蘋果渣固態發酵果酒發酵特點及其相關動力學

賈豐，劉冬，郭玉蓉

(陜西師范大學 食品工程與營養科學學院，陜西 西安，710119)

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蘋果渣固態發酵果酒發酵特點及其相關動力學

賈豐，劉冬，郭玉蓉*

(陜西師范大學 食品工程與營養科學學院，陜西 西安，710119)

以蘋果渣為原料，研究蘋果渣固態發酵果酒特點及相關動力學，為蘋果渣綜合利用提供新的方法。通過蘋果渣果酒固態發酵過程中溫度、酒精度、總糖、總酸、總酚、可溶性固形物、pH、顏色等變化，研究其發酵特點及酒精度和總糖變化動力學，結合果酒主要成分變化和感官特性對果酒進行全面評價，為蘋果渣高效利用提供新思路。結果顯示：溫度變化對酒精度、總糖、總酸等都有影響，蘋果渣發酵溫度在18～19 ℃，最終蘋果酒酒精度7.5%vol,總糖、總酸、總酚、干浸出物含量分別是3.53 mg/mL、0.47 mg/mL、0.32 mg/mL、17.21 g/L，SO2含量小于10 mg/L，符合國家標準GB/T 15038—2006，但與蘋果汁液態發酵相比具有周期長、顏色深、發酵緩、模型擬合度高等特點；此外，動力學模型相關性高(R2>0.99)，建模成功，感官評價得分88.9，評定等級B，蘋果渣固態發酵果酒具有自身發酵特點，且果酒品質良好。

蘋果渣；固態發酵；果酒；加工；感官評價；發酵動力學

蘋果渣是蘋果加工產業最主要的副產物，目前大量的蘋果渣被作為廢棄物隨意丟棄，不但造成優勢資源浪費，而且易造成極大的環境污染問題。國內魏穎[1]、彭凱[2]、耿乙文[3]等人進行了蘋果渣中多酚、果膠、纖維素的提取與性質研究；常顯波[4]、劉蕓[5]、劉成[6]馬惠玲[7]、國東[8]等人對蘋果渣進行了發酵，研究生產飼料或者蛋白質(酶)、蒸餾酒、蘋果醋等。國外研究主要有UMESH[9]、MADRERA[10]、EVCAN[11]、MACAGNAN[12]等人，進行了多酚、纖維素研究以及發酵香氣與生產飼料研究。本研究旨在利用蘋果渣生產果酒，為更大限度利用蘋果渣營養成分，解決蘋果渣應用問題開辟新的道路。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

蘋果渣，陜西藍海果業有限公司蘋果酒加工副產物原渣；安琪酵母DV10，安琪公司；濃H2SO4、苯酚、NaOH等為分析純。

1.2 儀器與設備

醫用離心機，長沙平凡儀器儀表有限公司；Multiskan Go全波長酶標儀，美國熱電公司；色差儀，型號CR-400，柯尼卡美能達投資有限公司；數顯折射儀，日本愛拓公司；pH計；小型發酵罐等。

1.3 實驗方法

1.3.1 工藝流程[13]

1.3.2 蘋果渣固態發酵果酒發酵過程中物理變化

1.3.2.1 溫度變化

在發酵罐中每次取3點測量，記錄數據，取平均值。

1.3.2.2 發酵液顏色變化

一次發酵過程取汁測量，再次發酵直接用蘋果酒進行測定，直接利用儀器測定L*、a*、b*值。

1.3.3 蘋果渣固態發酵過程中化學成分變化

1.3.3.1 酒精度變化

用酒精計法測定。

1.3.3.2 總糖和可溶性固形物變化

(1)總糖變化參考李丹[14]等人，配制0.1 mg/mL葡萄糖，制作標準曲線；發酵過程取汁利用苯酚硫酸法測量，取平均值。

(2)可溶性固形物變化：發酵過程取汁，直接利用折光儀測定，取平均值。

1.3.3.3 總酸和pH變化

(1)總酸變化參考GB/T 15038—2006利用電位滴定法測定，測3次，取平均值。

(2)pH變化發酵過程取汁直接利用pH計測定，測3 次，取平均值。

1.3.3.4 總酚變化

[15]的方法，以沒食子酸為當量配制梯度溶液，利用福林酚法制作標準曲線；發酵過程取汁測量，測3 次，取平均值。

1.3.4 蘋果渣固態發酵果酒發酵動力學

1.3.4.1 酒精生成發酵動力學

參考嚴紅光[17]等人對酒精生成進行擬合、分析。

1.3.4.2 總糖消耗發酵動力學

參考嚴紅光[17]等人對總糖消耗進行擬合、分析。

1.3.5 蘋果渣果酒品質分析

1.3.5.1 主要成分分析總糖測定

參考李丹[14]等人苯酚-硫酸法稍加修改進行操作；總酚測定參考陳瑋琦[15]等人福林酚法操作；酒精度、總酸、游離SO2、干浸出物等參考GB/T 15038—2006測定。

