嘉寶果果醋發酵動力學模型建立

熊亞，李敏杰*

(1.攀枝花學院 生物與化學工程學院(農學院)，四川 攀枝花 617000；2.攀枝花市干熱河谷特色生物資源開發四川省高校重點實驗室，四川 攀枝花 617000)

嘉寶果(Myrciariacauliflora)是桃金娘科薔薇屬常綠灌木，因其果實外形類似葡萄且長在樹干上，又被稱為“樹葡萄”[1]。嘉寶果樹是一種熱帶果樹，原產于南美洲的巴西中部至阿根廷東北部地區，中國臺灣最早從巴西引進種植，成為嘉寶果的重要產地，后來又推廣到福建省，目前在國內多個省份如浙江、廣東、四川和云南等地均有種植[2]。成熟的嘉寶果果實呈黑紫色，甘甜多汁，甜味程度大約在13°～18°[3]。近年來，人們對嘉寶果的興趣與日俱增，因為它的葉、果實、果皮等含有豐富的化學成分，其中的酚類成分，如花青素、鞣質、類黃酮等賦予了嘉寶果很強的抗氧化性，其中所含的功能性脂肪族化合物則賦予嘉寶果獨特的香氣和令人愉悅的口感[4-6]，嘉寶果具有很高的營養和醫學價值，在臨床上可用于提取具有抗炎癥、抗癌等功效的生物活性物質[7-9]，還可用于糖尿病、哮喘、心血管疾病、腹瀉及風濕等疾病的輔助治療[10]。嘉寶果樹一般要種植8年以上才開始結果，1年可以結4～6次果，其獨特的生長周期使其經濟收益十分可觀，但是嘉寶果果實不易保存，所以人們逐漸開始致力于開發更多的嘉寶果產品，在國外，以嘉寶果為原材料進行酒類、飲料、果汁、果醬、果凍、醋類、發酵甜點等的研究已有報道[11-16]，在國內，目前只有嘉寶果浸泡酒、起泡酒、桃酥類等產品的研究報道[17-19]，其他有關嘉寶果產品的報道還較少，所以嘉寶果作為一種營養價值和經濟價值都很高的水果具有很大的開發利用潛力。

本實驗以嘉寶果為原料進行嘉寶果果酒的發酵，再在果酒中加入果醋菌發酵，獲得嘉寶果果醋。在釀造過程中，對果醋菌的生長量(OD值)、酒精的消耗及產物醋酸的生成量進行測定，并通過建立發酵動力學模型來探討三者之間的相關性。果醋菌的生長量(OD值)、底物酒精的消耗及產物醋酸的生成量的規律可用發酵動力學數學模型進行直觀表達[20-21]，目前國內關于果醋動力學模型建立的報道較少，王榮榮等[22]對草莓果醋、薛媛媛[23]對蘋果醋的發酵動力學進行了研究；穆曉靜[24]對玫瑰醋發酵過程中的動力學特征等進行了研究；薛松[25]對椴樹蜜食醋進行了發酵工藝優化及發酵動力學模型的構建；熊亞等[26]對桑葚-草莓復合果醋的動力學模型進行了構建；張超等[27]對柑橘果渣醋酸發酵動力學參數進行了研究。目前關于嘉寶果果醋發酵工藝及動力學模型的建立還未見報道。建立嘉寶果果醋發酵動力學模型，可以為嘉寶果果醋發酵工藝參數優化及改進提供參考，也對進一步開拓嘉寶果產品及果醋種類的多樣性、工藝創新和市場開發具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

嘉寶果：網購自廣東保興堂生態有機農場；帝伯仕果酒專用活性干酵母、帝伯仕活性果醋菌：山東煙臺帝伯仕自釀機有限公司；食品級焦亞硫酸鉀(焦亞硫酸鉀≥93%)：山東淄博長城化工廠；HCl、H2SO4：成都金山化學試劑有限公司；3，5-二硝基水楊酸、氫氧化鈉、酒石酸鉀鈉、苯酚、D-無水葡萄糖對照品(均為分析純)：上海展云化工有限公司。

1.2 儀器與設備

HZT-FA220S型電子分析天平 福州華志科學儀器有限公司；FA-52AA型顯微鏡 上海青浦滬西儀器廠；PHS-25型pH計 上海雷磁儀器有限公司；H1987型手持糖度折光儀 河北慧采科技有限公司；WB-502S型恒溫水槽水浴鍋 廣東環凱微生物科技有限公司；FP622型希爾頓果蔬全自動榨汁機 安徽潁上力程儀器設備有限公司；0-100精密酒精計 河北滄州超越儀器儀表有限公司；722型可見分光光度計 青島聚創環保集團有限公司；BJPX-SG170Ⅱ立式恒溫振蕩培養箱 濟南鑫宇鑫醫療設備有限公司。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程

