山西老陳醋傳統發酵工藝參數建模

郎繁繁，田莉*，王如福，周景麗，梁楷，武耀文

(1.山西紫林醋業股份有限公司，山西太原030400；2.山西省食品工業研究所，山西太原030024；3.山西農業大學食品科學與工程學院，山西太谷030801）

山西老陳醋傳統發酵工藝參數建模

郎繁繁1，田莉2*，王如福3，周景麗1，梁楷1，武耀文1

(1.山西紫林醋業股份有限公司，山西太原030400；2.山西省食品工業研究所，山西太原030024；3.山西農業大學食品科學與工程學院，山西太谷030801）

為建立山西老陳醋傳統發酵工藝參數模型，通過蒸料階段、酒精發酵階段、醋酸發酵階段的正交試驗，篩選釀造過程中影響最大的因素，并建立響應面模型。結果表明，山西老陳醋最佳發酵工藝條件為蒸料時間1.5 h、酒精發酵階段水料比為3.3∶1（kg∶kg）、新醅酒精度為4.5%vol。在此優化工藝條件下，醋酸發酵結束后醋醅浸泡液中總酸含量為5.24 g/100 mL。酒精發酵主發酵時間為3 d，主發酵溫度為32℃，周期為16 d。醋酸發酵頂火時間為3 d，頂火溫度為45℃，周期為9 d。在最優工藝條件下生產并經過一年陳釀的山西老陳醋中各項理化指標均符合國家標準GB19777—2013。

山西老陳醋；傳統發酵工藝；響應面；模型；陳釀

山西老陳醋具有上千年的歷史，居我國四大名醋之首，2006年“山西老陳醋傳統制作技藝”被列為國家級非物質文化遺產，是山西省醋文化之瑰寶[1-2]。山西老陳醋以高粱為原料，大曲為糖化劑，經過“蒸、酵、熏、淋、陳”等工序，色澤紅棕色有光澤，獨具“酸、綿、甜、香、鮮”的特色，富含有機酸、糖類、含氮化合物、維生素和香氣成分等，具有抗菌、抗氧化、緩解疲勞、降血脂、降血壓等功效[3-9]。傳統老陳醋制作采用鐵鍋蒸糧、陶瓷缸發酵，地炕炭火熏醅，地池淋醋，新醋置于室外缸內，一年四季日曬夜露，冬季醋缸結冰時，需將冰取出棄去，經過“三伏一冬”日曬與撈冰陳釀而成[10]。

山西老陳醋傳統釀造工藝以手工操作為主，生產工藝參數多依靠經驗，缺乏對整個發酵過程完整工藝參數建立與優化的研究。因此，本研究通過對山西老陳醋傳統發酵過程中糖化、酒精發酵、醋酸發酵階段的正交試驗和響應面分析，以醋酸發酵結束后醋醅浸泡液中總酸含量為評價指標，確定最佳工藝參數。優化山西老陳醋傳統發酵工藝參數，建立數學模型，研究山西老陳醋傳統釀造工藝參數與產品品質的關系，旨在為山西老陳醋機械化自動化生產模式代替傳統手工生產的實現提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

高粱、麩皮、谷糠、稻殼：市售；大曲：山西紫林醋業股份有限公司。

氫氧化鈉、酚酞、硫酸銅、酒石酸鉀鈉、亞鐵氰化鉀、葡萄糖、甲醛（均為分析純）：天津歐博凱化工有限公司。1.2儀器與設備

DK-98-Ⅱ電爐：天津泰斯特儀器有限公司；HH-4型水浴鍋：常州榮華儀器制造有限公司；78-1型磁力加熱攪拌器：江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司；STARER3100酸度計、AR124CN電子分析天平：奧豪斯科技有限公司；UV752紫外可見光分光光度計：上海佑科儀器儀表有限公司；Alkomat酒精檢測儀：福林斯生化技術有限公司；發酵陶瓷缸：山西省壺關縣玨朝陶瓷廠；全玻璃回流裝置、單沸式蒸餾裝置：太原市新興玻璃儀器廠。

