基于模糊數學分析下的香蕉果醋工藝改進研究

張世龍，李少覲

(1.川北幼兒師范高等專科學校，四川 廣元 628017；2.新鄉學院 藥學院，河南 新鄉 453003)

我國香蕉主要分布于云南南部、臺灣、海南、廣東南部、廣西南部和福建南部。香蕉的栽培品種較多，印度有專門制作果醬和果汁的香蕉品種，泰國有專門用于生產淀粉和作為主食的品種，東非地區有用于釀酒的香蕉品種，香蕉在一些國家和地區還具有代替糧食的作用[1-2]。

香蕉的營養價值豐富，在亞熱帶和熱帶水果中占有重要的地位，根據中國科學院對香蕉成分的測定，結果表明香蕉中富含糖類、脂質、蛋白質和粗纖維，礦物質元素有鉀、鎂和銅，維生素有A，B，C和E。香蕉的能量高，每100 g香蕉果肉中含有20 g碳水化合物、1.2 g蛋白質和0.6 g脂肪。中醫認為，香蕉味甘，具有清熱解毒、清肺潤腸、降血壓和利尿等多重生物藥用功能，是一種食藥兼備的水果[3]。

果醋是一種以水果或者其他加工品的下角料作為原料，通過酒精發酵和醋酸發酵獲得的一種營養豐富且風味優良的調味品，它同時具備醋和水果的功效。隨著社會的發展和人們生活水平的提高，果醋在市場上備受關注，表面發酵、固體發酵和液體深層發酵等發酵工藝在食醋發酵方面的應用也越來越成熟[4]。

本試驗采用植物乳酸桿菌和醋酸桿菌對香蕉果醋進行共同發酵，通過使用模糊數學矩陣方法進行分析，分別建立果醋發酵過程中的醋酸發酵與初始酒精度、接種量、發酵溫度、pH值和發酵方式的關系，并最終選取3個影響最為明顯的因素進行正交試驗，分析并獲得香蕉果醋制作的最佳工藝流程[5-6]。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

醋酸菌、植物乳酸桿菌、氫氧化鈉、碘化鉀、淀粉、牛肉膏、蛋白胨、酵母浸膏、葡萄糖、磷酸二氫鉀、乙酸鈉、硫酸鎂、硫酸錳、吐溫、檸檬酸氫二銨、碳酸鈉、抗壞血酸、酚酞和重鉻酸鉀。

1.2 試驗方法

1.2.1 香蕉果醋發酵工藝流程

香蕉→去皮→榨汁、護色→酶解→成分調整→殺菌→酒精發酵→醋酸發酵→過濾→陳釀→澄清→殺菌→質量檢測→成品。

將香蕉清洗干凈，使用果汁機榨取果實汁液，獲得香蕉汁，加入0.2%的抗壞血酸對香蕉進行護色，放置在低溫環境中儲存待用；將香蕉果汁按照試驗的要求裝入三角瓶中，每瓶中加入3.0%的偏重亞硫酸鉀，8 h后添加0.3%的果膠酶，充分搖勻，封口24 h；取1 g的酵母菌放入4%的葡萄糖溶液中，在35 ℃的恒溫箱中進行菌種的活化，當溶液中出現大量的氣泡時，放入4 ℃冰箱中備用；在香蕉果汁中加入已經活化好的酵母菌，搖勻，在32 ℃的溫度下進行酒精發酵。將醋酸菌種接種于酒精發酵液中，搖勻，當果醋中的酸度不再增加時，終止醋酸發酵，過濾發酵液，制成香蕉果醋成品，密封保存[7]。

1.2.2 醋酸發酵單因素試驗

影響香蕉果醋醋酸發酵的工藝眾多，本試驗主要研究醋酸發酵過程與初始酒精度(4%、6%、8%、10%)、接種量(4%、6%、8%、10%、12%、14%)、發酵溫度(26，28，30，32，34 ℃)、pH值(3.0，3.5，4.0，4.5)和發酵方式5個因素對香蕉果醋中總酸含量的影響。

