蘋果渣固態(tài)發(fā)酵果酒發(fā)酵特點(diǎn)及其相關(guān)動(dòng)力學(xué)

賈豐，劉冬，郭玉蓉

(陜西師范大學(xué) 食品工程與營(yíng)養(yǎng)科學(xué)學(xué)院，陜西 西安，710119)

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蘋果渣固態(tài)發(fā)酵果酒發(fā)酵特點(diǎn)及其相關(guān)動(dòng)力學(xué)

賈豐，劉冬，郭玉蓉*

(陜西師范大學(xué) 食品工程與營(yíng)養(yǎng)科學(xué)學(xué)院，陜西 西安，710119)

以蘋果渣為原料，研究蘋果渣固態(tài)發(fā)酵果酒特點(diǎn)及相關(guān)動(dòng)力學(xué)，為蘋果渣綜合利用提供新的方法。通過蘋果渣果酒固態(tài)發(fā)酵過程中溫度、酒精度、總糖、總酸、總酚、可溶性固形物、pH、顏色等變化，研究其發(fā)酵特點(diǎn)及酒精度和總糖變化動(dòng)力學(xué)，結(jié)合果酒主要成分變化和感官特性對(duì)果酒進(jìn)行全面評(píng)價(jià)，為蘋果渣高效利用提供新思路。結(jié)果顯示：溫度變化對(duì)酒精度、總糖、總酸等都有影響，蘋果渣發(fā)酵溫度在18～19 ℃，最終蘋果酒酒精度7.5%vol,總糖、總酸、總酚、干浸出物含量分別是3.53 mg/mL、0.47 mg/mL、0.32 mg/mL、17.21 g/L，SO2含量小于10 mg/L，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15038—2006，但與蘋果汁液態(tài)發(fā)酵相比具有周期長(zhǎng)、顏色深、發(fā)酵緩、模型擬合度高等特點(diǎn)；此外，動(dòng)力學(xué)模型相關(guān)性高(R2>0.99)，建模成功，感官評(píng)價(jià)得分88.9，評(píng)定等級(jí)B，蘋果渣固態(tài)發(fā)酵果酒具有自身發(fā)酵特點(diǎn)，且果酒品質(zhì)良好。

蘋果渣；固態(tài)發(fā)酵；果酒；加工；感官評(píng)價(jià)；發(fā)酵動(dòng)力學(xué)

蘋果渣是蘋果加工產(chǎn)業(yè)最主要的副產(chǎn)物，目前大量的蘋果渣被作為廢棄物隨意丟棄，不但造成優(yōu)勢(shì)資源浪費(fèi)，而且易造成極大的環(huán)境污染問題。國(guó)內(nèi)魏穎[1]、彭凱[2]、耿乙文[3]等人進(jìn)行了蘋果渣中多酚、果膠、纖維素的提取與性質(zhì)研究；常顯波[4]、劉蕓[5]、劉成[6]馬惠玲[7]、國(guó)東[8]等人對(duì)蘋果渣進(jìn)行了發(fā)酵，研究生產(chǎn)飼料或者蛋白質(zhì)(酶)、蒸餾酒、蘋果醋等。國(guó)外研究主要有UMESH[9]、MADRERA[10]、EVCAN[11]、MACAGNAN[12]等人，進(jìn)行了多酚、纖維素研究以及發(fā)酵香氣與生產(chǎn)飼料研究。本研究旨在利用蘋果渣生產(chǎn)果酒，為更大限度利用蘋果渣營(yíng)養(yǎng)成分，解決蘋果渣應(yīng)用問題開辟新的道路。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

蘋果渣，陜西藍(lán)海果業(yè)有限公司蘋果酒加工副產(chǎn)物原渣；安琪酵母DV10，安琪公司；濃H2SO4、苯酚、NaOH等為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

醫(yī)用離心機(jī)，長(zhǎng)沙平凡儀器儀表有限公司；Multiskan Go全波長(zhǎng)酶標(biāo)儀，美國(guó)熱電公司；色差儀，型號(hào)CR-400，柯尼卡美能達(dá)投資有限公司；數(shù)顯折射儀，日本愛拓公司；pH計(jì)；小型發(fā)酵罐等。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 工藝流程[13]

