桑葚-草莓復合果酒發酵動力學模型建立

熊亞，李敏杰*，劉姍

（1.攀枝花學院生物與化學工程學院，四川攀枝花617000；2.攀枝花市干熱河谷特色生物資源工程技術中心，四川攀枝花617000）

桑葚，又名桑椹子、桑蔗、桑棗等，桑樹的成熟果實，為桑科植物桑樹的果穗。成熟的桑葚質地油潤，酸甜適口，以個大、肉厚、色紫紅、糖分足者為佳[1]。現代研究證實，桑葚果實中含有豐富的活性蛋白、維生素、氨基酸、胡蘿卜素、礦物質、白藜蘆醇、花青素等成份，具有很好的預防血管硬化和癌癥、抗衰老等多種功效[2-5]。

草莓屬于多年生草本植物，富含多種營養物質，如維生素C、維生素A、維生素E、胡蘿卜素、鞣酸、天冬氨酸、銅、草莓胺、果膠、纖維素、葉酸、鐵、鈣、鞣花酸與花青素等營養物質，營養價值極高[6-7]。更值得注意的是草莓中的維生素C 含量比蘋果、葡萄都高7～10 倍，另外蘋果酸、檸檬酸、維生素B1、維生素B2，以及胡蘿卜素、鈣、磷、鐵的含量也比蘋果、梨、葡萄高3～4 倍[8-10]。

復合果酒是由多種新鮮水果混合發酵而成的含酒精型飲料，它結合了各種水果原料的特點和優勢，互為補充，它含有更多的糖、礦物質、有機酸、維生素、氨基酸等多種營養成分[11]。果酒也是一種良好的抗氧化劑，由于果酒是由各種新鮮且富含多種營養成分的水果發酵而成的，它不僅含有多種氨基酸、芳香酯、有機酸、維生素和礦物質，而且含有豐富的抗氧化物質。有研究表明，這些抗氧化劑比維生素具有更強的抗氧化活性[12]。由于草莓香味濃顏色淺，而桑葚味淡顏色深，兩種水果形成良好的互補，不但能夠彌補相互的缺陷，發揮自身的優勢，滿足人們對營養和保健的需求，也能夠在一定程度上開拓果酒市場[13-16]。選用這兩種水果釀造成復合果酒，可獲得口感好、營養全面、保健效果好的果酒。它開辟了新興果酒市場，解決了草莓、桑葚不易保存和運輸的問題，使人們在任何時候都能享受到美味。本試驗通過對桑葚-草莓復合果酒動力學模型的研究，對探索和優化復合果酒的優良釀造工藝，對復合果酒市場開發及擴大化生產有著積極的意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及儀器

桑葚、草莓：攀枝花學院水果超市；果膠酶（105U/g）：湖北興銀河醫藥有限公司；高活性酵母：安琪酵母股份有限公司；氫氧化鈉（分析純）、亞硫酸（≥99.8%，分析純）、無水檸檬酸（食品級）：成都科龍化工試劑廠。

1.2 主要儀器與設備

電子天平（FA1204B）：上海天平儀器廠；顯微鏡（SGO-PH300）：深圳市深視光谷光學儀器有限公司；手持式糖度儀（WS105 型）：上海普振生物科技有限公司；電熱恒溫水浴鍋（DZKW-S-8）：北京市永光明醫療儀器有限公司；酒精計（0-40 型）：河間市宏利玻璃儀器廠；精密pH 計（PHS-3B）：上海圣科儀器設備有限公司；榨汁機（T2264MD）：上海九陽股份有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 復合發酵酒生產工藝

