代餐是一种便捷性食物，旨在补充人体所缺的主要营养素[1]。近年来，在部分企业的推动下逐渐成为市场上较为热门的销售产品，常见的是代餐粉。代餐粉主要由一种或几种原材料，通过添加一些辅料后按照一定比例、方法混合调配而成的一类用温开水冲调的粉剂产品。其主要分为谷物和果蔬代餐粉，谷物代餐粉以五谷杂粮为原料制作而成，果蔬代餐粉由果蔬制作而成[2]。其具有调节血脂以及调理肠道微生物菌群结构等作用[3]。
微生物发酵食品是指利用微生物的代谢作用使原材料发生化学变化，从而获得的口感、风味、质地较佳的食品。目前，可用于发酵食品的微生物包括细菌、酵母和霉菌[4]。常用的细菌是乳酸菌，能将食品中的糖类物质转为乳酸，从而降低环境pH，达到防腐作用；此外，其能通过代谢作用产生化合物改善食品风味[5]。霉菌主要有根霉、黑曲霉、毛霉等[6]，能产生多种水解酶类，将食品大分子物质水解为小分子，易被人体消化吸收；同时，其能产生丰富的糖化酶，将淀粉转为糖，改善食品风味。近年来，有关微生物发酵食品的研究越来越多。田利亚[7]利用米酒渣提取液培养益生菌，将其制成粉末后发酵谷物代餐粉，发现代餐粉的气味、组织状态随菌粉含量增加而改善，但口味随之降低，影响评分。陈悦等[8]以植物乳杆菌和嗜酸乳杆菌作为菌种制备杂粮代餐粉，发现菌种发酵对样品色泽有明显影响。陈悦等[9]以植物乳杆菌和嗜酸乳杆菌作为发酵菌株，利用酶解、发酵及酶解—发酵联合处理方法制备杂粮代餐粉，发现代餐粉的感官品质、理化特性、粉体特性均有所提升，其中酶解—发酵联合处理的效果最佳。
本研究以紫薯、南瓜、红薯为原料，木糖醇和麦芽糊精为辅料，地衣芽孢杆菌、发酵乳杆菌和根霉为复合菌剂制备代餐粉。通过单因素和正交试验优化复合代餐粉配方，探究微生物发酵对代餐粉感官品质、灰分、蛋白质、黏度、总酸、葡萄糖及风味物质的影响，为代餐食品开发提供参考。
1 材料与方法
1.1 试验材料和仪器
紫薯、红薯、南瓜，购自贵阳市市场；麦芽糊精，购自河南万邦化工科技有限公司；木糖醇，购自甘汁园旗舰店；地衣芽孢杆菌DY（细菌）、发酵乳杆菌FJ16（酵母）、根霉，由实验室自备。
NDJ-1B型旋转式黏度计（上海昌吉地质仪器有限公司）；DHG-80 L电热鼓风干燥箱（合肥右科仪器设备有限公司）；Kjeltec9Analyser全自动凯氏定氮仪（FOSS ANALYTICAL A/S）；BLKFD-2冻干机（江苏博莱客冷冻科技发展有限公司）。
1.2 代餐粉的工艺流程
代餐粉的工艺流程如下：原料→蒸熟剁泥→灭菌→冷却→接种→发酵→冷冻干燥→成品代餐粉。具体操作如下：选用新鲜、无腐烂且未发芽的紫薯，经清洗、去皮、切块后，进行护色处理，再蒸熟并捣碎成泥状；用高压灭菌锅121 ℃灭菌20 min，然后分装在玻璃杯中，每份80 g，放入沸水浴中，添加剂（木糖醇及麦芽糊精）边加边搅拌，直至搅拌均匀。待冷却后加入菌液（菌液浓度为108 CFU/mL）搅拌均匀，封口发酵、冷冻干燥处理，形成粗粮代餐粉。
1.3 发酵条件优化
1.3.1 单因素试验
固定单因素条件发酵时间2 d、接种比例（根霉:发酵乳杆菌:地衣芽孢杆菌1:1:1）、接种量3.75%（质量分数）、发酵温度33 ℃。探究发酵时间（2、4、6、8、10 d）、接种比例（1:1:1、1:1:2、1:2:1、2:1:1、2:1:2），接种量（1.25%、3.75%、6.25%、8.75%、11.25%）和发酵温度（25、29、33、37、41 ℃）对葡萄糖含量和感官评价的影响。
1.3.2 正交试验
根据单因素试验结果发现接种比例、接种量及发酵温度对试验数据影响较大，以这3种单因素进行3因素3水平正交试验，发酵时间为2 d，进而确定代餐粉的最佳发酵条件。发酵条件正交试验因素及水平如表1所示。
