紫薯醋釀造工藝優化

范振宇，程浩華，樊迎，王如福*

(1.山西農業大學 食品科學與工程學院，山西 晉中 030801； 2.山西農業大學 園藝學院，山西 晉中 030801)

紫薯(Solanumtuberdsm)是一種旋花科草本植物，肉質呈現紫色或深紫色。紫薯因含有花色苷、多糖、黃酮類、硒元素、綠原酸、異綠原酸等功能性成分，故有抗氧化、抗瘤、抗癌、調節腸道微生態、降血糖、降血脂及保肝等生理保健功能[1-3]。目前，我國對紫薯產品的開發主要在飲料、全粉、糕點等傳統加工方面[4，5]，而對其深加工產品的研發還略顯薄弱。

食醋含有豐富的有機酸、維生素、礦物質、堿土金屬元素、氨基酸等營養成分和川穹嗪等功能活性成分，賦予了食醋絕佳的調味作用和抗菌、抗氧化、抗糖尿病、抗癌、抗腫瘤、降膽固醇、抗高血壓等功能特性[6-9]。近年來，多種果蔬醋及其醋飲料制品異軍突起，在顏色和口感等方面均為陳醋市場注入了新鮮的血液。紫薯顏色獨特，碳水化合物含量較高，不失為釀醋的理想原料。

本文以紫薯為原料，經酒化發酵、醋化發酵釀造形成紫薯醋，在單因素試驗的基礎上采用響應面法對釀造工藝進行優化，以對紫薯深加工和紫薯醋的工業化生產提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與設備

1.1.1 材料與試劑

紫薯：新鮮紫薯，市售(京薯6號)；耐高溫α-淀粉酶(食品級)：滄州夏盛酶生物技術有限公司；糖化酶(食品級)：湖南鴻鷹生物科技有限公司；乙醇(食品級)：鄭州億邦實業有限公司；釀酒酵母(Y63)、巴氏醋桿菌(A3-7)：山西農業大學山西老陳醋研究中心。

1.1.2 試驗設備

THZ-82水浴恒溫振蕩器 常州潤華電器有限公司；SW-CJ-2FD雙人單面凈化工作臺 蘇州凈化設備有限公司；LS-35LJ立式壓力蒸汽滅菌鍋 江陰濱江醫療設備有限公司；ZQPI-200立體式全溫振蕩培養箱 天津市萊玻特瑞儀器設備有限公司；WZ-108手持式折射測糖儀 北京萬成北增精密儀器有限公司；DS-1型組織搗碎機 上海昂尼儀器儀表有限公司；STARER3100 pH儀 奧豪斯儀器有限公司；DZTW電子調溫電熱套 天津工興試驗室儀器有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 工藝流程及操作要點[10-13]

新鮮紫薯→清洗→去皮→切丁→蒸煮→打漿、調漿→液化→糖化→滅酶→紫薯液→調節糖濃度→酒化→醋化→澄清→過濾→滅菌→紫薯醋。

紫薯漿的制備：將新鮮紫薯清洗干凈、去皮后用刀切成紫薯丁，放置到蒸鍋內蒸煮30 min后，按照1∶3的料液比加水打漿，得到紫薯漿。

紫薯漿的液化、糖化：將調好的紫薯漿放置在65 ℃恒溫水浴中，按照0.06 g/dL添加α-淀粉酶，恒溫水浴15 min，再按照0.1 g/dL加入糖化酶，恒溫水浴60 min，液化和糖化完成后，將紫薯漿放置于90～95 ℃條件下滅酶，30 min后取出，冷卻，備用。

菌種活化及擴培：將菌株Y63、A3-7活化、擴培后調整菌液濃度為106～107cfu/mL。

接種、發酵：將紫薯漿冷卻至約30 ℃時，接入酵母菌進行酒化發酵，酒化前3天有氧發酵，每天攪拌酒醪，3天后封口進行無氧發酵。酒化結束后，加入醋酸菌進行醋化發酵。

1.2.2 酒化發酵單因素試驗

選取pH(5.5，6.0，6.5，7.0，7.5)、發酵溫度(24，26，28，30，32 ℃)、酵母菌添加量(0.1%、0.15%、0.2%、0.25%、0.3%)進行單因素試驗，考察這3個因素對酒醪酒精度的影響。

