紅棗汁酒精發酵工藝參數的優化

化志秀，魯周民*，蘆 艷，李新崗

(1.西北農林科技大學食品科學與工程學院，陜西 楊凌 712100；2.西北農林科技大學林學院 陜西省紅棗工程技術研究中心，陜西 楊凌 712100)

紅棗汁酒精發酵工藝參數的優化

化志秀1，魯周民2,*，蘆 艷2，李新崗2

(1.西北農林科技大學食品科學與工程學院，陜西 楊凌 712100；2.西北農林科技大學林學院 陜西省紅棗工程技術研究中心，陜西 楊凌 712100)

為研究紅棗汁酒精發酵規律，以清澗木棗為原料，采用響應面法對影響紅棗汁酒精發酵中的初始可溶性固形物含量、酵母接種量、發酵溫度和發酵時間進行優化。結果表明：原汁初始可溶性固形物含量、發酵溫度、發酵時間對酒精度的影響極顯著(P＜0.01)，接種量影響不顯著(P＞0.05)；各因素對酒精度影響的主次順序為：發酵時間＞發酵溫度＞初始可溶性固形物含量＞接種量。優化出棗醋酒精發酵的最佳工藝參數為：初始可溶性固形物含量17%、發酵溫度31℃、酵母菌接種量 0.8%、發酵時間43h，此條件下酒精度為9.6%以上。通過驗證實驗可知，建立的數學模型可用于指導實際生產。

紅棗；酒精發酵；酒精度；工藝參數；響應面法

棗(Zizyphus jujuba Mill.)是鼠李科(Rhamnaceae)棗屬(Zizyphus Mill.)植物[1]，是中國特有的經濟果品，現在全國栽培面積已達100多公頃，年產量400多萬噸[2]。棗果不僅味道鮮美、且富含多種營養成分，其主要營養物質有多糖、有機酸、蛋白質、VB1、VB2、VC、VA及鈣、磷、鐵等[3]，在鮮棗中VC 含量約為250mg/100g，個別品種含量高達800～900mg/100g[4]。棗中含糖量相當高，一般含糖量超過30%，其中還原糖質量分數占總糖質量分數的70%以上[5]，有利于微生物發酵生產棗醋。

目前紅棗主要是以干棗銷售，棗果的深加工產品較少，隨著科技發展以及人們生活水平的提高，果醋在世界范圍內越來越受到歡迎。用紅棗通過發酵生產棗醋是紅棗加工利用的重要途徑，且棗醋具有很高的營養保健價值[6]。紅棗同蘋果、橘、橙、柿子等相比，其維生素、糖類、氨基酸、礦物質含量更為豐富[7]，紅棗多糖還具有免疫學活性和清除自由基的功能[8]。

在發酵生產棗醋的過程中首先要經過酒精發酵，酒精發酵是棗醋發酵一個非常重要的階段。目前對紅棗醋酸發酵階段的研究較多[3,9-10]，而對酒精發酵階段的研究較少。本實驗在保留全果肉成分條件下對紅棗果漿進行液態發酵，采用響應面分析法[11-16]對影響棗醋酒精發酵階段的工藝參數進行優化，旨在建立棗醋生產中酒精發酵階段的數學模型，為實際生產提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紅棗：采自陜西省清澗縣的木棗，2011年10月中旬采摘(已失水軟化)，運回實驗室放于冰箱(2f1)℃中備用。原料含水率為 59.18%、總糖含量 33.7%、總酸含量 0.57%。

