乳酸菌發(fā)酵番茄醬的加工工藝研究

武進(jìn)雨，季小康，趙蘇源，姚沛琳

（宿州學(xué)院生物與食品工程學(xué)院，安徽宿州 234000）

0 引言

番茄醬作為番茄的濃縮產(chǎn)物其營(yíng)養(yǎng)成分更易被人體吸收[1-2]。其中的番茄紅素具有很多抗氧化能力極強(qiáng)的活性物質(zhì)，其抗氧化能力可以達(dá)到β -胡蘿卜素的2.0～3.2 倍。番茄紅素還可以預(yù)防癌癥，如前列腺癌、乳腺癌等[3-4]。番茄紅素如今在食品與醫(yī)療方面?zhèn)涫荜P(guān)注，在醫(yī)藥、功能食品、化妝品等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用[5-6]。

乳酸菌是一類能運(yùn)用可發(fā)酵碳水化合物產(chǎn)出大量乳酸細(xì)菌的通稱。乳酸菌對(duì)保護(hù)人體有很大益處，可以提高乳酸菌在腸道中的含量，減少有害菌群數(shù)量，調(diào)整腸道菌群比例，保護(hù)人體腸道菌群的平衡和正常生理功能[7-9]。目前，我國(guó)關(guān)于番茄類的產(chǎn)品主要以初加工為主，如番茄醬、番茄汁等，缺乏深加工，特別是利用乳酸菌制得發(fā)酵番茄醬的研究較少。因此，采用乳酸菌發(fā)酵番茄醬能夠綜合乳酸菌和番茄醬兩者的優(yōu)點(diǎn)。

試驗(yàn)以新鮮番茄為原材料，添加具有益生元功能的菊芋作為輔料，采用人工接種乳酸菌的發(fā)酵形式發(fā)酵番茄醬，通過(guò)響應(yīng)面法優(yōu)化番茄醬的發(fā)酵工藝，為乳酸菌發(fā)酵型番茄醬的生產(chǎn)提供一定的理論研究基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 原料

選擇鮮紅飽滿、色澤均勻、無(wú)蟲(chóng)害的番茄作為原材料；以外觀均勻、成熟新鮮、無(wú)霉變及腐敗變質(zhì)的菊芋為輔料；冰糖，食鹽，以上材料均購(gòu)自宿州市特爾惠超市。

發(fā)酵菌種：嗜酸乳桿菌CICC20250，植物乳桿菌CICC21805，以上菌種均由宿州學(xué)院生物與食品工程學(xué)院保藏。

1.1.2 試劑

MRS 培養(yǎng)基；氫氧化鈉、酚酞，國(guó)藥集團(tuán)提供。

1.2 設(shè)備

GI100T 型高壓滅菌鍋，致微（廈門）儀器有限公司產(chǎn)品；SW-CJ-1CU 型超凈工作臺(tái)，蘇州安泰空氣技術(shù)有限公司產(chǎn)品；1-1SPK 型小型臺(tái)式冷凍離心機(jī)，美國(guó)Sigma 公司產(chǎn)品；SHP-400ε型恒溫培養(yǎng)箱，上海三發(fā)科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)品。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 乳酸菌菌懸液的制備

從保菌管內(nèi)分別吸取嗜酸乳桿菌CICC20250 和植物乳桿菌CICC21805 菌液100 μL，接種到10 mL MRS 液體培養(yǎng)基中，于37 ℃下靜置培養(yǎng)12 h，連續(xù)活化2 次，離心得菌體，用生理鹽水洗滌3 次，最后用等體積生理鹽水重懸作為后續(xù)發(fā)酵種子液[10]。

1.3.2 發(fā)酵番茄醬的制備

將新鮮的番茄用水洗干凈，熱燙除去果皮，打漿；新鮮的菊芋用熱水蒸煮，去皮，打漿。番茄漿和菊芋漿按照不同比例進(jìn)行混合，然后加入3%的食鹽，6%的冰糖，4%的成品番茄醬，進(jìn)行熬制，裝入玻璃罐中，于85 ℃下水浴加熱15 min，進(jìn)行巴氏殺菌，冷卻后再接入制備好的乳酸菌菌懸液，混勻，發(fā)酵[11]。

1.3.3 單因素試驗(yàn)

（1）不同發(fā)酵劑的影響。依次采用嗜酸乳桿菌CICC20250、植物乳桿菌CICC21805、嗜酸乳桿菌CICC20250∶植物乳桿菌CICC21805=1∶1 這3 種發(fā)酵劑，以總酸度為考核指標(biāo)，確定最佳的接菌種類。

