全 文 ：2016 年 6 月 陕西理工学院学报(自然科学版) June． 2016
第 32 卷第 3 期 Journal of Shaanxi University of Technology (Natural Science Edition)
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Vol． 32 No． 3
［文章编号］1673 － 2944(2016)03 － 0058 － 07
响应面分析法优化豆薯醋的发酵工艺
张 东1， 张志健1，2， 卫永华1，2， 耿敬章1
(1．陕西理工学院 生物科学与工程学院，陕西 汉中 723000;
2．陕西省黑色有机食品工程技术研究中心，陕西 汉中 723000)
［摘 要］ 在单因素试验基础上，采用 Box-Benhnken试验设计原理并用响应面法对豆薯醋醋
酸发酵工艺进行优化。结果表明豆薯醋醋酸发酵最佳工艺为:醋酸菌接种量 1． 25%，温度
30 ℃，初始酒度 6． 5，初始 pH 3． 5。在该条件下酸度可以达到 5． 23 g /100 mL，与模型预测值
5． 34 g /100 mL接近，所以该模型可以很好地预测豆薯醋醋酸发酵的实际过程。
［关 键 词］ 豆薯果醋; 醋酸发酵; 响应面分析
［中图分类号］ TS264． 2 ［文献标识码］ A
收稿日期:2015-12-24 修回日期:2016-04-14
基金项目:陕西理工学院校级人才启动项目(SLGQD13-13)
作者简介:张东(1990—) ，男，陕西省西安市人，陕西理工学院硕士研究生，主要研究方向为食品加工; ［通信作者］卫永
华(1983—) ，男，山西省浮山县人，陕西理工学院副教授，博士，主要研究方向为食品科学与加工。
豆薯(yam bean，jicama，学名:Pachyrrhyizus erosus Urban)是豆科(Leguminosae)豆薯属(Pachyrhizus
Ｒich． ex DC．)中能形成纺锤形或扁球形块根的一年生或多年生草质藤本植物［1-3］。豆薯块根肉质洁
白，富含淀粉、糖分和蛋白质、氨基酸、类黄酮和维生素 C 以及人体所必需的钙、铁、锌、铜、磷等多种元
素［4-6］，脂肪含量低，且不含胆固醇［7］，食用口感嫩脆、香甜多汁。另有报道，豆薯具有生津止渴、解酒
毒、降血压、降血脂等功效［8-9］。因此，豆薯被食品工作者列为健康食物。
豆薯产量很高(一般每公顷可产豆薯块根 40 ～ 50 t) ，在南方许多地区，作为重要的经济作物被广泛
栽种。但它不耐贮藏，易腐烂变质，且由于现阶段对其加工不多，致使每年成熟季节，豆薯堆积如山，腐
烂损失严重，使农民经济受损［10］。目前，豆薯主要作为水果或蔬菜被直接食用，也有以豆薯为原料制作
的相关产品，如豆薯果汁、豆薯果冻、豆薯脯等，但与豆薯相关的发酵产品还很少，本文拟采用豆薯为原
料，制作豆薯果醋。
1 材料与方法
1． 1 实验材料
豆薯和大米(汉中本地) ;ɑ-淀粉酶(生化试剂，≥3 700 U /g，北京奥博星生物科技有限责任公司)、
糖化酶(100 000 U /g，无锡市雪梅酶制剂科技有限公司) ;酿酒酵母、醋酸菌 AS1． 41(北京市食品酿造研
究所菌种)。其他试剂均为分析纯。
1． 2 实验仪器与设备
打浆机(九阳 JYL-C50T料理机) ;粉碎机(莱芙 800 克粉碎机) ;超净工作台(博迅 SW-CJ-1FD单人
单面垂直净化工作台) ;恒温培养箱(上海精宏 JHS-150 精密恒温恒湿箱) ;酒精计(天津宏大仪表厂) ;
MIK-pH170 手持酸度计(江苏盛奥华环保科技有限公司) ;集热式磁力搅拌器 DF-101S(上海凌科实业
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发展有限公司)。
1． 3 试验方法
豆薯醋发酵工艺流程如图 1 所示。
图 1 豆薯醋的发酵工艺流程
1． 3． 1 操作要点
(1)为了满足酒精发酵糖度要求，豆薯打浆后与大米、水按 10 ∶ 3 ∶ 3 的质量比混合，用以对豆薯浆
液中的总糖含量进行调整。
(2)ɑ-淀粉酶的液化条件:ɑ-淀粉酶加入量为 1． 35%，pH 6，液化温度 95 ℃，液化时间 1． 5 h，液化后
的糖度在 6． 5%左右。
(3)糖化酶糖化条件:糖化酶加入量为 2． 5%，pH 4． 5，糖化温度 60 ℃，糖化时间 1． 5 h，得到糖化液
为酒精发酵的底物，糖度可以达到 14%左右。
(4)酒精发酵:将豆薯糖化液调整至 pH 4，接入 1． 25%的酵母菌(9． 55 × 106个 /mL) ，于 27 ℃下发
酵 7 d，可以得到酒度在 7 左右的酒精发酵液。将酒精发酵液经高温灭菌后冷却至常温，以酒精发酵液
为底物进行醋酸发酵。
1． 3． 2 醋酸培养基
