固態發酵食醋醅真空冷凍干燥工藝優化

陳樹俊，胡 坤

（山西大學 生命科學學院，山西 太原 030006）

食醋在我國已經過3 000多年的傳承和發展[1]，山西老陳醋以其悠長歷史、獨特風味及營養價值居于中國“四大名醋”之首，為國家非物質文化遺產。老陳醋富含黃酮、多酚、有機酸[2]等多種功能性成分，具有抗氧化[3]、軟化血管、調節脂質代謝、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、運輸不便、營養物質損失等弊端，醋粉的出現就很好地規避了這些缺陷。

早在20世紀90年代已有醋粉的相關研究[4-6]，但先前的研究大都集中在將液體醋進行干燥而制得的醋粉，考慮到釀造過程中直接進行干燥的產品還很少見，陳樹俊等[7]在釀造過程中對醋醅直接進行干燥，發現制得的醋粉能夠更大程度地保留營養物質且易于貯存；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行功能性研究，發現沉淀物中含有大量的營養物質；鄭虎哲等[9]研究了粉末果醋的相關工藝，響應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行發酵，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，在發酵過程中產生的川芎嗪使得醋醅具有更高的營養價值；對其醋醅直接進行真空冷凍干燥，在低溫低壓條件下可最大限度地降低營養成分的流失，防止醋醅中熱敏性成分（如部分蛋白質、酸類、不穩定的黃酮、多酚等）失去功效[13-18]。該研究依據不同干燥因素對于干燥水平的影響，探索最佳工藝條件，經凍干脫水的醋醅成分穩定且易于貯運，為醋粉的生產提供了理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

苦蕎：山西佳鑫食品有限責任公司；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：山西紫林醋業股份有限公司；氫氧化鈉（分析純）：國藥集團化學試劑有限公司；C20H14O4（分析純）：天津市致遠化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

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

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 ℃的水攪拌均勻，水分浸透后在0.17 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%水攪拌均勻，30～40 ℃維持8 h。

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

醋酸發酵：醋酸發酵階段加入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”進行醋酸發酵[19]，發酵時間在7 d左右。

熏醅：將完成發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：將醋醅放到速凍機的物料盤上，溫度設置為-40 ℃，插入溫度探頭預凍4 h。整個干燥階段干燥倉內的真空度要維持在10 Pa，升華干燥階段加熱系統溫度設定為25 ℃，10 h后升華干燥階段完成，在此過程中密切關注倉內醋醅的干燥情況和溫度曲線的變化情況。完成升華干燥后，將溫度設為30 ℃進行解析干燥，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，解析干燥結束，關閉制冷系統、加熱系統、真空泵，打開排氣閥使倉內的氣壓達到大氣壓后打開倉門，取出干燥醋醅。

粉碎：經干燥的醋醅用高速萬能粉碎機粉碎至粉末狀，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設置進行溫控，檢測結束后分析DSC曲線，標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真空度維持在10 Pa，設置升華溫度25 ℃，解析溫度30 ℃，物料厚度3 cm為默認條件，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置下干燥效果，選出最佳凍干條件。

1.3.5 響應面優化試驗

依照單因素試驗結果，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、干燥速率為響應值，根據Box-Behnken設計原理，設計試驗因素與水平如表2。

表2 醋粉凍干工藝優化響應面試驗因素與水平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行稱質量，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為干燥前原料的質量，g；M2為干燥后原料的質量，g；T為凍干消耗的時間，h。

1.3.7 數據處理

應用Design-Expert 8.0.6進行響應面試驗與分析，用Excel 2016、Origin Pro 2018C軟件繪制數據圖表，重復3次，試驗結果以平均值±標準差（X±S）形式表示。

