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    微生物發(fā)酵法脫除胭脂蘿卜紅色素異味的工藝優(yōu)化

    2022-08-04 04:16:24陽暉陳明月龔乃霞曹沁倩張川雨李昌滿
    食品工業(yè) 2022年7期
    關(guān)鍵詞:紅色素胭脂異味

    陽暉,陳明月,龔乃霞,曹沁倩,張川雨,李昌滿

    長江師范學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生物工程學(xué)院(重慶 408100)

    蘿卜紅色素是一種天然色素。它具有安全、無毒的特點,同時還兼具一定的營養(yǎng)價值和藥理作用[1]。但是由于蘿卜在咀嚼或加工過程中內(nèi)源酶水解硫代葡萄糖苷產(chǎn)生異味,因此現(xiàn)有工藝制備的蘿卜紅色素常帶有異味[2-3]。這種異味成為限制其在食品工業(yè)中應(yīng)用的主要因素,研究蘿卜紅色素的高效脫異味技術(shù)迫在眉睫[4]。

    基于上述難點,各國研究者對蘿卜紅色素的脫臭工藝進(jìn)行深入研究。陳亞平等[5]經(jīng)過酸、酶制劑、穩(wěn)定劑、調(diào)節(jié)劑和樹脂處理等過程制得一種產(chǎn)率高、色素保留完全的脫味蘿卜紅色素。陳文田等[6-7]采用酸化有機(jī)介質(zhì)法高效地去除蘿卜色素中的異味。湯川千代樹等[8]研發(fā)一種特殊的專用脫臭技術(shù)進(jìn)行除味來獲得可以進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)的脫味蘿卜紅色素。Rodriguez- Saona等[9]采用一種特殊的設(shè)備成功地吸附了蘿卜色素中的異味。除上述方法外,去除異味的方法還包括超臨界二氧化碳萃取法[10-12]、吸附法[13-16]、酶解法[17-19]、沉淀法[20]和膜分離法[21-22]等。但這些方法都存在一些不足。如理化脫味法脫味范圍都較小,脫味率低,脫味后會影響蘿卜紅色素的提取率和穩(wěn)定性,脫臭效果并不理想。而生物學(xué)脫味法可分為酶解法和微生物脫味法,但添加酶制劑成本較高,且不能從根本上脫除異味[23-24]。微生物脫異味效果較好,還有具有操作簡單、成本低廉、不污染環(huán)境等優(yōu)點,是脫除蘿卜色素異味的理想選擇[25]。

    試驗選取果酒酵母為發(fā)酵菌種,對胭脂蘿卜紅色素中異味進(jìn)行脫除,并優(yōu)化脫味工藝,以期獲得一種脫味效果好、色價高、可用于工業(yè)化生產(chǎn)的脫除蘿卜紅色素異味的工藝,為擴(kuò)大蘿卜紅色素的適用范圍奠定理論基礎(chǔ)。

    1 材料與方法

    1.1 材料與儀器

    胭脂蘿卜(涪陵農(nóng)貿(mào)市場);葡萄酒、果酒專用酵母RW(安琪酵母股份有限公司);檸檬酸、濃鹽酸(濰坊英軒實業(yè)有限公司);酒石酸(食品級,滕州市香凝生物工程有限責(zé)任公司);乙酸鈉(重慶傅藝化學(xué)試劑有限公司);氯化鉀(成都市科龍化工試劑)。

    CX-12000組織破碎機(jī)(東莞市南城長協(xié)電子制品廠);H30FK802-136高壓滅菌鍋(東莞市星辰電器貿(mào)易有限公司);ZWY-2102C恒溫培養(yǎng)振蕩器(上海智城分析儀器制造有限公司);SB-4200 DTD超聲波清洗機(jī)(寧波新芝生物科技股份有限公司);RV 10 B S25真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(廣州市深華生物技術(shù)有限公司);CS101-2ABN電熱鼓風(fēng)干燥箱(重慶市永生實驗儀器廠);ZD-F20真空冷凍干燥器(南京載智自動化設(shè)備有限公司);PHS-3C pH計(上海虹益儀器儀表有限公司);V-1800可見分光光度計(上海美譜達(dá)儀器有限公司)。

