全 文 :两段法发酵雪莲果果醋饮料的研究
罗荣华,张茜,黄晓宾,黄彪,李媛媛,李本峰,唐湘华*
(云南师范大学 生命科学学院,昆明 650092)
摘要:以雪莲果为主要原料在20L发酵罐中进行液态发酵,通过酒精发酵和醋酸发酵两个阶段过程进
行单因素试验和正交试验。实验表明,在酒精生成阶段,当糖含量为16g/dL,接种量8%,发酵温度
31℃,发酵时间120h时产生的酒精浓度最高。醋酸生产优化工艺为:酒精度为10%,醋酸杆菌种龄为
54h,接种量为5%,发酵时间120h时,醋酸产量最高。
关键词:雪莲果;果醋;酒精发酵;醋酸发酵
中图分类号:TS264.22 文献标识码:B 文章编号:1000-9973(2011)08-0070-05
Study on Two-stage fermentation of yacon fruit vinegar
LUO Rong-hua,ZHANG Qian,HUANG Xiao-bin,HUANG Biao,
LI Yuan-yuan,LI Ben-feng,TANG Xiang-hua*
(School of Life Science,Yunnan Normal University,Kunming 650092,China)
Abstract:In this paper,using yacon as a major producer,s material,yacon fruit vinegar was producted
by Two-stage fermentation between alcoholic ferment and acetic acid ferment.The of a single factor
and orthogonal test results showed that glucose content was the most important factor to alcoholic fer-
ment,The optimum conditions of alcoholic ferment were the content of glucose16g/dL,8%of inocu-
lation,Fermentation temperature 31℃,120hfermentation time when the highest concentration of al-
cohol produced.Optimize the process for the production of acetic acid:10%alcohol,acetic acid bacte-
ria species age of 54h,5%of inoculum,fermentation time 120h.
Key words:Yacon;fruit vinegar;alcoholic ferment;acetic acid ferment
果醋是以水果或果品加工下脚料为主要原料,利
用现代生物技术酿制而成的一种营养丰富、风味优良
的酸性调味品,它兼有水果和食醋的营养保健功能,是
集营养、保健、食疗等功能为一体的新型饮品。随着人
们生活水平的逐步提高,对食品的需求已从温饱型向
营养型和保健型转变,不再满足食醋的调酸、防腐杀
菌、增进食欲等传统、简单的功能,而是更注重其防衰
老、防止“文明病”、防癌等功效。所以,果醋作为一种
具有良好风味的保健醋而倍受消费者欢迎[1-3]。
雪莲果(俗名:Yacon学名:Smallanthus Sonchi-
folius),又称雪莲薯、菊薯、亚龙果、亚贡等,植物学分
类上属菊科向日葵属双子叶多年生草本植物[4]。雪莲
果的主要化学成分为酚酸类、类黄酮、萜类、挥发油、果
糖寡聚体等化合物及多种微量元素,具有降血糖,降血
脂,抑菌等药理活性,是具有开发价值的药用植物[5]。
新鲜雪莲果的块茎中含有干基的45%~65%的低聚
收稿日期:2011-03-26 *通讯作者
基金项目:2010年“云南省大学生创新性实验计划项目———醋酸杆菌发酵雪莲果生产果醋饮料的研究”(cx01)
作者简介:罗荣华(1987-),男,云南楚雄武定人,在读本科,生物技术专业;
唐湘华,讲师,生物工程专业。
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工艺技术 2011年第8期
