響應(yīng)面法結(jié)合主成分分析優(yōu)化蘋果醋制作工藝

中圖分類號(hào)：TS275.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1000-9973（2025）07-0159-06

DOI：10.3969/j.issn.1000-9973.2025.07.023

Optimization of Apple Vinegar Production Process by Response Surface Method Combined with Principal Component Analysis

LIAN Wen-qi1，F(xiàn)ENG Ya-rong2 （1.School of Food and Environment， Jinzhong College of Information，Jinzhong O308oo，China; 2. Department of Biological Science and Technology，Jinzhong University， Jinzhong O30619，China）

Abstract： In order to optimize the production process of apple vinegar and obtain apple vinegar product with better taste and nutritional value，fresh apples are used as the raw materials to produce apple vinegar through alcohol fermentation and acetic acid fermentation. Response surface method combined with principal component analysis is used to optimize the fermentation processof apple vinegar. The effects of addition methods of two diffrent bacterial strains，fermentation temperature （30，32，34，36， 38^°C ）and fermentation time （8，9，10，11，12d） on the physicochemical indexes（pH value，total flavonoid content， total polyphenol content and total acid content）and sensory score of apple vinegar during fermentation are evaluated by response surface method， so as to optimize the production process of apple vinegar. The results show that the optimal fermentation process of apple vinegar is as folows： the mixture of strains A and B is added in equal proportions，the acetic acid fermentation time is 10d ，and the acetic acid fermentation temperature is 34^°C .Under these conditions，the pH value of apple vinegar is 4. O1，the total acid content is （4.59±0.02 ） g/100mL ，the total polyphenol content is （0，24±0.06）mg/mL ，and the total flavonoid content is （0，21±0，07 ） mg/mL . Meanwhile，the equation obtained by fitting with addition methods of bacterial strains，acetic acid fermentation time and acetic acid fermentation temperature as the factors is Y=37.511+41. 751A+15 .992B+32.531C-2.185AB -6.182AC+0.182BC-19.421A²-12.593B²- 18.423C² . This equation can predict the experimental results well and has certain guiding significance for the optimization of apple vinegar fermentation process.

Key Words： apple vinegar; response surface method; principal component analysis; optimization of production process

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)的蘋果種植面積和產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的 45% 以上。在世界范圍內(nèi)，蘋果一般以鮮果出售，由于天氣、種植、磕碰、光照等原因，總產(chǎn)量約 20% 的蘋果的形狀、品相不能達(dá)到鮮果的銷售標(biāo)準(zhǔn)[1-2]，但其風(fēng)味和營(yíng)養(yǎng)成分并未受到影響，通常利用加工手段提升蘋果的附加值，蘋果醋、蘋果醬、蘋果汁是蘋果的主流深加工產(chǎn)品[3]。

蘋果醋是一款以蘋果汁為主要原料，經(jīng)酒精發(fā)酵、醋酸發(fā)酵后獲得的清澈、具有獨(dú)特酸甜口感的飲品。其由于富含氨基酸、有機(jī)酸、維生素、礦物質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)成分，具有促進(jìn)消化、調(diào)節(jié)血糖、降血脂等多重保健功效，已成為全球消費(fèi)者喜愛(ài)的飲品之一[4]。已有研究對(duì)蘋果醋中所含酚酸類衍生物（如綠原酸）、黃酮類物質(zhì)（如槲皮素、異槲皮素、蘆丁等）的生理作用進(jìn)行了深入研究[5-6]；同時(shí)對(duì)蘋果醋的非揮發(fā)性有機(jī)酸、揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行了成分分析，了解了其香氣的主要貢獻(xiàn)成分[。蘋果醋不僅在食品工業(yè)中作為調(diào)味品用于烘焙、烹飪，而且被廣泛用于保健產(chǎn)品、個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品中[8-9]。

