苹果醋的发酵工艺优化及对其品质的影响研究

祖祥凯，黄蓓蓓

(1.川北幼儿师范高等专科学校，四川 广元 628017；2.河南科技大学 应用工程学院，河南 三门峡 472000)

1 概述

我国作为较大的苹果生产国和消费国，苹果的种植面积和产量均占全球的45%以上，在世界苹果产业中占有重要的地位。目前我国的苹果主要以鲜果销售为主，据不完全统计，2020年，我国的苹果栽培面积在4000万亩左右[1]，总产量为4500万吨[2]，对于优质的苹果，通过鲜销的手段基本可以保证产销的平衡，但是还剩余20%左右的苹果属于普通果和次等果，必须通过加工的手段和方法来解决，苹果醋或者苹果汁是目前我国苹果加工的主导产品[3]。

苹果醋是由苹果经过酒精发酵和醋酸发酵后制成，富含维生素、氨基酸、纤维素、果胶和有机酸等营养成分，具有苹果和食醋共有的营养保健功能[4]，相关的产品主要有苹果醋片、苹果醋饮料和调味苹果醋。现代医学研究表明，苹果醋中的有机酸能够维持机体内的酸碱平衡，具有消除人体疲劳的功效；苹果中的尼克酸具有调节人体血糖和血压的作用[5-6]；苹果醋中的氨基酸和黄酮类物质能够有效地清除人体内的过氧化基，起到延缓机体衰老和提高机体免疫力的功效[7]。

苹果醋在欧洲发达国家起步早、工艺先进、种类多样，特别是日本加工的苹果醋是保健果醋的代表。我国的果醋加工起步较晚，主要研发目的是解决水果资源过剩和进一步提高水果本身的附加值[8]。最先以一些简单的水果：葡萄、苹果和梨等进行果醋的加工[9]，随着人们对果醋保健效果的认知越来越深，一些新型的加工方法和果醋种类才诞生。苹果醋中含有丰富的营养成分，能被开发为苹果醋饮料或调味品。本研究通过对苹果醋发酵工艺的优化，以期获得苹果醋发酵的最佳工艺条件[10-11]。

2 材料与方法

2.1 材料

苹果、分光光度计、水浴锅、分析天平、榨汁机、培养箱、酸度计、高效色谱仪、超净工作台、手提式不锈钢蒸汽消毒器、葡萄糖、琼脂、酵母膏、氢氧化钾、磷酸二氢钾、磷酸氢二钾、硝酸钾、硝酸铝、酒石氨酸、硫酸铁、硫酸铜和硫酸镁。

菌种(购于中国北京微生物研究所)：菌株1、菌株2和菌株3均为酿酒酵母。

2.2 苹果醋加工工艺流程

新鲜苹果→清洗、去皮→磨碎→酶处理→调节甜度→酒精发酵→醋酸发酵→包装→杀菌→苹果醋成品。

2.3 酵母菌发酵能力的测试

二氧化碳失重法：酒精发酵的过程中产生二氧化碳，通过测定酒精发酵过程中所产生的二氧化碳重量多少为酵母菌发酵能力的强弱[12-13]。

2.4 苹果醋中菌落总数的测定

根据国际通用的对健康食品中微生物含量的判定标准，当微生物含量小于108个/mL时符合安全指标，当微生物浓度超过该指标后，则表示为变质食物。对苹果醋中的微生物采用统计法进行计算和处理，结果以对数的形式进行统计[14]。

测定菌落时，在超净工作台上操作，将苹果醋添加生理盐水进行稀释，随机取20 g稀释100，1000，10000倍，每个稀释度制作8个重复，最后统计的数值为20 g苹果醋中微生物总数对数的平均值。

2.5 其他相关指标的测定

还原糖含量的测定：斐林试剂法；酒精度的测定：蒸馏瓶法；总脂的测定：皂化法。

3 结果与分析

3.1 苹果醋发酵菌种筛选

通过对图1中不同菌株及菌株组合在苹果醋发酵中二氧化碳失重量的测定结果可知，3个不同的酵母菌发酵菌株及菌株组合在发酵过程中，不同菌株发酵能力各不相同。在48 h内，酵母菌的发酵能力明显由最低上升到最高，然后又下降，到第6天降为最低，之后保持平稳。其中菌株1+菌株2的组合为最佳组合，发酵能力明显高于其他菌株组合，发酵峰值CO2的失重能力最高时结果为3.50 g，发酵周期较短，稳定期为3 d。

