粉末型五味子果醋生產工藝研究

鄭虎哲，崔春蘭，劉夢，武小梅，CHUNG Shin-kyo

（1.江蘇食品藥品職業技術學院，江蘇淮安223003；2.大韓民國慶北大學，韓國慶尚北道大邱702701；3.江蘇海洋大學，江蘇連云港222005）

果醋是以水果為主要原料，經酒精發酵、醋酸發酵釀制而成的營養豐富、風味優良的酸性飲料[1]。由于其具有調節體內酸堿平衡、降低膽固醇、提高免疫力、促進血液循環、降壓、美容護膚、延緩衰老以及減肥等功效[2-3]，近年來已成為集營養、保健、食療等功能為一體的新型飲品[4]。然而，由于果醋酸度較高，對牙齒、喉組織等產生一定的刺激和損傷，給消費者帶來不便。另外，液體醋在存儲和攜帶方面也不便利，給消費者也帶來一定困擾[5]。

粉末醋，又名固體醋，最初是由日本一家公司研發的新型調味品。目前，開發具有不同功效的粉末醋產品越來越得到研究者的關注[6]，但在生產工藝上仍存在一些問題。高溫條件制備方法會導致營養成分和風味物質的損失；膠囊制備技術使用聚乙二醇，提升了成本；另有文獻報道，在醋粉制備過程中加入影響產品安全性的NaOH，以及食品添加劑，如蘋果酸、檸檬酸等，背離了制備純天然保健型粉末果醋的初衷[5]。

隨著人們對果醋類保健品的逐漸認識和了解，果醋類保健品在國內消費市場中比重逐漸提升，前景廣闊。但目前市面上銷售的果醋類保健品只有液體類，對消費者食用和攜帶等帶來諸多不便。因此，開發一種既有果醋的保健功效，又具有攜帶方便等優點的粉末型果醋迫在眉睫，新劑型的研發對滿足各類消費群體的需求具有十分重要的意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試劑

野生五味子：2017 年吉林省長白山地區采摘。β-環糊精：山東西王糖業有限公司；卡拉膠：滕州市香凝生物工程有限公司；藻膠鈉：國藥集團化學試劑有限公司；酒精發酵酵母：湖北安琪酵母股份有限公司；醋酸菌酵母：上海市釀造科學研究所研制的滬釀1.01 酵母；偏重亞硫酸鉀：天津金匯太亞化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

糖度計（BX-1 型）：京都電子中國公司；酸度計（PHSJ-5 型）：上海儀電有限公司，酒精計（TA-100型）：上海圖新有限公司；高壓均質機（JZH50-80 型）：上海錦竹有限公司；膠體磨（JM-50 型）：上海諾尼有限公司；實驗型噴霧干燥機（YC-015 型）：上海雅程儀器設備有限公司；紫外-可見分光光度計（759S 型）：上海棱光技術有限公司。

1.3 方法

1.3.1 制作工藝

本研究采用已申請的發明專利技術[5]，制作工藝分5 個階段。

1.3.1.1 酒精發酵工藝

本試驗選用的新鮮五味子中總糖含量為7.8°Brix，總酸為5.9 g/100 g。將新鮮五味子去雜質后破碎除梗，制成果醬。由于總糖量較低、酸度較高，因此在酒精發酵過程中做了補糖處理。用白砂糖將起始總糖度分別設計為 10、11.5、13.0、14.5 °Brix 進行發酵試驗。將活化培養好的酵母菌（0.000 2%）接種于處理后的果醬中，添加0.000 1%偏重亞硫酸鉀，然后在30 ℃條件下經過酒精發酵144 h，每24 h 取樣測定酒精度。

1.3.1.2 醋酸發酵工藝

將酒精發酵產物投入到發酵罐中，酒精度調至6.5%，分別以5%、10%、15%的接種量接種預活化的醋酸菌。在溫度30 ℃，通風量為500 mL/min 條件下進行醋酸發酵144 h，并每隔24 h 時取樣測定總酸。醋酸發酵結束后，過濾醋酸發酵產物中的非水溶性物質，并在130 ℃瞬時滅菌5 s。

