基于模糊数学分析下的香蕉果醋工艺改进研究

张世龙，李少觐

(1.川北幼儿师范高等专科学校，四川 广元 628017；2.新乡学院 药学院，河南 新乡 453003)

我国香蕉主要分布于云南南部、台湾、海南、广东南部、广西南部和福建南部。香蕉的栽培品种较多，印度有专门制作果酱和果汁的香蕉品种，泰国有专门用于生产淀粉和作为主食的品种，东非地区有用于酿酒的香蕉品种，香蕉在一些国家和地区还具有代替粮食的作用[1-2]。

香蕉的营养价值丰富，在亚热带和热带水果中占有重要的地位，根据中国科学院对香蕉成分的测定，结果表明香蕉中富含糖类、脂质、蛋白质和粗纤维，矿物质元素有钾、镁和铜，维生素有A，B，C和E。香蕉的能量高，每100 g香蕉果肉中含有20 g碳水化合物、1.2 g蛋白质和0.6 g脂肪。中医认为，香蕉味甘，具有清热解毒、清肺润肠、降血压和利尿等多重生物药用功能，是一种食药兼备的水果[3]。

果醋是一种以水果或者其他加工品的下角料作为原料，通过酒精发酵和醋酸发酵获得的一种营养丰富且风味优良的调味品，它同时具备醋和水果的功效。随着社会的发展和人们生活水平的提高，果醋在市场上备受关注，表面发酵、固体发酵和液体深层发酵等发酵工艺在食醋发酵方面的应用也越来越成熟[4]。

本试验采用植物乳酸杆菌和醋酸杆菌对香蕉果醋进行共同发酵，通过使用模糊数学矩阵方法进行分析，分别建立果醋发酵过程中的醋酸发酵与初始酒精度、接种量、发酵温度、pH值和发酵方式的关系，并最终选取3个影响最为明显的因素进行正交试验，分析并获得香蕉果醋制作的最佳工艺流程[5-6]。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

醋酸菌、植物乳酸杆菌、氢氧化钠、碘化钾、淀粉、牛肉膏、蛋白胨、酵母浸膏、葡萄糖、磷酸二氢钾、乙酸钠、硫酸镁、硫酸锰、吐温、柠檬酸氢二铵、碳酸钠、抗坏血酸、酚酞和重铬酸钾。

1.2 试验方法

1.2.1 香蕉果醋发酵工艺流程

香蕉→去皮→榨汁、护色→酶解→成分调整→杀菌→酒精发酵→醋酸发酵→过滤→陈酿→澄清→杀菌→质量检测→成品。

将香蕉清洗干净，使用果汁机榨取果实汁液，获得香蕉汁，加入0.2%的抗坏血酸对香蕉进行护色，放置在低温环境中储存待用；将香蕉果汁按照试验的要求装入三角瓶中，每瓶中加入3.0%的偏重亚硫酸钾，8 h后添加0.3%的果胶酶，充分摇匀，封口24 h；取1 g的酵母菌放入4%的葡萄糖溶液中，在35 ℃的恒温箱中进行菌种的活化，当溶液中出现大量的气泡时，放入4 ℃冰箱中备用；在香蕉果汁中加入已经活化好的酵母菌，摇匀，在32 ℃的温度下进行酒精发酵。将醋酸菌种接种于酒精发酵液中，摇匀，当果醋中的酸度不再增加时，终止醋酸发酵，过滤发酵液，制成香蕉果醋成品，密封保存[7]。

1.2.2 醋酸发酵单因素试验

影响香蕉果醋醋酸发酵的工艺众多，本试验主要研究醋酸发酵过程与初始酒精度(4%、6%、8%、10%)、接种量(4%、6%、8%、10%、12%、14%)、发酵温度(26，28，30，32，34 ℃)、pH值(3.0，3.5，4.0，4.5)和发酵方式5个因素对香蕉果醋中总酸含量的影响。

