固态发酵食醋醅真空冷冻干燥工艺优化

陈树俊，胡 坤

（山西大学 生命科学学院，山西 太原 030006）

食醋在我国已经过3 000多年的传承和发展[1]，山西老陈醋以其悠长历史、独特风味及营养价值居于中国“四大名醋”之首，为国家非物质文化遗产。老陈醋富含黄酮、多酚、有机酸[2]等多种功能性成分，具有抗氧化[3]、软化血管、调节脂质代谢、降血压、降低胆固醇等功效。但液体醋还是存在着直接饮用刺激性强、运输不便、营养物质损失等弊端，醋粉的出现就很好地规避了这些缺陷。

早在20世纪90年代已有醋粉的相关研究[4-6]，但先前的研究大都集中在将液体醋进行干燥而制得的醋粉，考虑到酿造过程中直接进行干燥的产品还很少见，陈树俊等[7]在酿造过程中对醋醅直接进行干燥，发现制得的醋粉能够更大程度地保留营养物质且易于贮存；赵瑞欢等[8]对老陈醋的沉淀物与沙棘果油混合制得的醋粉进行功能性研究，发现沉淀物中含有大量的营养物质；郑虎哲等[9]研究了粉末果醋的相关工艺，响应面分析得出了果醋包埋和喷雾干燥的最佳工艺条件。

本研究以苦荞（Fagopyrum tataricum）为原料，沙棘果渣、杜仲叶和燕麦麸皮为辅料，按照老陈醋制作方式进行发酵，因原料富含黄酮、多酚、松脂醇二葡萄糖苷[10-12]等功能性物质，在发酵过程中产生的川芎嗪使得醋醅具有更高的营养价值；对其醋醅直接进行真空冷冻干燥，在低温低压条件下可最大限度地降低营养成分的流失，防止醋醅中热敏性成分（如部分蛋白质、酸类、不稳定的黄酮、多酚等）失去功效[13-18]。该研究依据不同干燥因素对于干燥水平的影响，探索最佳工艺条件，经冻干脱水的醋醅成分稳定且易于贮运，为醋粉的生产提供了理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

苦荞：山西佳鑫食品有限责任公司；杜仲叶：张家界杜仲茶合作社；燕麦麸皮：山西青玉油脂有限公司；沙棘果渣：吕梁野山坡食品公司；大曲、快曲：山西紫林醋业股份有限公司；氢氧化钠（分析纯）：国药集团化学试剂有限公司；C20H14O4（分析纯）：天津市致远化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

DW-60W308低温冷冻转换箱：青岛海尔冰箱公司；DSC-500C差示扫描量热仪：上海众路实业有限公司；TSP90搁架式平板速冻机：天津市海特瑞斯机械设备有限公司；TFDS0.25食品真空冷冻干燥机：烟台中孚冷链设备有限公司；FW-80高速万能粉碎机：上海净信实业发展有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 醋粉制作工艺流程

1.3.2 操作要点

原料处理：苦荞面要求干净新鲜、无霉变，将10 kg苦荞面加入16 kg 70 ℃的水搅拌均匀，水分浸透后在0.17 MPa条件下蒸煮20 min，蒸至不粘手且不夹硬心。蒸熟的料加热水至料水比1∶2（g∶mL），搅拌均匀，摊平焖料20 min，冷却。

糖化液化：原料冷却至30 ℃左右，加入10%快曲，35%水搅拌均匀，30～40 ℃维持8 h。

酒精发酵：酒精发酵阶段加入约0.05%酵母、40%大曲，每天打粑2次敞口发酵，3 d后封缸密闭发酵16 d，酒精发酵完成后检测酒精度在9%vol～11%vol。

醋酸发酵：醋酸发酵阶段加入42%沙棘果渣、58%杜仲叶以及100%燕麦麸皮，搅拌均匀，拌醅到酒精度在4.5%vol～5%vol，第2天接入10%的新鲜“火种”进行醋酸发酵[19]，发酵时间在7 d左右。