1.3.2 蘋果渣固態(tài)發(fā)酵果酒發(fā)酵過程中物理變化

1.3.2.1 溫度變化

在發(fā)酵罐中每次取3點(diǎn)測(cè)量，記錄數(shù)據(jù)，取平均值。

1.3.2.2 發(fā)酵液顏色變化

一次發(fā)酵過程取汁測(cè)量，再次發(fā)酵直接用蘋果酒進(jìn)行測(cè)定，直接利用儀器測(cè)定L*、a*、b*值。

1.3.3 蘋果渣固態(tài)發(fā)酵過程中化學(xué)成分變化

1.3.3.1 酒精度變化

用酒精計(jì)法測(cè)定。

1.3.3.2 總糖和可溶性固形物變化

(1)總糖變化參考李丹[14]等人，配制0.1 mg/mL葡萄糖，制作標(biāo)準(zhǔn)曲線；發(fā)酵過程取汁利用苯酚硫酸法測(cè)量，取平均值。

(2)可溶性固形物變化：發(fā)酵過程取汁，直接利用折光儀測(cè)定，取平均值。

1.3.3.3 總酸和pH變化

(1)總酸變化參考GB/T 15038—2006利用電位滴定法測(cè)定，測(cè)3次，取平均值。

(2)pH變化發(fā)酵過程取汁直接利用pH計(jì)測(cè)定，測(cè)3 次，取平均值。

1.3.3.4 總酚變化

[15]的方法，以沒食子酸為當(dāng)量配制梯度溶液，利用福林酚法制作標(biāo)準(zhǔn)曲線；發(fā)酵過程取汁測(cè)量，測(cè)3 次，取平均值。

1.3.4 蘋果渣固態(tài)發(fā)酵果酒發(fā)酵動(dòng)力學(xué)

1.3.4.1 酒精生成發(fā)酵動(dòng)力學(xué)

參考嚴(yán)紅光[17]等人對(duì)酒精生成進(jìn)行擬合、分析。

1.3.4.2 總糖消耗發(fā)酵動(dòng)力學(xué)

參考嚴(yán)紅光[17]等人對(duì)總糖消耗進(jìn)行擬合、分析。

1.3.5 蘋果渣果酒品質(zhì)分析

1.3.5.1 主要成分分析總糖測(cè)定

參考李丹[14]等人苯酚-硫酸法稍加修改進(jìn)行操作；總酚測(cè)定參考陳瑋琦[15]等人福林酚法操作；酒精度、總酸、游離SO2、干浸出物等參考GB/T 15038—2006測(cè)定。

1.3.5.2 感官評(píng)定

參考文獻(xiàn)[16]的方法，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表1。分為3組，每組3～5人。

表1 感官評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用“DPS v7.05”統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，Excel 2013、Origin 2016軟件繪圖制表。

2 結(jié)果與分析

2.1 工藝流程

蘋果渣為挑選無損傷、蟲害等新鮮蘋果榨汁獲得，品質(zhì)良好。發(fā)酵過程分為兩個(gè)階段：第一階段，即0～15 d，為固態(tài)發(fā)酵，主發(fā)酵階段，酵母選擇安琪酵母DV10,酵母添加量為5%(w/w)；第二階段，15～24 d，為液態(tài)發(fā)酵，為蘋果渣果酒的后熟階段,整個(gè)發(fā)酵過程保持環(huán)境溫度在(25±1)℃。

2.2 蘋果渣固態(tài)發(fā)酵果酒過程中物理變化

2.2.1 溫度變化

由圖1知，發(fā)酵主要在3～12 d，此過程為固態(tài)發(fā)酵，6～9 d達(dá)到發(fā)酵峰值，15 d以后進(jìn)行液態(tài)發(fā)酵，即再發(fā)酵，主要表現(xiàn)在發(fā)酵溫度有明顯的升高與回升。