酵母菌 廣東丹寶利酵母有限公司；果膠酶(酶活力大于20000U/g) 上海藍季科技發展有限公司；纖維素酶(酶活力1320U/g) 陜西省微生物研究所。

1.2 儀器與設備

UV-1700紫外-可見分光光度計 日本島津公司；HPS-250生化培養箱 哈爾濱市東聯電子技術開發有限公司；R200D型-A200S型電子分析天平 德國Sartorius公司；Centrifuge 5804高速離心機 德國Eppendorf公司；WYT-4型手持糖量計 上海精密儀器儀表有限公司；HH-S4 型電熱恒溫水浴鍋 北京科偉永興儀器有限公司；酒精計(值為0.1e) 河北武強縣同輝儀表廠；BCD-215DC型冰箱 中國海爾集團；發酵罐，自制，約200mL的罐頭瓶，瓶蓋用針頭扎5個針頭大小的小孔，以便發酵產生的CO2出來。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程及操作要點

工藝流程：紅棗選擇→清洗→去核→打漿→酶解→滅菌→調節可溶性固形物含量→接種→酒精發酵

實驗時選擇完好無損的棗果，去核，加入棗果質量2.5倍的涼開水打漿，用由果膠酶和纖維素酶按質量比1:2組成的混合酶，在溫度40℃、酶用量2400mg/L條件下酶解4h[17]。在80℃條件下滅菌10min，冷卻至30℃。調節可溶性固形物含量，分裝于自制的發酵罐中(每個樣裝3罐，即重復3次)，按實驗方案進行發酵，定時用蒸餾法測酒精度。

1.3.2 紅棗汁酒精發酵的單因素試驗

1.3.2.1 發酵時間對紅棗汁酒精發酵的影響

調整紅棗汁初始可溶性固形物含量為16%，量取5份紅棗汁，每份450mL，按0.5%接入酵母菌，分裝于自制的發酵罐中，在30℃條件下分別發酵12、24、36、48、60h，檢測其酒精度。3次重復，取其平均值。

1.3.2.2 初始可溶性固形物含量對紅棗汁酒精發酵的影響

量取紅棗汁5份，每份450mL，分別調整可溶性固形物含量為10%、13%、16%、18%、21%，接入0.5%的酵母菌，裝于自制的發酵罐中，均于30℃發酵36h，檢測其酒精度。3次重復，取其平均值。

1.3.2.3 酵母菌接種量對紅棗汁酒精發酵的影響

量取已調整可溶性固形物含量為16%的紅棗汁5份，每份450mL，分別按0.25%、0.5%、0.75%、1%、1.25%接入酵母菌，裝于自制的發酵罐中，在30℃發酵36h，檢測其酒精度。3次重復，取其平均值。

1.3.2.4 發酵溫度對紅棗汁酒精發酵的影響

量取已調整可溶性固形物含量為16%的紅棗汁5份，每份450mL，按0.75%接入酵母菌，裝于自制的發酵罐中，分別在26、28、30、32、34℃條件下發酵36h，檢測其酒精度。3次重復，取其平均值。

1.3.3 紅棗汁酒精發酵的響應面設計

在單因素試驗的基礎上，采用Box-Behnken模型選取初始可溶性固形物含量、接種量、發酵溫度、發酵時間作為響應面法考察因素。以酒精度(Y)作為響應值，用統計軟件Design-Expert 7.0設計四因素三水平29個試驗點的響應面分析試驗。各因素的編碼水平和取值見表1。

表 1 試驗因素水平與編碼表Table 1 Coded values and corresponding actual values of the optimization parameters used in response surface analysis

1.3.4 指標測定

可溶性固形物(SSC)測定：用手持糖量計測定；酒精度(%，V/V，20℃)的測定：酒精蒸餾法[18]；總糖含量、還原糖含量測定：3,5-二硝基水楊酸比色法[19]。

2 結果與分析

2.1 紅棗汁酒精發酵的單因素試驗結果

2.1.1 發酵時間對紅棗汁酒精發酵的影響

圖 1 發酵時間對紅棗汁酒精發酵的影響Fig.1 Effect of fermentation time on alcohol concentration

由圖1可知，在初始可溶性固形物含量一定的條件下，一定時間內，酒精度隨發酵時間的延長而增大，到36h時，酒精度達到最大。之后，隨著發酵時間的延長酒精度基本保持不變。

