莲藕果醋的工艺优化

张军，王建化

(青岛农业大学 海都学院，山东 莱阳 265200)

莲藕是一种营养丰富、健康价值极高的食品原料[1]，果醋具有多种生理功效[2-4]。本文通过单因素实验来探究果醋发酵的优良条件，以发酵pH、菌种接种量以及发酵初始酒精度的单因素实验确定发酵工艺，再进行响应面实验对实验结果进行分析优化，最终得出较优的结果，对莲藕果醋的实际生产有着较为重要的意义，为莲藕的开发利用开辟出一条更为广阔的发展方向。

1 材料与仪器

1.1 主要材料与试剂

莲藕：蔬菜批发市场；酿酒曲：湖北宜昌市安琪酵母股份有限公司；醋酸菌种：鹤壁市百惠生物科技有限公司；无水乙醇、氢氧化钠、盐酸：均为分析纯，烟台三和化学试剂有限公司；蒸馏水：二次去离子水。

1.2 主要仪器

FK-A型组织捣碎机 江苏金坛市环宇科学仪器厂；LRH-250生化培养箱 上海齐欣科学仪器有限公司；RH-QB低温恒温摇床 常州市金坛博科实验设备研究所；BSC-1100 II BA-X生物安全柜 山东博科生物产业有限公司；LDZH-150KBS立式压力蒸汽灭菌器 上海申安医疗器械厂；HI2221专业实验室pH/ORP/温度测定仪 哈纳沃德仪器有限公司；ULUP实验室超纯水机 成都超纯科技有限公司。

2 实验方法

2.1 莲藕果醋的发酵流程

莲藕→匀浆→过滤→恒温发酵(接入酿酒曲)→莲藕果酒(接入醋酸菌种)→半成品(调味调色)→果醋成品。

2.1.1 操作要点

2.1.1.1 原料处理

将原料莲藕洗净，切成0.5 cm左右的薄片，待用。

2.1.1.2 匀浆

每100 g原料莲藕与150 mL蒸馏水加入10 g蔗糖混匀后放入组织捣碎机中捣碎，直至呈浆糊状。

2.1.1.3 菌种活化

向配制好的糖液(1 g蔗糖与20 mL蒸馏水混合)中加入2 g酿酒曲在35 ℃下保藏30 min进行菌种活化。注意菌种不得包心结块。

2.1.1.4 酒精发酵

控制接种量2%，在无菌操作台上以无菌操作将活化好的酿酒曲接入处理好的莲藕匀浆中，摇匀，置于35 ℃生化培养箱中密封发酵4 d。

2.1.1.5 过滤

将发酵好的莲藕匀浆用干净的4层纱布过滤得到滤液。然后蒸馏后用酒精计测得酒精度，并用pH计测得莲藕酒的初始pH值。

2.1.1.6 醋酸发酵

对莲藕酒的酒精度(利用无水乙醇进行调节)与pH进行适当的调节(用NaOH溶液或者HCl溶液对莲藕酒的pH进行调节)，进行无菌操作，将制备好的果酒每100 mL分装于250 mL三角瓶中(装液量为40%)接入适量醋酸菌种，用摇床进行控温液态醋酸发酵。

2.2 单因素实验

采用液态摇床进行果酒醋酸发酵，转速120 r/min[5]，装液量40%(250 mL三角瓶)，发酵温度30 ℃，将制备好的待发酵果酒分装于250 mL三角瓶中进行莲藕果醋醋酸发酵单因素实验，醋酸发酵接种量1%、3%、5%、7%、9%、11%；初始pH值调节至2.0，3.0，4.0，5.0；初始酒精度7%、9%、11%、13%、15%；在实验过程中考察最适发酵时间。

2.3 响应曲面实验

根据单因素实验的结果，以接种量(A)、初始pH值(B)、初始酒精度(C)为自变量，以醋酸发酵终止后的莲藕果醋的pH值为响应值，设计三因素三水平实验方案(见表1)。每组实验设计重复3次，计算平均值。实验设计和数据处理使用Design-Expert V8.0.6软件完成[6]。

表1 响应曲面实验因素与水平Table 1 Factors and levels of response surface experiment

3 实验结果

3.1 接种量对莲藕果醋发酵pH的影响

莲藕果醋发酵pH随接种量的变化见图1。

图1 不同接种量下莲藕果醋的发酵pHFig.1 The pH values of lotus root vinegar fermentation under different inoculation amount

在初始pH与初始酒精度条件下，莲藕果醋的pH在接种量1%～7%的范围内呈下降趋势，在7%～11%的范围内呈上升趋势,接种量为7%时莲藕果醋的pH最低。由此可以确定莲藕果醋发酵响应曲面实验设计中接种量的3个水平分别是5%、7%、9%。

3.2 初始pH对莲藕果醋发酵pH的影响

莲藕果醋发酵pH随初始pH的变化见图2。

图2 不同初始pH下莲藕果醋的发酵pHFig.2 The pH values of lotus root vinegar fermentation under different initial pH values

初始pH在2～3之间，发酵pH的变化量较大；初始pH在3～5之间，发酵pH的变化量较小，由图2可知，pH呈现向3～4集中的趋势。得知比较适合的发酵初始pH在3～4之间。由此可以确定莲藕果醋发酵响应曲面实验设计中初始pH的3个水平分别是3，3.5，4。

