響應面法結合主成分分析優(yōu)化蘋果醋制作工藝

中圖分類號：TS275.4 文獻標志碼：A 文章編號：1000-9973（2025）07-0159-06

DOI：10.3969/j.issn.1000-9973.2025.07.023

Optimization of Apple Vinegar Production Process by Response Surface Method Combined with Principal Component Analysis

LIAN Wen-qi1，F(xiàn)ENG Ya-rong2 （1.School of Food and Environment， Jinzhong College of Information，Jinzhong O308oo，China; 2. Department of Biological Science and Technology，Jinzhong University， Jinzhong O30619，China）

Abstract： In order to optimize the production process of apple vinegar and obtain apple vinegar product with better taste and nutritional value，fresh apples are used as the raw materials to produce apple vinegar through alcohol fermentation and acetic acid fermentation. Response surface method combined with principal component analysis is used to optimize the fermentation processof apple vinegar. The effects of addition methods of two diffrent bacterial strains，fermentation temperature （30，32，34，36， 38^°C ）and fermentation time （8，9，10，11，12d） on the physicochemical indexes（pH value，total flavonoid content， total polyphenol content and total acid content）and sensory score of apple vinegar during fermentation are evaluated by response surface method， so as to optimize the production process of apple vinegar. The results show that the optimal fermentation process of apple vinegar is as folows： the mixture of strains A and B is added in equal proportions，the acetic acid fermentation time is 10d ，and the acetic acid fermentation temperature is 34^°C .Under these conditions，the pH value of apple vinegar is 4. O1，the total acid content is （4.59±0.02 ） g/100mL ，the total polyphenol content is （0，24±0.06）mg/mL ，and the total flavonoid content is （0，21±0，07 ） mg/mL . Meanwhile，the equation obtained by fitting with addition methods of bacterial strains，acetic acid fermentation time and acetic acid fermentation temperature as the factors is Y=37.511+41. 751A+15 .992B+32.531C-2.185AB -6.182AC+0.182BC-19.421A²-12.593B²- 18.423C² . This equation can predict the experimental results well and has certain guiding significance for the optimization of apple vinegar fermentation process.

Key Words： apple vinegar; response surface method; principal component analysis; optimization of production process

據統(tǒng)計，我國的蘋果種植面積和產量占世界總產量的 45% 以上。在世界范圍內，蘋果一般以鮮果出售，由于天氣、種植、磕碰、光照等原因，總產量約 20% 的蘋果的形狀、品相不能達到鮮果的銷售標準[1-2]，但其風味和營養(yǎng)成分并未受到影響，通常利用加工手段提升蘋果的附加值，蘋果醋、蘋果醬、蘋果汁是蘋果的主流深加工產品[3]。

蘋果醋是一款以蘋果汁為主要原料，經酒精發(fā)酵、醋酸發(fā)酵后獲得的清澈、具有獨特酸甜口感的飲品。其由于富含氨基酸、有機酸、維生素、礦物質等營養(yǎng)成分，具有促進消化、調節(jié)血糖、降血脂等多重保健功效，已成為全球消費者喜愛的飲品之一[4]。已有研究對蘋果醋中所含酚酸類衍生物（如綠原酸）、黃酮類物質（如槲皮素、異槲皮素、蘆丁等）的生理作用進行了深入研究[5-6]；同時對蘋果醋的非揮發(fā)性有機酸、揮發(fā)性物質進行了成分分析，了解了其香氣的主要貢獻成分[。蘋果醋不僅在食品工業(yè)中作為調味品用于烘焙、烹飪，而且被廣泛用于保健產品、個人護理產品中[8-9]。

然而，傳統(tǒng)的蘋果醋制作工藝時間長、效率低且品質受多種因素的影響，如發(fā)酵溫度、發(fā)酵時間、原料比例等，這些因素的優(yōu)化對于提高蘋果醋的生產效率和產品質量至關重要。隨著消費者對食品安全和營養(yǎng)成分的關注度的提升，對蘋果醋的品質要求也日益提高[10]。本文以新鮮蘋果為原料，經酒精發(fā)酵和醋酸發(fā)酵制作蘋果醋。利用響應面法優(yōu)化蘋果醋發(fā)酵工藝，評價發(fā)酵過程中菌種添加方式（菌種A、菌種B、菌種 A：B 為 1：1. 菌種 A{B} 為2：1 、菌種 A：B 為 1：2 ）、醋酸發(fā)酵溫度（30，32，34，36，38^°C ）和醋酸發(fā)酵時間（8，9，10，11，12d）對蘋果醋理化指標（pH值、總黃酮含量、總多酚含量、總酸含量）和感官評分的影響，以期探索并確定蘋果醋發(fā)酵過程中的最優(yōu)工藝參數，實現(xiàn)產品質量的最優(yōu)化，為蘋果深加工產業(yè)提供理論依據和技術支持。

