新型營(yíng)養(yǎng)沙棘醋制備工藝研究

楊 輝， 彭任芳， 蒲鵬飛， 閆曉哲， 杜姣姣

(陜西科技大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

0 引言

沙棘又名醋柳[1],沙棘果中的黃酮類化合物、VC和超氧化物歧化酶SOD的含量最為豐富[2].黃酮具有抗病毒、治療心肌梗塞和腦血栓等功效[1,3,4]；VC具有抗氧化、抗癌和緩解白癜風(fēng)等作用[5],且沙棘中的VC相當(dāng)穩(wěn)定[6]；SOD具有抗腫瘤、治療肺氣腫和中風(fēng)等疾病的功效[7,8].

國(guó)內(nèi)對(duì)沙棘的研究集中于提取沙棘籽油、黃酮和色素等[1,9,10]，沙棘醋發(fā)酵工藝的研究已有報(bào)道，沙棘酸高糖低的特點(diǎn)造成了單獨(dú)原汁發(fā)酵的困難，而且經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的好氧發(fā)酵產(chǎn)品里的黃酮、VC和SOD等功能成分因氧化損失嚴(yán)重[11]，此外，酒精主要源于外加糖的轉(zhuǎn)變，由此得到的沙棘醋產(chǎn)品醋味寡淡，香味不足，在營(yíng)養(yǎng)和感官方面都難以滿足市場(chǎng)需求.

本研究以口感厚重的糧食醋作提取溶劑，對(duì)沙棘果中的黃酮、VC和SOD進(jìn)行浸提，整個(gè)過(guò)程避免了長(zhǎng)期與空氣的接觸，以此獲得香味濃郁且營(yíng)養(yǎng)豐富的沙棘醋產(chǎn)品，同時(shí)，與發(fā)酵工藝得到的沙棘醋進(jìn)行對(duì)比研究，以期為沙棘的合理利用提供科學(xué)依據(jù)，此研究至今未見(jiàn)報(bào)道.

目前，黃酮類和SOD提取方法主要有超聲波法、有機(jī)溶劑法和微波萃取法等[12,13]；其中超聲提取具有效率高、時(shí)間短和溫度低等優(yōu)點(diǎn)，因此本研究采用超聲技術(shù)浸提.

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

沙棘，南疆山區(qū)；七一醬園精釀陳醋，七一醬園釀造有限公司；Z2酵母，法國(guó)LAFFORT公司；滬釀1.01醋酸菌，上海佳民釀造有限公司；亞硝酸鈉、2,6-二氯靛酚鈉、EDTA·2Na和鄰苯三酚等，均為國(guó)產(chǎn)分析純.

1.2 儀器與設(shè)備

KH2200DE型數(shù)控超聲波清洗儀，昆山禾利超聲儀器有限公司；PWSI0-002數(shù)顯保溫培養(yǎng)箱，山東濰坊器械設(shè)備廠.

1.3 方法

1.3.1 總黃酮含量的測(cè)定

采用NaNO2-AL(NO3)-NaOH比色法[14]

1.3.2 維生素C(VC)含量的測(cè)定[15]

1.3.3 超氧化物歧化酶(SOD)含量測(cè)定

采用鄰苯三酚自氧化法 測(cè)定[16].

1.3.4 超聲浸提單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

考察超聲溫度(℃)、超聲時(shí)間(min)、超聲功率(w)、液固比(mL/g)、食醋濃度(g/L)和浸提次數(shù)(次)六因素對(duì)沙棘功能成分(總黃酮、VC和SOD)得率的影響.

1.3.5 超聲浸提響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選出影響沙棘功能成分得率顯著的四個(gè)因素，設(shè)計(jì)四因素三水平表，如表1所示.

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.6 沙棘醋發(fā)酵

(1)沙棘果汁原料分析

對(duì)沙棘果汁的糖酸含量進(jìn)行分析.

