嘉寶果果醋發(fā)酵動力學(xué)模型建立

熊亞，李敏杰*

(1.攀枝花學(xué)院 生物與化學(xué)工程學(xué)院(農(nóng)學(xué)院)，四川 攀枝花 617000；2.攀枝花市干熱河谷特色生物資源開發(fā)四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 攀枝花 617000)

嘉寶果(Myrciariacauliflora)是桃金娘科薔薇屬常綠灌木，因其果實(shí)外形類似葡萄且長在樹干上，又被稱為“樹葡萄”[1]。嘉寶果樹是一種熱帶果樹，原產(chǎn)于南美洲的巴西中部至阿根廷東北部地區(qū)，中國臺灣最早從巴西引進(jìn)種植，成為嘉寶果的重要產(chǎn)地，后來又推廣到福建省，目前在國內(nèi)多個省份如浙江、廣東、四川和云南等地均有種植[2]。成熟的嘉寶果果實(shí)呈黑紫色，甘甜多汁，甜味程度大約在13°～18°[3]。近年來，人們對嘉寶果的興趣與日俱增，因?yàn)樗娜~、果實(shí)、果皮等含有豐富的化學(xué)成分，其中的酚類成分，如花青素、鞣質(zhì)、類黃酮等賦予了嘉寶果很強(qiáng)的抗氧化性，其中所含的功能性脂肪族化合物則賦予嘉寶果獨(dú)特的香氣和令人愉悅的口感[4-6]，嘉寶果具有很高的營養(yǎng)和醫(yī)學(xué)價(jià)值，在臨床上可用于提取具有抗炎癥、抗癌等功效的生物活性物質(zhì)[7-9]，還可用于糖尿病、哮喘、心血管疾病、腹瀉及風(fēng)濕等疾病的輔助治療[10]。嘉寶果樹一般要種植8年以上才開始結(jié)果，1年可以結(jié)4～6次果，其獨(dú)特的生長周期使其經(jīng)濟(jì)收益十分可觀，但是嘉寶果果實(shí)不易保存，所以人們逐漸開始致力于開發(fā)更多的嘉寶果產(chǎn)品，在國外，以嘉寶果為原材料進(jìn)行酒類、飲料、果汁、果醬、果凍、醋類、發(fā)酵甜點(diǎn)等的研究已有報(bào)道[11-16]，在國內(nèi)，目前只有嘉寶果浸泡酒、起泡酒、桃酥類等產(chǎn)品的研究報(bào)道[17-19]，其他有關(guān)嘉寶果產(chǎn)品的報(bào)道還較少，所以嘉寶果作為一種營養(yǎng)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值都很高的水果具有很大的開發(fā)利用潛力。

本實(shí)驗(yàn)以嘉寶果為原料進(jìn)行嘉寶果果酒的發(fā)酵，再在果酒中加入果醋菌發(fā)酵，獲得嘉寶果果醋。在釀造過程中，對果醋菌的生長量(OD值)、酒精的消耗及產(chǎn)物醋酸的生成量進(jìn)行測定，并通過建立發(fā)酵動力學(xué)模型來探討三者之間的相關(guān)性。果醋菌的生長量(OD值)、底物酒精的消耗及產(chǎn)物醋酸的生成量的規(guī)律可用發(fā)酵動力學(xué)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行直觀表達(dá)[20-21]，目前國內(nèi)關(guān)于果醋動力學(xué)模型建立的報(bào)道較少，王榮榮等[22]對草莓果醋、薛媛媛[23]對蘋果醋的發(fā)酵動力學(xué)進(jìn)行了研究；穆曉靜[24]對玫瑰醋發(fā)酵過程中的動力學(xué)特征等進(jìn)行了研究；薛松[25]對椴樹蜜食醋進(jìn)行了發(fā)酵工藝優(yōu)化及發(fā)酵動力學(xué)模型的構(gòu)建；熊亞等[26]對桑葚-草莓復(fù)合果醋的動力學(xué)模型進(jìn)行了構(gòu)建；張超等[27]對柑橘果渣醋酸發(fā)酵動力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了研究。目前關(guān)于嘉寶果果醋發(fā)酵工藝及動力學(xué)模型的建立還未見報(bào)道。建立嘉寶果果醋發(fā)酵動力學(xué)模型，可以為嘉寶果果醋發(fā)酵工藝參數(shù)優(yōu)化及改進(jìn)提供參考，也對進(jìn)一步開拓嘉寶果產(chǎn)品及果醋種類的多樣性、工藝創(chuàng)新和市場開發(fā)具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

