苹果渣固态发酵果酒发酵特点及其相关动力学

贾丰，刘冬，郭玉蓉

(陕西师范大学 食品工程与营养科学学院，陕西 西安，710119)



苹果渣固态发酵果酒发酵特点及其相关动力学

贾丰，刘冬，郭玉蓉*

(陕西师范大学 食品工程与营养科学学院，陕西 西安，710119)

以苹果渣为原料，研究苹果渣固态发酵果酒特点及相关动力学，为苹果渣综合利用提供新的方法。通过苹果渣果酒固态发酵过程中温度、酒精度、总糖、总酸、总酚、可溶性固形物、pH、颜色等变化，研究其发酵特点及酒精度和总糖变化动力学，结合果酒主要成分变化和感官特性对果酒进行全面评价，为苹果渣高效利用提供新思路。结果显示：温度变化对酒精度、总糖、总酸等都有影响，苹果渣发酵温度在18～19 ℃，最终苹果酒酒精度7.5%vol,总糖、总酸、总酚、干浸出物含量分别是3.53 mg/mL、0.47 mg/mL、0.32 mg/mL、17.21 g/L，SO2含量小于10 mg/L，符合国家标准GB/T 15038—2006，但与苹果汁液态发酵相比具有周期长、颜色深、发酵缓、模型拟合度高等特点；此外，动力学模型相关性高(R2>0.99)，建模成功，感官评价得分88.9，评定等级B，苹果渣固态发酵果酒具有自身发酵特点，且果酒品质良好。

苹果渣；固态发酵；果酒；加工；感官评价；发酵动力学

苹果渣是苹果加工产业最主要的副产物，目前大量的苹果渣被作为废弃物随意丢弃，不但造成优势资源浪费，而且易造成极大的环境污染问题。国内魏颖[1]、彭凯[2]、耿乙文[3]等人进行了苹果渣中多酚、果胶、纤维素的提取与性质研究；常显波[4]、刘芸[5]、刘成[6]马惠玲[7]、国东[8]等人对苹果渣进行了发酵，研究生产饲料或者蛋白质(酶)、蒸馏酒、苹果醋等。国外研究主要有UMESH[9]、MADRERA[10]、EVCAN[11]、MACAGNAN[12]等人，进行了多酚、纤维素研究以及发酵香气与生产饲料研究。本研究旨在利用苹果渣生产果酒，为更大限度利用苹果渣营养成分，解决苹果渣应用问题开辟新的道路。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

苹果渣，陕西蓝海果业有限公司苹果酒加工副产物原渣；安琪酵母DV10，安琪公司；浓H2SO4、苯酚、NaOH等为分析纯。

1.2 仪器与设备

医用离心机，长沙平凡仪器仪表有限公司；Multiskan Go全波长酶标仪，美国热电公司；色差仪，型号CR-400，柯尼卡美能达投资有限公司；数显折射仪，日本爱拓公司；pH计；小型发酵罐等。

1.3 实验方法

1.3.1 工艺流程[13]

1.3.2 苹果渣固态发酵果酒发酵过程中物理变化

1.3.2.1 温度变化

在发酵罐中每次取3点测量，记录数据，取平均值。

1.3.2.2 发酵液颜色变化

一次发酵过程取汁测量，再次发酵直接用苹果酒进行测定，直接利用仪器测定L*、a*、b*值。

1.3.3 苹果渣固态发酵过程中化学成分变化

1.3.3.1 酒精度变化

用酒精计法测定。

1.3.3.2 总糖和可溶性固形物变化

(1)总糖变化参考李丹[14]等人，配制0.1 mg/mL葡萄糖，制作标准曲线；发酵过程取汁利用苯酚硫酸法测量，取平均值。

(2)可溶性固形物变化：发酵过程取汁，直接利用折光仪测定，取平均值。

1.3.3.3 总酸和pH变化

(1)总酸变化参考GB/T 15038—2006利用电位滴定法测定，测3次，取平均值。

(2)pH变化发酵过程取汁直接利用pH计测定，测3 次，取平均值。

1.3.3.4 总酚变化

[15]的方法，以没食子酸为当量配制梯度溶液，利用福林酚法制作标准曲线；发酵过程取汁测量，测3 次，取平均值。

1.3.4 苹果渣固态发酵果酒发酵动力学

1.3.4.1 酒精生成发酵动力学

参考严红光[17]等人对酒精生成进行拟合、分析。

1.3.4.2 总糖消耗发酵动力学

参考严红光[17]等人对总糖消耗进行拟合、分析。

1.3.5 苹果渣果酒品质分析

1.3.5.1 主要成分分析总糖测定

参考李丹[14]等人苯酚-硫酸法稍加修改进行操作；总酚测定参考陈玮琦[15]等人福林酚法操作；酒精度、总酸、游离SO2、干浸出物等参考GB/T 15038—2006测定。

