枇杷果醋載體吸附式醋化技術研究

李維新, 何志剛, 林曉姿, 任香蕓

(1.福建省農科院農產品加工研究中心,福建福州 350013;2.福建省農科院農業工程技術研究所,福建 福州 350003)

枇杷果醋載體吸附式醋化技術研究

李維新1,2, 何志剛1,2, 林曉姿1,2, 任香蕓1,2

(1.福建省農科院農產品加工研究中心,福建福州 350013;2.福建省農科院農業工程技術研究所,福建 福州 350003)

以枇杷果酒為原料,玉米芯為醋酸菌載體,分析了醋酸發酵過程中載體和發酵液內醋酸菌量與醋酸產量的變化,研究了底物、產物濃度及供氣模式對枇杷酒醋化的影響。結果表明:枇杷果醋發酵基質中初始乙醇體積分數以5%～7%較為合適;體積分數1%的醋酸作為底酸,對醋酸發酵起到促進作用;載體具有吸附醋酸菌的作用,醋酸發酵主要是在載體上進行;采取分段供氣和變頻噴淋工藝,使體積分數7%乙醇含量的枇杷酒醋酸轉化率達79.7%,比其它供氣模式高約3個百分點,比無載體發酵高12個百分點。

枇杷果醋;載體吸附;醋酸發酵;工藝技術

水果中具有豐富的糖質資源,是釀酒和釀醋用的上等原料[1-2],目前食醋不斷向保健型轉變已成為趨勢,果醋作為一種具有良好風味的保健醋而倍受消費者歡迎。

釀造食醋的工藝有固態和液體發酵法,液體發酵因具有便于機械化、發酵周期短、勞動生產率高等優點而發展迅速,尤其是固定化醋酸發酵工藝的應用,大大提高了醋酸發酵的效率;固定化醋酸發酵中載體吸附式是采用玉米芯等具有多孔狀纖維材料來吸附醋酸菌,從而達到固定菌體細胞的目的,此方法具有菌體密度高、反應速率快、穩定性好、使用壽命長、可重復利用、便于產物的分離等優點[3-4],但也存在容易過度氧化,果醋口感淡薄等缺點。醋酸菌是一個好氧菌,在其醋化乙醇過程中需要消耗大量的氧氣,在醋酸發酵過程中必須不斷通入空氣,以便給醋酸菌供氧。在醋化過程,通氣量過大或不足,將導致酒精損耗增加或發酵周期延長,而導致乙酸轉化率下降[5]。因此,在枇杷酒醋化過程,通過增加發酵初期的菌體數量、控制通氣量、噴淋頻率等工藝參數對縮短發酵周期,減少乙醇損耗,提高乙酸轉化率至關重要。目前國內外對蘋果醋、柑橘醋等工藝技術的研究較多[6-7],對枇杷果醋釀造技術的研究較少[8],采用載體吸附式醋化技術釀造枇杷果醋,并對發酵工藝技術和參數進行研究還未見相關報道;作者以枇杷果酒為原料,以玉米芯為醋酸菌細胞吸附載體,分析了載體吸附式醋酸發酵過程載體和基質中菌量與醋酸產量的變化,研究了初始底物、產物濃度及供氣模式對枇杷酒醋化周期及乙酸轉化率的影響,提出枇杷果醋載體吸附式醋化技術,為枇杷酒的醋化生產提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 原料 枇杷酒為枇杷經過破碎、榨汁、酒精發酵釀造,乙醇體積分數為5%和7%兩種,酸度為0.29%(醋酸體積分數),殘糖質量分數為0.25%;玉米芯,市場購買,曬干備用;無水乙醇、冰乙酸均為分析純。

1.1.2 菌種 醋酸菌為巴氏醋桿菌巴氏亞種(Acetobacter pasteurianus subsp.Pasteurianus)(滬釀1.01),由上海迪發釀造生物制品有限公司提供。

1.1.3 種子培養基 葡萄糖1 g,酵母膏1.5 g,磷酸二氫鉀 0.05 g,硫酸鎂 0.05 g,水 100 mL,p H 6.5,滅菌后冷至60℃以下加入無水乙醇3.5 m L。

1.1.4 儀器與試劑 B IOTECH-5BG:上海保興生物設備工程有限公司產品,p H100生物顯微鏡:鳳凰光學控股有限公司產品;載體吸附式醋酸發酵罐,80L(自制),可自動控溫和噴淋,自吸泵的流量為10 L/min;HZP-250全溫振蕩培養箱:上海精宏實驗儀器有限公司產品;250 m L三角瓶,燒杯等。NaOH,乙酸等均為分析純試劑。