1.3.2 操作要點

將嘉寶果洗凈、去核、榨汁。

過濾：過濾掉果渣，在濾液中加入60 mg/L SO2，防止雜菌污染。

加入一定體積飲用純凈水：按嘉寶果果汁與水體積比為2∶1的比例加入飲用純凈水。

成分調整：測定加水后嘉寶果果汁的初始糖度約為130 g/L，加入白砂糖調節其糖度至230 g/L，測定其初始酸度為6.8 g/L，加入檸檬酸調整其酸度至4.5 g/L。

發酵：在果汁中加入0.6%的果酒酵母，在28 ℃恒溫培養箱中進行發酵，發酵時間為13 d。

醋酸發酵：在嘉寶果果酒中加入0.6 g/L果醋菌，在32 ℃的恒溫振蕩培養箱中進行醋酸發酵，發酵時間為10 d。

1.3.3 嘉寶果果酒發酵過程參數測定

測定果酒發酵結束時的酒精度及總糖含量。在果醋發酵期間(10 d內)每隔24 h測定酒精度、醋酸含量及果醋菌生長量(OD值)。

1.3.3.1 酒精度的測定

采用蒸餾法[28]進行測定。

1.3.3.2 總糖含量的測定

采用詹夢濤等[29]介紹的比色法進行總糖含量的測定。獲得標準曲線回歸方程為y=0.555 2x+0.017 9，相關系數R2=0.997。

1.3.3.3 果醋菌生長量的測定

采用分光光度計法，從接種果醋菌開始，在600 nm波長處每隔24 h測定果醋發酵液的OD值，OD值是反映果醋菌生長量的指標，能反映出果醋菌在發酵過程中的生長情況。

1.3.3.4 醋酸含量的測定

采用酸堿滴定法測定醋酸含量。

1.3.4 數據處理及發酵動力學模型的建立

測得嘉寶果果醋發酵期間的果醋菌生長量、酒精度及醋酸生成量數據，通過Origin 8.6軟件進行非線性擬合，根據相關系數的大小選擇果醋菌生長量、酒精度及醋酸生成量動力學模型的最佳原始方程，并通過回歸求解獲得原始方程的各項參數，建立對應的發酵動力學模型。

2 結果與分析

嘉寶果果酒發酵結束時測得其酒精度為12.0%，總糖含量為16.2 g/L。在果酒發酵液中按0.6 g/L的添加量接種果醋菌，進行10 d的果醋發酵。

2.1 嘉寶果果醋中果醋菌生長量、酒精含量、醋酸生成量的變化情況

嘉寶果果醋發酵過程中果醋菌生長量、酒精含量、醋酸生成量的變化情況見圖1。

圖1 嘉寶果果醋發酵過程中主要指標變化曲線Fig.1 Change curves of main indexes in the fermentation process of Myrciaria cauliflora fruit vinegar

果醋菌生長量和醋酸生成量隨著發酵時間的延長而不斷增加，尤其是在第3～8天迅速上升，然后變化趨于平緩，發酵結束時(第10天)測得醋酸生成量為6.79 g/dL。酒精含量在發酵前3 d變化較為緩慢，與果醋菌生長量和醋酸生成量在前3 d的變化趨勢相對應，在第3～8天，含量迅速下降，然后趨于平緩，第10天發酵結束時酒精含量為0.6%。果醋菌生長量、酒精含量、醋酸生成量的變化曲線符合發酵過程中菌體形成、底物消耗和產物形成三者間的對應關系，嘉寶果果醋在從果酒開始的發酵過程中，果酒中所含的酒精是果醋菌生長所要消耗的主要底物，所以果醋菌生長量快速增長的這段時期也是酒精含量快速下降的時期，由于大量消耗分解嘉寶果果酒中的各種營養物質及酒精，產物醋酸的生成量也快速增加。在發酵后期(第8～10天)，果醋菌生長量變化趨勢明顯變緩，這是因為果醋菌的生長狀態由生長對數期開始逐漸進入到穩定期，最后衰亡，其消耗酒精能力和產醋酸作用均開始減弱，酒精含量和醋酸生成曲線變化趨勢變緩。

2.2 果醋菌生長量動力學模型

果醋菌的生長量在延滯期、對數期和穩定期的生長曲線類似于“S”形，利用呈“S”形的Boltzmann、Logistic和SGompertz 3種模型對果醋菌生長量的變化趨勢進行非線性擬合。

