海紅果醋生產(chǎn)工藝及其響應(yīng)面法優(yōu)化

楊輝，楊文英，劉子賢

(1.陜西科技大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院，西安 710021；2.府谷縣聚金邦農(nóng)產(chǎn)品開發(fā)公司，陜西 榆林 719499)

海紅果醋生產(chǎn)工藝及其響應(yīng)面法優(yōu)化

楊輝1，楊文英1，劉子賢2

(1.陜西科技大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院，西安 710021；2.府谷縣聚金邦農(nóng)產(chǎn)品開發(fā)公司，陜西 榆林 719499)

采用海紅果濃縮汁發(fā)酵工藝全年生產(chǎn)海紅果白蘭地和海紅果醋，可解決海紅果采收期短的問題，提高生產(chǎn)效率，海紅果白蘭地在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量下腳料，為此，以海紅果濃縮汁為原料對適于海紅果白蘭地酒、海紅果醋聯(lián)合生產(chǎn)的海紅果醋發(fā)酵工藝進(jìn)行研究，考察了醋酸菌接種量、SO2添加量、發(fā)酵溫度以及轉(zhuǎn)速對海紅果醋發(fā)酵效果的影響，在單因素試驗基礎(chǔ)上，以產(chǎn)酸量為響應(yīng)值，采用響應(yīng)面分析法對海紅果醋發(fā)酵工藝進(jìn)行研究。結(jié)果表明:醋酸菌接種量10.1%，SO2添加量28.8 mg/kg，溫度31.9 ℃，轉(zhuǎn)速123 r/min為海紅果醋適宜發(fā)酵條件。在此優(yōu)化條件下，海紅果醋的醋酸含量為48.9 g/L。

海紅果；果醋；發(fā)酵；響應(yīng)面分析法；白蘭地

果醋是以果實(shí)或果酒為原料，通過醋酸菌發(fā)酵而成的酸性飲料或調(diào)味品[1]。果醋具有抑菌、調(diào)節(jié)體內(nèi)酸堿平衡、緩解體力疲勞、預(yù)防肥胖和高脂血癥等多種功能性[2]。海紅果，又名海紅子、小果海棠，屬薔薇科蘋果屬西府海棠種，海紅果中富含鈣、鋅、鐵、鉀以及人體所需的氨基酸、單糖、雙糖和多種微量元素等，尤其是鈣含量高，被譽(yù)為“果中鈣王”[3]。除此之外，海紅果中富含的黃酮、多酚類化合物也賦予其降血脂、降血壓、抗腫瘤、抗氧化等保健功效[4-6]。

近年海紅果深加工引起人們的極大關(guān)注，海紅果酒、海紅果白蘭地、海紅果醋加工技術(shù)研究不斷深入。海紅果白蘭地在蒸餾后期需要消耗大量的能量，而且會產(chǎn)生大量的蒸餾醪液，為了解決該問題，設(shè)想先直接發(fā)酵酒精度為12%的海紅果酒，再將其進(jìn)行蒸餾，控制蒸餾余液酒精度為8%左右，對蒸餾余液進(jìn)行醋酸發(fā)酵，將海紅果白蘭地和海紅果醋的生產(chǎn)聯(lián)系在一起，既降低了海紅果白蘭地生產(chǎn)后期的能量損耗，減少了生產(chǎn)成本，又能達(dá)到資源的有效利用。王瑋[7]對海紅果醋的加工技術(shù)進(jìn)行了研究，與前人的研究相比，本研究考慮到了SO2這一因素及其與其他因素交互作用對醋酸產(chǎn)量的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

海紅果濃縮汁：府谷縣聚金邦農(nóng)產(chǎn)品開發(fā)公司提供；酵母VL2：法國進(jìn)口；滬釀1.01號醋酸菌：上海佳民釀造食品有限公司。

NaOH(分析級) 天津市紅巖化學(xué)試劑廠；6% H2SO3(食品級) 天津市天力化學(xué)試劑有限公司；無水乙醇(分析級) 天津市永大化學(xué)試劑有限公司；酵母浸膏(生物試劑) 北京奧博星生物技術(shù)有限公司；葡萄糖(分析級) 天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