然而，傳統(tǒng)的蘋果醋制作工藝時(shí)間長(zhǎng)、效率低且品質(zhì)受多種因素的影響，如發(fā)酵溫度、發(fā)酵時(shí)間、原料比例等，這些因素的優(yōu)化對(duì)于提高蘋果醋的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要。隨著消費(fèi)者對(duì)食品安全和營(yíng)養(yǎng)成分的關(guān)注度的提升，對(duì)蘋果醋的品質(zhì)要求也日益提高[10]。本文以新鮮蘋果為原料，經(jīng)酒精發(fā)酵和醋酸發(fā)酵制作蘋果醋。利用響應(yīng)面法優(yōu)化蘋果醋發(fā)酵工藝，評(píng)價(jià)發(fā)酵過(guò)程中菌種添加方式（菌種A、菌種B、菌種 A：B 為 1：1. 菌種 A{B} 為2：1 、菌種 A：B 為 1：2 ）、醋酸發(fā)酵溫度（30，32，34，36，38^°C ）和醋酸發(fā)酵時(shí)間（8，9，10，11，12d）對(duì)蘋果醋理化指標(biāo)（pH值、總黃酮含量、總多酚含量、總酸含量）和感官評(píng)分的影響，以期探索并確定蘋果醋發(fā)酵過(guò)程中的最優(yōu)工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的最優(yōu)化，為蘋果深加工產(chǎn)業(yè)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1材料與方法

1. 1 材料與試劑

市售蘋果、綿白糖：購(gòu)于美家美超市（太谷店）;無(wú)水乙醇、 NaNO₃ 、 NaNO₂ 、 ΔNaOH Na₂CO₃ 、HCl、 FeSO₄ 、 Fe₂O₃ 、Al₂O₃ ， .CH₃COOH. 蘆丁標(biāo)準(zhǔn)品、沒(méi)食子酸標(biāo)準(zhǔn)品、果膠酶（均為化學(xué)純）：山西同杰化學(xué)試劑有限公司；釀酒酵母、醋酸桿菌：山西省生物研究院有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

PD-01型酸度計(jì)、BZ201型分析天平、九陽(yáng)JYZ-E5V 榨汁機(jī)濟(jì)南鑫貝西生物技術(shù)有限公司；TG-GY-10A型高壓蒸汽滅菌鍋、HA-CU-1GD型超凈工作臺(tái)蘇州安泰空氣技術(shù)有限公司；GED-0401Z型發(fā)酵罐上海博迅醫(yī)療生物儀器股份有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1蘋果醋發(fā)酵工藝流程

原料處理：將蘋果清洗干凈，去除腐爛和損傷部分，去皮后切成 1cm×1cm×1cm 的小塊后稱取 500g ，使用榨汁機(jī)將蘋果破碎榨汁。經(jīng)100目濾網(wǎng)過(guò)濾后，向蘋果汁中加入果膠酶， 62^°C 酶解 150min 后， 120°C 加熱15min 使果膠酶滅活。加入 300g 綿白糖，攪拌均勻備用。

酒精發(fā)酵：待糖全部溶解均勻后，加入蘋果汁質(zhì)量10% 的釀酒酵母，在 25^°C，12d 條件下進(jìn)行酒精發(fā)酵，發(fā)酵完成后將混合物在室溫下自然沉降5d，經(jīng)100目濾網(wǎng)過(guò)濾后的濾液進(jìn)行后續(xù)發(fā)酵。

醋酸發(fā)酵：準(zhǔn)確稱取發(fā)酵濾液，以 1：10 的比例接種醋酸桿菌。搖瓶液態(tài)發(fā)酵條件： 100r/min ，在一定發(fā)酵溫度和發(fā)酵時(shí)間條件下完成醋酸發(fā)酵（單因素實(shí)驗(yàn)條件）。

殺菌：發(fā)酵產(chǎn)物經(jīng)100目濾網(wǎng)過(guò)濾后，將濾液在120^°C 下滅菌 15min ，即完成蘋果醋生產(chǎn)過(guò)程。

1.3.2 蘋果醋發(fā)酵工藝優(yōu)化

1.3.2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

菌種添加方式：其他發(fā)酵工藝條件不變，在酒精發(fā)酵過(guò)程中，設(shè)置5種不同菌種添加方式（單獨(dú)添加菌種A、單獨(dú)添加菌種B、菌種 A：B 為 1：1 、菌種 A：B 為 2：1 F菌種 A：B 為 1：2） 。