圖1 發(fā)酵過程中溫度變化Fig.1 Temperature trend during fermentation

2.2.2 發(fā)酵液顏色變化

L*值表示照，相當(dāng)于亮度，也就是白色到黑色；a*表示從紅色至綠色的范圍；b*表示從黃色至藍(lán)色的范圍[18]。由圖2可知，由L*值變化趨勢(shì)可以看出，在發(fā)酵過程中發(fā)酵液由白色向黑色變化，也就是說發(fā)酵過程使得發(fā)酵液的顏色加重，亮度降低，前期可能與蘋果渣中的有些酶有關(guān)，后期與酵母次級(jí)代謝產(chǎn)物或者分解產(chǎn)物有關(guān)；由a*、b*值變化趨勢(shì)可以看出發(fā)酵中發(fā)酵液有一個(gè)紅移和藍(lán)移的過程，兩種變化都是加深發(fā)酵液顏色的，這與L*值的變化趨勢(shì)一致，原因也應(yīng)該相似[19-20]。

圖2 發(fā)酵過程中顏色變化Fig.2 Total color trend during fermentation

通過蘋果渣果酒發(fā)酵過程中溫度和顏色變化可以看出當(dāng)3～9天溫度驟然升高時(shí)，a*、b*值出現(xiàn)拐點(diǎn)，主要原因可能與溫度升高導(dǎo)致酶活加強(qiáng)，表現(xiàn)出發(fā)酵液驟然加深，當(dāng)溫度下降時(shí)酶活性恢復(fù)，顏色又恢復(fù)正常值，所以溫度和顏色變化兩者相互關(guān)聯(lián)。

2.3 蘋果渣固態(tài)發(fā)酵果酒過程中化學(xué)成分變化

2.3.1 酒精度變化

由圖3知，發(fā)酵過程中0～6天酒精度變化緩慢，增長(zhǎng)到0.2%左右，這可能與酵母對(duì)新環(huán)境的適應(yīng)期有關(guān)，同時(shí)也可能是酵母菌大量繁殖，指數(shù)增長(zhǎng)，大量消耗總糖，暫時(shí)產(chǎn)生少量酒精；6～12天酒精度最高達(dá)到7.5%，迅速增加，是典型的對(duì)數(shù)增長(zhǎng)模式，此時(shí)酵母菌迅速繁殖，并消耗總糖，但隨著總糖的消耗，碳源不足，為適應(yīng)逆環(huán)境，產(chǎn)生大量酒精，此過程為固態(tài)發(fā)酵。在液態(tài)發(fā)酵過程中總糖消耗殆盡，碳源嚴(yán)重不足，酒精度基本不變化，這與溫度變化趨勢(shì)一致。

圖3 發(fā)酵過程中酒精度變化趨勢(shì)Fig.3 Alcohol trend during fermentation process

2.3.2 總糖與可溶性固形物含量變化

數(shù)據(jù)處理可知葡萄糖標(biāo)曲方程為：Y=3.636 1X+0.000 9，R2=0.999 1，則可由X值計(jì)算總糖Y含量(以葡萄糖當(dāng)量計(jì))。由圖4可知，蘋果渣發(fā)酵過程中總糖作為酵母利用的主要底物消耗，整體呈減少趨勢(shì)，在固態(tài)發(fā)酵期：最初3天里是緩慢減少，可能主要是接種酵母后有一個(gè)短暫的適應(yīng)期，而后的3～12天里減少趨勢(shì)呈對(duì)數(shù)遞減，這一時(shí)期是酒精積累的主要階段，與酒精度變化趨勢(shì)保持一致，這一時(shí)期酵母活動(dòng)達(dá)到最大，也是釀造果酒最關(guān)鍵時(shí)期；在液態(tài)發(fā)酵期總糖先是緩慢減少，而后是趨于平衡，18天后發(fā)酵基本結(jié)束，液態(tài)發(fā)酵階段隨著果酒中含糖量的銳減，酵母開始大量死亡，過程中是果酒風(fēng)格提升的最佳階段。由圖4可知，發(fā)酵過程中可溶性固形物(TSS)在12天前迅速降低，之后，趨于穩(wěn)定,呈對(duì)數(shù)降低趨勢(shì),與總糖變化基本一致，但是可溶性固形物降低程度相對(duì)偏低,原因在于含有部分不參與酒精發(fā)酵的物質(zhì)。

