紅棗汁酒精發(fā)酵工藝參數(shù)的優(yōu)化

化志秀，魯周民*，蘆 艷，李新崗

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院 陜西省紅棗工程技術(shù)研究中心，陜西 楊凌 712100)

紅棗汁酒精發(fā)酵工藝參數(shù)的優(yōu)化

化志秀1，魯周民2,*，蘆 艷2，李新崗2

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院 陜西省紅棗工程技術(shù)研究中心，陜西 楊凌 712100)

為研究紅棗汁酒精發(fā)酵規(guī)律，以清澗木棗為原料，采用響應(yīng)面法對影響紅棗汁酒精發(fā)酵中的初始可溶性固形物含量、酵母接種量、發(fā)酵溫度和發(fā)酵時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明：原汁初始可溶性固形物含量、發(fā)酵溫度、發(fā)酵時(shí)間對酒精度的影響極顯著(P＜0.01)，接種量影響不顯著(P＞0.05)；各因素對酒精度影響的主次順序?yàn)椋喊l(fā)酵時(shí)間＞發(fā)酵溫度＞初始可溶性固形物含量＞接種量。優(yōu)化出棗醋酒精發(fā)酵的最佳工藝參數(shù)為：初始可溶性固形物含量17%、發(fā)酵溫度31℃、酵母菌接種量 0.8%、發(fā)酵時(shí)間43h，此條件下酒精度為9.6%以上。通過驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)可知，建立的數(shù)學(xué)模型可用于指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。

紅棗；酒精發(fā)酵；酒精度；工藝參數(shù)；響應(yīng)面法

棗(Zizyphus jujuba Mill.)是鼠李科(Rhamnaceae)棗屬(Zizyphus Mill.)植物[1]，是中國特有的經(jīng)濟(jì)果品，現(xiàn)在全國栽培面積已達(dá)100多公頃，年產(chǎn)量400多萬噸[2]。棗果不僅味道鮮美、且富含多種營養(yǎng)成分，其主要營養(yǎng)物質(zhì)有多糖、有機(jī)酸、蛋白質(zhì)、VB1、VB2、VC、VA及鈣、磷、鐵等[3]，在鮮棗中VC 含量約為250mg/100g，個(gè)別品種含量高達(dá)800～900mg/100g[4]。棗中含糖量相當(dāng)高，一般含糖量超過30%，其中還原糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)占總糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的70%以上[5]，有利于微生物發(fā)酵生產(chǎn)棗醋。

目前紅棗主要是以干棗銷售，棗果的深加工產(chǎn)品較少，隨著科技發(fā)展以及人們生活水平的提高，果醋在世界范圍內(nèi)越來越受到歡迎。用紅棗通過發(fā)酵生產(chǎn)棗醋是紅棗加工利用的重要途徑，且棗醋具有很高的營養(yǎng)保健價(jià)值[6]。紅棗同蘋果、橘、橙、柿子等相比，其維生素、糖類、氨基酸、礦物質(zhì)含量更為豐富[7]，紅棗多糖還具有免疫學(xué)活性和清除自由基的功能[8]。

在發(fā)酵生產(chǎn)棗醋的過程中首先要經(jīng)過酒精發(fā)酵，酒精發(fā)酵是棗醋發(fā)酵一個(gè)非常重要的階段。目前對紅棗醋酸發(fā)酵階段的研究較多[3,9-10]，而對酒精發(fā)酵階段的研究較少。本實(shí)驗(yàn)在保留全果肉成分條件下對紅棗果漿進(jìn)行液態(tài)發(fā)酵，采用響應(yīng)面分析法[11-16]對影響棗醋酒精發(fā)酵階段的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，旨在建立棗醋生產(chǎn)中酒精發(fā)酵階段的數(shù)學(xué)模型，為實(shí)際生產(chǎn)提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紅棗：采自陜西省清澗縣的木棗，2011年10月中旬采摘(已失水軟化)，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室放于冰箱(2f1)℃中備用。原料含水率為 59.18%、總糖含量 33.7%、總酸含量 0.57%。

酵母菌 廣東丹寶利酵母有限公司；果膠酶(酶活力大于20000U/g) 上海藍(lán)季科技發(fā)展有限公司；纖維素酶(酶活力1320U/g) 陜西省微生物研究所。

1.2 儀器與設(shè)備

UV-1700紫外-可見分光光度計(jì) 日本島津公司；HPS-250生化培養(yǎng)箱 哈爾濱市東聯(lián)電子技術(shù)開發(fā)有限公司；R200D型-A200S型電子分析天平 德國Sartorius公司；Centrifuge 5804高速離心機(jī) 德國Eppendorf公司；WYT-4型手持糖量計(jì) 上海精密儀器儀表有限公司；HH-S4 型電熱恒溫水浴鍋 北京科偉永興儀器有限公司；酒精計(jì)(值為0.1e) 河北武強(qiáng)縣同輝儀表廠；BCD-215DC型冰箱 中國海爾集團(tuán)；發(fā)酵罐，自制，約200mL的罐頭瓶，瓶蓋用針頭扎5個(gè)針頭大小的小孔，以便發(fā)酵產(chǎn)生的CO2出來。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程及操作要點(diǎn)