(2)沙棘醋發(fā)酵技術(shù)路線

沙棘果按液固比30∶1破碎，調(diào)糖度為15 °Brix，酵母接種量0.3 g/L，在23 ℃下進(jìn)行控溫發(fā)酵，待酒精度上升為7% voL時(shí)，接入10%的醋酸菌擴(kuò)培液，在溫度為32 ℃和轉(zhuǎn)速為130 r/min的條件下進(jìn)行通風(fēng)發(fā)酵.

2 結(jié)果與討論

2.1 超聲浸提條件對(duì)沙棘功能成分得率的影響

2.1.1 食醋濃度對(duì)功能物質(zhì)得率的影響

圖1給出了食醋濃度對(duì)功能成分得率的影響.結(jié)果表明：隨著食醋濃度的增加，總黃酮得率先增大后減小，可能與相似相溶原理有關(guān)[17]，隨著食醋濃度的增加，溶劑極性漸漸接近黃酮類物質(zhì)的極性，極性相近黃酮類物質(zhì)的溶解能力增強(qiáng)，因此得率提高，但食醋濃度大于9.4 g/L時(shí),溶劑極性遠(yuǎn)離黃酮類物質(zhì)的極性，因而溶解度降低，得率下降；SOD的活力隨著食醋濃度的提高在下降；VC得率隨食醋濃度的增加不斷提高，說(shuō)明酸性條件可以增加VC的溶解度，利于VC提取，同時(shí)乙酸對(duì)VC又有保護(hù)作用，可以延長(zhǎng)其穩(wěn)定時(shí)間[18]為了使總黃酮、VC和SOD的得率都保持在一個(gè)較高水平，因此將食醋濃度定為9.4 g/L.

圖1 食醋濃度對(duì)功能成分得率的影響

2.1.2 超聲溫度對(duì)得率的影響

圖2給出了超聲溫度對(duì)功能成分得率的影響.結(jié)果表明：隨著溫度的升高，溶劑黏度下降，分子擴(kuò)散、傳質(zhì)速度加快[19]，總黃酮和VC的得率提高，60 ℃總黃酮得率最高，而VC得率在50 ℃時(shí)達(dá)到最大，溫度高于50 ℃時(shí)，VC得率逐漸減小，這可能是溫度超過(guò)60 ℃，氧化作用加強(qiáng)，總黃酮和VC的得率減少；溫度高于40 ℃，隨著溫度的升高,SOD的活力不斷下降，溫度高于60 ℃，SOD活力極速下降，原因是溫度過(guò)高對(duì)SOD具有變性作用，導(dǎo)致SOD活力降低[20]；使總黃酮得率最大，盡量保護(hù)VC和SOD的活性，超聲溫度選50 ℃.

2.1.3 液固比對(duì)得率的影響

液固比減小不利于傳質(zhì)推動(dòng)力-目標(biāo)物質(zhì)濃度差的提高，浸提速度降低，也會(huì)影響多糖和蛋白質(zhì)的溶解擴(kuò)散平衡，導(dǎo)致功能成分得率降低[21]；液固比升高，有利于固液相溶質(zhì)濃度差的增大,使浸提擴(kuò)散速率提高，因此功能成分的得率提升.但過(guò)高的液固比，可能會(huì)導(dǎo)致功能成分得率的降低，因?yàn)榕c空氣接觸的食醋中溶解有一定量的空氣，對(duì)具有還原性黃酮類、VC穩(wěn)定性有很大的威脅，因而得率降低.

圖3說(shuō)明了液固比對(duì)功能成分得率的影響.其結(jié)果表明：隨著液固比的提高使SOD活力、總黃酮和VC得率都呈現(xiàn)出先增后減的趨勢(shì)，這與上述分析一致.在液固比為25 mL/g時(shí)，總黃酮得率達(dá)到最大；在液固比為35 mL/g時(shí)，VC得率和SOD的活力均達(dá)到最大值.綜合考慮浸提劑用量提升對(duì)超聲波加熱負(fù)荷的增加、降低超聲效率和增加成本等因素，將液固比定為35 mL/g.