熏醅：将完成发酵的醋醅放入熏醅装置，温度在70～90 ℃，每天翻醅1次，2 d后出醅，熏醅阶段完成。

真空冷冻干燥：将醋醅放到速冻机的物料盘上，温度设置为-40 ℃，插入温度探头预冻4 h。整个干燥阶段干燥仓内的真空度要维持在10 Pa，升华干燥阶段加热系统温度设定为25 ℃，10 h后升华干燥阶段完成，在此过程中密切关注仓内醋醅的干燥情况和温度曲线的变化情况。完成升华干燥后，将温度设为30 ℃进行解析干燥，加热到物料温度与加热板的温度基本接近后保持一段时间，解析干燥结束，关闭制冷系统、加热系统、真空泵，打开排气阀使仓内的气压达到大气压后打开仓门，取出干燥醋醅。

粉碎：经干燥的醋醅用高速万能粉碎机粉碎至粉末状，装袋密封制成醋粉。

1.3.3 共熔、共晶点测定

表1 温度控制设置程序Table 1 Temperature control setting program

采用差示扫描量热法（differential scanning calorimetry，DSC）[20-21]，称取30～40 mg样品置于铝制40 μL坩埚，将坩埚放到差示扫描量热仪的检测平台上，同时将空白的40 μL铝制坩埚置于参比槽，温度控制采用Star E程序，按照表1设置进行温控，检测结束后分析DSC曲线，标记出曲线所示变化过程放热峰、吸热峰的起点。

1.3.4 单因素试验

冻干过程中干燥仓内真空度维持在10 Pa，设置升华温度25 ℃，解析温度30 ℃，物料厚度3 cm为默认条件，改变一个操作条件考察不同升华温度（20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃）、解析温度（30 ℃、35 ℃、40 ℃、45 ℃、50 ℃）、物料厚度（2.0 cm、2.5 cm、3.0 cm、3.5 cm、4.0 cm），通过测定总酸含量和计算干燥速率评估各因素不同设置下干燥效果，选出最佳冻干条件。

1.3.5 响应面优化试验

依照单因素试验结果，以升华温度、解析温度、物料厚度为3个评价因素[22]，以总酸含量、干燥速率为响应值，根据Box-Behnken设计原理，设计试验因素与水平如表2。

表2 醋粉冻干工艺优化响应面试验因素与水平Table 2 Factors and levels of response surface methodology for freeze-drying process optimization of vinegar powder

1.3.6 指标测定

总酸含量测定：按照GB/T 12456—2008《食品中总酸的测定》中酸碱滴定法。

干燥速率计算：冻干前后分别对醋醅进行称质量，冻干过程记录消耗的时间，计算醋醅的冻干速率，其计算公式如下：

式中：F为冻干速率，%/h；M1为干燥前原料的质量，g；M2为干燥后原料的质量，g；T为冻干消耗的时间，h。

1.3.7 数据处理

应用Design-Expert 8.0.6进行响应面试验与分析，用Excel 2016、Origin Pro 2018C软件绘制数据图表，重复3次，试验结果以平均值±标准差（X±S）形式表示。

2 结果与分析

2.1 共晶点、共熔点测定结果与分析

共熔、共晶点的测定结果对于真空冷冻干燥过程中的温度设定有指导意义，通常以共晶点为参考判断物料冻结温度。差示扫描量热系统以温度和时间为横坐标，以样品吸热或放热速率为纵坐标得出的DSC曲线见图1。在测定过程中采用快冻慢升工艺，降温过程中水结晶，第一个放热峰即水的结晶峰，由于温度降至醋醅的过冷温度，在冻结过程中醋醅产生过冷现象，导致DSC曲线中醋醅的共晶点被水结晶峰覆盖，观察不到共晶点。晶体物质在熔化时吸热会在DSC曲线中产生吸热峰，观察图1可得物料的共熔点为-31.08 ℃。通常物料的共熔点都高于其共晶点，所以即使没有观察到共晶点也可以以共熔点作为参考指导物料预冻时的温度设定，参考醋醅的共熔点，设置低于共熔点8～10 ℃[22-23]（即-39.08～-41.08 ℃）为预冻温度设置范围，考虑到实际操作过程设置-40 ℃为物料预冻温度。