醋酸發(fā)酵時(shí)間：其他發(fā)酵工藝條件不變，在醋酸發(fā)酵時(shí)以 34°C 進(jìn)行發(fā)酵，比較發(fā)酵時(shí)間為8，9，10，11，12d時(shí)的發(fā)酵效果。

醋酸發(fā)酵溫度：其他發(fā)酵工藝條件不變，在醋酸發(fā)酵時(shí)發(fā)酵 10d ，比較發(fā)酵溫度為 30，32，34，36，38^°C 時(shí)的發(fā)酵效果。

1.3.2.2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以菌種添加方式、醋酸發(fā)酵時(shí)間和醋酸發(fā)酵溫度為考察因素，以感官評(píng)分、pH值、總酸含量、總多酚含量、總黃酮含量為響應(yīng)值，利用Box-Behnken中心組合設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)三水平三因素響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)，因素和水平見(jiàn)表1。

表1蘋果醋發(fā)酵工藝優(yōu)化因素水平設(shè)計(jì)

1.3.3 蘋果醋理化指標(biāo)檢測(cè)

1.3.3.1 pH值測(cè)定

取發(fā)酵好的蘋果醋 100mL ，利用酸度計(jì)進(jìn)行pH值的測(cè)定。

1.3.3.2總酸、總多酚含量測(cè)定

依據(jù)GB/T5009.41—2003《食醋衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的分析方法》，采用滴定法進(jìn)行總酸含量的測(cè)定[11]

準(zhǔn)確稱取已烘干的沒(méi)食子酸標(biāo)準(zhǔn)品 110μL （濃度1mg/mL） ，定容至 100mL 容量瓶中，完全溶解后配制成母液。分別取 1.0，2.0，3.0，4.0，5.0mL 沒(méi)食子酸母液定容至 100mL ，配制成 0. 011，0. 022，0. 033，0. 044 .0.055mg/mL 的沒(méi)食子酸標(biāo)準(zhǔn)溶液，測(cè)定其在 758nm 處的吸光度值，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線（見(jiàn)圖1），標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合方程為 y=3.194 8x+0.000 5（R2=0.996 7）[12-14]。

取 11.0mL 蘋果醋，加入 12% 福林酚溶液 4.5mL 混合均勻后于室溫下靜置 8min ，加人 5%NaCO₃ 溶液定容至 100mL 。測(cè)定蘋果醋溶液的吸光度值，代入標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合方程 y=3.1948x+0.0005 ，計(jì)算蘋果醋的總多酚含量。

1.3.3.3總黃酮含量測(cè)定

參考時(shí)培寧等[15]的方法并略作修改。準(zhǔn)確稱取已烘干的蘆丁標(biāo)準(zhǔn)品 100μL （濃度 1mg/mL） ，置于 100mL 容量瓶中，加入 30% 乙醇溶液定容至 100mL ，于室溫下靜置 10min 至蘆丁標(biāo)準(zhǔn)品完全溶解后配制成蘆丁母液。分別取 1.0，2.0，3.0，4.0，5.0mL 蘆丁母液定容至 100mL ，配制成 0. 01，0. 02，0. 03，0. 04，0. 05mg/mL 的蘆丁標(biāo)準(zhǔn)溶液，測(cè)定其在 628nm 處的吸光度值，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線（見(jiàn)圖2），標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合方程為 y=10.457x+0.005 2 （R²=0.992 9） 。

取 10mL 蘋果醋，加入 30% 乙醇溶液，于室溫下反應(yīng) 10min 后測(cè)定其在 628nm 處的吸光度值，代入標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合方程 y=10.457x+0.005 2 ，計(jì)算蘋果醋的總黃酮含量。

以上理化指標(biāo)均重復(fù)測(cè)定5次，進(jìn)行平均值和方差比較。

1.3.4蘋果醋感官評(píng)價(jià)方法

選擇20位經(jīng)食品感官評(píng)價(jià)訓(xùn)練的學(xué)生（10男10女），依據(jù)蘋果醋感官評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)表2）對(duì)蘋果醋產(chǎn)品的色澤、口感、氣味和組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)。打分精確至小數(shù)點(diǎn)后一位，最終評(píng)分結(jié)果為20名學(xué)生評(píng)分加和平均值。

