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山楂复合果醋发酵工艺的研究



全 文 :95
山楂复合果醋发酵工艺的研究
宋 慧1,2,马利华1,2,陈学红1,2,栗亚男1,强阿娟1,苏 博1,张红雨1
(1.徐州工程学院食品(生物)工程学院,江苏徐州 221111;
2.江苏省食品资源开发与质量安全重点实验室,江苏徐州 221111)
摘 要:以山楂、红枣和枸杞为原料,采用响应面法优化复合果醋的发酵工艺条件,并研究山楂复合果醋发酵过程中复
合果醋中多糖、游离氨基酸、黄酮类物质、多酚物质含量的变化,以及对 OH·、DPPH·清除率的变化。结果表明,复合果
醋发酵的最佳工艺条件为:接种量 5.7%、初始酒精度 6.9%、发酵时间 6d、复合果醋的总酸度为 4.32g /100mL;山楂复合
果醋经发酵后,多糖含量、黄酮类物质含量变化不明显,游离氨基酸含量、多酚物质含量则明显上升,发酵后复合果醋
清除 OH·、DPPH·的能力增强。
关键词:复合果醋,发酵,营养物质,抗氧化性
Research of fermentation conditions of
compound hawthorn fruit vinegar
SONG Hui1,2,MA Li-hua1,2,CHEN Xue-hong1,2,LI Ya-nan1,QIANG A-juan1,SU Bo1,ZHANG Hong-yu1
(1.College of Food Engineering,Xuzhou Institute of Technology,Xuzhou 221111,China;
2.Jiangsu Key Laboratory of Exploitation of Food Resources and Food Quality Safty,Xuzhou 221111,China)
Abstract:The fermentation conditions of compound fruit vinegar were optimizationed by response surface from
hawthorn、red jujube and medlar,the changs of contents of amylose、FAA、flavonoid、polyphenols and clearence of
OH·、DPPH·were studied in fermentation process of compound fruit vinegar.The results showed that the optimum
fermentation conditions of compound fruit vinegar were 5.7% inoculum concentration,6.9% incipient alcoholic
strength,6d fermentation time,the totel acidity of compound fruit vinegar was 4.32mg /100mL:the changes of
contents of amylose and flavonoid were not markedness,the changes of contents of FAA,polyphenols and
clearence of OH·,DPPH·were markedly increased.The clearences of OH·and DPPH·of compound fruit vinegar
were increased after fermented.
Key words:compound fruit vinegar;fermentation;nutrientsubstance;anti-oxidative activity
中图分类号:TS255.1 文献标识码:A 文 章 编 号:1002-0306(2014)23-0095-06
doi:10. 13386 / j. issn1002 - 0306. 2014. 23. 010
收稿日期:2014-03-20
作者简介:宋慧(1960-),女,本科,教授,研究方向:食品加工与机械。
