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        響應(yīng)面法優(yōu)化復(fù)合乳酸菌發(fā)酵梨汁工藝

        2020-09-24 04:58:42黃瀅潔陳笑言馮龍斐梁新紅冉軍艦焦凌霞
        關(guān)鍵詞:活菌數(shù)梨汁活菌

        黃瀅潔,陳笑言,馮龍斐,梁新紅,冉軍艦,焦凌霞

        (河南科技學(xué)院食品學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003)

        皇冠梨營養(yǎng)豐富,富含蛋白質(zhì)、脂肪、維生素B、維生素C、蘋果酸、膳食纖維等人體必需的物質(zhì),具有有潤肺、止咳、清熱、降火等功效[1].皇冠梨一般作為初級農(nóng)產(chǎn)品直接銷售,但因果實(shí)儲(chǔ)藏、運(yùn)輸?shù)犬a(chǎn)生了一系列成本,導(dǎo)致了皇冠梨的經(jīng)濟(jì)效益降低.皇冠梨不僅營養(yǎng)豐富,并且具有皮薄、果核小、可食率較高,肉嫩多汁的特點(diǎn),比較適用于加工發(fā)酵果汁飲料[2].

        乳酸菌是一類早期廣泛用來發(fā)酵乳制品的益生菌,具有促進(jìn)食物消化,提高人體免疫力,延緩人體衰老,維持腸道微生物生態(tài)平衡等功能[3-6].目前,乳制品益生菌已經(jīng)以不同的形式進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn),但過敏和乳糖不耐受是影響乳制品益生菌的主要因素, 而風(fēng)味和清爽性是果汁等非乳制品飲料的主要優(yōu)點(diǎn)[7],因此,乳酸菌發(fā)酵果蔬汁是近年來最受關(guān)注的益生菌飲品[8-10].Chandrakant 等[11]應(yīng)用嗜酸乳桿菌發(fā)酵梨汁時(shí)發(fā)現(xiàn),發(fā)酵過程中α-葡萄糖苷酶的抑制活性顯著上升,表明發(fā)酵梨汁具有抗高血糖的作用;Cagno 等[12]的研究表明乳酸發(fā)酵可以提高果汁的抗氧化性能和改善其感官特性.乳酸菌發(fā)酵對保護(hù)果蔬汁色澤、預(yù)防褐變有很好的效果,盧嘉懿等[13]應(yīng)用植物乳桿菌發(fā)酵蜜梨,研究發(fā)現(xiàn)乳酸菌的發(fā)酵作用可有效降低梨汁褐變程度.乳酸菌發(fā)酵果蔬汁后活菌數(shù)較高,Liao[14]等利用內(nèi)生腸膜明串珠菌發(fā)酵芒果汁,在4 ℃下放置30 d 后,活菌數(shù)達(dá)6.46×109cfu/mL.有關(guān)乳酸菌發(fā)酵果蔬汁的工藝亦有報(bào)道,崔莉等[15]利用植物乳桿菌和腸膜明串珠菌按1:2 混合后發(fā)酵黃秋葵汁,優(yōu)化條件為發(fā)酵時(shí)間35 ℃、發(fā)酵時(shí)間72 h 和接種量5%,活菌數(shù)達(dá)108cfu/mL.劉磊等[16]采用馴化法將嗜熱鏈球菌和保加利亞乳桿菌按1:1 混合接入龍眼汁中,由響應(yīng)面優(yōu)化法得到最優(yōu)工藝條件為發(fā)酵時(shí)間12 h、發(fā)酵溫度45 ℃、脫脂奶粉添加量5%、接種量3%.在該條件下,龍眼果漿的酸度由發(fā)酵前的9.5°T 升為105.1°T.

        本試驗(yàn)以皇冠梨為主要原材料,應(yīng)用植物乳桿菌(Lactobacillus plantarum)和嗜酸乳桿菌(Lactobacillus acidophilus)協(xié)同發(fā)酵梨汁,探討不同菌種比例、接種量、發(fā)酵時(shí)間、發(fā)酵溫度對梨汁活菌數(shù)和感官評分的影響,在單因素的基礎(chǔ)上進(jìn)行響應(yīng)面團(tuán)的優(yōu)化試驗(yàn).旨在研制出一種具有較高活菌數(shù)和感官評分的發(fā)酵梨汁.

