基于模糊數(shù)學(xué)分析下的香蕉果醋工藝改進(jìn)研究

張世龍，李少覲

(1.川北幼兒師范高等專科學(xué)校，四川 廣元 628017；2.新鄉(xiāng)學(xué)院 藥學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003)

我國香蕉主要分布于云南南部、臺(tái)灣、海南、廣東南部、廣西南部和福建南部。香蕉的栽培品種較多，印度有專門制作果醬和果汁的香蕉品種，泰國有專門用于生產(chǎn)淀粉和作為主食的品種，東非地區(qū)有用于釀酒的香蕉品種，香蕉在一些國家和地區(qū)還具有代替糧食的作用[1-2]。

香蕉的營養(yǎng)價(jià)值豐富，在亞熱帶和熱帶水果中占有重要的地位，根據(jù)中國科學(xué)院對香蕉成分的測定，結(jié)果表明香蕉中富含糖類、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和粗纖維，礦物質(zhì)元素有鉀、鎂和銅，維生素有A，B，C和E。香蕉的能量高，每100 g香蕉果肉中含有20 g碳水化合物、1.2 g蛋白質(zhì)和0.6 g脂肪。中醫(yī)認(rèn)為，香蕉味甘，具有清熱解毒、清肺潤腸、降血壓和利尿等多重生物藥用功能，是一種食藥兼?zhèn)涞乃鸞3]。

果醋是一種以水果或者其他加工品的下角料作為原料，通過酒精發(fā)酵和醋酸發(fā)酵獲得的一種營養(yǎng)豐富且風(fēng)味優(yōu)良的調(diào)味品，它同時(shí)具備醋和水果的功效。隨著社會(huì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，果醋在市場上備受關(guān)注，表面發(fā)酵、固體發(fā)酵和液體深層發(fā)酵等發(fā)酵工藝在食醋發(fā)酵方面的應(yīng)用也越來越成熟[4]。

本試驗(yàn)采用植物乳酸桿菌和醋酸桿菌對香蕉果醋進(jìn)行共同發(fā)酵，通過使用模糊數(shù)學(xué)矩陣方法進(jìn)行分析，分別建立果醋發(fā)酵過程中的醋酸發(fā)酵與初始酒精度、接種量、發(fā)酵溫度、pH值和發(fā)酵方式的關(guān)系，并最終選取3個(gè)影響最為明顯的因素進(jìn)行正交試驗(yàn)，分析并獲得香蕉果醋制作的最佳工藝流程[5-6]。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

醋酸菌、植物乳酸桿菌、氫氧化鈉、碘化鉀、淀粉、牛肉膏、蛋白胨、酵母浸膏、葡萄糖、磷酸二氫鉀、乙酸鈉、硫酸鎂、硫酸錳、吐溫、檸檬酸氫二銨、碳酸鈉、抗壞血酸、酚酞和重鉻酸鉀。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 香蕉果醋發(fā)酵工藝流程

香蕉→去皮→榨汁、護(hù)色→酶解→成分調(diào)整→殺菌→酒精發(fā)酵→醋酸發(fā)酵→過濾→陳釀→澄清→殺菌→質(zhì)量檢測→成品。

將香蕉清洗干凈，使用果汁機(jī)榨取果實(shí)汁液，獲得香蕉汁，加入0.2%的抗壞血酸對香蕉進(jìn)行護(hù)色，放置在低溫環(huán)境中儲(chǔ)存待用；將香蕉果汁按照試驗(yàn)的要求裝入三角瓶中，每瓶中加入3.0%的偏重亞硫酸鉀，8 h后添加0.3%的果膠酶，充分搖勻，封口24 h；取1 g的酵母菌放入4%的葡萄糖溶液中，在35 ℃的恒溫箱中進(jìn)行菌種的活化，當(dāng)溶液中出現(xiàn)大量的氣泡時(shí)，放入4 ℃冰箱中備用；在香蕉果汁中加入已經(jīng)活化好的酵母菌，搖勻，在32 ℃的溫度下進(jìn)行酒精發(fā)酵。將醋酸菌種接種于酒精發(fā)酵液中，搖勻，當(dāng)果醋中的酸度不再增加時(shí)，終止醋酸發(fā)酵，過濾發(fā)酵液，制成香蕉果醋成品，密封保存[7]。