DK-98-I電子恒溫水浴鍋、電熱鼓風(fēng)干燥箱 天津市泰斯特儀器有限公司；pHS-4C+酸度計 成都市方舟科技開發(fā)公司；電子分析天平 上海精密科學(xué)儀器有限公司；手提式壓力蒸汽滅菌鍋 江陰濱江醫(yī)療設(shè)備有限公司；手持糖度儀 伊斯特電子有限公司；恒溫振蕩培養(yǎng)箱 上海智誠分析儀器制造有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 海紅果醋釀造工藝

酒精度為12%的海紅果酒→蒸餾(至醪液酒精體積分?jǐn)?shù)為8%左右)→接種醋酸菌→醋酸發(fā)酵→澄清→滅菌→罐裝→成品海紅果醋。

1.3.2 操作要點(diǎn)

通過醪液酒精體積分?jǐn)?shù)換算要收集的餾液體積。

醋酸菌的活化：將滬釀1.01醋酸菌接入活化培養(yǎng)基(1%酵母膏+1%葡萄糖)中，121 ℃滅菌20 min，使用前加入3%無水乙醇，在30 ℃振蕩活化48 h，存放冰箱備用[8]。

滅菌采用巴氏滅菌，即65 ℃滅菌30 min。

1.3.3 海紅果醋發(fā)酵的單因素試驗

將酒精度為12%的海紅果酒進(jìn)行蒸餾得到含酒精體積分?jǐn)?shù)為8%左右的蒸餾醪液，取醪液100 mL若干份，考察因素有醋酸菌接種量、轉(zhuǎn)速、發(fā)酵溫度和SO2添加量。基本發(fā)酵條件為：醋酸菌接種量10%，轉(zhuǎn)速130 r/min，發(fā)酵溫度30 ℃，SO2添加量10 mg/kg，改變其中條件之一進(jìn)行單因素試驗。單因素試驗因素水平為：醋酸菌接種量6%，8%，10%，12%，14%，SO2添加量0，10，20，30，40，50，60 mg/kg，發(fā)酵溫度28，30，32，34，36 ℃，轉(zhuǎn)速70，100，130，160，190 r/min。發(fā)酵期間每天定時檢測發(fā)酵液的總酸，進(jìn)而確定較為適宜的工藝參數(shù)。

1.3.4 海紅果醋的響應(yīng)面優(yōu)化試驗

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，選取SO2添加量(A)、醋酸菌接種量(B)、發(fā)酵溫度(C)、搖床轉(zhuǎn)速(D)為響應(yīng)面優(yōu)化的考察因素，以醋酸產(chǎn)量作為響應(yīng)值，設(shè)計四因素三水平的響應(yīng)面分析試驗，試驗因素及水平表見表1。

表1 Box-Behnken 試驗因素水平表Table 1 Factors and levels of Box-Behnken experiment

2 結(jié)果與討論

2.1 海紅果醋發(fā)酵單因素試驗

2.1.1 接種量對醋酸發(fā)酵的影響

圖1 不同接種量對醋酸發(fā)酵的影響Fig.1 Effect of different inoculation amount on acetic acid fermentation

由圖1可知,在一定范圍內(nèi)，適當(dāng)增大醋酸菌接種量，可以加快產(chǎn)酸的速度，但接種量太大，前期發(fā)酵速度越快，隨著酸含量的增加，對醋酸菌產(chǎn)生一定的抑制作用，導(dǎo)致有效菌數(shù)下降，雜菌繁殖，消耗產(chǎn)物，進(jìn)而使得總酸含量下降。故適宜接種量為10%，此條件下產(chǎn)酸量可達(dá)50.3 g/L。

2.1.2 SO2添加量對醋酸發(fā)酵的影響

SO2在果酒發(fā)酵及儲存中起著重要作用，可防止雜菌污染,減少果酒的香味物質(zhì)損失,防止酒的氧化,有利于酒的澄清等，但鑒于白蘭地的生產(chǎn)中蒸餾過程SO2進(jìn)入酒中使酒帶有明顯的硫磺等異味，本研究中原酒發(fā)酵中不加入SO2，而在醋酸發(fā)酵前于蒸餾醪液中加入，因醋酸菌對SO2非常敏感，只能少量加入，也僅僅在醋酸菌繁殖期起到防止雜菌污染的作用，因醋酸發(fā)酵中大量空氣的通入，SO2被氧化，后期其作用微小，本研究就醋酸發(fā)酵中SO2對發(fā)酵的影響進(jìn)行了研究。

