固態(tài)發(fā)酵食醋醅真空冷凍干燥工藝優(yōu)化

陳樹俊，胡 坤

（山西大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，山西 太原 030006）

食醋在我國已經(jīng)過3 000多年的傳承和發(fā)展[1]，山西老陳醋以其悠長歷史、獨特風(fēng)味及營養(yǎng)價值居于中國“四大名醋”之首，為國家非物質(zhì)文化遺產(chǎn)。老陳醋富含黃酮、多酚、有機(jī)酸[2]等多種功能性成分，具有抗氧化[3]、軟化血管、調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝、降血壓、降低膽固醇等功效。但液體醋還是存在著直接飲用刺激性強(qiáng)、運(yùn)輸不便、營養(yǎng)物質(zhì)損失等弊端，醋粉的出現(xiàn)就很好地規(guī)避了這些缺陷。

早在20世紀(jì)90年代已有醋粉的相關(guān)研究[4-6]，但先前的研究大都集中在將液體醋進(jìn)行干燥而制得的醋粉，考慮到釀造過程中直接進(jìn)行干燥的產(chǎn)品還很少見，陳樹俊等[7]在釀造過程中對醋醅直接進(jìn)行干燥，發(fā)現(xiàn)制得的醋粉能夠更大程度地保留營養(yǎng)物質(zhì)且易于貯存；趙瑞歡等[8]對老陳醋的沉淀物與沙棘果油混合制得的醋粉進(jìn)行功能性研究，發(fā)現(xiàn)沉淀物中含有大量的營養(yǎng)物質(zhì)；鄭虎哲等[9]研究了粉末果醋的相關(guān)工藝，響應(yīng)面分析得出了果醋包埋和噴霧干燥的最佳工藝條件。

本研究以苦蕎（Fagopyrum tataricum）為原料，沙棘果渣、杜仲葉和燕麥麩皮為輔料，按照老陳醋制作方式進(jìn)行發(fā)酵，因原料富含黃酮、多酚、松脂醇二葡萄糖苷[10-12]等功能性物質(zhì)，在發(fā)酵過程中產(chǎn)生的川芎嗪使得醋醅具有更高的營養(yǎng)價值；對其醋醅直接進(jìn)行真空冷凍干燥，在低溫低壓條件下可最大限度地降低營養(yǎng)成分的流失，防止醋醅中熱敏性成分（如部分蛋白質(zhì)、酸類、不穩(wěn)定的黃酮、多酚等）失去功效[13-18]。該研究依據(jù)不同干燥因素對于干燥水平的影響，探索最佳工藝條件，經(jīng)凍干脫水的醋醅成分穩(wěn)定且易于貯運(yùn)，為醋粉的生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

苦蕎：山西佳鑫食品有限責(zé)任公司；杜仲葉：張家界杜仲茶合作社；燕麥麩皮：山西青玉油脂有限公司；沙棘果渣：呂梁野山坡食品公司；大曲、快曲：山西紫林醋業(yè)股份有限公司；氫氧化鈉（分析純）：國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；C20H14O4（分析純）：天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

DW-60W308低溫冷凍轉(zhuǎn)換箱：青島海爾冰箱公司；DSC-500C差示掃描量熱儀：上海眾路實業(yè)有限公司；TSP90擱架式平板速凍機(jī)：天津市海特瑞斯機(jī)械設(shè)備有限公司；TFDS0.25食品真空冷凍干燥機(jī)：煙臺中孚冷鏈設(shè)備有限公司；FW-80高速萬能粉碎機(jī)：上海凈信實業(yè)發(fā)展有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 醋粉制作工藝流程

1.3.2 操作要點

原料處理：苦蕎面要求干凈新鮮、無霉變，將10 kg苦蕎面加入16 kg 70 ℃的水?dāng)嚢杈鶆颍纸负笤?.17 MPa條件下蒸煮20 min，蒸至不粘手且不夾硬心。蒸熟的料加熱水至料水比1∶2（g∶mL），攪拌均勻，攤平燜料20 min，冷卻。