图1 不同菌株发酵速率的比较

通过对3个单菌株和3个菌株的组合进行苹果醋发酵试验对比，以酒精度、总脂含量和还原糖含量进行对比。由图2可知，酒精度与还原糖含量呈现负相关，酒精度高的还原糖浓度低。发酵结束后，还原糖的含量均呈现较低的水平。混合菌株1+菌株3和混合菌株1+菌株2的酒精产量分别为7.0%和7.5%，还原糖的含量为3.0%和2.8%。最佳发酵的混合菌株1+菌株2与上述试验结果一致，选择混合菌株1+菌株2作为最佳发酵菌株。

图2 不同菌株和菌株组合的发酵特征

3.2 苹果醋酒精发酵工艺优化

根据相关的参考文献和单因素试验，设计了Plackett-Burman的矩阵，3个平行试验，将酒精含量的平均值作为响应值Y，详细结果见表1，分析结果见表2。

表1 数值为12的Placckett-Burman 试验设计和结果

表2 方差分析

由表2中可知，概率值小于0.05的有X1、X3、X5、X6和X8，这5个因素对酒精发酵的影响最为重要，按照影响力的大小进行比较，X3>X5>X6，这3个影响因素分别为发酵温度、接种量和菌种年龄对酒精发酵的影响。

由上述试验结果研究可知，确定了酒精发酵的3个影响因素，根据相关的参考文献，结合Design-Expert 7.1对3个影响因素进行试验设计和建立回归模型，并对模型进行方差分析，见表3。

表3 酒精含量二次模型方差分析表

使用Design-Expert 7.1软件建立了发酵温度、接种量和菌种年龄与酒精产量之间的响应面，从而对将影响因素水平进行优化，通过分析获得了最佳的酒精发酵条件，即最佳的菌种年龄为12 h的菌株1+菌株2，菌种的接种数量为7.0%，发酵温度为25 ℃，试验结果与之前的研究结果相似[15-18]。

3.3 苹果醋醋酸发酵工艺优化

醋酸发酵也是苹果醋发酵过程中至关重要的一个环节，该步骤流程中醋酸菌能够氧化乙醇，从而生成醋酸，生成醋酸的能力主要受醋酸菌株的菌种特性和发酵条件影响，醋酸菌的影响因素为发酵时间、温度、接种量和液体总量，本试验设计了4个影响因素的正交试验，正交试验为优化菌株1+菌株2的醋酸发酵工艺，试验结果见表4。

表4 正交试验优化结果

由表4的极差分析结果可知，在醋酸发酵过程中，影响发酵结果的程度由大到小分别是发酵温度、发酵时间、接种量和发酵液体量。最优水平组合是A2B3C2D2，使用菌株1+菌株2的醋酸发酵最优工艺为：发酵温度32 ℃、接种量10%、发酵时间144 min、液体量500 mL。

3.4 4种不同包装材料对苹果醋保质期的影响

研究4种材料纸材料、玻璃材料、金属材料和塑料在包装苹果醋时的保质期长短，在包装结束后，采用高温进行杀菌，设置杀菌温度为110 ℃，杀菌时间为10 min。将杀菌完成后的苹果醋放置于37 ℃恒温培养箱中，每间隔15 d对苹果醋中所含的微生物量进行微生物总量检测。

不同的包装材料对苹果醋保质期的影响较小，通过比较4种包装材料对苹果醋保质期的影响，由图3可知，玻璃材料相对于其他3种材料具有较好的效果，微生物的含量明显低于纸材料、金属材料和塑料。纸材料包装的苹果醋在37 ℃放置75 d时，微生物的含量超过了108个/mL(国家食品安全指标)，此时已经变质。玻璃材料能在37 ℃的恒温箱中有90 d的保质期，微生物的总量超过108个/mL。

图3 不同材料苹果醋中保质期内微生物含量的比较

4 结论

通过对苹果醋发酵工艺技术的优化，得到最优的酵母菌菌株为菌株1+菌株2；酒精发酵最佳的菌种年龄为12 h的菌株1+菌株2，菌种的接种数量为7.0%，发酵温度为25 ℃；醋酸发酵的最佳条件为：发酵温度32 ℃、接种量10%、发酵时间144 min、液体量500 mL。