响应面法优化红提果醋的发酵条件

2019-03-18 08:03杨丽萍单春会唐凤仙
中国调味品 2019年3期
关键词:酒精度酸度发酵液

杨丽萍,单春会,唐凤仙

(石河子大学 食品学院,新疆 石河子 832003)

红提葡萄,又称红地球葡萄,是美国加州大学研制的杂交品种[1]。红提因其穗大、皮厚、味美、耐贮运等优点而深受大众喜爱[2]。新疆是我国红提种植的主要区域[3],但长期以来红提都以鲜食为主,且基本为季节性产品,由于红提产业化商品市场几乎空白,致使红提产业发展严重滞后[4]。

果醋是以水果或水果下脚料为原料,先酒精发酵再醋酸发酵而得到的新型饮料[5]。果醋因其降三高、抗菌、促进新陈代谢、抗衰老等众多优点而受消费者推崇,是一款较好的功能性饮料[6]。果醋发酵方法分为固态发酵法、液态发酵法和前液后固发酵法[7],固态发酵法是传统发酵方法,液态发酵法则是新兴的主流发酵方法,前液后固法则结合两者的优缺点,其发酵方法尚不成熟[8]。

随着人们对于食品健康及安全愈发重视,果醋因其保健功能及口感酸爽而越发受到关注[9]。但我国自主研发生产的果醋品种较为单一[10],沙棘果醋、菠萝果醋、黑加仑果醋、梨果醋等大多停留在实验室阶段[11-14]。本文针对红提深加工产品较少以及其果醋产品报道较少的问题,采用响应面法优化红提果醋的发酵工艺条件,以期酿造出口感柔和、色泽优良、典型性强的红提果醋,为其工业化生产提供了理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

红提葡萄:新疆石河子市;安琪葡萄酒活性干酵母(BV818):安琪酵母股份有限公司;醋酸菌(泸酿1.01):由石河子大学食品学院果蔬实验室保藏;果胶酶(EX-V):法国曼森公司;优质白砂糖(食品级):市售;葡萄糖(分析纯):天津盛奥化学试剂有限公司;偏重亚硫酸钾、柠檬酸(分析纯):天津市大茂化学试剂厂。

1.2 仪器与设备

SW-CJ-ZD无菌操作台 苏州苏洁净化设备有限公司;YXQ-LS-SⅡ高压蒸汽灭菌锅 济南思卓医疗器械有限公司;GL-20G-Ⅱ高速冷冻离心机 赛默飞世尔科技有限公司;ZXSD-1160生化培养箱、ZWYRD2403触摸屏摇床 上海智城分析仪器制造有限公司;S-3CpH 计 上海精密科学仪器有限公司;MC202231手持糖度计 成都泰华光学有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 红提果醋液态发酵工艺流程

原料→分拣清洗→除梗破碎→成分调整→灭菌→酒精发酵→过滤→杀菌→醋酸发酵→澄清→过滤→杀菌→陈酿→成品。

1.3.2 操作要点

1.3.2.1 原料预处理

选用新鲜红提,拣出坏果、次果、杂质;清洗后沥干,破碎(注意葡萄籽不破碎);加入总体积0.006%的偏重亚硫酸钾;依据1.7g糖发酵可生成1%酒精,按预计酒度加入白砂糖调整葡萄果浆糖浓度;用柠檬酸调节发酵液酸度至pH 3.8;加入发酵液总体积0.03%的果胶酶于葡萄果浆内以达到提高出汁率的效果;68℃下巴氏杀菌30min。

1.3.2.2 酵母活化

称取发酵液总体积0.03%的酿酒活性干酵母于5%葡萄糖溶液中,于37℃条件下水浴活化30min。

1.3.2.3 酒精发酵

待发酵液冷却后接入已活化的酵母菌液;将发酵液放入20℃恒温培养箱中,每隔一段时间测量发酵液的可溶性固形物,待酒精度达到8%左右时停止酒精发酵;200目纱布粗滤后,6000r/min条件下离心10min,然后在68℃下巴氏杀菌30min。

1.3.2.4 醋酸菌培养及驯化

醋酸菌培养:首先将醋酸菌接种至固体培养基中进行1次活化培养,挑选长势良好的醋酸菌接入液体培养基中在摇床中(180r/min,30℃)进行二次扩大培养。

醋酸菌驯化:将醋酸菌接入驯化培养液与红提果酒(8∶2)混合的培养液中培养48h得到一级种子液,取一级种子液接入驯化培养液与红提果酒(6∶4)得到二级种子液,以此类推直至四级种子液接入纯红提果酒中,此时得到的醋酸菌用于后续醋酸发酵。