對(duì)蘋果醋各品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，獲得特征值、貢獻(xiàn)率和累計(jì)貢獻(xiàn)率，將特征向量值 gt;1 的因子進(jìn)行主成分分析，再對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行綜合得分比較。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Excel2012進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，利用SPSS20.0進(jìn)行圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1單因素實(shí)驗(yàn)條件下蘋果醋感官評(píng)分比較

各單因素發(fā)酵條件下蘋果醋的感官評(píng)分見(jiàn)表3。

表3各單因素發(fā)酵條件下蘋果醋的感官評(píng)分

由表3可知，添加單一菌種時(shí)蘋果醋的感官評(píng)分較低，在35分左右，蘋果醋口感較單一，氣味略有失衡；當(dāng)菌種A和B以 1：1 添加進(jìn)行蘋果醋發(fā)酵時(shí)，感官評(píng)分最高，為37.5分，蘋果醋色澤明亮、口感適中；在5種醋酸發(fā)酵時(shí)間下，隨著發(fā)酵時(shí)間的增加，蘋果醋的感官評(píng)分呈先升高后降低再升高的趨勢(shì)，在發(fā)酵9d時(shí)感官評(píng)分最高，達(dá)到38.1分；在5種醋酸發(fā)酵溫度下，隨著發(fā)酵溫度的升高，感官評(píng)分呈先升高后降低的趨勢(shì)，在 34^°C 時(shí)感官評(píng)分最高，為38.5分。

2.2單因素實(shí)驗(yàn)條件下蘋果醋理化指標(biāo)比較

不同發(fā)酵菌種添加方式下蘋果醋各理化指標(biāo)見(jiàn)表4。

表4不同菌種添加方式下蘋果醋各理化指標(biāo)比較

注：同列肩標(biāo)不同小寫字母表示差異顯著 （Plt;0.05） ，采用Duncan法進(jìn)行多重比較，下表同。

由表4可知，單一添加菌種A時(shí)總酸含量最高，因此其 pH 值最低，從感官評(píng)價(jià)角度來(lái)看，其酸度較高，影響總體蘋果醋的氣味評(píng)分和口感評(píng)分。單一添加菌種A時(shí)總黃酮含量最低，為 （0.16±0.008 ）mg/mL;單一添加菌種B時(shí) pH 值最高，總酸含量最低；將菌種A和B以 1：1 添加時(shí)，酸度適中， pH 值為 3.8±0.08 ，總多酚含量和總黃酮含量分別為 （0.23±0.006 ） mg/mL 和（0.22±0.009）mg/mL

不同醋酸發(fā)酵時(shí)間下蘋果醋各理化指標(biāo)見(jiàn)表5。

表5不同醋酸發(fā)酵時(shí)間下蘋果醋各理化指標(biāo)比較

由表5可知，在發(fā)酵8d時(shí)， pH 值最高，總酸含量最低；隨著發(fā)酵時(shí)間的增加，蘋果醋產(chǎn)品的總酸含量上升，但總黃酮含量下降，總多酚含量在發(fā)酵8d和12d時(shí)差異不顯著。

不同醋酸發(fā)酵溫度下蘋果醋各理化指標(biāo)見(jiàn)表6。

由表6可知，在 范圍內(nèi)，隨著發(fā)酵溫度升高，酸度上升 Φ_?^pH 值下降）；當(dāng)溫度超過(guò) 34^°C 后， pH 值出現(xiàn)回升現(xiàn)象，可能與高溫抑制醋酸菌活性有關(guān)。

2.3結(jié)合響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)的主成分分析結(jié)果

2.3.1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于單因素實(shí)驗(yàn)進(jìn)行響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表7，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行主成分分析。

2.3.2蘋果醋發(fā)酵工藝主成分分析

以蘋果醋發(fā)酵工藝中的菌種添加方式、醋酸發(fā)酵時(shí)間和醋酸發(fā)酵溫度為因素，通過(guò)SPSS2O.0軟件進(jìn)行主成分分析，其檢驗(yàn)平均值為97.391，檢驗(yàn)顯著性P=0.028（lt;0.05） ，表明數(shù)據(jù)可用于主成分分析[16]。分析各特征值的貢獻(xiàn)率（見(jiàn)表8），總酸含量、 pH 值和感官評(píng)分的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到 92.5% ；對(duì)特征向量值（見(jiàn)表9）進(jìn)行檢驗(yàn)可知，決定第1主成分的指標(biāo)為總酸含量、pH值、感官評(píng)分；決定第2主成分的指標(biāo)為總多酚含量和總黃酮含量，以上兩個(gè)主成分能夠較好地反映蘋果醋的品質(zhì)情況[17]。