2.1.2 初始可溶性固形物含量對紅棗汁酒精發酵的影響

初始可溶性固形物含量在酒精發酵過程中直接影響著酒精發酵的程度。由圖2可知，當發酵時間確定為36h時，在一定范圍內酒精度隨可溶性固形物含量的增大而增大。當初始可溶性固形物含量太高時，可能對酵母菌的發酵有一定的抑制作用，因此，可溶性固形物含量超過16%時，酒精度又隨紅棗汁可溶性固形物含量的增大而降低。

圖 2 初始可溶性固形物含量對紅棗汁酒精發酵的影響Fig.2 Effect of soluble solid content on alcohol concentration

2.1.3 酵母菌接種量對紅棗汁酒精發酵的影響

圖 3 接種量對紅棗汁酒精發酵的影響Fig.3 Effect of yeast inoculum size on alcohol concentration

由圖3可知，在可溶性固形物含量和發酵時間一定時，隨著酵母菌接種量的增加，酒精度也隨之升高，當接種量為0.75%時酒精度達到最大為9.0%，之后隨著接種量的增大，酒精度不再升高。

2.1.4 發酵溫度對紅棗汁酒精發酵的影響

圖 4 發酵溫度對紅棗汁酒精發酵的影響Fig.4 Effect of fermentation temperature on alcohol concentration

由圖4可知，在溫度較低時，酵母菌發酵緩慢，隨著溫度不斷的升高，酵母菌的活動加強，酒精度也隨之升高，當在30℃發酵時，酒精度達到最高；之后隨著溫度的升高，又會對酵母菌的活動有一定的抑制作用，酒精度又隨之降低。

2.2 響應面試驗結果

按照響應面設計方案，安排了29組處理組合，發酵結束時分別測定其酒精度，結果見表2。

表 2 響應面試驗設計及結果Table 2 Experimental design and results for response surface analysis

2.3 回歸模型的建立

通過統計軟件Design-Expert 7.0以酒精度為響應值，對表2進行多元回歸擬合，得到紅棗汁酒精發酵工藝參數初步回歸模型：

由表3可知，P模型＜0.0001表明回歸模型方程(1)極顯著；失擬項P=0.1126＞0.05，表明不顯著，模型的校正決定系數R2Adj=0.9905，表明回歸模型與實測值能較好地擬合。變異系數(CV)表示試驗的精確度，其值越大，試驗結果的可靠性越低，試驗CV=3.2%，在可接受范圍內，說明試驗結果可靠，可以用此模型對紅棗汁酒精發酵階段的酒精度進行分析和預測。

由回歸方程各變量的系數顯著性檢驗可知，模型(1)的一次項X1、X3、X4影響極顯著(P＜0.01)，X2影響不顯著(P＞0.05)；二次項、、X4影響均極顯著2(P＜0.01)，X22影響顯著(P＜0.05)；交互項X1X4達到極顯著(P＜0.01)，X1X2、X1X3、X2X3、X2X4、X3X4影響不顯著(P＞0.05)。依據方程各變量系數的大小可知，各因素對響應值酒精濃度影響的主次順序為：發酵時間＞發酵溫度＞初始可溶性固形物含量＞接種量。

表 3 酒精度回歸模型方差分析Table 3 Analysis of variance for the fi tted regression model for alcohol production

剔除不顯著項，經優化后回歸模型為：

2.4 響應曲面分析

由于在交互項中只有原汁可溶性固形物含量(X1)和發酵時間(X4)的交互作用對酒精度的影響極顯著，為了直觀表達其影響，因此，令其他因素水平值為零，只考慮初始可溶性固形物含量(X1)和發酵時間(X4)2個因素對酒精度的影響，進行降維分析[20]，繪出相應的響應面圖和等高線圖(圖5)。