2 結果與分析

2.1 共晶點、共熔點測定結果與分析

共熔、共晶點的測定結果對于真空冷凍干燥過程中的溫度設定有指導意義，通常以共晶點為參考判斷物料凍結溫度。差示掃描量熱系統以溫度和時間為橫坐標，以樣品吸熱或放熱速率為縱坐標得出的DSC曲線見圖1。在測定過程中采用快凍慢升工藝，降溫過程中水結晶，第一個放熱峰即水的結晶峰，由于溫度降至醋醅的過冷溫度，在凍結過程中醋醅產生過冷現象，導致DSC曲線中醋醅的共晶點被水結晶峰覆蓋，觀察不到共晶點。晶體物質在熔化時吸熱會在DSC曲線中產生吸熱峰，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物料預凍時的溫度設定，參考醋醅的共熔點，設置低于共熔點8～10 ℃[22-23]（即-39.08～-41.08 ℃）為預凍溫度設置范圍，考慮到實際操作過程設置-40 ℃為物料預凍溫度。

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

2.2 單因素試驗結果

2.2.1 升華溫度影響試驗結果及分析

由圖2可知，在一定的溫度范圍內，醋醅的干燥速率與升華溫度正相關，總酸含量與升華溫度負相關。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，而溫度過高可能會超過物料的共熔點而導致冰晶融化，影響凍干效果，綜合考慮后選擇25 ℃、30 ℃、35 ℃三個水平進行響應面工藝優化試驗。

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，出現這個現象的原因在于物料中水分變少而酸揮發加快，所以選擇30 ℃、35 ℃、40 ℃三個水平進行后續的響應面凍干工藝優化。

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]在響應面法優化雜糧醋粉真空凍干工藝中分析出現這種現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，傳質的阻力也越大，酸的揮發受到了阻礙，同時水分還在不停地揮發，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三個水平進行響應面工藝優化試驗。

2.3 響應面試驗結果

2.3.1 響應面試驗設計及結果

在醋醅凍干響應面試驗中，以Box-Behnken進行試驗方案設計，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值對凍干效果進行評價，回歸分析結果見表3。

表3 醋醅凍干工藝響應面試驗結果Table 3 Response surface test results of freeze-drying process of Cupei

續表

2.3.2 回歸方程及參數分析

用Design-Expert 8.0.6對表3中數據進行多元回歸擬合，得到Y1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；模型的預測值與考察值高度相關，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，模型的預測值與考察值相關度較高，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，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，與物料厚度呈負相關，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，與物料厚度負相關，與前圖中觀察到的現象一致。

圖5 各因素交互作用對醋醅干燥速率影響的響應面和等高線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相關，與解析溫度負相關，由于在干燥的最后階段，醋醅中的水分已然不多，而酸的揮發加劇，導致總酸含量的快速減少，表現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相關，與物料厚度正相關，這是由于物料厚度的增加加大了對傳質的阻礙作用，本可能揮發的酸受到阻礙保留下來，而水分又在逐漸減少，呈現出來的現象就是總酸含量的上升；總酸含量與解析溫度負相關，與物料厚度正相關，與前圖觀察到的現象一致。

圖6 各因素交互作用對醋醅總酸含量影響的響應面和等高線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

響應面分析得，以干燥速率為響應值時，得出最優工藝條件：升華溫度31.87 ℃，解析溫度35.74 ℃，物料厚度2.71 cm，該條件下預測干燥速率為3.88%/h；以總酸含量為響應值時，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，該條件下預測總酸含量為8.92 g/100 g。為保證醋粉品質，在保證酸含量前提下，干燥速率盡可能最大化，綜合優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，試驗值與軟件預測的值相近，表明該模型能夠很好地預測凍干條件與干燥速率、總酸含量的關系，也證明利用響應面法優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束，在整個凍干的過程中干燥倉內的真空度保持在10 Pa。

3 結論

根據老陳醋制作方法發酵苦蕎面，醋酸發酵時加入沙棘果渣、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。在該優化冷凍干燥條件下進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，增加了醋粉生產的理論經驗，使得后續的批量生產和市場開拓有理可依。