蓮藕果醋的工藝優(yōu)化

張軍，王建化

(青島農(nóng)業(yè)大學 海都學院，山東 萊陽 265200)

蓮藕是一種營養(yǎng)豐富、健康價值極高的食品原料[1]，果醋具有多種生理功效[2-4]。本文通過單因素實驗來探究果醋發(fā)酵的優(yōu)良條件，以發(fā)酵pH、菌種接種量以及發(fā)酵初始酒精度的單因素實驗確定發(fā)酵工藝，再進行響應面實驗對實驗結(jié)果進行分析優(yōu)化，最終得出較優(yōu)的結(jié)果，對蓮藕果醋的實際生產(chǎn)有著較為重要的意義，為蓮藕的開發(fā)利用開辟出一條更為廣闊的發(fā)展方向。

1 材料與儀器

1.1 主要材料與試劑

蓮藕：蔬菜批發(fā)市場；釀酒曲：湖北宜昌市安琪酵母股份有限公司；醋酸菌種：鶴壁市百惠生物科技有限公司；無水乙醇、氫氧化鈉、鹽酸：均為分析純，煙臺三和化學試劑有限公司；蒸餾水：二次去離子水。

1.2 主要儀器

FK-A型組織搗碎機 江蘇金壇市環(huán)宇科學儀器廠；LRH-250生化培養(yǎng)箱 上海齊欣科學儀器有限公司；RH-QB低溫恒溫搖床 常州市金壇博科實驗設備研究所；BSC-1100 II BA-X生物安全柜 山東博科生物產(chǎn)業(yè)有限公司；LDZH-150KBS立式壓力蒸汽滅菌器 上海申安醫(yī)療器械廠；HI2221專業(yè)實驗室pH/ORP/溫度測定儀 哈納沃德儀器有限公司；ULUP實驗室超純水機 成都超純科技有限公司。

2 實驗方法

2.1 蓮藕果醋的發(fā)酵流程

蓮藕→勻漿→過濾→恒溫發(fā)酵(接入釀酒曲)→蓮藕果酒(接入醋酸菌種)→半成品(調(diào)味調(diào)色)→果醋成品。

2.1.1 操作要點

2.1.1.1 原料處理

將原料蓮藕洗凈，切成0.5 cm左右的薄片，待用。

2.1.1.2 勻漿

每100 g原料蓮藕與150 mL蒸餾水加入10 g蔗糖混勻后放入組織搗碎機中搗碎，直至呈漿糊狀。

2.1.1.3 菌種活化

向配制好的糖液(1 g蔗糖與20 mL蒸餾水混合)中加入2 g釀酒曲在35 ℃下保藏30 min進行菌種活化。注意菌種不得包心結(jié)塊。

2.1.1.4 酒精發(fā)酵

控制接種量2%，在無菌操作臺上以無菌操作將活化好的釀酒曲接入處理好的蓮藕勻漿中，搖勻，置于35 ℃生化培養(yǎng)箱中密封發(fā)酵4 d。

2.1.1.5 過濾

將發(fā)酵好的蓮藕勻漿用干凈的4層紗布過濾得到濾液。然后蒸餾后用酒精計測得酒精度，并用pH計測得蓮藕酒的初始pH值。

2.1.1.6 醋酸發(fā)酵

對蓮藕酒的酒精度(利用無水乙醇進行調(diào)節(jié))與pH進行適當?shù)恼{(diào)節(jié)(用NaOH溶液或者HCl溶液對蓮藕酒的pH進行調(diào)節(jié))，進行無菌操作，將制備好的果酒每100 mL分裝于250 mL三角瓶中(裝液量為40%)接入適量醋酸菌種，用搖床進行控溫液態(tài)醋酸發(fā)酵。

2.2 單因素實驗

采用液態(tài)搖床進行果酒醋酸發(fā)酵，轉(zhuǎn)速120 r/min[5]，裝液量40%(250 mL三角瓶)，發(fā)酵溫度30 ℃，將制備好的待發(fā)酵果酒分裝于250 mL三角瓶中進行蓮藕果醋醋酸發(fā)酵單因素實驗，醋酸發(fā)酵接種量1%、3%、5%、7%、9%、11%；初始pH值調(diào)節(jié)至2.0，3.0，4.0，5.0；初始酒精度7%、9%、11%、13%、15%；在實驗過程中考察最適發(fā)酵時間。

