乳酸菌发酵番茄酱的加工工艺研究

武进雨，季小康，赵苏源，姚沛琳

（宿州学院生物与食品工程学院，安徽宿州 234000）

番茄酱作为番茄的浓缩产物其营养成分更易被人体吸收[1-2]。其中的番茄红素具有很多抗氧化能力极强的活性物质，其抗氧化能力可以达到β -胡萝卜素的2.0～3.2 倍。番茄红素还可以预防癌症，如前列腺癌、乳腺癌等[3-4]。番茄红素如今在食品与医疗方面备受关注，在医药、功能食品、化妆品等行业得到了广泛应用[5-6]。

乳酸菌是一类能运用可发酵碳水化合物产出大量乳酸细菌的通称。乳酸菌对保护人体有很大益处，可以提高乳酸菌在肠道中的含量，减少有害菌群数量，调整肠道菌群比例，保护人体肠道菌群的平衡和正常生理功能[7-9]。目前，我国关于番茄类的产品主要以初加工为主，如番茄酱、番茄汁等，缺乏深加工，特别是利用乳酸菌制得发酵番茄酱的研究较少。因此，采用乳酸菌发酵番茄酱能够综合乳酸菌和番茄酱两者的优点。

试验以新鲜番茄为原材料，添加具有益生元功能的菊芋作为辅料，采用人工接种乳酸菌的发酵形式发酵番茄酱，通过响应面法优化番茄酱的发酵工艺，为乳酸菌发酵型番茄酱的生产提供一定的理论研究基础。

1.1 试验材料

1.1.1 原料

选择鲜红饱满、色泽均匀、无虫害的番茄作为原材料；
以外观均匀、成熟新鲜、无霉变及腐败变质的菊芋为辅料；
冰糖，食盐，以上材料均购自宿州市特尔惠超市。

发酵菌种：嗜酸乳杆菌CICC20250，植物乳杆菌CICC21805，以上菌种均由宿州学院生物与食品工程学院保藏。

1.1.2 试剂

MRS 培养基；
氢氧化钠、酚酞，国药集团提供。

1.2 设备

GI100T 型高压灭菌锅，致微（厦门）仪器有限公司产品；
SW-CJ-1CU 型超净工作台，苏州安泰空气技术有限公司产品；
1-1SPK 型小型台式冷冻离心机，美国Sigma 公司产品；
SHP-400ε型恒温培养箱，上海三发科学仪器有限公司产品。

1.3 试验方法

1.3.1 乳酸菌菌悬液的制备

从保菌管内分别吸取嗜酸乳杆菌CICC20250 和植物乳杆菌CICC21805 菌液100 μL，接种到10 mL MRS 液体培养基中，于37 ℃下静置培养12 h，连续活化2 次，离心得菌体，用生理盐水洗涤3 次，最后用等体积生理盐水重悬作为后续发酵种子液[10]。

1.3.2 发酵番茄酱的制备

将新鲜的番茄用水洗干净，热烫除去果皮，打浆；
新鲜的菊芋用热水蒸煮，去皮，打浆。番茄浆和菊芋浆按照不同比例进行混合，然后加入3%的食盐，6%的冰糖，4%的成品番茄酱，进行熬制，装入玻璃罐中，于85 ℃下水浴加热15 min，进行巴氏杀菌，冷却后再接入制备好的乳酸菌菌悬液，混匀，发酵[11]。

1.3.3 单因素试验

（1）不同发酵剂的影响。依次采用嗜酸乳杆菌CICC20250、植物乳杆菌CICC21805、嗜酸乳杆菌CICC20250∶植物乳杆菌CICC21805=1∶1 这3 种发酵剂，以总酸度为考核指标，确定最佳的接菌种类。

（2）接菌量的影响。将乳酸菌分别按照0，0.5%，1.0%，1.5%，2.0%的比例接种到番茄酱里进行发酵，以总酸度为考核指标，确定最佳接菌量。

（3）菊芋添加量的影响。菊芋分别按照0，5%，10%，15%，20%的添加量加入到番茄酱里，每组都分别接2%的嗜酸乳杆菌，于37 ℃下静置培养10 d，以总酸度为考核指标，确定最佳的菊芋添加量。

（4）发酵温度的影响。按照菊芋的添加量为10%，接入2%的嗜酸乳杆菌，分别置于26，30，34，37，42 ℃的培养箱里，静置培养10 d，以总酸度为考核指标，确定最佳的发酵温度。

（5）发酵时间的影响。按照菊芋添加量为10%，接入2%的嗜酸乳杆菌CICC20250，置于37 ℃恒温的培养箱中，分别在5，10，15，20，25，30 d 后进行取样，以总酸度为考核指标，确定最优发酵时间。