1.3.5.2 感官評定

參考文獻[16]的方法，評價標準如表1。分為3組，每組3～5人。

表1 感官評價標準

1.4 數據分析

采用“DPS v7.05”統計軟件進行統計分析，Excel 2013、Origin 2016軟件繪圖制表。

2 結果與分析

2.1 工藝流程

蘋果渣為挑選無損傷、蟲害等新鮮蘋果榨汁獲得，品質良好。發酵過程分為兩個階段：第一階段，即0～15 d，為固態發酵，主發酵階段，酵母選擇安琪酵母DV10,酵母添加量為5%(w/w)；第二階段，15～24 d，為液態發酵，為蘋果渣果酒的后熟階段,整個發酵過程保持環境溫度在(25±1)℃。

2.2 蘋果渣固態發酵果酒過程中物理變化

2.2.1 溫度變化

由圖1知，發酵主要在3～12 d，此過程為固態發酵，6～9 d達到發酵峰值，15 d以后進行液態發酵，即再發酵，主要表現在發酵溫度有明顯的升高與回升。

圖1 發酵過程中溫度變化Fig.1 Temperature trend during fermentation

2.2.2 發酵液顏色變化

L*值表示照，相當于亮度，也就是白色到黑色；a*表示從紅色至綠色的范圍；b*表示從黃色至藍色的范圍[18]。由圖2可知，由L*值變化趨勢可以看出，在發酵過程中發酵液由白色向黑色變化，也就是說發酵過程使得發酵液的顏色加重，亮度降低，前期可能與蘋果渣中的有些酶有關，后期與酵母次級代謝產物或者分解產物有關；由a*、b*值變化趨勢可以看出發酵中發酵液有一個紅移和藍移的過程，兩種變化都是加深發酵液顏色的，這與L*值的變化趨勢一致，原因也應該相似[19-20]。

圖2 發酵過程中顏色變化Fig.2 Total color trend during fermentation

通過蘋果渣果酒發酵過程中溫度和顏色變化可以看出當3～9天溫度驟然升高時，a*、b*值出現拐點，主要原因可能與溫度升高導致酶活加強，表現出發酵液驟然加深，當溫度下降時酶活性恢復，顏色又恢復正常值，所以溫度和顏色變化兩者相互關聯。

2.3 蘋果渣固態發酵果酒過程中化學成分變化

2.3.1 酒精度變化

由圖3知，發酵過程中0～6天酒精度變化緩慢，增長到0.2%左右，這可能與酵母對新環境的適應期有關，同時也可能是酵母菌大量繁殖，指數增長，大量消耗總糖，暫時產生少量酒精；6～12天酒精度最高達到7.5%，迅速增加，是典型的對數增長模式，此時酵母菌迅速繁殖，并消耗總糖，但隨著總糖的消耗，碳源不足，為適應逆環境，產生大量酒精，此過程為固態發酵。在液態發酵過程中總糖消耗殆盡，碳源嚴重不足，酒精度基本不變化，這與溫度變化趨勢一致。

圖3 發酵過程中酒精度變化趨勢Fig.3 Alcohol trend during fermentation process

2.3.2 總糖與可溶性固形物含量變化

數據處理可知葡萄糖標曲方程為：Y=3.636 1X+0.000 9，R2=0.999 1，則可由X值計算總糖Y含量(以葡萄糖當量計)。由圖4可知，蘋果渣發酵過程中總糖作為酵母利用的主要底物消耗，整體呈減少趨勢，在固態發酵期：最初3天里是緩慢減少，可能主要是接種酵母后有一個短暫的適應期，而后的3～12天里減少趨勢呈對數遞減，這一時期是酒精積累的主要階段，與酒精度變化趨勢保持一致，這一時期酵母活動達到最大，也是釀造果酒最關鍵時期；在液態發酵期總糖先是緩慢減少，而后是趨于平衡，18天后發酵基本結束，液態發酵階段隨著果酒中含糖量的銳減，酵母開始大量死亡，過程中是果酒風格提升的最佳階段。由圖4可知，發酵過程中可溶性固形物(TSS)在12天前迅速降低，之后，趨于穩定,呈對數降低趨勢,與總糖變化基本一致，但是可溶性固形物降低程度相對偏低,原因在于含有部分不參與酒精發酵的物質。

圖4 發酵過程中總糖與可溶性固形物含量變化Fig.4 Total sugar and the soluble solids content trend during fermentation