1材料與方法

1. 1 材料與試劑

市售蘋果、綿白糖：購于美家美超市（太谷店）;無水乙醇、 NaNO₃ 、 NaNO₂ 、 ΔNaOH Na₂CO₃ 、HCl、 FeSO₄ 、 Fe₂O₃ 、Al₂O₃ ， .CH₃COOH. 蘆丁標準品、沒食子酸標準品、果膠酶（均為化學純）：山西同杰化學試劑有限公司；釀酒酵母、醋酸桿菌：山西省生物研究院有限公司。

1.2 儀器與設備

PD-01型酸度計、BZ201型分析天平、九陽JYZ-E5V 榨汁機濟南鑫貝西生物技術有限公司；TG-GY-10A型高壓蒸汽滅菌鍋、HA-CU-1GD型超凈工作臺蘇州安泰空氣技術有限公司；GED-0401Z型發(fā)酵罐上海博迅醫(yī)療生物儀器股份有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1蘋果醋發(fā)酵工藝流程

原料處理：將蘋果清洗干凈，去除腐爛和損傷部分，去皮后切成 1cm×1cm×1cm 的小塊后稱取 500g ，使用榨汁機將蘋果破碎榨汁。經100目濾網過濾后，向蘋果汁中加入果膠酶， 62^°C 酶解 150min 后， 120°C 加熱15min 使果膠酶滅活。加入 300g 綿白糖，攪拌均勻備用。

酒精發(fā)酵：待糖全部溶解均勻后，加入蘋果汁質量10% 的釀酒酵母，在 25^°C，12d 條件下進行酒精發(fā)酵，發(fā)酵完成后將混合物在室溫下自然沉降5d，經100目濾網過濾后的濾液進行后續(xù)發(fā)酵。

醋酸發(fā)酵：準確稱取發(fā)酵濾液，以 1：10 的比例接種醋酸桿菌。搖瓶液態(tài)發(fā)酵條件： 100r/min ，在一定發(fā)酵溫度和發(fā)酵時間條件下完成醋酸發(fā)酵（單因素實驗條件）。

殺菌：發(fā)酵產物經100目濾網過濾后，將濾液在120^°C 下滅菌 15min ，即完成蘋果醋生產過程。

1.3.2 蘋果醋發(fā)酵工藝優(yōu)化

1.3.2.1 單因素實驗

菌種添加方式：其他發(fā)酵工藝條件不變，在酒精發(fā)酵過程中，設置5種不同菌種添加方式（單獨添加菌種A、單獨添加菌種B、菌種 A：B 為 1：1 、菌種 A：B 為 2：1 F菌種 A：B 為 1：2） 。

醋酸發(fā)酵時間：其他發(fā)酵工藝條件不變，在醋酸發(fā)酵時以 34°C 進行發(fā)酵，比較發(fā)酵時間為8，9，10，11，12d時的發(fā)酵效果。

醋酸發(fā)酵溫度：其他發(fā)酵工藝條件不變，在醋酸發(fā)酵時發(fā)酵 10d ，比較發(fā)酵溫度為 30，32，34，36，38^°C 時的發(fā)酵效果。

1.3.2.2 響應面實驗設計

在單因素實驗的基礎上，以菌種添加方式、醋酸發(fā)酵時間和醋酸發(fā)酵溫度為考察因素，以感官評分、pH值、總酸含量、總多酚含量、總黃酮含量為響應值，利用Box-Behnken中心組合設計原理設計三水平三因素響應面實驗，因素和水平見表1。

表1蘋果醋發(fā)酵工藝優(yōu)化因素水平設計

1.3.3 蘋果醋理化指標檢測

1.3.3.1 pH值測定

取發(fā)酵好的蘋果醋 100mL ，利用酸度計進行pH值的測定。

1.3.3.2總酸、總多酚含量測定

依據GB/T5009.41—2003《食醋衛(wèi)生標準的分析方法》，采用滴定法進行總酸含量的測定[11]

準確稱取已烘干的沒食子酸標準品 110μL （濃度1mg/mL） ，定容至 100mL 容量瓶中，完全溶解后配制成母液。分別取 1.0，2.0，3.0，4.0，5.0mL 沒食子酸母液定容至 100mL ，配制成 0. 011，0. 022，0. 033，0. 044 .0.055mg/mL 的沒食子酸標準溶液，測定其在 758nm 處的吸光度值，繪制標準曲線（見圖1），標準曲線擬合方程為 y=3.194 8x+0.000 5（R2=0.996 7）[12-14]。