1.3.2.5 醋酸发酵

在红提果酒中接入已驯化的醋酸菌放置在摇床(180r/min,30℃)中进行有氧醋酸发酵,每天监控发酵液的酒精含量及总酸含量,在酸度不再上升时结束醋酸发酵。

1.3.2.6 后处理

红提果醋中加入明胶、皂土,静置澄清96h;4000r/min条件下离心10min;过滤;100℃条件下杀菌10min得到成品果醋。可依据喜好进行调配。

1.3.3 红提果醋发酵的单因素试验

选择不同初始酒精度(4%,5%,6%,7%,8%)、不同发酵温度(26,28,30,32,34℃)、不同冰醋酸添加量(0,0.5%,1%,1.5%,2%)、不同醋酸菌接种量(6%,8%,10%,12%,14%)4个因素进行单因素试验,试验结果以产品酸度为评价标准来确定合适的发酵条件范围,以便进行后续响应面优化试验。

1.3.4 红提果醋响应面优化试验

在单因素试验的基础上,以初始酒精度、醋酸菌接种量、发酵温度和冰醋酸添加量4个因素为自变量,以红提果醋酸度为响应值,设计4因素3水平响应面分析试验,以Design-Expert V8.0.6软件对试验进行回归分析,响应面试验因素和水平见表1。

表1 响应面设计试验因素水平与编码Table1 Independent variables and levels of the response surface design

1.3.5 测定方法

可溶性固形物:手持折光仪[15];酸度:酸碱中和滴定法[16];酒精度:蒸馏比重法[17]。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 初始酒精度对红提果醋发酵的影响

图1 初始酒精度对酸度的影响Fig.1 Effect of initial alcohol content on acidity

由图1可知,在其他因素相同的条件下,初始酒精度为4%,5%时发酵液醋酸转换率较低,酸度较小;当初始酒精度为6%时,发酵液酸度达到最大值6.89g/dL;当初始酒精度不断增大时,发酵液醋酸转换率反而减弱。这可能是因为当发酵液酒精度较小时,不能满足醋酸菌的生长代谢,导致产酸能力差;当发酵液酒精度过高时,醋酸菌的活性又被抑制,从而导致产酸能力减弱[18]。因此,确定初始酒精度6%比较适合醋酸菌的生长。

2.1.2 醋酸菌接种量对红提果醋发酵的影响

图2 醋酸菌接种量对酸度的影响Fig.2 Effect of inoculation amount of acetic acid on acidity

由图2可知,随着醋酸菌接种量的增加,果醋酸度呈现先上升后下降的趋势;当接种量为10%时,酸度达到峰值6.78g/dL;接种量超过10%,酸度逐渐降低。这可能是因为接种量越大,醋酸菌生长所需要的营养物质也越多,但发酵液中的营养物质有限,过多接种醋酸菌反而使其彼此竞争,导致醋酸产量减少。因此,确定醋酸菌接种量10%左右较为适宜。

2.1.3 发酵温度对红提果醋发酵的影响

图3 发酵温度对酸度的影响Fig.3 Effect of fermentation temperature on acidity

由图3可知,当发酵温度在26~30℃时,发酵液酸度呈现上升趋势;发酵温度为30℃时酸度最高;随着发酵温度的升高,发酵液酸度出现降低趋势,当温度超过32℃时,发酵液酸度明显降低。这可能是因为发酵温度过低时,醋酸菌无适宜的生长环境,活力较弱;发酵温度过高时,则导致醋酸菌生长过快,菌体老化,产酸能力变弱。因此,确定发酵温度为30℃左右较为合适。

2.1.4 冰醋酸添加量对红提果醋发酵的影响

图4 冰醋酸添加量对酸度的影响Fig.4 Effect of additive amount of glacial acetic acid on acidity

由图4可知,发酵液酸度随着冰醋酸添加量的变化呈现先增长后减弱的趋势,冰醋酸添加量从0%变化至0.5%时,醋酸含量明显增高;在冰醋酸添加量为1%时酸度达到最高值6.82g/dL;当冰醋酸添加量超过1%时,发酵液酸度逐渐降低。这可能是因为在发酵液中添加适量的冰醋酸能够调整其酸度,使之更适宜醋酸菌生长,但当冰醋酸添加量过多时,造成发酵液酸性增强,抑制醋酸菌活性,降低了醋酸菌的产酸能力。因此,确定冰醋酸添加量为1%时较适合醋酸菌的生长。