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果糖,低聚果糖不仅热量低,还是有效的双歧杆菌增殖
因子;另外,雪莲果叶中富含丰富的酚酸成分,具有抗
氧化的作用,对糖尿病有着显著的疗效。雪莲果的块
根还含有较多的水溶性膳食纤维,摄入后不会引起体
内血糖值的大幅度升高,可降低血清胆固醇和甘油三
酯含量,提高人体免疫力。因此,雪莲果作为高血压、
糖尿病和肥胖症等患者食用的保健食品受到国内外的
广泛关注[6,7]。然而,雪莲果水分含量大,不易加工贮
藏,目前以鲜食为主、开发利用处于初级阶段[8]。本实
验以雪莲果为主要原料,利用雪莲果的原有成分进行
发酵,通过对酒精发酵和醋酸发酵两个阶段的研究,获
取高效的醋酸转化率,为开发功能性果醋提供放大依
据,为加工高附加值的农产品开辟一条技术性思路。
1 材料与方法
1.1 原料
雪莲果 云南省楚雄武定产;安琪酵母;巴氏醋杆
菌(A.pasteurianus)、蔗糖、葡萄糖、抗坏血酸、无水乙
醇、琼脂、氯化钠、碳酸钙、蛋白胨等。
1.2 主要仪器与设备
榨汁机、20L发酵罐、FG-113糖度计、电子天平、
碱式滴定管、pH计DELTA 320 梅特勒—托利多仪
器有限公司,上海。
1.3 培养基
活化培养基:葡萄糖10%,酵母膏1%,碳酸钙
2%,琼脂1.5%,pH 6.8,121℃灭菌30min。
醋酸杆菌液体种子:甘油1%,葡萄糖2%,酵母膏
0.5%,碳酸钙0.5%,pH 6.5,121℃灭菌30min。
1.4 菌种处理
酵母活化:将高活性酿酒干酵母以2%的浓度加
入5%的蔗糖溶液中,混合均匀,放置30 ℃活化
60min。
醋酸杆菌培养:取活化的醋酸杆菌斜面接种到醋
酸杆菌种子培养基中,放置在30℃,200r/min的摇床
上培养4天,要求三角瓶中的碳酸钙全部溶解。
1.5 酒精测定
采用比重法。
1.6 醋酸含量测定
按照GB/T 676-2007。
1.7 雪莲果果醋生产方法
1.7.1 雪莲果原料防褐处理
1.7.1.1 热处理
将雪莲果清洗,去皮,然后切成块状放入90℃水
浴锅,分成5份,分别处理1,2,3,4,5min后迅速取出
置于冷水中迅速冷却后破碎,取至培养皿中观察颜色
变化。
1.7.1.2 抗坏血酸(VC)不同添加量对防褐的影响
将雪莲果清洗,去皮,破碎,准确加入千分之一至
五和万分之一至五的抗坏血酸,常温下放置于培养皿
中和新鲜雪莲果浆进行颜色比对,观察其颜色变化并
进行评价。
1.7.2 酒精发酵
该实验在20L全自动发酵罐中进行,根据单因素
试验和相关的文献[11-13]确定影响酒精发酵的四个
重要因素分别为:发酵时间、发酵温度、接种量、糖分。
对该影响因素进行四因素三水平的正交试验,用极差
法分析得出最佳工艺参数。表1为实验设计的L9(34)
表。
表1 L9(34)雪莲果酒精发酵正交试验因素和水平
Table 1The table of orthogonal analysis
因素
水平
A发酵时间
(h)
B发酵温度
(℃)
C接种量
(%)
D糖分
(g/dL)
1 72 28 6 8
2 96 31 8 12
3 120 34 10 16
1.7.3 醋酸发酵
该实验在20L全自动发酵罐中进行,根据单因素
试验,从而确定出对醋酸发酵有重要影响的四个因素
为发酵时间、酒精度、种龄、接种量。通过四因素三水
平的正交试验,采用极差法分析得出最佳工艺参数。
表2为实验设计的L9(34)表。
表2 L9(34)雪莲果醋酸发酵正交试验因素和水平表
Table 2The table of orthogonal analysis
因素
水平
A
发酵时间(天)
B
酒精度(%)
C
种龄(h)
D
接种量(%)
1 72 5 42 5
2 96 10 48 8
3 120 15 54 12
1.7.4 酒精发酵周期对醋酸发酵产酸能力的影响
将新鲜雪莲果清洗、去皮、榨成汁,加入0.5%的
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Vc以护色,并用纱布过滤后调整糖分含量至相应水
平,按照已优化出的最适条件进行酒精发酵,然后按照
已优化出的最适醋酸发酵条件,在酒精发酵分别在
24,48,72,96,120,144h时分别接种醋酸杆菌进行醋