1.2.2 醋酸發(fā)酵單因素試驗(yàn)

影響香蕉果醋醋酸發(fā)酵的工藝眾多，本試驗(yàn)主要研究醋酸發(fā)酵過程與初始酒精度(4%、6%、8%、10%)、接種量(4%、6%、8%、10%、12%、14%)、發(fā)酵溫度(26，28，30，32，34 ℃)、pH值(3.0，3.5，4.0，4.5)和發(fā)酵方式5個(gè)因素對香蕉果醋中總酸含量的影響。

總酸的測定：酸堿滴定法[8-9]。

1.2.3 醋酸發(fā)酵工藝優(yōu)化正交試驗(yàn)

在醋酸發(fā)酵單因素的基礎(chǔ)上，以發(fā)酵液中的酸度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，將初始酒精度、接種量和發(fā)酵溫度作為考察因素進(jìn)行正交優(yōu)化試驗(yàn)，確定最佳的香蕉果醋發(fā)酵條件。模糊數(shù)學(xué)正交試驗(yàn)因素水平見表1。

表1 模糊數(shù)學(xué)正交試驗(yàn)因素水平Table 1 The factors and levels of fuzzy mathematics orthogonal test

1.2.4 感官評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)香蕉果醋的形態(tài)、顏色和風(fēng)味3個(gè)方面進(jìn)行評(píng)分[10]。將香蕉果醋的成品分別交給10名有經(jīng)驗(yàn)的品評(píng)人員進(jìn)行打分，最后進(jìn)行計(jì)算，評(píng)分的標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 香蕉果醋感官評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 The sensory scoring standards of banana fruit vinegar

2 結(jié)果與分析

2.1 初始酒精度對醋酸發(fā)酵的影響

酒精度是影響醋酸發(fā)酵的重要因素，是醋酸發(fā)酵的主要營養(yǎng)物質(zhì)，對醋酸發(fā)酵的產(chǎn)酸量有著直接的影響，酒精度的升高能夠增強(qiáng)醋酸菌發(fā)酵，產(chǎn)生更多的酸量。但是如果酒精濃度過高，則會(huì)抑制醋酸菌的生長，導(dǎo)致產(chǎn)酸量下降。本研究對初始酒精量(4%、6%、8%、10%)的添加進(jìn)行了發(fā)酵研究。

由圖1可知，隨著酒精濃度的增加，發(fā)酵液中的總酸含量先增加后降低；當(dāng)發(fā)酵時(shí)間小于3 d時(shí)，10%初始酒精濃度的發(fā)酵液中，總酸含量一直保持不變，原因可能是開始時(shí)酒精濃度過大，抑制了醋酸菌的發(fā)酵。當(dāng)發(fā)酵時(shí)間超過4 d時(shí)，4%的酒精濃度不足以滿足醋酸菌的發(fā)酵，發(fā)酵液中的總酸含量開始降低，因此選取適宜的初始酒精度是香蕉果醋生產(chǎn)達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵因素。本試驗(yàn)選取4%～8%的初始酒精濃度作為香蕉果醋制作的最佳區(qū)間。

圖1 初始酒精度對醋酸發(fā)酵的影響Fig.1 The effect of initial alcohol content on acetic acid fermentation

