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        響應(yīng)面法優(yōu)化刺梨果醋的發(fā)酵條件

        2018-03-21 00:51:50李小紅陽如詩魏韶張小松吳德智
        中國調(diào)味品 2018年3期
        關(guān)鍵詞:黃酮

        李小紅,陽如詩,魏韶,張小松,吳德智

        (貴州理工學(xué)院,貴陽 550003)

        刺梨(RosaroxbunghiiTratt)是薔薇科多年生落葉叢生灌木繅絲花的果實(shí),果實(shí)多為扁球形漿果,成熟時為黃棕色[1],是集保健、藥用及食用為一體的綠色水果[2],具有獨(dú)特的芳香味,營養(yǎng)豐富,含有很多生物活性物質(zhì),包括具有抗氧化作用的黃酮、類黃酮、VC、VP(蘆丁)等,有“三王水果”之稱[3]。但是刺梨果汁含有大量的單寧等多酚物質(zhì)[4],具有較強(qiáng)的苦澀味[5],因此直接食用會影響口感。

        以水果或果品加工下腳料為主要原料,以酒精發(fā)酵及醋酸發(fā)酵釀制而得到的營養(yǎng)豐富、風(fēng)味獨(dú)特的調(diào)吳德智(1983-),男,副教授,博士,研究方向:食品藥品研究與開發(fā)。

        味品定義為果醋。果醋既有水果和食醋的營養(yǎng)保健功效,又是具有營養(yǎng)、保健及食療等功能為一體的新型調(diào)味品[6,7]。刺梨釀制成果醋,不僅可以解決刺梨口感問題,同時還保留了刺梨原有的營養(yǎng)物質(zhì),并且發(fā)酵之后的產(chǎn)品吸收更好,增加刺梨的附加值[8-10]。

        單因素試驗(yàn)分別對刺梨果醋醋酸發(fā)酵過程的接種量、發(fā)酵溫度、發(fā)酵時間及裝液量4個因素的最佳工藝參數(shù)進(jìn)行探討,然后通過響應(yīng)曲面法對以上4個因素進(jìn)行優(yōu)化,獲得刺梨果醋發(fā)酵的最佳工藝條件,為刺梨果醋工廠化生產(chǎn)提供理論依據(jù),為刺梨深加工產(chǎn)品的不斷開發(fā)利用提供新途徑。

        1 材料與方法

        1.1 菌種、試劑

        果酒酵母1969、醋酸桿菌20056:中國發(fā)酵工業(yè)研究所(CICC);刺梨:本地人工種植,充分成熟,新鮮無霉?fàn)€變質(zhì);酵母浸粉、葡萄糖、瓊脂:天津市華東試劑廠;其他試劑:均為分析純。

        1.2 儀器及設(shè)備

        DK-98-1型電熱恒溫水浴鍋 上海上天精密儀器有限公司;UV-2550型紫外-可見分光光度計(jì) 梅特勒-托利多國際股份有限公司; FA1004B型電子天平 上海越平科學(xué)儀器有限公司;九陽 JYZ-E6型榨汁機(jī) 九陽股份有限公司;J0050024型生化培養(yǎng)箱 上海?,斣囼?yàn)設(shè)備有限公司;WF32型精密色差儀 深圳威孚光電科技有限公司;PX-A1T型酒精濃度計(jì) 廣州市普析通用儀器有限公司。

        1.3 試驗(yàn)方法

        1.3.1 刺梨果醋制作工藝流程[11]

        1.3.2 操作過程

        1.3.2.1 原料清洗

        通過流動水漂洗挑選出成熟、飽滿、無蟲害及無霉?fàn)€變質(zhì)的刺梨。

        1.3.2.2 破碎、酶解

        將清洗處理好的刺梨果實(shí)打漿,為了提高出汁率,酶解時添加果膠酶55 mg/L,在50 ℃保溫酶解3.0 h。

        1.3.2.3 調(diào)整成分

        為了充分滿足酵母發(fā)酵的需求,加白砂糖將糖度調(diào)整為17%。

        1.3.2.4 滅酶及滅菌

        高溫可以使酶失效,因此在成分調(diào)整后通過升高溫度達(dá)到滅酶及滅菌的目的,在90 ℃保溫20 min。

        1.3.2.5 酒精發(fā)酵

        在刺梨果汁中按照果汁量3%接種加入果酒酵母1969,在30 ℃,發(fā)酵5天左右。

        1.3.3 刺梨醋酸發(fā)酵條件優(yōu)化

        1.3.3.1 單因素試驗(yàn)