1.3.1.3 果醋包埋工藝優化

在前期試驗的基礎上，運用SAS 9.1（statistical analysis system）和 STATISTICA 軟件，分別以 β-環糊精、卡拉膠、藻膠鈉 3 個因素，以-2、-1、0、1、2 表示其 5個水平，以包埋的果醋總酸為響應值，開展響應面法優化果醋包埋工藝。

1.3.1.4 后熟工藝

將包埋好的果醋混合液放置在溫度控制為25 ℃～30 ℃的密閉的發酵罐里，并每隔3 h 以3 mL/min～5 mL/min 的流速輸送空氣24 h～36 h，以便混合液達到充分后熟以及果醋有效成分的包埋效果最大化。

1.3.1.5 噴霧干燥工藝優化

在前期試驗的基礎上，運用SAS 9.1（statistical analysis system）和STATISTICA 軟件，分別以進風量、進風溫度、進料速率 3 個因素，以-2、-1、0、1、2 表示其5 個水平，以醋粉得率為響應值，開展響應面法優化噴霧干燥工藝。

1.3.2 粉末型果醋的特性評價

1.3.2.1 總糖、總酸以及酒精度的測定

總糖度測定選用手持糖度計；總酸采用酸堿中和滴定法，用0.1mol/L NaOH 溶液進行滴定，總酸以乙酸計；酒精度的測定按照GB/T 10345-2007《白酒分析方法》。

1.3.2.2 總多酚含量的測定

總多酚含量的測定采用Zheng 等[7]的方法，并以沒食子酸（gallic acid）為標準物質進行檢測，總多酚含量以達到同樣吸光度所需的沒食子酸的含量表示（mg GAE/g）。

1.3.2.3 鐵還原抗氧化力測定

鐵還原抗氧化力（ferric reducing antioxidant power，FRAP）的測定采用Shahrokh 等[8]的方法，并以Trolox為標準物質進行檢測，鐵還原抗氧化力以達到同樣吸光度所需的Trolox 的毫摩爾數表示（mmol TE/g）。

1.3.2.4 醋粉得率測定

醋粉得率的測定采用張國華等[9]的方法，并以下公式計算：

1.4 統計分析

采用 SAS 9.1（statistical analysis system）和 STATISTICA 6.0 軟件，數據結果以平均數±標準差（n=3）表示。

2 結果與分析

2.1 酒精發酵工藝的確立

制作粉末型五味子果醋的第一階段是酒精發酵環節，即五味子中的糖被酵母分解為酒精的過程，結果見圖1。

圖1 總糖度含量對酒精發酵的影響Fig.1 Effects of sugar content on alcoholic fermentation

由圖1 可知，隨著糖度的增加，酒精發酵速度也增加。初始糖度分別為10°Brix 和11.5°Brix 時，發酵速度緩慢，酒精度也不高，味道較淡；當初始糖度為13.0°Brix 時，發酵速度較快，到了第72 小時時酒精度達到4.0%，到第144 小時時酒精度達到6.5%，初始糖度為14.5°Brix 的酒精度達到了6.8 %。根據Hong等[11]的文獻報道，認為醋酸發酵的最佳酒精度為6.5%左右，因為酒精度達到7.0%左右時，會抑制后期的醋酸發酵，以至于延遲醋酸發酵速率。因此，本文選擇初始總糖度為13.0°Brix 作為醋酸發酵的糖度。