表1 发酵条件正交试验因素与水平 |
| 水平 | 因素 | ||
|---|---|---|---|
| A接种比例 | B接种量/% | C发酵温度/℃ | |
| 1 | 1:1:1 | 1.25 | 29 |
| 2 | 1:1:2 | 3.75 | 33 |
| 3 | 1:2:1 | 6.25 | 37 |
1.4 添加剂条件优化
1.4.1 单因素试验
利用木糖醇、麦芽糊精及粗粮全粉进行代餐粉发酵，固定单因素粗粮粉为80 g、木糖醇为3.6 g、麦芽糊精为48 g。在其他两个条件固定的情况下，探究粗粮粉（70、75、80、85、90 g），木糖醇（3.0、3.3、3.6、3.9、4.2 g），麦芽糊精（42、45、48、51、54 g）对葡萄糖含量和感官评价的影响。
1.4.2 正交试验
根据单因素试验可知，粗粮粉较佳的3个水平为75、80、85 g，木糖醇为3.0、3.3、3.6 g，麦芽糊精为42、45、48 g。以代餐粉中葡萄糖含量为主要测定指标，利用3因素3水平正交试验，确定代餐粉的最佳添加剂条件。添加剂正交试验因素及水平如表2所示。
表2 添加剂正交试验因素与水平 |
| 水平 | 因素 | ||
|---|---|---|---|
| A粗粮粉/g | B木糖醇/g | C麦芽糊精/g | |
| 1 | 75 | 3.0 | 42 |
| 2 | 80 | 3.3 | 45 |
| 3 | 85 | 3.6 | 48 |
1.5 质量检测
利用本试验的发酵和添加条件，以南瓜、红薯、紫薯为原料，进行微生物发酵制作代餐粉，测定本试验条件下的代餐粉质量。
1.5.1 品质分析
以南瓜、红薯及紫薯为原料，色泽及组织状态为指标。对微生物发酵形成的液体及粉末进行品质分析。
1.5.2 感官评价
表3 代餐粉感官评价指标及标准 |
| 指标 | 评分标准 | 得分/分 |
|---|---|---|
| 色泽 30分 | 打磨成粉色泽均匀，呈奶白色/乳褐色/玫瑰色 | 25～30 |
| 打磨成粉色泽均匀，呈象牙白色/乳黄色/堇菜紫色 | 18～24 | |
| 打磨成粉色泽不均匀，呈浅灰色/枝黄色/丁香紫色 | 8～15 | |
| 组织状态 20分 | 打磨成粉颗粒感弱，粉质细腻均匀，无结块 | 18～20 |
| 打磨成粉有少量颗粒感，粉质细腻较均匀，无结块 | 14～18 | |
| 打磨成粉颗粒感强，粉质细腻较均匀，轻微结块 | 6～10 | |
| 气味 25分 | 冲调后有明显南瓜/红薯/紫薯香味，无酸臭味，霉味 | 22～25 |
| 冲调后有较淡南瓜/红薯/紫薯香味，无酸臭味，霉味 | 18～20 | |
| 冲调后有无明显南瓜/红薯/紫薯香味，轻微酸臭味，霉味 | 8～12 | |
| 口感 25分 | 冲调后滋味适中，酸甜协调 | 22～25 |
| 冲调后滋味较淡，酸度适中 | 18～20 | |
| 冲调后滋味一般，酸度偏重 | 8～12 |
1.5.3 营养成分
根据GB/T 29602—2013《固体饮料》中的要求，对本产品营养成分进行测定。分别参考GB 5009.3—2016《食品安全国家标准 食品中水分的测定》、GB 5009.5—2016《食品安全国家标准 食品中蛋白质的测定》、GB 5009.4—2016食品安全国家标准 食品中灰分的测定》、GB 009.7—2016《食品安全国家标准 食品中还原糖的测定》和GB 12456—2021《食品安全国家标准 食品中总酸的测定》对代餐粉水分、蛋白质、灰分、葡萄糖和总酸含量进行测定。
1.5.4 理化指标
式中，m为烘干至恒重质量，g；n为称取代餐粉质量，g。
