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酸乳发酵工艺的优化
引言
乳酸菌是指一群可发酵碳水化合物、产生乳酸的球菌和杆菌[1-3]。酸乳具有减轻乳糖不耐受症，调整肠胃、减少疾病等功能。但酸乳生产中易出现发酵时间长，菌种活力不够等问题，因此，进行酸乳工艺的优化具有实际的意义。
1 材料与方法
1.1 实验材料
（1）菌种：混合型乳酸菌（保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌，由法国罗地亚公司提供）
（2）新鲜无抗牛乳（收购合格奶源）
（3）脱脂奶粉（新西兰）
1.2 实验方法
（1）酸度测定：依照GB/T5009.46—2003
（2）产品感官评定：由6 名经验丰富的现场品控人员组成，采用百分制对产品质量中的质地、外观、香味和滋味[4]进行评定，六个数据取平均值（取整数）。
2 结果与分析
2.1 单一菌种发酵实验
（1）嗜热链球菌
①接种量
接种量分别取1%、3%、5%，优质鲜奶43℃连续发酵12h，每2h 测一次酸度，具体如图1 所示。由图可知，接种量不同，产酸速度不同，随着接种量的增大，产酸速度增大。接种量为3%和5%组，在发酵的2-4h 产酸速度增大，12h 后酸度分别长到76°T 和89°T，虽然3%组的酸度相比5%的有点低，但基本达到要求，且凝乳状态良好；而1%组产酸速度缓慢，4-6h 产酸速度稍有提高，但随后又进入缓慢状态，12h 后酸度仅达到62°T，凝乳状态不好，质地松软。所以，对于嗜热链球菌来说，接种量应取3%-5% 。
②发酵温度
发酵温度分别取40℃、43℃和45℃，接种量取3%，发酵12h，连续测定酸度。如图2所示结果看出，发酵温度为40℃时，嗜热链球菌生长缓慢，一开始产酸速度很慢，直到8h时产酸速度才有所加快；而45℃时的高温会抑制嗜热链球菌的正常生长，产酸活性下降，因此酸度增加也很慢，12h 后仍达不到要求的酸度。所以对嗜热链球菌来说，40℃发酵12h后酸乳凝乳状态良好，但需要的时间太长，不利于酸乳生产进程，发酵温度应选43℃。
③乳固体含量
乳固体含量分别取8%、10%、12%，接种量取3%，43℃发酵12h。
由结果可知，8%组在发酵12h 后酸度只长到78°T，没有达到要求，且在发酵的2-4h，8%组产生乳清较多。10%组和12%组酸度在8h 时就长到89°T、97°T。因此，对于嗜热链球菌来说，乳固体含量应在10%以上。
（2）保加利亚乳杆菌
①接种量
接种量分别取1%、3%、5%，用优质鲜奶，43℃连续发酵12h，酸度变化图4。可以看出，接种量的多少对产酸速度影响很大，接种量越大，产酸速度越快。对于保加利亚乳杆菌来说，接种量为3%组的在发酵4-6h 产酸速度加快；5%组的从发酵一开始产酸速度就很快，产生的酸味较强烈，有大量的乳清析出；1%组酸度增长的速度一直很缓慢，12h 后酸度仅达到79°T，并且质地松软，可以看见有轻度的流动状态，凝乳效果不理想。综上分析，对于保加利亚乳杆菌来说，接种量选择3%较适宜。
②发酵温度
同嗜热链球菌一样，发酵温度分别取40℃、43℃、45℃，接种3%的保加利亚乳杆菌，保温发酵12h，连续测定其酸度，每2h 一次。由结果可知，发酵温度越高，产酸速度也越快。发酵温度为43℃、45℃，在发酵6-8h 产酸速度加快，12h 后酸度分别达到99°T、109°T；40℃发酵时产酸速度相对比较缓慢，12h 发酵酸度长到77°T。40℃发酵12h 酸度达不到要求，45℃发酵析出的乳清比较多。因此，推荐发酵温度选取43℃。
③乳固体含量
同嗜热链球菌，乳固体含量仍取8%、10%、12%，接种3%的保加利亚乳杆菌，43℃发酵12h，每2h 测一次酸度，由结果可以看出，乳固体含量不同，产酸速度不同，乳固体含量增大，产酸速度也增大，与其他两组相比，乳固体含量为8%组的酸度增长缓慢，最终酸度达到79°T，基本达到要求，但乳清析出较多，凝乳效果也不好，质地松软。因此，对于保加利亚乳杆菌来说，乳固体含量为10%就能满足发酵的要求。
