王貝貝,馮瑤瑤,牛希躍,劉靜,許倩*,管欣怡,李雨鑫

(1 塔里木大學食品科學與工程學院,新疆 阿拉爾 843300)(2 南疆特色農產品深加工兵團重點實驗室,新疆 阿拉爾 843300)(3 新農乳業(yè)有限責任公司,新疆 阿拉爾 843300)

黑米常被稱為“長壽米”“神仙米”等[1]。黑米的色、香、味與其營養(yǎng)價值都高于白米,是一種比較稀有的特殊水稻資源。黑米含有豐富的微量元素和維生素,如鋅、鎂和VE、VB1、VB2等;同時,蛋白質含量比白米高6.8%,脂肪含量也高達20%[2-4]。堅果富含豐富的蛋白質、脂肪、碳水化合物及其他營養(yǎng)物質,其中巴旦木和核桃是新疆的特色堅果之一,以巴旦木或者核桃為主要原料的產品有很多,如飲料方面有燕麥堅果復合乳飲料[5]、核桃銀耳復合飲料[6]、核桃巴旦木植物蛋白飲料[7]等。相關研究表明,雙歧桿菌發(fā)酵過的果汁可增強其維生素C和其他營養(yǎng)物質的含量,乳酸菌發(fā)酵的谷物中多酚類和黃酮類物質的含量可得到提高[8]。此外,乳酸菌具有調節(jié)腸道菌群,助消化的作用,其代謝生成的乳酸、乙酸等有機酸能使人體的腸道環(huán)境 pH值下降,從而降低B族維生素在人體內的穩(wěn)定性,使得鈣、磷與B族維生素結合量大大減少,提高人體對鈣、磷的吸收,有利于人體骨骼的發(fā)育[9-11]。目前,黑米發(fā)酵類飲料[12-15]和堅果類飲料[16-17]有很多,但黑米和堅果乳酸菌發(fā)酵乳飲料鮮有報道。新疆地區(qū)的巴旦木和核桃資源相對比較豐富,同時乳酸菌發(fā)酵能增加脂肪、蛋白質、糖等營養(yǎng)成分,還能為身體提供必需的激素和酶,因此具有重要的研究意義。

本試驗以黑米、核桃、巴旦木、牛奶為原料,通過乳酸菌發(fā)酵、巴氏殺菌,經(jīng)響應面優(yōu)化,確定其最優(yōu)發(fā)酵條件和最佳工藝配方,使黑米、核桃、巴旦木等營養(yǎng)成分協(xié)同互補,提高飲料的營養(yǎng)價值,促進相關產業(yè)的產品開發(fā)利用,同時為此類飲料的研制提供理論參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料

伊利牛奶、白砂糖、黑米、巴旦木、核桃及礦泉水:市售;保加利亞乳桿菌(Lactobacillusbulgaricus)、嗜熱鏈球菌(Streptococcusthermophilus):北京川秀國際貿易有限公司;羧甲基纖維素鈉、檸檬酸、α-淀粉酶(酶活力50 000 U/mL)、糖化酶、食用香精:河南萬邦實業(yè)有限公司;單雙甘油脂肪酸酯:佳力士添加劑有限公司;蔗糖脂:廣西遠長食品科技股份有限公司。

1.1.2 儀器

PHS-2F pH計:上海儀電科學儀器股份有限公司;LE203/02電子天平:梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;HH-501超級恒溫水浴:江蘇金怡儀器科技有限公司;XW-80A微型旋渦混合儀:上海瀘西分析儀器廠有限公司;SW-CJ-2F凈化工作臺:上海博訊實業(yè)有限公司醫(yī)療設備廠;TGL-20bR離心機:上海安亭科學儀器廠;K1100全自動凱氏定氮儀:濟南海能儀器股份有限公司;HW6-1J恒溫培養(yǎng)箱:浙江普托儀器有限公司;滅菌鍋:上海申安醫(yī)療器械廠;T18高速分散機;破壁機。