嘉寶果：網(wǎng)購自廣東保興堂生態(tài)有機(jī)農(nóng)場；帝伯仕果酒專用活性干酵母、帝伯仕活性果醋菌：山東煙臺帝伯仕自釀機(jī)有限公司；食品級焦亞硫酸鉀(焦亞硫酸鉀≥93%)：山東淄博長城化工廠；HCl、H2SO4：成都金山化學(xué)試劑有限公司；3，5-二硝基水楊酸、氫氧化鈉、酒石酸鉀鈉、苯酚、D-無水葡萄糖對照品(均為分析純)：上海展云化工有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

HZT-FA220S型電子分析天平 福州華志科學(xué)儀器有限公司；FA-52AA型顯微鏡 上海青浦滬西儀器廠；PHS-25型pH計(jì) 上海雷磁儀器有限公司；H1987型手持糖度折光儀 河北慧采科技有限公司；WB-502S型恒溫水槽水浴鍋 廣東環(huán)凱微生物科技有限公司；FP622型希爾頓果蔬全自動榨汁機(jī) 安徽潁上力程儀器設(shè)備有限公司；0-100精密酒精計(jì) 河北滄州超越儀器儀表有限公司；722型可見分光光度計(jì) 青島聚創(chuàng)環(huán)保集團(tuán)有限公司；BJPX-SG170Ⅱ立式恒溫振蕩培養(yǎng)箱 濟(jì)南鑫宇鑫醫(yī)療設(shè)備有限公司。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程

1.3.2 操作要點(diǎn)

將嘉寶果洗凈、去核、榨汁。

過濾：過濾掉果渣，在濾液中加入60 mg/L SO2，防止雜菌污染。

加入一定體積飲用純凈水：按嘉寶果果汁與水體積比為2∶1的比例加入飲用純凈水。

成分調(diào)整：測定加水后嘉寶果果汁的初始糖度約為130 g/L，加入白砂糖調(diào)節(jié)其糖度至230 g/L，測定其初始酸度為6.8 g/L，加入檸檬酸調(diào)整其酸度至4.5 g/L。

發(fā)酵：在果汁中加入0.6%的果酒酵母，在28 ℃恒溫培養(yǎng)箱中進(jìn)行發(fā)酵，發(fā)酵時(shí)間為13 d。

醋酸發(fā)酵：在嘉寶果果酒中加入0.6 g/L果醋菌，在32 ℃的恒溫振蕩培養(yǎng)箱中進(jìn)行醋酸發(fā)酵，發(fā)酵時(shí)間為10 d。

1.3.3 嘉寶果果酒發(fā)酵過程參數(shù)測定

測定果酒發(fā)酵結(jié)束時(shí)的酒精度及總糖含量。在果醋發(fā)酵期間(10 d內(nèi))每隔24 h測定酒精度、醋酸含量及果醋菌生長量(OD值)。

1.3.3.1 酒精度的測定

采用蒸餾法[28]進(jìn)行測定。

1.3.3.2 總糖含量的測定

采用詹夢濤等[29]介紹的比色法進(jìn)行總糖含量的測定。獲得標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程為y=0.555 2x+0.017 9，相關(guān)系數(shù)R2=0.997。

1.3.3.3 果醋菌生長量的測定

采用分光光度計(jì)法，從接種果醋菌開始，在600 nm波長處每隔24 h測定果醋發(fā)酵液的OD值，OD值是反映果醋菌生長量的指標(biāo)，能反映出果醋菌在發(fā)酵過程中的生長情況。

1.3.3.4 醋酸含量的測定

采用酸堿滴定法測定醋酸含量。

1.3.4 數(shù)據(jù)處理及發(fā)酵動力學(xué)模型的建立

測得嘉寶果果醋發(fā)酵期間的果醋菌生長量、酒精度及醋酸生成量數(shù)據(jù)，通過Origin 8.6軟件進(jìn)行非線性擬合，根據(jù)相關(guān)系數(shù)的大小選擇果醋菌生長量、酒精度及醋酸生成量動力學(xué)模型的最佳原始方程，并通過回歸求解獲得原始方程的各項(xiàng)參數(shù)，建立對應(yīng)的發(fā)酵動力學(xué)模型。