        1 材料與方法

        1.1 材料與試劑

        皇冠梨,產(chǎn)于甘肅武威,采摘后儲(chǔ)存于4 ℃冰箱中,大小較均一,顏色淡黃,無機(jī)械損傷.

        L.plantarum 和L.acidophillus,購于中科院微生物保藏中心,保存于河南科技學(xué)院食品學(xué)院食品研究所.

        1.2 儀器與設(shè)備

        JYZ—E5V 型原汁機(jī),九陽股份有限公司;立式壓力蒸汽滅菌器,上海博迅醫(yī)療生物儀器股份有限公司;SW-CJ-1D 垂直凈化工作臺(tái),蘇州智凈凈化設(shè)備有限公司.

        1.3 試驗(yàn)方法

        1.3.1 梨汁的制備 挑選→清洗→去皮去核→切塊→護(hù)色(將切塊的梨用1 mol/L 的檸檬酸溶液浸泡護(hù)色)→榨汁→過濾(尼龍篩網(wǎng)200 目過濾,取澄清汁)→調(diào)酸(用NaHCO3將果汁pH 值調(diào)至4.0)→添加蔗糖→分裝→滅菌(100 ℃水浴15 min)→冷藏待用.

        制得的梨汁pH 值為4.0,糖含量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24.7%.

        1.3.2 乳酸菌菌種馴化 菌種馴化過程參考文獻(xiàn)[17],根據(jù)具體試驗(yàn)略有改動(dòng),具體流程為:

        菌種→牛奶梨汁混合物(V牛奶:V梨汁=9:1)→37 ℃培養(yǎng)24 h→第一次馴化菌種→牛奶梨汁混合物(V牛奶:V梨汁=8:2)→37 ℃培養(yǎng) 24 h→第二次馴化菌種→牛奶梨汁混合物(V牛奶:V梨汁=6:4)→37 ℃培養(yǎng)24 h→第三次馴化菌種→牛奶梨汁混合物(V牛奶:V梨汁=4:6)→37 ℃培養(yǎng)24 h→第四次馴化菌種→牛奶梨汁混合物(V牛奶:V梨汁=2:8)→37 ℃培養(yǎng) 24 h→第五次馴化菌種→牛奶梨汁混合物(V牛奶:V梨汁=1:9)→37 ℃培養(yǎng)24 h→馴化菌種→純梨汁.

        1.3.3 梨汁的發(fā)酵 將L.plantarum 和L.acidophillus 按要求分別或混合接種到梨汁中,在設(shè)定溫度下靜置發(fā)酵一定的時(shí)間,測定活菌數(shù)并進(jìn)行感官評定.

        1.3.4 發(fā)酵梨汁活菌數(shù)測定 活菌數(shù)按稀釋涂布平板法計(jì)數(shù)[18].

        1.3.5 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

        1.3.5.1 菌種比例對發(fā)酵梨汁的影響 在一定的發(fā)酵溫度、發(fā)酵時(shí)間和菌種接種量下,將L.plantarum 和L.acidophillus 按照體積比1:0、1:1、0:1 的菌種比例接入梨汁中,測定不同菌種比例對發(fā)酵梨汁活菌數(shù)和感官評分的影響.

        1.3.5.2 發(fā)酵溫度的確定 在一定的發(fā)酵時(shí)間和菌種接種量下,按照1.3.5.1 得出的最佳菌種比例,將L.plantarum 和 L.acidophillus 接入梨汁中,分別在 33、35、37、39、41 ℃下發(fā)酵,測定不同發(fā)酵時(shí)間對發(fā)酵梨汁活菌數(shù)和感官評分的影響.

        1.3.5.3 發(fā)酵時(shí)間的確定 在一定的發(fā)酵溫度和菌種接種量下,按照1.3.5.1 得出的最佳菌種比例,將L.plantarum 和 L.acidophillus 接入梨汁中,分別發(fā)酵 18、21、24、27、30 h,測定不同發(fā)酵時(shí)間對發(fā)酵梨汁活菌數(shù)和感官評分的影響.