1.3.5.2 感官评定

参考文献[16]的方法，评价标准如表1。分为3组，每组3～5人。

表1 感官评价标准

1.4 数据分析

采用“DPS v7.05”统计软件进行统计分析，Excel 2013、Origin 2016软件绘图制表。

2 结果与分析

2.1 工艺流程

苹果渣为挑选无损伤、虫害等新鲜苹果榨汁获得，品质良好。发酵过程分为两个阶段：第一阶段，即0～15 d，为固态发酵，主发酵阶段，酵母选择安琪酵母DV10,酵母添加量为5%(w/w)；第二阶段，15～24 d，为液态发酵，为苹果渣果酒的后熟阶段,整个发酵过程保持环境温度在(25±1)℃。

2.2 苹果渣固态发酵果酒过程中物理变化

2.2.1 温度变化

由图1知，发酵主要在3～12 d，此过程为固态发酵，6～9 d达到发酵峰值，15 d以后进行液态发酵，即再发酵，主要表现在发酵温度有明显的升高与回升。

图1 发酵过程中温度变化Fig.1 Temperature trend during fermentation

2.2.2 发酵液颜色变化

L*值表示照，相当于亮度，也就是白色到黑色；a*表示从红色至绿色的范围；b*表示从黄色至蓝色的范围[18]。由图2可知，由L*值变化趋势可以看出，在发酵过程中发酵液由白色向黑色变化，也就是说发酵过程使得发酵液的颜色加重，亮度降低，前期可能与苹果渣中的有些酶有关，后期与酵母次级代谢产物或者分解产物有关；由a*、b*值变化趋势可以看出发酵中发酵液有一个红移和蓝移的过程，两种变化都是加深发酵液颜色的，这与L*值的变化趋势一致，原因也应该相似[19-20]。

图2 发酵过程中颜色变化Fig.2 Total color trend during fermentation

通过苹果渣果酒发酵过程中温度和颜色变化可以看出当3～9天温度骤然升高时，a*、b*值出现拐点，主要原因可能与温度升高导致酶活加强，表现出发酵液骤然加深，当温度下降时酶活性恢复，颜色又恢复正常值，所以温度和颜色变化两者相互关联。

2.3 苹果渣固态发酵果酒过程中化学成分变化

2.3.1 酒精度变化

由图3知，发酵过程中0～6天酒精度变化缓慢，增长到0.2%左右，这可能与酵母对新环境的适应期有关，同时也可能是酵母菌大量繁殖，指数增长，大量消耗总糖，暂时产生少量酒精；6～12天酒精度最高达到7.5%，迅速增加，是典型的对数增长模式，此时酵母菌迅速繁殖，并消耗总糖，但随着总糖的消耗，碳源不足，为适应逆环境，产生大量酒精，此过程为固态发酵。在液态发酵过程中总糖消耗殆尽，碳源严重不足，酒精度基本不变化，这与温度变化趋势一致。

图3 发酵过程中酒精度变化趋势Fig.3 Alcohol trend during fermentation process

2.3.2 总糖与可溶性固形物含量变化

数据处理可知葡萄糖标曲方程为：Y=3.636 1X+0.000 9，R2=0.999 1，则可由X值计算总糖Y含量(以葡萄糖当量计)。由图4可知，苹果渣发酵过程中总糖作为酵母利用的主要底物消耗，整体呈减少趋势，在固态发酵期：最初3天里是缓慢减少，可能主要是接种酵母后有一个短暂的适应期，而后的3～12天里减少趋势呈对数递减，这一时期是酒精积累的主要阶段，与酒精度变化趋势保持一致，这一时期酵母活动达到最大，也是酿造果酒最关键时期；在液态发酵期总糖先是缓慢减少，而后是趋于平衡，18天后发酵基本结束，液态发酵阶段随着果酒中含糖量的锐减，酵母开始大量死亡，过程中是果酒风格提升的最佳阶段。由图4可知，发酵过程中可溶性固形物(TSS)在12天前迅速降低，之后，趋于稳定,呈对数降低趋势,与总糖变化基本一致，但是可溶性固形物降低程度相对偏低,原因在于含有部分不参与酒精发酵的物质。

图4 发酵过程中总糖与可溶性固形物含量变化Fig.4 Total sugar and the soluble solids content trend during fermentation