圖4 發(fā)酵過程中總糖與可溶性固形物含量變化Fig.4 Total sugar and the soluble solids content trend during fermentation

總糖、TSS變化趨勢(shì)可以看出兩者變化高度一致，但區(qū)別在12～18天，TSS變化幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于總糖變化，原因可能是酵母菌發(fā)酵后期發(fā)生大量死亡、分解，雖然活菌在消耗總糖，但酵母死亡分解物部分溶解，導(dǎo)致TSS變化不明顯。

2.3.3 總酸含量與pH變化

由圖5可知，總酸變化基本趨于平衡，稍有所下降，說明發(fā)酵過程中主要產(chǎn)生酒精，而非酸類，這有利于果酒品質(zhì)的提升；總酸在第6天達(dá)到最小值約0.4%，主要原因是發(fā)酵速率達(dá)到最大，溫度有所提高等原因所致，后期18天有所增加應(yīng)是發(fā)酵達(dá)到尾聲，發(fā)酵結(jié)束、酵母自溶等影響，因此應(yīng)該在18天前結(jié)束發(fā)酵。由圖5知，發(fā)酵過程中pH變化趨勢(shì)趨于平衡，這與總酸變化不大保持一致。

圖5 發(fā)酵過程中總酸與pH變化Fig.5 Total acids and pH trend during fermentation

總酸有較小幅度的下降，但pH基本維持不變，主要原因是發(fā)酵過程發(fā)酵液形成一個(gè)緩沖體系，雖然酵母或產(chǎn)生少量有機(jī)酸，但在緩沖作用下pH基本保持恒定?？偹?～9天出現(xiàn)較大范圍下降主要可能與溫度變化一致，在酵母大量繁殖時(shí)有機(jī)酸加大幅度增加，但當(dāng)溫度回升回來時(shí)由于酵母達(dá)到增長(zhǎng)峰值，有機(jī)酸生成量開始回升，在pH影響下有機(jī)酸含量趨于平衡，酵母大量積累酒精；18天后有機(jī)酸有所下降可能是由于酵母大量死亡，加之pH影響所致。

2.3.4 總酚含量變化

經(jīng)數(shù)據(jù)處理可知福林酚法沒食子酸標(biāo)曲方程為：Y=0.010 2X-0.005 7，R2=0.999 7，則可通過福林酚法比色獲得X值計(jì)算總酚Y含量(以沒食子酸當(dāng)量計(jì))。

由圖6知，總酚在蘋果渣發(fā)酵期間變化不是很大，基本趨于平衡，稍有所下降，其變化趨勢(shì)與總酸變化基本一致?？偡釉?～9天有所下降，可能與蘋果自身含有的多酚氧化酶有關(guān)；9～15天由于多酚氧化酶失效后在酵母菌作用下有部分結(jié)合態(tài)多酚進(jìn)入發(fā)酵液中；21天后酵母基本全部死亡，多酚被氧化導(dǎo)致含量減小。

圖6 發(fā)酵過程中總酚變化Fig.6 Total phenols trend during fermentation

2.4 蘋果渣固態(tài)發(fā)酵果酒動(dòng)力學(xué)[21-22]

2.4.1 酒精生成動(dòng)力學(xué)

酒精生成變化趨勢(shì)線經(jīng)origin2016對(duì)數(shù)擬合如圖7，趨勢(shì)線用折線圖連接，擬合曲線為平滑曲線。由R2=0.999 69可知擬合模型建立良好，origin2016擬合后可知A1=0.099 55，A2=7.431 71，X0=7.372 05，p=14.513 56；則酒精度(Y)與時(shí)間(X)的關(guān)系式為：

