利用響應面法優(yōu)化蒸餾醋生產(chǎn)工藝的研究

畢 靜，鄭 萍，葉荷生

（1.江蘇經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術學院，江蘇 南京 211168；2.江蘇恒順集團有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

食醋是指單獨或混合使用各種含有淀粉、糖的物料、食用酒精，經(jīng)微生物發(fā)酵釀制而成的液體酸性調(diào)味品[1]，其歷史悠久，我國是世界上釀醋最早的國家。由于食醋采用的原料和生產(chǎn)工藝不同，風味也各不相同。食醋除含有大量的乙酸外，還含有其他的有機酸、糖類和氨基酸等物質(zhì)[2-4]。

隨著我國社會的進步和消費水平的提升，對各種風味食醋的需求不斷加大。蒸餾醋是一種將發(fā)酵醋酸原料發(fā)酵后，取其汁經(jīng)低溫真空蒸餾收集餾出液而得到的無色透明、酸味純正并略帶清香的無色透明液體醋。因其無色透明而受到部分消費者的喜愛，且蒸餾醋是一種可在食品加工領域廣泛使用的基礎性生產(chǎn)原料，能滿足于加工調(diào)味汁、調(diào)味番茄醬和腌漬菜等的需要[5-6]。

通常，在一定溫度下，某一化學物質(zhì)的飽和蒸氣壓越大，該物質(zhì)越容易揮發(fā)，當分壓達到飽和蒸汽壓，就會達到平衡狀態(tài)。根據(jù)蘭氏化學手冊（第13版）[7]，水的飽和蒸汽壓為3.168 kPa，乙酸的飽和蒸汽壓為2.10 kPa，看似乙酸比水更難蒸餾，但乙酸分子中的羧基（-COOH）是親水性基團，能與水形成氫鍵，食醋中的乙酸和水分子間的氫鍵是主導食醋體系理化性質(zhì)的最強化學力，使得其相對揮發(fā)度十分接近，乙酸混合液相對揮發(fā)速率（95%）為0.39，水相對揮發(fā)速率為0.36，因此，乙酸在進行真空蒸餾時能和水同時被蒸餾出來，而不是大部分留下，這就為應用低溫真空蒸餾法生產(chǎn)蒸餾醋提供了理論基礎。

在本研究中，蒸餾醋生產(chǎn)工藝是一種醋原液以純糧食經(jīng)酒精發(fā)酵、固態(tài)分層醋酸發(fā)酵后，取其汁經(jīng)低溫真空蒸餾收集餾出液而得到的一種具有清香風味蒸餾醋的新工藝（該生產(chǎn)工藝在國內(nèi)尚未見報道），并利用響應面法對低溫真空蒸餾法生產(chǎn)蒸餾醋工藝進行優(yōu)化[8-11]，以蒸餾醋得率為考察指標，得到低溫真空蒸餾醋生產(chǎn)的最佳工藝條件[12-16]，該研究可為蒸餾醋工業(yè)化生產(chǎn)提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

1.1.1 材料

糯米、麩皮、大糠，鎮(zhèn)江市市場所售。

1.1.2 儀器與設備

真空蒸餾器（包括帶夾層的蒸餾器、帶盤管的冷卻器和抽真空系統(tǒng)），自制。

1.2 方法

1.2.1 生產(chǎn)工藝

由大米或糯米經(jīng)糖化、酒精發(fā)酵和醋酸發(fā)酵后，將其發(fā)酵液在一定的真空度下加熱蒸餾，蒸餾液經(jīng)冷卻收集后勾兌得到所需的蒸餾醋，成品蒸餾醋中醋酸含量不小于3.5 g/100 mL。

真空度控制在0.03～0.07 MPa，加熱溫度控制在30～70℃，蒸餾時間控制在10～18 h。

1.2.2 測定項目與方法

1.2.2.1 酸度

采用GB/T 18623—2011[17]中規(guī)定的方法進行測定。

1.2.2.2 蒸餾醋得率

蒸餾醋得率（Y）按下列公式計算：

式中：C1為成品蒸餾醋醋酸含量，g/100 mL；C2為蒸餾用的發(fā)酵液醋酸含量，g/100 mL；V1為成品蒸餾醋體積數(shù)，m3；V2為蒸餾用的發(fā)酵液體積數(shù)，m3。

