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响应面法优化水芹菜自然发酵酸菜工艺研究



全 文 :响应面法优化水芹菜自然发酵酸菜工艺研究
丁 健, 谭书明, 张若男
(贵州大学酿酒与食品工程学院, 贵州 贵阳 550025)
摘 要:以贵州产水芹菜为原料,在自然发酵条件下,通过单因素试验探讨温度、盐浓度和香料包含量对发酵过
程中总酸含量及亚硝酸盐峰值点的影响,然后采用响应面分析法对水芹菜自然发酵酸菜工艺进行优化。 结果表明,
水芹菜自然发酵酸菜的最优工艺条件为:温度 36.11℃、盐浓度 3.96%、香料含量 4%,在此条件下总酸含量为 0.715
g/100g,亚硝酸盐峰值点为 4.09 mg/kg。
关键词:水芹菜; 自然发酵; 响应面法
中图分类号:TQ920.6 文献标识码:A 文章编号:1004-874X(2014)16-0091-06
Optimization on the process of sauerkraut under the natural
fermentation of water celery with response surface method
DING Jian, TAN Shu-ming, ZHANG Ruo-nan
(School of Liquor & Food Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025, China)
Abstract: On the basis of single-factor tests, we optimized process conditions of water celery natural fermentation
from Guizhou. The effects of temperatures, salt concentration and spice content on the total acid content and nitrite peak
were studied by using response surface analysis. The results showed the optimum conditions were as follows, temperature
36.11℃, salt concentration 4.05% and spice content 4%. Under these conditions, the total acid content was 0.715 g/100g
and the nitrite peak was 4.09 mg/kg.
Key words: water celery; natural fermentation; response surface methodology (RSM)
水芹菜属于多年水生宿根草本植物,别名水芹、刀
芹、野芹、野芹菜等,多数分布在我国华东及中南地区。
目前,我国种植水芹菜主要有水芹、短幅水芹、卵叶水
芹、中华水芹、西南水芹和细叶水芹等品种,其中以水
芹分布最广[1]。 水芹菜含有多种人体内不可缺少的营养
物质,维生素、矿物质等含量甚至超过旱芹,因此具有
良好的食用价值[2]。 同时,水芹还具有良好的药用价值[3-4],
其提取物可抑制肝脏脂肪增加和保护膜的完整 [5];其总
酚在体内和体外都具有显著的抗 B 型肝炎病毒的功
能[6];水芹黄酮也有抗人和鸭 B 型肝炎病毒的功能[7],此
外水芹黄酮还具有显著的抗糖尿病作用 [8-9],在临床中
对高血压病、高脂血症、心脑血管疾病、乙型肝炎患者
具有防治作用[10-12]。
酸菜是历史悠久的乳酸发酵产品之一, 也是西南
地区人民热爱的传统食品,其味道独特,做法多样,尤
以苗寨酸菜鱼闻名天下。 酸菜制作以乳酸发酵为主,兼
有蛋白质分解的微生物发酵, 且利用食盐的高渗透压
作用形成有利于乳酸菌生长代谢的环境, 这是一种冷
加工方法,对蔬菜的营养成分、色香味体的保存有利[12-14]。
酸菜不仅营养丰富,且制作起来设备简单,操作容易,
成本低廉。 但是我国酸菜品种结构单一,原料多为大白
菜、芥菜、甘蓝和萝卜,不但无法满足大众对酸菜多样
性的需求,也对酸菜产业的发展造成一定阻碍。 本研究
采用自然发酵法,通过单因素试验探讨发酵温度、盐浓
度和香料包含量对发酵过程中总酸含量及亚硝酸盐峰
值点的影响, 并应用响应面分析软件 Design Expert 中
的 Box-Behnken 对水芹菜自然发酵酸菜工艺参数进行
优化,旨在为酸菜发酵提供新型原料,而且对进一步建
立一定的酸菜自然发酵模型, 为酸菜的标准化和规模
化生产提供理论依据[15-16]。
1 材料与方法
1.1 试验材料
供试水芹菜采摘自贵州省农科院园艺研究所蔬菜
试验田。 食盐、香料包(花椒、生姜、大蒜)均为市售。 硼
砂、乙酸锌、对氨基苯磺酸、盐酸萘乙二胺、氢氧化钠等
收稿日期:2014-06-06
基金项目:国家星火计划项目([2012]8200-1 号)
作者简介:丁健(1989-),女,在读硕士生,E-mail:289891563
@qq.com
通讯作者:谭书明(1964-),男,教授,E-mail:759409303@qq.
com
广东农业科学 2014 年第 16期90
C M Y K
DOI:10.16768/j.issn.1004-874x.2014.16.013
76
5
4
3
2
1