圖7 酒精生成動(dòng)力學(xué)模型圖Fig.7 Alcohol Kinetics model diagram

為檢驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑢?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型所得數(shù)值進(jìn)行比較，如表2可知，模型值和測(cè)量值的誤差值大多都低于1%，說明模型能較好地描述發(fā)酵過程中酒精的生成過程，發(fā)酵前期誤差較大的原因是由于模型默認(rèn)接種的酵母菌都是活酵母菌，且酒精度較小，因此造成相對(duì)誤差大。所以，該模型建立成功，可用于描述蘋果渣果酒發(fā)酵過程中酒精生成動(dòng)力學(xué)過程[17]。

表2 模型1檢驗(yàn)表

2.4.2 總糖消耗動(dòng)力學(xué)

總糖消耗變化趨勢(shì)線經(jīng)origin2016對(duì)數(shù)擬合如圖8，趨勢(shì)線用折線圖連接，擬合曲線為平滑曲線。由R2=0.999 85可知擬合模型建立良好，origin2016擬合后可知A1=54.661 85，A2=2.936 77，X0=7.545 64，p=4.140 37；則總糖(Y)與時(shí)間(X)的關(guān)系式為：

為檢驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑢?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型所得數(shù)值進(jìn)行比較，如表3，可以看出,模型值和測(cè)量值的誤差值大多都低于7%，說明模型能較好的描述，發(fā)酵過程中總糖的消耗過程，發(fā)酵中期誤差較大的原因是由于模型默認(rèn)為連續(xù)發(fā)酵，但過程中存在由固態(tài)發(fā)酵轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)發(fā)酵，完成酒的后熟，因此造成相對(duì)誤差大。所以，該模型建立同樣成功，可用于描述蘋果渣果酒發(fā)酵過程中總糖消耗動(dòng)力學(xué)過程[17]。

圖8 總糖消耗動(dòng)力學(xué)模型圖Fig.8 Total sugar consumption kinetics model diagram

蘋果渣固態(tài)發(fā)酵與液態(tài)發(fā)酵果酒特點(diǎn)明顯，主要在以下幾個(gè)方面：總糖消耗方面與周勸娥[23]等人研究相比發(fā)酵過程趨于緩慢，同時(shí)固態(tài)發(fā)酵更接近發(fā)酵動(dòng)力學(xué)模型，呈反“S”型，同時(shí)總糖消耗更集中， 但發(fā)酵周期明顯加長(zhǎng)，與楊輝[25]等人研究基本一致；酒精度增長(zhǎng)方面與朱傳合[24]等人研究相比酒精生成周期更長(zhǎng)，幾乎是液態(tài)發(fā)酵的2倍，但生成趨勢(shì)更加快，更接近“S”型，與發(fā)酵動(dòng)力學(xué)模型更好相關(guān)(R2>0.99)；在總酸和pH方面與朱傳合[24]、楊輝[25]等人研究相比，固體發(fā)酵有較小范圍的降低趨勢(shì)，而液體發(fā)酵有所升高；pH在固體發(fā)酵基本不變，液體發(fā)酵有明顯的降低趨勢(shì)；在顏色方面固態(tài)發(fā)酵中含有更多色素，所以與液態(tài)發(fā)酵相比顏色更深。

表3 模型2檢驗(yàn)表

2.5 蘋果渣果酒品質(zhì)分析

2.5.1 主要成分分析

表4即為蘋果渣果酒基本指標(biāo)測(cè)定，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15038—2006，因此利用蘋果渣發(fā)酵生產(chǎn)果酒具有可行性，同時(shí)果酒質(zhì)量也較好。

表4 蘋果渣果酒基本指標(biāo)測(cè)定

2.5.2 感官評(píng)定

本研究以打分測(cè)試為基本研究方法對(duì)蘋果酒進(jìn)行了感官評(píng)定，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)按表1，結(jié)果如表5。