每 100 mL水添加 1 g葡萄糖，1 g酵母浸粉，1 g CaCO3(100 ℃烘干加入) ，95%乙醇 2． 5 ～ 4 mL(灭
菌后 70 ℃无菌操作加入)［11］。
1． 3． 3 酸度测定
吸取 10． 0 mL试样置于 100 mL容量瓶中，加水至刻度，混匀。吸取 20． 0 mL，置于 200 mL烧杯中，
加入 60 mL水，开动磁力搅拌器，用氢氧化钠标准溶液滴定(c(NaOH)= 0． 050 mol /mL)至酸度计指示
8． 2，记下消耗氢氧化钠标准溶液的体积，另外再进行空白对照，重复 3 次平行试验［12］。
总酸含量计算公式:
X =
(V1 － V2)× c × 0． 060
V × 10 /100 × 100，
式中 X为试样中总酸的含量(以乙酸计) ，单位:g /100 mL;V1 为测定用试样稀释液消耗氢氧化钠标准溶
液的体积，单位:mL;V2 为试剂空白消耗氢氧化钠标准溶液的体积，单位:mL;c 为氢氧化钠标准溶液的
量浓度，单位:mol /L;V为试样体积，单位:mL。
1． 4 单因素试验
分别取 80 mL酒精发酵液，装入到 150 mL三角瓶中进行试验，以醋酸发酵液酸度为指标，选取发酵
温度、发酵 pH、初始酒度、醋酸菌接种量为考察指标，探讨单因素对醋酸发酵的影响。
1． 4． 1 温度对酸度的影响
在初始酒度为 6． 5，醋酸菌接种量为 1． 25%，pH 3． 5 的条件下，分别以 28、29、30、31 ℃的温度发酵，
研究不同温度对豆薯醋醋酸发酵的影响。
1． 4． 2 pH对酸度的影响
在温度 30 ℃，初始酒度 6． 5，醋酸菌接种量 1． 25%的条件下，分别在 pH为 2． 5、3． 5、4． 5、5． 5、6． 5、
7． 5 的条件下发酵，研究不同 pH对豆薯醋醋酸发酵的影响。
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第 3 期 张东，张志健，卫永华，等 响应面分析法优化豆薯醋的发酵工艺
1． 4． 3 初始酒度对酸度的影响
在温度 30 ℃，初始酒度 6． 5，醋酸菌接种量 1． 25%，发酵 pH 为 3． 5 的条件下，分别以 4． 5、5． 5、
6． 5、7． 5 的不同酒度发酵，研究不同初始酒度对豆薯醋醋酸发酵的影响。
1． 4． 4 醋酸菌接种量对酸度的影响
在温度 30 ℃，初始酒度 6． 5，pH 3． 5 条件下，分别接入 0． 25%、0． 5%、1%、1． 25%、1． 5%、1． 75%的
醋酸菌进行发酵，研究不同醋酸菌接种量对豆薯醋醋酸发酵的影响。
1． 5 响应面设计
根据单因素试验结果，利用 Box-Benhnken中心组合试验设计原理，以发酵液酸度为指标，设计醋酸
菌接种量(A)、发酵温度(B)、发酵初始酒度(C)、发酵 pH(D)4 因素 3 水平的中心组合试验，所得的实
验结果通过 Design-Expert． 8． 06 软件进行分析，建立四元二次回归方程的模型来进行最优工艺的预测，
并得到响应面分析图及相关数据，确定最佳工艺参数。因子编码及水平设计见表 1。
表 1 响应面分析法的因素与水平表
水平 接种量(A)/% 温度(B)/℃ 初始酒度(C)/% pH(D)
－ 1 1 29 5． 5 2． 5
0 1． 25 30 6． 5 3． 5
1 1． 5 31 7． 5 4． 5
2 结果与分析
2． 1 单因素实验结果
温度对醋酸发酵影响如图 2 所示。在一定温度范围内，随着温度的上升，醋酸菌活性增强，醋酸菌
新陈代谢旺盛，醋酸发酵液酸度随着温度上升而增大。但当发酵温度超过 29． 9 ℃后，随着温度继续升
高，酸度反而呈下降趋势。当发酵温度高于 29． 9 ℃时，高温抑制了醋酸菌体内酶的活力，导致目标产物
开始减少［13］。因此，为了便于计算，选取醋酸发酵最佳温度为 30 ℃。
pH对醋酸发酵影响如图 3 所示。当 pH 低于 3． 58 时，醋酸发酵液酸度随着 pH 升高而增大，在
3． 58达到酸度的最大值。其后随着 pH的增大，酸度反而减小。在低 pH范围内，pH的升高引起醋酸菌
活力的升高，醋酸菌快速代谢而引起酸度的增大;在 pH 高于 3． 58 时，由于高 pH 引起的大量醋酸菌活
力的退化，使醋酸菌大量死亡，从而使得酸度在 pH 3． 58 之后呈现减小的趋势。因此，为了便于计算，选
择最佳值为 pH 3． 5。
图 2 温度对酸度的影响 图 3 pH对酸度的影响
初始酒度对醋酸发酵影响如图 4 所示。理论上，初始酒度越大，产酸量应该越高。但是从图 4 可以
明显看出，当初始酒度低于 6． 5 时，发酵液酸度与酒度呈正相关;在 6． 5 之后，酸度随着初始酒度的升高
而缓慢降低。造成这种现象的原因是在醋酸发酵过程中，酒精为醋酸菌代谢的营养物质即碳源，在一定