2 結(jié)果與分析

嘉寶果果酒發(fā)酵結(jié)束時(shí)測得其酒精度為12.0%，總糖含量為16.2 g/L。在果酒發(fā)酵液中按0.6 g/L的添加量接種果醋菌，進(jìn)行10 d的果醋發(fā)酵。

2.1 嘉寶果果醋中果醋菌生長量、酒精含量、醋酸生成量的變化情況

嘉寶果果醋發(fā)酵過程中果醋菌生長量、酒精含量、醋酸生成量的變化情況見圖1。

圖1 嘉寶果果醋發(fā)酵過程中主要指標(biāo)變化曲線Fig.1 Change curves of main indexes in the fermentation process of Myrciaria cauliflora fruit vinegar

果醋菌生長量和醋酸生成量隨著發(fā)酵時(shí)間的延長而不斷增加，尤其是在第3～8天迅速上升，然后變化趨于平緩，發(fā)酵結(jié)束時(shí)(第10天)測得醋酸生成量為6.79 g/dL。酒精含量在發(fā)酵前3 d變化較為緩慢，與果醋菌生長量和醋酸生成量在前3 d的變化趨勢相對應(yīng)，在第3～8天，含量迅速下降，然后趨于平緩，第10天發(fā)酵結(jié)束時(shí)酒精含量為0.6%。果醋菌生長量、酒精含量、醋酸生成量的變化曲線符合發(fā)酵過程中菌體形成、底物消耗和產(chǎn)物形成三者間的對應(yīng)關(guān)系，嘉寶果果醋在從果酒開始的發(fā)酵過程中，果酒中所含的酒精是果醋菌生長所要消耗的主要底物，所以果醋菌生長量快速增長的這段時(shí)期也是酒精含量快速下降的時(shí)期，由于大量消耗分解嘉寶果果酒中的各種營養(yǎng)物質(zhì)及酒精，產(chǎn)物醋酸的生成量也快速增加。在發(fā)酵后期(第8～10天)，果醋菌生長量變化趨勢明顯變緩，這是因?yàn)楣拙纳L狀態(tài)由生長對數(shù)期開始逐漸進(jìn)入到穩(wěn)定期，最后衰亡，其消耗酒精能力和產(chǎn)醋酸作用均開始減弱，酒精含量和醋酸生成曲線變化趨勢變緩。

2.2 果醋菌生長量動力學(xué)模型

果醋菌的生長量在延滯期、對數(shù)期和穩(wěn)定期的生長曲線類似于“S”形，利用呈“S”形的Boltzmann、Logistic和SGompertz 3種模型對果醋菌生長量的變化趨勢進(jìn)行非線性擬合。

表1 果醋菌生長量(OD值)的模型方程及其相關(guān)系數(shù)Table 1 The model equations and correlation coefficients of the growth of fruit vinegar bacteria (OD value)

由表1可知，對果醋菌生長量進(jìn)行擬合的3種模型對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)分別為0.994 0，0.992 4，0.997 2，Boltzmann模型的相關(guān)系數(shù)最高，說明相比于其他兩種模型，它對果醋菌生長量的擬合性最好。其原始方程如下：

(1)

式中：y為果醋菌生長量(OD值)；A1為初始果醋菌生長量(OD值)；A2為發(fā)酵結(jié)束時(shí)果醋菌生長量(OD值)；x為發(fā)酵時(shí)間(d)；x0、dx為方程系數(shù)。

對式(1)進(jìn)行非線性擬合，得A1=-0.001 12，A2=0.443，x0=5.18，dx=1.20。帶入式(1)得果醋菌生長量隨發(fā)酵時(shí)間變化的動力學(xué)模型為：

(2)

果醋菌生長量Boltzmann模型擬合曲線見圖2。

圖2 果醋菌生長量Boltzmann模型擬合曲線Fig.2 Fitted curve of Boltzmann model of growth of fruit vinegar bacteria