表5 感官評(píng)價(jià)得分表

由表5知，評(píng)價(jià)項(xiàng)目各項(xiàng)得分占比均在85%以上，感官評(píng)價(jià)總分為88.9分，根據(jù)等級(jí)分類(A∶90～100;B∶85～89;C∶80～84;D∶60～79)，所得蘋果酒感官的分等級(jí)為B，其中色澤和香氣得分分別是90.5、90.7，評(píng)級(jí)皆為等級(jí)A，而口味得分在88.7，評(píng)價(jià)為等級(jí)B，但與等級(jí)A非常接近；風(fēng)格得分85.0，稍稍偏低，這可能與低溫發(fā)酵導(dǎo)致發(fā)酵時(shí)間較長(zhǎng)，此外，根據(jù)動(dòng)力學(xué)模型建立可以看出發(fā)酵時(shí)間在20天左右為宜，因此發(fā)酵時(shí)間若能控制則可以得到等級(jí)A的蘋果渣果酒，有待下一步研究。

3 結(jié)論

蘋果渣果酒發(fā)酵中總糖、TSS都會(huì)出現(xiàn)對(duì)數(shù)減少趨勢(shì)，酒精度會(huì)出現(xiàn)對(duì)數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，且總糖的消耗模型和酒精的生成模型擬合都很好，相關(guān)性都在0.99以上(R2>0.99)，建模成功；總酸、總酚含量都有較小幅度的降低，且隨溫度(發(fā)酵活力)變化有微小變化， pH基本不變，與總酸變化一致，僅與溫度變化和酵母活力有關(guān)；蘋果酒發(fā)酵中顏色變化表現(xiàn)為變暗，L*值減小，a*、b*值有小范圍升高或降低，表示出現(xiàn)綠移和藍(lán)移，顏色都變深，與L*值變化一致；在室溫條件下可以得到感官評(píng)價(jià)在88.9分的蘋果酒，等級(jí)為B；蘋果渣發(fā)酵溫度在19 ℃左右，最終蘋果酒酒精度7.5%左右，總糖、總酸、總酚、干浸出物含量分別是3.53 mg/mL、0.47 mg/mL、0.32 mg/mL、17.21g/L，SO2含量小于10 mg/L，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15038-2006。因此室溫條件下，蘋果渣固態(tài)發(fā)酵果酒具有周期長(zhǎng)、顏色深、發(fā)酵緩、模型擬合度高等特點(diǎn)，且利用蘋果渣生產(chǎn)蘋果酒具有可行性。

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Fermentation characteristics of apple pomace wine solid-state fermentation and its relative dynamics

JIA Feng,LIU Dong,GUO Yu-rong*

(College of Food Engineering and Nutritional Science,Shaanxi Normal University, Xi’an 70119，China)

Using apple pomace as raw material, solid-state fermentation characteristics of pomace wine and related dynamics were studied, providing a new way for the comprehensive utilization of apple pomace. Based on the changes of temperature, alcohol content, total sugar, total acid, total phenols, soluble solids, pH, and color during solid-state fermentation of pomace wine, the fermentation characteristics and alcohol content and total sugar change dynamics were studied and then combined with the main component changes of wine and sensory characteristics of the wine to conduct a comprehensive evaluation for efficient use of apple pomace. The results showed that the temperature change had influence on content of alcohol, total sugar, and acid. Fermentation temperature for apple pomace was 18～19 ℃. the final cider alcohol content was 7.5%vol. The contents of total sugar, total acid, total phenols, dry extract content were 3.53 mg/mL, 0.47 mg/mL, 0.32 mg/mL, 17.21 g/L, respectively. SO2content was less than 10 mg/mL, which meet the requirement of the national standard GB/T 15038—2006. In comparison with fermented apple juice state, it had long cycle, deep color, slow fermentation, good model fitting and other characteristics. In addition, the dynamic model was success and had high correlation (R2>0.99). Sensory evaluation score was 88.9 and rated B. Apple pomace solid-state fermented wine has its own characteristics and good wine quality.

apple pomace;solid-state fermentation;fruit wine;processing;sensory evaluation;fermentation kinetics

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201610021

碩士研究生(郭玉蓉教授為通訊作者,E-mail：guoyurong730@163.com)。

農(nóng)業(yè)部現(xiàn)代蘋果產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系專項(xiàng)基金項(xiàng)目(CARS-28)

2016-05-11，改回日期：2016-06-07