利用響應(yīng)面法優(yōu)化蒸餾醋生產(chǎn)工藝的研究

畢 靜，鄭 萍，葉荷生

（1.江蘇經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211168；2.江蘇恒順集團(tuán)有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

食醋是指單獨(dú)或混合使用各種含有淀粉、糖的物料、食用酒精，經(jīng)微生物發(fā)酵釀制而成的液體酸性調(diào)味品[1]，其歷史悠久，我國是世界上釀醋最早的國家。由于食醋采用的原料和生產(chǎn)工藝不同，風(fēng)味也各不相同。食醋除含有大量的乙酸外，還含有其他的有機(jī)酸、糖類和氨基酸等物質(zhì)[2-4]。

隨著我國社會(huì)的進(jìn)步和消費(fèi)水平的提升，對(duì)各種風(fēng)味食醋的需求不斷加大。蒸餾醋是一種將發(fā)酵醋酸原料發(fā)酵后，取其汁經(jīng)低溫真空蒸餾收集餾出液而得到的無色透明、酸味純正并略帶清香的無色透明液體醋。因其無色透明而受到部分消費(fèi)者的喜愛，且蒸餾醋是一種可在食品加工領(lǐng)域廣泛使用的基礎(chǔ)性生產(chǎn)原料，能滿足于加工調(diào)味汁、調(diào)味番茄醬和腌漬菜等的需要[5-6]。

通常，在一定溫度下，某一化學(xué)物質(zhì)的飽和蒸氣壓越大，該物質(zhì)越容易揮發(fā)，當(dāng)分壓達(dá)到飽和蒸汽壓，就會(huì)達(dá)到平衡狀態(tài)。根據(jù)蘭氏化學(xué)手冊(cè)（第13版）[7]，水的飽和蒸汽壓為3.168 kPa，乙酸的飽和蒸汽壓為2.10 kPa，看似乙酸比水更難蒸餾，但乙酸分子中的羧基（-COOH）是親水性基團(tuán)，能與水形成氫鍵，食醋中的乙酸和水分子間的氫鍵是主導(dǎo)食醋體系理化性質(zhì)的最強(qiáng)化學(xué)力，使得其相對(duì)揮發(fā)度十分接近，乙酸混合液相對(duì)揮發(fā)速率（95%）為0.39，水相對(duì)揮發(fā)速率為0.36，因此，乙酸在進(jìn)行真空蒸餾時(shí)能和水同時(shí)被蒸餾出來，而不是大部分留下，這就為應(yīng)用低溫真空蒸餾法生產(chǎn)蒸餾醋提供了理論基礎(chǔ)。

在本研究中，蒸餾醋生產(chǎn)工藝是一種醋原液以純糧食經(jīng)酒精發(fā)酵、固態(tài)分層醋酸發(fā)酵后，取其汁經(jīng)低溫真空蒸餾收集餾出液而得到的一種具有清香風(fēng)味蒸餾醋的新工藝（該生產(chǎn)工藝在國內(nèi)尚未見報(bào)道），并利用響應(yīng)面法對(duì)低溫真空蒸餾法生產(chǎn)蒸餾醋工藝進(jìn)行優(yōu)化[8-11]，以蒸餾醋得率為考察指標(biāo)，得到低溫真空蒸餾醋生產(chǎn)的最佳工藝條件[12-16]，該研究可為蒸餾醋工業(yè)化生產(chǎn)提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

1.1.1 材料

糯米、麩皮、大糠，鎮(zhèn)江市市場(chǎng)所售。

1.1.2 儀器與設(shè)備

真空蒸餾器（包括帶夾層的蒸餾器、帶盤管的冷卻器和抽真空系統(tǒng)），自制。

1.2 方法

1.2.1 生產(chǎn)工藝

由大米或糯米經(jīng)糖化、酒精發(fā)酵和醋酸發(fā)酵后，將其發(fā)酵液在一定的真空度下加熱蒸餾，蒸餾液經(jīng)冷卻收集后勾兌得到所需的蒸餾醋，成品蒸餾醋中醋酸含量不小于3.5 g/100 mL。

真空度控制在0.03～0.07 MPa，加熱溫度控制在30～70℃，蒸餾時(shí)間控制在10～18 h。

1.2.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.2.2.1 酸度

采用GB/T 18623—2011[17]中規(guī)定的方法進(jìn)行測(cè)定。

1.2.2.2 蒸餾醋得率

蒸餾醋得率（Y）按下列公式計(jì)算：

式中：C1為成品蒸餾醋醋酸含量，g/100 mL；C2為蒸餾用的發(fā)酵液醋酸含量，g/100 mL；V1為成品蒸餾醋體積數(shù)，m3；V2為蒸餾用的發(fā)酵液體積數(shù)，m3。