基金项目:江苏省科技计划项目 BC2010407。
山楂果实中富含蛋白质、糖类、矿物质以及较多
的黄酮类、三帖类等生理活性成分,具有较高的抗氧
化性、降血脂、抗癌、助消化、抗菌等保健作用[1]。红
枣被誉为“上等补品”,性温味甘,红枣多糖、环磷酸
腺苷、皂甙类等生物活性成分对抑制肿瘤,保护肝
脾,提高免疫力有显著作用[2]。枸杞含有丰富的枸杞
多糖、β-胡萝卜素、维生素 E、硒及黄酮类等抗氧化
物质,有较好的抗氧化作用和保健功能[3]。
果醋就是以水果或果品加工下脚料为主要原
料,经酒精发酵和醋酸发酵后酿制而成的一种营养
丰富、风味独特的饮料,内含多种有机酸、人体必需
氨基酸以及各种碳水化合物、维生素、无机盐、微量
元素,能有效维持人体酸碱平衡、清楚体内垃圾、调
节体内代谢、促进血液循环[4-5]。
本实验主要研究山楂与红枣、枸杞等药食同源
的材料复配,发酵制备果醋,并研究发酵过程中营养
物质含量的变化,以及对羟自由基、DPPH·的清除效
果的变化,为提高山楂、红枣的资源利用率,增加其
附加值,促进农业经济的发展提供理论支持。
1 材料与方法
1.1 材料与仪器
新鲜山楂、红枣、枸杞 购于徐州莲花超市;白
砂糖、柠檬酸钠 均为食品级;果胶酶 上海源叶生
物科技有限公司;果酒专用干酵母 安琪酵母股份
有限公司;醋酸菌 鹤壁市百惠生物科技有限公司;
丙酮、水杨酸、过氧化氢、没食子酸、三氯化铁、铁氰
化钾、硫酸亚铁、邻苯三酚 分析纯;芦丁 中国医
药上海化学试剂公司;DPPH 生化试剂。
AIGMA手提式压力蒸汽灭菌器 上海医用核子
仪器厂;DNP-9162 型电热恒温培养箱 上海精宏实
验设备有限公司;WYT-32 型手持糖度仪 上海精
密科学仪器有限公司;723C 可见分光光度计 上海
96
欣茂仪器有限公司;PHS-3C 型 pH 计 上海盛磁仪
器有限公司;DL-5 型低速大容量离心机 常州国华
电器有限公司
1.2 实验方法
1.2.1 工艺流程 山楂汁、红枣汁、枸杞汁的制备→复配
→成分调整→酒精发酵→醋酸发酵→过滤→调配→包装灭菌
→成品醋。
1.2.2 操作要点 山楂汁的制备:选择充分成熟、色
彩鲜艳的优质山楂做原料,清水冲洗、浸泡、沥干、切
半、去籽,按照 1 ∶1(w /w)的料液比,90℃预煮 20 ~
25min,加入 4 倍质量的水打浆,加 0.4%的果胶酶,
45℃条件下酶解 3h后离心过滤,取上清液备用。
红枣汁的制备:将洗干净的红枣烤箱中烘烤
10~15min后去皮,以 1 ∶4 的料液比破碎打浆,经 140
目筛过滤得红枣汁备用。
枸杞汁的制备:枸杞清洗,40 ~ 50℃浸泡 20 ~
30min,以 1∶3 比例加水破碎打浆、过滤,枸杞汁备用。
菌种活化酵母菌种子培养:3g 安琪酵母用含
6%的蔗糖溶液 100mL活化 30min;醋酸菌种子培养:
将冻藏醋酸菌种子接种到含 25mL 种子培养基
250mL锥形瓶中,32℃、160r /min活化 18h。
酒精发酵:复合果汁(山楂汁∶红枣汁 ∶枸杞汁 =
1∶1∶1)糖度调整为 18%,灭菌,接入 0.6%的酵母菌,
28℃酒精发酵 6d,酒精度为 8.9% vol。
醋酸发酵:将过滤后果酒调整合适酒精度,接入
醋酸菌,发酵,以醋酸含量不再上升为发酵终点。
调配:取 30%复合果醋,加入适量果葡糖浆、蜂
蜜和复合果汁,根据感官评分调整酸度和糖度。
1.2.3 果醋发酵工艺条件的单因素确定 在 pH4.5、
装液量 150mL /250mL,30℃、120r /min 的振荡培养发
酵。考察接种量分别 2%、4%、6%、8%、10%,固定
初始酒精度 6.9% vol、发酵时间 6d;初始酒精度分别
为 6%、7%、8%、9%、10% vol,固定接种量 6%、发酵
时间 6d;发酵时间分别为 3、4、5、6、7、8d,固定接种量
6%、初始酒精度 7% vol。每天记录其总酸度的变化,
确定合适的发酵条件范围,以便进一步优化发酵的
工艺参数。
1.2.4 果醋发酵条件优化 根据 Box-Behnken 实验
设计原理,在单因素实验的基础上,采用 3 因素 3 水
平的响应曲面分析方法。
表 1 因素水平表
Table 1 The design table of factors and levels
因素
水平
- 1 0 1
x1 接种量(%) 5 6 7