1.3.4 总酸度的测定

酸碱中和测定法，计算番茄酱的总酸度可以参考国标GB/T 12456—2008 食品总酸的测定[12]。

2.1 单因素试验结果

2.1.1 不同发酵剂对乳酸菌发酵番茄酱品质的影响

不同发酵剂对发酵番茄酱总酸度的影响见图1。

图1 不同发酵剂对发酵番茄酱总酸度的影响

由图1 可知，当植物乳杆菌和嗜酸乳杆菌以1∶1混合时，总酸度为37.05 mol/L。因此，在后面的研究中，用嗜酸乳杆菌和植物乳杆菌的相同比例混合菌种进行番茄酱的发酵。结合总酸的指标，可以得到发酵剂的最优选取种类是嗜酸乳杆菌CICC20250∶植物乳杆菌CICC21805 为1∶1 混合。

2.1.2 不同接菌量对乳酸菌发酵番茄酱品质的影响

不同接菌量对发酵番茄酱总酸度的影响见图2。

图2 不同接菌量对发酵番茄酱总酸度的影响

由图2 可知，随着接菌量的增加发酵番茄酱的总酸度呈上升趋势，当接菌量为1%时达到峰值。由此可以得到，发酵时选取1%的接菌量最为适宜。

2.1.3 菊芋添加量对乳酸菌发酵型番茄酱品质的影响

菊芋添加量对发酵番茄酱的影响见图3。

图3 菊芋添加量对发酵番茄酱的影响

菊芋块茎含有丰富的氨基酸、糖类、维生素等，具有较强的耐贮藏性，是提取高纯低聚糖的最佳原料，其作为益生元的研究较多，可促进益生菌的增长[13]。由图3 可知，随着菊芋添加量的增大，番茄酱的总酸度逐渐增大，初始值酸度的增长值随菊芋质量分数不是特别明显，当达到5%以后酸度明显上升，当添加量达到15%时，酸度达到峰值，再继续添加总酸度明显下降，说明此时乳酸菌已受到抑制，菊芋添加过多，可以得出结论，菊芋最优添加量应在15%附近。

2.1.4 发酵温度对乳酸菌发酵番茄酱品质的影响

发酵温度也是影响试验结果的主要因素之一，若番茄酱中的发酵温度太低，会使发酵菌液易感染杂菌，产酸程度太低而直接影响产品品质，甚至可能会导致产品周期延长，若番茄酱的发酵温度太高则可能会导致产酸速度过快，虽然缩短了时间但是发酵风味物质会减少，对食物自身的品质会产生一定影响，因此选择合适的发酵温度是很重要的条件[14]。

发酵温度对发酵番茄酱总酸度的影响见图4。

图4 发酵温度对发酵番茄酱总酸度的影响

由图4 可知，番茄酱的总酸度随着发酵温度的增长总体呈先上升后下降趋势，当34 ℃时达到峰值，但是若发酵温度持续增加，超过峰值后，酸度会逐渐下降，可能会使产品中的有机酸分解，以至于酸度下降，导致产品的风味有不好的改变，因此应将发酵温度控制为30～34 ℃。

2.1.5 发酵时间对发酵番茄酱品质影响的试验结果

发酵时间对发酵型番茄酱总酸度的影响见图5。

由图5 可知，总酸度随着发酵时间的改变效果也较为显著，起初因为发酵时间短，番茄酱的风味还没有形成，所以风味酸味都不显著，随着时间的增加酸度逐渐增加，发酵时间过长也会导致酸度过大使番茄酱风味变质，由变化曲线可得发酵时间最适宜的为25 d，总酸度为40.3 mol/L。

图5 发酵时间对发酵型番茄酱总酸的影响

2.2 乳酸菌发酵番茄酱的加工工艺优化响应面试验设计

2.2.1 试验设计

在单因素试验的基础上，采用Design Expert 8根据Box-bnheken Design 试验设计原理，主要是发酵温度（A）、菊芋质量分数（B）、接菌量（C）3 个影响因素，响应值仍选用总酸度（Y），利用响应面法进行中心组合设计试验[15]。

发酵番茄酱工艺响应面试验因素与水平设计见表1。

表1 发酵番茄酱工艺响应面试验因素与水平设计

2.2.2 试验设计结果

根据Box-bnhenken 试验设计原理进行优化试验。

Box-behnken 试验设计结果见表2。

通过选用Box-beheken 响应面分析法对试验结果拟合的模型进行方差分析，响应面数据的回归分析[13]（见表2）。通过软件对试验数据进行多元回归拟合，得到响应面拟合方程：