圖2 不同SO2添加量對醋酸發(fā)酵的影響Fig.2 Effect of different SO2 additive amount on acetic acid fermentation

由圖2可知，SO2添加量對醋酸發(fā)酵效果具有較為明顯的影響。在一定范圍內(nèi)，隨著SO2添加量的增加，發(fā)酵產(chǎn)酸量也在逐漸增大，而SO2添加量過量時，隨著SO2添加量的增加，對醋酸發(fā)酵的抑制作用會增大，產(chǎn)酸量較低甚至不能發(fā)酵。分析原因可能是SO2具有滅菌的作用，當(dāng)添加量適當(dāng)時，可減少雜菌滋生，有利于醋酸發(fā)酵，增加產(chǎn)酸量，但過多的SO2會對醋酸菌生長產(chǎn)生抑制作用，進(jìn)而影響產(chǎn)酸量。故適宜SO2添加量為30 mg/kg，產(chǎn)酸量可達(dá)49.1 g/L。

2.1.3 發(fā)酵溫度對醋酸發(fā)酵的影響

溫度是影響醋酸發(fā)酵的重要因素之一，在一定溫度范圍內(nèi)，溫度升高產(chǎn)酸量增加，當(dāng)溫度過高或過低時，都會抑制醋酸菌的活性，醋酸菌的生長代謝受到阻礙，產(chǎn)酸量下降，同時也會影響果醋的風(fēng)味品質(zhì)[9]。

圖3 不同發(fā)酵溫度對醋酸發(fā)酵的影響Fig.3 Effect of different fermentation temperatures on acetic acid fermentation

由圖3可知，溫度在30～34 ℃之間，醋酸產(chǎn)量較高，而且在32 ℃時，產(chǎn)酸量高達(dá)48.9 g/L。

2.1.4 轉(zhuǎn)速對醋酸發(fā)酵的影響

醋酸發(fā)酵中氧氣的供給是十分重要的，研究中發(fā)酵液中溶氧通過搖床轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。搖床轉(zhuǎn)速對醋酸發(fā)酵的影響，見圖4。

圖4 不同轉(zhuǎn)速對醋酸發(fā)酵的影響Fig.4 Effect of different shaking speeds on acetic acid fermentation

由圖4可知，轉(zhuǎn)速過低時，發(fā)酵液中溶解氧不足，使得發(fā)酵速率較低，發(fā)酵緩慢；在一定范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速越高，溶解氧越多，過多的溶解氧會使醋酸菌生長代謝旺盛，消耗發(fā)酵液中大量的養(yǎng)分，同時也會加速酒精的揮發(fā)，使得醋酸發(fā)酵后期發(fā)酵速率不斷下降[10]，同時，發(fā)酵體系中剪切力的增大也會抑制菌體生長與代謝，導(dǎo)致菌體濃度的降低，不利于酒精轉(zhuǎn)化成醋酸。由此可見100～160 r/min范圍內(nèi)，醋酸發(fā)酵效果較好，而且在130 r/min時，產(chǎn)酸量高達(dá)48.3 g/L。

2.2 海紅果醋響應(yīng)面優(yōu)化試驗結(jié)果

2.2.1 模型的建立與顯著性檢驗

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，利用 Box-Behnken 中心組合設(shè)計原理進(jìn)行響應(yīng)面試驗，結(jié)果見表2。

表2 響應(yīng)面試驗設(shè)計及結(jié)果Table 2 Experimental design and corresponding results of response surface analysis

續(xù) 表

通過 Design Expert 8.0 軟件對試驗響應(yīng)值進(jìn)行二元回歸擬合分析，確立回歸方程模型為Y=49.74-0.43A+0.40B-0.55C-0.30D+0.050AB+0.23AC+0.53AD-0.38BC+0.025BD-0.050CD-2.49A2-3.09B2-4.41C2-0.71D2?；貧w模型的方差分析見表3。