糖化液化：原料冷卻至30 ℃左右，加入10%快曲，35%水?dāng)嚢杈鶆颍?0～40 ℃維持8 h。

酒精發(fā)酵：酒精發(fā)酵階段加入約0.05%酵母、40%大曲，每天打粑2次敞口發(fā)酵，3 d后封缸密閉發(fā)酵16 d，酒精發(fā)酵完成后檢測酒精度在9%vol～11%vol。

醋酸發(fā)酵：醋酸發(fā)酵階段加入42%沙棘果渣、58%杜仲葉以及100%燕麥麩皮，攪拌均勻，拌醅到酒精度在4.5%vol～5%vol，第2天接入10%的新鮮“火種”進(jìn)行醋酸發(fā)酵[19]，發(fā)酵時間在7 d左右。

熏醅：將完成發(fā)酵的醋醅放入熏醅裝置，溫度在70～90 ℃，每天翻醅1次，2 d后出醅，熏醅階段完成。

真空冷凍干燥：將醋醅放到速凍機(jī)的物料盤上，溫度設(shè)置為-40 ℃，插入溫度探頭預(yù)凍4 h。整個干燥階段干燥倉內(nèi)的真空度要維持在10 Pa，升華干燥階段加熱系統(tǒng)溫度設(shè)定為25 ℃，10 h后升華干燥階段完成，在此過程中密切關(guān)注倉內(nèi)醋醅的干燥情況和溫度曲線的變化情況。完成升華干燥后，將溫度設(shè)為30 ℃進(jìn)行解析干燥，加熱到物料溫度與加熱板的溫度基本接近后保持一段時間，解析干燥結(jié)束，關(guān)閉制冷系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、真空泵，打開排氣閥使倉內(nèi)的氣壓達(dá)到大氣壓后打開倉門，取出干燥醋醅。

粉碎：經(jīng)干燥的醋醅用高速萬能粉碎機(jī)粉碎至粉末狀，裝袋密封制成醋粉。

1.3.3 共熔、共晶點測定

表1 溫度控制設(shè)置程序Table 1 Temperature control setting program

采用差示掃描量熱法（differential scanning calorimetry，DSC）[20-21]，稱取30～40 mg樣品置于鋁制40 μL坩堝，將坩堝放到差示掃描量熱儀的檢測平臺上，同時將空白的40 μL鋁制坩堝置于參比槽，溫度控制采用Star E程序，按照表1設(shè)置進(jìn)行溫控，檢測結(jié)束后分析DSC曲線，標(biāo)記出曲線所示變化過程放熱峰、吸熱峰的起點。

1.3.4 單因素試驗

凍干過程中干燥倉內(nèi)真空度維持在10 Pa，設(shè)置升華溫度25 ℃，解析溫度30 ℃，物料厚度3 cm為默認(rèn)條件，改變一個操作條件考察不同升華溫度（20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃）、解析溫度（30 ℃、35 ℃、40 ℃、45 ℃、50 ℃）、物料厚度（2.0 cm、2.5 cm、3.0 cm、3.5 cm、4.0 cm），通過測定總酸含量和計算干燥速率評估各因素不同設(shè)置下干燥效果，選出最佳凍干條件。

1.3.5 響應(yīng)面優(yōu)化試驗

依照單因素試驗結(jié)果，以升華溫度、解析溫度、物料厚度為3個評價因素[22]，以總酸含量、干燥速率為響應(yīng)值，根據(jù)Box-Behnken設(shè)計原理，設(shè)計試驗因素與水平如表2。

表2 醋粉凍干工藝優(yōu)化響應(yīng)面試驗因素與水平Table 2 Factors and levels of response surface methodology for freeze-drying process optimization of vinegar powder