范围内酒精度的增大会为醋酸菌的大量繁殖提供充足的营养物质，但是酒精度高于某一特定值后又会
对醋酸菌的发酵能力产生抑制作用，使得乙酸的生产出现降低直至最后的停滞。由此，本单因素试验应
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陕西理工学院学报(自然科学版) 第 32 卷
该选择 6． 5 为最佳的初始酒度。
醋酸菌接种量对醋酸发酵影响如图 5 所示。在醋酸菌的接种量为 1． 25%之前接种量越大，乙酸积
累越快，并且醋酸菌繁殖快速，但当接种量大于 1． 25%之后，随着接种量的增大，发酵液酸度反而降低。
在相对较低的接种量时，醋酸菌由于有足够的酒精底物进行发酵，所以酸度随醋酸菌接种量的增加而升
高;但是当接种量过高后，醋酸菌发酵底物———乙醇的相对不足就会抑制醋酸菌的发酵活力。同时，醋
酸菌发酵过程中产生的副产物也会加速醋酸菌的衰老和自溶，造成乙酸氧化，最终使得发酵产物乙酸量
大幅减少，并且接种量越大乙酸减少越明显［14］。所以综合来看，醋酸菌接种量选择 1． 25%为宜。
图 4 初始酒度对酸度的影响 图 5 醋酸菌接种量对酸度的影响
2． 2 回归模型的建立分析
结合单因素试验结果，以醋酸发酵中的酸度为响应值，根据 Box-Benhnken 中心组合试验设计原理，
设计了醋酸菌接种量(A)、发酵温度(B)、发酵初始酒度(C)、发酵 pH(D)4 因素 3 水平共 29 组试验，并
利用 Design-Expert． 8． 06 分析软件对试验结果进行响应面分析。设计方案及结果如表 2 所示，方差分析
结果如表 3 所示。
表 2 Box-Benhnken试验设计和结果
试验号 A B C D 酸度(Y)/(g /100 mL) 试验号 A B C D
酸度(Y)
/(g /100 mL)
1 － 1 － 1 0 0 4． 06 16 0 1 1 0 4． 65
2 1 － 1 0 0 4． 31 17 － 1 0 － 1 0 3． 60
3 － 1 1 0 0 4． 26 18 1 0 － 1 0 3． 71
4 1 1 0 0 4． 80 19 － 1 0 1 0 4． 93
5 0 0 － 1 － 1 3． 05 20 1 0 1 0 4． 77
6 0 0 1 － 1 3． 62 21 0 － 1 0 － 1 3． 06
7 0 0 － 1 1 3． 54 22 0 1 0 － 1 3． 37
8 0 0 1 1 4． 65 23 0 － 1 0 1 4． 82
9 － 1 0 0 － 1 3． 14 24 0 1 0 1 5． 13
10 1 0 0 － 1 3． 36 25 0 0 0 0 5． 21
11 － 1 0 0 1 3． 37 26 0 0 0 0 5． 24
12 1 0 0 1 4． 69 27 0 0 0 0 5． 20
13 0 － 1 － 1 0 3． 48 28 0 0 0 0 5． 19
14 0 1 － 1 0 3． 86 29 0 0 0 0 5． 26
15 0 － 1 1 0 4． 93
利用 Design-Expert． 8． 06 分析软件建立发酵温度、发酵 pH、醋酸菌接种量和初始酒度对酸度(Y)的
回归方程:
Y = 5． 22 + 0． 19A + 0． 13B + 0． 54C + 0． 55D + 0． 073AB － 0． 068AC +
0． 28AD － 0． 14BC + 0． 14CD － 0． 54A2 － 0． 31B2 － 0． 55C2 － 0． 94D2。
从表 3 可以看出，该回归模型极显著(P≤0． 001) ，并且该模型的相关系数 Ｒ2 = 0． 923 0，说明有
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第 3 期 张东，张志健，卫永华，等 响应面分析法优化豆薯醋的发酵工艺
92%以上的数据可以用该模型来反应响应值的变化，而且失拟项 F = 151． 35，P = 0． 03 ＜ 0． 05，失拟项不
显著，说明该方程对试验的拟合较好，试验有较好的可信度［15］。因此可用该模型方程来很好地模拟实
际试验，对试验结果进行分析和预测。回归模型一次项中 C、D极显著，A显著，B不显著，二次项中 AB、
AC、BC、BD、CD不显著，AD显著，方项 A2、C2、D2 极显著，B2 显著，说明不同条件在醋酸发酵中的相互关
系不是简单的线性关系。从 F值及 P 值均可以看出，影响醋酸发酵的主要效应顺序为:D ＞ C ＞ A ＞ B，
即接种量 ＞酒度 ＞ pH ＞温度。
表 3 响应面试验方差分析
方差来源 平方和 自由度 均方 F值 P值 显著性
模型 15． 47 14 1． 10 11． 99 0． 000 1 ＊＊
A 0． 43 1 0． 43 4． 70 0． 047 8 *