( m
g/
kg

1 2 3 4 5 6 7
盐浓度(%)
图 4 盐浓度对亚硝酸盐峰值的影响
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3




( g
/1
00
g)
1 2 3 4 5 6 7
盐浓度(%)
图 3 盐浓度对总酸含量的影响
7
6
5
4
3
2
1






( m
g/
kg

20 25 30 35 40 45 50
温度(℃)
图 2 发酵温度对亚硝酸盐峰值的影响
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3




( m
g/
10
0g

20 25 30 35 40 45 50
温度(℃)
图 1 发酵温度对总酸含量的影响
均为国产分析纯。
试验仪器:T6紫外可见分光光度计(北京普析通用
仪器有限责任公司)、JM.A2003 电子天平(诸暨市超泽
衡器设备有限公司 )、XMTD-204 型数显恒温水浴锅
(上海梅香仪器有限公司)、DHG-9240A 型电热干燥箱
(上海精宏实验设备有限公司)。
1.2 试验方法
1.2.1 指标检测 亚硝酸盐:盐酸萘乙二胺法,按 GB/
T 5009.33-2010 的方法进行;总酸:酸碱中和滴定法,
按 GB/T 5009.41-2003 标准进行测定[17]。
1.2.2 单因素试验 分别考查发酵温度 (20、25、30、
35、40、45、50℃)、 盐浓度 (1%、2%、3%、4%、5%、6%、
7%)、香料含量(0、1%、2%、3%、4%、5%)对发酵过程中
总酸含量及亚硝酸盐峰值点的影响。
1.2.3 响应面试验 在单因素试验的基础上, 以发酵
温度、盐浓度、香料包含量 3 个因素为自变量,以水芹
菜自然发酵酸菜过程中的总酸含量 (选取发酵过程中
总酸含量最大值)及亚硝酸盐峰值点为响应值,利用响
应面分析软件 Design Expert 中的 Box-Behnken 进行试
验设计,确定最佳发酵条件[18-21]。
2 结果与分析
2.1 单因素试验
2.1.1 发酵温度对总酸含量和亚硝酸盐峰值的影响
从图 1 可以看出, 发酵温度对总酸含量的影响呈抛物
线状, 发酵温度为 35℃时总酸含量最高, 达到 0.72
g/100g。 35℃以后总酸量随温度进一步上升而显著下
降,当温度高达 50℃时,总酸含量最低,35℃之前总酸
含量随温度的下降而不断减少, 但其下降速度远远低
于上升速度,说明高温能明显抑制乳酸菌的代谢活动。
从图 2 可以看出, 发酵温度对亚硝酸盐的峰值有
明显影响,发酵温度为 20℃时,亚硝酸盐峰值最高,达
到 6.4 mg/kg,当发酵温度上升至 50℃时,亚硝酸盐含
量显著下降,达到最低值 1.8 mg/kg。 发酵温度越高,峰
值越低,这是由于在较高温度下,有益菌种—乳酸菌繁
殖加快,抑制硝酸还原菌的生长繁殖,从而减少硝酸盐
的还原,且已生成的亚硝酸盐被酸性环境部分分解。
2.1.2 盐浓度对总酸含量和亚硝酸盐峰值的影响 由
图 3 可知,盐浓度为 1%时,总酸含量最高,达到 0.74
g/100g,当盐浓度为 7%时,总酸含量不到 0.3 g/100g,其
中盐浓度从 4%上升到 5%阶段, 总酸含量下降速度最
快,盐浓度越高,总酸含量越低。 这可能是因为高盐浓
度对乳酸菌的抑制作用比较强,不利于乳酸菌产酸。
图 4 显示, 亚硝酸盐峰值随着盐浓度的上升而减
少,盐浓度越高,亚硝酸盐峰值点越低,当盐浓度达到
6%时,亚硝酸盐峰值下降速度减慢。 盐浓度对亚硝酸
盐的影响主要是通过其对细菌活动的影响而产生作
用,高盐浓度能抑制大肠杆菌、酵母菌等硝酸还原菌的
91
C M Y K
表 2 Box-Behnken 试验设计及结果
试验号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
X1
-1
1
-1
1
-1
1
-1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
X2
-1
-1
1
1
0
0
0
0
-1
1
-1
1
0
0
0
0
0
X3
0
0
0
0
-1
-1
1
1
-1
-1
1
1
0
0
0
0
0
总酸含量
(g/100g)
0.63
0.54
0.58
0.43
0.52
0.56
0.61
0.51
0.72
0.55
0.71
0.63
0.74
0.76
0.76
0.81
0.75
亚硝酸盐峰值点
(mg/kg)
6.1
4.6
5.2
4.1
6.1
4.5
5.3
3.5
5.4
4.8
4.2
3.9
4.9
5.0
4.8
5.0
4.8
编码因素值
7
6
5
4
3
2
1






