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        響應(yīng)面法優(yōu)化植物乳桿菌發(fā)酵混合蔬菜汁

        2020-04-26 04:50:42樊龍星張朝正趙華
        中國調(diào)味品 2020年4期
        關(guān)鍵詞:蔬菜汁總酸桿菌

        樊龍星,張朝正,趙華

        (天津科技大學(xué) 生物工程學(xué)院,工業(yè)發(fā)酵微生物教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津市工業(yè)微生物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津市微生物代謝與發(fā)酵過程控制技術(shù)工程中心,天津 300457)

        紫甘藍(lán)原產(chǎn)于地中海沿岸,因其環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng),現(xiàn)引入中國大范圍種植。它含有豐富的營養(yǎng)成分,因此具有多種保健功效。它具有抗氧化性[1-4]、維護(hù)肝臟[5,6]、提高記憶力[7]、抑菌、抗病毒抗癌、抗腫瘤等功效[8-13]。胡蘿卜也具有很高的營養(yǎng)價值、它具有調(diào)節(jié)人體免疫力、提高繁殖能力和促進(jìn)人體生長發(fā)育等作用[14]。西紅柿成分豐富,功效多樣,具有降膽固醇、降低血脂、抗癌、抗腫瘤、降血壓等療效[15-17]。

        植物乳桿菌(Lactobacillusplantarum),屬于革蘭氏陽性菌株,是一類菌體具有彎桿狀、圓端短桿狀和鏈狀3種形態(tài),且不產(chǎn)芽孢的兼性乳酸菌[18]。它可以利用葡萄糖、果糖、乳糖和木糖等作為原料進(jìn)行代謝生長而產(chǎn)酸。其常見于泡菜[19]、酵素和酸奶等發(fā)酵的食品中,可以有效改善腸胃環(huán)境。

        本文以紫甘藍(lán)、胡蘿卜和西紅柿為培養(yǎng)基進(jìn)行植物乳桿菌的發(fā)酵產(chǎn)酸。以總酸為指標(biāo)進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)和響應(yīng)面實(shí)驗(yàn),對植物乳桿菌的發(fā)酵條件進(jìn)行優(yōu)化,為之后的飲料配制奠定了基礎(chǔ)。

        1 材料與方法

        1.1 材料

        1.1.1 菌種

        植物乳桿菌(Lactobacillusplantarum):由泡菜中經(jīng)篩選、分離、鑒定所得。

        1.1.2 材料

        紫甘藍(lán)、胡蘿卜、西紅柿:天津?yàn)I海新區(qū)市售。

        1.1.3 儀器設(shè)備

        EX125DZH電子天平 奧豪斯儀器(常州)有限公司;Centrifuge 5418微量離心機(jī) 德國Eppendorf公司;ZWER-D2401控溫?fù)u床 上海智能分析儀器制造有限公司。

        1.2 實(shí)驗(yàn)方法

        1.2.1 總酸測定

        采用指示劑法檢測樣品中的總酸含量[20],量取50 mL待測樣品于250 mL錐形瓶中,加入2滴酚酞指示劑??偹岷康挠嬎惴椒ㄈ缦拢?/p>

        式中:X為樣品中總酸含量(以乙酸計),g/L;C為標(biāo)準(zhǔn)滴定氫氧化鈉溶液實(shí)際濃度,mol/L;V1為吸取滴定樣品的體積,mL;V2為滴定消耗的氫氧化鈉溶液的體積,mL;60為乙酸摩爾質(zhì)量數(shù)值,g/mol。

        1.2.2 蔬菜汁配比的確定

        將新鮮蔬菜處理后,按照料液比為1∶2的比例進(jìn)行破壁,制作蔬菜汁,并按照不同的配比混合,紫甘藍(lán)汁∶西紅柿汁∶胡蘿卜汁為1∶1∶1、2∶1∶1、3∶2∶1、5∶2∶1、5∶3∶1、6∶3∶1、6∶4∶1。將混合蔬菜汁在85 ℃下滅菌15 min,待冷卻至30~35 ℃時,接入3%的植物乳桿菌的種子培養(yǎng)基,再發(fā)酵36 h。以植物乳桿菌發(fā)酵后的感官評價為指標(biāo),確定3種蔬菜的最佳配比。