工藝流程：紅棗選擇→清洗→去核→打漿→酶解→滅菌→調(diào)節(jié)可溶性固形物含量→接種→酒精發(fā)酵

實(shí)驗(yàn)時(shí)選擇完好無損的棗果，去核，加入棗果質(zhì)量2.5倍的涼開水打漿，用由果膠酶和纖維素酶按質(zhì)量比1:2組成的混合酶，在溫度40℃、酶用量2400mg/L條件下酶解4h[17]。在80℃條件下滅菌10min，冷卻至30℃。調(diào)節(jié)可溶性固形物含量，分裝于自制的發(fā)酵罐中(每個(gè)樣裝3罐，即重復(fù)3次)，按實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行發(fā)酵，定時(shí)用蒸餾法測酒精度。

1.3.2 紅棗汁酒精發(fā)酵的單因素試驗(yàn)

1.3.2.1 發(fā)酵時(shí)間對紅棗汁酒精發(fā)酵的影響

調(diào)整紅棗汁初始可溶性固形物含量為16%，量取5份紅棗汁，每份450mL，按0.5%接入酵母菌，分裝于自制的發(fā)酵罐中，在30℃條件下分別發(fā)酵12、24、36、48、60h，檢測其酒精度。3次重復(fù)，取其平均值。

1.3.2.2 初始可溶性固形物含量對紅棗汁酒精發(fā)酵的影響

量取紅棗汁5份，每份450mL，分別調(diào)整可溶性固形物含量為10%、13%、16%、18%、21%，接入0.5%的酵母菌，裝于自制的發(fā)酵罐中，均于30℃發(fā)酵36h，檢測其酒精度。3次重復(fù)，取其平均值。

1.3.2.3 酵母菌接種量對紅棗汁酒精發(fā)酵的影響

量取已調(diào)整可溶性固形物含量為16%的紅棗汁5份，每份450mL，分別按0.25%、0.5%、0.75%、1%、1.25%接入酵母菌，裝于自制的發(fā)酵罐中，在30℃發(fā)酵36h，檢測其酒精度。3次重復(fù)，取其平均值。

1.3.2.4 發(fā)酵溫度對紅棗汁酒精發(fā)酵的影響

量取已調(diào)整可溶性固形物含量為16%的紅棗汁5份，每份450mL，按0.75%接入酵母菌，裝于自制的發(fā)酵罐中，分別在26、28、30、32、34℃條件下發(fā)酵36h，檢測其酒精度。3次重復(fù)，取其平均值。

1.3.3 紅棗汁酒精發(fā)酵的響應(yīng)面設(shè)計(jì)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用Box-Behnken模型選取初始可溶性固形物含量、接種量、發(fā)酵溫度、發(fā)酵時(shí)間作為響應(yīng)面法考察因素。以酒精度(Y)作為響應(yīng)值，用統(tǒng)計(jì)軟件Design-Expert 7.0設(shè)計(jì)四因素三水平29個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的響應(yīng)面分析試驗(yàn)。各因素的編碼水平和取值見表1。

表 1 試驗(yàn)因素水平與編碼表Table 1 Coded values and corresponding actual values of the optimization parameters used in response surface analysis

1.3.4 指標(biāo)測定

可溶性固形物(SSC)測定：用手持糖量計(jì)測定；酒精度(%，V/V，20℃)的測定：酒精蒸餾法[18]；總糖含量、還原糖含量測定：3,5-二硝基水楊酸比色法[19]。

2 結(jié)果與分析

2.1 紅棗汁酒精發(fā)酵的單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 發(fā)酵時(shí)間對紅棗汁酒精發(fā)酵的影響

圖 1 發(fā)酵時(shí)間對紅棗汁酒精發(fā)酵的影響Fig.1 Effect of fermentation time on alcohol concentration

由圖1可知，在初始可溶性固形物含量一定的條件下，一定時(shí)間內(nèi)，酒精度隨發(fā)酵時(shí)間的延長而增大，到36h時(shí)，酒精度達(dá)到最大。之后，隨著發(fā)酵時(shí)間的延長酒精度基本保持不變。