总糖、TSS变化趋势可以看出两者变化高度一致，但区别在12～18天，TSS变化幅度远远小于总糖变化，原因可能是酵母菌发酵后期发生大量死亡、分解，虽然活菌在消耗总糖，但酵母死亡分解物部分溶解，导致TSS变化不明显。

2.3.3 总酸含量与pH变化

由图5可知，总酸变化基本趋于平衡，稍有所下降，说明发酵过程中主要产生酒精，而非酸类，这有利于果酒品质的提升；总酸在第6天达到最小值约0.4%，主要原因是发酵速率达到最大，温度有所提高等原因所致，后期18天有所增加应是发酵达到尾声，发酵结束、酵母自溶等影响，因此应该在18天前结束发酵。由图5知，发酵过程中pH变化趋势趋于平衡，这与总酸变化不大保持一致。

图5 发酵过程中总酸与pH变化Fig.5 Total acids and pH trend during fermentation

总酸有较小幅度的下降，但pH基本维持不变，主要原因是发酵过程发酵液形成一个缓冲体系，虽然酵母或产生少量有机酸，但在缓冲作用下pH基本保持恒定。总酸3～9天出现较大范围下降主要可能与温度变化一致，在酵母大量繁殖时有机酸加大幅度增加，但当温度回升回来时由于酵母达到增长峰值，有机酸生成量开始回升，在pH影响下有机酸含量趋于平衡，酵母大量积累酒精；18天后有机酸有所下降可能是由于酵母大量死亡，加之pH影响所致。

2.3.4 总酚含量变化

经数据处理可知福林酚法没食子酸标曲方程为：Y=0.010 2X-0.005 7，R2=0.999 7，则可通过福林酚法比色获得X值计算总酚Y含量(以没食子酸当量计)。

由图6知，总酚在苹果渣发酵期间变化不是很大，基本趋于平衡，稍有所下降，其变化趋势与总酸变化基本一致。总酚在0～9天有所下降，可能与苹果自身含有的多酚氧化酶有关；9～15天由于多酚氧化酶失效后在酵母菌作用下有部分结合态多酚进入发酵液中；21天后酵母基本全部死亡，多酚被氧化导致含量减小。

图6 发酵过程中总酚变化Fig.6 Total phenols trend during fermentation

2.4 苹果渣固态发酵果酒动力学[21-22]

2.4.1 酒精生成动力学

酒精生成变化趋势线经origin2016对数拟合如图7，趋势线用折线图连接，拟合曲线为平滑曲线。由R2=0.999 69可知拟合模型建立良好，origin2016拟合后可知A1=0.099 55，A2=7.431 71，X0=7.372 05，p=14.513 56；则酒精度(Y)与时间(X)的关系式为：

图7 酒精生成动力学模型图Fig.7 Alcohol Kinetics model diagram

为检验模型，将实验数据与模型所得数值进行比较，如表2可知，模型值和测量值的误差值大多都低于1%，说明模型能较好地描述发酵过程中酒精的生成过程，发酵前期误差较大的原因是由于模型默认接种的酵母菌都是活酵母菌，且酒精度较小，因此造成相对误差大。所以，该模型建立成功，可用于描述苹果渣果酒发酵过程中酒精生成动力学过程[17]。

表2 模型1检验表

2.4.2 总糖消耗动力学

总糖消耗变化趋势线经origin2016对数拟合如图8，趋势线用折线图连接，拟合曲线为平滑曲线。由R2=0.999 85可知拟合模型建立良好，origin2016拟合后可知A1=54.661 85，A2=2.936 77，X0=7.545 64，p=4.140 37；则总糖(Y)与时间(X)的关系式为：

为检验模型，将实验数据与模型所得数值进行比较，如表3，可以看出,模型值和测量值的误差值大多都低于7%，说明模型能较好的描述，发酵过程中总糖的消耗过程，发酵中期误差较大的原因是由于模型默认为连续发酵，但过程中存在由固态发酵转变为液态发酵，完成酒的后熟，因此造成相对误差大。所以，该模型建立同样成功，可用于描述苹果渣果酒发酵过程中总糖消耗动力学过程[17]。

图8 总糖消耗动力学模型图Fig.8 Total sugar consumption kinetics model diagram

苹果渣固态发酵与液态发酵果酒特点明显，主要在以下几个方面：总糖消耗方面与周劝娥[23]等人研究相比发酵过程趋于缓慢，同时固态发酵更接近发酵动力学模型，呈反“S”型，同时总糖消耗更集中， 但发酵周期明显加长，与杨辉[25]等人研究基本一致；酒精度增长方面与朱传合[24]等人研究相比酒精生成周期更长，几乎是液态发酵的2倍，但生成趋势更加快，更接近“S”型，与发酵动力学模型更好相关(R2>0.99)；在总酸和pH方面与朱传合[24]、杨辉[25]等人研究相比，固体发酵有较小范围的降低趋势，而液体发酵有所升高；pH在固体发酵基本不变，液体发酵有明显的降低趋势；在颜色方面固态发酵中含有更多色素，所以与液态发酵相比颜色更深。