1.3 方法

1.3.1 山西老陳醋制作工藝流程

操作要點：原料粉碎為粗粉，加入80%～120%水（以高粱質量計）進行潤料8～14 h，蒸料、燜料，要求蒸熟，蒸透，無夾心，淀粉含量在16%～18%為最佳。冷卻后，調節水與高粱的比例，入缸進行酒精發酵；酒精發酵前3～4 d為主發酵期，需打耙（攪拌酒醪）對酒醪進行降溫并為酵母菌繁殖提供氧氣，主發酵期結束后封缸進行密封發酵，進入后發酵期，后發酵階段為下一步的醋酸發酵積累前體物質，并產生酯類物質，也稱為酯化養醪期[7]；酒精發酵結束后，在酒醪中拌入80%的麩皮、80%的谷糠（以高粱質量計），調節新醅酒精度和水分，入缸進行醋酸發酵。接入已發酵1～2 d的醋醅（火醅），此過程成為“接火”。每日進行翻醅，起到調節水分、溫度的作用，使醋醅松散，以供足夠氧氣，加快醋酸菌繁殖。醋酸發酵經過3～4 d溫度可升到最高，此過程稱為頂火。

1.3.2 檢測分析方法[11-13]

酒精度的測定：將酒醪過濾后采用福林斯酒精檢測儀直接檢測；淀粉的測定：采用酸水解法[11]；總酸的測定：取10 g醋醅加入90 mL水浸泡3 h后過濾，按照國標GB/T 5009.41—2003《食醋衛生標準的分析方法》[12]中的方法進行測定。

新醋中總酸、不揮發酸、氨基酸態氮、還原糖、可溶性無鹽固形物、總酯等理化指標按GB/T 19777—2013《地理標志產品山西老陳醋》[13]規定的方法測定。

1.3.3 山西老陳醋傳統發酵條件的優化

（1）建立數學模型單因素的選擇

蒸料階段：以潤料時間、潤料水量、蒸料時間為單因素，以淀粉含量為評價指標，并以碘-淀粉顯色試驗結果為輔助，考察各因素對糖化效果的影響。

酒精發酵階段：以水料比（水∶高粱）、入缸溫度、打耙次數為單因素，以酒精發酵結束后酒精度為評價指標，考察各發酵條件對酒精發酵的影響。

醋酸發酵階段：以新醅水分、新醅酒精度、火醅接種量為單因素，以醋酸發酵結束后醋醅浸泡液中總酸含量為評價指標，考察各因素對醋酸發酵的影響。

分別對蒸料階段、酒精發酵階段、醋酸發酵階段的單因素進行正交試驗，篩選出對以上三個發酵階段每一過程中影響最大的因素。

（2）響應面模型的建立

根據單因素和正交試驗的結果，篩選出分別對蒸料階段、酒精發酵階段、醋酸發酵階段影響最大的因素為建立數學模型的因素，以醋酸發酵結束后醋醅浸泡液中總酸含量為評價指標，進行響應面試驗。

（3）跟蹤檢測確定發酵周期等其他條件

利用優化得出的山西老陳醋傳統釀造最佳工藝參數，跟蹤檢測酒精發酵過程中溫度、酒精度的變化趨勢，確定主發酵溫度、主發酵時間，主發酵結束后為后發酵期，也稱為酯化養醪期；跟蹤檢測總酯含量的變化，確定酒精發酵周期；醋酸發酵階段，通過對溫度和總酸含量的跟蹤檢測，確定頂火時間（醋酸發酵過程中醋醅達到最高溫度所需的時間）、頂火溫度、醋酸發酵周期。

2 結果與分析

2.1 各階段正交試驗結果

2.1.1 蒸料階段正交試驗結果

蒸料階段篩選潤料時間（a）、潤料水量（b）、蒸料時間（c）進行正交試驗，以蒸料結束后醪液中的淀粉含量為評價指標，以碘-淀粉顯色試驗結果為輔助，蒸料階段正交試驗設計與結果見表1，采用IBM SPSS Statistics 19.0軟件對正交試驗結果進行分析，方差分析見表2。

表1 蒸料階段工藝優化正交試驗結果與分析Table 1 Results and analysis of orthogonal experiments for steaming process optimization