2.2 醋酸發酵工藝的確立

制作粉末型五味子果醋的第二階段是醋酸發酵環節，即第一階段的酒精發酵產物進行醋酸發酵的過程，結果見圖2。

圖2 醋酸菌接種量對醋酸發酵的影響Fig.2 Effects of inoculum content on acetic acid fermentation

由圖2 可知，醋酸菌接種量為5%時初期的誘導期延長，導致發酵48 h 后的總酸僅為1.6%，發酵96 h時才達到2.8%。與之對比的是，接種量為10%時發酵96 h，總酸已達到3.3%，發酵144 h，總酸已達到3.8%。另外，在接種量為15 %時，發酵144 h，總酸達到3.88 %。結果表明，即便接種量過多也起不到明顯增酸效果。本結果與李西騰[12]選用相同的菌種制作黑莓果醋的研究結果相似，即果醋發酵過程中，接種量對發酵速率的影響較大，隨著接種量增加，發酵速度也加快，但是過多的接種量對總酸含量的增加起不到積極作用。另外，Kang 等[13]在報告中也指出，在蘋果醋制作過程中菌種的接種量為5%～15%時，隨著菌種量的增加，產酸量沒有顯著變化，得出結論菌種的接種量為10%時已很充分。因此，根據試驗結果和文獻記載，本文確定適宜接種量為10%。

2.3 果醋包埋工藝優化

2.3.1 果醋包埋工藝響應面法試驗結果

通過對果醋包埋工藝進行初步摸索的基礎上，最終確定β-環糊精、卡拉膠以及藻膠鈉的添加量3 個關鍵因素，進行響應面法試驗優化果醋包埋能力，其中，β-環糊精添加量5%、卡拉膠添加量0.75%，以及藻膠鈉添加量1.0%為反應中心點。試驗結果見表1。

表1 響應面法優化果醋包埋工藝試驗結果Table 1 Response surface methodology design and results in fruit acid embedding process

續表1 響應面法優化果醋包埋工藝試驗結果Continue table 1 Response surface methodology design and results in fruit acid embedding process

為了檢驗回歸方程的有效性，對回歸模型進行了方差分析，結果如表2 所示。

表2 果醋包埋工藝優化回歸模型系數及方差分析結果Table 2 Analysis of variance of the regression model in fruit acid embedding process

由表2 可見，β-環糊精和藻膠鈉的一次項、β-環糊精，卡拉膠，藻膠鈉的二次項對總酸包埋量的影響達到極顯著水平（p＜0.001）；藻膠鈉一次項對總酸包埋量的影響有較顯著水平（p＜0.01）；各因素的交互項對總酸包埋量的影響均不顯著。從各因素的F 值可知，3個因素對總酸包埋量的影響依次為β-環糊精（X1）＞藻膠鈉（X3）＞卡拉膠（X2）。另外，還可以觀察到確定系數R2為0.938 3，說明模型擬合程度良好，R2修正值為0.907 5，表明與確定系數R2具有很高的一致性；變異系數為2.194 5%，說明試驗的重復性良好。

2.3.2 果醋包埋工藝響應面圖分析

響應面圖形是響應值對各試驗因素所構成的三維空間的曲面圖，從響應面分析圖上可以找出最佳參數以及各參數之間的相互作用[15]。β-環糊精、卡拉膠、藻膠鈉這3 個因素兩兩交互作用的三維響應面與等高線圖如圖3 所示。

圖3 兩兩因素交互作用對總酸包埋效果的影響Fig.3 Interactive effects of three factors on the fruit acid embedding content

從圖3a 可以看出，β-環糊精添加量較低時，隨著卡拉膠的增加加大總酸的包埋量的增大，當卡拉膠添加量達到0.6%后，總酸的包埋量反而降低。這與先前周景麗等[14]對山西老陳醋粉工藝研究結果類似。另外，張國華等[9]描述β-環糊精的添加量直接影響產品的品質，添加量較少時包埋效果欠佳，添加量過多時會掩蓋醋的香和味。由圖3b 可以看出，β-環糊精和藻膠鈉兩因素的交互作用顯著。當β-環糊精較低時，隨著藻膠鈉的增加總酸包埋量先增大后基本保持不變；當β-環糊精在5%左右，藻膠鈉達到1%左右時，總酸包埋量達到最高。由圖3c 可知，總酸包埋量在一定范圍內隨卡拉膠和藻膠鈉的增加而變大。但是，卡拉膠和藻膠鈉的添加量過多時對后續噴霧干燥工藝增加難度[5]。