2.3 響應曲面實驗

根據(jù)單因素實驗的結(jié)果，以接種量(A)、初始pH值(B)、初始酒精度(C)為自變量，以醋酸發(fā)酵終止后的蓮藕果醋的pH值為響應值，設計三因素三水平實驗方案(見表1)。每組實驗設計重復3次，計算平均值。實驗設計和數(shù)據(jù)處理使用Design-Expert V8.0.6軟件完成[6]。

表1 響應曲面實驗因素與水平Table 1 Factors and levels of response surface experiment

3 實驗結(jié)果

3.1 接種量對蓮藕果醋發(fā)酵pH的影響

蓮藕果醋發(fā)酵pH隨接種量的變化見圖1。

圖1 不同接種量下蓮藕果醋的發(fā)酵pHFig.1 The pH values of lotus root vinegar fermentation under different inoculation amount

在初始pH與初始酒精度條件下，蓮藕果醋的pH在接種量1%～7%的范圍內(nèi)呈下降趨勢，在7%～11%的范圍內(nèi)呈上升趨勢,接種量為7%時蓮藕果醋的pH最低。由此可以確定蓮藕果醋發(fā)酵響應曲面實驗設計中接種量的3個水平分別是5%、7%、9%。

3.2 初始pH對蓮藕果醋發(fā)酵pH的影響

蓮藕果醋發(fā)酵pH隨初始pH的變化見圖2。

圖2 不同初始pH下蓮藕果醋的發(fā)酵pHFig.2 The pH values of lotus root vinegar fermentation under different initial pH values

初始pH在2～3之間，發(fā)酵pH的變化量較大；初始pH在3～5之間，發(fā)酵pH的變化量較小，由圖2可知，pH呈現(xiàn)向3～4集中的趨勢。得知比較適合的發(fā)酵初始pH在3～4之間。由此可以確定蓮藕果醋發(fā)酵響應曲面實驗設計中初始pH的3個水平分別是3，3.5，4。

3.3 初始酒精度對蓮藕果醋發(fā)酵pH的影響

蓮藕果醋發(fā)酵pH隨初始酒精度的變化見圖3。

圖3 不同初始酒精度下蓮藕果醋的發(fā)酵pHFig.3 The pH values of lotus root vinegar fermentation under different initial alcoholicity

初始酒精度在5%～7%之間，蓮藕果醋的發(fā)酵pH隨著初始酒精度的升高呈下降趨勢；初始酒精度在7%～13%之間，蓮藕果醋的發(fā)酵pH變化平穩(wěn)；當初始酒精度為15%時，酒精度過高影響發(fā)酵，pH呈上升趨勢。由此可以確定蓮藕果醋發(fā)酵響應曲面實驗設計中初始酒精度在7%～13%之間，從經(jīng)濟以及保持原有產(chǎn)品品質(zhì)的角度考慮，選擇初始酒精度的3個水平分別是5%、7%、9%。

3.4 響應曲面實驗

3.4.1 響應曲面回歸方程建立及參數(shù)分析

采用Design-Expert V8.0.6軟件，按照Box-Behnken組合設計，依據(jù)單因素實驗結(jié)果選取初始pH、初始酒精度、接種量3個因素作為自變量，以蓮藕果醋的發(fā)酵pH作為響應值，實驗設計方案及數(shù)據(jù)處理結(jié)果見表2。

表2 響應面實驗設計及結(jié)果Table 2 Design and results of response surface experiment

方差分析結(jié)果見表3。

表3 響應面二次模型方差分析Table 3 Variance analysis of response surface quadratic model

注：“*”為P<0.05，表示差異顯著；“**”為P<0.01，表示差異極顯著。

對表2數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，得到蓮藕果醋醋酸發(fā)酵工藝參數(shù)的二次回歸方程(編碼方程)：

Y=3.78+0.050A+0.098B+0.055C-0.035AB-0.030AC+0.025BC-8.500E-003A2+6.500E-003B2+0.12C2。

式中：Y表示蓮藕果醋pH值，A，B，C分別表示接種量、初始pH值、初始酒精度。

進行方差檢驗驗證回歸方程，R2=0.9435，P<0.01說明果醋pH(Y)與接種量(A)、初始pH值(B)、初始酒精度(C)存在線性關(guān)系，該模型具有統(tǒng)計學意義。一次項A(接種量)、B(初始pH值)、C(初始酒精度)和二次項C2(初始酒精度)均為極顯著(P<0.01)；二次項A2、B2和交互項AB、AC、BC均不顯著，而且失擬項不顯著，表明該模型具有顯著意義。