        1.3.5.4 菌種接種量的確定 在一定的發(fā)酵溫度和發(fā)酵時(shí)間下,按照1.3.5.1 得出的最佳菌種比例,將L.plantarum 和L.acidophillus 接入梨汁中,在菌種接種量體積分?jǐn)?shù)分別為1%、2%、3%、4%、5%、6%下發(fā)酵,測定不同菌種接種量對發(fā)酵梨汁活菌數(shù)和感官評分的影響.

        1.3.6 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì) 依據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果,選取發(fā)酵溫度、發(fā)酵時(shí)間、接種量3 個(gè)因素進(jìn)行Box-Behnken 試驗(yàn)設(shè)計(jì)[19].

        1.3.7 發(fā)酵梨汁感官評定 發(fā)酵梨汁感官評定由20 名專業(yè)的老師和同學(xué)組成,從顏色、香氣、形態(tài)和口感4 個(gè)方面對各個(gè)梨汁樣品進(jìn)行品評分析,評定細(xì)則見表1[20].

        表1 發(fā)酵梨汁的感官評分Tab.1 Sensory evaluation results of fermented pear juice

        1.4 數(shù)據(jù)處理分析

        每組試驗(yàn)重復(fù)3 次, 以平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差表示;單因素方差分析采用SPSS Satistics19.0 軟件;Duncan 新復(fù)極差法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),以P<0.05 為顯著性檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn).

        2 結(jié)果與分析

        2.1 發(fā)酵梨汁的單因素試驗(yàn)

        2.1.1 菌種比例對發(fā)酵梨汁的影響 不同菌種比例對發(fā)酵梨汁活菌數(shù)和感官評分的影響結(jié)果見圖1.

        圖1 菌種比例對活菌數(shù)和感官評分的影響Fig.1 Effect of strain ratio on viable count and sensory evaluation

        由圖1 可知,梨汁的活菌數(shù)在L.plantarum 和L.acidophillus 體積比為1:1 時(shí)達(dá)到最大值,其值為(29.31±0.87)×108cfu/mL,顯著高于單一菌株發(fā)酵(P<0.05).當(dāng)菌種比例為1:1 時(shí)感官評分亦最高,其值為(84.5±2.8)分,表明混合菌株發(fā)酵梨汁效果良好,因此選擇L.plantarum 和L.acidophillus 按體積比1:1 混合為最佳菌種.

        2.1.2 發(fā)酵溫度對發(fā)酵梨汁的影響 不同發(fā)酵溫度對發(fā)酵梨汁的活菌數(shù)和感官評分的影響結(jié)果見圖2.

        圖2 發(fā)酵溫度對活菌數(shù)和感官評分的影響Fig.2 Effect of fermentation temperature on viable count and sensory evaluation

        由圖2 可知,當(dāng)發(fā)酵溫度在33~37 ℃時(shí),隨著溫度的升高,發(fā)酵梨汁的活菌數(shù)顯著增加(P<0.05).在37 ℃時(shí)活菌數(shù)達(dá)最高值,為(28.34±0.86)×108cfu/mL.隨著溫度繼續(xù)增加,活菌數(shù)減少.在37 ℃時(shí)發(fā)酵梨汁感官評分最高,其值為85.0±3.5 分,隨著溫度繼續(xù)升高,發(fā)酵梨汁感官評分降低,溫度過高會(huì)破壞梨汁中的芳香物質(zhì),從而影響梨汁的口感和風(fēng)味.因此37 ℃為最佳發(fā)酵溫度.

        2.1.3 發(fā)酵時(shí)間對發(fā)酵梨汁的影響 不同發(fā)酵時(shí)間對發(fā)酵梨汁的活菌數(shù)和感官評分的影響結(jié)果見圖3.