（2）接菌量的影響。將乳酸菌分別按照0，0.5%，1.0%，1.5%，2.0%的比例接種到番茄醬里進(jìn)行發(fā)酵，以總酸度為考核指標(biāo)，確定最佳接菌量。

（3）菊芋添加量的影響。菊芋分別按照0，5%，10%，15%，20%的添加量加入到番茄醬里，每組都分別接2%的嗜酸乳桿菌，于37 ℃下靜置培養(yǎng)10 d，以總酸度為考核指標(biāo)，確定最佳的菊芋添加量。

（4）發(fā)酵溫度的影響。按照菊芋的添加量為10%，接入2%的嗜酸乳桿菌，分別置于26，30，34，37，42 ℃的培養(yǎng)箱里，靜置培養(yǎng)10 d，以總酸度為考核指標(biāo)，確定最佳的發(fā)酵溫度。

（5）發(fā)酵時(shí)間的影響。按照菊芋添加量為10%，接入2%的嗜酸乳桿菌CICC20250，置于37 ℃恒溫的培養(yǎng)箱中，分別在5，10，15，20，25，30 d 后進(jìn)行取樣，以總酸度為考核指標(biāo)，確定最優(yōu)發(fā)酵時(shí)間。

1.3.4 總酸度的測(cè)定

酸堿中和測(cè)定法，計(jì)算番茄醬的總酸度可以參考國(guó)標(biāo)GB/T 12456—2008 食品總酸的測(cè)定[12]。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 不同發(fā)酵劑對(duì)乳酸菌發(fā)酵番茄醬品質(zhì)的影響

不同發(fā)酵劑對(duì)發(fā)酵番茄醬總酸度的影響見(jiàn)圖1。

圖1 不同發(fā)酵劑對(duì)發(fā)酵番茄醬總酸度的影響

由圖1 可知，當(dāng)植物乳桿菌和嗜酸乳桿菌以1∶1混合時(shí)，總酸度為37.05 mol/L。因此，在后面的研究中，用嗜酸乳桿菌和植物乳桿菌的相同比例混合菌種進(jìn)行番茄醬的發(fā)酵。結(jié)合總酸的指標(biāo)，可以得到發(fā)酵劑的最優(yōu)選取種類是嗜酸乳桿菌CICC20250∶植物乳桿菌CICC21805 為1∶1 混合。

2.1.2 不同接菌量對(duì)乳酸菌發(fā)酵番茄醬品質(zhì)的影響

不同接菌量對(duì)發(fā)酵番茄醬總酸度的影響見(jiàn)圖2。

圖2 不同接菌量對(duì)發(fā)酵番茄醬總酸度的影響

由圖2 可知，隨著接菌量的增加發(fā)酵番茄醬的總酸度呈上升趨勢(shì)，當(dāng)接菌量為1%時(shí)達(dá)到峰值。由此可以得到，發(fā)酵時(shí)選取1%的接菌量最為適宜。

2.1.3 菊芋添加量對(duì)乳酸菌發(fā)酵型番茄醬品質(zhì)的影響

菊芋添加量對(duì)發(fā)酵番茄醬的影響見(jiàn)圖3。

圖3 菊芋添加量對(duì)發(fā)酵番茄醬的影響

菊芋塊莖含有豐富的氨基酸、糖類、維生素等，具有較強(qiáng)的耐貯藏性，是提取高純低聚糖的最佳原料，其作為益生元的研究較多，可促進(jìn)益生菌的增長(zhǎng)[13]。由圖3 可知，隨著菊芋添加量的增大，番茄醬的總酸度逐漸增大，初始值酸度的增長(zhǎng)值隨菊芋質(zhì)量分?jǐn)?shù)不是特別明顯，當(dāng)達(dá)到5%以后酸度明顯上升，當(dāng)添加量達(dá)到15%時(shí)，酸度達(dá)到峰值，再繼續(xù)添加總酸度明顯下降，說(shuō)明此時(shí)乳酸菌已受到抑制，菊芋添加過(guò)多，可以得出結(jié)論，菊芋最優(yōu)添加量應(yīng)在15%附近。

2.1.4 發(fā)酵溫度對(duì)乳酸菌發(fā)酵番茄醬品質(zhì)的影響

發(fā)酵溫度也是影響試驗(yàn)結(jié)果的主要因素之一，若番茄醬中的發(fā)酵溫度太低，會(huì)使發(fā)酵菌液易感染雜菌，產(chǎn)酸程度太低而直接影響產(chǎn)品品質(zhì)，甚至可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品周期延長(zhǎng)，若番茄醬的發(fā)酵溫度太高則可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)酸速度過(guò)快，雖然縮短了時(shí)間但是發(fā)酵風(fēng)味物質(zhì)會(huì)減少，對(duì)食物自身的品質(zhì)會(huì)產(chǎn)生一定影響，因此選擇合適的發(fā)酵溫度是很重要的條件[14]。