2.2 响应面试验优化结果

为确定红提果醋各因素的最优工艺参数,采用响应面软件设计4因素3水平的响应面优化试验,以发酵液酸度为响应值,结果见表2。

表2 响应面分析试验设计及结果Table2 Experimental design and result of response surface analysis

2.2.1 回归模型的建立及方差分析

应用 Design-Expert V8.0.6软件对表2中的试验数据进行回归分析,得到红提果醋酸度(X)的回归方程为:X=6.84+0.042A+0.11B+0.084C+0.062D-0.032AB+0.065AC-0.052AD+0.02BC+0.015BD+0.018CD-0.65A2-0.6B2-0.51C2-0.68D2,对二次回归方程进行分析,其显著性结果见表3。

表3 醋酸含量回归模型方差分析Table3 Variance analysis of regression model on acetic acid content

由表3可知,模型P值<0.01,说明该模型极显著;失拟项P>0.05,表现为不显著;该模型一次项、二次项均达到显著水平,说明各因素对试验影响都较大,交互项仅AC显著,其他均为不显著,说明初始酒精度与冰醋酸添加量之间的相互影响较大,其他因素两两之间影响较小;由F值可看出各因素的影响顺序依次为:B>C>D>A,即醋酸菌接种量>冰醋酸添加量>发酵温度>初始酒精度;决定系数R2=0.9746>0.9,说明该模型能很好地表达试验结果,仅3%的变化不能用此模型来解释,该方程拟合度较好,模型预测值与实际值有较好的关联性。

2.2.2 响应面分析及优化

图5 各因素交互作用对果醋酸度影响的响应面图Fig.5 Three-dimensional response surface diagram showing the interactive effects of different factors on acidity of fruit vinegar

响应面可以反映出各个因素间交互作用的显著性,曲面变化相应表现为响应值变化的大小[19]。由图5可知,初始酒精度、醋酸菌接种量、冰醋酸添加量、发酵温度4个因素之间存在交互作用。图5中a为初始酒精度与醋酸菌接种量的交互结果:响应曲面坡度较陡峭,且醋酸菌接种量坡度更为陡峭,说明二者交互作用显著,醋酸菌接种量的影响大于初始酒精度的影响;图5中b为冰醋酸添加量与初始酒精度的交互结果:等高线呈椭圆形,且冰醋酸添加量坡度明显大于初始酒精度,说明二者交互作用显著,冰醋酸添加量的影响大于初始酒精度的影响;图5中c,d,e响应面图均呈现先上升后下降的趋势,有明显的最大值,且等高线图均呈椭圆形,说明其两两之间交互作用都较为显著;图5中f为发酵温度与冰醋酸添加量的交互结果:响应面较为平缓,且等高线呈圆形,说明二者交互作用不显著。

2.2.3 响应面验证试验

通过响应面分析,得到最佳发酵条件为初始酒精度6.03%,醋酸菌接种量10.19%,冰醋酸添加量1.04%,发酵温度30.09℃,在此条件下发酵得到的红提果醋酸度为6.85g/dL;考虑到实际操作的便利性,将最佳条件调整为初始酒精度6%,醋酸菌接种量10%,冰醋酸添加量1%,发酵温度30℃,经3次重复试验,实际红提果醋酸度均值为6.79g/dL;实际结果与理论值偏差较小,表明该模型能较好地预测红提果醋发酵工艺条件,具有实际应用价值。

3 结论

通过对单因素初始酒精度、醋酸菌接种量、发酵温度、冰醋酸添加量对红提果醋发酵过程中酸度的影响进行考察,利用响应面法对各因素之间的交互作用进行分析。得到以下结论:(1)4个单因素对红提果醋产酸的影响顺序为醋酸菌接种量>冰醋酸添加量>发酵温度>初始酒精度。(2)最佳发酵条件为初始酒精度6%,醋酸菌接种量10%,冰醋酸添加量1%,发酵温度30℃;在此条件下得到酸度为6.79g/dL的红提果醋。(3)响应面法预测理论值经实际验证后,与实际结果相差无几,说明此响应面模型具有实际价值。

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