圖 5 發酵時間和初始可溶性固形物含量的交互作用對酒精度影響的響應面和等高線圖Fig.5 Response surface and contour plots showing the effects of fermentation time and initial solid content on alcohol concentration

圖5顯示了初始可溶性固形物和發酵時間及其交互作用對酒精度的影響，可以看出隨著發酵時間的延長、初始可溶性固形物含量的增大，酒精度呈拋物線狀態，在可溶性固形物含量為17%、發酵時間為40h達到最大。影響酒精度的最主要的因素是發酵時間，與前面由回歸方程得出的結論相吻合。由等高線圖可以看出它們的交互作用對酒精度也有很大的影響。

2.5 酒精發酵工藝的優化及驗證

在試驗結果分析及模型擬合的基礎上，利用Design-Expert 7.0對試驗參數進一步優化，即在獲得最大酒精度的情況下對各工藝參數取值進行優化。由軟件分析得最優工藝參數為初始可溶性固形物含量17%、酵母菌接種量 0.82%、發酵溫度30.55℃、發酵時間43.10h，按此工藝參數條件，酒精度預測值為9.94%。考慮到實際生產操作的方便性，把各參數取值規整，即初始可溶性固形物含量取17%、發酵溫度31℃、酵母菌接種量 0.8%、發酵時間43h，作為最佳生產技術參數。

參照理論上的最佳發酵工藝條件：對初始可溶性固形物含量17%、酵母菌接種量 0.8%、發酵溫度31℃、發酵時間43h進行3次重復驗證實驗，所得酒精度為9.7%、9.6%、9.6%，平均值為9.63%，和預測值的相對誤差為3.1%，實際值與理論值極為接近。故響應面法優化得到的發酵工藝參數具有實際應用價值，可用于指導生產。

3 結 論

3.1 通過響應面分析建立了以酒精度為目標值，發酵時間、初始可溶性固形物含量、發酵溫度、接種量為因變量的數學模型為：Y=8.96+0.24X1+0.45X3+2.83X4+ 0.85X1X4—0.74X12—0.23X22—0.80X32—2.71X42。模型中各因素與發酵中酒精度目標值高度顯著，可用于生產預測。

3.2 紅棗液態酒精發酵中，各影響因子的主效應主次順序為發酵時間＞發酵溫度＞初始可溶性固形物含量＞接種量。

3.3 紅棗液態酒精發酵的最佳工藝參數為原汁初始可溶性固形物含量17%、發酵溫度31℃、酵母菌接種量0.8%、發酵時間43h。采用該工藝參數進行生產實驗，酒精度達9.6%以上。

[1] 梁洪. 中國紅棗及紅棗產業的發展現狀、存在問題和對策的研究[D]. 西安: 陜西師范大學, 2006.

[2] 閆忠心, 魯周民, 劉坤, 等. 我國紅棗資源加工利用研究現狀與展望[J]. 西北農林科技大學學報: 自然科學版, 2010, 38(6): 102-108.

[3] 傅力, 胡麗紅, 古麗娜孜, 等. 紅棗醋生產中醋酸發酵階段最佳工藝條件的研究[J]. 中國調味品, 2009, 34(8): 72-75.

[4] 魯周民, 劉坤, 閆忠心, 等. 棗果實營養成分及保健作用研究進展[J].園藝學報, 2010, 37(12): 2017-2024.

[5] LI J W, FAN L P, DING S D, et al. Nutritional composition of fi ve cultivars of Chinese jujube[J]. Food Chemistry, 2007, 103(2): 454-460.

[6] 胡青霞, 陳延惠, 秦麗娜, 等. 發酵棗醋保健飲料最佳配方的研究[J].河南農業大學學報, 2008, 42(4): 443-445.

[7] 徐清萍. 食醋生產技術[M]. 北京: 化學工業出版社, 2008: 83-84; 163-184.

[8] ZHAO Zhihui, LIU Mengjun, TU Pengfei. Characterization of water soluble polysaccharides from organs of Chinese jujube(Ziziphus jujube Mill.cv.Dong zao)[J]. Eur Food Res Technol, 2008, 226: 985-989.