1.2 方法

1.2.1 醋酸菌種子培養 將滬釀1.01接種于種子培養基,置于全溫振蕩培養箱中,32℃、150 r/m in,培養30 h,醋酸菌種子菌量為2×108個/m L。種子培養后,繼續接種于乙醇體積分數5%的枇杷酒中,于自動玻璃發酵罐中擴大培養,待醋酸菌量達到108級別后,作為載體發酵的種子備用。

1.2.2 初始底物、產物濃度對醋化的影響 經巴氏殺菌含乙醇體積分數5%的枇杷果酒,用無水乙醇分別調配成乙醇體積分數5%～10%的發酵基料,每瓶100 mL,共6個處理;乙醇為體積分數5%的枇杷果酒,分別添加 0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%的冰乙酸 ,每瓶100 m L,共 7 個處理;上述13個處理分別裝于250 mL的三角瓶中,接入10 m L已培養好的醋酸菌液,單層紗布封口,置于全溫振蕩培養箱,32℃,150 r/m in培養,每24 h測定總酸,計算酸的凈增量,實驗設3次重復。

1.2.3 載體和基質中菌量與乙酸產量的關系 初發酵與載體菌體細胞富集:在醋酸發酵罐的上部,分3層裝入載體(玉米芯)10 kg,下部裝入30 kg體積分數7%的枇杷酒;接入3 L經過預先擴大培養的醋酸菌液,設定發酵溫度為30～32℃,通氣量為0.8 L/(min·kg),噴淋周期設為停20 min淋20 m in;循環噴淋30 m in后開始計時,每3 h測定一次發酵液的總酸,12 h測定一次發酵液及載體中的醋酸菌個數。

第二批次發酵:經初發酵完畢、完成載體菌體細胞富集后,重新接入新的枇杷酒液50 L,發酵條件不變,循環噴淋30 min后開始計時,每3 h測定一次發酵液的總酸,12 h測定一次發酵液及載體中的醋酸菌個數。

1.2.4 供氣噴淋模式研究 采用以下A、B、C 3種供氣模式進行載體吸附式醋化枇杷酒,發酵開始時載體已經經過醋酸菌的富集。枇杷酒的體積分數7%,酸度為體積分數0.29%,發酵溫度控制在30～32℃,每12 h測定一次基質總酸體積分數,發酵結束后,統計乙酸轉化率,以無載體恒定供氣和連續噴淋液體發酵作為對照。

處理A:分段供氣和變頻噴淋 供氣分為3段:0～12 h,12～48 h,48 h以后,其通氣量分別為0.2、0.8、0.2 L/(min·kg),變頻噴淋周期分別為停20 min淋 5 min、停 5 min淋 20 min、停 20 min 淋 5 m in;處理B:恒定供氣和間歇噴淋 通氣量為0.8 L/(min·kg),噴淋周期為停20 min淋20 min;處理C:恒定供氣和連續噴淋 通氣量為0.8 L/(min·kg)。

1.2.5 測定方法 總酸:0.05 mol/L標準氫氧化鈉滴定法,以醋酸表示;酒度:按 GB10345.3—89標準測定;基質中醋酸菌計數:血球計數法;載體中醋酸菌計數:從發酵載體的上、中、下不同部位取3～5 g的玉米芯,剪碎置于100 mL的無菌水中在搖床振蕩30分鐘,取樣計數,換算成玉米芯所含菌數(個/g)。乙酸轉化率的計算參考文獻[6]進行。

2 結果與分析

2.1 初始底物濃度與產酸量的關系

滬釀1.01醋酸菌對乙醇體積分數在10%以內的枇杷酒樣都能起動醋化,但隨著乙醇體積分數提高,低產酸量維持的時間變長,醋酸菌生長的延滯期延長。乙醇體積分數在5%～7%時,各處理之間產酸量變化差異不明顯,但都高于乙醇體積分數大于8%的各處理(圖1)。分析醋化168 h后總產酸量(Y)與初始乙醇含量(X)間的關系為:Y=4.474-0.221X(P<0.01),隨著初始乙醇體積分數的增大,總產酸量反而降低,這表明高乙醇體積分數對醋酸菌的生長具有抑制作用,使得醋酸菌的延滯期延長。這種結果必然導致高體積分數的乙醇醋化的周期延長,乙醇損耗增加,乙酸轉化率下降,因此試驗認為:枇杷酒的醋化應以乙醇體積分數為5%～7%較為合適。

圖1 底物體積分數對醋酸發酵的影響Fig.1 Effect of substrate concentration on acetic acid fermentation