        主要施工流程:新托架制作→掛設(shè)吊籃→定位鉆孔→清孔→錨固螺栓→安裝新托架→扶正并焊接原托架→拆除吊籃→恢復(fù)原狀。

        1.2.3 單因素實(shí)驗(yàn)

        以總酸含量為指標(biāo),分別以接種量(1%、2%、3%、4%、5%)、發(fā)酵溫度(25,30,35,40,45 ℃)和發(fā)酵時間(24,36,48,60,72 h)為影響因素,利用單因素實(shí)驗(yàn)確定各因素的最佳實(shí)驗(yàn)水平,為響應(yīng)面優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

        1.2.4 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)

        通過單因素實(shí)驗(yàn)初步確定接種量、發(fā)酵溫度和發(fā)酵時間對總酸產(chǎn)量的影響。利用Box-Behnken進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計,試驗(yàn)因素與水平見表1。

        表1 Box-Behnken實(shí)驗(yàn)因素與水平Table 1 Experiential factors and levels for Box-Behnken design

        2 結(jié)果與分析

        2.1 蔬菜汁配比的確定

        以不同比例的3種蔬菜汁配制植物乳桿菌培養(yǎng)基的方案以及感官評分見表2。

        表2 蔬菜汁比例和感官評分Table 2 Vegetable juice ratios and sensory scores

        由表2可知,植物乳桿菌的最佳配比培養(yǎng)基為6∶3∶1,當(dāng)為此比例時,發(fā)酵后的感官評分最高,可達(dá)到74.37分,主要由于發(fā)酵后此產(chǎn)品香氣愉悅突出,顏色鮮艷,而且口感酸爽適宜。

        2.2 蔬菜汁發(fā)酵條件的確定

        2.2.1 接種量對發(fā)酵作用的影響

        將接種量分別為1%、2%、3%、4%、5%的蔬菜汁培養(yǎng)基,在35 ℃下?lián)u床培養(yǎng)48 h,取部分發(fā)酵液離心過濾后,取上清液進(jìn)行總酸檢測,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。

        圖1 接種量對總酸產(chǎn)量的影響Fig.1 Effect of inoculation amount on total acid production

        2.2.2 溫度對發(fā)酵作用的影響

        接種4%的種子液于蔬菜汁培養(yǎng)基中,分別在25,30,35,40,45 ℃的條件下發(fā)酵48 h,將發(fā)酵液離心過濾,取上清液檢測總酸含量,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。

        圖2 溫度對總酸產(chǎn)量的影響Fig.2 Effect of temperature on total acid production

        由圖2可知,隨著溫度的升高,總酸含量出現(xiàn)先上升后下降的趨勢。溫度適合微生物代謝生長時,其代謝活動旺盛,總酸可得到積累。而溫度過高或者過低時,不適合微生物生長,都會影響總酸的產(chǎn)量。由圖2可知,35 ℃時總酸含量最高,即35 ℃為最佳發(fā)酵溫度。

        2.2.3 發(fā)酵時間對發(fā)酵作用的影響

        接種4%的種子液于蔬菜汁培養(yǎng)基中,在35 ℃的溫度下,分別發(fā)酵36,48,60,72,84 h,將發(fā)酵液離心過濾,取上清液檢測總酸含量,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。

        圖3 發(fā)酵時間對總酸產(chǎn)量的影響Fig.3 Effect of fermentation time on total acid production

        由圖3可知,隨著發(fā)酵時間的不斷延長,總酸含量在不斷增加。當(dāng)發(fā)酵時間為72 h時,總酸的含量達(dá)到11.87 g/L。當(dāng)發(fā)酵時間為84 h時,總酸含量達(dá)到11.92 g/L,僅增長了0.42%。因此,選擇最佳發(fā)酵時間為72 h。

        2.2.4 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)

        結(jié)合以上單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果,使用Design-Expert 10.0軟件對蔬菜汁發(fā)酵工藝進(jìn)行響應(yīng)面設(shè)計優(yōu)化,以總酸產(chǎn)量為指標(biāo),實(shí)驗(yàn)設(shè)計與結(jié)果見表3。