x2 初始酒精度(%vol) 6 7 8
x3 发酵时间(d) 5 6 7
1.2.5 果醋品质测定 酒精度的测定:重铬酸钾比
色法[7];总酸度测定:酸碱滴定法,以醋酸计[8];微生
物检测:采用 GB47893-2010 稀释平板计数法。
1.2.6 多糖的测定 采用硫酸-蒽酮法[9]。
1.2.7 游离氨基酸的测定 采用茚三酮法[10]。
1.2.8 黄酮类物质含量的测定 以芦丁为标
准品[11]。
1.2.9 多酚类物质含量的测定 采用普鲁士蓝法[12]
1.2.10 羟基自由基清除作用分析 采用邻菲罗啉
法[12],在 25mL 容量瓶中依次加入 9mmol /L 硫酸亚
铁,9mmol /L水杨酸各 2mL 及不同体积的果醋发酵
液及参照液,最后加入 2mL 8.8mmol /L 过氧化氢启
动反应,定容,静置 10min后于 510nm 波长下测定吸
光度。清除率计算公式:其中,A0:空白吸光度;Ai:样
品吸光度。
P(%)=
A0-Ai
A0
× 100
1.2.11 1,1-二苯基-2-苦苯脐自由基(DPPH·)的
清除作用分析 称取 0.0128g DPPH加水溶解于小烧
杯中,移至 50mlL容量瓶,定容,摇匀。取 DPPH母液
5mL,加入样品及参照液,定容 10mL,20℃ 水浴
30min,于 517nm波长下测定吸光度[13]。
SA(%)=(1-
Ai-Aj
A0
)× 100
其中:A0:DPPH + 80%乙醇溶液;Ai:DPPH + 样
品溶液;Aj:样品溶液 + 80%乙醇溶液。
1.2.12 数据处理 所有实验数据均用 Origin
(V8.5.1)数据分析软件处理。
2 结果与讨论
2.1 单因素实验
2.1.1 接种量对果醋总酸含量的影响 取 100mL 酒
精度为 6% vol 的果酒,分别接种醋酸菌量为 2%、
4%、6%、8%、10%,在 30℃下摇床发酵 5d,测定果醋
中的总酸,结果如图 1 所示,随着接种量的升高,果
醋中的总酸含量增大。当醋酸菌接种量为 6%时,总
酸含量最高。这是由于在营养物质一定的发酵液
中,接种量过大时,发酵液内醋酸菌含量较大,其消
耗的营养也越多,用于生成醋酸的底物较少,从而使
得产酸量也相对较低[1]。最佳接种量为 6%。
图 1 接种量对果醋酸度的影响
Fig.1 Influence of inoculum concentration to
acidity of compound hawthorn fruit vinegar
2.1.2 发酵时间对果醋总酸含量的影响 取 100mL
酒精度为 6% vol 的果酒,接种醋酸菌量为 6%,在
30℃下摇床发酵,定时测定果醋中的总酸,结果如图
2 所示,发酵初期,总酸含量增加较快。当发酵时间
为 6d时,总酸含量达到最大值。这是由于醋酸菌在
繁殖初期数量少,之后大量繁殖,代谢产物乙酸迅速
速度快;发酵后期,乙醇剩余量较少,菌种产酸与乙
97
酸的挥发形成平衡,发酵液的总酸度达到最大值[1]。
发酵时间选为 6d。
图 2 发酵时间对果醋酸度的影响
Fig.2 Influence of fermentation time to
acidity of compound hawthorn fruit vinegar
表 3 响应曲面二次回归方程模型方差分析结果
Table 3 ANOVA results of quadratic regression model for response surface
变异来源 平方和 自由度 均方 F值 p 显著性
模型 0.540 9 0.060 6.36 0.0108 *
x1 0.064 1 0.064 6.81 0.0233 *
x2 0.010 1 0.019 2.01 0.2496
x3 0.100 1 0.081 8.57 0.0096 **
x1 x2 2.403 × 10 -4 1 2.403 × 10 -4 0.03 0.8512
x2 x3 0.056 1 0.056 6.00 0.0292 *
x1 x3 0.015 1 5.329 × 10 -3 0.57 0.1778
x1
2 0.110 1 0.096 10.19 0.0081 **
x2
2 0.130 1 0.15 15.44 0.0061 **
x3