圖2 超聲溫度對(duì)功能成分得率的影響

圖3 液固比對(duì)功能成分得率的影響

2.1.4 超聲時(shí)間對(duì)得率的影響

浸提是分子擴(kuò)散為主的傳質(zhì)過(guò)程，達(dá)到擴(kuò)散平衡需要一定的時(shí)間，但由于功能成分具有較強(qiáng)的還原性或抗氧化性，在浸提溫度50 ℃的較高溫度下，長(zhǎng)時(shí)間與空氣接觸就會(huì)導(dǎo)致氧化損失，因此，隨著浸提時(shí)間的延長(zhǎng)，總黃酮得率、VC得率和SOD活力會(huì)呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì).圖4表明超聲時(shí)間對(duì)功能物質(zhì)得率的影響結(jié)果與上述分析一致：隨著超聲時(shí)間延長(zhǎng)三種功能物質(zhì)得率先增加后減少，在50 min時(shí)，總黃酮得率達(dá)到最大值，50 min后，時(shí)間的延長(zhǎng)使總黃酮得率有輕微下降；VC得率和SOD活力在40 min時(shí)達(dá)到最大，之后VC得率和SOD活力隨著時(shí)間延長(zhǎng)不斷下降，綜合分析，將超聲時(shí)間定為40 min.

圖4 超聲時(shí)間對(duì)功能成分得率的影響

2.1.5 超聲功率對(duì)得率的影響

超聲處理產(chǎn)生的空化作用會(huì)使物料組織破壞，易于黃酮、VC和SOD的釋放，而這種空化破壞作用與輸入功率正相關(guān)，但功率過(guò)大時(shí)會(huì)使酶分子的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，同時(shí)雜質(zhì)的溶出量增加[22]，使SOD活力、黃酮和VC的得率下降.圖5結(jié)果表明：在實(shí)驗(yàn)所選功率范圍內(nèi)，功能成分的得率變化不太顯著，隨著超聲功率的增大，三種功能成分的得率都先增加后減少，超聲功率為80 w時(shí)，總黃酮和VC的得率均達(dá)到最大值，SOD活力在70 w時(shí)達(dá)到最大值，考慮到成本因素，將超聲功率定為80 w.

圖5 超聲功率對(duì)功能成分得率的影響

2.1.6 浸提次數(shù)對(duì)得率的影響

分子傳質(zhì)推動(dòng)力-濃度差隨著浸提的進(jìn)行漸漸降低，分子擴(kuò)散速度變低，為了提高浸提效率，充分利用沙棘果中的功能物質(zhì)，采用多次浸提，另外，超

聲浸提次數(shù)越多，細(xì)胞壁遭到破壞的概率增大，細(xì)胞里溶出的黃酮、VC和SOD也越多.圖6給出了浸提次數(shù)對(duì)得率的影響,結(jié)果表明：隨著浸提次數(shù)的增加，三種功能成分得率的提高幅度均越來(lái)越小，第四次的得率與第三次相比沒(méi)有明顯差別，說(shuō)明三次浸提后已經(jīng)基本浸提完全，再次浸提得率變化不大，還會(huì)導(dǎo)致成本較大幅度提高，故將浸提次數(shù)定為3次.

圖6 浸提次數(shù)對(duì)功能成分得率的影響

2.2 超聲浸提條件的響應(yīng)面優(yōu)化

單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：超聲功率和浸提次數(shù)(大于2情況下)對(duì)功能物質(zhì)浸提得率影響不顯著，因此，運(yùn)用Design-Expert 8.05b軟件以Y1(總黃酮得率，mg/g)、Y2(VC得率，mg/g)和Y3( SOD活力，U/g)為指標(biāo)，對(duì)影響顯著的食醋濃度、液固比、超聲時(shí)間和超聲溫度四個(gè)因素?cái)M合，其回歸方程分別為：

Y1=9.35+1.01A+0.58B-0.53C+0.29D+0.13AB-1.18AC+0.75AD+0.59BC-0.090BD+0.19CD-2.06+0.37-1.60-0.9

Y2=4.27+0.23A+0.093B+0.095C+0.002 5D+0.035AB+0.045AC-0.040AD+0.058BC+0.085BD+0.027CD-0.55-0.54-0.12-0.088

Y3=2 545.00-58.67A-2.75B-64.08C-10.33D+52.50AB+37.00AC+1.00AD-52.25BC-31.00BD-131.50CD-221.63-245.00-240.50-294.6

超聲浸提響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)的具體試驗(yàn)方案及結(jié)果如表2所示.