酸发酵,醋酸发酵过程为120h,测定醋酸浓度。
2 结果与分析
2.1 雪莲果果汁的褐变控制
新鲜的雪莲果会发生褐变,是由于雪莲果中含有
酚酸类(色氨酸、绿原酸、咖啡酸和阿魏酸等)成分,容
易发生酶促褐变形成醌及其聚合物[14]。为防止雪莲
果褐化的发生,通过热处理和添加一定量的Vc[15],实
验结果表明选常温Vc添加了为千分之五时可以得到
较好的效果,如果进行90℃热处理,建议时间在4min
以上。实验结果见表3、表4和图1。
表3 热处理结果
Table 3Heat results
热处理时间
(min) 1 2 3 4 5
颜色变化 3min部分
区域褐化
5min部分
区域褐化
5min
未见褐化
30min
未见褐化
30min
未见褐化
表4 不同浓度VC 处理雪莲果果浆对其褐化
反应的阻遏效果的感官评价
Vc添加量 0 1 2 3 4 5
千分之1~5
万分之1~5
褐化
快,且
严重
3min内出现了
明显的褐色
5min后
出现浅褐色
8min后
出现微褐色
10min后,
黄色加深,
但未出现褐化
30min内未
出现颜色变化
1min内
明显褐化
2min内
出现褐化
5min内
出现褐色
5min后
出现褐色
5min后
出现褐色
图1 Vc添加量对防止褐变的影响
Fig.1Influence of Vc dosage on prevent browning
2.2 酒精发酵阶段条件优化
通过单因素分析,确定了对酒精发酵影响最为重
要的四个因素:发酵时间、发酵温度、接种量、糖分,通
过四因素三水平的方差分析,以酒精度为评价标准,得
到如下实验,结果见表5。
表5 雪莲果酒精发酵正交试验结果
Table 5The result of orthogonal test
试验号 A
时间(h)
B
温度(℃)
C
接种量(%)
D
糖分(g/dL)
酒精度
(%)
1 72 28 6 8 2.41
2 72 31 8 12 5.60
3 72 34 10 16 7.49
4 96 28 8 16 7.82
5 96 31 10 8 6.71
6 96 34 6 12 3.86
7 120 28 10 12 6.86
8 120 31 6 16 8.12
9 120 34 8 8 7.25
K1 15.50 17.09 14.39 16.37 ∑=56.12
K2 18.39 20.43 20.67 16.32
K3 22.23 18.60 20.06 23.43
R 2.24 1.11 2.09 2.37
最佳水平 A3 B2 C2 D3
通过表5的正交试验结果中极差值R可以看出
RD>RA>RC>RB,各因素对酒精生成量的影响主次
顺序为糖分>发酵时间>接种量>发酵温度,通过K
值确定最佳组合方案为 A3B2C2D3,即糖分16g/dL,
接种量8%,发酵温度31℃,发酵时间120h,该条件
下产生的酒精浓度最高。
2.3 醋酸发酵阶段条件优化
2.3.1 酒精度对醋酸产量的影响
图2 不同酒精浓度对醋酸产量的影响
Fig.2Influence of diferent alcohol concentration on acetic yield
从图2可以看出,随着酒精度的增加,醋酸的产量
逐渐升高。而当酒精度超过10%(v/v)之后,醋酸产
量又逐渐下降。说明酒精对醋酸杆菌的生长和代谢具
有抑制效应,且抑制效应随酒精浓度的增加而逐渐加
大。当酒精浓度为10%(v/v)的时候,醋酸浓度达到
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最大33g/L。
2.3.2 接种量对醋酸产量的影响
图3 不同接种量对醋酸产量的影响
Fig.3Influence of inoculation quantity on acetic acid produce
由图3可以看出,醋酸产量在5%的接种量周围
出现了前增后减的现象。说明在有限的资源和空间范
围内,较大的接种量不利于菌种的生长繁殖和代谢活
动。最佳的接种量为5%。
2.3.3 种龄对醋酸产量的影响
图4 不同种龄对醋酸产量的影响
Fig.4Influence of Seed age on acetic acid yield
由图4可以看出,随着醋酸杆菌种龄的增加,产醋
能力强,醋酸生成浓度不断上升,但当种龄超过48h