1.2 試驗方法

1.2.1 工藝流程

1.2.1.1 原料預處理的工藝流程

將黑米和堅果分別打漿,過濾備用,其工藝流程如圖1所示。

圖1 原料預處理的工藝流程

1.2.1.2 黑米堅果復合發(fā)酵乳飲料的工藝流程

將黑米漿、堅果漿與牛奶混合,添加蔗糖、乳酸菌和食品添加劑進行調配,以期研制出一款發(fā)酵乳飲料,其工藝流程如圖2所示。

圖2 黑米堅果復合發(fā)酵乳飲料的工藝流程

1.2.2 操作要點

1.2.2.1 黑米漿的制備

挑選優(yōu)質黑米進行清洗,按照料液比為1∶8加水浸泡4 h,用破壁機將浸泡的黑米打漿,然后將黑米漿在95 ℃條件下糊化20 min,再添加0.3%中溫α-淀粉酶(酶活力50 000 U/mL)使其在pH為6、溫度為60 ℃的條件下液化50 min,后沸水浴加熱2 min使酶滅活;再使其降溫至60 ℃,在pH為4.5的條件下,加入0.3%糖化酶,糖化50 min后,在90 ℃以上(以煮沸為宜)滅酶1 min;冷卻后設置離心機在4 000 r/min離心15 min并過濾,取黑米漿上清液備用[16]。

1.2.2.2 堅果漿的制備

挑選無機械損傷、無霉變、無蟲蛀的巴旦木和核桃仁去皮,將核桃仁和巴旦木加水煮沸維持10 min,放冷去皮洗凈。然后將80 ℃純凈水、0.2%D-異抗壞血酸鈉、已處理的核桃仁和巴旦木(質量比為2∶3)放入打漿機中打漿(料液比為1∶10)6 min。過濾后取堅果漿備用[17-18]。

1.2.2.3 調配、殺菌

將制備好的黑米漿和堅果漿(體積比為3∶2)混合,然后加入伊利牛奶,使黑米堅果漿和牛奶的總體積為100 mL,加入4%蔗糖進行調配,混勻。然后將混合飲料在恒溫水浴鍋中65 ℃滅菌30 min。

1.2.2.4 接種、發(fā)酵

將乳酸菌在超凈工作臺中按比例加入冷卻至室溫的混合飲料中,在恒溫培養(yǎng)箱中進行發(fā)酵。

1.2.2.5 調配、高速分散

向黑米堅果發(fā)酵液中按一定的比例添加水和單雙甘油脂肪酸酯、羧甲基纖維素鈉、蔗糖脂、蔗糖、食用香精、0.06%檸檬酸等添加劑進行混合調配,使用高速分散機在7 000 r/min下攪拌5 min,使其混合均勻(發(fā)酵液和水共計100 mL)。

1.2.2.6 灌裝、滅菌、成品

將制配的發(fā)酵型復合乳飲料裝瓶,用滅菌鍋在65 ℃的條件下滅菌30 min。取出,冷卻成品。

1.3 試驗設計

1.3.1 乳酸發(fā)酵單因素實驗

考察黑米堅果漿的添加量(10%、20%、30%、40%、50%)、混合乳酸菌接種量(0.05%,0.10%,0.15%,0.20%,0.25%)、發(fā)酵溫度(36℃、38℃、40 ℃、42 ℃、44 ℃)、發(fā)酵時間(7 h、8 h、9 h、10 h、11 h)、對黑米堅果發(fā)酵乳液的影響。

1.3.2 乳酸發(fā)酵液的正交試驗設計

在單因素的基礎之上,對影響較大的黑米堅果漿的添加量(A)、發(fā)酵溫度(B)、發(fā)酵時間(C)、乳酸菌接種量(D)4個因素設計L9(34)的正交試驗如表1,根據(jù)感官評分標準如表2,以確定最佳發(fā)酵液的配方。