由表1可知，對糖化效果影響因素順序為：c＞b＞a。但實際生產中淀粉含量在16%～18%為最佳，考慮到生產實際和成本問題，選擇a2b2c2，即潤料14 h，潤料水量為100%（以高粱計），蒸料時間為1.5 h。

表2 正交試驗結果方差分析Table 2 Variance analysis of orthogonal experiments results

由表2可知，R2=0.956，表明模型擬合度高，本試驗設計合理，能夠較好的反映所選因素對糖化效果的影響。其影響程度為c（蒸料時間）＞b（潤料水量）＞a（潤料時間），與極差分析結果一致。因此選擇蒸料時間作為建立響應面模型的主要因素之一。

2.1.2 酒精發酵階段正交試驗結果

酒精發酵階段篩選水料比（水∶高粱）（a）、入缸溫度（b）、打耙次數（c）進行正交試驗，以酒精發酵結束后酒醪的酒精度為評價指標，結果見表3，方差分析見表4。l

表3 酒精發酵工藝優化正交試驗結果與分析Table 3 Results and analysis of orthogonal experiments for alcoholic fermentation process optimization

由表3可知，對酒精發酵階段產酒精影響的因素順序為：a＞c＞b。選擇a2b2c2，即水料比為3.5∶1（kg∶kg），入缸溫度為24℃，打耙次數為3次。

由表4可知，R2=0.991，表明模型擬合度高，本試驗設計合理，能夠較好的反映所選因素對酒精發酵結果的影響。其影響程度為a（水料比）＞c（打耙次數）＞b（入缸溫度），與極差分析結果一致，因此選擇水料比作為建立響應面模型的主要因素之一。

表4 酒精發酵階段方差分析Table 4 Variance analysis of alcohol fermentation stage

2.1.3 醋酸發酵階段正交試驗結果

醋酸發酵階段篩選新醅水分（a）、新醅酒精度（b）、火醅接種量（c）進行正交試驗，以醋酸發酵結束后醋醅浸泡液中總酸含量為評價指標，結果見表5，方差分析見表6。

表5 醋酸發酵工藝優化正交試驗結果與分析Table 5 Results and analysis of orthogonal experiments for acetic acid fermentation process optimization

由表5可知，對酒精發酵階段總酸含量影響的因素順序為：b＞c＞a。選擇a2b2c2，即新醅水分為62.5%，新醅酒精度為4.50%vol，火醅接種量為10%。

表6 醋酸發酵階段方差分析Table 6 Variance analysis of acetic acid fermentation stage

由表6可知，R2=0.983，表明模型擬合度高，本試驗設計合理，能夠較好的反映所選因素對醋酸發酵結果的影響。其影響程度為b（新醅酒精度）＞c（火醅接種量）＞a（新醅水分），與極差分析結果一致，因此，選擇新醅酒精度進行響應面試驗。

2.2 響應面優化試驗結果

2.2.1 響應面試驗結果與方差分析

綜合2.1試驗結果，選擇蒸料時間（A）、酒精發酵階段水料比（B）、新醅酒精度（C）3因素為主要建模因素，以醋酸發酵結束后醋醅浸泡液中總酸含量（Y）為評價指標，響應面試驗設計及結果如表7所示，回歸模型方差分析見表8。

表7 Box-Behnken試驗設計及結果Table 7 Design and results of Box-Behnken experiments

采用Design-Expert 8.0.6軟件對表7試驗結果進行多元回歸擬合分析，得到二次多項回歸方程為：

由表8可知，模型的F值為15.34且P=0.000 8＜0.001，該模型極顯著，且模型的決定系數R2=0.951 7，R2adj=0.889 7，說明模型與實際試驗的擬合關系良好，可以用來分析和預測山西老陳醋傳統發酵工藝條件。模型的失擬項的P=0.144 0＞0.05，表明失擬項不顯著，說明本響應面試驗以外的因素對該模型的影響不顯著[14-15]。