2.2 初始產物體積分數與產酸量的關系

由圖2可知,當初始添加的乙酸體積分數為1.0%時,接種后72 h內的產酸量呈直線上升,產酸率高于含對照組在內的各處理組;初始乙酸體積分數為0.5%和1.5%的處理與對照組間無明顯差異,當乙酸添體積分數大于1.5%時,表現出抑制作用,接種初期不產酸,且初始乙酸體積分數越高,醋化延滯越長,乙酸的體積分數達到3%時,醋化延滯期達96 h。結果表明:在醋酸發酵過程中,保留適量的乙酸作為底酸,對醋酸發酵起到促進作用,其最佳含量為1%。

圖2 乙酸體積分數對醋酸發酵的影響Fig.2 Effect of acetic acid concentration on acetic acid fermentation

2.3 載體和基質中菌量與醋酸產量的變化

從菌量看,初次發酵載體與發酵液中的菌量都有一個緩慢增長期,作為載體的玉米芯中含有大量的醋酸菌(含量用c表示,單位為個/g),12 h后就達到在108個/g以上,而液體中的醋酸菌含量較少,僅在107個/g水平上;醋酸菌富集后的固定化發酵(第2批),載體中因初次發酵的富集作用而始終保持在高菌量水平上,遠遠高于液體中的含量,說明載體具有富集醋酸菌的作用,醋酸發酵主要是在載體上進行的(圖3、5)。從醋酸總量變化看,初次發酵的醋化緩沖期較長(24 h),在此期間,醋酸增量只有0.21%;之后才進入快速產酸期,整個發酵周期為72 h(圖4);在醋酸菌富集后的第二批發酵中,通過初次發酵后載體中的菌量已達到高菌量水平,從而縮短了低菌量的醋酸菌繁殖期;發酵開始后,經噴淋交換使基質中含有1.0%左右醋酸作為底酸,也能促進了醋化作用的進行;因此,第二批醋化緩沖期不明顯,接種后即開始產酸,12 h內醋酸增量達到0.9%,產酸高峰期為12～48 h,發酵周期為57 h(圖6)。實驗結果表明,載體具有吸附醋酸菌的作用,醋化主要在載體上進行;載體富集醋酸菌后能迅速啟動醋酸發酵,從而縮短發酵周期,提高產酸率。

2.4 供氣噴淋模式對醋酸發酵的影響

載體吸附式醋酸發酵,具有有較高的產酸率,發酵周期短(57 h),乙酸轉化率高,均達76%以上;而無載體液體發酵工藝(CK)接種后,低產酸期長達24 h,整個發酵過程中產酸率低,發酵周期長(96 h),因長時間的噴淋和通氣,致使乙醇的損耗量大,最終其乙酸轉化率較低,只有67.24%(圖7、表1)。

圖3 初次發酵載體與發酵液中菌量的變化Fig.3 Acctobactor quantity change in carriors and liquid during first fermentation

圖4 初次載體發酵中總酸的變化Fig.4 Total acid change during firse carrior fermentation

圖5 第二批發酵載體及發酵液菌量變化Fig.5 Acctobacter quantity change in carriors and liquid during next fermentaion

圖6 第二批發酵中總酸的變化Fig.6 Total acid change duing next fenmentaion

圖7 發酵方式對產酸量的影響Fig.7 Effect of fermentation model on the yield of acetic acid

表1 通氣量及噴淋頻率對醋酸發酵的影響Tab.1 Effects of ventilation quantity and insufflation frequency on acetic acid fermentation

載體吸附式醋酸發酵前期,醋酸菌產酸率較低,耗氧水平也低;但此時期發酵液中乙醇濃度高,高通氣和連續噴淋會加大乙醇的損耗。分段供氣和變頻噴淋工藝(A)同另兩種供氣方式(B、C)相比,因其前期通氣量小,乙醇的損耗也相應減少;接種后12 h內產酸少,但其高產酸期(12～48 h)產酸速率高,最終的產酸量也高(圖7);3種供氣方式的發酵周期均為57 h,但A方式的乙酸的轉化率比B、C提高了約3個百分點(表2)。同時因通氣和噴淋得到控制,A方式能縮短了電機的工作時間,既延長了機器的使用壽命,又節約了能源,因此生產上應采取控制通氣及噴淋的方法,既能提高產品的轉化率,又可降低生產成本。