式中，m为离心管质量，g；n为沉淀质量，g；v为样品质量，g
1.5.5 风味物质
通过顶空固相微萃取和气相色谱－质谱（GC－MS）联用对代餐粉（紫薯、红薯、南瓜）进行挥发性风味物质检测。具体步骤如下：准确称取5 g代餐粉样品置于20 mL固相萃取管中，加入1.5 g氯化钠，密封；在60 ℃条件下450 r/min孵化10 min，萃取50 min；萃取结束后，在进样口250 ℃脱附5 min后进样。气相色谱条件：色谱柱为HP－5MS 19091S－433UI毛细管色谱柱（30 m×0.25 mm，0.25 μm）；初始温度40 ℃，以1 ℃/min上升到45 ℃、保持2 min；3 ℃/min上升到84 ℃、保持2 min；3 ℃/min上升到120 ℃、保持3 min；3 ℃/min上升到200 ℃，以5 ℃/min升到230 ℃、保持2 min；以氦气为载气，载气流量为0.8 mL/min，进样口温度为250 ℃。质谱条件：EI为70 eV，离子源温度为250 ℃，四级杆温度为150 ℃，质量扫描范围30～550 amu。使用Agilent MassHunter Workstation软件通过NIST20.L质谱数据库检索各组分，结合保留指数、人工质谱解析及参考文献等方法进行定性。采用峰面积归一化法定量，以各组分峰面积与色谱图总峰面积之比表示其相对含量。
1.6 数据处理
采用SPSS 21.0和Excel 2019软件进行数据统计分析，利用Origin 2018软件绘图。
2 结果与分析
2.1 发酵条件优化
2.1.1 单因素试验
随着发酵时间增加，葡萄糖含量及感官评分总体呈下降趋势，可能是因为长时间发酵导致菌株活性及降解大分子物质的能力降低，葡萄糖含量降低，影响口感；发酵2 d产生葡萄糖含量及评分最高（图1A）。菌剂接种比例从1:1:1到2:1:2，葡萄糖含量及感官评分呈先增加后降低的趋势，因根霉与地衣芽孢杆菌存在拮抗现象，根霉产生糖化酶减少，生成葡萄糖含量也随之减少，风味变差；接种比例为1:1:2时葡萄糖含量及感官评分最高（图1B）。随着接种量逐渐增加，葡萄糖含量呈先增加后降低的趋势，可能是因为接种量高消耗培养基中大量营养物质导致菌生长变慢甚至衰落，产生葡萄糖含量降低；1.25%、3.75%及6.25%的接种量产生的葡萄糖含量及感官评分较高（图1C）。随着温度的增加，葡萄糖含量及感官评分均随之变化，可能是因为温度过高不利于菌株的生长；33 ℃产生葡萄糖含量及评分最高（图1D）。综合分析，选择发酵时间2 d，比例1:1:1、1:1:2、1:2:1，接种量1.25%、3.75%、6.25%，温度29、33、37 ℃ 用作后续正交试验分析。
2.1.2 正交试验
根据单因素试验结果，以葡萄糖含量为主要测定指标。利用正交试验进行工艺优化。由表4可知，影响葡萄糖含量的主次因素顺序为C（发酵温度）>B（接种量）>A（接种比例），确定葡萄糖含量最高的最优因素组合为A3B1C2。该组合已出现在正交表中安排的试验中，为验证其优越性，选取正交表中除该组合外的其他试验组作为对照进行验证比较，结果发现，最优组合A3B1C2 3次重复试验的葡萄糖含量分别为2.45、2.68和2.58 g/100 g，均高于其他对照。因此，选择A3B1C2为代餐粉最佳发酵条件。
表4 正交试验设计与结果 |
| 试验号 | A | B | C | 测定指标 |
|---|---|---|---|---|
| 葡萄糖含量 g/100 g | ||||
| 1 | 1 | 1 | 1 | 1.06 |
| 2 | 1 | 2 | 2 | 1.83 |
| 3 | 1 | 3 | 3 | 0.75 |
| 4 | 2 | 1 | 3 | 0.88 |