總糖、TSS變化趨勢可以看出兩者變化高度一致，但區別在12～18天，TSS變化幅度遠遠小于總糖變化，原因可能是酵母菌發酵后期發生大量死亡、分解，雖然活菌在消耗總糖，但酵母死亡分解物部分溶解，導致TSS變化不明顯。

2.3.3 總酸含量與pH變化

由圖5可知，總酸變化基本趨于平衡，稍有所下降，說明發酵過程中主要產生酒精，而非酸類，這有利于果酒品質的提升；總酸在第6天達到最小值約0.4%，主要原因是發酵速率達到最大，溫度有所提高等原因所致，后期18天有所增加應是發酵達到尾聲，發酵結束、酵母自溶等影響，因此應該在18天前結束發酵。由圖5知，發酵過程中pH變化趨勢趨于平衡，這與總酸變化不大保持一致。

圖5 發酵過程中總酸與pH變化Fig.5 Total acids and pH trend during fermentation

總酸有較小幅度的下降，但pH基本維持不變，主要原因是發酵過程發酵液形成一個緩沖體系，雖然酵母或產生少量有機酸，但在緩沖作用下pH基本保持恒定。總酸3～9天出現較大范圍下降主要可能與溫度變化一致，在酵母大量繁殖時有機酸加大幅度增加，但當溫度回升回來時由于酵母達到增長峰值，有機酸生成量開始回升，在pH影響下有機酸含量趨于平衡，酵母大量積累酒精；18天后有機酸有所下降可能是由于酵母大量死亡，加之pH影響所致。

2.3.4 總酚含量變化

經數據處理可知福林酚法沒食子酸標曲方程為：Y=0.010 2X-0.005 7，R2=0.999 7，則可通過福林酚法比色獲得X值計算總酚Y含量(以沒食子酸當量計)。

由圖6知，總酚在蘋果渣發酵期間變化不是很大，基本趨于平衡，稍有所下降，其變化趨勢與總酸變化基本一致。總酚在0～9天有所下降，可能與蘋果自身含有的多酚氧化酶有關；9～15天由于多酚氧化酶失效后在酵母菌作用下有部分結合態多酚進入發酵液中；21天后酵母基本全部死亡，多酚被氧化導致含量減小。

圖6 發酵過程中總酚變化Fig.6 Total phenols trend during fermentation

2.4 蘋果渣固態發酵果酒動力學[21-22]

2.4.1 酒精生成動力學

酒精生成變化趨勢線經origin2016對數擬合如圖7，趨勢線用折線圖連接，擬合曲線為平滑曲線。由R2=0.999 69可知擬合模型建立良好，origin2016擬合后可知A1=0.099 55，A2=7.431 71，X0=7.372 05，p=14.513 56；則酒精度(Y)與時間(X)的關系式為：

圖7 酒精生成動力學模型圖Fig.7 Alcohol Kinetics model diagram

為檢驗模型，將實驗數據與模型所得數值進行比較，如表2可知，模型值和測量值的誤差值大多都低于1%，說明模型能較好地描述發酵過程中酒精的生成過程，發酵前期誤差較大的原因是由于模型默認接種的酵母菌都是活酵母菌，且酒精度較小，因此造成相對誤差大。所以，該模型建立成功，可用于描述蘋果渣果酒發酵過程中酒精生成動力學過程[17]。

表2 模型1檢驗表

2.4.2 總糖消耗動力學

總糖消耗變化趨勢線經origin2016對數擬合如圖8，趨勢線用折線圖連接，擬合曲線為平滑曲線。由R2=0.999 85可知擬合模型建立良好，origin2016擬合后可知A1=54.661 85，A2=2.936 77，X0=7.545 64，p=4.140 37；則總糖(Y)與時間(X)的關系式為：

為檢驗模型，將實驗數據與模型所得數值進行比較，如表3，可以看出,模型值和測量值的誤差值大多都低于7%，說明模型能較好的描述，發酵過程中總糖的消耗過程，發酵中期誤差較大的原因是由于模型默認為連續發酵，但過程中存在由固態發酵轉變為液態發酵，完成酒的后熟，因此造成相對誤差大。所以，該模型建立同樣成功，可用于描述蘋果渣果酒發酵過程中總糖消耗動力學過程[17]。