3 討論與結論

1)在醋酸發酵中,醋酸菌要經歷利用發酵基質中的營養成份繁殖生長,同時將乙醇氧化成醋酸兩個過程。醋酸發酵過程存在高濃度乙醇的底物抑制和高濃度醋酸的產物抑制效應[9]。高濃度的乙醇對醋酸菌的繁殖具有顯著的抑制作用,發酵基質中乙醇含量越高,其抑制作用越明顯;同時乙醇濃度過高,抑制醋酸菌的生長,致使其發酵時間延長,乙醇的揮發損失加大,產酸率會降低。綜合考慮認為枇杷果醋發酵時,乙醇體積分數以5%～7%較為合適。

乙酸是醋酸發酵的產物,在載體吸附式醋酸發酵的連續生產中,因載體的吸附作用,下批次的發酵液中會滯留有一定量的乙酸,其含量的高低會對醋酸的發酵作用造成一定的影響。王麗麗等在醋酸菌生長的營養需求及產酸的促進作用研究中發現,發酵培養基外加體積分數1%～2%的醋酸作為底酸對滬釀1.01的產酸速率有促進作用[10]。作者研究表明,在枇杷果醋發酵中,高濃度的乙酸對醋酸發酵有明顯的抑制作用,但一定含量的乙酸作為底酸,可對發酵起到促進作用,醋酸發酵時其體積分數以1%較為合適,此結論與王麗麗等的研究基本一致。

2)載體吸附式醋酸發酵中,玉米芯載體中含有大量的醋酸菌,而液體中的醋酸菌含量較少,表明載體具有富集醋酸菌的作用,醋酸發酵主要是在載體上進行的,而液體中幾乎沒有發酵作用,因為醋酸菌具有產酸能力時液體菌數必須達到108級以上。在第二批次的醋酸發酵中,通過初次發酵后載體中的菌量已達到高菌量水平,從而縮短了低菌量的醋酸菌繁殖期,從而可縮短發酵周期,提高醋酸轉化率。

3)乙醇和乙酸作為醋酸發酵底物和產物具有很強的揮發性,通氣量及通氣時間均會影響乙醇和乙酸的損耗速度。在載體吸附式醋酸發酵過程中由于發酵液的噴淋作用,增大了乙醇、乙酸與空氣的接觸面積,其因通氣的損耗量會增加;在發酵前期,基質中乙醇濃度高,高通氣和連續噴淋會加大乙醇的損耗,此時期醋酸菌處于繁殖階段,耗氧較低,因此前期應減少通氣量;在中期,醋酸菌處于高產酸期,發酵速度快,耗氧量大,此時應加大通氣量;發酵后期如通入的氧氣過量,在乙醇含量不足的情況下,會發生過氧化反應,醋酸菌將乙酸進一步氧化成水和二氧化碳,使酸度迅速下降,吸附醋酸載體物質的溫度就會迅速上升,為雜菌的大量繁殖創造了條件,大量雜菌生長就會使醋汁產生異味、變混濁,故在發酵的后期也應減少通氣量。因此,采取分段供氣及變頻噴淋的方法,能提高產品的轉化率,7%乙醇體積分數的枇杷酒醋酸轉化率可達到79.7%,比其它供氣模式高出約3個百分點,比無載體發酵高出12個百分點。

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Study on Loquat Vinegar Acetification Technique with Carrier Adsorption

L IWei-xin1,2, HE Zhi-gang1,2, LIN Xiao-zi1,2, REN Xiang-yun1,2
(1.Agricultural Products Process Research Centre,Fujian Academy of Agricultrual Science,Fuzhou 350013,China;2.Institute of Agricultural Engineering Technology,Fujian Academy of Agricultrual Science,Fuzhou 350003,China)

This manuscript study the relationship between acetobacter biomass and the amount of acetic acid production in a carrier adsorption fermentation with comcobs as carriers.A series of optimum process parameters were achieved and listed as follow s:(1)the initial ethanol content is 5-7%;(2)the content of substrate(acetic acid)is 1%;(3)The carriers could absorb the acetobacter and it is the place of acetification;(4)The combination of phase gas-offering and alterable frequency insufflation could imp rove the acetic acid conversion rate 3%(compared with that of gas-offering models)and 12%(that of non-carriers fermentation),respectively.

Loquat vinegar,carriers adsorption,acetic acid fermentation,technology

TS 255.44

A

1673-1689(2010)02-0206-05

2009-04-18

福建省科技計劃重點項目(2006S0008);福建省財政專項—福建省農業科學院科技創新團隊建設基金資助(STIF-Y05)。

李維新(1970-),男,河南新縣人,副研究員,主要從事農產品加工研究。Email:lw x406@163.com。

＊通信作者：何志剛(1964-),男,福建莆田人,研究員,主要從事農產品加工研究。Email:njgzx@163.com。

(責任編輯:朱明)