2.3 醋酸生成量動力學(xué)模型

由表2可知，醋酸生成量與果醋菌生長量的變化趨勢相對應(yīng)，仍然采用Logistic、SGompertz和Boltzman 3種模型進(jìn)行醋酸生成曲線的非線性擬合，相關(guān)系數(shù)分別為0.991 5，0.989 7，0.994 3。Boltzmann模型的相關(guān)系數(shù)最高，說明其擬合效果最好。方程如下：

(3)

表2 醋酸生成量模型方程及其相關(guān)系數(shù)Table 2 The model equations and correlation coefficients of acetic acid production

式中：y表示醋酸生成量(g/dL)；A1表示初始醋酸含量(g/dL)；A2表示發(fā)酵結(jié)束時(shí)的醋酸含量(g/dL)；x表示發(fā)酵時(shí)間(d)；x0、dx為方程系數(shù)。

通過Origin 8.6軟件對發(fā)酵過程中的醋酸含量和式(3)進(jìn)行擬合，得到A1=0.041 8，A2=6.97，x0=5.07，dx=1.11，帶入式(3)得醋酸生成量隨發(fā)酵時(shí)間變化的動力學(xué)模型為：

(4)

醋酸生成量與Boltzmann模型擬合曲線見圖3。

圖3 醋酸生成量Boltzmann模型擬合曲線Fig.3 Fitted curve of Boltzmann model of acetic acid production

2.4 酒精消耗動力學(xué)模型的建立

酒精消耗動力學(xué)模型建立的擬合方程及相關(guān)系數(shù)見表3。

表3 酒精消耗模型方程及其相關(guān)系數(shù)Table 3 The model equations and correlation coefficients of alcohol consumption

發(fā)酵期間酒精含量的數(shù)據(jù)用Logistic、DoseResp和Boltzmann 3種模型進(jìn)行非線性擬合，相關(guān)系數(shù)分別為0.995 2，0.995 1，0.995 1,Logistic模型的相關(guān)系數(shù)最高。酒精的消耗主要用于發(fā)酵過程中果醋菌的生長和醋酸的產(chǎn)生。Logistic模型原始方程如下：

(5)

式中：y表示酒精含量(%)；A1表示初始酒精度(%)；A2表示發(fā)酵結(jié)束時(shí)的酒精度(%)；x表示發(fā)酵時(shí)間(d)；x0、p為方程系數(shù)。

通過Origin 8.6軟件對酒精度和式(5)進(jìn)行擬合，得A1=12.0，A2=-1.22，x0=5.56，p=3.39。帶入式(5)得動力學(xué)模型為：

(6)

酒精消耗的Logistic模型非線性擬合曲線見圖4。

圖4 酒精消耗Logistic模型擬合曲線Fig.4 Fitted curve of Logistic model of alcohol consumption

3 結(jié)論

從嘉寶果在發(fā)酵10 d期間果醋菌生長量(OD值)、酒精消耗及醋酸生成量的變化趨勢來看，三者相互關(guān)聯(lián)，在發(fā)酵第3～8天，醋酸生成量隨著菌體生長量的急劇增加而升高，同時(shí)，酒精含量迅速下降，發(fā)酵結(jié)束時(shí)(第10天)嘉寶果果醋中果醋菌生長量(OD值)為0.434，酒精度為0.6%，醋酸含量為6.79 g/dL。

用發(fā)酵動力學(xué)對嘉寶果果醋發(fā)酵過程中果醋菌生長量、基質(zhì)消耗(即酒精度)和產(chǎn)物醋酸生成三者之間的關(guān)系進(jìn)行定量描述，根據(jù)幾種模型非線性擬合相關(guān)系數(shù)的比較，以Boltzmann方程建立嘉寶果果醋的果醋菌生長量及醋酸生成量動力學(xué)模型，以Logistic方程建立酒精消耗動力學(xué)模型，3種模型的相關(guān)系數(shù)R2分別為0.997 2，0.994 3，0.995 2。說明選擇的動力學(xué)模型能很好地描述果醋菌生長量、醋酸生成量及酒精消耗在發(fā)酵過程中的變化及相互關(guān)聯(lián)情況。嘉寶果果醋發(fā)酵動力學(xué)模型的建立，為描述發(fā)酵的動力學(xué)特征及今后嘉寶果果醋的工業(yè)化生產(chǎn)提供了理論支持。