表3 回歸模型方差分析Table 3 Variance analysis of regression mode

注：“**”表示差異極顯著(P<0.01)；“*”表示差異顯著(0.01

由表3可知，模型極顯著(P<0.0001)；失擬項不顯著(P>0.05)；本試驗離散系數(shù)(CV)為0.72%，在可接受范圍內(nèi)，說明試驗結(jié)果可靠性較高，可以用回歸方程對響應(yīng)值進(jìn)行預(yù)測；模型調(diào)整復(fù)相關(guān)系數(shù)RAdj2=0.9841，說明該模型能解釋98.41%響應(yīng)值的變化，擬合程度較好；模型的一次項A，B，C，D和二次項A2，B2，C2，D2表現(xiàn)極顯著，說明其對響應(yīng)值影響較大，AD因素之間交互作用極顯著，BC因素之間交互作用顯著，其他不顯著；根據(jù)方程的系數(shù)值可以看出影響響應(yīng)值的因素主次順序為C(發(fā)酵溫度)>A(SO2添加量)>B(醋酸菌接種量)>D(轉(zhuǎn)速)。

2.2.2 響應(yīng)面雙因子交互作用分析

圖5 雙因子交互作用影響醋酸的響應(yīng)面圖Fig.5 Response surface plots of cross-interaction between double factors

由圖5a可知，隨著SO2添加量的增加，醋酸菌接種量對醋酸產(chǎn)量的影響始終呈現(xiàn)先平緩上升后平緩下降的趨勢。SO2添加量對醋酸產(chǎn)量的影響隨著接種量的增加始終保持先平緩上升后平緩下降的趨勢，可見接種量與SO2添加量的交互作用對醋酸產(chǎn)量的影響不顯著。同理可知，圖5b，5e，5f中2個因素之間的交互作用對醋酸產(chǎn)量的影響不顯著。

由圖5c可知，隨著轉(zhuǎn)速的增加，醋酸產(chǎn)量隨SO2添加量的增加所呈現(xiàn)的先平緩上升后迅速下降的趨勢越來越明顯，同理，隨著SO2添加量的增加，醋酸產(chǎn)量隨轉(zhuǎn)速的增加所呈現(xiàn)的先迅速增加后緩慢下降的趨勢也更加明顯，由此可見，轉(zhuǎn)速與SO2添加量的交互作用對醋酸產(chǎn)量的影響極顯著[11]。由圖5d可知，隨著溫度的增加，醋酸產(chǎn)量隨接種量增加所呈現(xiàn)的先緩慢上升后迅速下降的趨勢更加明顯，表明溫度對接種量與醋酸的作用造成較大影響。由此可見，溫度與接種量的交互作用對醋酸產(chǎn)量的影響較顯著。

2.2.3 優(yōu)化發(fā)酵條件的確定

根據(jù)上述建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行參數(shù)的最優(yōu)化分析，得出海紅果醋發(fā)酵的適宜工藝條件為：SO2添加量28.84 mg/kg、溫度31.87 ℃、醋酸菌接種量10.13%、轉(zhuǎn)速122.46 r/min?？紤]實(shí)際操作條件，將溫度確定為31.9 ℃，SO2添加量為28.8 mg/kg，醋酸菌接種量為10.1%，轉(zhuǎn)速為123 r/min。

2.2.4 驗證性試驗

經(jīng)優(yōu)化后，在較優(yōu)條件下，海紅果醋的預(yù)測值為49.8 g/L。為檢驗試驗結(jié)果的可靠性，采用上述優(yōu)化條件進(jìn)行 3 組平行驗證性試驗，其試驗結(jié)果為49.1,49.5,48.2 g/L，平均值為48.9 g/L，與理論預(yù)測值的相對誤差小于5%，故采用響應(yīng)面法優(yōu)化海紅果醋發(fā)酵工藝參數(shù)準(zhǔn)確可靠，具有一定的實(shí)用價值。

2.3 產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)

2.3.1 感官指標(biāo)

橙黃色，具有海紅果的果香以及發(fā)酵食醋特有的醋香，口感濃厚，酸爽柔和，澄清透明，無明顯懸浮物或沉淀。

2.3.2 理化指標(biāo)

總酸(以醋酸計)：50.0 g/L左右，可溶性固形物：7.0 °Brix，還原糖(以葡萄糖計)：1.18 g/L。

2.3.3 微生物指標(biāo)