1.2.3 酒化發酵響應面試驗

根據單因素試驗結果，以酒精度為評價指標進行響應面試驗，優化酒化發酵的發酵條件。響應面試驗因素與水平見表1。

表1 Box-Behnken試驗設計因素與水平Table 1 Factors and levels of Box-Behnken experiment design

1.2.4 醋化發酵單因素試驗

選取pH(4.0，4.5，5.0，5.5，6.0)、初始酒度(6%、7%、8%、9%、10%)、醋酸菌添加量(6%、7%、8%、9%、10%)進行單因素試驗，考察這3個因素對紫薯醋總酸的影響。

1.2.5 醋化發酵響應面試驗

根據單因素試驗結果，以總酸作為評價指標進行響應面試驗，優化醋化發酵的發酵條件。響應面試驗因素與水平見表2。

表2 Box-Behnken試驗設計因素與水平Table 2 Factors and levels of Box-Behnken experiment design

1.2.6 測定方法

pH 值的測定：將酸度計直接插入待測樣品中，做3次平行試驗，取平均值，即為該樣品的pH值。

酒化發酵結束后測定酒精度，酒精度采用蒸餾法進行測定[14]。

醋化發酵結束時測定總酸[15]。

2 結果與分析

2.1 酒化發酵單因素試驗

2.1.1 酒化發酵pH的確定

圖1 酒化階段發酵pH值對酒精度的影響Fig.1 Effect of pH values on alcohol degree in alcoholization stage

酵母菌一般在pH 3.0～7.5的條件下生長，因pH值的不同，使得酵母菌對營養物質的吸收能力、細胞中的酶促反應速率和其本體的代謝能力發生改變，故而其生成酒精的能力也將改變。由圖1可知，當pH值小于6.5時，伴隨著pH值的增加，發酵液中的酒精度也在不停地增加；當pH值達到6.5時，酒精度達到了最大值6.7%；隨著pH值的持續增大，酒精度的變化趨勢逐漸減小。這是因為當酵母菌過量增加時會消耗掉紫薯液中的營養成分用于自身的繁殖，因而用于轉化酒精的糖就會減少。由此可知，酵母菌在酒化階段發酵產酒的最佳pH值為6.5。

2.1.2 酒化發酵溫度的確定

由圖2可知，起初隨著溫度的升高，發酵液中酵母菌活力逐漸增大，酒精度會隨之升高；當溫度處于28 ℃時，酒精度最高，為7.1%；當溫度超過28 ℃時，酒精度隨著溫度的升高而降低。這是因為酵母菌生長代謝需要一個適合的溫度范圍，當溫度過高時，雖然酵母菌生長較為迅速，發酵速度會越發增快，但與此同時衰老速度也會加快，對外表現為發酵液的最終酒精度下降，故發酵溫度選擇在28 ℃最為適宜。

圖2 酒化階段溫度對酒精度的影響Fig.2 Effect of temperatures on alcohol degree in alcoholization stage

2.1.3 酒化發酵酵母菌添加量的確定

圖3 酒化階段酵母菌添加量對酒精度的影響Fig.3 Effect of yeast additive amount on alcohol degree in alcoholization stage

當酵母菌處于缺氧條件下時，會將糖分解為酒精和二氧化碳，在相同的條件下，酵母添加量越高，成長繁殖的酵母菌就會越多，酒精的生成速率也就越快。由圖3可知，當酵母菌添加量小于0.2%時，隨著酵母菌添加量的增加，最終所產生的酒精度不斷增加；當酵母菌添加量為0.2%時，所產生的酒精度最高，為6.3%；隨著酵母菌添加量的持續增加，大于峰值后，因其受到了底物濃度的限制，所產生的酒精度會逐步減少。綜合考慮，酵母菌添加量處于0.2%時最為合適。