由表8方差分析結果顯示，一次項因素B和二次項A2均對結果影響顯著（P＜0.05），因素C、交互項BC對結果影響非常顯著（P＜0.01），二次項B2對結果影響極顯著（P＜0.001）。3因素對總酸含量的影響程度為C＞B＞A，即新醅酒精度＞酒精發酵階段水料比＞蒸料時間，對響應值的影響為非線性關系。

表8 響應面試驗結果方差分析Table 8 Variance analysis of response surface experiments results

在回歸模型方差分析結果的基礎上，利用Design-Expert 8.0.6軟件作蒸料時間、酒精發酵階段水料比、新醅酒精度對醋酸發酵結束后醋醅浸泡液中總酸含量交互作用影響的響應面及等高線見圖1。

由圖1可知，3個因素對醋酸發酵結束后醋醅浸泡液中總酸含量的影響大小依次為新醅酒精度＞酒精發酵階段水料比＞蒸料時間，與方差分析結果一致。通過響應面軟件分析，得到最佳的工藝參數條件為蒸料時間1.52 h，酒精發酵階段水料比為3.28∶1（kg∶kg），醋酸發酵階段新醅酒精度為4.50%vol，在此條件下，醋酸發酵結束后醋醅浸泡液中總酸含量理論值為5.26 g/100 mL，考慮到實際生產中的條件控制與操作便利性，將最佳提取工藝條件修正為蒸料時間1.5 h、酒精發酵階段水料比（水∶高粱）3.3∶1（kg∶kg）、新醅酒精度4.50%vol。

對修正后的工藝參數條件進行3次平行驗證試驗，得到醋酸發酵結束后醋醅浸泡液中總酸含量平均值為5.24 g/100 mL，與預測值接近。證明響應面分析法得到的山西老陳醋傳統釀造參數模型真實可靠，具有實用價值。

圖1 蒸料時間、酒精發酵階段水料比、新醅酒精度的交互作用對總酸含量影響的響應面和等高線Fig.1 Response surface and contour line of effects of interaction between steaming time,water-material rate and alcohol content of newfermented grains on total acid contents

2.3 跟蹤檢測確定發酵周期等其他條件

2.3.1 酒精發酵階段

在最佳工藝條件下，通過跟蹤檢測酒精發酵階段酒醪的溫度、酒精度和總酯含量的變化情況，繪制曲線，確定酒精主發酵溫度、主發酵時間和發酵周期。結果分別如圖2、圖3所示。

圖2 酒精發酵階段酒醪溫度和酒精度的變化Fig.2 Changes of temperature and alcohol content of fermented mash in alcoholic fermentation stage

由圖2可知，酒精發酵階段前3 d溫度、酒精度快速上升，從第4天開始，酒精度變化趨于平緩，因此可以得出酒精發酵主發酵期結束，主發酵期敞口發酵，以便酵母菌生長繁殖，主發酵時間為3 d，主發酵溫度為32℃，主發酵結束后封缸進入后發酵期，酒醪溫度逐漸下降。

圖3 酒精發酵階段總酯含量變化Fig.3 Change of total esters content in alcoholic fermentation stage

由圖3可知，酒精發酵主發酵期以產酒精為主，故在此階段總酯生成量接近零。第4天封缸進入后發酵期，酒精發酵作用減弱，酒醪溫度逐漸下降，酒精發酵過程中產生的乙酸、乳酸、己酸等有機酸在后發酵期與醇類結合生成酯類物質，因此在后發酵期總酯含量逐漸增加，到第16天趨于平緩。后發酵期又稱為酯化養醪期，酒精發酵后發酵期為下一步醋酸發酵積累了多種前體物質，因此延長后發酵期有助于提高醋的風味，但實際生產中考慮到醋生產成本等因素，當總酯含量趨于平緩，酒醪溫度降至24℃（即入罐溫度）以下，即成為成熟酒醪，因此，得出酒精發酵周期為16 d。

2.3.2 醋酸發酵階段

在優化的最優工藝條件下，通過跟蹤檢測醋酸發酵階段醋醅浸泡液中總酸含量和溫度變化趨勢，繪制曲線，確定頂火時間、頂火溫度、醋酸發酵周期。結果如圖4所示。

圖4 醋酸發酵階段醋醅浸泡液總酸含量和溫度Fig.4 Changes of temperature and total acid contents of the fermented grains soaking liquid in acetic acid fermentation stage