表1 乳酸發(fā)酵液試驗因素水平表

表2 黑米堅果發(fā)酵液的感官評分標準表

1.3.3 飲料調配的單因素實驗

考察發(fā)酵液添加量(15%、30%、45%、60%、75%)、復合穩(wěn)定劑總量為0.60%的配比(羧甲基纖維素鈉∶蔗糖酯∶單雙甘油脂肪酸酯為1∶2∶3、3∶2∶1、2∶1∶3、2∶3∶1、1∶3∶2、3∶1∶2、1∶1∶1)、蔗糖的添加量(2%、3%、4%、5%、6%)對黑米堅果復合發(fā)酵乳飲料的影響。

1.3.4 黑米堅果發(fā)酵乳飲料配方的響應面優(yōu)化

在單因素試驗的基礎上,采用Design-Expert Software 8.0軟件進行響應面試驗。利用Box-Behken原理[18],以感官評分為標準,進行評價,選出最佳配方,試驗設計如表3所示。

表3 響應面試驗因素水平設計表

1.3.5 感官評定

由15位專業(yè)方向品鑒員對產品黑米堅果復合發(fā)酵乳飲料的色澤、氣味、組織狀態(tài)、滋味4個方面進行逐個打分。感官評分標準如表4所示。

表4 黑米堅果復合發(fā)酵乳飲料感官評分標準

1.4 貨架期的預測

1.4.1 微生物檢測

參考GB 4789.2—2022[19]測定菌落總數(shù)。

1.4.2 貯藏期間感官品質的變化

感官品質是消費者對于食品最為直觀的判斷方式。因此,試驗對巴氏殺菌的黑米堅果發(fā)酵乳飲料樣品置于不同的貯藏溫度,按照感官評價標準進行評估,其評分標準根據(jù)表4進行感官評定。

1.4.3 快速貨架期試驗

參考李雨浩[20]的研究方法,通過加速貨架期試驗法(accelerated shelf life test,ASLT)對黑米堅果復合發(fā)酵乳飲料的保質期進行預測。以菌落總數(shù)和感官評價為考察指標判斷黑米堅果復合發(fā)酵乳飲料的貨架期,當評分低于75分為感官不可接受,以其和微生物指標超標作為試驗終點。

1.5 黑米堅果發(fā)酵飲料的理化指標測定

脂肪測定:參照GB 5009.6—2016[21];蛋白質含量測定:參照GB 5009.5—2016[22],采用凱氏定氮儀測蛋白質含量;pH值的測定:參照GB 5009.237—2016[23],采用pH計測定。

2 結果與分析

2.1 黑米堅果發(fā)酵液的單因素試驗結果和分析

2.1.1 黑米堅果原液的添加量對發(fā)酵液感官品質的影響

由圖3(a)分析可知,滋味的影響較為突出,由圖3(b)分析可知,當原液添加量為30%時,感官得分相對較高,發(fā)酵液的組織狀態(tài)很好,口感細膩,具有濃郁的黑米和堅果的香味。當添加量超過30%,則呈現(xiàn)下降趨勢,由于發(fā)酵液的粘度隨著原液的增加而增加,使得其口感變差,顏色也隨之加深。因此,選擇黑米堅果原液的添加量在30%左右為宜。

圖3 黑米堅果原液的添加量對發(fā)酵液感官品質的影響

2.1.2 混合乳酸菌的添加量對發(fā)酵液感官品質的影響

由圖4(a)分析可知,其滋味影響較為突出,由圖4(b)分析可知,隨著乳酸菌添加量的增加,發(fā)酵液的接種量在0.10%為變化點,呈現(xiàn)先上升后下降的變化。當接種量為0.05%時,其發(fā)酵不完全,呈半固體狀態(tài),組織狀態(tài)較差,特有風味不明顯;當乳酸菌接種量為0.10%時,發(fā)酵液組織均勻,無析出物,酸甜適宜;當乳酸菌添加量達到0.25%時,發(fā)酵液的發(fā)酵速度加快,導致出現(xiàn)析出物,口感過酸,使得感官評分下降。因此,乳酸菌的接種量在0.10%左右為宜。