2.2 接種量對醋酸發(fā)酵的影響

接種量的多少直接影響醋酸發(fā)酵的周期，隨著醋酸菌接種量的增加，醋酸發(fā)酵的時(shí)間也會(huì)縮短。但是如果接種量過大，醋酸菌大量地繁殖，消耗發(fā)酵液中的營養(yǎng)物質(zhì)，產(chǎn)生大量的代謝廢物，醋酸菌提前發(fā)生老化和自溶，從而影響醋酸發(fā)酵。本研究通過對比不同的醋酸菌接種量(4%、6%、8%、10%、12%、14%)對醋酸發(fā)酵的影響，每間隔1 d測定一次醋酸發(fā)酵液中總酸的含量，每次測定取5次，算出平均值。

由圖2可知，當(dāng)醋酸菌的接種量為4%～6%時(shí)，隨著接種量的增加，發(fā)酵液中總酸含量也不斷增加；當(dāng)接種量超過6%時(shí)，發(fā)酵液中的總酸含量越來越低。這是因?yàn)楫?dāng)發(fā)酵液中的營養(yǎng)物質(zhì)一定時(shí)，醋酸菌種越多，消耗的營養(yǎng)物質(zhì)就越多，造成產(chǎn)物轉(zhuǎn)化減少，發(fā)酵液中的總酸含量也減少，本試驗(yàn)選取醋酸接種量4%～8%為最佳的區(qū)間。

圖2 醋酸菌接種量對醋酸發(fā)酵的影響Fig.2 The effect of acetic acid bacteria inoculation amount on acetic acid fermentation

2.3 發(fā)酵溫度對醋酸發(fā)酵的影響

醋酸菌在發(fā)酵液中進(jìn)行發(fā)酵，在一定的溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，菌種的代謝能力增強(qiáng)，產(chǎn)酸量也不斷地增加；當(dāng)發(fā)酵溫度過高時(shí)，醋酸菌的生長受到抑制，導(dǎo)致醋酸產(chǎn)酸量下降。本試驗(yàn)根據(jù)研究報(bào)道醋酸發(fā)酵的溫度范圍，設(shè)置發(fā)酵溫度為26，28，30，32，34 ℃進(jìn)行試驗(yàn)。

由圖3可知，當(dāng)溫度小于30 ℃時(shí)，發(fā)酵液中的總酸含量隨著溫度的升高而增高；當(dāng)溫度超過30 ℃時(shí)，隨著溫度的升高，發(fā)酵液中的總酸含量反而降低；當(dāng)溫度為30 ℃時(shí)，醋酸發(fā)酵結(jié)束后，發(fā)酵液中總酸的含量最高。發(fā)酵溫度直接影響醋酸菌的生長發(fā)育，過高或者過低的溫度都會(huì)影響醋酸菌的生長，本試驗(yàn)將28～30 ℃作為香蕉果醋發(fā)酵的最佳溫度區(qū)間。

圖3 發(fā)酵溫度對醋酸發(fā)酵的影響Fig.3 The effect of fermentation temperature on acetic acid fermentation

2.4 pH值對醋酸發(fā)酵的影響

發(fā)酵液的pH值能影響醋酸菌的活性，當(dāng)發(fā)酵液中的pH值過高或者過低時(shí)，微生物的生長都會(huì)受到抑制。此外，pH值也能影響發(fā)酵液中營養(yǎng)物質(zhì)的積累和醋酸菌代謝物質(zhì)的穩(wěn)定性，從而致使醋酸菌產(chǎn)酸能力下降。

由圖4可知，當(dāng)發(fā)酵液的pH值由3.0升至3.5時(shí)，發(fā)酵液中的總酸含量也隨著pH的增加而不斷增加；當(dāng)pH值高于3.5時(shí)，發(fā)酵液中的總酸量隨著pH的升高而不斷下降。當(dāng)pH為3.5時(shí)，發(fā)酵液中總酸量達(dá)到最高。試驗(yàn)表明過高或者過低的pH均會(huì)影響醋酸發(fā)酵，抑制醋酸菌的生長。