总酸的测定：酸碱滴定法[8-9]。

1.2.3 醋酸发酵工艺优化正交试验

在醋酸发酵单因素的基础上，以发酵液中的酸度作为评价指标，将初始酒精度、接种量和发酵温度作为考察因素进行正交优化试验，确定最佳的香蕉果醋发酵条件。模糊数学正交试验因素水平见表1。

表1 模糊数学正交试验因素水平Table 1 The factors and levels of fuzzy mathematics orthogonal test

1.2.4 感官评分标准

根据香蕉果醋的形态、颜色和风味3个方面进行评分[10]。将香蕉果醋的成品分别交给10名有经验的品评人员进行打分，最后进行计算，评分的标准见表2。

表2 香蕉果醋感官评分标准Table 2 The sensory scoring standards of banana fruit vinegar

2 结果与分析

2.1 初始酒精度对醋酸发酵的影响

酒精度是影响醋酸发酵的重要因素，是醋酸发酵的主要营养物质，对醋酸发酵的产酸量有着直接的影响，酒精度的升高能够增强醋酸菌发酵，产生更多的酸量。但是如果酒精浓度过高，则会抑制醋酸菌的生长，导致产酸量下降。本研究对初始酒精量(4%、6%、8%、10%)的添加进行了发酵研究。

由图1可知，随着酒精浓度的增加，发酵液中的总酸含量先增加后降低；当发酵时间小于3 d时，10%初始酒精浓度的发酵液中，总酸含量一直保持不变，原因可能是开始时酒精浓度过大，抑制了醋酸菌的发酵。当发酵时间超过4 d时，4%的酒精浓度不足以满足醋酸菌的发酵，发酵液中的总酸含量开始降低，因此选取适宜的初始酒精度是香蕉果醋生产达标的关键因素。本试验选取4%～8%的初始酒精浓度作为香蕉果醋制作的最佳区间。

图1 初始酒精度对醋酸发酵的影响Fig.1 The effect of initial alcohol content on acetic acid fermentation

2.2 接种量对醋酸发酵的影响

接种量的多少直接影响醋酸发酵的周期，随着醋酸菌接种量的增加，醋酸发酵的时间也会缩短。但是如果接种量过大，醋酸菌大量地繁殖，消耗发酵液中的营养物质，产生大量的代谢废物，醋酸菌提前发生老化和自溶，从而影响醋酸发酵。本研究通过对比不同的醋酸菌接种量(4%、6%、8%、10%、12%、14%)对醋酸发酵的影响，每间隔1 d测定一次醋酸发酵液中总酸的含量，每次测定取5次，算出平均值。

由图2可知，当醋酸菌的接种量为4%～6%时，随着接种量的增加，发酵液中总酸含量也不断增加；当接种量超过6%时，发酵液中的总酸含量越来越低。这是因为当发酵液中的营养物质一定时，醋酸菌种越多，消耗的营养物质就越多，造成产物转化减少，发酵液中的总酸含量也减少，本试验选取醋酸接种量4%～8%为最佳的区间。

图2 醋酸菌接种量对醋酸发酵的影响Fig.2 The effect of acetic acid bacteria inoculation amount on acetic acid fermentation

2.3 发酵温度对醋酸发酵的影响

醋酸菌在发酵液中进行发酵，在一定的温度范围内，随着温度的升高，菌种的代谢能力增强，产酸量也不断地增加；当发酵温度过高时，醋酸菌的生长受到抑制，导致醋酸产酸量下降。本试验根据研究报道醋酸发酵的温度范围，设置发酵温度为26，28，30，32，34 ℃进行试验。

由图3可知，当温度小于30 ℃时，发酵液中的总酸含量随着温度的升高而增高；当温度超过30 ℃时，随着温度的升高，发酵液中的总酸含量反而降低；当温度为30 ℃时，醋酸发酵结束后，发酵液中总酸的含量最高。发酵温度直接影响醋酸菌的生长发育，过高或者过低的温度都会影响醋酸菌的生长，本试验将28～30 ℃作为香蕉果醋发酵的最佳温度区间。