總酸的測定：酸堿滴定法[8-9]。

1.2.3 醋酸發酵工藝優化正交試驗

在醋酸發酵單因素的基礎上，以發酵液中的酸度作為評價指標，將初始酒精度、接種量和發酵溫度作為考察因素進行正交優化試驗，確定最佳的香蕉果醋發酵條件。模糊數學正交試驗因素水平見表1。

表1 模糊數學正交試驗因素水平Table 1 The factors and levels of fuzzy mathematics orthogonal test

1.2.4 感官評分標準

根據香蕉果醋的形態、顏色和風味3個方面進行評分[10]。將香蕉果醋的成品分別交給10名有經驗的品評人員進行打分，最后進行計算，評分的標準見表2。

表2 香蕉果醋感官評分標準Table 2 The sensory scoring standards of banana fruit vinegar

2 結果與分析

2.1 初始酒精度對醋酸發酵的影響

酒精度是影響醋酸發酵的重要因素，是醋酸發酵的主要營養物質，對醋酸發酵的產酸量有著直接的影響，酒精度的升高能夠增強醋酸菌發酵，產生更多的酸量。但是如果酒精濃度過高，則會抑制醋酸菌的生長，導致產酸量下降。本研究對初始酒精量(4%、6%、8%、10%)的添加進行了發酵研究。

由圖1可知，隨著酒精濃度的增加，發酵液中的總酸含量先增加后降低；當發酵時間小于3 d時，10%初始酒精濃度的發酵液中，總酸含量一直保持不變，原因可能是開始時酒精濃度過大，抑制了醋酸菌的發酵。當發酵時間超過4 d時，4%的酒精濃度不足以滿足醋酸菌的發酵，發酵液中的總酸含量開始降低，因此選取適宜的初始酒精度是香蕉果醋生產達標的關鍵因素。本試驗選取4%～8%的初始酒精濃度作為香蕉果醋制作的最佳區間。

圖1 初始酒精度對醋酸發酵的影響Fig.1 The effect of initial alcohol content on acetic acid fermentation

2.2 接種量對醋酸發酵的影響

接種量的多少直接影響醋酸發酵的周期，隨著醋酸菌接種量的增加，醋酸發酵的時間也會縮短。但是如果接種量過大，醋酸菌大量地繁殖，消耗發酵液中的營養物質，產生大量的代謝廢物，醋酸菌提前發生老化和自溶，從而影響醋酸發酵。本研究通過對比不同的醋酸菌接種量(4%、6%、8%、10%、12%、14%)對醋酸發酵的影響，每間隔1 d測定一次醋酸發酵液中總酸的含量，每次測定取5次，算出平均值。

由圖2可知，當醋酸菌的接種量為4%～6%時，隨著接種量的增加，發酵液中總酸含量也不斷增加；當接種量超過6%時，發酵液中的總酸含量越來越低。這是因為當發酵液中的營養物質一定時，醋酸菌種越多，消耗的營養物質就越多，造成產物轉化減少，發酵液中的總酸含量也減少，本試驗選取醋酸接種量4%～8%為最佳的區間。

圖2 醋酸菌接種量對醋酸發酵的影響Fig.2 The effect of acetic acid bacteria inoculation amount on acetic acid fermentation

2.3 發酵溫度對醋酸發酵的影響

醋酸菌在發酵液中進行發酵，在一定的溫度范圍內，隨著溫度的升高，菌種的代謝能力增強，產酸量也不斷地增加；當發酵溫度過高時，醋酸菌的生長受到抑制，導致醋酸產酸量下降。本試驗根據研究報道醋酸發酵的溫度范圍，設置發酵溫度為26，28，30，32，34 ℃進行試驗。

由圖3可知，當溫度小于30 ℃時，發酵液中的總酸含量隨著溫度的升高而增高；當溫度超過30 ℃時，隨著溫度的升高，發酵液中的總酸含量反而降低；當溫度為30 ℃時，醋酸發酵結束后，發酵液中總酸的含量最高。發酵溫度直接影響醋酸菌的生長發育，過高或者過低的溫度都會影響醋酸菌的生長，本試驗將28～30 ℃作為香蕉果醋發酵的最佳溫度區間。