1.3.6 指標(biāo)測定

總酸含量測定：按照GB/T 12456—2008《食品中總酸的測定》中酸堿滴定法。

干燥速率計算：凍干前后分別對醋醅進(jìn)行稱質(zhì)量，凍干過程記錄消耗的時間，計算醋醅的凍干速率，其計算公式如下：

式中：F為凍干速率，%/h；M1為干燥前原料的質(zhì)量，g；M2為干燥后原料的質(zhì)量，g；T為凍干消耗的時間，h。

1.3.7 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用Design-Expert 8.0.6進(jìn)行響應(yīng)面試驗與分析，用Excel 2016、Origin Pro 2018C軟件繪制數(shù)據(jù)圖表，重復(fù)3次，試驗結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差（X±S）形式表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 共晶點、共熔點測定結(jié)果與分析

共熔、共晶點的測定結(jié)果對于真空冷凍干燥過程中的溫度設(shè)定有指導(dǎo)意義，通常以共晶點為參考判斷物料凍結(jié)溫度。差示掃描量熱系統(tǒng)以溫度和時間為橫坐標(biāo)，以樣品吸熱或放熱速率為縱坐標(biāo)得出的DSC曲線見圖1。在測定過程中采用快凍慢升工藝，降溫過程中水結(jié)晶，第一個放熱峰即水的結(jié)晶峰，由于溫度降至醋醅的過冷溫度，在凍結(jié)過程中醋醅產(chǎn)生過冷現(xiàn)象，導(dǎo)致DSC曲線中醋醅的共晶點被水結(jié)晶峰覆蓋，觀察不到共晶點。晶體物質(zhì)在熔化時吸熱會在DSC曲線中產(chǎn)生吸熱峰，觀察圖1可得物料的共熔點為-31.08 ℃。通常物料的共熔點都高于其共晶點，所以即使沒有觀察到共晶點也可以以共熔點作為參考指導(dǎo)物料預(yù)凍時的溫度設(shè)定，參考醋醅的共熔點，設(shè)置低于共熔點8～10 ℃[22-23]（即-39.08～-41.08 ℃）為預(yù)凍溫度設(shè)置范圍，考慮到實際操作過程設(shè)置-40 ℃為物料預(yù)凍溫度。

圖1 醋醅差示掃描量熱曲線Fig.1 Differential scanning calorimetry curve of Cupei

2.2 單因素試驗結(jié)果

2.2.1 升華溫度影響試驗結(jié)果及分析

由圖2可知，在一定的溫度范圍內(nèi)，醋醅的干燥速率與升華溫度正相關(guān)，總酸含量與升華溫度負(fù)相關(guān)。但圖中有明顯的分界點（30 ℃），升華溫度低于30 ℃時，干燥速率隨溫度的上升提升的較快，而總酸含量卻下降地較緩慢；溫度升至30 ℃以上后，隨著溫度的升高，干燥速率緩慢升高，總酸含量快速降低。夏業(yè)鮑等[24]在凍干蔬菜的共晶點、共熔點測定研究中提出升華溫度過低干燥速率也會很低，干燥時間會很長，容易造成不必要的能源浪費(fèi)，而溫度過高可能會超過物料的共熔點而導(dǎo)致冰晶融化，影響凍干效果，綜合考慮后選擇25 ℃、30 ℃、35 ℃三個水平進(jìn)行響應(yīng)面工藝優(yōu)化試驗。

圖3 解析溫度對醋醅干燥速率和總酸含量的影響Fig.3 Effect of resolve temperature on drying rate and total acid content of Cupei

2.2.2 解析溫度影響試驗結(jié)果及分析

由圖3可知，在解析干燥階段醋醅的干燥速率較升華干燥階段高，是因為在解析干燥階段物料中占大部分的自由水已被除去，只剩余少量結(jié)晶水，但隨著解析溫度的升高干燥速率的升高并不明顯，整體的上升趨勢較為平緩；相反，溫度升至35 ℃時，溫度升高的同時總酸含量下降的速度加快，出現(xiàn)這個現(xiàn)象的原因在于物料中水分變少而酸揮發(fā)加快，所以選擇30 ℃、35 ℃、40 ℃三個水平進(jìn)行后續(xù)的響應(yīng)面凍干工藝優(yōu)化。