2 0.100 1 0.12 12.69 0.0094 **
残差 0.031 5 9.047 × 10 -3
失拟项 0.025 3 0.014 4.85 0.2636 不显著
误差项 5.681 × 10 -3 2 2.840 × 10 -3
总和 0.590 14
R2 = 0.9465 R2Adj = 0.8503 S /N = 10.334
注:**表示极显著,即 0.01 水平显著;* 表示显著,即 0.05 水平显著。
2.1.3 初始酒精度对果醋总酸含量的影响 分别取
100mL果酒,将其酒精度调整为 6%、7%、8%、9%、
10% vol,接种醋酸菌量为 6%,在 30℃下摇床发酵
6d,测定果醋中的总酸,结果如图 3 所示,随着初始
酒精度的提高,发酵后总酸含量增高。当果酒的酒
精度为 7%时总酸含量最高。果酒酒精度继续升高,
对醋酸菌的发酵有一定的抑制作用,果醋中的总酸
度逐渐降低,故醋酸发酵时将果酒的酒精度调整为
7% vol。
2.2 Box-Behnken实验设计优化结果与数据分析
2.2.1 模型的建立与显著性检验 在单因素实验基
础上,选取接种量、发酵时间和初始酒精度进行
Box-Behnken实验设计,结果见表 2。
利用 Design expert V7.0.0 统计软件对表 2 实验
数据进行回归拟合,得到总酸对接种量、发酵时间和
初始酒精度 3 个因素的二次多项回归模型为:
总酸(g /100mL)= -9.567 + 0.055x1 + 2.486x2 +
1.647x3 + 3.875 × 10
-3 x1 x2 + 0.059x1x3 + 0.037x2x3 -
0.040x1
2-0.198x2
2-0.180x3
2
图 3 初始酒精度对果醋酸度影响
Fig.3 Influence of incipient alcoholic strength
to acidity of compound hawthorn fruit vinegar
表 2 Box-Behnken实验设计方案与结果
Table 2 Results of Box-Behnken experiment design
实验号 x1 x2 x3 酸度(g /100mL)
1 - 1 0 - 1 4.296
2 + 1 0 - 1 3.774
3 - 1 0 + 1 3.946
4 + 1 0 + 1 3.852
5 - 1 - 1 0 3.636
6 + 1 - 1 0 4.042
7 - 1 + 1 0 4.195
8 + 1 + 1 0 3.985
9 0 - 1 - 1 4.216
10 0 - 1 + 1 4.006
11 0 + 1 - 1 3.822
12 0 + 1 + 1 3.936
13 0 0 0 4.006
14 0 0 0 3.963
15 0 0 0 3.546
对该模型进行方差分析,结果如表 3 所示,该模
型具有显著性(p < 0.05)。模型的失拟项不显著
98
(p > 0.05),信噪比(S /N = 10.334)大于 4,可知回归
方程拟合度和可信度均很高,实验误差较小。由表 3
中 R2 = 0.9465,说明因变量与所考察自变量之间的线
性关系显著。故可用此模型对山楂红枣枸杞复合果
醋发酵工艺结果进行分析和预测。在总的作用因素
中 x1、x2x3 影响显著,x3、x1
2、x2
2、x3
2 均极显著,x2、x1x2、
x1x2 均不显著。
2.2.2 响应面分析与优化 根据回归方程,作响应
面图,考察所拟合的响应面的形状,分析接种量、初
始酒精度和发酵时间对总酸含量的影响,其响应面
如图 4~图 6 所示。随着每个单因素的增大,响应值
增大,但是当响应值达到一定程度后,响应值反而随
着单因素的增大而减少。比较图 4~图 6 并结合表 3
中 p可知:模型的一次项 x3(p < 0.01)极显著、x1(0.01
< p < 0.05)显著;交互项 x2 x3(0.01 < p < 0.05)显著;
二次项 x1
2(p < 0.01)、x2
2(p < 0.01)和 x3
2(p < 0.01)都
极显著,表明各影响因素对柏子仁油得率的影响不
是简单的线性关系。
图 4 初始酒精度与酸度交互作用
Fig.4 Interaction of incipient alcoholic strength and acidity