B 0． 20 1 0． 20 2． 12 0． 167 7
C 3． 45 1 3． 45 37． 40 0． 000 1 ＊＊
D 3． 63 1 3． 63 39． 40 0． 000 1 ＊＊
AB 0． 021 1 0． 021 0． 23 0． 640 2
AC 0． 018 1 0． 018 0． 20 0． 663 3
AD 0． 30 1 0． 30 3． 28 0． 031 5 *
BC 0． 073 1 0． 073 0． 79 0． 388 8
BD － 1． 776 × 10 －15 1 － 1． 776 × 10 －15 － 1． 928 × 10 －14 1． 000 0
CD 0． 073 1 0． 073 0． 79 0． 388 8
A2 1． 88 1 1． 88 20． 40 0． 000 5 ＊＊
B2 0． 61 1 0． 61 6． 64 0． 022 0 *
C2 1． 96 1 1． 96 21． 26 0． 000 4 ＊＊
D2 5． 71 1 5． 71 61． 99 0． 000 1 ＊＊
残差 1． 29 14 0． 092
失拟项 1． 29 10 0． 13 151． 35 0． 03
纯误差 3． 400 × 10 －3 4 8． 500 × 10 －4
总和 16． 76 28
Ｒ2 = 0． 923 0 Ｒ2Adj = 0． 846 1
注:＊＊表示差异极显著(P≤0． 001) ;* 表示差异显著(0． 001 ＜ P≤0． 05)。
2． 3 响应面分析
用 Design-Expert． 8． 06 分析软件对表 2 的数据进行回归拟合，并绘制响应面图，其结果如图 6—图 8
所示。依据各因素对响应值所构成的三维空间的曲面图，可直观地反映出各因素对响应值的影响情况。
曲线越陡峭，表明该因素对响应值的影响会越大，由等高线图可以直观地看出存在极值的条件应该在圆
心处［16］。
由图 6 可以直观地看出，pH和接种量的交互作用非常明显，特别是在 pH 和接种量均较小的时候，
随着 pH和接种量的增大，醋酸发酵液的酸度呈现增大到一定范围内减小的趋势。
由图 7 可以直观地看出，初始酒度和 pH的交互作用不明显，但是总趋势为豆薯果醋的酸度随着初
始酒度和 pH的升高先增大后减小。
由图 8 可以直观地看出，温度和 pH的交互作用不明显，但是总趋势为豆薯果醋的酸度随着 pH 和
温度的升高先增大后减小。
2． 4 发酵工艺优化及验证试验
根据 Design-Expert． 8． 06 软件的分析结果，得到醋酸发酵的最佳工艺为:醋酸菌的接种量为1． 25%，
温度 30． 1 ℃，初始酒度 6． 6，初始 pH 3． 6，在该条件下回归方程预测的酸度可以达到5． 34 g /100 mL。考
虑到实际条件及实验可操作性，将工艺修正为:最佳工艺为醋酸菌的接种量为1． 25%，温度 30 ℃，初始
酒度 6． 5，初始 pH 3． 5，在该条件下进行 3 次平行试验得到发酵液酸度为5． 23 g /100 mL，与模型最优工
艺的预测值非常接近，所以可以利用响应面法对醋酸发酵的过程进行分析和预测。
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图 6 接种量和 pH对酸度的影响 图 7 初始酒度和 pH对酸度的影响
图 8 pH和温度对酸度的影响
3 结 论
通过单因素试验考察了温度、pH、醋酸菌接种量、初始酒度与对豆薯醋的醋酸发酵的影响，在此基
础上以豆薯醋的酸度为考察指标，采用响应面法建立了数学模型，得到制作豆薯醋的最佳工艺参数:醋
酸菌的接种量为 1． 25%，温度 30 ℃，初始酒度 6． 5，初始 pH 3． 5。在该条件下得到发酵液酸度为
5． 23 g /100 mL，与模型的最优工艺预测值比较接近，由此说明可以用响应面法建立的模型对豆薯果醋
的醋酸发酵实际情况进行分析。
［ 参 考 文 献 ］
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［责任编辑:李 莉］
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第 3 期 张东，张志健，卫永华，等 响应面分析法优化豆薯醋的发酵工艺
Optimization of acetic fermentation for jicama vinegar by response surface analysis
ZHANG Dong1， ZHANG Zhi-jian1，2， WEI Yong-hua1，2， GENG Jing-zhang1
(1． School of Bioscience and Engineering，Shaanxi University of Technology，
Hanzhong 723000，China;