        圖3 發(fā)酵時(shí)間對活菌數(shù)和感官評分的影響Fig.3 Effect of fermentation time on viable count and sensory evaluation

        由圖3 可知,當(dāng)發(fā)酵時(shí)間在18~24 h 時(shí),梨汁的活菌數(shù)顯著增加,24 h 時(shí)活菌數(shù)達(dá)最大值為(28.53±0.06)×108cfu/mL;在24 h 和27 h 時(shí),發(fā)酵梨汁的活菌數(shù)沒有顯著性差異(P>0.05);感官評分在 24 h 時(shí)達(dá)到最高值,為92.3±3.1 分,隨著發(fā)酵時(shí)間的增加感官評分逐漸降低,表明發(fā)酵時(shí)間過長可能會(huì)影響發(fā)酵梨汁中風(fēng)味物質(zhì),進(jìn)而影響發(fā)酵梨汁的感官評分.因此最佳發(fā)酵時(shí)間為24 h.

        2.1.4 接種量對發(fā)酵梨汁的影響 不同接種量對發(fā)酵梨汁的活菌數(shù)和感官評分的影響結(jié)果見圖4.

        圖4 接種量對活菌數(shù)和感官評定的影響Fig.4 Effect of inoculum size on viable count and sensory evaluation

        由圖4 可知,接種量體積分?jǐn)?shù)在1%~4%時(shí),活菌數(shù)隨著接種量的增加而上升,當(dāng)接種量體積分?jǐn)?shù)為4%時(shí),發(fā)酵梨汁的活菌數(shù)最高,為(28.55±0.17)×108cfu/mL;隨著接種量體積分?jǐn)?shù)增加至6%,活菌數(shù)與4%時(shí)沒有顯著性差異(P>0.05).同時(shí)在接種量體積分?jǐn)?shù)為1%~4%時(shí),感官評分隨接種量體積分?jǐn)?shù)的增加而增加,4%時(shí)達(dá)到最大值為90.6±2.5 分.因此選擇體積分?jǐn)?shù)4%為最佳接種量.

        2.2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果與分析

        2.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果和方差分析 基于單因素試驗(yàn)結(jié)果,按照L.plantarum 和L.acidophillus 體積比為1:1,選取接種量、發(fā)酵時(shí)間和發(fā)酵溫度3 個(gè)因素,以發(fā)酵梨汁活菌數(shù)和感官評分為指標(biāo),通過Box-Behnken 設(shè)計(jì)響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn),試驗(yàn)因素水平見表2.

        表2 Box-Behnken 試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平Tab.2 Factors and level of response surface optimization in Box-Behnken design

        表3 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Response surface test design and results

        采用Design-Expert 8.0.5 軟件進(jìn)行多元回歸擬合,得出活菌數(shù)(Y1)和感官評分(Y2)對接種量(A)、發(fā)酵時(shí)間(B)、發(fā)酵溫度(C)的二次多項(xiàng)回歸方程為分別為

        式(1)、式(2)中:Y1為活菌數(shù),Y2為感官評分,A 為接種量,B 為發(fā)酵時(shí)間,C 為發(fā)酵溫度.

        活菌數(shù)的方差分析及顯著性檢驗(yàn)結(jié)果見表4.

        表4 活菌數(shù)回歸模型方差分析及顯著性檢驗(yàn)Tab.4 Analysis of variance and significance test of live bacterial count regression model

        表5 感官評分回歸模型方差分析及顯著性檢驗(yàn)Tab.5 Analysis of variance and significance test of sensory evaluation regression model

        由表4 和表5 可知,兩個(gè)回歸方程模型極顯著(P<0.000 1),失擬項(xiàng)檢驗(yàn)結(jié)果不顯著.相關(guān)系數(shù)R2(活菌數(shù))是0.989 2,R2(感官評分)是0.983 0,表明感官評分和活菌數(shù)的實(shí)測值和預(yù)測值之間擬合度較好,所以此模型擬合效果好,可用來分析預(yù)測乳酸菌發(fā)酵梨汁的工藝參數(shù).響應(yīng)值為活菌數(shù)和感官評分的模型回歸方程系數(shù)顯著性試驗(yàn)均表明,一次項(xiàng)A 不顯著,B、C 是極顯著;交互項(xiàng)AB、BC 極顯著,AC 不顯著;二次項(xiàng)A2、B2、C2影響都極顯著.各因素對活菌數(shù)和感官評分的影響均為B(發(fā)酵時(shí)間)>C(發(fā)酵溫度)>A(接種量).