    1.2 試驗方法

    1.2.1 脫臭蘿卜紅色素制取的工藝流程

    1.2.2 操作要點

    1.2.2.1 勻漿

    將胭脂蘿卜丁、蒸餾水按料液比1∶1(W/W)進(jìn)行勻漿,備用。

    1.2.2.2 調(diào)pH、滅菌

    用5%檸檬酸將蘿卜勻漿調(diào)節(jié)pH后,在121 ℃,滅菌30 min。

    1.2.2.3 制備菌懸液、接種、發(fā)酵

    將果酒酵母菌粉和加入10倍無菌水混勻,在30 ℃,活化10~20 min,制備成菌懸液。按一定接種量接種加入到胭脂蘿卜發(fā)酵液中,在轉(zhuǎn)速160 r/min搖床中發(fā)酵。

    1.2.2.4 超聲提取

    在超聲溫度30 ℃、超聲時間40 min、超聲功率400 W條件下進(jìn)行蘿卜紅色素提取[26]。

    1.2.2.5 測定紅色素含量

    在最大吸收波長530 nm處測定蘿卜紅色素的含量[27]。

    1.2.2.6 旋蒸、凍干

    將蘿卜紅色素提取液在轉(zhuǎn)速120 r/min、溫度35 ℃條件下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)蒸發(fā),濃縮至黏稠。將濃縮液進(jìn)行真空冷凍干燥至恒重,得到脫臭型蘿卜紅色素。

    1.2.3 單因素試驗

    固定酵母菌的接種量1%、初始pH 4.5、發(fā)酵溫度26 ℃、發(fā)酵時間36 h,考察發(fā)酵時間(12,24,36,48和60 h)、發(fā)酵液初始 pH(3.5,4.0,4.5,5.0和5.5)、發(fā)酵溫度(22,24,26,28和30 ℃)以及酵母菌的接種量(0.6%,0.8%,1.0%,1.2%和1.4%)對胭脂蘿卜紅色素異味和紅色素提取量的影響。

    1.2.4 響應(yīng)面試驗

    根據(jù)單因素試驗的結(jié)果,選取接種量、發(fā)酵時間、發(fā)酵溫度、發(fā)酵pH對蘿卜紅色素有重要影響的因素,以感官評分為響應(yīng)值,采用Design Expert 12軟件設(shè)計響應(yīng)面試驗,優(yōu)化脫除胭脂蘿卜紅色素異味的工藝。響應(yīng)面設(shè)計的水平因素見表1。

    表1 響應(yīng)面試驗水平因素表

    1.2.5 質(zhì)量指標(biāo)測定

    1.2.5.1 感官評價

    由20名食品專業(yè)學(xué)生按照表2進(jìn)行感官評價。

    表2 蘿卜紅色素異味的感官評分標(biāo)準(zhǔn)

    根據(jù)張梓涵等[27]的方法,對蘿卜紅色素的提取量進(jìn)行測定。量取20 mL蘿卜發(fā)酵液B,平均分成2份,分別用pH 1.0和pH 4.5的緩沖液(pH 1緩沖液:稱取1.86 g氯化鉀、980 mL蒸餾水,攪拌均勻,用濃鹽酸進(jìn)行pH矯正;pH 4.5緩沖液:稱取32.82 g乙酸銨、960 mL蒸餾水,攪拌均勻,用濃鹽酸進(jìn)行pH矯正)定容至50 mL,靜置后在最大吸收波長530 nm處測定其吸光度,根據(jù)公式計算其色素提取量并進(jìn)行比較。計算方式見式(1)。

    式中:C為色素提取量,mg/g;A0是pH 1.0時色素在530 nm處的吸光度;A1是pH 4.5時色素在530 nm處的吸光度;V為提取液總體積,mL;n為稀釋倍數(shù);M為天竺葵素的相對分子量,取值648.5;ε為消光系數(shù),取值30 200);m為胭脂蘿卜的質(zhì)量,g。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 單因素試驗

    2.1.1 發(fā)酵溫度對胭脂蘿卜紅色素異味和提取量的影響

    如圖1所示,發(fā)酵溫度極大地影響脫異味的效果。這是由于蘿卜紅色素的主要異味物質(zhì)來源是蘿卜中硫代葡萄糖苷化合物的分解代謝產(chǎn)物,如3-丁烯-1-異硫氰酸酯、3-(甲硫基)-丙基異硫氰酸酯和4-(甲硫基)-3-丁烯基異硫氰酸酯等[28]。在適宜的發(fā)酵溫度范圍內(nèi),酵母菌在代謝過程中,減少了這些異味物質(zhì)的產(chǎn)生,因此降低了蘿卜紅色素中的異味。隨著溫度逐漸升高,蘿卜紅色素的異味呈先減少后增加趨勢,發(fā)酵溫度26 ℃時,感官評價分?jǐn)?shù)最高。在一定范圍內(nèi),發(fā)酵溫度對蘿卜紅色素提取率的影響不大(P<0.05)。發(fā)酵溫度為24 ℃時,蘿卜紅色素的提取量最高,為0.026 mg/g。僅比對照組相差0.000 4 mg/g。綜上所述,從資源利用度方面綜合考慮,選擇溫度24,26和28 ℃進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化試驗。