2.1.2 初始可溶性固形物含量對紅棗汁酒精發(fā)酵的影響

初始可溶性固形物含量在酒精發(fā)酵過程中直接影響著酒精發(fā)酵的程度。由圖2可知，當(dāng)發(fā)酵時(shí)間確定為36h時(shí)，在一定范圍內(nèi)酒精度隨可溶性固形物含量的增大而增大。當(dāng)初始可溶性固形物含量太高時(shí)，可能對酵母菌的發(fā)酵有一定的抑制作用，因此，可溶性固形物含量超過16%時(shí)，酒精度又隨紅棗汁可溶性固形物含量的增大而降低。

圖 2 初始可溶性固形物含量對紅棗汁酒精發(fā)酵的影響Fig.2 Effect of soluble solid content on alcohol concentration

2.1.3 酵母菌接種量對紅棗汁酒精發(fā)酵的影響

圖 3 接種量對紅棗汁酒精發(fā)酵的影響Fig.3 Effect of yeast inoculum size on alcohol concentration

由圖3可知，在可溶性固形物含量和發(fā)酵時(shí)間一定時(shí)，隨著酵母菌接種量的增加，酒精度也隨之升高，當(dāng)接種量為0.75%時(shí)酒精度達(dá)到最大為9.0%，之后隨著接種量的增大，酒精度不再升高。

2.1.4 發(fā)酵溫度對紅棗汁酒精發(fā)酵的影響

圖 4 發(fā)酵溫度對紅棗汁酒精發(fā)酵的影響Fig.4 Effect of fermentation temperature on alcohol concentration

由圖4可知，在溫度較低時(shí)，酵母菌發(fā)酵緩慢，隨著溫度不斷的升高，酵母菌的活動(dòng)加強(qiáng)，酒精度也隨之升高，當(dāng)在30℃發(fā)酵時(shí)，酒精度達(dá)到最高；之后隨著溫度的升高，又會(huì)對酵母菌的活動(dòng)有一定的抑制作用，酒精度又隨之降低。

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

按照響應(yīng)面設(shè)計(jì)方案，安排了29組處理組合，發(fā)酵結(jié)束時(shí)分別測定其酒精度，結(jié)果見表2。

表 2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Experimental design and results for response surface analysis

2.3 回歸模型的建立

通過統(tǒng)計(jì)軟件Design-Expert 7.0以酒精度為響應(yīng)值，對表2進(jìn)行多元回歸擬合，得到紅棗汁酒精發(fā)酵工藝參數(shù)初步回歸模型：

由表3可知，P模型＜0.0001表明回歸模型方程(1)極顯著；失擬項(xiàng)P=0.1126＞0.05，表明不顯著，模型的校正決定系數(shù)R2Adj=0.9905，表明回歸模型與實(shí)測值能較好地?cái)M合。變異系數(shù)(CV)表示試驗(yàn)的精確度，其值越大，試驗(yàn)結(jié)果的可靠性越低，試驗(yàn)CV=3.2%，在可接受范圍內(nèi)，說明試驗(yàn)結(jié)果可靠，可以用此模型對紅棗汁酒精發(fā)酵階段的酒精度進(jìn)行分析和預(yù)測。

由回歸方程各變量的系數(shù)顯著性檢驗(yàn)可知，模型(1)的一次項(xiàng)X1、X3、X4影響極顯著(P＜0.01)，X2影響不顯著(P＞0.05)；二次項(xiàng)、、X4影響均極顯著2(P＜0.01)，X22影響顯著(P＜0.05)；交互項(xiàng)X1X4達(dá)到極顯著(P＜0.01)，X1X2、X1X3、X2X3、X2X4、X3X4影響不顯著(P＞0.05)。依據(jù)方程各變量系數(shù)的大小可知，各因素對響應(yīng)值酒精濃度影響的主次順序?yàn)椋喊l(fā)酵時(shí)間＞發(fā)酵溫度＞初始可溶性固形物含量＞接種量。

表 3 酒精度回歸模型方差分析Table 3 Analysis of variance for the fi tted regression model for alcohol production

剔除不顯著項(xiàng)，經(jīng)優(yōu)化后回歸模型為：

2.4 響應(yīng)曲面分析

由于在交互項(xiàng)中只有原汁可溶性固形物含量(X1)和發(fā)酵時(shí)間(X4)的交互作用對酒精度的影響極顯著，為了直觀表達(dá)其影響，因此，令其他因素水平值為零，只考慮初始可溶性固形物含量(X1)和發(fā)酵時(shí)間(X4)2個(gè)因素對酒精度的影響，進(jìn)行降維分析[20]，繪出相應(yīng)的響應(yīng)面圖和等高線圖(圖5)。

圖 5 發(fā)酵時(shí)間和初始可溶性固形物含量的交互作用對酒精度影響的響應(yīng)面和等高線圖Fig.5 Response surface and contour plots showing the effects of fermentation time and initial solid content on alcohol concentration