式中：Y——番茄酱总酸度，mol/L。

由表2 可知，回归方程中各因素对总酸度影响的显著性可以通过F 检验来判断。若p 值越小，则可以说明对应变量的显著性越高[16]。该模型的F 值是36.52，大于0.01 水平上的F 值，且p＜0.001，表明该回归模型极显著，在统计学上有意义。失拟项F=2.56，p=0.192 8＞0.05，不显著，说明该模型与实际的拟合情况比较好，回归方程不失拟，能充分反映实际情况，所以可以选用回归方程代替试验真实点对发酵番茄酱的试验结果进行预测分析。另外，通过分析可以得到，各因素中的一次项A、B，二次项A2、B2、C2对发酵番茄酱的总酸度影响极显著，AB 项对发酵番茄酱的总酸度影响显著，AC 项对发酵番茄酱的总酸度影响极显著，BC 项对发酵番茄酱的总酸度影响不显著。

表2 Box-behnken 试验设计结果

响应面方差分析结果见表3。

番茄酱的总酸度影响显著（p＜0.05），由表3 可知，各因素对发酵番茄酱的总酸度影响程度排序为菊芋添加量＞发酵温度＞接菌量。

表3 响应面方差分析结果

2.2.3 响应曲面分析

通过分析模型的响应面和相应的等高线，可以得到两两交互作用的结果，并且通过验证模型预测的最优值，可以确定生产研究发酵番茄酱的最佳工艺参数[14]。

发酵温度与菊芋添加量交互作用的响应面图见图6，发酵温度与菊芋添加量交互作用的等高线图见图7，发酵温度与接菌量交互作用的响应面图见图8，发酵温度与接菌量交互作用的等高线图见图9，菊芋添加量与接菌量交互作用的响应面图见图10，菊芋添加量与接菌量交互作用的等高线图见图11。

由图6 可知，响应面曲线A 的弧度比B 的弧度陡，由图7 可知，A 方向的等高线密度低于B 方向，则表明发酵温度相比菊芋添加量，菊芋添加量对番茄酱总酸度的影响更显著。等高线呈椭圆形，则说明发酵温度与菊芋添加量的交互作用显著。

图6 发酵温度与菊芋添加量交互作用的响应面图

图7 发酵温度与菊芋添加量交互作用的等高线图

由图8 可知，响应面曲线A 的弧度比C 弧度陡，由图9 可知，A 方向等高线密度高于C 方向，说明发酵温度对发酵番茄酱总酸度的影响高于接菌量，等高线呈椭圆形，表明发酵温度与接菌量的交互作用极显著。

图8 发酵温度与接菌量交互作用的响应面图

图9 发酵温度与接菌量交互作用的等高线图

由图10 可知，响应面曲线B 的弧度比C 的弧度陡，由图11 可知，等高线B 的密度高于等高线C，说明菊芋添加量对发酵番茄酱总酸度的影响高于接菌量，等高线呈椭圆形，表明菊芋添加量与接菌量的交互作用不显著。

图10 菊芋添加量与接菌量交互作用的响应面图

图11 菊芋添加量与接菌量交互作用的等高线图

为了验证调配发酵番茄酱加工工艺模型方程的合适性，通过Design Expert 8 设计可以得到最终的优化条件为A=29.17，B=8.81，C=209.27，即得到的试验最优组合为发酵温度29.17 ℃，菊芋用量8.81 g，接菌量209.27 μL。此时，模型预测发酵型番茄酱的总酸度最大值为38.97 mol/L，考虑到实际因素，对上述优化条件进行适当调整，调整后的工艺条件为发酵温度30 ℃，菊芋用量10 g，接菌量200 μL。在该条件下进行3 次平行试验，结果表明，其平均值为35.45 mol/L。与预测值较为接近，由此可以得到该模型的拟合度较好，最终的优化试验还是较为成功。因此，响应面法优化发酵型番茄酱的加工工艺条件可以采取。

模型验证试验结果见表4。

表4 模型验证试验结果/ mol·L-1

通过单因素试验，确定了发酵菌种类型、接菌量、菊芋质量分数，发酵温度和发酵时间5 个因素的最优水平值，最优发酵种类是嗜酸乳杆菌CICC20250 植物乳杆菌CICC21805 同比例混合，最优接菌量为1%，最佳发酵时间为25 d，确定了影响因素对发酵型番茄酱的总酸度影响程度为菊芋添加量＞发酵温度＞接菌量。通过进一步的响应面优化试验，确定了发酵温度、菊芋添加量、接菌量的最优参数，结合实际情况，最终得到结果为发酵温度30 ℃，菊芋添加量15%，接菌量1%，在该条件下的发酵型番茄酱色泽诱人、酸甜适中、发酵风味浓厚、口感香醇。