图 5 发酵时间与酸度交互作用
Fig.5 Interaction of fermentation time and acidity
图 6 发酵时间与初始酒精度交互作用
Fig.6 Interaction of fermentation time
and incipient alcoholic strength
2.2.3 最佳发酵工艺参数和验证实验 对上述回归
方程求解,优化后的最佳工艺参数为:接种量
5.66%,初始酒精度 6.94% vol,发酵时间 6.27d,在此
工艺条件下果醋酸度可达 4.26g /100mL。选择优化
后条件为:接种量 5.7%、初始酒精度 6.9% vol、发酵
时间 6d。在此条件下进行发酵实验,3 次平行实验
的酸度平均为 4.32g /100mL。与理论预测值相对误
差约为 0.01%,因此采用响应面分析方法优化得到
的工艺参数较可靠,具有实用价值。
2.3 发酵过程中复合果醋中多糖含量、游离氨基酸
含量的变化
将复合果汁糖度调整为 18%,灭菌,接入 0.6%
的酵母菌,28℃ 酒精发酵 6d,调整初始酒精度为
6.9% vol、接入醋酸菌 5.7%、发酵 6d,观察复合果醋
中多糖含量、游离氨基酸含量的变化。用葡萄糖作
标准曲线(计算多糖含量时乘以校正系数 0.9)。多
糖标准曲线测定,得到回归方程为:A = 0.0127C +
0.0023,R2 = 0.999;游离氨基酸标准曲线测定,得到回
归方程为:y = 0.072x + 0.0002,R2 = 0.9969。
生物转化或合成作用是将食品中没有的营养素
产生出来或将原来含量少的提高;如果食品中原有
及添加成分的吸收率或利用率较低,则将其转变成
人体吸收率或利用率高的形式;将降低对人体健康
有潜在危害的成分[4]。
图 7 表明:发酵过程中多糖含量总体变化不明
显(p = 0.075 > 0.05)。乳酸发酵初期,多糖含量有所
下降,这是由于在乳酸菌发酵的初期,乳酸菌处于大
量繁殖的阶段,需要消耗部分糖类物质作为自身代
谢的碳源。但随着发酵地进行,多糖的减少趋缓。
发酵前溶液中多糖的含量为 29.05mg /mL,发酵后果
醋中多糖的含量 27.91mg /mL,只比发酵前多糖含量
降低了 3.92%。因此,经发酵后,复合果醋中的多糖
大部分保留下来,复合果醋具有降血糖、血脂等保健
功效。
图 7 复合果醋发酵过程中多糖、游离氨基酸的变化
Fig.7 The changs of contents of amylose、
FAA in fermentation process of compound fruit vinegar
随着发酵的进行,游离氨基酸的总量逐渐增加,
主要是由于随着乳酸菌及醋酸菌总数的增加,微生
物的代谢产物以及原料中部分蛋白质水解逐渐增加
所致,说明蛋白质结构复杂、分子量较大的蛋白质在
菌酶的作用下,部分降解为小分子肽和游离氨基酸,
有利于胃肠消化吸收。发酵前溶液中游离氨基酸的
99
含量为 28.69μg /mL,当发酵后,复合果醋中游离氨基
酸含量达到 44.79μg /mL,比发酵前游离氨基酸含量
提高了 35.95%。因此,微生物能分解食物中的蛋白
质、糖类、合成维生素等能力,能显著提高食物消化
率和生物价,促进消化吸收,大大提高食品的营养
价值。
2.4 发酵过程中复合果醋中黄酮类物质含量、多酚
类物质含量的变化
将复合果汁糖度调整为 18%,灭菌,接入 0.6%
的酵母菌,28℃ 酒精发酵 6d,调整初始酒精度为
6.9% vol、接入醋酸菌 5.7%、发酵 6d,观察复合果醋
中黄酮类物质含量、多酚物质含量的变化。黄酮类
物质标准曲线测定,得到回归方程为:y = 10.277x +
0.0019,R2 = 0.9991;多酚类物质标准曲线测定,以没
食子酸为对照品,得到回归方程为:y = 0.4068x +
0.0147,R2 = 0.9991。
图 8 表明:果醋发酵过程中黄酮类含量略有上
升,发酵前溶液中黄酮类物质的含量为 1.957μg /mL,
当发酵后,复合果醋中黄酮类物质含量 1.994μg /mL,
比发酵前仅提高了 1.89%。
图 8 复合果醋发酵过程中黄酮类、多酚类物质含量的变化