3.4.2 醋酸發(fā)酵工藝的響應曲面分析

當把接種量固定于0水平時，隨著初始pH值的升高，果醋的發(fā)酵pH值呈現(xiàn)上升趨勢。當初始pH值固定于0水平時，隨著接種量的升高，果醋的發(fā)酵pH值呈略微上升趨勢，但是變化平穩(wěn)，可以看出初始pH值與接種量之間的相互影響不顯著，見圖4。

圖4 接種量和初始pH對蓮藕果醋發(fā)酵pH值影響的響應曲面和等高線圖Fig.4 Response surface and contour plot of inoculation amount and initial pH value on pH value of lotus root vinegar fermentation

接種量固定于0水平時，隨著初始酒精度的升高，蓮藕果醋的發(fā)酵pH值先降低后升高，在0～-1水平(酒精度實際值7%、5%)之間的蓮藕果醋的發(fā)酵pH值最低。當初始酒精度固定于0水平時，隨著接種量的升高，蓮藕果醋的發(fā)酵pH略微升高，變化趨勢平緩不明顯，所以初始酒精度與接種量之間的相互影響不顯著，見圖5。

圖5 接種量和初始酒精度對蓮藕果醋發(fā)酵pH值影響的響應曲面和等高線圖Fig.5 Response surface and contour plot of inoculation amount and initial alcoholicity on pH value of lotus root vinegar fermentation

當初始pH值固定于0水平時，隨著初始酒精度的升高，蓮藕果醋發(fā)酵pH值先降低后增大，在-0.5～0.5水平(酒精度實際值6%、8%)之間蓮藕果醋的發(fā)酵pH值較低。當初始酒精度固定于0水平時，隨著初始pH的升高，蓮藕果醋的發(fā)酵酸度呈上升趨勢，但趨勢平緩，所以初始pH與初始酒精度之間的相互影響不顯著，見圖6。

圖6 初始pH值和初始酒精度對蓮藕果醋發(fā)酵pH值影響的響應曲面和等高線圖Fig.6 Response surface and contour plot of initial pH and initial alcoholicity on pH value of lotus root vinegar fermentation

3.4.3 醋酸發(fā)酵優(yōu)化工藝參數(shù)及驗證

利用Design-Expert V8.0.6軟件確定蓮藕果醋發(fā)酵的最佳組合為：接種量5%，初始pH 3.0，初始酒精度6.49%，對應的果醋發(fā)酵pH響應值為3.56。經(jīng)過進一步對該工藝參數(shù)進行3次重復驗證，蓮藕果醋的實際發(fā)酵pH為3.71，與理論預測值的相對誤差小于5%，表明該數(shù)學模型對優(yōu)化蓮藕果醋發(fā)酵工藝調(diào)整是可行的，具有實用價值。

4 結(jié)論

本實驗在單因素實驗的基礎上，利用響應面對蓮藕果醋的發(fā)酵條件進行了優(yōu)化，建立了醋酸發(fā)酵過程中接種量、初始pH值、初始酒精度與蓮藕果醋發(fā)酵pH值之間的回歸模型，經(jīng)驗證，該模型合理可靠，可用于生產(chǎn)預測。使用該模型得到的優(yōu)化發(fā)酵工藝參數(shù)為：接種量5%，初始pH值3.0，初始酒精度6.49%，搖床轉(zhuǎn)速120r/min，發(fā)酵溫度30℃，發(fā)酵時間3d，果醋實際發(fā)酵pH為3.71，近似于預測值(3.59)。

本實驗優(yōu)化后的初始酒精度為6.49%，與草莓果醋(6%)的酒精度相近[7]。優(yōu)化后的初始pH為3.0，略低于蘋果果醋、藍莓果醋、獼猴桃果醋的發(fā)酵pH值[8-10]。本實驗優(yōu)化的接種量為5%，如用于工業(yè)化生產(chǎn)，為了節(jié)約成本可以略調(diào)低接種量、適當延長發(fā)酵時間。

在本實驗條件下制得的蓮藕果醋風味純正，酸味柔和，無異味，略帶有蓮藕特有的風味，色澤呈黃褐色，富有光澤，符合GB 18187—2000《釀造食醋》及GB 2719—2003《食醋衛(wèi)生標準》的要求。