹嘴豆復(fù)合飲料酸度最高時(shí)的最優(yōu)發(fā)酵條件,即接種量為9.04%、發(fā)酵溫度為38.72℃、發(fā)酵時(shí)間為72.75 h。在此條件下葡萄籽鷹嘴豆復(fù)合飲料酸度的預(yù)測(cè)值為30.78 °T,感官評(píng)分為93分。

圖6 各因素交互作用對(duì)酸度和感官評(píng)分影響的響應(yīng)面和等高線圖Fig.6 Response surface plots and contour line of effects of interaction between each factor on acidity and sensory score

2.2.3 驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證所建立的多元回歸模型的準(zhǔn)確性,保證試驗(yàn)的可操作性,將葡萄籽鷹嘴豆復(fù)合飲料的最佳發(fā)酵條件修正為接種量9%,發(fā)酵溫度39℃,發(fā)酵時(shí)間73 h,乳酸乳球菌∶干酪乳桿菌=1∶2,蔗糖添加量為6%。在該條件下進(jìn)行3次平行試驗(yàn),得到的葡萄籽鷹嘴豆復(fù)合飲料酸度平均值為30.66°T,感官評(píng)分為93分。與預(yù)測(cè)值較為接近,說明該模型準(zhǔn)確可靠,能較好地預(yù)測(cè)葡萄籽鷹嘴豆復(fù)合飲料的酸度,利用該模型在實(shí)踐中進(jìn)行預(yù)測(cè)是可行的。

2.3 葡萄籽鷹嘴豆復(fù)合飲料質(zhì)量指標(biāo)

在優(yōu)化的發(fā)酵工藝條件下獲得葡萄籽鷹嘴豆復(fù)合飲料外觀呈均勻的紅褐色,底部有少量蛋白質(zhì)沉淀;香氣濃郁,無異味;口感清爽,酸甜適中,最終感官評(píng)分為93分?？偹?0.66 °T。大腸菌群、沙門氏菌、金黃色葡萄球菌均未檢出。

3 結(jié)論

試驗(yàn)以葡萄籽鷹嘴豆復(fù)合飲料的酸度為響應(yīng)值對(duì)葡萄籽鷹嘴豆復(fù)合發(fā)酵飲料的發(fā)酵條件進(jìn)行了優(yōu)化,通過單因素試驗(yàn)以及Box-BehnkenDesign響應(yīng)而優(yōu)化建立了多元回歸模型,得到葡萄籽鷹嘴豆復(fù)合飲料最優(yōu)發(fā)酵條件為接種量9%,發(fā)酵溫度39℃,發(fā)酵時(shí)間73 h,乳酸乳球菌∶干酪乳桿菌=1∶2,蔗糖添加量為6%,葡萄籽鷹嘴豆復(fù)合飲料的酸度值可達(dá)到30.66 °T,感官評(píng)分為93分。

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TIAN Ge1,SHEN Xue1,ZHU Beibei1,WU Haotian1,WANG Liye1,CHENG Fangfang1,SONG Yu2,WU Yun1*
(1.College of Food Science and Pharmaceutical Science,Xinjiang Agricultural University,Urumqi 830052,China;2.Turpan Quality and Quantity Inspection Institute,Turpan 838000,China)

TS261.9

0254-5071(2017)11-0079-05

10.11882/j.issn.0254-5071.2017.11.017

2017-07-11

新疆維吾爾自治區(qū)重大科技專項(xiàng)(2017A01001-2);新建農(nóng)業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目

田 歌(1993-),女,碩士研究生,研究方向?yàn)槭称飞锛夹g(shù)。

*通訊作者:武 運(yùn)(1965-),女,教授,碩士,研究方向?yàn)槭称飞锛夹g(shù)。