圖4 混合乳酸菌的添加量對發(fā)酵液感官品質的影響

2.1.3 發(fā)酵溫度對發(fā)酵液感官品質的影響

由圖5(a)分析可知,發(fā)酵溫度對其滋味影響較為突出,由圖5(b)分析可知,隨著溫度的上升,感官評分呈現(xiàn)先升后降趨勢。在40 ℃發(fā)酵條件下,感官得分最高,口感酸甜適中,組織狀態(tài)良好;當溫度低于40 ℃時,未達到乳酸菌最適生長溫度,乳酸含量較低,甜味較高;當溫度高于40 ℃時,乳酸含量過多,導致黑米堅果的香味被掩蓋,同時還有少量的乳清析出,口感欠佳。因此,在40 ℃條件下發(fā)酵時口感最好。

圖5 發(fā)酵溫度對發(fā)酵液感官品質的影響

2.1.4 發(fā)酵時間對發(fā)酵液感官品質的影響

由圖6分析可知,當發(fā)酵時間在6～9 h之間,感官評分隨發(fā)酵時間的延長而上升,發(fā)酵時間不足,導致其組織狀態(tài)較差,酸度較低,口感過甜。當發(fā)酵9 h時,黑米堅果發(fā)酵液達到相對最佳的狀態(tài),此時評分較高。但當發(fā)酵時間達到10 h時,有明顯沉淀和乳清析出,且酸味偏重,口感較差。因此,最佳發(fā)酵時間為9 h。

圖6 發(fā)酵時間對發(fā)酵液感官品質的影響

2.2 黑米堅果發(fā)酵液的正交試驗結果和分析

由表5分析可知,A2B2C3D2為最優(yōu)發(fā)酵工藝,即乳酸菌接種量為0.10%,發(fā)酵溫度為42 ℃,發(fā)酵時間為9 h,黑米堅果漿的添加量為30%;其影響次序為發(fā)酵溫度(C)>乳酸菌接種量(D)>發(fā)酵時間(B)>黑米堅果漿的添加量(A)。由于正交表中未出現(xiàn)其最佳配比A2B2C3D2,需再進行一次驗證試驗,經(jīng)驗證試驗得其感官評分為86.5分,其評分明顯高于正交表中的組合;因此,最佳配方應是A2B2C3D2。

表5 黑米堅果發(fā)酵液的正交試驗結果

2.3 黑米堅果發(fā)酵乳飲料調配的單因素試驗結果和分析

2.3.1 發(fā)酵液的添加量對黑米堅果發(fā)酵乳飲料的影響

由圖7分析可知,發(fā)酵液添加量為45%時,感官評分最高,該飲料色澤均勻,氣味協(xié)調,口感細膩;當添加量少于45%時,顏色較淺,黑米堅果的香味較淡,口感欠佳;當添加量為75%時,有黑米堅果的香味,但過于濃稠,滅菌后有輕微的乳蛋白析出,同時產品的成本也有所提高。因此,發(fā)酵液的添加量以45%左右為宜。

2.3.2 復合穩(wěn)定劑的添加量對黑米堅果發(fā)酵乳飲料的影響

如圖8分析可知,隨著羧甲基纖維素鈉、單雙甘油脂肪酸酯、蔗糖脂比例的調整,感官評分越來越高,當這三者比例為3∶1∶2時增稠效果最佳,口感醇厚,乳液均勻,組織狀態(tài)最佳,酸甜可口,風味適宜,感官評價得分最高為81分;而當比例為1∶2∶3時,增稠效果最差,口感粗糙,有沉淀,組織狀態(tài)較差。因此,復合穩(wěn)定劑的比例為3∶1∶2時比較合適。