發(fā)酵溫度對(duì)發(fā)酵番茄醬總酸度的影響見(jiàn)圖4。

圖4 發(fā)酵溫度對(duì)發(fā)酵番茄醬總酸度的影響

由圖4 可知，番茄醬的總酸度隨著發(fā)酵溫度的增長(zhǎng)總體呈先上升后下降趨勢(shì)，當(dāng)34 ℃時(shí)達(dá)到峰值，但是若發(fā)酵溫度持續(xù)增加，超過(guò)峰值后，酸度會(huì)逐漸下降，可能會(huì)使產(chǎn)品中的有機(jī)酸分解，以至于酸度下降，導(dǎo)致產(chǎn)品的風(fēng)味有不好的改變，因此應(yīng)將發(fā)酵溫度控制為30～34 ℃。

2.1.5 發(fā)酵時(shí)間對(duì)發(fā)酵番茄醬品質(zhì)影響的試驗(yàn)結(jié)果

發(fā)酵時(shí)間對(duì)發(fā)酵型番茄醬總酸度的影響見(jiàn)圖5。

由圖5 可知，總酸度隨著發(fā)酵時(shí)間的改變效果也較為顯著，起初因?yàn)榘l(fā)酵時(shí)間短，番茄醬的風(fēng)味還沒(méi)有形成，所以風(fēng)味酸味都不顯著，隨著時(shí)間的增加酸度逐漸增加，發(fā)酵時(shí)間過(guò)長(zhǎng)也會(huì)導(dǎo)致酸度過(guò)大使番茄醬風(fēng)味變質(zhì)，由變化曲線可得發(fā)酵時(shí)間最適宜的為25 d，總酸度為40.3 mol/L。

圖5 發(fā)酵時(shí)間對(duì)發(fā)酵型番茄醬總酸的影響

2.2 乳酸菌發(fā)酵番茄醬的加工工藝優(yōu)化響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用Design Expert 8根據(jù)Box-bnheken Design 試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，主要是發(fā)酵溫度（A）、菊芋質(zhì)量分?jǐn)?shù)（B）、接菌量（C）3 個(gè)影響因素，響應(yīng)值仍選用總酸度（Y），利用響應(yīng)面法進(jìn)行中心組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)[15]。

發(fā)酵番茄醬工藝響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 發(fā)酵番茄醬工藝響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)

2.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果

根據(jù)Box-bnhenken 試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)。

Box-behnken 試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。

通過(guò)選用Box-beheken 響應(yīng)面分析法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果擬合的模型進(jìn)行方差分析，響應(yīng)面數(shù)據(jù)的回歸分析[13]（見(jiàn)表2）。通過(guò)軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，得到響應(yīng)面擬合方程：

式中：Y——番茄醬總酸度，mol/L。

由表2 可知，回歸方程中各因素對(duì)總酸度影響的顯著性可以通過(guò)F 檢驗(yàn)來(lái)判斷。若p 值越小，則可以說(shuō)明對(duì)應(yīng)變量的顯著性越高[16]。該模型的F 值是36.52，大于0.01 水平上的F 值，且p＜0.001，表明該回歸模型極顯著，在統(tǒng)計(jì)學(xué)上有意義。失擬項(xiàng)F=2.56，p=0.192 8＞0.05，不顯著，說(shuō)明該模型與實(shí)際的擬合情況比較好，回歸方程不失擬，能充分反映實(shí)際情況，所以可以選用回歸方程代替試驗(yàn)真實(shí)點(diǎn)對(duì)發(fā)酵番茄醬的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。另外，通過(guò)分析可以得到，各因素中的一次項(xiàng)A、B，二次項(xiàng)A2、B2、C2對(duì)發(fā)酵番茄醬的總酸度影響極顯著，AB 項(xiàng)對(duì)發(fā)酵番茄醬的總酸度影響顯著，AC 項(xiàng)對(duì)發(fā)酵番茄醬的總酸度影響極顯著，BC 項(xiàng)對(duì)發(fā)酵番茄醬的總酸度影響不顯著。

表2 Box-behnken 試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果

響應(yīng)面方差分析結(jié)果見(jiàn)表3。

番茄醬的總酸度影響顯著（p＜0.05），由表3 可知，各因素對(duì)發(fā)酵番茄醬的總酸度影響程度排序?yàn)榫沼筇砑恿浚景l(fā)酵溫度＞接菌量。

表3 響應(yīng)面方差分析結(jié)果

2.2.3 響應(yīng)曲面分析

通過(guò)分析模型的響應(yīng)面和相應(yīng)的等高線，可以得到兩兩交互作用的結(jié)果，并且通過(guò)驗(yàn)證模型預(yù)測(cè)的最優(yōu)值，可以確定生產(chǎn)研究發(fā)酵番茄醬的最佳工藝參數(shù)[14]。