取 11.0mL 蘋果醋，加入 12% 福林酚溶液 4.5mL 混合均勻后于室溫下靜置 8min ，加人 5%NaCO₃ 溶液定容至 100mL 。測定蘋果醋溶液的吸光度值，代入標準曲線擬合方程 y=3.1948x+0.0005 ，計算蘋果醋的總多酚含量。

1.3.3.3總黃酮含量測定

參考時培寧等[15]的方法并略作修改。準確稱取已烘干的蘆丁標準品 100μL （濃度 1mg/mL） ，置于 100mL 容量瓶中，加入 30% 乙醇溶液定容至 100mL ，于室溫下靜置 10min 至蘆丁標準品完全溶解后配制成蘆丁母液。分別取 1.0，2.0，3.0，4.0，5.0mL 蘆丁母液定容至 100mL ，配制成 0. 01，0. 02，0. 03，0. 04，0. 05mg/mL 的蘆丁標準溶液，測定其在 628nm 處的吸光度值，繪制標準曲線（見圖2），標準曲線擬合方程為 y=10.457x+0.005 2 （R²=0.992 9） 。

取 10mL 蘋果醋，加入 30% 乙醇溶液，于室溫下反應 10min 后測定其在 628nm 處的吸光度值，代入標準曲線擬合方程 y=10.457x+0.005 2 ，計算蘋果醋的總黃酮含量。

以上理化指標均重復測定5次，進行平均值和方差比較。

1.3.4蘋果醋感官評價方法

選擇20位經食品感官評價訓練的學生（10男10女），依據蘋果醋感官評價標準（見表2）對蘋果醋產品的色澤、口感、氣味和組織結構進行評價。打分精確至小數點后一位，最終評分結果為20名學生評分加和平均值。

對蘋果醋各品質指標進行主成分分析，獲得特征值、貢獻率和累計貢獻率，將特征向量值 gt;1 的因子進行主成分分析，再對各指標進行綜合得分比較。

1.4 數據分析

利用Excel2012進行數據處理，利用SPSS20.0進行圖表繪制。

2 結果與分析

2.1單因素實驗條件下蘋果醋感官評分比較

各單因素發(fā)酵條件下蘋果醋的感官評分見表3。

表3各單因素發(fā)酵條件下蘋果醋的感官評分

由表3可知，添加單一菌種時蘋果醋的感官評分較低，在35分左右，蘋果醋口感較單一，氣味略有失衡；當菌種A和B以 1：1 添加進行蘋果醋發(fā)酵時，感官評分最高，為37.5分，蘋果醋色澤明亮、口感適中；在5種醋酸發(fā)酵時間下，隨著發(fā)酵時間的增加，蘋果醋的感官評分呈先升高后降低再升高的趨勢，在發(fā)酵9d時感官評分最高，達到38.1分；在5種醋酸發(fā)酵溫度下，隨著發(fā)酵溫度的升高，感官評分呈先升高后降低的趨勢，在 34^°C 時感官評分最高，為38.5分。

2.2單因素實驗條件下蘋果醋理化指標比較

不同發(fā)酵菌種添加方式下蘋果醋各理化指標見表4。

表4不同菌種添加方式下蘋果醋各理化指標比較

注：同列肩標不同小寫字母表示差異顯著 （Plt;0.05） ，采用Duncan法進行多重比較，下表同。

由表4可知，單一添加菌種A時總酸含量最高，因此其 pH 值最低，從感官評價角度來看，其酸度較高，影響總體蘋果醋的氣味評分和口感評分。單一添加菌種A時總黃酮含量最低，為 （0.16±0.008 ）mg/mL;單一添加菌種B時 pH 值最高，總酸含量最低；將菌種A和B以 1：1 添加時，酸度適中， pH 值為 3.8±0.08 ，總多酚含量和總黃酮含量分別為 （0.23±0.006 ） mg/mL 和（0.22±0.009）mg/mL

不同醋酸發(fā)酵時間下蘋果醋各理化指標見表5。

表5不同醋酸發(fā)酵時間下蘋果醋各理化指標比較

由表5可知，在發(fā)酵8d時， pH 值最高，總酸含量最低；隨著發(fā)酵時間的增加，蘋果醋產品的總酸含量上升，但總黃酮含量下降，總多酚含量在發(fā)酵8d和12d時差異不顯著。