2.3.3 果醋包埋最佳條件的驗證試驗

根據表2 中試驗數據進行多元回歸分析，以總酸（Y總酸）為因變量，β-環糊精（X1）、卡拉膠（X2）以及藻膠鈉（X3）為自變量，建立回歸方程，如下：

利用回歸模型預測果醋包埋工藝條件及預測值與驗證試驗結果，如表3 所示。

表3 利用回歸模型預測果醋包埋工藝條件及預測值與驗證值Table 3 The predicted optimum conditions for maximum embed of fruit acid by ridge analysis

由表3 可知，回歸方程顯著性檢驗F 值為10.15（p<0.01），表明回歸方程達到極顯著，可用該模型來預測果醋包埋過程中總酸含量。根據計算結果得出最佳包埋條件為β-環糊精添加量5.01%、卡拉膠添加量0.63%，藻膠鈉添加量1.04%，用回歸方程式計算總酸為3.33 g/100 g。為了驗證響應面法的可靠性，在優化條件下重復試驗3 次，得出總酸為3.25 g/100 g，該試驗值與預測非常接近（97.6%），說明試驗結果與模型擬合良好，利用響應面分析法優化果醋包埋工藝參數準確可靠，具有可行性。

2.4 噴霧干燥工藝優化

2.4.1 噴霧干燥工藝響應面法試驗結果

通過對噴霧干燥工藝進行初步摸索的基礎上，最終確定進風量、進風溫度以及進料速率3 個關鍵因素，進行響應面法試驗優化噴霧干燥工藝，其中，進風量20 m3/min、進風溫度140 ℃，以及進料速率500 mL/h為反應中心點。試驗結果見表4。

表4 響應面法優化噴霧干燥工藝試驗結果Table 4 Response surface methodology design and results in spray drying process

續表4 響應面法優化噴霧干燥工藝試驗結果Continue table 4 Response surface methodology design and results in spray drying process

為了檢驗回歸方程的有效性，對回歸模型進行了方差分析，結果如表5 所示。

表5 噴霧干燥工藝優化回歸模型系數及方差分析結果Table 5 Analysis of variance of the regression model in spray drying process

續表5 噴霧干燥工藝優化回歸模型系數及方差分析結果Continue table 5 Analysis of variance of the regression model in spray drying process

由表5 可見，進風溫度和進料速率的一次項；進風量、進風溫度以及進料速率二次項對醋粉得率的影響達到極顯著水平（p＜0.001）；進風量一次項對醋粉得率的影響有較顯著水平（p＜0.05）；各因素的交互項對醋粉得率的影響均不顯著。從各因素的F 值可知，3 個因素對醋粉得率的影響依次為進風溫度（B）＞進料速率（C）＞進風量（A）。另外，方差分析中觀察到模型的確定系數R2為0.944 3，R2修正值為0.916 5，表明與確定系數R2具有較高的一致性；變異系數為5.112 3%，說明試驗的重復性良好。

2.4.2 噴霧干燥工藝響應面圖分析

進風量、進風溫度以及進料速率這3 個因素兩兩交互作用的三維響應面與等高線圖如圖4 所示。

圖4 兩兩因素交互作用對醋粉得率的影響Fig.4 Interactive effects of three factors on the vinegar powder production rate

從圖4a 可以看出，當進風量和進風溫度較低時，物料液滴在干燥室內不能充分干燥，未干顆粒接觸塔壁而發生粘壁，粉末在氣流的作用下相互接觸而不斷積聚，粘壁現象嚴重，導致醋粉得率較低。隨著進風量和進風溫度的增加，物料與熱空氣充分接觸，干燥完全，粘壁現象輕微，加大醋粉得率的增大。當進風溫度繼續升高至140 ℃時，容易產生美拉德反應，物料液滴由玻璃態轉變為黏流態，易發生熱熔性粘壁，使醋粉得率降低。這與朱崇陽等[16]對香醋粉制作工藝研究結果類似，即溫度過高，會導致所制醋粉結塊現象嚴重，進而影響醋粉得率。由圖4b 可以看出，進風量和進料速率兩因素的交互作用不太顯著。當進風量和進料速率較低時，物料液滴受熱時間長，熱粘壁現象嚴重，導致醋粉得率低。隨著進料速率的增加，在一定范圍內醋粉得率增加，并達到最高點。繼續提高進風量和進料速率，醋粉得率開始降低，這可能是由于受熱時間短，導致物料液干燥不完全，水分蒸發不徹底引起粘壁現象，造成醋粉得率較低。陳樹俊等[17]在研究雜糧醋粉的制作工藝時，也得到了類似的結果。由圖4c 可知，醋粉得率在一定范圍內隨進風溫度和進料速率的增加而變大。但進風溫度和進料速率分別達到138 ℃和504 mL/h 左右時，醋粉得率達到最大值。