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案和結(jié)果

續(xù)表2

試驗(yàn)號(hào)ABCDY1(黃酮)/(mg/g)Y2(VC)/(mg/g)Y3(SOD)/(U/g)400117．43．991901500009．733．98191060-1105．593．682011700009．44．13222381-1008．013．322008900009．324．5722141010104．863．86200011-10105．013．5919921201019．093．86219613-10014．583．6319151400009．144．01199815-11007．392．67220116-10-104．253．5219781710018．233．81199218100-16．093．89196919001-16．343．9922002011009．353．68193421-100-15．433．551979220-10-18．253．719562310-108．83．6121082400009．144．6725092501-109．043．61260026010-18．863．6219892700-117．143．7720072800-1-16．843．8824002901108．743．971978

表3 給出了模型的方差分析結(jié)果，以Y1(總黃酮)得率(mg/g)、Y2(VC)得率(mg/g)和Y3(SOD)活力(U/g)為指標(biāo)的回歸模型，模型F值分別為21.21(P<0.000 1)、3.89(P=0.008)和7.44(P=0.000 3)，表明模型都顯著，模型失擬項(xiàng)的P值分別為0.054 9、0.763 9和0.050 5，失擬項(xiàng)均不顯著，表明方程對(duì)于試驗(yàn)的擬合程度較好，試驗(yàn)引起的誤差小，說(shuō)明模型可以用于對(duì)富含黃酮、VC和SOD沙棘醋的得率進(jìn)行預(yù)測(cè).

表3 回歸模型方差分析結(jié)果

因素交互影響得率的響應(yīng)面如圖7所示.由圖7(a)和(b)可知，當(dāng)超聲溫度和液固比一定時(shí)，總黃酮得率隨著食醋濃度的提高先增大后緩慢降低，隨超聲時(shí)間的延長(zhǎng)先增大后減小，兩因素間的交互效應(yīng)對(duì)總黃酮得率有顯著影響；由圖7(c)和(d)可知,在液固比和超聲時(shí)間一定的情況下，隨著食醋濃度的增加，總黃酮得率先增加后減少，隨超聲溫度的提高，得率緩慢變化，兩因素間的交互效應(yīng)對(duì)總黃酮得率影響顯著.

(a)食醋濃度和超聲時(shí)間的交互作用對(duì)功能成分得率的響應(yīng)曲面

(b)食醋濃度和超聲時(shí)間的交互作用對(duì)功能成分得率的等高線圖

(c)食醋濃度和超聲溫度的交互作用對(duì)功能成分得率的響應(yīng)曲面

(d)食醋濃度和超聲溫度的交互作用對(duì)功能成分得率的等高線圖圖7 交互作用因素對(duì)浸提得率的響應(yīng)面

利用Design Expert 8.05軟件獲得沙棘功能成分的超聲浸提最優(yōu)工藝條件：食醋濃度9.4 g/L，液固比30∶1 mL/g,超聲時(shí)間40 min,超聲溫度55 ℃，超聲功率80 w，浸提次數(shù)3次，在此條件下，總黃酮得率、VC得率和SOD活力的預(yù)測(cè)值分別為9.85 mg/g、4.74 mg/g和2 516 U/g.對(duì)此條件下得到的功能成分的得率進(jìn)行驗(yàn)證性試驗(yàn)，試驗(yàn)值分別為9.62 mg/g、4.65 mg/g和2 478 U/g，與理論值頗為接近，表明了模型對(duì)于優(yōu)化沙棘功能成分的超聲浸提工藝的可行性.