        表3 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)的設(shè)計與結(jié)果Table 3 Design and results of Box-Behnken experiment

        對表3進(jìn)行回歸分析,得到的回歸方程為:

        Y=-48.779+5.296X1+2.171X2+0.250X3+0.090X1X2-1.146×10-3X1X3-7.083×10-4X2X3-1.019 X12-0.034X22-1.395×10-3X32。

        該回歸模型的方差分析和可信度分析結(jié)果見表4。

        表4 回歸方程方差分析Table 4 Variance analysis of regression equation

        注:P<0.05表示差異顯著;P<0.01表示差異極顯著。

        由軟件Design-Expert 10.0擬合的方程可知,所有二次項前的符號皆為負(fù)數(shù),即拋物線的開口向下,因此理論上應(yīng)存在極大值點(diǎn)。由方差分析表4可知,模型極顯著(P<0.0001),失擬項不顯著(P=0.0653>0.05),表明回歸方程擬合良好。且模型R2=0.9938,調(diào)整后的R2=0.9827,表明模型99.38%的變化均來源于自變量,實(shí)驗(yàn)值與模型預(yù)測值接近,誤差較小,可用于本實(shí)驗(yàn)總酸含量的分析與預(yù)測。且變異系數(shù)C.V.=1.24%,證明該實(shí)驗(yàn)較穩(wěn)定。

        由表4可知,各因素均對總酸產(chǎn)量具有一定的影響。其中,X1(接種量)、X2(溫度)、X3(發(fā)酵時間)、X12、X22和X32對總酸的產(chǎn)量具有極顯著影響(P< 0.01),且由F值可得,各因素對總酸產(chǎn)量影響的主次:為接種量>發(fā)酵時間>溫度。在交互項中只有接種量(X1)和溫度(X2)之間具有極其顯著的交互作用(P=0.0007<0.01),其他均不存在顯著的交互作用。

        綜上所述,該模型可用于本實(shí)驗(yàn)的分析與預(yù)測,由此得出各因素相互作用的響應(yīng)面分析圖,見圖4。

        圖4 各因素交互作用對總酸產(chǎn)量的影響Fig.4 Response surface plots and contour plots for the interaction effects of different factors on total acid production

        各因素之間的交互作用對總酸產(chǎn)量的影響見圖4,和方差分析的結(jié)果一致。使用軟件Design-Expert 10.0,得到該模型的極大值點(diǎn),即蔬菜汁的最佳發(fā)酵條件:接種量為4.164%,溫度為35.886 ℃,發(fā)酵時間為77.108 h,得到最大總酸產(chǎn)量為11.244 g/L??紤]實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作方便性,調(diào)整優(yōu)化發(fā)酵條件:接種量為4.2%,溫度為36 ℃,發(fā)酵時間為77 h,根據(jù)模型的回歸方程預(yù)測總酸產(chǎn)量為11.242 g/L。利用優(yōu)化后的實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行3次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),得到的總酸產(chǎn)量為11.238 g/L,與模型預(yù)測值接近,說明該模型可很好地預(yù)測總酸的產(chǎn)量。

        3 結(jié)論

        本文先確定以紫甘藍(lán)∶胡蘿卜∶西紅柿為6∶3∶1的蔬菜汁比例為植物乳桿菌的培養(yǎng)基,再利用單因素實(shí)驗(yàn)確定接種量、溫度和發(fā)酵時間分別對植物乳桿菌產(chǎn)酸的最優(yōu)條件,并在此基礎(chǔ)上,進(jìn)行響應(yīng)面實(shí)驗(yàn),最終確定植物乳桿菌的最佳發(fā)酵產(chǎn)酸條件:接種量為4.2%,溫度為36 ℃,發(fā)酵時間為77 h,此時模型預(yù)測值為11.242 g/L。最終經(jīng)過驗(yàn)證表明,在此最優(yōu)發(fā)酵條件的基礎(chǔ)上產(chǎn)酸總量為11.238 g/L,與模型預(yù)測值相近,則此模型可用于預(yù)測植物乳桿菌的最佳發(fā)酵條件,為進(jìn)一步配制飲料奠定了基礎(chǔ)。

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