2.4.3 噴霧干燥最佳條件的驗證試驗

根據表5 中試驗數據進行多元回歸分析，以醋粉得率（Y醋粉得率）為因變量，進風量（A）、進風溫度（B）、進料速率（C）為自變量，建立回歸方程，如下：

Y醋粉得率=-3 932.738 889+13.820 139A+32.742 083B+6.180 313C-0.272 222A2+0.010 833AB-0.106 500B2-0.008 125AC-0.006 625BC-0.005 094C2

利用回歸模型預測果醋包埋工藝條件及預測值與驗證試驗結果，如表6 所示。

由表6 可知，回歸方程顯著性檢驗F 值為11.30（p<0.01），表明回歸方程達到較顯著，可用該模型來預測噴霧干燥條件下醋粉得率。根據計算結果得出最佳反應條件為進風量20.70 m3/min、進風溫度139.2 ℃，進料速率499.6 mL/h，用回歸方程式計算醋粉得率為33.46%。在最佳反應條件試驗結果顯示，醋粉得率為32.64%，該試驗值與預測非常接近（97.5%），說明試驗結果與模型擬合良好，利用響應面分析法優化噴霧干燥工藝參數準確可靠，具有可行性。

表6 利用回歸模型預測醋粉得工藝條件及預測值與驗證值Table 6 The predicted optimum conditions for maximum vinegar powder rate by ridge analysis

2.5 粉末型果醋的特性評價

粉末型五味子果醋研制后，對成品的總多酚含量和鐵還原抗氧化力（ferric reducing antioxidant power，FRAP）進行測定，比較和評價與新鮮五味子、五味子果醋液以及粉末型五味子果醋中的抗氧化能力的差異，如表7 所示。

表7 粉末型五味子果醋制作前后總多酚和鐵還原抗氧化力特性變化表Table 7 Changes of total phenolic content and FRAP of Schisandra chinensis vinegar powder before and after processing

由表7 可知，研制前后發生較為明顯的變化，其中總多酚含量從原料中的5.1 mg GAE/g 增加到成品的9.8 mg GAE/g，這是由于粉末醋研制后含水量降低，總多酚富集的原因。另外，從鐵還原抗氧化力（ferric reducing antioxidant power，FRAP）分析結果可知，抗氧化能力由原來的98.6 mmol TE/g 提高到207.6 mmol TE/g，這可能是由于成品中總多酚含量的增加，因而使鐵還原抗氧化力得到提高的原因。

3 結論

本文通過酒精發酵、醋酸發酵、果醋包埋、后熟以及噴霧干燥5 個階段工藝研究粉末型五味子果醋的制作工藝。單因素試驗結果表明，酒精發酵時果醬糖度調至13°Brix，醋酸發酵時醋酸菌接種量為10%時發酵效果較好；響應面分析結果表明，果醋包埋的最佳工藝條件為β-環糊精、卡拉膠以及藻膠鈉的添加量分別為5.01%，0.63%以及1.04%；噴霧干燥最佳工藝條件為進風量、進風溫度以及進料速率分別為20.70 m3/min，139.2 ℃以及499.6 mL/h。粉末型果醋的特性評價結果表明，研制的粉末型五味子果醋營養豐富，具有一定的保健功能，這為后期開發具有保健功效的粉末型果醋系列產品提供技術和科學依據。