1.2.3 單因素試驗設計

初步選定真空度0.05 MPa，蒸餾溫度50℃，蒸餾時間14 h，分別考察真空度（0.03、0.04、0.05、0.06、0.07 MPa）、蒸餾溫度（30、40、50、60、70℃）、蒸餾時間（10、12、14、16、18 h）對蒸餾醋得率的影響。

1.2.4 蒸餾醋生產(chǎn)工藝響應面試驗

根據(jù)單因素試驗的結果，以真空度、蒸餾溫度和蒸餾時間為影響因素，以蒸餾醋得率為響應值，采用Design-Expert l設計Box-Behnken試驗，響應面試驗因素水平見表1。

表1 響應面試驗因素水平表Table 1 Response surface test factors and levels

1.2.5 蒸餾醋生產(chǎn)工藝優(yōu)化前后所得蒸餾醋感官品質(zhì)比較試驗

采用優(yōu)化得到的最佳生產(chǎn)工藝條件，進行3組平行試驗，將所得蒸餾醋的得率和理論的預測結果相比較，同時將優(yōu)化后工藝所得蒸餾醋的感官品質(zhì)與原工藝所得蒸餾醋進行比較。

1.2.6 數(shù)據(jù)處理

采用Design-Expert l設計Box-Behnken試驗并進行數(shù)據(jù)處理。

2 結果與分析

2.1 真空度對蒸餾醋得率的影響

由圖1可以看出，真空度越高，蒸餾醋的得率越高，但真空度達到0.04 MPa后變化基本不大，這是因為在蒸餾時存在蒸餾平衡，該平衡和真空度有極大的關系，但真空度太高也會使得達到此真空度的難度成倍增加，直接影響生產(chǎn)效率，使生產(chǎn)周期延長，所以確定真空度0.04、0.05、0.06 MPa為后續(xù)響應面試驗的水平值。

圖1 不同真空度對蒸餾醋得率的影響Fig.1 Effect of different vacuum degree on the yield of distilled vinegar

2.2 蒸餾溫度對蒸餾醋得率的影響

由圖2可以看出，隨著蒸餾溫度的上升，蒸餾醋的得率變高，到50℃后基本穩(wěn)定，說明蒸餾溫度對食醋中的乙酸和水分子間氫鍵的影響較大，所以確定蒸餾溫度40、50、60℃為后續(xù)響應面試驗水平值。

圖2 不同蒸餾溫度對蒸餾醋得率的影響Fig.2 Effect of different distillation temperature on the yield of distilled vinegar

2.3 蒸餾時間對蒸餾醋得率的影響

由圖3可以看出，蒸餾醋的得率隨著蒸餾時間的延長而升高，到14 h后增長放緩。時間過長會影響生產(chǎn)效率，使得生產(chǎn)周期延長，因此，確定蒸餾時間12、14、16 h為后續(xù)響應面試驗水平值。

圖3 不同蒸餾時間對蒸餾醋得率的影響Fig.3 Effect of different distillation time on the yield ofdistilled vinegar

2.4 響應面試驗結果

應用Design-Expert l軟件，得到響應面試驗設計及結果，見表2。

通過對表2的結果進行分析擬合，得到各響應面因素對蒸餾醋得率的二次回歸方程：

表2 蒸餾醋工藝響應面優(yōu)化試驗設計及結果Table 2 Design and results of response surface test for technology optimization of distilled vinegar

對所得到的回歸模型進行方差分析，結果見表3。

表3 回歸模型方差分析Table 3 Analysis of variance of regression model

回歸模型F值為92.25，P值＜0.000 1，表明該模型具有顯著性，A、B、C、AB、B2對模型影響極顯著（P＜0.01），C2對模型影響顯著（P＜0.05）。失擬項P=0.123 4＞0.05，說明失擬項不顯著。根據(jù)各因素F值大小可以得出，3個因素對蒸餾醋得率的影響依次為A（真空度）＞B（蒸餾溫度）＞C（蒸餾時間）。