1.2.3 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

初步選定真空度0.05 MPa，蒸餾溫度50℃，蒸餾時(shí)間14 h，分別考察真空度（0.03、0.04、0.05、0.06、0.07 MPa）、蒸餾溫度（30、40、50、60、70℃）、蒸餾時(shí)間（10、12、14、16、18 h）對(duì)蒸餾醋得率的影響。

1.2.4 蒸餾醋生產(chǎn)工藝響應(yīng)面試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)的結(jié)果，以真空度、蒸餾溫度和蒸餾時(shí)間為影響因素，以蒸餾醋得率為響應(yīng)值，采用Design-Expert l設(shè)計(jì)Box-Behnken試驗(yàn)，響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平見表1。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平表Table 1 Response surface test factors and levels

1.2.5 蒸餾醋生產(chǎn)工藝優(yōu)化前后所得蒸餾醋感官品質(zhì)比較試驗(yàn)

采用優(yōu)化得到的最佳生產(chǎn)工藝條件，進(jìn)行3組平行試驗(yàn)，將所得蒸餾醋的得率和理論的預(yù)測(cè)結(jié)果相比較，同時(shí)將優(yōu)化后工藝所得蒸餾醋的感官品質(zhì)與原工藝所得蒸餾醋進(jìn)行比較。

1.2.6 數(shù)據(jù)處理

采用Design-Expert l設(shè)計(jì)Box-Behnken試驗(yàn)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 真空度對(duì)蒸餾醋得率的影響

由圖1可以看出，真空度越高，蒸餾醋的得率越高，但真空度達(dá)到0.04 MPa后變化基本不大，這是因?yàn)樵谡麴s時(shí)存在蒸餾平衡，該平衡和真空度有極大的關(guān)系，但真空度太高也會(huì)使得達(dá)到此真空度的難度成倍增加，直接影響生產(chǎn)效率，使生產(chǎn)周期延長，所以確定真空度0.04、0.05、0.06 MPa為后續(xù)響應(yīng)面試驗(yàn)的水平值。

圖1 不同真空度對(duì)蒸餾醋得率的影響Fig.1 Effect of different vacuum degree on the yield of distilled vinegar

2.2 蒸餾溫度對(duì)蒸餾醋得率的影響

由圖2可以看出，隨著蒸餾溫度的上升，蒸餾醋的得率變高，到50℃后基本穩(wěn)定，說明蒸餾溫度對(duì)食醋中的乙酸和水分子間氫鍵的影響較大，所以確定蒸餾溫度40、50、60℃為后續(xù)響應(yīng)面試驗(yàn)水平值。

圖2 不同蒸餾溫度對(duì)蒸餾醋得率的影響Fig.2 Effect of different distillation temperature on the yield of distilled vinegar

2.3 蒸餾時(shí)間對(duì)蒸餾醋得率的影響

由圖3可以看出，蒸餾醋的得率隨著蒸餾時(shí)間的延長而升高，到14 h后增長放緩。時(shí)間過長會(huì)影響生產(chǎn)效率，使得生產(chǎn)周期延長，因此，確定蒸餾時(shí)間12、14、16 h為后續(xù)響應(yīng)面試驗(yàn)水平值。

圖3 不同蒸餾時(shí)間對(duì)蒸餾醋得率的影響Fig.3 Effect of different distillation time on the yield ofdistilled vinegar

2.4 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

應(yīng)用Design-Expert l軟件，得到響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果，見表2。

通過對(duì)表2的結(jié)果進(jìn)行分析擬合，得到各響應(yīng)面因素對(duì)蒸餾醋得率的二次回歸方程：

表2 蒸餾醋工藝響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Design and results of response surface test for technology optimization of distilled vinegar

對(duì)所得到的回歸模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表3。

表3 回歸模型方差分析Table 3 Analysis of variance of regression model

回歸模型F值為92.25，P值＜0.000 1，表明該模型具有顯著性，A、B、C、AB、B2對(duì)模型影響極顯著（P＜0.01），C2對(duì)模型影響顯著（P＜0.05）。失擬項(xiàng)P=0.123 4＞0.05，說明失擬項(xiàng)不顯著。根據(jù)各因素F值大小可以得出，3個(gè)因素對(duì)蒸餾醋得率的影響依次為A（真空度）＞B（蒸餾溫度）＞C（蒸餾時(shí)間）。