| 5 | 2 | 2 | 1 | 0.55 |
| 6 | 2 | 3 | 2 | 1.52 |
| 7 | 3 | 1 | 2 | 2.94 |
| 8 | 3 | 2 | 3 | 0.59 |
| 9 | 3 | 3 | 1 | 0.51 |
| K1 | 1.21 | 1.63 | 0.71 | |
| K2 | 0.98 | 0.99 | 2.10 | |
| K3 | 1.35 | 0.93 | 0.74 | |
| R | 0.37 | 0.70 | 1.39 | |
| 因素主次 | C>B>A | |||
| 最优组合 | A3 B1C2 | |||
2.2 添加剂条件优化
2.2.1 单因素试验
2.2.2 正交试验
由表5可知，影响葡萄糖含量的主次因素顺序为A（粗粮粉）>C（麦芽糊精）>B（木糖醇）。确定理论最优因素组合为A3B3C3，该组合已出现在正交表中安排的试验中，为验证其优越性，选取正交表中除该组合外的其他试验组作为对照进行验证比较，结果发现，最优组合A3B3C3 3次重复试验葡萄糖含量分别为5.76、5.83和6.03 g/100 g，均高于对照。因此，选择A3B3C3为代餐粉最佳添加条件。
表5 正交试验设计与结果 |
| 试验号 | A | B | C | 测定指标 |
|---|---|---|---|---|
| 葡萄糖含量 g/100 g | ||||
| 1 | 3 | 3 | 3 | 5.64 |
| 2 | 3 | 1 | 2 | 5.71 |
| 3 | 1 | 3 | 2 | 5.15 |
| 4 | 1 | 1 | 1 | 5.04 |
| 5 | 2 | 2 | 2 | 5.01 |
| 6 | 2 | 1 | 3 | 5.13 |
| 7 | 2 | 3 | 1 | 5.15 |
| 8 | 3 | 2 | 1 | 5.31 |
| 9 | 1 | 2 | 3 | 5.47 |
| K1 | 5.22 | 5.29 | 5.17 | |
| K2 | 5.10 | 5.26 | 5.29 | |
| K3 | 5.55 | 5.31 | 5.41 | |
| R | 0.45 | 0.05 | 0.24 | |
| 因素主次 | A>C>B | |||
| 最优组合 | A3B3C3 | |||
2.3 质量测定结果
2.3.1 品质测定
2.3.2 感官评定
由表6可知，蒸红薯总分高于蒸南瓜及紫薯，其色泽、组织状态、气味及口感在所有样品中较为出色。在口感方面红薯较嫩滑，甜度较高，且营养价值极高，与乳酸菌产生的酸融合后使滋味适中，酸甜更加协调。
表6 代餐粉感官评价 |
| 样品 | 阶段 | 色泽0～30 | 组织状态0～20 | 阶段 | 气味0～25 | 口感0～25 | 总分0～100 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 南瓜 | 打磨成粉 | 27 | 17 | 冲调后 | 23 | 22 | 89 |
| 红薯 | 打磨成粉 | 28 | 19 | 冲调后 | 24 | 24 | 95 |
| 紫薯 | 打磨成粉 | 25 | 17 | 冲调后 | 22 | 23 | 87 |
2.3.3 基本营养成分
由表7可知，3种代餐粉均具有高蛋白特点，蒸红薯葡萄糖含量最高，为5.98 g/100 g，蒸南瓜最低，为4.84 g/100 g，总酸则相反，葡萄糖含量高降低了总酸的含量；蒸南瓜的水分、灰分和蛋白质的含量均较高，分别为10.05、7.50、20.58 g/100 g。
表7 代餐粉中基本营养成分测定表 |