1.3.1.1 水果的挑選及處理

挑選成熟飽滿、無病蟲害及無損傷的新鮮桑葚、草莓。將選擇后的草莓、桑葚沖洗干凈后，撈出瀝干，備用。

1.3.1.2 混合榨汁

將處理好桑葚和草莓以2∶3 的質量比混合，加入適量純凈水，榨汁機榨汁。

1.3.1.3 酶解

果膠酶按照40 mg/L 的量添加以增加出汁率，SO2添加量為60 mg/L，以防止雜菌污染。

1.3.1.4 成分調整

酵母菌按40 mg/L 發酵液的量進行接種，添加白砂糖調節初始糖度為22°，加入檸檬酸調節果汁初始pH 值為4。

1.3.1.5 發酵

在室溫下（25 ℃）進行發酵，當發酵罐內發酵現象不明顯且發酵液比重＜1 時，發酵結束。

1.3.1.6 過濾

將發酵酒液用3 層滅菌紗布過濾，以濾去發酵過程中死亡的酵母以及殘存下來的果渣。

1.3.1.7 陳釀

將發酵過濾后的果酒靜置兩周左右，待酒液澄清后進行果酒的裝瓶、貯存。

1.3.2 酵母菌數量的測定

采用血球板計數法測定發酵過程中酵母菌數量。

1.3.3 總糖含量的測定

采用3-5-二硝基水楊酸比色法[17]測定發酵過程中總糖含量。

1.3.4 酒精度含量的測定

采取蒸餾法[18]進行酒精度含量的測定。

1.3.5 數據處理

運用Origin8.6 軟件進行菌體生長量、酒精生成量和總糖消耗量的非線性擬合。通過回歸曲線得到動力學模型參數，建立酵母菌菌體生長、酒精生成和總糖消耗的動力學模型方程。

2 結果與分析

2.1 桑葚-草莓復合果酒發酵過程主要指標變化情況

桑葚-草莓復合果酒發酵過程主要指標變化曲線見圖1。

圖1 桑葚-草莓復合果酒發酵過程主要指標變化曲線Fig.1 Change curves of main indexes of the fermentation process of compound wine

由圖1 可知，在發酵前2 d，酵母菌數量增長較為平緩，這是由于酵母菌代謝系統為適應新環境的需要，處于生長代謝適應階段。從第3 天開始其數量快速增長，這是因為酵母菌已適應環境，能夠大量利用發酵液中的營養物質，在第7 天數量達到最大值，為7.56×107個/mL，從第8 天開始逐漸減少，說明酵母菌負生長速率開始大于正生長速率，屬于衰亡期。總糖含量隨時間的變化在發酵的前3 天緩慢減少，可能是由于酵母菌在前3 d 處于適應生長階段。從第3 天開始，總糖含量急劇減少，可能是由于酵母菌大量繁殖，導致底物大量消耗。從第8 天開始，總糖含量減少趨勢緩慢，并逐漸趨于穩定，這可能是由于酵母菌也在這一時期開始逐漸衰亡，底物消耗逐漸減弱，這也預示著發酵基本完成。發酵過程中酒精度含量在發酵前2 d 變化很小，是由于酵母菌處于生長適應階段，還未完全進行產酒精作用。從發酵第3 天開始，酒精度快速上升，這是因為酵母菌開始大量繁殖，將糖轉化為酒精，導致酒精度大幅度上升，在發酵第10 天酒精度達到最大值，為13.4%vol。從酵母菌生長、酒精度及總糖含量隨發酵的變化上看，酵母菌菌體數量曲線和酒精度生成曲線的變化趨勢相同，三者之間相互聯系，其變化符合發酵規律。

2.2 酵母菌生長動力學模型建立

酵母菌的生長曲線呈“S”型，因此可以用Logistic模型應用于果酒發酵過程進行模擬[19]，Logistic 方程是用來表現菌體生長與營養底物之間的非線性關系的經驗方程[16]。Logistic 方程如下。

式中：Y 表示發酵過程中酵母菌的數量，×107個/mL；A1表示初始酵母菌數，×107個/mL；A2表示最終酵母菌數，×107個/mL；x 表示發酵時間，d；x0、p 為方程系數。

通過origin8.6 軟件對菌體數量和方程式（1）進行擬合，得到A1=2.722 35，A2=7.312 54，x0=4.038 37，p=7.663 67，帶入式（1）得酵母菌數量隨發酵過程變化的動力學模型為式（2）。