圖4 物料厚度對醋醅干燥速率和總酸含量的影響Fig.4 Effect of material thickness on drying rate and total acid content of Cupei

2.2.3 物料厚度影響試驗結(jié)果及分析

由圖4可知，干燥過程中物料厚度增加，干燥速率會逐漸下降，陳樹俊等[7]在響應(yīng)面法優(yōu)化雜糧醋粉真空凍干工藝中分析出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要是傳熱過程是從物料表層逐級向里層傳遞，在傳遞的過程中物料會產(chǎn)生一定的阻力，物料厚度越大阻力也就越大，干燥速率就會越慢。隨著物料厚度的增加，傳質(zhì)的阻力也越大，酸的揮發(fā)受到了阻礙，同時水分還在不停地?fù)]發(fā)，故總酸的含量會逐漸升高，但升高的趨勢較平緩，相比之下在此過程中干燥速率的降低趨勢較為明顯，綜合考慮，選擇2.5 cm、3.0 cm、3.5 cm三個水平進(jìn)行響應(yīng)面工藝優(yōu)化試驗。

2.3 響應(yīng)面試驗結(jié)果

2.3.1 響應(yīng)面試驗設(shè)計及結(jié)果

在醋醅凍干響應(yīng)面試驗中，以Box-Behnken進(jìn)行試驗方案設(shè)計，以升華溫度、解析溫度和物料厚度為自變量，干燥速率和總酸含量兩個響應(yīng)值對凍干效果進(jìn)行評價，回歸分析結(jié)果見表3。

表3 醋醅凍干工藝響應(yīng)面試驗結(jié)果Table 3 Response surface test results of freeze-drying process of Cupei

續(xù)表

2.3.2 回歸方程及參數(shù)分析

用Design-Expert 8.0.6對表3中數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，得到Y(jié)1和Y2的二次回歸方程：

Y1=3.63+0.16A+0.031B-0.069C-0.023AB+0.042AC+5×10-3BC-0.067A2-0.039B2-0.054C2

Y2=8.66-0.055A-0.31B+0.051C-0.04AB+0.05AC-0.038BC-0.067A2-0.29B2-0.035C2

回歸方程方差分析見表4。由表4可得，Y1回歸模型極顯著（P＜0.001），表明誤差較小、擬合度好、較精確；模型的預(yù)測值與考察值高度相關(guān)，該模型可用于探索各因素對于醋醅干燥速率影響的變化趨勢。3個因素對醋醅干燥速率的影響大小為A＞C＞B，即升華溫度＞物料厚度＞解析溫度。總酸含量Y2回歸模型極顯著（P＜0.001），表明誤差較小、擬合度好，模型的預(yù)測值與考察值相關(guān)度較高，該模型可用于探索對醋醅總酸含量影響的趨勢。3個因素對醋醅干燥速率的影響大小為B＞A＞C，即解析溫度＞升華溫度＞物料厚度。

表4 回歸方程方差分析Table 4 Analysis of variance of regression equations

2.3.3 各因素交互作用對醋醅干燥速率的影響

由圖5可以看出，干燥速率與升華溫度、解析溫度的變化趨勢都呈正相關(guān)，但相比而言，升華溫度對干燥速率的影響比解析溫度更顯著；干燥速率與升華溫度正相關(guān)，與物料厚度呈負(fù)相關(guān)，且從圖中可明顯觀察到等高線為橢圓形，說明升華溫度、物料厚度交互作用顯著（P＜0.05）；干燥速率與解析溫度呈正相關(guān)，與物料厚度負(fù)相關(guān)，與前圖中觀察到的現(xiàn)象一致。