由圖4可知，醋酸發酵階段前3 d總酸含量增加較快，醋酸發酵第3天溫度達到最高值45℃（即頂火溫度45℃），因此頂火時間為3 d。發酵到9 d后總酸含量趨于平衡，因此可以得出醋酸發酵周期為9 d。

2.4 新醋和老陳醋理化指標和特征成分檢測結果

采用優化后的發酵工藝條件，釀造山西老陳醋，醋酸發酵結束后，經過熏醅、淋醋等工序，陳釀一年后獲得山西老陳醋成品，按照GB/T 19777—2013《地理標志產品山西老陳醋》中的要求進行理化指標檢驗，結果見表4。由表4可知，經過陳釀的山西老陳醋各項理化指標均符合國家標準。

表4 山西老陳醋中各項理化指標測定結果Table 4 Determined results of physical and chemical indexes in Shanxi extra aged vinegar

3 結論

本研究通過前期對蒸料階段、酒精發酵階段和醋酸發酵階段進行單因素和正交試驗，篩選出影響最大的3個因素建立響應面模型，得到對醋酸發酵結束后醋醅浸泡液中總酸含量影響程度為新醅酒精度＞酒精發酵階段水料比＞蒸料時間，最佳工藝條件為蒸料時間1.5 h、酒精發酵階段水料比為3.3∶1（kg∶kg）、新醅酒精度為4.5%vol。在該工藝條件下醋酸發酵結束后醋醅浸泡液中總酸含量平均值為5.24 g/100 mL。

在優化的最優工藝條件下，跟蹤檢測酒精發酵過程酒醪中溫度、酒精度和總酯含量的變化，得出酒精發酵主發酵時間為3d，主發酵溫度為32℃，酒精發酵周期為16d。跟蹤檢測醋酸發酵過程中總酸含量和溫度的變化，醋酸發酵頂火時間為3 d，頂火溫度為45℃，醋酸發酵周期為9 d。

醋酸發酵結束后，經過熏醅、淋醋等工序，經過一年陳釀的老陳醋中各項理化指標均符合國家標準。

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Modeling of Shanxi extra aged vinegar traditional fermentation process parameters

LANG Fanfan1,TIAN Li2*,WANG Rufu3,ZHOU Jingli1,LIANG Kai1,WU Yaowen1
(1.Shanxi Zilin Vinegar Industry Corporation,Taiyuan 030400,China;2.Food Industry Institute of Shanxi,Taiyuan 030024,China;
3.College of Food Science and Engineering,Shanxi Agricultural University,Taigu 030801,China)

In order to explore the traditional fermentation process parameters of Shanxi extra aged vinegar and build mathematic model,the most influential factors of steaming stage,alcohol fermentation stage and acetic acid fermentation stage were screened through the orthogonal tests to build a response surface model.The optimized parameters were steaming time 1.5 h,ratio of water to material 3.3∶1(kg∶kg),new grains alcohol content 4.5%vol, the totalacid contentin the fermented grainssoak was 5.24 g/100 ml.At the optimal conditions,in the alcohol fermentation stage,the main fermentation time was 3 d and temperature was 32℃,fermentation period was 16 d.The main acetic acid fermentation temperature would reach 45℃in 3 d and fermentation period was 9 d.The physical and chemical index of Shanxi extra aged vinegar can meet the standards in GB/T 19777-2013 Product of geographicalindication-Shanxiextra aged vinegar.

Shanxi extra aged vinegar;traditional fermentation technology;response surface;model;aging

TS264.2

0254-5071（2017）02-0131-06

10.11882/j.issn.0254-5071.2017.02.029

2016-09-05

山西省科技重點研發（指南）項目（2015-TN-10）；山西省科技攻關項目（20140311023-6）

郎繁繁（1989-），女，助理工程師，碩士，研究方向為釀造食品工藝研究。

*通訊作者：田莉（1958-），女，高級工程師，本科，研究方向為食品發酵。