( m
g/
kg

0 1 2 3 4 5
香料含量(℃)
图 6 香料含量对亚硝酸盐峰值的影响
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3




( g
/1
00
g)
0 1 2 3 4 5
香料含量(℃)
图 5 香料含量对总酸含量的影响
生长,从而减慢硝酸还原过程,降低亚硝酸盐生成量。
2.1.3 香料含量对总酸含量和亚硝酸盐峰值的影响
从图 5 可以看出, 香料含量对水芹菜自然发酵酸菜总
酸含量的影响,香料含量从 0 上升至 2%,总酸含量曲
线上升趋势显著,从 2%上升至 7%时,总酸含量曲线趋
势平缓,腌制酸菜时加入香料对产酸有利,当香料含量
达到 2%时,再继续增加香料含量对总酸含量无显著影
响。
由图 6 可知, 香辛料对亚硝酸盐的产生有抑制作
用,香料对硝酸盐还原菌具有一定的抑制作用, 同时低
浓度时香料含量对乳酸菌的生长具有促进作用, 而乳
酸菌的快速生长有利于降低产品的酸度, 分解破坏亚
硝酸盐。
2.2 响应面试验
2.2.1 响应面试验设计 在单因素试验的基础上,以
温度、盐浓度、香料包含量 3 个因素为自变量,以水芹
菜自然发酵酸菜过程中的总酸含量 (选取发酵过程中
总酸含量最大值)及亚硝酸盐峰值点为主要考核指标。
利用响应面分析软件 Design Expert 中的 Box-Behnken
进行试验设计,设计 3 因素 3 水平试验,共计 17 个试
验点,其中 12 个为分析因子(1~12),5 个中心试验点
(13~17),因素水平见表 1,结果见表 2。
Design Expert8.06 软件对表 2 中的数据进行分析,
获得回归模型为:
总酸 =0.76-0.038X1-0.051X2+0.014X3-0.015X1X2-
0.035X1X3+0.022X2X3-0.16X12-0.058X22-0.053X32
亚 硝 酸 盐 =4.90 -0.75X1 -0.29X2 -0.49X3 +0.100
X1X2-0.050X1X3+0.075X2X3+0.19X12-0.088X22-0.24X32
2.2.2 模型方差分析 从表 3 可以看出, 水芹菜自然
发酵酸菜工艺参数中, 影响总酸含量的因素按主次顺
序依次为盐浓度>温度>香料含量。 其中盐浓度(X2)达
到极显著水平,香料含量(X3)没有统计显著性。 二次项
对响应值的影响极显著, 失拟项反映试验数据与模型
不相符的情况,P=0.2123>0.1,失拟不显著,因此模型选
择正确。
由表 4 可知,水芹菜自然发酵酸菜工艺参数中,影
响亚硝酸盐峰值点的因素均达到极显著水平, 尤其是
温度和香料含量,均小于 0.0001。 失拟项反映试验数据
与模型不相符的情况,P=0.1038>0.1,失拟不显著,因此
模型选择正确。
2.2.3 响应面分析 温度、 盐浓度及香料含量 3 个因
素对水芹菜发酵酸菜过程中的总酸含量和亚硝酸盐峰
值的交互影响如图 7~图 12所示。
X3香料包
含量(%)
0
2
4
X2盐
浓度(%)
2
4
6
X1发酵
温度(℃)
25
35
45
水平
-1
0
1
表 1 Box-Behnken 试验因素水平
92
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方差来源
模型
X1
X2
X3
X1X2
X1X3
X2X3
X12
X22
X32
误差项
失拟项
纯误差
所有项
总偏差平方和
0.19
0.011
0.021
1.51E-03