2.2 酒化發酵響應面試驗

2.2.1 響應面試驗設計及結果

在單因素試驗分析的基礎上，根據中心組合試驗設計原理，設計三因素三水平的響應面分析試驗，見表3。

表3 響應面試驗方案與結果Table 3 Experimental scheme and results of response surface

續 表

使用軟件以pH、溫度和酵母菌添加量為響應變量，同時以酒精度為指標值(響應值)，對表3的數據進行分析處理，得到表4回歸方程的方差分析表。利用該軟件進行二次多項式擬合(非線性)，可以得到以下預測模型：

Y=7.08+0.088A+0.44B+0.025C-0.30AB+0.28AC+0.025BC-0.26A2-0.67B2-0.44C2。

表4 回歸模型的顯著性檢驗和方差分析Table 4 Significance test and variance analysis of regression model

根據回歸方差分析顯著性檢驗，該模型為回歸顯著型，即P<0.0001，且失擬項不顯著，為0.2531。說明該模型與實際試驗有很好的擬合性，自變量與指標值之間的線性關系顯著，可以用于紫薯醋酒化工藝實驗的預測。

2.2.2 各因素及其交互作用對酒精度的影響

基于回歸模型方差分析，用軟件做出的pH(A)、溫度(B)和酵母菌添加量(C)對酒精度影響的等高線及三維圖見圖4。等高線的形狀呈圓形或者橢圓形反映交互效應的強弱程度，若為圓形，則交互作用不顯著；若為橢圓形，則交互作用顯著。

圖4 各因素交互作用對酒精度影響的響應面圖和等高線圖Fig.4 The response surface and contour lines of the influence of the interaction of various factors on alcohol degree

利用Design Expert軟件對二次回歸模型進行分析，繪制響應面分析圖，圖4等高線和響應面圖中，每個立體圖代表AB、AC、BC兩個獨立變量之間的交互作用。由圖4可知，AB(pH和溫度)、AC(pH和酵母菌添加量)的交互作用均顯著，BC(溫度和酵母菌添加量)的交互作用不顯著。

由響應面軟件分析所得到的酒化發酵的最優條件為：pH 6，溫度28.66 ℃，酵母菌添加量0.2%。在此條件下得到預測酒精度為7.15259%。

根據實際實驗情況，將以上最優條件調整為：pH 6，溫度29 ℃，酵母菌添加量0.2%。在此條件下進行實驗測出的酒精度為7.1%。此結果與理論預測值很接近。因此，利用該響應面法所得到的優化條件準確可靠，具有實際應用價值。

2.3 醋化發酵單因素試驗

2.3.1 醋化發酵中pH 的確定

圖5 醋化階段pH對酸度的影響Fig.5 Effect of pH values on acidity in acetification stage

由圖5可知，在pH值<5時，隨著初始pH的升高，醋酸菌的產酸量也逐漸上升；當pH值達到5時，醋酸菌處于最高效的環境，總酸達到峰值4.9 g/dL；在pH超過5逐漸增大后，總酸呈下降狀態，故pH 5為醋酸菌的最適pH。

2.3.2 醋化發酵初始酒度的確定

圖6 醋化階段初始酒度對酸度的影響Fig.6 Effect of initial alcohol content on acidity in acetification stage

由圖6可知，初始酒精度在7%～9%范圍時，醋酸菌的產酸量處在較高水平。在一定的初始酒精度范圍內(酒精度小于8%)，隨著酒精度升高，其總酸會相應增加。酒精度過高或過低對醋化的影響都十分顯著。當酒精度為8%時，總酸量最大，達到了5.3 g/dL。當酒精度大于8%后，醋酸菌產酸量急劇下降，這是由于醋酸菌的生長需要足夠的能量來維持，而乙醇為醋酸菌提供碳源的主要物質，如果酒精度過低，不能夠滿足醋酸菌對碳源的需要，從而抑制了醋酸菌的繁殖和生長，導致產酸量減少；當酒精度過高時，對醋酸菌也會有抑制作用，降低產酸量。綜合來看，選擇初始酒精度8%最為合適。