        本試驗(yàn)針對原料裝液量、發(fā)酵溫度、發(fā)酵時間及醋酸菌接種量4個因素,保持其中3個因素固定不變,進(jìn)行單因素試驗(yàn),以多酚和黃酮為次要指標(biāo),醋酸產(chǎn)量為主要指標(biāo),確定混料設(shè)計(jì)所需的水平。

        1.3.3.2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

        以醋酸產(chǎn)量為主要指標(biāo),經(jīng)過對刺梨果醋配方的單因素試驗(yàn),選擇混料優(yōu)選范圍:醋酸菌接種量(A)(10%,12%,14%)、發(fā)酵時間(B)(9,10,11 天)、發(fā)酵溫度(C)(30,32,34 ℃)、裝液量(D)(8%,12%,16%)。采用Design-Expert 8.0.6軟件進(jìn)行混料設(shè)計(jì),并以醋酸含量為指標(biāo),從而選出最佳配方,試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1。

        表1 Box-Benhnken響應(yīng)面試驗(yàn)因子與水平表Table 1 The factors and levels of Box-Benhnken experiment design

        1.3.4 指標(biāo)測定及方法

        1.3.4.1 基礎(chǔ)指標(biāo)測定

        醋酸產(chǎn)量測定,參考王穎等的方法[12];色度值采用精密色差儀;酒精度采用酒度計(jì)。

        1.3.4.2 總多酚的測定

        采用福林酚法進(jìn)行測定[13]。刺梨果醋適當(dāng)稀釋,吸取1 mL,加入0.2 mL福林酚試劑,搖勻,放置3 min 后加入1 mL 10% Na2CO3溶液,充分混合后室溫下靜置1 h,于760 nm波長處測定吸光度。以沒食子酸為標(biāo)樣,制作標(biāo)準(zhǔn)曲線,得出總酚含量Y與吸光度X的標(biāo)準(zhǔn)方程: Y=0.4417X+0.0012,R2=0.9931,在1.0~15.0 mg/L濃度范圍內(nèi)有良好的線性關(guān)系。

        1.3.4.3 總黃酮的測定

        本試驗(yàn)采用亞硝酸鈉-硝酸鋁比色法測定總黃酮的含量。參考白立敏等的方法[14],精密稱取蘆丁標(biāo)準(zhǔn)品,40%乙醇配制得130.0 mg/L的蘆丁儲備液。準(zhǔn)確移取儲備液0,1.0,2.0,3.0,4.0,5.0 mL置于10 mL容量瓶中,加入40%乙醇4.0 mL,靜置5 min后加入5% NaNO3溶液0.5 mL,搖勻,靜置5 min后加入0.5 mL 的10% Al (NO3)3溶液,搖勻,靜置5 min,最后加入3 mL 4% NaOH溶液,以乙醇為溶劑定容至10 mL。充分搖勻,靜置15 min后,于510 nm下測定吸光度,同時以空白試劑作參比。以吸光度Y為縱坐標(biāo)與濃度X為橫坐標(biāo)(mg/L),得標(biāo)準(zhǔn)回歸方程Y=0.1124X-0.0012,R2=0.9993。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

        2.1.1 醋酸菌接種量對刺梨果醋醋酸發(fā)酵的影響

        取刺梨酒精發(fā)酵后的樣品100 mL置于250 mL圓底燒瓶中,分別加入6%,8%,10%,12%,14%的醋酸菌接種量,在30 ℃的環(huán)境中靜置發(fā)酵8天,然后測定果醋中的醋酸含量,結(jié)果見表2。

        表2 醋酸菌接種量對果醋的影響Table 2 The single factor experimental results of acetic acid bacteria inoculation amount