9.00E-04
4.90E-03
2.03E-03
0.11
0.014
0.012
8.10E-03
5.18E-03
2.92E-03
0.2
自由度
9
1
1
1
1
1
1
1
1
1
7
3
4
16
平均偏差平方和
0.021
0.011
0.021
1.51E-03
9.00E-04
4.90E-03
2.03E-03
0.11
0.014
0.012
1.16E-03
1.73E-03
7.30E-04
R2=95.86%
F 值
18
9.73
18.17
1.31
0.78
4.24
1.75
94.08
12.35
10.32
2.36
P>F 值
0.0005
0.0169
0.0037
0.2904
0.4069
0.0785
0.2273
< 0.0001
0.0098
0.0148
0.2123
显著性
极显著
显著
极显著
极显著
极显著
显著
表 3 总酸含量回归模型方差分析
表 4 亚硝酸盐峰值点回归模型方差分析
方差来源
模型
X1
X2
X3
X1X2
X1X3
X2X3
X12
X22
X32
误差项
失拟项
纯误差
所有项
总偏差平方和
7.54
4.5
0.66
1.9
4.00E-02
1.00E-02
0.022
0.15
0.032
0.24
0.16
0.12
0.04
7.7
自由度
9
1
1
1
1
1
1
1
1
1
7
3
4
16
平均偏差平方和
0.84
4.5
0.66
1.9
4.00E-02
1.00E-02
0.022
0.15
0.032
0.24
0.023
0.041
1.00E-02
R2=97.89%
F 值
36.07
193.85
28.48
81.9
1.72
0.43
0.97
6.38
1.39
10.23
4.08
P>F 值
<0.0001
<0.0001
0.0011
<0.0001
0.2307
0.5326
0.3577
0.0395
0.2771
0.0151
0.1038
显著性
极显著
极显著
极显著
极显著
显著
显著
由图 7可知,发酵温度与盐浓度的交互作用显著性
较弱。总酸含量主要由盐浓度决定,盐浓度越高,总酸含
量越低,因为高盐浓度对乳酸菌的抑制作用比较强。 低
盐浓度下,适中的发酵温度对产酸有利。由图 8可知,发
酵温度与香料含量交互作用不显著,发酵温度在高水平
时,响应抛物曲线的最高点处在较低水平,而随着发酵
温度的降低,总酸含量的响应抛物曲线的最高点向高水
平方向移动。 响应面的响应值在发酵温度适中,香料含
量较高时较高。 由图 9可知,盐浓度与香料含量的交互
作用显著性较弱。 盐浓度在高水平时,总酸含量的响应
抛物曲线的最高点也处在较低水平,而随着盐浓度的下
降, 总酸的响应抛物曲线的最高点向高水平方向移动。
响应面的响应值在盐浓度接近低值与香料含量接近高
值时较高。由图 10可知,发酵温度与盐浓度的交互作用
不显著。 发酵温度在低水平时,亚硝酸盐峰值的响应抛
物曲线的最高点也处在较高水平,而随着发酵温度的增
加,亚硝酸盐峰值响应抛物曲线的最高点向低水平方向
移动。 由图 11可知, 盐浓度与香料含量的交互作用较
弱。 在盐浓度较高时,亚硝酸盐峰值的响应抛物曲线的
最高点处在较低水平,而随着盐浓度的降低,亚硝酸盐
峰值的响应抛物曲线的最高点向高水平方向移动。响应
面的响应值在盐浓度较高、香料含量较高时较低。 由图
12 可知,发酵温度与香料含量的交互作用显著性较小。
随着香料含量的增大,亚硝酸盐峰值的响应抛物曲线的
93
C M Y K
76
5
4