图1 醋醅差示扫描量热曲线Fig.1 Differential scanning calorimetry curve of Cupei

2.2 单因素试验结果

2.2.1 升华温度影响试验结果及分析

由图2可知，在一定的温度范围内，醋醅的干燥速率与升华温度正相关，总酸含量与升华温度负相关。但图中有明显的分界点（30 ℃），升华温度低于30 ℃时，干燥速率随温度的上升提升的较快，而总酸含量却下降地较缓慢；温度升至30 ℃以上后，随着温度的升高，干燥速率缓慢升高，总酸含量快速降低。夏业鲍等[24]在冻干蔬菜的共晶点、共熔点测定研究中提出升华温度过低干燥速率也会很低，干燥时间会很长，容易造成不必要的能源浪费，而温度过高可能会超过物料的共熔点而导致冰晶融化，影响冻干效果，综合考虑后选择25 ℃、30 ℃、35 ℃三个水平进行响应面工艺优化试验。

图3 解析温度对醋醅干燥速率和总酸含量的影响Fig.3 Effect of resolve temperature on drying rate and total acid content of Cupei

2.2.2 解析温度影响试验结果及分析

由图3可知，在解析干燥阶段醋醅的干燥速率较升华干燥阶段高，是因为在解析干燥阶段物料中占大部分的自由水已被除去，只剩余少量结晶水，但随着解析温度的升高干燥速率的升高并不明显，整体的上升趋势较为平缓；相反，温度升至35 ℃时，温度升高的同时总酸含量下降的速度加快，出现这个现象的原因在于物料中水分变少而酸挥发加快，所以选择30 ℃、35 ℃、40 ℃三个水平进行后续的响应面冻干工艺优化。

图4 物料厚度对醋醅干燥速率和总酸含量的影响Fig.4 Effect of material thickness on drying rate and total acid content of Cupei

2.2.3 物料厚度影响试验结果及分析

由图4可知，干燥过程中物料厚度增加，干燥速率会逐渐下降，陈树俊等[7]在响应面法优化杂粮醋粉真空冻干工艺中分析出现这种现象的原因主要是传热过程是从物料表层逐级向里层传递，在传递的过程中物料会产生一定的阻力，物料厚度越大阻力也就越大，干燥速率就会越慢。随着物料厚度的增加，传质的阻力也越大，酸的挥发受到了阻碍，同时水分还在不停地挥发，故总酸的含量会逐渐升高，但升高的趋势较平缓，相比之下在此过程中干燥速率的降低趋势较为明显，综合考虑，选择2.5 cm、3.0 cm、3.5 cm三个水平进行响应面工艺优化试验。

2.3 响应面试验结果

2.3.1 响应面试验设计及结果

在醋醅冻干响应面试验中，以Box-Behnken进行试验方案设计，以升华温度、解析温度和物料厚度为自变量，干燥速率和总酸含量两个响应值对冻干效果进行评价，回归分析结果见表3。

表3 醋醅冻干工艺响应面试验结果Table 3 Response surface test results of freeze-drying process of Cupei

续表

2.3.2 回归方程及参数分析

用Design-Expert 8.0.6对表3中数据进行多元回归拟合，得到Y1和Y2的二次回归方程：

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

回归方程方差分析见表4。由表4可得，Y1回归模型极显著（P＜0.001），表明误差较小、拟合度好、较精确；模型的预测值与考察值高度相关，该模型可用于探索各因素对于醋醅干燥速率影响的变化趋势。3个因素对醋醅干燥速率的影响大小为A＞C＞B，即升华温度＞物料厚度＞解析温度。总酸含量Y2回归模型极显著（P＜0.001），表明误差较小、拟合度好，模型的预测值与考察值相关度较高，该模型可用于探索对醋醅总酸含量影响的趋势。3个因素对醋醅干燥速率的影响大小为B＞A＞C，即解析温度＞升华温度＞物料厚度。