        2.2.2 響應(yīng)面分析 各因素交互作用對發(fā)酵梨汁活菌數(shù)的影響結(jié)果見圖5.

        圖5 各因素交互作用對發(fā)酵梨汁活菌數(shù)的影響Fig.5 Effect of interaction of various factors on the viable count of fermented pear juice

        由圖5-a 可知,當(dāng)接種量一定時(shí),發(fā)酵溫度和發(fā)酵時(shí)間的交互作用極顯著.在發(fā)酵溫度一定時(shí),隨著發(fā)酵時(shí)間的增加,活菌數(shù)先增加后減少;在發(fā)酵時(shí)間一定時(shí),活菌數(shù)隨著溫度的升高逐漸增加后減少.由圖5-b 可知,當(dāng)發(fā)酵溫度一定時(shí),發(fā)酵時(shí)間和接種量的交互作用極顯著.在發(fā)酵時(shí)間一定時(shí),活菌數(shù)隨著接種量的增加而顯著增加,后趨于平緩;在接種量一定時(shí),活菌數(shù)隨著發(fā)酵時(shí)間的增加而顯著增加.

        各因素交互作用對梨汁感官評分的影響結(jié)果見圖6.

        圖6 各因素交互作用對梨汁感官評分的影響Fig.6 Effect of interaction of various factors on sensory evaluation of pear juice

        由圖6-a 可知,當(dāng)接種量一定時(shí),發(fā)酵溫度和發(fā)酵時(shí)間的交互作用極顯著.在發(fā)酵溫度一定時(shí),隨著發(fā)酵時(shí)間的增加,感官評分先增加后減少;在發(fā)酵時(shí)間一定時(shí),感官評分隨著溫度的升高逐漸增加后減少.由圖6-b 可知,當(dāng)發(fā)酵溫度一定時(shí),發(fā)酵時(shí)間和接種量的交互作用極顯著.在發(fā)酵時(shí)間一定時(shí),隨著接種量的增加,感官評分先顯著增加后趨于平緩;在接種量一定時(shí),感官評分隨著發(fā)酵時(shí)間的增加而顯著增加,后趨于平緩.

        2.2.3 最佳條件的預(yù)測和驗(yàn)證 通過回歸模型的預(yù)測得到發(fā)酵梨汁的最佳工藝為菌種接種量體積分?jǐn)?shù)3.71%、發(fā)酵時(shí)間25.20 h、發(fā)酵溫度37.63 ℃.此時(shí)發(fā)酵梨汁的感官評分的預(yù)測值90.14±0.92 分,活菌數(shù)為(29.83±0.68)×108cfu/mL.綜合考慮,把最優(yōu)條件修正為菌種接種量體積分?jǐn)?shù)4%、發(fā)酵時(shí)間25h、發(fā)酵溫度37 ℃.在此條件下進(jìn)行3 次平行試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,得到發(fā)酵梨汁的活菌數(shù)為(29.53±0.68)×108cfu/mL,感官評分93.2±2.9 分.和預(yù)測值相比,活菌數(shù)和感官評分的誤差值分別是和1.10%和3.08%,說明采用響應(yīng)面進(jìn)行優(yōu)化得出發(fā)酵梨汁的最佳工藝條件較可靠,驗(yàn)證了該模型的有效性.

        3 小結(jié)

        利用乳酸菌發(fā)酵皇冠梨汁,菌種采用L.plantarum 和L acidophillus 按體積比為1:1 進(jìn)行混合發(fā)酵.通過響應(yīng)面方法對發(fā)酵參數(shù)優(yōu)化,最佳發(fā)酵工藝參數(shù)為發(fā)酵溫度37 ℃、發(fā)酵時(shí)間25 h、接種量體積分?jǐn)?shù)4%,在此條件下活菌數(shù)可達(dá)(29.53±0.68)×108cfu/mL,感官評分可達(dá)93.2±2.9 分.試驗(yàn)獲得了具有較高活菌數(shù)和風(fēng)味良好的發(fā)酵梨汁,為實(shí)現(xiàn)乳酸菌發(fā)酵梨汁的工藝優(yōu)化提供了理論和現(xiàn)實(shí)依據(jù).

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