后,醋酸产量呈下降趋势。最适种龄为48h。
2.3.4 醋酸发酵时间对醋酸产量的影响
图5 发酵时间对醋酸产量的影响
Fig.5Influence of Fermentation time on acetic acid yield
由图5可以看出,随着发酵时间的延长,醋酸产量
不断的升高,而当发酵时间超过96h之后,醋酸产量
出现了下降趋势。说明随着醋酸浓度的增加,发酵液
的环境对醋酸杆菌生长和代谢的不利影响因子增加,
对其生长和代谢产生了明显的抑制作用,且这种抑制
作用随着时间的延长而增强。最佳的发酵时间为96h
左右。
2.3.5 发酵温度对醋酸产量的影响
图6 发酵温度对醋酸产量的影响
Fig.6Influence of The fermentation temperature on acetic acid yield
由图6可以看出,发酵温度在26℃时,醋酸产量
较低,而随着发酵温度升高,醋酸产量逐渐增高。当温
度超过28℃后,醋酸产量呈现出下降的趋势,说明温
度过低和过高都不利于该菌种的生长和代谢。最佳发
酵温度为28℃。
2.4 醋酸发酵正交优化
通过单因素分析,确定了四个对醋酸产量影响最
为重要的四个因素:发酵时间、酒精度、种龄、接种量,
利用单一因素结果进行四因素三水平的正交试验,结
果见表6。
表6 雪莲果产醋正交试验结果
Table 6The result of orthogonal test
试验号
A
发酵时间
(h)
B
酒精度
(%)
C
种龄
(h)
D
接种量
(%v)
醋酸产量
(g/L)
1 72 5 42 4 22.92
2 72 10 48 8 25.14
3 72 15 54 12 30.66
4 96 5 48 12 20.16
5 96 10 54 4 34.26
6 96 15 42 8 24.42
7 120 5 54 8 21.48
8 120 10 42 12 30.12
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续表6
试验号
A
发酵时间
(h)
B
酒精度
(%)
C
种龄
(h)
D
接种量
(%v)
醋酸产量
(g/L)
9 120 15 48 4 33.42
K1 78.72 64.56 77.46 90.60
K2 78.84 89.52 78.72 71.04
K3 85.02 88.50 86.40 80.94
R 2.10 8.32 2.98 6.52
最佳水平 A3 B2 C3 D1
由表6正交实验结果中的极差R可以看出RB>
RD>RC>RA,各因素对醋酸生成量的影响主次顺序
为:酒精度>接种量>种龄>发酵时间,通过 K值确
定最佳组合方案为 A3B2C3D1,即酒精度为 10%
(v/v),种龄为54h,接种量为5%,发酵时间120h,在
该条件下醋酸产量最高。
2.5 酒精发酵周期对醋酸发酵产酸能力的影响
图7 酒精发酵周期对醋酸发酵产酸能力的影响
Fig.7Influence of acetic acid ferment produce
ability on Alcohol fermentation period
由图7可以看出,随着酒精发酵周期的延长,接入
醋酸杆菌进行醋酸发酵,当酒精发酵时间超过72h后
产量逐渐降低,说明随着酒精发酵时间的延长,酒精浓
度的增高抑制了醋酸杆菌的生长和代谢。酒精发酵的
最适时间为120h,但醋酸产量并不是最高的,该结果
与文献[16]的研究结果相似,这也印证了酒精对醋酸
杆菌的生长和代谢的抑制作用。试验最终结果表明,
酒精发酵72h左右,接入醋酸杆菌进行醋酸发酵,醋
酸产量最高,达到29g/L。
3 结论
试验表明,当向雪莲果果汁中添加千分之五的Vc
时,可以很好的防止雪莲果褐化。雪莲果经酒精发酵
和醋酸发酵能得到功能型的醋酸饮料,它兼有醋酸和
果醋的多种功能。各因素对酒精发酵的影响主次顺序
为:糖含量>时间>接种量>温度,最佳配比为糖含量
16g/dL,接种量 8%,发酵温度 31 ℃,发酵时间
120h。在醋酸发酵中则为:酒精度>接种量>种龄>
发酵时间,当酒精度为10%(v/v),种龄为54h,接种
量为5%,发酵时间120h时醋酸产量最高。
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