細(xì)菌總數(shù)：<100 cfu/mL；大腸菌群、致病菌：未檢出。

3 結(jié)論

醋酸菌接種量10.1%、SO2添加量28.8 mg/kg、溫度31.9 ℃、轉(zhuǎn)速123 r/min的條件下，經(jīng)過7天發(fā)酵可以得到醋酸含量為50 g/L左右的海紅果醋。本研究將海紅果白蘭地和海紅果醋整合生產(chǎn)，開辟了海紅果醋生產(chǎn)新工藝，避免了白蘭地生產(chǎn)中大量富有營養(yǎng)的蒸餾醪液的排放，將生產(chǎn)對環(huán)境的污染降低到最小程度，同時變廢為寶。

[1]蔣麗,周俊良,張興無.果醋的研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].中國調(diào)味品,2012,37(4):1-4.

[2]向進(jìn)樂,羅磊,郭香鳳,等.果醋功能性研究進(jìn)展[J].食品科學(xué),2013,34(13):356-360.

[3]賀利兵,淡振榮,李建軍.府谷海紅果產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與對策[J].陜西林業(yè)科技,2013(6):63-66.

[4]王猛,王敏,李環(huán)宇,等.海紅果酚類物質(zhì)種類及其抗氧化能力的研究[J].現(xiàn)代食品科技,2013,29(11):2633-2637.

[5]李清宇.海紅果黃酮提取分離、結(jié)構(gòu)分析及體外抗氧化活性的研究[D].西安:陜西師范大學(xué),2014.

[6]趙亮.海紅果藥用價值的初步研究[D].太原:山西醫(yī)科大學(xué),2006.

[7]王瑋.海紅果醋加工技術(shù)的研究[D].呼和浩特:內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué),2011.

[8]敬思群.葡萄果醋飲料的工藝研究[J].食品與發(fā)酵工業(yè),2007,33(12):150-153.

[9]程振偉.刺玫果果醋發(fā)酵工藝及其功能性成分分析[D].長春:吉林農(nóng)業(yè)大學(xué),2014.

[10]牛廣財,嚴(yán)寶冬,朱丹,等.響應(yīng)面法優(yōu)化黑加侖果醋的發(fā)酵條件[J].食品科學(xué),2012,33(1):157-161.

[11]吳婧婧,梁貴秋,陸春霞,等.響應(yīng)面法對桑果醋發(fā)酵工藝的優(yōu)化[J].南方農(nóng)業(yè)學(xué)報,2014,45(2):278-284.

Production Process and Response Surface MethodologyOptimization of Haihong Fruit Vinegar

YANG Hui1, YANG Wen-ying1, LIU Zi-xian2

(1.School of Food & Biological Engineering, Shaanxi University of Science & Technology,Xi'an 710021, China; 2.Shaanxi Fugu County Jujinbang Agricultural ProductDevelopment Company, Yulin 719499, China)

In order to solve the problem of shortening the harvest time of Haihong fruit, improve the production efficiency and produce Haihong fruit brandy and fruit vinegar all year round, Haihong fruit concentrated juice is used as the raw material in fermentation process. A lot of distillation residue liquid is formed in the production process of Haihong fruit brandy. To make a full use of the residue liquid, avoid a serious pollution caused by it, the brewing process of Haihong fruit brandy and Haihong fruit vinegar is investigated. The effects of acetic bacteria inoculation amount, additive amount of SO2, fermentation temperature and shaking speed on fermentation effect are firstly studied through single-factor experiments,and then the fermentation process conditions are optimized by response surface analysis methodology,with the production of acetic acid as response value. The results indicate that suitable fermentation conditions of Haihong fruit vinegar are inoculation amount of 10.1%, SO2dosage of 28.8 mg/kg, temperature of 31.9 ℃, shaking speed of 123 r/min. Under these conditions, the acetic acid content of Haihong fruit vinegar is 48.9 g/L.

Haihong fruit；fruit vinegar；fermentation；response surface analysis methodology；brandy

2017-02-22

楊輝(1960-)，男，教授，博士，研究方向：發(fā)酵工程和生物材料。

TS255.47

A

10.3969/j.issn.1000-9973.2017.08.001

1000-9973(2017)08-0001-05