        隨著接種量的升高,果醋中的醋酸含量先逐漸升高后趨于平衡。多酚、黃酮含量逐漸降低,且多酚減少幅度最大。當(dāng)醋酸菌接種量為12%時,醋酸含量最高,為4.76 g/dL。在營養(yǎng)物質(zhì)一定的條件下,接種量過大時,發(fā)酵液內(nèi)醋酸菌的含量增大,導(dǎo)致消耗的營養(yǎng)也隨之增多,但是同時用于生成醋酸的底物又不變,從而導(dǎo)致醋酸產(chǎn)量相對降低[15]。

        2.1.2 發(fā)酵時間對刺梨果醋醋酸發(fā)酵的影響

        取刺梨酒精發(fā)酵后的樣品100 mL置于250 mL圓底燒瓶中,接種醋酸菌量為12%,裝液量為12%,在30 ℃下分別靜置發(fā)酵 7,8,9,10,11 天,測定果醋中的醋酸,結(jié)果見表 3 。

        表3 發(fā)酵時間對果醋的影響Table 3 The single factor experimental results of fermentation time

        隨著發(fā)酵時間的延長,果醋中的醋酸含量逐漸升高而后趨于平衡,在發(fā)酵第 11天時醋酸含量略有降低。當(dāng)發(fā)酵時間為10天時,醋酸含量最高。此外,隨著發(fā)酵時間的延長,多酚、黃酮含量逐漸降低,且多酚減少幅度最大。在營養(yǎng)物質(zhì)一定的條件下,發(fā)酵時間延長,發(fā)酵液內(nèi)醋酸菌含量不斷增多,其消耗的營養(yǎng)也越多,同時用于生成醋酸的底物較少,從而使得產(chǎn)酸量也相對較低。

        2.1.3 發(fā)酵溫度對刺梨果醋醋酸發(fā)酵的影響

        取刺梨酒精發(fā)酵后的樣品100 mL置于250 mL圓底燒瓶中,接種醋酸菌量為12%,裝液量為12%,分別在 26,28,30,32,34 ℃下靜置發(fā)酵10 天,測定果醋中的醋酸,結(jié)果見表 4。

        表4 發(fā)酵溫度對果醋的影響Table 4 The single factor experimental results of fermentation temperature

        隨著發(fā)酵溫度的升高,果醋中的多酚及黃酮含量均下降,這是因?yàn)闇囟壬郀I養(yǎng)物質(zhì)分解速度加快導(dǎo)致。醋酸含量先升高后降低,當(dāng)發(fā)酵溫度為 32 ℃時,醋酸含量最高,為4.86 g/dL。這是因?yàn)楫?dāng)發(fā)酵溫度過低時,醋酸菌的生長代謝比較緩慢,醋酸產(chǎn)量低,隨著溫度的升高生長代謝加快,醋酸含量隨之增加,但是當(dāng)溫度過高時又會導(dǎo)致菌體老化,代謝性能降低。

        2.1.4 裝液量對刺梨果醋醋酸發(fā)酵的影響

        取刺梨酒精發(fā)酵后的樣品在裝液量為8%,12%,16%,20%,24%分別置于250 mL圓底燒瓶中,接種醋酸菌量為12%,32 ℃下靜置發(fā)酵10天,測定果醋中的醋酸,結(jié)果見表5 。

        表5 裝液量對果醋的影響Table 5 The single factor experimental results of the volume of liquid

        隨著裝液量的升高,果醋中的醋酸含量先升高后逐漸降低且降低效果明顯,這是因?yàn)榇姿峋呛醚蹙?,裝液量越多與空氣的接觸面積就越小,醋酸菌生成代謝得不到足夠的氧氣使醋酸發(fā)酵緩慢,醋酸產(chǎn)量反而減少。當(dāng)裝液量為12%時,醋酸含量最高,為4.98 g/dL。此外,隨著發(fā)酵液裝液量的升高,多酚、黃酮含量逐漸升高。這是因?yàn)檠b液量較少時,溶解氧過高會導(dǎo)致還原性物質(zhì)多酚、黃酮的降解。

        2.2 刺梨果醋發(fā)酵工藝條件的響應(yīng)面優(yōu)化

        在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,選取接種量(10%,12%,14%)、發(fā)酵時間(9,10,11天)、發(fā)酵溫度(30,32,34 ℃)及裝液量(8%,12%,16%)4個對刺梨果醋發(fā)酵有較大影響的因素,采用Design-Expert 8.0.6提供的Box-Benhnken試驗(yàn),以刺梨果醋的量為指標(biāo)優(yōu)化發(fā)酵工藝條件,試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表6。