    圖1 發(fā)酵溫度對胭脂蘿卜紅色素異味和紅色素提取量影響

    2.1.2 發(fā)酵時間對胭脂蘿卜紅色素異味和提取量的影響

    如圖2所示,發(fā)酵時間12 h時,紅色素提取量比對照組的提取量略有增加,為0.028 8 mg/g,其原因是在這個階段處于發(fā)酵的初始階段,不但不會引起紅色素的降解,反而有利于紅色素從蘿卜細(xì)胞中的溶出。發(fā)酵時間36 h時,感官評分達(dá)到最高值,為7.5分。發(fā)酵時間超過36 h,感官評分逐漸降低,發(fā)酵液中出現(xiàn)新異味,這可能是酵母過度發(fā)酵,產(chǎn)生新的發(fā)酵產(chǎn)物所致。另外,低糖濃度及其降解副產(chǎn)物會降低花青素穩(wěn)定性,并形成棕色聚合物;高糖濃度可能會降低水分活性,從而對花青素的活性有保護(hù)作用[29]。綜上所述,選擇發(fā)酵時間24,36和48 h進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化試驗。

    圖2 發(fā)酵時間對胭脂蘿卜紅色素異味和紅色素提取量的影響

    2.1.3 發(fā)酵液初始pH對胭脂蘿卜紅色素異味和提取量的影響

    如圖3所示,當(dāng)發(fā)酵液初始pH 4.5時,感官評定分?jǐn)?shù)和紅色素提取量均達(dá)到最高,分別為8分和0.027 3 mg/g。這可能是發(fā)酵pH影響了胭脂蘿卜中硫苷酶的活性,黑芥子酶的最適pH為6,研究發(fā)現(xiàn)pH下降至3左右時其活性降低70%[11]。發(fā)酵液處于低pH時黑芥子酶受到抑制作用和對硫苷的分解,從而影響了蘿卜色素中異味物質(zhì)的產(chǎn)生。同時,當(dāng)pH超過4.5時,紅色素的提取量逐漸降低,這可能是花青素結(jié)構(gòu)由穩(wěn)定的醌式結(jié)構(gòu)逐漸變成無色的不穩(wěn)定的擬堿式或者查爾酮式形式,導(dǎo)致蘿卜紅色素溶解度下降所致[30]。綜上所述,選擇發(fā)酵液初始pH 4.5進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化試驗。

    圖3 發(fā)酵液初始pH對胭脂蘿卜紅色素異味和紅色素提取量的影響

    2.1.4 接種量對胭脂蘿卜紅色素異味和提取量的影響

    如圖4所示,當(dāng)酵母菌接種量不斷提高時,蘿卜紅色素異味先減少后增加。接種量1%時,感官評價分?jǐn)?shù)最高,為8分。接種量超過1%時,感官評分逐漸降低。這可能是隨酵母菌接種量增大,發(fā)酵速率變快,代謝加強(qiáng),菌種之間競爭激烈,代謝路徑發(fā)生改變,影響硫苷分解后的代謝產(chǎn)物種類、含量,增加異味物質(zhì)的種類和含量;同時,可能酵母菌利用蘿卜中的糖類物質(zhì),生產(chǎn)一些新的異味物質(zhì)。菌種量1.2%時,紅色素提取量最高,為0.023 9 mg/g。綜上所述,選擇接種量0.8%,1.0%和1.2%進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化試驗。

    圖4 接種量對胭脂蘿卜紅色素異味和紅色素提取量的影響

    2.2 微生物發(fā)酵法脫除胭脂蘿卜紅色素異味的工藝優(yōu)化

    2.2.1 響應(yīng)面試驗設(shè)計及結(jié)果

    響應(yīng)面試驗安排及結(jié)果見表3。

    表3 響應(yīng)面試驗安排與結(jié)果

    2.2.2 回歸模型建立及方差分析

    通過Design-Expert 12軟件對回歸模型進(jìn)行分析,得出擬合回歸方程:感官評分=7.85+0.050A-0.003 333B-0.20C+0.036D-0.30AB-0.12AC-0.36AD-0.25BC-0.056BD-0.13CD-1.08A2-92B2-1.16C2-1.31D2。