2.5 響應面分析與優(yōu)化

根據(jù)回歸模型，對真空度（A）、蒸餾溫度（B）和蒸餾時間（C）兩兩交互作用對蒸餾醋得率的影響作響應曲面圖，結果見圖4～6。

圖4 真空度和蒸餾溫度的交互作用對蒸餾醋得率影響的響應面圖Fig.4 Response surface map of the effect of interaction of vacuum degree and distillation temperature on the yield of distilled vinegar

由圖4可見，真空度（A）和蒸餾溫度（B）的交互作用對蒸餾醋得率影響顯著，真空度一定時，隨著蒸餾溫度增加，蒸餾醋得率增加；而蒸餾溫度一定時，隨著真空度的增加，蒸餾醋得率也增加。由圖5可見，真空度（A）和蒸餾時間（C）的交互作用對蒸餾醋得率影響不顯著，真空度一定時，隨著蒸餾時間的增加，蒸餾醋得率增加不明顯；當蒸餾時間一定時，隨著真空度的增加，蒸餾醋得率增加。由圖6可見，蒸餾溫度（B）和蒸餾時間（C）的交互作用對蒸餾醋得率影響不顯著，蒸餾溫度一定時，隨著蒸餾時間的增加，蒸餾醋得率增加不明顯，當蒸餾時間一定時，隨著蒸餾溫度的增加，蒸餾醋得率增加是一種先急后緩的狀況。

圖5 真空度和蒸餾時間的交互作用對蒸餾醋得率影響的響應面圖Fig.5 Response surface map of the effect of interaction of vacuum degree and distillation time on the yield of distilled vinegar

圖6 蒸餾溫度和蒸餾時間的交互作用對蒸餾醋得率影響的響應面圖Fig.6 Response surface map of the effect of interaction of distillation temperature and distillation time on the yield of distilled vinegar

2.6 回歸模型驗證

采用Design-Expert l軟件，對所建立的模型進行參數(shù)最優(yōu)化分析，得到的最佳生產(chǎn)工藝條件為：真空度0.04 MPa，蒸餾溫度52.41℃，蒸餾時間15.78 h，在此條件下，蒸餾醋得率為75.075 6%。為了便于操作，調(diào)整生產(chǎn)工藝條件為：真空度0.04 MPa，蒸餾溫度52℃，蒸餾時間15.5 h，在此條件下進行3組平行試驗，得到蒸餾醋的平均得率為75%，結果和理論的預測結果高度吻合。

2.7 生產(chǎn)工藝優(yōu)化前后所得蒸餾醋感官品質(zhì)比較

經(jīng)響應面法優(yōu)化后的蒸餾醋生產(chǎn)工藝生產(chǎn)出的蒸餾醋感官品質(zhì)與原工藝比較無差異，所得產(chǎn)品均無色透明、有蒸餾醋特有的清香氣，酸味柔和，無異味。但原工藝的蒸餾醋得率為68%，經(jīng)工藝優(yōu)化后蒸餾醋得率為75%，蒸餾醋產(chǎn)量有所提高。由此可見，利用響應面法優(yōu)化蒸餾醋生產(chǎn)工藝可靠實用，具有實際價值。

3 結論

通過對醋酸發(fā)酵液低溫真空蒸餾生產(chǎn)工藝的研究，根據(jù)單因素試驗結果，選擇真空度、蒸餾溫度和蒸餾時間為影響因素，以蒸餾醋得率為響應值對蒸餾醋生產(chǎn)工藝進行響應面優(yōu)化，得到最佳生產(chǎn)工藝條件為：真空度0.04 MPa，蒸餾溫度52℃，蒸餾時間15.5 h，在此條件下進行驗證試驗，得到蒸餾醋得率為75%，和理論預測結果高度吻合，優(yōu)化后的生產(chǎn)工藝具有較好的應用價值。