| 样品 | 水分/ （g/100 g） | 灰分/ （g/100 g） | 蛋白质/ （g/100 g） | 葡萄糖/ （g/100 g） | 总酸/ （g/L） |
|---|---|---|---|---|---|
| 南瓜 | 10.05 | 7.50 | 20.58 | 4.84 | 43.34 |
| 红薯 | 3.15 | 2.50 | 12.13 | 5.98 | 27.95 |
| 紫薯 | 1.25 | 4.00 | 14.89 | 5.61 | 28.15 |
2.3.4 理化指标
由表8可知，蒸南瓜湿润性、分散性用时最短，分别为12、20 s，具有较好的湿润性和分散性；水合能力、溶解性也较好，分别为3.10%、52.63%；黏度最低，为2 220 m Pas。可能是因为南瓜含有较高水分及果胶，质地较软，而红薯及紫薯含淀粉、纤维素较高，质地较硬。
表8 代餐粉理化指标测定表 |
| 样品 | 黏度/（m Pas） | 溶解性/ | 水合能力/ | 分散性/s | 湿润性/s |
|---|---|---|---|---|---|
| 蒸南瓜 | 2 220 | 52.63 | 3.10 | 20 | 12 |
| 蒸红薯 | 2 334 | 41.49 | 2.96 | 24 | 23 |
| 蒸紫薯 | 2 840 | 37.74 | 2.93 | 30 | 31 |
2.3.5 风味物质
通过GC－MS鉴定出大量挥发性风味成分：酮类、醛类、酯类、醇类、碳氢类、杂环类及其他化合物。其中蒸紫薯鉴定出41种：酮类1种（17.14％）、醛类6种（25.38％）、酯类4种（1.27％）、醇类4种（4.32％）、碳氢类16种（23.19％）、其他化合物10种（28.7％）；蒸红薯鉴定出37种：酮类5种（24.17％）、醛类5种（22.83％）、酯类4种（1.89％）、醇类1种（0.93％）、碳氢类9种（10.49％）、杂环类4种（15.15％）、其他化合物9种（24.54％）；蒸南瓜鉴定出42种：酮类3种（1.02％）、醛类6种（10.14％）、酯类2种（18.59％）、醇类3种（4.03％）、碳氢类11种（19.84％）、杂环类4种（13.24％）、其他化合物13种（33.14％）。
3 结论与讨论
本研究通过单因素及正交试验设计优化了代餐粉配比，利用优化条件对其品质进行检测。研究发现，3种代餐粉均具高蛋白特点，且高于唐雅园等[17]制备的旱藕高纤维代餐粉。鉴定出大量挥发性风味成分：酮类、醛类、酯类、醇类、碳氢类、杂环类及其他化合物。其中，酯类物质可赋予代餐粉特殊香味，具有一定的辅助作用；醛类物质在代餐粉中相对含量较高，是主要的呈香物质；醇类物质相对含量较少，在呈香物质中贡献较小，但醇类物质具有令人愉悦的蘑菇及甘草香气[18]，也可赋予代餐粉特殊香味；杂环类化合物中吡嗪类物质可提供烤香、坚果香气[19]；碳氢类在代餐粉中相对含量较高，对整体香味协调性具有重要意义[20]；酮类物质碳链不高，为中等长度，具有清香果实味[21]，对代餐粉风味有一定的贡献。这些化合物共同构成了代餐粉独特而诱人的香气，对提升整体品质起到了重要作用。
本研究通过单因素及正交试验设计优化了代餐粉配比，得到最佳接种比例为1:2:1（根霉:发酵乳杆菌:地衣芽孢杆菌）、接种量为1.25%、发酵温度为33 ℃；最佳粗粮粉、木糖醇、麦芽糊精的添加量分别为85、3.6、48 g。以南瓜、红薯及紫薯为原料，利用优化条件制作代餐粉，并对其品质进行检测，结果表明，代餐粉粉质细腻、色泽艳丽，感官评价均较高，营养成分和理化指标均较佳，均含有酮类、醛类、酯类、醇类、碳氢类、杂环类等化合物。综合表明，在本试验条件下获得的代餐粉，滋味适中、口感细腻柔和、酸甜协调、无明显颗粒感、品质较佳。