不同醋酸發(fā)酵溫度下蘋果醋各理化指標見表6。

由表6可知，在 范圍內，隨著發(fā)酵溫度升高，酸度上升 Φ_?^pH 值下降）；當溫度超過 34^°C 后， pH 值出現(xiàn)回升現(xiàn)象，可能與高溫抑制醋酸菌活性有關。

2.3結合響應面實驗的主成分分析結果

2.3.1 響應面實驗結果

基于單因素實驗進行響應面實驗設計，結果見表7，并在此基礎上進行主成分分析。

2.3.2蘋果醋發(fā)酵工藝主成分分析

以蘋果醋發(fā)酵工藝中的菌種添加方式、醋酸發(fā)酵時間和醋酸發(fā)酵溫度為因素，通過SPSS2O.0軟件進行主成分分析，其檢驗平均值為97.391，檢驗顯著性P=0.028（lt;0.05） ，表明數據可用于主成分分析[16]。分析各特征值的貢獻率（見表8），總酸含量、 pH 值和感官評分的累計貢獻率達到 92.5% ；對特征向量值（見表9）進行檢驗可知，決定第1主成分的指標為總酸含量、pH值、感官評分；決定第2主成分的指標為總多酚含量和總黃酮含量，以上兩個主成分能夠較好地反映蘋果醋的品質情況[17]。

2.3.3.1 回歸方程分析

對3種因素及其對應的綜合得分（見表10）進行響應面分析，多元回歸擬合方程為 Y=37.511+41.751A? + 15.992B+32.531C—2.185AB—6.182AC+0.182BC—19.421A²-12.593B²-18.423C² 。

由表11可知，失擬項不顯著，模型極顯著，決定系數 R² 和修正系數 分別為0.9819和0.9841，因此該模型可以很好地進行蘋果醋的主成分分析[18]在各因素中，菌種添加方式（A）對蘋果醋品質的影響極顯著 （Plt;0.01） ，其次是醋酸發(fā)酵溫度 （C） ，影響顯著 ?Plt;0. 05） ；交互項 AC （即菌種添加方式與醋酸發(fā)酵溫度）對蘋果醋品質的影響極顯著 （Plt;0.01） 。

2.3.3.2 方程驗證

經響應面分析得出蘋果醋發(fā)酵的最優(yōu)工藝：菌種A和B等質量混合添加、醋酸發(fā)酵時間10d和醋酸發(fā)酵溫度34°C ，此時經擬合方程計算得其 pH 值為3.92，總酸含量為 （4.62±0.06 ） g/100mL ，總多酚含量為 （0，25± 0.04）mg/mL ，總黃酮含量為 （0，23±0，05） ）mg/mL。以此工藝進行蘋果醋發(fā)酵，所得實驗結果為 pH 值4.01、總酸含量 （4.59±0.02） ） g/100mL 、總多酚含量 （0，24± 0.06）mg/mL 總黃酮含量 （0，21±0，07 ）mg/mL。真實實驗結果與擬合方程計算結果基本一致，說明此模型可以用于評價和提升蘋果醋的品質[19]

3 討論與結論

本文以新鮮蘋果為原料，經酒精發(fā)酵和醋酸發(fā)酵制作蘋果醋。利用響應面法優(yōu)化蘋果醋發(fā)酵工藝，以響應面法結合主成分分析評價發(fā)酵過程中不同菌種添加方式（菌種A、菌種B、菌種 A：B 為 1：1 、菌種 A：B 為 2：1 、菌種 A：B 為 ζ₁：ζ₂） 、發(fā)酵溫度（30，32，34，36，38^°C ）和發(fā)酵時間（8，9，10，11，12d）對蘋果醋的理化指標（pH值、總黃酮含量、總多酚含量、總酸含量）和感官評分的影響。最優(yōu)蘋果醋發(fā)酵工藝為菌種A和B等質量混合添加、醋酸發(fā)酵時間10d和醋酸發(fā)酵溫度34^°C ，在此條件下蘋果醋的 pH 值為4.01，總酸含量為（4.59±0.02）g/100mL ，總多酚含量為 （0.24±0.06）mg/mL 總黃酮含量為 （0.21±0.07）mg/mL， 。同時，以菌種添加方式、醋酸發(fā)酵時間和醋酸發(fā)酵溫度為因素進行擬合所得方程為 Y=37.511+41.751A+15.992B+32.531C- 2.18 5AB-6.182AC+0.182BC-19.421A²-12.593B²-1 118. 423C² ，可以較好預測實驗結果，對蘋果醋發(fā)酵工藝優(yōu)化有一定指導意義。

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