圖8 總糖消耗動力學模型圖Fig.8 Total sugar consumption kinetics model diagram

蘋果渣固態發酵與液態發酵果酒特點明顯，主要在以下幾個方面：總糖消耗方面與周勸娥[23]等人研究相比發酵過程趨于緩慢，同時固態發酵更接近發酵動力學模型，呈反“S”型，同時總糖消耗更集中， 但發酵周期明顯加長，與楊輝[25]等人研究基本一致；酒精度增長方面與朱傳合[24]等人研究相比酒精生成周期更長，幾乎是液態發酵的2倍，但生成趨勢更加快，更接近“S”型，與發酵動力學模型更好相關(R2>0.99)；在總酸和pH方面與朱傳合[24]、楊輝[25]等人研究相比，固體發酵有較小范圍的降低趨勢，而液體發酵有所升高；pH在固體發酵基本不變，液體發酵有明顯的降低趨勢；在顏色方面固態發酵中含有更多色素，所以與液態發酵相比顏色更深。

表3 模型2檢驗表

2.5 蘋果渣果酒品質分析

2.5.1 主要成分分析

表4即為蘋果渣果酒基本指標測定，符合國家標準GB/T 15038—2006，因此利用蘋果渣發酵生產果酒具有可行性，同時果酒質量也較好。

表4 蘋果渣果酒基本指標測定

2.5.2 感官評定

本研究以打分測試為基本研究方法對蘋果酒進行了感官評定，評價標準按表1，結果如表5。

表5 感官評價得分表

由表5知，評價項目各項得分占比均在85%以上，感官評價總分為88.9分，根據等級分類(A∶90～100;B∶85～89;C∶80～84;D∶60～79)，所得蘋果酒感官的分等級為B，其中色澤和香氣得分分別是90.5、90.7，評級皆為等級A，而口味得分在88.7，評價為等級B，但與等級A非常接近；風格得分85.0，稍稍偏低，這可能與低溫發酵導致發酵時間較長，此外，根據動力學模型建立可以看出發酵時間在20天左右為宜，因此發酵時間若能控制則可以得到等級A的蘋果渣果酒，有待下一步研究。

3 結論

蘋果渣果酒發酵中總糖、TSS都會出現對數減少趨勢，酒精度會出現對數增長趨勢，且總糖的消耗模型和酒精的生成模型擬合都很好，相關性都在0.99以上(R2>0.99)，建模成功；總酸、總酚含量都有較小幅度的降低，且隨溫度(發酵活力)變化有微小變化， pH基本不變，與總酸變化一致，僅與溫度變化和酵母活力有關；蘋果酒發酵中顏色變化表現為變暗，L*值減小，a*、b*值有小范圍升高或降低，表示出現綠移和藍移，顏色都變深，與L*值變化一致；在室溫條件下可以得到感官評價在88.9分的蘋果酒，等級為B；蘋果渣發酵溫度在19 ℃左右，最終蘋果酒酒精度7.5%左右，總糖、總酸、總酚、干浸出物含量分別是3.53 mg/mL、0.47 mg/mL、0.32 mg/mL、17.21g/L，SO2含量小于10 mg/L，符合國家標準GB/T 15038-2006。因此室溫條件下，蘋果渣固態發酵果酒具有周期長、顏色深、發酵緩、模型擬合度高等特點，且利用蘋果渣生產蘋果酒具有可行性。

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Fermentation characteristics of apple pomace wine solid-state fermentation and its relative dynamics

JIA Feng,LIU Dong,GUO Yu-rong*

(College of Food Engineering and Nutritional Science,Shaanxi Normal University, Xi’an 70119，China)

Using apple pomace as raw material, solid-state fermentation characteristics of pomace wine and related dynamics were studied, providing a new way for the comprehensive utilization of apple pomace. Based on the changes of temperature, alcohol content, total sugar, total acid, total phenols, soluble solids, pH, and color during solid-state fermentation of pomace wine, the fermentation characteristics and alcohol content and total sugar change dynamics were studied and then combined with the main component changes of wine and sensory characteristics of the wine to conduct a comprehensive evaluation for efficient use of apple pomace. The results showed that the temperature change had influence on content of alcohol, total sugar, and acid. Fermentation temperature for apple pomace was 18～19 ℃. the final cider alcohol content was 7.5%vol. The contents of total sugar, total acid, total phenols, dry extract content were 3.53 mg/mL, 0.47 mg/mL, 0.32 mg/mL, 17.21 g/L, respectively. SO2content was less than 10 mg/mL, which meet the requirement of the national standard GB/T 15038—2006. In comparison with fermented apple juice state, it had long cycle, deep color, slow fermentation, good model fitting and other characteristics. In addition, the dynamic model was success and had high correlation (R2>0.99). Sensory evaluation score was 88.9 and rated B. Apple pomace solid-state fermented wine has its own characteristics and good wine quality.

apple pomace;solid-state fermentation;fruit wine;processing;sensory evaluation;fermentation kinetics

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201610021

碩士研究生(郭玉蓉教授為通訊作者,E-mail：guoyurong730@163.com)。

農業部現代蘋果產業技術體系專項基金項目(CARS-28)

2016-05-11，改回日期：2016-06-07