2.5 響應(yīng)面分析與優(yōu)化

根據(jù)回歸模型，對(duì)真空度（A）、蒸餾溫度（B）和蒸餾時(shí)間（C）兩兩交互作用對(duì)蒸餾醋得率的影響作響應(yīng)曲面圖，結(jié)果見圖4～6。

圖4 真空度和蒸餾溫度的交互作用對(duì)蒸餾醋得率影響的響應(yīng)面圖Fig.4 Response surface map of the effect of interaction of vacuum degree and distillation temperature on the yield of distilled vinegar

由圖4可見，真空度（A）和蒸餾溫度（B）的交互作用對(duì)蒸餾醋得率影響顯著，真空度一定時(shí)，隨著蒸餾溫度增加，蒸餾醋得率增加；而蒸餾溫度一定時(shí)，隨著真空度的增加，蒸餾醋得率也增加。由圖5可見，真空度（A）和蒸餾時(shí)間（C）的交互作用對(duì)蒸餾醋得率影響不顯著，真空度一定時(shí)，隨著蒸餾時(shí)間的增加，蒸餾醋得率增加不明顯；當(dāng)蒸餾時(shí)間一定時(shí)，隨著真空度的增加，蒸餾醋得率增加。由圖6可見，蒸餾溫度（B）和蒸餾時(shí)間（C）的交互作用對(duì)蒸餾醋得率影響不顯著，蒸餾溫度一定時(shí)，隨著蒸餾時(shí)間的增加，蒸餾醋得率增加不明顯，當(dāng)蒸餾時(shí)間一定時(shí)，隨著蒸餾溫度的增加，蒸餾醋得率增加是一種先急后緩的狀況。

圖5 真空度和蒸餾時(shí)間的交互作用對(duì)蒸餾醋得率影響的響應(yīng)面圖Fig.5 Response surface map of the effect of interaction of vacuum degree and distillation time on the yield of distilled vinegar

圖6 蒸餾溫度和蒸餾時(shí)間的交互作用對(duì)蒸餾醋得率影響的響應(yīng)面圖Fig.6 Response surface map of the effect of interaction of distillation temperature and distillation time on the yield of distilled vinegar

2.6 回歸模型驗(yàn)證

采用Design-Expert l軟件，對(duì)所建立的模型進(jìn)行參數(shù)最優(yōu)化分析，得到的最佳生產(chǎn)工藝條件為：真空度0.04 MPa，蒸餾溫度52.41℃，蒸餾時(shí)間15.78 h，在此條件下，蒸餾醋得率為75.075 6%。為了便于操作，調(diào)整生產(chǎn)工藝條件為：真空度0.04 MPa，蒸餾溫度52℃，蒸餾時(shí)間15.5 h，在此條件下進(jìn)行3組平行試驗(yàn)，得到蒸餾醋的平均得率為75%，結(jié)果和理論的預(yù)測(cè)結(jié)果高度吻合。

2.7 生產(chǎn)工藝優(yōu)化前后所得蒸餾醋感官品質(zhì)比較

經(jīng)響應(yīng)面法優(yōu)化后的蒸餾醋生產(chǎn)工藝生產(chǎn)出的蒸餾醋感官品質(zhì)與原工藝比較無差異，所得產(chǎn)品均無色透明、有蒸餾醋特有的清香氣，酸味柔和，無異味。但原工藝的蒸餾醋得率為68%，經(jīng)工藝優(yōu)化后蒸餾醋得率為75%，蒸餾醋產(chǎn)量有所提高。由此可見，利用響應(yīng)面法優(yōu)化蒸餾醋生產(chǎn)工藝可靠實(shí)用，具有實(shí)際價(jià)值。

3 結(jié)論

通過對(duì)醋酸發(fā)酵液低溫真空蒸餾生產(chǎn)工藝的研究，根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，選擇真空度、蒸餾溫度和蒸餾時(shí)間為影響因素，以蒸餾醋得率為響應(yīng)值對(duì)蒸餾醋生產(chǎn)工藝進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化，得到最佳生產(chǎn)工藝條件為：真空度0.04 MPa，蒸餾溫度52℃，蒸餾時(shí)間15.5 h，在此條件下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，得到蒸餾醋得率為75%，和理論預(yù)測(cè)結(jié)果高度吻合，優(yōu)化后的生產(chǎn)工藝具有較好的應(yīng)用價(jià)值。