图3 发酵温度对醋酸发酵的影响Fig.3 The effect of fermentation temperature on acetic acid fermentation

2.4 pH值对醋酸发酵的影响

发酵液的pH值能影响醋酸菌的活性，当发酵液中的pH值过高或者过低时，微生物的生长都会受到抑制。此外，pH值也能影响发酵液中营养物质的积累和醋酸菌代谢物质的稳定性，从而致使醋酸菌产酸能力下降。

由图4可知，当发酵液的pH值由3.0升至3.5时，发酵液中的总酸含量也随着pH的增加而不断增加；当pH值高于3.5时，发酵液中的总酸量随着pH的升高而不断下降。当pH为3.5时，发酵液中总酸量达到最高。试验表明过高或者过低的pH均会影响醋酸发酵，抑制醋酸菌的生长。

图4 pH值对醋酸发酵的影响Fig.4 The effect of pH value on acetic acid fermentation

2.5 发酵方式对醋酸发酵的影响

醋酸菌是一种好氧真菌，在醋酸发酵的过程中，发酵液体中氧气含量的多少决定了醋酸发酵的程度。要使醋酸发酵彻底，则需要保证充足的氧气量。相关研究表明，通过使用打气和振荡的方式都能够提高醋酸发酵的效率。本研究通过对比振荡和静止两种方式对醋酸发酵的影响，从而选取最适合醋酸发酵的方式。

由图5可知，发酵时间在4 d以前，静置培养产生的总酸量高于振荡培养；发酵时间大于4 d时，发酵液中的总酸含量增长缓慢，远远低于振荡发酵。由于振荡培养能够为醋酸的生长发育提供足够的氧气，有利于发酵液中总酸的积累，因此本试验选择振荡发酵作为香蕉果醋发酵的最佳方式。

图5 不同的发酵方式对醋酸发酵的影响Fig.5 The effect of different fermentation methods on acetic acid fermentation

3 模糊感官评价及正交试验分析

通过对香蕉果醋醋酸发酵单一影响因素进行分析，可以得出单一影响因素结果。采用正交试验对香蕉果醋醋酸发酵工艺进行改进。香蕉果醋的感官评价结果见表3。

表3 香蕉果醋感官评价结果Table 3 The sensory evaluation results of banana fruit vinegar

根据正交试验结果按照3种不同的影响因素进行权重系数计算，获得9组模糊矩阵。9组模糊矩阵见表4。

表4 利用模糊数学获得的9组模糊矩阵Table 4 Nine groups of fuzzy matrices obtained by fuzzy mathematics

根据模糊数学原理和感官评价的方法，对9组正交试验进行计算，得出综合评价得分分别为A1=(80+80)×0.3+75×0.4=78，A2=(85+70)×0.3+70×0.4=74.5，A3=(85+70)×0.3+80×0.4=78.5，A4=(80+90)×0.3+80×0.4=83，A5=(90+80)×0.3+85×0.4=85，A6=(70+70)×0.3+70×0.4=70，A7=(85+90)×0.3+85×0.4=86.5，A8=(65+68)×0.3+65×0.4=65.9和A9=(90+85)×0.3+80×0.4=83，从9组香蕉果醋品质的感官评分中得出，第4组、第5组、第7组和第9组的得分均超过80分，其中第7组的得分最高，所以在进行香蕉果醋发酵过程中的醋酸发酵时，采用酒精度8%、醋酸菌接种量4%和发酵温度32 ℃的加工工艺，香蕉果醋的感官评价最高。

4 结论

利用单因素优化分析对香蕉果醋的品质进行单一因素确定，并通过模糊数学矩阵对香蕉果醋的品质进行感官综合评分，结合正交试验分析，确定香蕉果醋生产工艺的最佳组合方式，为香蕉的新型产品香蕉果醋的生产工艺改进提供了理论基础。