2.3.3.1 回歸方程分析

對(duì)3種因素及其對(duì)應(yīng)的綜合得分（見(jiàn)表10）進(jìn)行響應(yīng)面分析，多元回歸擬合方程為 Y=37.511+41.751A? + 15.992B+32.531C—2.185AB—6.182AC+0.182BC—19.421A²-12.593B²-18.423C² 。

由表11可知，失擬項(xiàng)不顯著，模型極顯著，決定系數(shù) R² 和修正系數(shù) 分別為0.9819和0.9841，因此該模型可以很好地進(jìn)行蘋果醋的主成分分析[18]在各因素中，菌種添加方式（A）對(duì)蘋果醋品質(zhì)的影響極顯著 （Plt;0.01） ，其次是醋酸發(fā)酵溫度 （C） ，影響顯著 ?Plt;0. 05） ；交互項(xiàng) AC （即菌種添加方式與醋酸發(fā)酵溫度）對(duì)蘋果醋品質(zhì)的影響極顯著 （Plt;0.01） 。

2.3.3.2 方程驗(yàn)證

經(jīng)響應(yīng)面分析得出蘋果醋發(fā)酵的最優(yōu)工藝：菌種A和B等質(zhì)量混合添加、醋酸發(fā)酵時(shí)間10d和醋酸發(fā)酵溫度34°C ，此時(shí)經(jīng)擬合方程計(jì)算得其 pH 值為3.92，總酸含量為 （4.62±0.06 ） g/100mL ，總多酚含量為 （0，25± 0.04）mg/mL ，總黃酮含量為 （0，23±0，05） ）mg/mL。以此工藝進(jìn)行蘋果醋發(fā)酵，所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果為 pH 值4.01、總酸含量 （4.59±0.02） ） g/100mL 、總多酚含量 （0，24± 0.06）mg/mL 總黃酮含量 （0，21±0，07 ）mg/mL。真實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與擬合方程計(jì)算結(jié)果基本一致，說(shuō)明此模型可以用于評(píng)價(jià)和提升蘋果醋的品質(zhì)[19]

3 討論與結(jié)論

本文以新鮮蘋果為原料，經(jīng)酒精發(fā)酵和醋酸發(fā)酵制作蘋果醋。利用響應(yīng)面法優(yōu)化蘋果醋發(fā)酵工藝，以響應(yīng)面法結(jié)合主成分分析評(píng)價(jià)發(fā)酵過(guò)程中不同菌種添加方式（菌種A、菌種B、菌種 A：B 為 1：1 、菌種 A：B 為 2：1 、菌種 A：B 為 ζ₁：ζ₂） 、發(fā)酵溫度（30，32，34，36，38^°C ）和發(fā)酵時(shí)間（8，9，10，11，12d）對(duì)蘋果醋的理化指標(biāo)（pH值、總黃酮含量、總多酚含量、總酸含量）和感官評(píng)分的影響。最優(yōu)蘋果醋發(fā)酵工藝為菌種A和B等質(zhì)量混合添加、醋酸發(fā)酵時(shí)間10d和醋酸發(fā)酵溫度34^°C ，在此條件下蘋果醋的 pH 值為4.01，總酸含量為（4.59±0.02）g/100mL ，總多酚含量為 （0.24±0.06）mg/mL 總黃酮含量為 （0.21±0.07）mg/mL， 。同時(shí)，以菌種添加方式、醋酸發(fā)酵時(shí)間和醋酸發(fā)酵溫度為因素進(jìn)行擬合所得方程為 Y=37.511+41.751A+15.992B+32.531C- 2.18 5AB-6.182AC+0.182BC-19.421A²-12.593B²-1 118. 423C² ，可以較好預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)蘋果醋發(fā)酵工藝優(yōu)化有一定指導(dǎo)意義。

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