Fig.8 The changs of contents of flavonoid、polyphenols
in fermentation process of compound fruit vinegar
随着发酵时间的延长,复合果醋中多酚类物质
含量的含量逐渐增加,发酵前溶液中多酚类物质的
含量为 1.386g /mL,发酵后,复合果醋中多酚类物质
含量 1.756μg /mL,比发酵前提高了 26.70%。
这可能是由于:通过果醋发酵后,产生了各种糖
苷水解酶有关。复合果醋的原料山楂、红枣、枸杞中
存在着较多的多酚类物质,这些多酚类物质多是酚
羟基与葡萄糖缩合而成,如黄酮类物质芦丁就是由
槲皮素 C3 位上的羟基和芸香糖结合而形成的双糖
苷,当糖苷水解酶将这些糖苷键上的葡萄糖水解掉
后,就会使酚羟基释放了出来,酚羟基的数目大幅度
提高,获得了更多的活泼氢,从而提供了更多的活性
部位,抗氧化性得到了提高[13],从本实验后期实验可
以得到验证。
2.5 发酵过程中复合果醋羟自由基清除能力的变化
将复合果汁糖度调整为 18%,灭菌,接入 0.6%
的酵母菌,28℃ 酒精发酵 6d,调整初始酒精度为
6.9% vol、接入醋酸菌 5.7%、发酵 6d,观察复合果醋
清除羟基自由基能力、清除 DPPH 自由基能力的
变化。
图 9 表明:经发酵后的复合果醋对羟自由基的
清除能力有明显的增强作用,随着发酵时间的延长,
清除能力也在呈上升趋势。发酵前对羟自由基的清
除率为 45.39%,发酵后对羟自由基的清除率达到
80.75%,比发酵前提高了 43.79%。
图 9 复合果醋发酵过程中清除 OH·、DPPH·的变化
Fig.9 The changs of contents of clearence of OH·、DPPH·
in fermentation process of compound fruit vinegar
经发酵后的复合果醋对 DPPH·的清除能力有明
显的增强,随着发酵时间的延长,清除能力也在呈上
升趋势,发酵前对 DPPH·的清除率为60.21%;发酵后
对 DPPH·的清除率达到83.33%,发酵后对 DPPH·的
清除率比发酵前提高了27.75%。
3 结论
复合果醋发酵的最佳工艺条件为:接种量
5.7%、初始酒精度 6.9%、发酵时间 6d、复合果醋的总
酸度为 4.32g /100mL;复合果醋的质量指标:感官指
标:色泽呈亮红色;酸味柔和,具有山楂特有的香味
和淡淡的红枣香味。理化指标:总酸(以醋酸计)≥
4g /100mL,总糖含量 < 1g /100mL。微生物指标:大肠
菌群≤3 个 /100mL,致病菌(肠道菌)未检出。
山楂复合果醋经发酵后,多糖含量、黄酮类物质
含量变化不大,游离氨基酸含量、多酚物质含量明显
上升,发酵后复合果醋清除羟基自由基、DPPH·自由
基的能力增强。山楂、红枣、枸杞复合果醋是一种营
养保健型的复合果醋,具有较好的市场空间。
参考文献
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(下转第 106 页)
106
Y(感官评价总得分)= -8.842 + 2.049X(可溶性
固形物)
回归方程显著性水平 Sig. = 0.006 < 0.05,方程是
显著的。
以上回归方程表明,果汁感官评价与总糖、总
酸、糖酸比、可溶性固形物有密切关系,其中可溶性
固形物是影响果汁感官评价的重要因素,即可溶性
固形物越高,感官评价得分最高。
3 结论
3.1 分布在湖南的杂柑品种果实在外观品质、营养
品质和感官品质均有所不同,杂柑品种间差异显著。
3.2 可溶性固形物含量在杂柑品种选育中是个关键
指标,因其与果实的外观品质果实厚度、出汁率呈显
著负相关,与感官评价呈显著正相关和显著线性回
归。在杂柑果实品质评价时可以以可溶性固形物含
量做个初筛确定品质的优劣。
3.3 杂柑品种栽培选优中主要考虑的外观品质为果
皮厚度,这直接影响到出汁率和可溶性固形物,营养
品质主要是可溶性固形物,感官评价时主要考虑也
是可溶性固形物,这 2 个主要影响因子在实际应用
中也较容易实施,可以建立品种与果皮厚度、可溶性
固形物的数据库,为日后品种选育提供更直接的
参考。
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