模糊数学结合响应面法优化复...海藻多糖乳酸菌饮料工艺研究_丛懿洁.pdf

第 2 期收稿日期：2022-09-29作者简介：丛懿洁（1988），女（汉族），山东威海人，讲师，研究方向：食品开发与感官评价.E-mail：基金项目：山东省海洋食品质量安全检测职业教育集团 2021 年度产教融合改革试点项目专项资金资助项目（SHSZ2021002）；2019 年山东省高等学校青创人才引育计划食品加工技术技能创新团队资助项目（133）；全国轻工职业教育教学指导委员会 2021 年度资助项目（QGHZW2021116）2023 年 05 月汕头大学学报（自然科学版）第 38 卷 第 2 期May2023Journal of Shantou University(Natural Science)Vol.38 No.2文章编号：1001-4217（2023）02-0049-13模糊数学结合响应面法优化复合海藻多糖乳酸菌饮料工艺研究丛懿洁（威海海洋职业学院食品与药品系，山东荣成264300）摘要为提高海藻资源的精深加工和综合利用，以复合海藻（紫菜、孔石莼、海带）提取液为主要原料，采用复合菌种（保加利亚乳杆菌、嗜热链球菌、植物乳杆菌）发酵研制富含海藻多糖的乳酸菌饮料，采用模糊数学法进行产品的感官评价，采用响应面法进行产品工艺优化.复合海藻多糖乳酸菌饮料发酵的最佳工艺条件为：复合菌质量浓度 0.9mg/100 mL，乳清粉质量分数为 4%，发酵时间 20 h，木糖醇质量分数为 4%.本试验采用模糊数学和响应面结合法用于优化复合海藻多糖乳酸菌饮料的工艺，在此条件下生产的饮料酸甜适宜、口感柔和、清新细腻.关键词复合海藻；乳酸菌饮料；模糊数学；响应面；感官品质中图分类号TQ914文献标识码A海藻含有丰富的营养物质，其中包括蛋白质、多糖类物质、食物纤维和多种维生素等，另外与陆生植物不同的是，海藻还含有丰富的海藻多糖、海藻酸钠、高度不饱和脂肪酸等多种功能性物质和活性成分，具有抗疲劳、抗氧化、抗病毒、降血糖、降血脂、提高免疫力等功能1-4.山东沿海一带海藻资源丰富，包括紫菜、孔石莼、海带、裙带菜、马尾藻等，目前此区域的海藻资源主要以鲜销为主，也有企业提取海藻活性物质制备胶囊作为保健食品，但关于海藻资源其他方面的精深加工研究比较少，产业发展滞后，产品附加值低5-7.植物发酵液饮料是近年新兴的一种植物发酵食品，兼具植物原料营养成分和发酵食品功效.关于海藻发酵饮料，目前研究较多的是采用单一海藻进行发酵制得的饮料，如研究最多的是海带发酵饮料.复合海藻发酵饮料研究相对较少.以复合海藻多糖提取液为原料，利用复合菌乳酸菌发酵研制活性乳酸菌饮料，相比单一的海藻发酵具备较多优势.一是提取多种海藻液，可以综合不同种类的海藻的营养成分、活性物质，提升产品的营养价值；另一方面可以提高当地多种海藻资源的综合利用率，进行海藻资源精深加工；此外，利用多种海藻提取海藻多糖溶液制备出一款具备生物活性物质的功能性乳酸菌汕头大学学报（自然科学版）第 38 卷饮料，填补了目前市场上单一海藻饮料的空白，满足消费者对于植物发酵饮料在口味、功能、品质上的追求6.富含海藻多糖的乳酸菌饮料的口感及其他感官品质是决定产品上市后是否受消费者喜欢的重要因素.因此研究海藻多糖乳酸菌饮料的发酵工艺，产品的感官评价工作具有重要作用8.目前关于感官评价的研究大部分是根据感官评分法简单的打分，缺乏客观、准确的评价，导致评价员因主观因素评价使结果不准确，进而影响产品研发效果.模糊数学感官评价法是用模糊数学中模糊关系对食品感官评价结果进行综合评判的方法9.它是运用模糊数学的有关理论，采用数学方式对食品感官品质中各个因素的制约关系抽象化，建立能够反映感官品质本质特点和动态过程的定量评价模式10-11.目前被广泛应用于食品感官评价工作中.佘敏等12采用模糊数学法结合响应面法优化空气炸虾条的工艺，以感官评分为响应值，得到最优条件下虾条综合评分为 26.83（总分 30 分），风味良好.