2.3.3 醋化發酵醋酸菌接種量的確定

圖7 醋化階段醋酸菌接種量對酸度的影響Fig.7 Effect of inoculation amount of acetic acid bacteria on acidity in acetification stage

由圖7可知，醋酸菌接種量小于8%時，醋酸菌的產酸量會隨著醋酸菌接種量的增加而增加；當醋酸菌接種量等于8%時，總酸達到最大值5.6 g/dL；醋酸菌接種量大于8%時，產酸量也會逐漸減少。醋酸菌接種量過高或者過低都不利于醋化發酵，如果接種量過低，就沒有足夠的醋酸菌產酸；如果接種量過高，又會導致醋酸菌利用乙醇生長繁殖產生水和二氧化碳，不但副產物會增加，也會導致醋酸菌相繼老化，降低產酸效率。綜合來看，醋酸菌的接種量在8%時最合適。

2.4 醋化發酵響應面試驗

2.4.1 響應面試驗設計及結果

在單因素試驗分析的基礎上，根據中心組合試驗設計原理，設計三因素三水平的響應面分析試驗，見表5。

表5 響應面試驗方案與結果Table 5 Experimental scheme and results of response surface

續 表

使用軟件以pH、初始酒精度和醋酸菌接種量為響應變量，同時以總酸為指標值(響應值)，對表5的數據進行分析處理，得到表6回歸方程的方差分析表。利用該軟件進行二次多項式擬合(非線性)，可以得到以下預測模型：

Y=5.58+0.081A+0.25B+0.20C+0.037AB+0.13AC+0.013BC-0.22A2-0.50B2-0.33C2。

表6 回歸模型的顯著性檢驗和方差分析Table 6 Significance test and variance analysis of regression model

根據回歸方差分析顯著性檢驗，該模型為回歸顯著型，即P<0.0001，且失擬項不顯著，為0.3082。說明該模型與實際試驗有很好的擬合性，自變量與指標值之間的線性關系顯著，可以用于紫薯醋醋化工藝實驗的預測。

2.4.2 各因素及其交互作用對總酸的影響

基于回歸模型方差分析，用軟件做出的pH(A)、初始酒精度(B)和醋酸菌接種量(C)對總酸影響的等高線及三維圖見圖8。等高線的形狀呈圓形或者橢圓形反映交互效應的強弱程度，若為圓形，則交互作用不顯著；若為橢圓形，則交互作用顯著。

圖8 各因素交互作用對酒精度影響的響應面圖和等高線圖Fig.8 The response surface and contour lines of the influence of the interaction of various factors on acidity

利用Design Expert軟件對二次回歸模型進行分析，繪制響應面分析圖，由圖8可知，每個立體圖代表AB、AC、BC兩個獨立變量之間的交互作用，AB(pH和初始酒精度)、AC(pH和醋酸菌接種量)的交互作用顯著，BC(初始酒精度和醋酸菌接種量)的交互作用不顯著。

由響應面軟件分析所得到的醋化發酵的最優條件為：pH 5.16，初始酒精度8.27%，醋酸菌接種量8.37%。在此條件下得到預測總酸為5.566415 g/dL。

根據實際實驗情況，將以上最優條件調整為：pH 5，初始酒精度8%，醋酸菌接種量8%。在此條件下進行實驗測得總酸為5.5 g/dL，此結果與理論預測值很接近。因此，利用該響應面法所得到的優化條件準確可靠，具有實際應用價值。

3 結論

在單因素試驗基礎上，利用響應面試驗對紫薯醋的酒化發酵、醋化發酵工藝進行優化，得到酒化發酵的最優發酵工藝：pH為6，溫度為29 ℃，酵母菌添加量為0.2%，在該發酵工藝條件下測得酒化階段結束后紫薯酒的酒精度為7.1%。醋化發酵的最優發酵工藝：pH為5，初始酒度為8%，醋酸菌接種量為8%，在該發酵工藝條件下測得醋化階段結束后紫薯醋的酸度為5.5 g/dL。本研究結果可為紫薯醋釀造工藝提供理論參考依據，促進紫薯資源的綜合開發利用。