圖8 復合穩(wěn)定劑對黑米堅果發(fā)酵乳飲料的影響

2.3.3 蔗糖添加量對黑米堅果發(fā)酵乳飲料的影響

由圖9分析可知,蔗糖添加量為5%,其感官評分最高。蔗糖添加量過低時,整體風味較差,口感不佳;蔗糖過多則會掩蓋發(fā)酵乳的酸甜口感。因此,蔗糖的添加量為5%左右較好。

圖9 蔗糖對黑米堅果發(fā)酵乳飲料的影響

2.4 黑米堅果發(fā)酵乳飲料配方的響應面優(yōu)化的試驗結果和分析

響應面試驗設計和結果如表6所示,采用響應面設計方案,用方差分析和回歸方差分析進行計算如表7所示。利用Design Expert 8.06軟件對表7結果進行回歸方程擬合,得到響應面回歸方程:Y(感官評分)=87.28+0.68a+1.49b+1.84c+0.85ab+0.00ac+1.62bc-2.25a2-3.98b2-7.28c2。

表6 響應面試驗設計及結果

表7 回歸模型方差分析表

2.5 黑米堅果發(fā)酵乳飲料配方的響應面圖的分析

圖10～12為不同兩因素之間交互作用的響應面圖,在圖10(A)中,發(fā)酵液的添加量45%與蔗糖的添加量5%相交;在圖11(A)中發(fā)酵液的添加量為45%與復合穩(wěn)定劑的添加量(羧甲基纖維素鈉∶蔗糖酯∶單雙甘油脂肪酸酯)為3∶1∶2時相交;圖12(A)中蔗糖的添加量5%與復合穩(wěn)定劑的添加量(羧甲基纖維素鈉∶蔗糖酯∶單雙甘油脂肪酸酯)為3∶1∶2時相交。所以在發(fā)酵液的添加量45%、蔗糖的添加量5%、復合穩(wěn)定劑的添加量(羧甲基纖維素鈉∶蔗糖酯∶單雙甘油脂肪酸酯)為3∶1∶2時存在極大值,該結果與單因素優(yōu)化結果一致。由圖10(B)可知,當發(fā)酵乳添加量一定時,復合穩(wěn)定劑比蔗糖對感官評分的影響大,同理圖11(B)～12(B),復合穩(wěn)定劑對感官評分的影響大于蔗糖和發(fā)酵液。

圖10 發(fā)酵液和蔗糖添加量之間交互作用的等高線(A)及響應面(B)

圖11 發(fā)酵液和穩(wěn)定劑的添加量之間交互作用的等高線(A)及響應面(B)

圖12 蔗糖和穩(wěn)定劑的添加量之間交互作用的等高線(A)及響應面(B)

2.6 最佳配方的確定和回歸模型的驗證

由于上述分析與方差分析結果一致,所以由響應面優(yōu)化分析可得,黑米堅果發(fā)酵乳飲料的最優(yōu)配方為發(fā)酵液的添加量為47.80%,水的添加量為52.20%,蔗糖的添加量為5.24%,復合穩(wěn)定劑的配比(羧甲基纖維素鈉∶蔗糖酯∶單雙甘油脂肪酸酯)為3.42∶1.14∶2.28,在此條件下由公式計算得出理論的感官評分為87.67分。為便于實驗的操作并結合生產實際,將各因素進行調整為發(fā)酵液的添加量為47.80%,水的添加量為52.20%,蔗糖的添加量為5.20%,復合穩(wěn)定劑的添加量為0.60%,比例(羧甲基纖維素鈉∶蔗糖酯∶單雙甘油脂肪酸酯)為3.4∶1.1∶2.3,進行3次平行試驗,得出此配方的感官評分為86.83分,與預測值相近。說明該模型對黑米堅果發(fā)酵乳飲料的工藝有進一步的優(yōu)化。