薛山等13采用模糊数学结合响应面法优化兔汤的高压炖煮工艺，以感官评分和蛋白浓度为响应值，得到了最优的工艺条件，最终采用模型得到的感官评分和蛋白浓度分别可达到85.17 和 32.38 mg/mL，模型可靠，为闽南特色兔汤的研发和推广提供实际借鉴意义.应用模糊数学法进行综合感官评价，其提供的评价信息比其他方法更加全面，能够对复杂的对象进行不同角度的不同层次的分析，最重要的是可以很大程度上消除评价员因主观因素而给感官结果造成的误差影响，使感官评价结果更趋于客观、真实、科学.本研究以复合海藻多糖提取液为原料，以乳清粉、木糖醇为辅料，添加复合菌种进行发酵，制备富含海藻多糖的乳酸菌饮料，对产品进行模糊数学综合感官评价，采用响应面法进行产品工艺优化，以期研制出一款富含海藻多糖的功能性活性乳酸菌饮料产品，为满足消费者口味多样性的需求提供了思路，同时对于当地海藻资源的精深加工具有实际的借鉴意义14-15.1材料与方法1.1材料与试剂紫菜、孔石莼、海带，干制；乳清粉，河北创之源生物科技有限公司；木糖醇，山东福田药业有限公司；蔗糖，市售食品级.发酵菌种（保加利亚乳杆菌、嗜热链球菌、植物乳杆菌），北京川秀科技有限公司.1.2仪器与设备均质机（DR-101），莱州鼎润机械设备；恒温培养箱（HN-60），常州恩培仪器制造；立式压力蒸汽灭菌锅（LS-120LD），河南信陵仪器设备；净化工作台（SW-CJ-2F），绍兴市景迈仪器设备.1.3方法1.3.1复合海藻多糖提取液乳酸菌发酵工艺由于海藻类原料本身具备较厚的细胞壁，有效成分难以溶出，发酵前通常会进行50第 2 期预处理，可以利用改变温度、pH 等方式使海藻中储存的碳水化合物溶出并糖化，有利于乳酸菌分解利用.本研究采用保加利亚乳杆菌、嗜热链球菌和植物乳杆菌进行复合发酵，其中植物乳杆菌能够有效降低孔石莼中的钠盐和腥味，使最终制备的饮料口感更加柔和，同时能够将芳香物质有效释放使产品形成浓郁的风味16.选用的保加利亚乳杆菌和植物乳杆菌同属于乳杆菌属，在藻类发酵中使用更为广泛，主要由于其对糖的分解能力强，能直接降解葡萄糖、半乳糖、木糖、阿拉伯糖、鼠李糖等，且产酸量高.目前对海藻饮料掩腥原料多采用乳粉和果粉，本试验采用添加乳清粉，乳清粉中含有乳糖，乳糖不耐症人员不能食用17.添加的嗜热链球菌能够用乳清粉中的乳糖进行发酵产生乳酸，具有改善肠道微环境的功能，同时嗜热链球菌在发酵过程中可以大量的产生胞外多糖，胞外多糖多聚物作为增稠剂、胶凝剂增加了发酵乳饮料的黏度并改善了产品的品质.为避免饮料微存腥味，在后期调配时加入水果香精，使制得的饮料既有海藻特殊香气同时也具有水果香气，提升产品的口感.本试验添加的木糖醇有减肥、防龋齿、调节血糖、调节肠道和促进有益菌增殖等功效，是有效的蔗糖替代品.操作要点：（1）复合海藻多糖提取：干制孔石莼 50 g、海带 140 g、紫菜 60 g，粉碎.将粉末加入5 000 mL 蒸馏水，添加质量分数 0.4%的纤维素酶和果胶酶（11），在 50 条件下超声提取 40 min 后钝化酶，进行真空抽滤，然后离心得到多糖提取液.将多糖提取液蒸煮糖化 2 h 后，调整 pH 值为 6.57.0 待用.（2）发酵：根据前期预实验，接入复合菌（嗜热链球菌、保加利亚乳杆菌、植物乳杆菌）进行发酵，各菌种同质量比例添加.于 37 条件下进行发酵一定时间.（3）调配：添加香兰素和葡萄香精，提高产品的水果香气，从而提升产品口感.（4）过滤：将发酵液经 200 目袋式过滤、0.45 m 板框精滤、0.22 m 膜滤得复合海藻发酵饮料.（5）灭菌：在 7080、1520 min 条件下进行灭菌.丛懿洁：模糊数学结合响应面法优化复合海藻多糖乳酸菌饮料工艺研究51汕头大学学报（自然科学版）第 38 卷1.3.2感官评价通过筛选并培训，得到由 20 名专业评价员组成的感官评价小组，对复合海藻多糖乳酸菌饮料产品进行感官评价18.感官评价标准如表 1：1.3.3模糊数学综合感官评价法评价小组按照复合海藻多糖乳酸菌饮料感官评分标准分别对产品的色泽、香气、滋味、组织状态进行评价，汇总结果.