圖4 pH值對醋酸發(fā)酵的影響Fig.4 The effect of pH value on acetic acid fermentation

2.5 發(fā)酵方式對醋酸發(fā)酵的影響

醋酸菌是一種好氧真菌，在醋酸發(fā)酵的過程中，發(fā)酵液體中氧氣含量的多少?zèng)Q定了醋酸發(fā)酵的程度。要使醋酸發(fā)酵徹底，則需要保證充足的氧氣量。相關(guān)研究表明，通過使用打氣和振蕩的方式都能夠提高醋酸發(fā)酵的效率。本研究通過對比振蕩和靜止兩種方式對醋酸發(fā)酵的影響，從而選取最適合醋酸發(fā)酵的方式。

由圖5可知，發(fā)酵時(shí)間在4 d以前，靜置培養(yǎng)產(chǎn)生的總酸量高于振蕩培養(yǎng)；發(fā)酵時(shí)間大于4 d時(shí)，發(fā)酵液中的總酸含量增長緩慢，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于振蕩發(fā)酵。由于振蕩培養(yǎng)能夠?yàn)榇姿岬纳L發(fā)育提供足夠的氧氣，有利于發(fā)酵液中總酸的積累，因此本試驗(yàn)選擇振蕩發(fā)酵作為香蕉果醋發(fā)酵的最佳方式。

圖5 不同的發(fā)酵方式對醋酸發(fā)酵的影響Fig.5 The effect of different fermentation methods on acetic acid fermentation

3 模糊感官評(píng)價(jià)及正交試驗(yàn)分析

通過對香蕉果醋醋酸發(fā)酵單一影響因素進(jìn)行分析，可以得出單一影響因素結(jié)果。采用正交試驗(yàn)對香蕉果醋醋酸發(fā)酵工藝進(jìn)行改進(jìn)。香蕉果醋的感官評(píng)價(jià)結(jié)果見表3。

表3 香蕉果醋感官評(píng)價(jià)結(jié)果Table 3 The sensory evaluation results of banana fruit vinegar

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果按照3種不同的影響因素進(jìn)行權(quán)重系數(shù)計(jì)算，獲得9組模糊矩陣。9組模糊矩陣見表4。

表4 利用模糊數(shù)學(xué)獲得的9組模糊矩陣Table 4 Nine groups of fuzzy matrices obtained by fuzzy mathematics

根據(jù)模糊數(shù)學(xué)原理和感官評(píng)價(jià)的方法，對9組正交試驗(yàn)進(jìn)行計(jì)算，得出綜合評(píng)價(jià)得分分別為A1=(80+80)×0.3+75×0.4=78，A2=(85+70)×0.3+70×0.4=74.5，A3=(85+70)×0.3+80×0.4=78.5，A4=(80+90)×0.3+80×0.4=83，A5=(90+80)×0.3+85×0.4=85，A6=(70+70)×0.3+70×0.4=70，A7=(85+90)×0.3+85×0.4=86.5，A8=(65+68)×0.3+65×0.4=65.9和A9=(90+85)×0.3+80×0.4=83，從9組香蕉果醋品質(zhì)的感官評(píng)分中得出，第4組、第5組、第7組和第9組的得分均超過80分，其中第7組的得分最高，所以在進(jìn)行香蕉果醋發(fā)酵過程中的醋酸發(fā)酵時(shí)，采用酒精度8%、醋酸菌接種量4%和發(fā)酵溫度32 ℃的加工工藝，香蕉果醋的感官評(píng)價(jià)最高。

4 結(jié)論

利用單因素優(yōu)化分析對香蕉果醋的品質(zhì)進(jìn)行單一因素確定，并通過模糊數(shù)學(xué)矩陣對香蕉果醋的品質(zhì)進(jìn)行感官綜合評(píng)分，結(jié)合正交試驗(yàn)分析，確定香蕉果醋生產(chǎn)工藝的最佳組合方式，為香蕉的新型產(chǎn)品香蕉果醋的生產(chǎn)工藝改進(jìn)提供了理論基礎(chǔ)。