圖5 各因素交互作用對醋醅干燥速率影響的響應(yīng)面和等高線Fig.5 Response surface plots and contour lines of effects of interaction between each factor on drying rate of Cupei

2.3.4 各因素交互作用對醋醅總酸含量的影響

由圖6可知，總酸含量與升華溫度呈負(fù)相關(guān)，與解析溫度負(fù)相關(guān)，由于在干燥的最后階段，醋醅中的水分已然不多，而酸的揮發(fā)加劇，導(dǎo)致總酸含量的快速減少，表現(xiàn)為圖中解析干燥階段總酸含量的急劇降低；總酸含量與升華溫度呈負(fù)相關(guān)，與物料厚度正相關(guān)，這是由于物料厚度的增加加大了對傳質(zhì)的阻礙作用，本可能揮發(fā)的酸受到阻礙保留下來，而水分又在逐漸減少，呈現(xiàn)出來的現(xiàn)象就是總酸含量的上升；總酸含量與解析溫度負(fù)相關(guān)，與物料厚度正相關(guān)，與前圖觀察到的現(xiàn)象一致。

圖6 各因素交互作用對醋醅總酸含量影響的響應(yīng)面和等高線Fig.6 Response surface plots and contour lines of effects of interaction between each factor on total acid content of Cupei

2.3.5 驗證試驗

響應(yīng)面分析得，以干燥速率為響應(yīng)值時，得出最優(yōu)工藝條件：升華溫度31.87 ℃，解析溫度35.74 ℃，物料厚度2.71 cm，該條件下預(yù)測干燥速率為3.88%/h；以總酸含量為響應(yīng)值時，得到最佳工藝條件為升華溫度25.55 ℃，解析溫度29.76 ℃，物料厚度3.43 cm，該條件下預(yù)測總酸含量為8.92 g/100 g。為保證醋粉品質(zhì)，在保證酸含量前提下，干燥速率盡可能最大化，綜合優(yōu)化得到最佳工藝條件：升華溫度28.71 ℃，解析溫度32.75 ℃，物料厚度3.07 cm，在該條件下按照模型預(yù)測干燥速率3.69%/h，總酸含量8.69 g/100 g。考慮到實際操作，調(diào)整條件為升華溫度29 ℃，解析溫度33℃，物料厚度3 cm，在上述條件下試驗得到醋醅干燥速率為（3.67±0.11）%/h，總酸含量（8.71±0.23）g/100 g，試驗值與軟件預(yù)測的值相近，表明該模型能夠很好地預(yù)測凍干條件與干燥速率、總酸含量的關(guān)系，也證明利用響應(yīng)面法優(yōu)化該工藝條件的合理性。

2.4 降壓醋粉凍干曲線

圖7 醋醅干燥曲線Fig.7 Drying curve of Cupei

由圖7可知，起初加熱溫度維持在26～28 ℃，后半程加熱溫度在30～32 ℃；而物料溫度持續(xù)上升且上升速度越來越快，在607 min時物料溫度升至0 ℃，在800 min之后穩(wěn)定在36 ℃左右且略高于加熱板的溫度，維持一段時間后冷凍干燥基本結(jié)束，在整個凍干的過程中干燥倉內(nèi)的真空度保持在10 Pa。

3 結(jié)論

根據(jù)老陳醋制作方法發(fā)酵苦蕎面，醋酸發(fā)酵時加入沙棘果渣、杜仲葉和燕麥殼，熏醅完成后凍干、磨粉制得降壓醋粉。經(jīng)試驗確定其真空冷凍干燥最佳工藝條件：升華溫度29 ℃，解析溫度33 ℃，物料厚度3 cm。在該優(yōu)化冷凍干燥條件下進(jìn)行試驗得到干燥速率為3.67%/h，g干醅總酸含量8.71 g/100 g，增加了醋粉生產(chǎn)的理論經(jīng)驗，使得后續(xù)的批量生產(chǎn)和市場開拓有理可依。