圖5顯示了初始可溶性固形物和發(fā)酵時(shí)間及其交互作用對酒精度的影響，可以看出隨著發(fā)酵時(shí)間的延長、初始可溶性固形物含量的增大，酒精度呈拋物線狀態(tài)，在可溶性固形物含量為17%、發(fā)酵時(shí)間為40h達(dá)到最大。影響酒精度的最主要的因素是發(fā)酵時(shí)間，與前面由回歸方程得出的結(jié)論相吻合。由等高線圖可以看出它們的交互作用對酒精度也有很大的影響。

2.5 酒精發(fā)酵工藝的優(yōu)化及驗(yàn)證

在試驗(yàn)結(jié)果分析及模型擬合的基礎(chǔ)上，利用Design-Expert 7.0對試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化，即在獲得最大酒精度的情況下對各工藝參數(shù)取值進(jìn)行優(yōu)化。由軟件分析得最優(yōu)工藝參數(shù)為初始可溶性固形物含量17%、酵母菌接種量 0.82%、發(fā)酵溫度30.55℃、發(fā)酵時(shí)間43.10h，按此工藝參數(shù)條件，酒精度預(yù)測值為9.94%?？紤]到實(shí)際生產(chǎn)操作的方便性，把各參數(shù)取值規(guī)整，即初始可溶性固形物含量取17%、發(fā)酵溫度31℃、酵母菌接種量 0.8%、發(fā)酵時(shí)間43h，作為最佳生產(chǎn)技術(shù)參數(shù)。

參照理論上的最佳發(fā)酵工藝條件：對初始可溶性固形物含量17%、酵母菌接種量 0.8%、發(fā)酵溫度31℃、發(fā)酵時(shí)間43h進(jìn)行3次重復(fù)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，所得酒精度為9.7%、9.6%、9.6%，平均值為9.63%，和預(yù)測值的相對誤差為3.1%，實(shí)際值與理論值極為接近。故響應(yīng)面法優(yōu)化得到的發(fā)酵工藝參數(shù)具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，可用于指導(dǎo)生產(chǎn)。

3 結(jié) 論

3.1 通過響應(yīng)面分析建立了以酒精度為目標(biāo)值，發(fā)酵時(shí)間、初始可溶性固形物含量、發(fā)酵溫度、接種量為因變量的數(shù)學(xué)模型為：Y=8.96+0.24X1+0.45X3+2.83X4+ 0.85X1X4—0.74X12—0.23X22—0.80X32—2.71X42。模型中各因素與發(fā)酵中酒精度目標(biāo)值高度顯著，可用于生產(chǎn)預(yù)測。

3.2 紅棗液態(tài)酒精發(fā)酵中，各影響因子的主效應(yīng)主次順序?yàn)榘l(fā)酵時(shí)間＞發(fā)酵溫度＞初始可溶性固形物含量＞接種量。

3.3 紅棗液態(tài)酒精發(fā)酵的最佳工藝參數(shù)為原汁初始可溶性固形物含量17%、發(fā)酵溫度31℃、酵母菌接種量0.8%、發(fā)酵時(shí)間43h。采用該工藝參數(shù)進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)，酒精度達(dá)9.6%以上。

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Optimization of Process Parameters for Alcoholic Fermentation of Jujube Juice

HUA Zhi-xiu1，LU Zhou-min2,*，LU Yan2，LI Xin-gang2
(1. College of Food Science and Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, China；2. Shaanxi Center of Chinese Jujube Engineering and Technology, College of Forestry, Northwest A&F University, Yangling 712100, China)

Process parameters for the alcoholic fermentation of jujube juice prepared from Mu jujubes collected from Qingjian county such as initial solid content, yeast inoculum size, temperature and fermentation time were optimized using response surface methodology. Alcohol production was extremely significantly influenced by initial solid content, temperature and fermentation time (P＜0.01) and no significantly influenced by inoculum size (P＞0.05). Four process parameters were in descending order of their effects on alcohol production: fermentation time ＞ temperature ＞ initial solid content ＞ inoculum size. Their optimum conditions were determined to be 43 h, 31 ℃, 17% and 0.8%, respectively. Under these conditions, the alcohol concentration in fermented jujube juice was over 9.6%. The results of validation experiments demonstrated that the developed mathematical prediction model is applicable for practical production.

jujube；alcoholic fermentation；alcohol concentration；process parameters；response surface methodology

TS201.1

A

1002-6630(2013)01-0175-05

2011-12-26

財(cái)政部以大學(xué)為依托的農(nóng)業(yè)科技推廣體系建設(shè)項(xiàng)目(XTG2010-15)

化志秀(1987ü)，女，碩士研究生，主要從事食品貯藏與加工研究。E-mail：602998087@qq.com

*通信作者：魯周民(1966ü)，男，研究員，碩士，主要從事經(jīng)濟(jì)林產(chǎn)品保鮮貯藏與加工利用研究。E-mail：lzm@nwsuaf.edu.cn