酵母菌生長試驗值與預測值模型擬合曲線如圖2所示。

圖2 酵母菌生長實驗值與預測值模型擬合曲線Fig.2 Fitness curve of test values of yeast growth and prediction values

由圖2 可知，發酵過程中酵母菌的變化曲線與其擬合曲線的復合度較好，桑葚-草莓復合果酒發酵過程中的Logistic 模型R2=0.978 85，酵母菌數量的試驗值與預測值能夠較好的擬合，表明該模型能較好的反應酵母菌的生長發育情況。

2.3 底物總糖消耗動力學模型

在復合果酒的發酵過程中，總糖的消耗模型包括底物消耗以維持細胞呼吸新陳代謝作用、供給菌體生長、形成產物3 個部分[20]。通過物料平衡，利用Boltzmann模型建立方程如下。

式中：Y 為總糖含量，g/L；A1為初始總糖含量，g/L；A2為總糖終濃度，g/L；x0、dx 為方程系數；x 為發酵時間，d。

通過origin8.6 軟件對總糖含量和方程式（3）進行擬合，得A1=232.218 19，A2=15.649 97，x0=5.219 53，dx=1.414 81，帶入式（3）得總糖含量隨發酵進程變化的動力學模型。

總糖消耗試驗值與預測值模型擬合曲線見圖3。

圖3 總糖含量與預測值模型擬合曲線Fig.3 Fitness curve of test values and prediction values of total sugar content

如圖3 所示，發酵過程中總糖含量隨發酵時間的變化曲線與其擬合曲線的吻合程度極高，此動力學模型的R2=0.996 54，說明總糖含量的試驗值與預測值能夠很好的擬合，該模型能很好的反映總糖消耗情況。

2.4 產物酒精生成動力學模型

不同時間的酒精度含量數據，用origin8.6 作圖軟件進行非線性擬合，得到復合果酒生產中產物生成動力學模型。

式中：Y 表示發酵過程中的酒精度，%vol；A1表示初始酒精度，%vol；A2表示最終酒精度，%vol；x 表示發酵時間，d；x0、p 為方程系數。

通過origin8.6 軟件對發酵過程中酒精度數據和方程式（5）進行擬合，得到A1=1.184 98，A2=20.406 54，x0=7.473 71，P=1.950 6，帶入式（5）得酒精度隨發酵過程變化的動力學模型。

圖4 酒精度產量與預測值模型擬合曲線Fig.4 Fitness curve of test values and prediction values of alcohol production

酒精度產量與預測值模擬擬合曲線如圖4 所示。酒精度產量與預測值模型擬合曲線的R2=0.994 1，說明在發酵過程中酒精生成動力學模型的預測值和實測值相對誤差較小，其擬合度高。

3 結論

本試驗以桑葚、草莓為原料，混合榨汁后加入酵母進行發酵，得到酒液透亮清澈，色澤呈深紅色，帶有草莓清香的復合果酒。在桑葚-草莓復合果酒的發酵過程中對菌體量、酒精度、總糖含量進行測定，隨著發酵時間的進行，這3 個參數出現了規律性的變化。發酵完成后復合果酒的酒精度為13.4%vol，殘糖含量為24 g/L；采用Origin8.6 軟件對數據進行分析，用Logistic 方程建立了桑葚-草莓復合果酒發酵的菌體生長、產酒精動力學模型，用Boltzmannm 模型建立了總糖消耗的動力學模型，其決定系數R2分別為0.979、0.997、0.994，均大于0.9。所以，采用的動力學模型預測與實際果酒發酵的情況符合度都很好，表明此動力學模型能較好的描述桑葚-草莓復合果酒發酵過程中基質、產物、酵母菌的變化。

通過桑葚-草莓復合果酒發酵動力學模型的建立，對掌握酵母菌的生理特征，酒精生產的優化條件，以及各發酵指標之間的關系，為工業化生產桑葚-草莓復合果酒提供一定的參考價值。