發(fā)酵溫度與菊芋添加量交互作用的響應(yīng)面圖見(jiàn)圖6，發(fā)酵溫度與菊芋添加量交互作用的等高線圖見(jiàn)圖7，發(fā)酵溫度與接菌量交互作用的響應(yīng)面圖見(jiàn)圖8，發(fā)酵溫度與接菌量交互作用的等高線圖見(jiàn)圖9，菊芋添加量與接菌量交互作用的響應(yīng)面圖見(jiàn)圖10，菊芋添加量與接菌量交互作用的等高線圖見(jiàn)圖11。

由圖6 可知，響應(yīng)面曲線A 的弧度比B 的弧度陡，由圖7 可知，A 方向的等高線密度低于B 方向，則表明發(fā)酵溫度相比菊芋添加量，菊芋添加量對(duì)番茄醬總酸度的影響更顯著。等高線呈橢圓形，則說(shuō)明發(fā)酵溫度與菊芋添加量的交互作用顯著。

圖6 發(fā)酵溫度與菊芋添加量交互作用的響應(yīng)面圖

圖7 發(fā)酵溫度與菊芋添加量交互作用的等高線圖

由圖8 可知，響應(yīng)面曲線A 的弧度比C 弧度陡，由圖9 可知，A 方向等高線密度高于C 方向，說(shuō)明發(fā)酵溫度對(duì)發(fā)酵番茄醬總酸度的影響高于接菌量，等高線呈橢圓形，表明發(fā)酵溫度與接菌量的交互作用極顯著。

圖8 發(fā)酵溫度與接菌量交互作用的響應(yīng)面圖

圖9 發(fā)酵溫度與接菌量交互作用的等高線圖

由圖10 可知，響應(yīng)面曲線B 的弧度比C 的弧度陡，由圖11 可知，等高線B 的密度高于等高線C，說(shuō)明菊芋添加量對(duì)發(fā)酵番茄醬總酸度的影響高于接菌量，等高線呈橢圓形，表明菊芋添加量與接菌量的交互作用不顯著。

圖10 菊芋添加量與接菌量交互作用的響應(yīng)面圖

圖11 菊芋添加量與接菌量交互作用的等高線圖

為了驗(yàn)證調(diào)配發(fā)酵番茄醬加工工藝模型方程的合適性，通過(guò)Design Expert 8 設(shè)計(jì)可以得到最終的優(yōu)化條件為A=29.17，B=8.81，C=209.27，即得到的試驗(yàn)最優(yōu)組合為發(fā)酵溫度29.17 ℃，菊芋用量8.81 g，接菌量209.27 μL。此時(shí)，模型預(yù)測(cè)發(fā)酵型番茄醬的總酸度最大值為38.97 mol/L，考慮到實(shí)際因素，對(duì)上述優(yōu)化條件進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，調(diào)整后的工藝條件為發(fā)酵溫度30 ℃，菊芋用量10 g，接菌量200 μL。在該條件下進(jìn)行3 次平行試驗(yàn)，結(jié)果表明，其平均值為35.45 mol/L。與預(yù)測(cè)值較為接近，由此可以得到該模型的擬合度較好，最終的優(yōu)化試驗(yàn)還是較為成功。因此，響應(yīng)面法優(yōu)化發(fā)酵型番茄醬的加工工藝條件可以采取。

模型驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 模型驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果/ mol·L-1

3 結(jié)論

通過(guò)單因素試驗(yàn)，確定了發(fā)酵菌種類型、接菌量、菊芋質(zhì)量分?jǐn)?shù)，發(fā)酵溫度和發(fā)酵時(shí)間5 個(gè)因素的最優(yōu)水平值，最優(yōu)發(fā)酵種類是嗜酸乳桿菌CICC20250 植物乳桿菌CICC21805 同比例混合，最優(yōu)接菌量為1%，最佳發(fā)酵時(shí)間為25 d，確定了影響因素對(duì)發(fā)酵型番茄醬的總酸度影響程度為菊芋添加量＞發(fā)酵溫度＞接菌量。通過(guò)進(jìn)一步的響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)，確定了發(fā)酵溫度、菊芋添加量、接菌量的最優(yōu)參數(shù)，結(jié)合實(shí)際情況，最終得到結(jié)果為發(fā)酵溫度30 ℃，菊芋添加量15%，接菌量1%，在該條件下的發(fā)酵型番茄醬色澤誘人、酸甜適中、發(fā)酵風(fēng)味濃厚、口感香醇。