    由表4可知,對回歸模型進(jìn)行顯著性檢驗和方差分析。該模型P<0.01,說明該模型極顯著。失擬項P值為0.106 9>0.05不顯著,確定系數(shù)R2=0.990 5,模型變異系數(shù)為2.1%,遠(yuǎn)小于10%。說明該模型擬合度較好、可信度高、相關(guān)性好,可用于有效預(yù)測蘿卜紅色素異味的感官評分變化情況,進(jìn)而有效驗證工藝的準(zhǔn)確性。模型中C、AB、AD、BC、A2、B2、C2、D2均極顯著(P<0.01),BC顯著(P<0.05)。從表4中F值可知,各因素對蘿卜紅色素異味的影響順序為:發(fā)酵時間(C)>接種量(A)>發(fā)酵液pH(D)>發(fā)酵溫度(B)。

    表4 響應(yīng)面回歸方程方差分析

    接表4

    2.2.3 交互作用分析

    圖6 接種量和發(fā)酵液初始pH的交互作用對胭脂蘿卜紅色素脫臭效果的影響

    圖5~圖7中響應(yīng)面坡度均較陡峭,等高線呈橢圓形,說明發(fā)酵時間與菌種接種量、發(fā)酵pH與接種量以及發(fā)酵溫度和發(fā)酵時間的交互作用均顯著,對感官評分的影響較大。這與方差分析結(jié)果一致。

    圖5 接種量和發(fā)酵時間的交互作用對胭脂蘿卜紅色素脫臭效果的影響

    圖7 發(fā)酵時間和發(fā)酵溫度的交互作用對胭脂蘿卜紅色素脫臭效果的影響

    2.2.4 驗證試驗結(jié)果

    根據(jù)響應(yīng)面模型預(yù)測微生物發(fā)酵法脫除蘿卜紅色素異味的最佳工藝參數(shù):菌種接種量1.005%、發(fā)酵時間36.071 h、發(fā)酵溫度為25.821 ℃、發(fā)酵液初始pH 4.507,按此工藝參數(shù)制備的蘿卜紅色素的感官評分可達(dá)7.854分。考慮到實際操作的簡便性,將試驗方案適當(dāng)調(diào)整為酵母菌接種量1%、發(fā)酵時間36 h、發(fā)酵溫度25.5 ℃、發(fā)酵液初始pH 4.5。按此工藝進(jìn)行3次平行試驗,感官評分為7.82±3分,與預(yù)測值7.854分接近,說明該模型適合紅色素脫臭工藝條件的預(yù)測。

    2.3 質(zhì)量評價

    2.3.1 感官指標(biāo)

    胭脂蘿卜紅色素異味的感官指標(biāo):無胭脂蘿卜異味,酵母發(fā)酵味淡;脫臭蘿卜紅色素的色澤鮮艷,與未脫臭的蘿卜紅色素相比較,無明顯差異。

    2.3.2 紅色素提取量

    在最優(yōu)脫異味工藝條件下制備的紅色素的提取量達(dá)到0.036 3 mg/g,而對照試驗的紅色素提取量為0.037 1 mg/g。由此可見,微生物發(fā)酵法不僅可以有效脫異味,而且對蘿卜紅色素的提取量無顯著(P>0.05)影響。

    3 結(jié)論

    試驗采用果酒酵母發(fā)酵脫除胭脂蘿卜紅色素異味。通過單因素試驗和響應(yīng)面優(yōu)化試驗,確定脫除蘿卜紅色素異味的最優(yōu)工藝參數(shù):菌種接種量1%、發(fā)酵時間36 h、發(fā)酵溫度25.5 ℃、發(fā)酵液初始pH 4.5。在此條件下制得的蘿卜紅色素基本無胭脂蘿卜異味,酵母發(fā)酵味淡,感官評分是7.82分,紅色素提取量為0.036 3 mg/g,與未脫臭的蘿卜紅色素提取量無顯著差異(P>0.05)。說明果酒酵母菌發(fā)酵不僅能有效脫除蘿卜紅色素中的異味,而且基本不會影響蘿卜紅色素提取量和色澤。試驗建立一種新的減少或消除胭脂蘿卜紅色素的異味方法,為擴(kuò)大蘿卜紅色素的應(yīng)用范圍提供技術(shù)支持,為蘿卜紅色素的工業(yè)化生產(chǎn)提供方法指導(dǎo)和理論基礎(chǔ)。

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