3.3 初始酒精度对莲藕果醋发酵pH的影响

莲藕果醋发酵pH随初始酒精度的变化见图3。

图3 不同初始酒精度下莲藕果醋的发酵pHFig.3 The pH values of lotus root vinegar fermentation under different initial alcoholicity

初始酒精度在5%～7%之间，莲藕果醋的发酵pH随着初始酒精度的升高呈下降趋势；初始酒精度在7%～13%之间，莲藕果醋的发酵pH变化平稳；当初始酒精度为15%时，酒精度过高影响发酵，pH呈上升趋势。由此可以确定莲藕果醋发酵响应曲面实验设计中初始酒精度在7%～13%之间，从经济以及保持原有产品品质的角度考虑，选择初始酒精度的3个水平分别是5%、7%、9%。

3.4 响应曲面实验

3.4.1 响应曲面回归方程建立及参数分析

采用Design-Expert V8.0.6软件，按照Box-Behnken组合设计，依据单因素实验结果选取初始pH、初始酒精度、接种量3个因素作为自变量，以莲藕果醋的发酵pH作为响应值，实验设计方案及数据处理结果见表2。

表2 响应面实验设计及结果Table 2 Design and results of response surface experiment

方差分析结果见表3。

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

注：“*”为P<0.05，表示差异显著；“**”为P<0.01，表示差异极显著。

对表2数据进行统计分析，得到莲藕果醋醋酸发酵工艺参数的二次回归方程(编码方程)：

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表示莲藕果醋pH值，A，B，C分别表示接种量、初始pH值、初始酒精度。

进行方差检验验证回归方程，R2=0.9435，P<0.01说明果醋pH(Y)与接种量(A)、初始pH值(B)、初始酒精度(C)存在线性关系，该模型具有统计学意义。一次项A(接种量)、B(初始pH值)、C(初始酒精度)和二次项C2(初始酒精度)均为极显著(P<0.01)；二次项A2、B2和交互项AB、AC、BC均不显著，而且失拟项不显著，表明该模型具有显著意义。

3.4.2 醋酸发酵工艺的响应曲面分析

当把接种量固定于0水平时，随着初始pH值的升高，果醋的发酵pH值呈现上升趋势。当初始pH值固定于0水平时，随着接种量的升高，果醋的发酵pH值呈略微上升趋势，但是变化平稳，可以看出初始pH值与接种量之间的相互影响不显著，见图4。

图4 接种量和初始pH对莲藕果醋发酵pH值影响的响应曲面和等高线图Fig.4 Response surface and contour plot of inoculation amount and initial pH value on pH value of lotus root vinegar fermentation

接种量固定于0水平时，随着初始酒精度的升高，莲藕果醋的发酵pH值先降低后升高，在0～-1水平(酒精度实际值7%、5%)之间的莲藕果醋的发酵pH值最低。当初始酒精度固定于0水平时，随着接种量的升高，莲藕果醋的发酵pH略微升高，变化趋势平缓不明显，所以初始酒精度与接种量之间的相互影响不显著，见图5。

图5 接种量和初始酒精度对莲藕果醋发酵pH值影响的响应曲面和等高线图Fig.5 Response surface and contour plot of inoculation amount and initial alcoholicity on pH value of lotus root vinegar fermentation

当初始pH值固定于0水平时，随着初始酒精度的升高，莲藕果醋发酵pH值先降低后增大，在-0.5～0.5水平(酒精度实际值6%、8%)之间莲藕果醋的发酵pH值较低。当初始酒精度固定于0水平时，随着初始pH的升高，莲藕果醋的发酵酸度呈上升趋势，但趋势平缓，所以初始pH与初始酒精度之间的相互影响不显著，见图6。

图6 初始pH值和初始酒精度对莲藕果醋发酵pH值影响的响应曲面和等高线图Fig.6 Response surface and contour plot of initial pH and initial alcoholicity on pH value of lotus root vinegar fermentation

3.4.3 醋酸发酵优化工艺参数及验证

利用Design-Expert V8.0.6软件确定莲藕果醋发酵的最佳组合为：接种量5%，初始pH 3.0，初始酒精度6.49%，对应的果醋发酵pH响应值为3.56。经过进一步对该工艺参数进行3次重复验证，莲藕果醋的实际发酵pH为3.71，与理论预测值的相对误差小于5%，表明该数学模型对优化莲藕果醋发酵工艺调整是可行的，具有实用价值。

4 结论

本实验在单因素实验的基础上，利用响应面对莲藕果醋的发酵条件进行了优化，建立了醋酸发酵过程中接种量、初始pH值、初始酒精度与莲藕果醋发酵pH值之间的回归模型，经验证，该模型合理可靠，可用于生产预测。使用该模型得到的优化发酵工艺参数为：接种量5%，初始pH值3.0，初始酒精度6.49%，摇床转速120r/min，发酵温度30℃，发酵时间3d，果醋实际发酵pH为3.71，近似于预测值(3.59)。

本实验优化后的初始酒精度为6.49%，与草莓果醋(6%)的酒精度相近[7]。优化后的初始pH为3.0，略低于苹果果醋、蓝莓果醋、猕猴桃果醋的发酵pH值[8-10]。本实验优化的接种量为5%，如用于工业化生产，为了节约成本可以略调低接种量、适当延长发酵时间。

在本实验条件下制得的莲藕果醋风味纯正，酸味柔和，无异味，略带有莲藕特有的风味，色泽呈黄褐色，富有光泽，符合GB 18187—2000《酿造食醋》及GB 2719—2003《食醋卫生标准》的要求。