表1 果醋菌生長量(OD值)的模型方程及其相關系數Table 1 The model equations and correlation coefficients of the growth of fruit vinegar bacteria (OD value)

由表1可知，對果醋菌生長量進行擬合的3種模型對應的相關系數分別為0.994 0，0.992 4，0.997 2，Boltzmann模型的相關系數最高，說明相比于其他兩種模型，它對果醋菌生長量的擬合性最好。其原始方程如下：

(1)

式中：y為果醋菌生長量(OD值)；A1為初始果醋菌生長量(OD值)；A2為發酵結束時果醋菌生長量(OD值)；x為發酵時間(d)；x0、dx為方程系數。

對式(1)進行非線性擬合，得A1=-0.001 12，A2=0.443，x0=5.18，dx=1.20。帶入式(1)得果醋菌生長量隨發酵時間變化的動力學模型為：

(2)

果醋菌生長量Boltzmann模型擬合曲線見圖2。

圖2 果醋菌生長量Boltzmann模型擬合曲線Fig.2 Fitted curve of Boltzmann model of growth of fruit vinegar bacteria

2.3 醋酸生成量動力學模型

由表2可知，醋酸生成量與果醋菌生長量的變化趨勢相對應，仍然采用Logistic、SGompertz和Boltzman 3種模型進行醋酸生成曲線的非線性擬合，相關系數分別為0.991 5，0.989 7，0.994 3。Boltzmann模型的相關系數最高，說明其擬合效果最好。方程如下：

(3)

表2 醋酸生成量模型方程及其相關系數Table 2 The model equations and correlation coefficients of acetic acid production

式中：y表示醋酸生成量(g/dL)；A1表示初始醋酸含量(g/dL)；A2表示發酵結束時的醋酸含量(g/dL)；x表示發酵時間(d)；x0、dx為方程系數。

通過Origin 8.6軟件對發酵過程中的醋酸含量和式(3)進行擬合，得到A1=0.041 8，A2=6.97，x0=5.07，dx=1.11，帶入式(3)得醋酸生成量隨發酵時間變化的動力學模型為：

(4)

醋酸生成量與Boltzmann模型擬合曲線見圖3。

圖3 醋酸生成量Boltzmann模型擬合曲線Fig.3 Fitted curve of Boltzmann model of acetic acid production

2.4 酒精消耗動力學模型的建立

酒精消耗動力學模型建立的擬合方程及相關系數見表3。

表3 酒精消耗模型方程及其相關系數Table 3 The model equations and correlation coefficients of alcohol consumption

發酵期間酒精含量的數據用Logistic、DoseResp和Boltzmann 3種模型進行非線性擬合，相關系數分別為0.995 2，0.995 1，0.995 1,Logistic模型的相關系數最高。酒精的消耗主要用于發酵過程中果醋菌的生長和醋酸的產生。Logistic模型原始方程如下：

(5)

式中：y表示酒精含量(%)；A1表示初始酒精度(%)；A2表示發酵結束時的酒精度(%)；x表示發酵時間(d)；x0、p為方程系數。

通過Origin 8.6軟件對酒精度和式(5)進行擬合，得A1=12.0，A2=-1.22，x0=5.56，p=3.39。帶入式(5)得動力學模型為：

(6)

酒精消耗的Logistic模型非線性擬合曲線見圖4。

圖4 酒精消耗Logistic模型擬合曲線Fig.4 Fitted curve of Logistic model of alcohol consumption

3 結論

從嘉寶果在發酵10 d期間果醋菌生長量(OD值)、酒精消耗及醋酸生成量的變化趨勢來看，三者相互關聯，在發酵第3～8天，醋酸生成量隨著菌體生長量的急劇增加而升高，同時，酒精含量迅速下降，發酵結束時(第10天)嘉寶果果醋中果醋菌生長量(OD值)為0.434，酒精度為0.6%，醋酸含量為6.79 g/dL。

用發酵動力學對嘉寶果果醋發酵過程中果醋菌生長量、基質消耗(即酒精度)和產物醋酸生成三者之間的關系進行定量描述，根據幾種模型非線性擬合相關系數的比較，以Boltzmann方程建立嘉寶果果醋的果醋菌生長量及醋酸生成量動力學模型，以Logistic方程建立酒精消耗動力學模型，3種模型的相關系數R2分別為0.997 2，0.994 3，0.995 2。說明選擇的動力學模型能很好地描述果醋菌生長量、醋酸生成量及酒精消耗在發酵過程中的變化及相互關聯情況。嘉寶果果醋發酵動力學模型的建立，為描述發酵的動力學特征及今后嘉寶果果醋的工業化生產提供了理論支持。