2． Shaanxi Engineering Ｒesearch Center for Black ＆ Organic Foods，Hanzhong 723000，China)
Abstract: On the basis of single factor experiments，acetic fermentation of jicama vinegar was opti-
mized using Box-Benhnken design and response surface analysis． The result showed that optimal acetic fer-
mentation technology involves inoculation amount being kept at 1． 25%，and temperature being at 30 ℃，ini-
tial alcohol content being of 6． 5 and pH 3． 5． The acidity (5． 23 g /100 mL)of acetic fermentation broth under
optimal condition was close to predictive value (5． 34 g /100 mL) ，indicating that predictive values of simula-
tion equation have high accuracy and reliability．
Key words: jicama vinegar; acetic acid fermentation; response surface analysis
(上接第 57 页)
Application of Gastrodia elata polysaccharide to the skin cream
ZAN Li-xia1，2， WANG Yu1， HU Lin-lin3， XU Hao1， ZHAO Hua1，
YANG Pei-jun1， JIANG Jing-long1， CHEN Chen1，2
(1． School of Bioscience and Engineering，Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723000，China;
2． Shaanxi Engineering Ｒesearch Center of Tall Gastrodia Tuber and medical Dogwood，
Hanzhong 723000，China;
3． Xi’an Modern Chemistry Ｒesearch Institute，Xi’an 710065，China)
Abstract: The character was investigated about moisture absorption，moisture retention and anti-oxida-
tion of Ｒhizoma Gastrodiae polysaccharide． And the polysaccharide was applied to the skin cream． With hyalu-
ronic acid as a control，on the two kinds of humidity conditions，the balanced moisture content of polysaccha-
ride is up to 3． 69% and 9． 90% ． In the range of test，the ability of hydroxyl radical scavenging and DPPH
scavenging had come up to 37． 58% and 46． 55% ． The reducing capacity was better than the solution of
VC(5 μg /mL)． So the polysaccharide from Gastrodia elata can be used in skin cream as an effect compo-
nent，and the cream can reach the physico-chemical requirement．
Key words: Gastrodia elata polysaccharide; cream; moisture absorption; moisture retention;
antioxidant
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