根据模糊数学方法，分别确定因素集 U、评语集V、权重集 X，建立单因素评判矩阵 R，建立模糊数学综合评判模型 YX R.模糊数学综合感官评判结果 TY G，其中 G 为赋值矩阵.1.3.4单因素试验在 1.3.1 工艺条件下，对各因素进行单因素试验：复合菌质量浓度（mg/100 mL）选择0.2、0.4、0.6、0.8、1.0，发酵时间选择 6 h、12 h、18 h、24 h、32 h、48 h，乳清粉质量分数选择2%、4%、6%、8%、10%，木糖醇添加量质量分数选择 1%、2%、3%、4%、5%.以感官评分作为测定指标，确定各因素的最佳水平.1.3.5响应面试验设计在 1.3.1 工艺条件下，依据前期单因素试验基础，根据 Box-Behnken 试验设计原理，以感官评分为响应值，设计响应面试验，优化复合海藻多糖乳酸菌饮料工艺.1.3.6产品理化及微生物指标的测定20蛋白质、酸度、可溶性固形物、乳酸菌、大肠杆菌分别依据 GB 5009.5-2016 食品安全国家标准 食品中蛋白质的测定、GB 5009.239-2016 食品安全国家标准 食品酸度的测定、GB/T 12143-2008 饮料通用分析方法、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、GB 4789.3-2016 食品安全国家标准 食品微生物学检验 大肠菌群计数.1.3.7数据处理采用 Design Expert 11 进行试验设计和结果分析.项目评分标准评分区间评分等级色泽色泽均匀一致、透明，红棕色或黄绿色86-100优色泽不太均匀，颜色太深或太浅60-85中色泽不均匀，浑浊60差香气有发酵香气、水果香气和特殊的海藻醇香，香气柔和86-100优发酵香气、水果香气、海藻香气一般，香气稍冲或偏淡60-85中发酵香气、水果香气、海藻香气弱或没有，有其他异香60差滋味酸甜适中，无异味、无刺激感86-100优稍酸或稍甜，稍有海藻腥味60-85中过酸或过甜，有较强海藻腥味，有其它异味60差组织状态稠厚度适中，状态均匀，无气泡、无块状异物86-100优偏稀，状态较均匀，有少量气泡、有少量块状异物60-85中太稀，状态不均匀，有分层、气泡或不溶物，有块状物60差表 1 复合海藻多糖乳酸菌饮料感官评分标准1952第 2 期2结果与分析2.1单因素试验结果分析由图 1 可知，固定其他条件，改变其中任何一个单因素，产品的感官评分变化趋势基本是一致的.随着各单因素值的增加，产品的感官评分均呈现先增加后降低或趋于平缓的趋势.于佩佩等研究海藻植物发酵液饮料的研制，在优化发酵剂对感官得分的影响与本试验结果趋势一致19.任壮等采用正交试验优化海带多糖饮料的工艺研究时，研究发酵时间、白砂糖添加量对感官评分的影响与本试验结果趋势一致21.分析确定，复合海藻多糖木糖醇乳酸菌饮料的复合菌接种量、发酵时间、乳清粉添加量、木糖醇添加量的最佳水平分别为 0.8%、24 h、4%、4%.2.2复合海藻多糖乳酸菌饮料模糊数学感官评价（1）因素集的建立根据感官评价标准，可以将色泽、香气、滋味、组织状态作为考虑因素，建立评判对象的因素集为 U（u1，u2，u3，u4）（色泽，香气，滋味，组织状态）22.（2）评语集的建立评语集是由若干个能够反映乳酸菌饮料感官质量的指标建立，本试验选择文字表示，图 1 不同因素对乳酸菌饮料产品感官品质的影响（a）（b）（c）（d）丛懿洁：模糊数学结合响应面法优化复合海藻多糖乳酸菌饮料工艺研究53汕头大学学报（自然科学版）第 38 卷即根据感官评价标准，建立评语集 V（v1，v2，v3）（优，中，差）23.（3）权重集的建立邀请专家人士根据感官评价标准和因素集，采用德尔菲法4对各个因素在整个感官品质中的影响程度进行赋权打分.设定权重集 X（x1，x2，x3，x4），权重所有集合 xi的总和为 1，即ni1xi1采用“04 评判法”11确定每个因素的权