2.7 黑米堅果發(fā)酵乳飲料的保質期預測

2.7.1 貯藏期間感官品質的變化

由圖13分析可知,樣品在4 ℃、25 ℃和35 ℃條件下貯藏,隨著時間的延長,感官評分呈現(xiàn)下降趨勢。35 ℃貯藏條件下的黑米堅果發(fā)酵乳飲料感官總分直線下降,品質劣變速度較快,25 ℃條件下飲料品質劣變次之,4 ℃條件下飲料評分變化較為緩慢,因此低溫貯藏對于黑米堅果發(fā)酵乳飲料的品質尤為關鍵。

圖13 貯藏期的不同對黑米堅果發(fā)酵乳飲料的感官品質影響

2.7.2 貯藏期內微生物的變化

由表8分析可知,在不同的貯藏溫度下,隨著貯藏時間的延長,微生物不斷增多,但由圖13和表8綜合分析可知,本試驗通過巴氏殺菌的滅菌方法,當感官評分在75分及以上時,其4 ℃、25 ℃和35 ℃條件下儲藏的黑米堅果發(fā)酵乳飲料菌落總數(shù)均未超標,均<100 CFU/mL。

表8 貯藏期對貯藏品質的影響

2.7.3 最終保質期的預測結果

試驗以樣品微生物指標超標和感官評分低于75 分作為其保質期終點,綜合以上指標,得出經(jīng)巴氏殺菌的黑米堅果發(fā)酵乳飲料在 35 ℃的貯藏期為4 d,在25 ℃下的貯藏期為12 d。所以,根據(jù)公式可得低溫 4 ℃貯藏的黑米堅果發(fā)酵乳飲料的貨架期為62 d。

2.8 黑米堅果發(fā)酵乳飲料的理化指標

由表9分析可知,黑米堅果發(fā)酵乳飲料的理化指標:pH(4.35±0.02)、脂肪含量(1.38±0.02) g/100 mL、蛋白質含量(1.06±0.02) g/100 mL,其指標均符合國家標準。

表9 黑米堅果發(fā)酵乳飲料理化指標

3 結論

通過以上試驗得出,以黑米、核桃、巴旦木、牛奶為原料,以乳酸菌發(fā)酵劑為發(fā)酵菌種,經(jīng)巴氏殺菌,進行研制了一種營養(yǎng)健康的黑米堅果發(fā)酵乳飲料。通過采用感官評定、單因素實驗和正交實驗來確定發(fā)酵液的最優(yōu)發(fā)酵條件為溫度42 ℃、時間9 h、乳酸菌接種量0.1%、原液添加量30%;經(jīng)響應面優(yōu)化,建立回歸模型,其擬合度良好,確定最佳工藝配方為發(fā)酵液47.80%、水52.20%、蔗糖5.20%、復合穩(wěn)定劑0.60%(羧甲基纖維素鈉∶蔗糖酯∶單雙甘油脂肪酸酯=3.4∶1.1∶2.3)。按此方法可研制出具有黑米和堅果的混合香味以及乳酸發(fā)酵產生的獨特風味的黑米堅果發(fā)酵乳飲料,顏色均勻為乳粉色,有光澤,酸甜適宜,口感細膩,無沉淀分層的現(xiàn)象,且微生物和理化指標均符合國家標準。同時經(jīng)過保質期的預測,巴氏殺菌后的黑米堅果發(fā)酵乳飲料在4 ℃下保質期為62 d。本產品品質相對穩(wěn)定,口感適宜,符合公眾的要求;同時巴氏殺菌后的乳酸菌飲料有助于調節(jié)腸道菌群的種類和數(shù)量等,可幫助通便,調節(jié)腸道健康等功能。所以經(jīng)巴氏殺菌的發(fā)酵乳飲料有一定的研究前景,并為黑米和堅果產業(yè)的深加工提供一種新思路,同時也提高了它們相應的應用價值。