表4 回归方程方差分析Table 4 Analysis of variance of regression equations

2.3.3 各因素交互作用对醋醅干燥速率的影响

由图5可以看出，干燥速率与升华温度、解析温度的变化趋势都呈正相关，但相比而言，升华温度对干燥速率的影响比解析温度更显著；干燥速率与升华温度正相关，与物料厚度呈负相关，且从图中可明显观察到等高线为椭圆形，说明升华温度、物料厚度交互作用显著（P＜0.05）；干燥速率与解析温度呈正相关，与物料厚度负相关，与前图中观察到的现象一致。

图5 各因素交互作用对醋醅干燥速率影响的响应面和等高线Fig.5 Response surface plots and contour lines of effects of interaction between each factor on drying rate of Cupei

2.3.4 各因素交互作用对醋醅总酸含量的影响

由图6可知，总酸含量与升华温度呈负相关，与解析温度负相关，由于在干燥的最后阶段，醋醅中的水分已然不多，而酸的挥发加剧，导致总酸含量的快速减少，表现为图中解析干燥阶段总酸含量的急剧降低；总酸含量与升华温度呈负相关，与物料厚度正相关，这是由于物料厚度的增加加大了对传质的阻碍作用，本可能挥发的酸受到阻碍保留下来，而水分又在逐渐减少，呈现出来的现象就是总酸含量的上升；总酸含量与解析温度负相关，与物料厚度正相关，与前图观察到的现象一致。

图6 各因素交互作用对醋醅总酸含量影响的响应面和等高线Fig.6 Response surface plots and contour lines of effects of interaction between each factor on total acid content of Cupei

2.3.5 验证试验

响应面分析得，以干燥速率为响应值时，得出最优工艺条件：升华温度31.87 ℃，解析温度35.74 ℃，物料厚度2.71 cm，该条件下预测干燥速率为3.88%/h；以总酸含量为响应值时，得到最佳工艺条件为升华温度25.55 ℃，解析温度29.76 ℃，物料厚度3.43 cm，该条件下预测总酸含量为8.92 g/100 g。为保证醋粉品质，在保证酸含量前提下，干燥速率尽可能最大化，综合优化得到最佳工艺条件：升华温度28.71 ℃，解析温度32.75 ℃，物料厚度3.07 cm，在该条件下按照模型预测干燥速率3.69%/h，总酸含量8.69 g/100 g。考虑到实际操作，调整条件为升华温度29 ℃，解析温度33℃，物料厚度3 cm，在上述条件下试验得到醋醅干燥速率为（3.67±0.11）%/h，总酸含量（8.71±0.23）g/100 g，试验值与软件预测的值相近，表明该模型能够很好地预测冻干条件与干燥速率、总酸含量的关系，也证明利用响应面法优化该工艺条件的合理性。

2.4 降压醋粉冻干曲线

图7 醋醅干燥曲线Fig.7 Drying curve of Cupei

由图7可知，起初加热温度维持在26～28 ℃，后半程加热温度在30～32 ℃；而物料温度持续上升且上升速度越来越快，在607 min时物料温度升至0 ℃，在800 min之后稳定在36 ℃左右且略高于加热板的温度，维持一段时间后冷冻干燥基本结束，在整个冻干的过程中干燥仓内的真空度保持在10 Pa。

3 结论

根据老陈醋制作方法发酵苦荞面，醋酸发酵时加入沙棘果渣、杜仲叶和燕麦壳，熏醅完成后冻干、磨粉制得降压醋粉。经试验确定其真空冷冻干燥最佳工艺条件：升华温度29 ℃，解析温度33 ℃，物料厚度3 cm。在该优化冷冻干燥条件下进行试验得到干燥速率为3.67%/h，g干醅总酸含量8.71 g/100 g，增加了醋粉生产的理论经验，使得后续的批量生产和市场开拓有理可依。