( m
g/
kg

温度(℃)
-1
0
1 -1
0
1



(%

图 10 发酵温度与盐浓度对亚硝酸盐峰值的交互影响
7
6
5
4






( m
g/
kg

盐浓度(%)
-1
0
1 -1
0
1




(%

图 11 盐浓度与香料含量对亚硝酸盐峰值的交互影响
7
6
5
4






( m
g/
kg

温度(℃)
-1
0
1 -1
0
1




(%

图 12 发酵温度与香料含量对亚硝酸盐峰值的交互影响
0.8
0.7
0.6
0.5总



( g
/1
00
g)
温度(℃)
-1
0
1 -1
0
1




(%

图 9 发酵温度与香料含量对总酸含量的交互影响
0.8
0.7
0.6
0.5总



( g
/1
00
g)
盐浓度(%)
-1
0
1 -1
0
1




(%

图 8 盐浓度与香料含量对总酸含量的交互影响
0.8
0.7
0.6
0.5总



( g
/1
00
g)
温度(℃)
-1
0
1 -1
0
1



(%

图 7 发酵温度与盐浓度对总酸含量的交互影响
最高点向低水平方向移动。
2.2.4 模型验证 响应面所确定的水芹菜自然发酵酸
菜最优工艺条件为:温度为 36.11℃,盐浓度为 3.96%,
香料含量为 4%,由于试验条件有限,实际操作时取温
度为 36℃,盐浓度 4%,香料含量为 4%。 经过 3 次平行
试验,得到总酸含量平均值为 0.71 g/100g,与理论值仅
相差 0.05 g/100g, 亚硝酸盐峰值平均值为 4.17 mg/kg,
与理论值仅相差 0.08 mg/kg。
94
C M Y K
(上接第 84页)
类。 因此建议在挂果前以防治叶部病害为主,重点防治
果实病害是降低荔枝园病害发生程度, 降低经济损失
的主要途径。
参考文献:
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(责任编辑 杨贤智)
3 结论
本研究在单因素试验的基础上, 利用响应面分析
软件 Design Expert 中的 Box-Behnken 中心组合设计分
析温度、盐浓度、香料包含量 3 个因素对水芹菜自然发
酵酸菜过程中的总酸含量 (选取发酵过程中总酸含量
最大值)及亚硝酸盐峰值的影响,确定最佳发酵条件:
温度为 36.11℃,盐浓度为 3.96%,香料含量为 4%,在此
条件下总酸含量为 0.715 g/100g, 亚硝酸盐峰值点为
4.09 mg/kg。 并且通过 3次平行试验论证理论值与实际
值差距很小。
参考文献:
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(责任编辑 刘 翀)
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