2.2 酸乳发酵工艺优化
在以上单因素实验的基础上，选取乳固体含量、接种量、发酵温度、菌种配比四个因素进行正交试验，进而对发酵工艺进行优化，采用L9（34）正交试验，每个因素设定3 个水平，正交试验情况见下表所示[5,6]。
由上表极差分析知，各因素对产酸影响的大小依次为：乳固体含量>菌种配比>接种量>
发酵温度，而各因素对感官的影响大小依次为：乳固体含量>菌种配比>发酵温度>接种量。
（1）优方案的确定
在该实验中，感官评定是本实验的评定指标，指标越大越好，所以应挑取每个因素的K1、K2、K3（或k1、k2、k3）中最大的值对应的那个水平，由于：
A 因素列：K1>K3>K2 B 因素列：K2>K1>K3 C 因素列：K2>K3>K1 D 因素列：
K3>K2>K1所以优方案为 A1B2C2D3，即菌种配比为1：1，接种量为3%，发酵温度为43℃，乳固体含量为12%。通过实验发现，乳固体含量为10%就基本能达到优方案的效果，所以在工业生产中为节约成本，乳固体含量取10%即可。综合以上分析得到的优方案为A1B2C2D3（D2）。
（2）趋势图
上述优方案是在给定的因素和水平的条件下得到的，若不限定给定的水平，有可能得到更好的实验方案，所以我们可以将因素水平作为横坐标，以它的实验指标的平均值ki’为纵坐标，画出因素水平与指标的关系图——趋势图。
由上面几个趋势图可以看出，当杆球比为1：1，接种量为3%，发酵温度为43℃，乳固体含量为12%（10%以上即可）时，感官评定都是最高的。并且中间两个连续的趋势图均呈倒钟形，接种量为3%，发酵温度为43℃时分别为各自的最优水平。所以综合组织状态及感官评定最佳工艺水平组合为A1B2C2D3(D2)。根据试验结果与分析，混合菌种发酵最佳工艺为杆球比1：1，接种量为3%，发酵温度为43℃，乳固体含量为10%以上即可满足酸乳品质的要求。在此工艺下，酸乳凝乳质地较硬，乳清析出较少，风味良好。
3 结论
（1）单一菌种发酵试验表明，嗜热链球菌的最优发酵工艺为：接种量为3%-5%，发酵温度为43℃，乳固体含量为10%以上；保加利亚乳杆菌的最优发酵工艺为：接种量为3%，发酵温度为43℃，乳固体含量为10%以上。
（2）单一菌发酵实验，我们得出，只有嗜热链球菌时表现出较低的酸度，保加利亚乳杆菌的产酸能力大于嗜热链球菌，嗜热链球菌在发酵过程中产粘。可见，两种菌混合发酵时，各司其职，嗜热链球菌产粘，满足口感上的要求，保加利亚乳杆菌负责后期酸度的进一步提升。
（3）混合菌种发酵实验，菌种配比、接种量、发酵温度及乳固体含量均对酸乳的质地、滋气味造成影响，其中乳固体含量、菌种配比对其影响较大，但各因素之间又是相互影响和制约的。
（4）混合菌种发酵试验最佳工艺条件：菌种配比（杆：球）=1：1，接种量为3%，发酵温度43℃，乳固体含量为10%以上。
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[参考文献] (References)
[1] 谢继志等.液态乳制品科学与技术[M].中国轻工业出版社，2002，10-35；
[2] 夏文水等.食品工艺学.北京：中国轻工业出版社，2007，355-356；
[3] TAMIMEAY，LAW B A.Mechanisation and Automation in Dairy[J].Technology 2001,153；
[4] 杨起恒.乳酸菌发酵机理及酸奶工艺优化研究[D].中国农业大学，2004.09；
[5] 刘振学，黄仁和，田爱民.实验设计与数据处理[M].北京：化学工业出版社，2005
[6] 张云，薛薇.数据处理与统计分析软件[M].北京：中国统计出版社，1996
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