        表6 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 6 The design and results of response surface analysis

        續(xù) 表

        2.3 Box-Benhnken響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)優(yōu)化復(fù)合發(fā)酵果漿的發(fā)酵條件

        采用Design-Expert 8.0.6 提供的Box-Benhnken試驗(yàn),對各因素進(jìn)行擬合,得到多元回歸方程:R=4.95-0.013A+0.082B+0.023C-0.079D-0.055AB+0.005AC+0.037AD+0.005BC-0.048BD-0.0075CD-0.15A2-0.30B2-0.26C2-0.36D2。

        對刺梨果醋醋酸含量的回歸模型進(jìn)行方差及顯著性分析,結(jié)果見表7。

        表7 感官評分回歸方程的方差與顯著性分析Table 7 Variance and significant analysis of regression equation of sensory scores

        續(xù) 表

        該模型方程有顯著性影響(P<0.0001),失擬項(xiàng)不顯著(P=0.0612>0.05),說明在本試驗(yàn)條件下,該回歸模型所考察的因素足以反映試驗(yàn)中發(fā)酵條件對刺梨果醋含量的影響。判定系數(shù)R2=0.9832,Radj2=0.9671,說明回歸模型與實(shí)驗(yàn)值擬合較好,可用于刺梨果醋含量的理論推測和分析,各因素影響大小依次為:發(fā)酵時間>裝液量>發(fā)酵溫度>接種量。由F檢驗(yàn)可知,一次項(xiàng)中發(fā)酵時間、裝液量對刺梨果醋的產(chǎn)量具有極顯著影響(P<0.01);在二次項(xiàng)中接種量、發(fā)酵時間、發(fā)酵溫度以及裝液量對刺梨果醋的產(chǎn)量具有極顯著影響(P<0.01);其他因素之間不顯著(P>0.05)。與圖1中3D效應(yīng)面圖反映出的各因素間的交互作用相吻合。

        圖1 各因素交互的3D響應(yīng)面圖譜Fig.1 3D response surface of different interaction factors

        由Design-Expert 8.0.6軟件得出刺梨果醋醋酸的最佳發(fā)酵工藝參數(shù)是接種量為11.65%,發(fā)酵時間為10.13天,發(fā)酵溫度為32.08 ℃,裝液量為11.58%,刺梨果醋醋酸含量為4.96 g/dL,為了便于生產(chǎn),我們將接種量定為11.7 %、發(fā)酵時間定為10天、發(fā)酵溫度定為 32 ℃、裝液量定為11.6%。進(jìn)一步驗(yàn)證試驗(yàn),得出刺梨果醋醋酸含量為4.98 g/dL。該值與預(yù)測值比較近,因此選取此為刺梨果醋醋酸的發(fā)酵工藝參數(shù)。

        3 結(jié)論

        通過單因素和 Box-Benhnken響應(yīng)面試驗(yàn),利用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法建立了刺梨果醋發(fā)酵條件的二次多項(xiàng)式模型:R=4.95-0.013A+0.082B+0.023C-0.079D-0.055AB+0.005AC+0.037AD+0.005BC-0.048BD-0.0075CD-0.15A2-0.30B2-0.26C2-0.36D2。

        由Design-Expert 8.0.6軟件得出刺梨果醋醋酸的最佳發(fā)酵工藝參數(shù)是接種量為11.65%,發(fā)酵時間為10.13天,發(fā)酵溫度為32.08 ℃,裝液量為11.58%,刺梨果醋醋酸含量為4.96 g/dL,為了便于生產(chǎn),我們將接種量定為11.7%、發(fā)酵時間定為10天、發(fā)酵溫度定為32℃、裝液量定為11.6%。與進(jìn)一步驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合,也就是本試驗(yàn)范圍內(nèi)建立的模型準(zhǔn)確有效,可用來預(yù)測刺梨果醋發(fā)酵工藝參數(shù)。得到的果醋醋香濃郁,味酸醇厚,營養(yǎng)成分豐富,具有很好的開發(fā)前景。

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