[9] 鄭戰偉, 王靜, 陳菁, 等. 棗醋醋酸發酵工藝優化[J]. 中國調味品, 2010, 36(7): 61-64.

[10] 牟建樓, 王頡, 郭雪霞, 等. 金絲棗醋醋酸發酵工藝研究[J]. 中國調味品, 2010, 35(1): 60-63.

[11] MONTGOMERY D C. Design and analysis of experiments[M]. New York: John Wiley and Sons, 2001: 427-450.

[12] 周瑤, 徐懷德, 米林峰, 等. 響應面法優化黃芪酒發酵工藝[J]. 食品科學, 2011, 32(4): 293-296.

[13] CHOWDARY G V, HARI KRISHNA S, HANUMANTHA RAO G. Optimization of enzymatic hydrolysis of mango kernel starch by response surface methodology[J]. Bioprocess Engineering, 2000, 23: 681-685.

[14] 劉月梅, 白衛東, 魯周民, 等. 柿果醋醋酸發酵工藝參數優化研究[J].農業工程學報, 2008, 24(8): 257-260.

[15] 李升升, 徐懷德, 李鈺金, 等. 響應面法對洋蔥酒發酵工藝的優化[J].食品科學, 2011, 32(6): 135-138.

[16] LEE W C, YUSOF S, HAMID N S A, et al. Optimizing conditions for hot water extraction of banana juice using response surface methodology(RSM)[J]. Journal of Food Engineering, 2006, 75(4): 473-479.

[17] 魯周民, 張麗, 尹蓉, 等. 酶解條件對紅棗汁主要成分的影響[J]. 農業工程學報, 2009, 24(1): 300-302.

[18] GB/T 15038ü2006葡萄酒, 果酒通用分析法[S]. 北京: 中國標準出版社, 2007.

[19] 寧正祥. 食品成分分析手冊[M]. 北京: 中國輕工業出版社, 2001.

[20] 蘇東林, 單楊, 李高陽, 等. 酶法輔助提取柑桔皮總黃酮的工藝優化研究[J]. 農業工程學報, 2008, 24(4): 240-245.

Optimization of Process Parameters for Alcoholic Fermentation of Jujube Juice

HUA Zhi-xiu1，LU Zhou-min2,*，LU Yan2，LI Xin-gang2
(1. College of Food Science and Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, China；2. Shaanxi Center of Chinese Jujube Engineering and Technology, College of Forestry, Northwest A&F University, Yangling 712100, China)

Process parameters for the alcoholic fermentation of jujube juice prepared from Mu jujubes collected from Qingjian county such as initial solid content, yeast inoculum size, temperature and fermentation time were optimized using response surface methodology. Alcohol production was extremely significantly influenced by initial solid content, temperature and fermentation time (P＜0.01) and no significantly influenced by inoculum size (P＞0.05). Four process parameters were in descending order of their effects on alcohol production: fermentation time ＞ temperature ＞ initial solid content ＞ inoculum size. Their optimum conditions were determined to be 43 h, 31 ℃, 17% and 0.8%, respectively. Under these conditions, the alcohol concentration in fermented jujube juice was over 9.6%. The results of validation experiments demonstrated that the developed mathematical prediction model is applicable for practical production.

jujube；alcoholic fermentation；alcohol concentration；process parameters；response surface methodology

TS201.1

A

1002-6630(2013)01-0175-05

2011-12-26

財政部以大學為依托的農業科技推廣體系建設項目(XTG2010-15)

化志秀(1987ü)，女，碩士研究生，主要從事食品貯藏與加工研究。E-mail：602998087@qq.com

*通信作者：魯周民(1966ü)，男，研究員，碩士，主要從事經濟林產品保鮮貯藏與加工利用研究。E-mail：lzm@nwsuaf.edu.cn