圖3 發酵溫度對醋酸發酵的影響Fig.3 The effect of fermentation temperature on acetic acid fermentation

2.4 pH值對醋酸發酵的影響

發酵液的pH值能影響醋酸菌的活性，當發酵液中的pH值過高或者過低時，微生物的生長都會受到抑制。此外，pH值也能影響發酵液中營養物質的積累和醋酸菌代謝物質的穩定性，從而致使醋酸菌產酸能力下降。

由圖4可知，當發酵液的pH值由3.0升至3.5時，發酵液中的總酸含量也隨著pH的增加而不斷增加；當pH值高于3.5時，發酵液中的總酸量隨著pH的升高而不斷下降。當pH為3.5時，發酵液中總酸量達到最高。試驗表明過高或者過低的pH均會影響醋酸發酵，抑制醋酸菌的生長。

圖4 pH值對醋酸發酵的影響Fig.4 The effect of pH value on acetic acid fermentation

2.5 發酵方式對醋酸發酵的影響

醋酸菌是一種好氧真菌，在醋酸發酵的過程中，發酵液體中氧氣含量的多少決定了醋酸發酵的程度。要使醋酸發酵徹底，則需要保證充足的氧氣量。相關研究表明，通過使用打氣和振蕩的方式都能夠提高醋酸發酵的效率。本研究通過對比振蕩和靜止兩種方式對醋酸發酵的影響，從而選取最適合醋酸發酵的方式。

由圖5可知，發酵時間在4 d以前，靜置培養產生的總酸量高于振蕩培養；發酵時間大于4 d時，發酵液中的總酸含量增長緩慢，遠遠低于振蕩發酵。由于振蕩培養能夠為醋酸的生長發育提供足夠的氧氣，有利于發酵液中總酸的積累，因此本試驗選擇振蕩發酵作為香蕉果醋發酵的最佳方式。

圖5 不同的發酵方式對醋酸發酵的影響Fig.5 The effect of different fermentation methods on acetic acid fermentation

3 模糊感官評價及正交試驗分析

通過對香蕉果醋醋酸發酵單一影響因素進行分析，可以得出單一影響因素結果。采用正交試驗對香蕉果醋醋酸發酵工藝進行改進。香蕉果醋的感官評價結果見表3。

表3 香蕉果醋感官評價結果Table 3 The sensory evaluation results of banana fruit vinegar

根據正交試驗結果按照3種不同的影響因素進行權重系數計算，獲得9組模糊矩陣。9組模糊矩陣見表4。

表4 利用模糊數學獲得的9組模糊矩陣Table 4 Nine groups of fuzzy matrices obtained by fuzzy mathematics

根據模糊數學原理和感官評價的方法，對9組正交試驗進行計算，得出綜合評價得分分別為A1=(80+80)×0.3+75×0.4=78，A2=(85+70)×0.3+70×0.4=74.5，A3=(85+70)×0.3+80×0.4=78.5，A4=(80+90)×0.3+80×0.4=83，A5=(90+80)×0.3+85×0.4=85，A6=(70+70)×0.3+70×0.4=70，A7=(85+90)×0.3+85×0.4=86.5，A8=(65+68)×0.3+65×0.4=65.9和A9=(90+85)×0.3+80×0.4=83，從9組香蕉果醋品質的感官評分中得出，第4組、第5組、第7組和第9組的得分均超過80分，其中第7組的得分最高，所以在進行香蕉果醋發酵過程中的醋酸發酵時，采用酒精度8%、醋酸菌接種量4%和發酵溫度32 ℃的加工工藝，香蕉果醋的感官評價最高。

4 結論

利用單因素優化分析對香蕉果醋的品質進行單一因素確定，并通過模糊數學矩陣對香蕉果醋的品質進行感官綜合評分，結合正交試驗分析，確定香蕉果醋生產工藝的最佳組合方式，為香蕉的新型產品香蕉果醋的生產工藝改進提供了理論基礎。