2.3 沙棘醋發(fā)酵結(jié)果與分析

2.3.1 沙棘果汁原料分析

由表4可知，沙棘果汁的總糖含量為5.83%，還原糖占總糖含量的45.6%，說(shuō)明沙棘含糖低，pH為2.76，含酸量為3.62%(酸度高)，不利于發(fā)酵的啟動(dòng)，沙棘糖低酸高限制了沙棘發(fā)酵酒和發(fā)酵醋深加工的途徑和方法，沙棘汁需要調(diào)整糖度和酸度.

表4 沙棘果汁主要理化指標(biāo)

2.3.2 發(fā)酵沙棘醋生產(chǎn)過(guò)程中功能成分變化

圖8給出了整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中各個(gè)參數(shù)的變化情況.前9天為酒精發(fā)酵階段，總黃酮、VC和SOD的含量變化均呈先增后減的趨勢(shì)，在醋酸發(fā)酵階段，三種功能成分的含量隨時(shí)間的延長(zhǎng)都不斷減少，這是由于好氧發(fā)酵對(duì)功能成分造成了嚴(yán)重的損失.

圖8 發(fā)酵過(guò)程中功能成分含量的變化

2.3.3 兩種不同制備工藝沙棘醋的對(duì)比

圖9給出了兩種工藝沙棘醋與稀釋沙棘汁營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)的對(duì)比結(jié)果，與稀釋沙棘汁相比，發(fā)酵沙棘醋里的總黃酮、VC和SOD的含量分別減少了6.46 mg/100 mL、5.96 mg/100 mL和28.58 U/mL,含量分別為14.72 mg/100 mL、5.31 mg/100 mL和53.99 U/mL；浸提沙棘醋中的總黃酮含量為35.98 mg/100 mL,VC含量為17.85 mg/100 mL,SOD活力為121.29 U/mL，分別是發(fā)酵醋的2.44、3.36和2.24倍.浸提沙棘醋較大程度的保留了沙棘的功能成分，營(yíng)養(yǎng)豐富.

圖9 兩種工藝沙棘醋與稀釋沙棘汁營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)對(duì)比

兩種工藝沙棘醋的外觀形態(tài)如圖10所示.圖10表明浸提沙棘醋呈淡黃色，而發(fā)酵沙棘醋則呈現(xiàn)較深的褐色，顯然在好氧的醋酸發(fā)酵過(guò)程中多酚等還原性物質(zhì)被氧化褐變導(dǎo)致了醋的顏色加深，這意味著發(fā)酵醋中人們關(guān)心的功能物質(zhì)有嚴(yán)重的損失，這與上述分析數(shù)據(jù)相一致.

圖10 兩種工藝沙棘醋的外觀形態(tài)

表5展示了兩種制備工藝得到的沙棘醋感官指標(biāo)的差別.

表5 兩種工藝條件下沙棘醋感官指標(biāo)

3 結(jié)論

(1)超聲輔助食醋浸提沙棘功能成分是可行的.理想浸提工藝條件是：食醋濃度9.4 g/L，液固比30∶1 mL/g,超聲時(shí)間40 min，超聲溫度55 ℃，超聲功率80 w，浸提次數(shù)3次，在此條件下，總黃酮得率、VC得率和SOD活力分別為9.62 mg/g、4.65 mg/g和2 478 U/g.

(2)浸提工藝所得沙棘醋中功能成分含量顯著高于發(fā)酵沙棘醋，其總黃酮、VC和SOD的含量分別是發(fā)酵醋的2.44、3.36和2.24倍.從功能成分含量分析超聲浸提工藝是制備營(yíng)養(yǎng)沙棘醋的理想工藝.

(3)沙棘果汁酸度高，含發(fā)酵性糖量很低，存在啟動(dòng)難，要達(dá)到液態(tài)發(fā)酵醋的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，需外加糖，成本高，產(chǎn)品口感不佳.而食醋浸提沙棘工藝簡(jiǎn)單，操作方便，而且有利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和機(jī)械化.

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