表3 模型2检验表

2.5 苹果渣果酒品质分析

2.5.1 主要成分分析

表4即为苹果渣果酒基本指标测定，符合国家标准GB/T 15038—2006，因此利用苹果渣发酵生产果酒具有可行性，同时果酒质量也较好。

表4 苹果渣果酒基本指标测定

2.5.2 感官评定

本研究以打分测试为基本研究方法对苹果酒进行了感官评定，评价标准按表1，结果如表5。

表5 感官评价得分表

由表5知，评价项目各项得分占比均在85%以上，感官评价总分为88.9分，根据等级分类(A∶90～100;B∶85～89;C∶80～84;D∶60～79)，所得苹果酒感官的分等级为B，其中色泽和香气得分分别是90.5、90.7，评级皆为等级A，而口味得分在88.7，评价为等级B，但与等级A非常接近；风格得分85.0，稍稍偏低，这可能与低温发酵导致发酵时间较长，此外，根据动力学模型建立可以看出发酵时间在20天左右为宜，因此发酵时间若能控制则可以得到等级A的苹果渣果酒，有待下一步研究。

3 结论

苹果渣果酒发酵中总糖、TSS都会出现对数减少趋势，酒精度会出现对数增长趋势，且总糖的消耗模型和酒精的生成模型拟合都很好，相关性都在0.99以上(R2>0.99)，建模成功；总酸、总酚含量都有较小幅度的降低，且随温度(发酵活力)变化有微小变化， pH基本不变，与总酸变化一致，仅与温度变化和酵母活力有关；苹果酒发酵中颜色变化表现为变暗，L*值减小，a*、b*值有小范围升高或降低，表示出现绿移和蓝移，颜色都变深，与L*值变化一致；在室温条件下可以得到感官评价在88.9分的苹果酒，等级为B；苹果渣发酵温度在19 ℃左右，最终苹果酒酒精度7.5%左右，总糖、总酸、总酚、干浸出物含量分别是3.53 mg/mL、0.47 mg/mL、0.32 mg/mL、17.21g/L，SO2含量小于10 mg/L，符合国家标准GB/T 15038-2006。因此室温条件下，苹果渣固态发酵果酒具有周期长、颜色深、发酵缓、模型拟合度高等特点，且利用苹果渣生产苹果酒具有可行性。

参考文献

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Fermentation characteristics of apple pomace wine solid-state fermentation and its relative dynamics

JIA Feng,LIU Dong,GUO Yu-rong*

(College of Food Engineering and Nutritional Science,Shaanxi Normal University, Xi’an 70119，China)

Using apple pomace as raw material, solid-state fermentation characteristics of pomace wine and related dynamics were studied, providing a new way for the comprehensive utilization of apple pomace. Based on the changes of temperature, alcohol content, total sugar, total acid, total phenols, soluble solids, pH, and color during solid-state fermentation of pomace wine, the fermentation characteristics and alcohol content and total sugar change dynamics were studied and then combined with the main component changes of wine and sensory characteristics of the wine to conduct a comprehensive evaluation for efficient use of apple pomace. The results showed that the temperature change had influence on content of alcohol, total sugar, and acid. Fermentation temperature for apple pomace was 18～19 ℃. the final cider alcohol content was 7.5%vol. The contents of total sugar, total acid, total phenols, dry extract content were 3.53 mg/mL, 0.47 mg/mL, 0.32 mg/mL, 17.21 g/L, respectively. SO2content was less than 10 mg/mL, which meet the requirement of the national standard GB/T 15038—2006. In comparison with fermented apple juice state, it had long cycle, deep color, slow fermentation, good model fitting and other characteristics. In addition, the dynamic model was success and had high correlation (R2>0.99). Sensory evaluation score was 88.9 and rated B. Apple pomace solid-state fermented wine has its own characteristics and good wine quality.

apple pomace;solid-state fermentation;fruit wine;processing;sensory evaluation;fermentation kinetics

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201610021

硕士研究生(郭玉蓉教授为通讯作者,E-mail：guoyurong730@163.com)。

农业部现代苹果产业技术体系专项基金项目(CARS-28)

2016-05-11，改回日期：2016-06-07