苹果幼果红薯复合果粮醋发酵工艺优化及品质分析

摘要：文章以苹果幼果与红薯为原料，采用单因素试验与响应面试验确定苹果幼果-红薯复合果粮醋醋酸发酵的最佳工艺；在此基础上，比较分析发酵前（苹果幼果-红薯复合果粮汁）、发酵后（苹果幼果-红薯复合果粮醋）以及市售苹果醋的抗氧化能力；采用顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用法（HS-SPME-GC-MS）检测发酵前（苹果幼果-红薯复合果粮汁）、发酵后（苹果幼果-红薯复合果粮醋）以及市售苹果醋的挥发性风味物质。结果表明，醋酸发酵的最佳工艺为醋酸菌接种量10%、初始酒精度7%、发酵温度31 ℃。与苹果幼果-红薯复合果粮汁、市售苹果醋相比，苹果幼果-红薯复合果粮醋具有较强的抗氧化能力，挥发性风味物质更丰富，酸类、酯类物质的种类和含量显著更高。该研究可为苹果幼果-红薯复合果粮醋的开发提供数据支撑。

关键词：苹果幼果；红薯；果粮醋；发酵工艺；抗氧化能力；挥发性风味物质

中图分类号：TS264.2 """""文献标志码：A """"文章编号：1000-9973（2024）10-0001-08

Optimization of Fermentation Process and Quality Analysis of Young

Apple-Sweet Potato Compound Fruit Grain Vinegar

ZHANG Xia1， GUO Yu-qi1， AN Qi1， MA Yan-hong1，2， WANG Xiang3，

FAN Feng-ping4， WANG Yu1*

（1.College of Food Science and Engineering， Shanxi Agricultural University， Jinzhong 030801， China;

2.Institute of Agro-products Processing， Jiangsu Academy of Agricultural Sciences， Nanjing 210014，

China; 3.Jinzhong National Agricultural Hi-tech Industries Demonstration Zone Management

Committee， Jinzhong 030800， China; 4.Agricultural Comprehensive Administrative

Enforcement Team of Qi County， Jinzhong City， Shanxi Province，

Jinzhong 030800， China）

Abstract： In this paper， with young apple and sweet potato as the raw materials， the optimal process for acetic acid fermentation of young apple-sweet potato compound fruit grain vinegar is determined using single factor test and response surface test. Based on this， the antioxidant capacity of young apple-sweet potato compound fruit grain juice before fermentation， young apple-sweet potato compound fruit grain vinegar after fermentation and commercially available apple vinegar is compared and analyzed. Headspace solid-phase microextraction-gas chromatography-mass spectrometry （HS-SPME-GC-MS） is used to detect the volatile flavor substances of young apple-sweet potato compound fruit grain juice before fermentation， young apple-sweet potato compound fruit grain vinegar after fermentation and commercially available apple vinegar. The results show that the optimal process for acetic acid fermentation is inoculation amount of acetic acid bacteria

of 10%， initial alcohol content of 7% and fermentation temperature" of 31 ℃. Compared with young apple-sweet potato compound fruit grain juice and commercially available apple vinegar， young apple-sweet potato compound fruit grain vinegar has stronger antioxidant capacity， more abundant volatile flavor substances， and significantly higher types and content of acids "and esters. This study could provide data support for the development of young apple-sweet potato compound fruit grain vinegar.

Key words： young apple; sweet potato; fruit grain vinegar; fermentation process; antioxidant capacity; volatile flavor substances

苹果营养丰富，具有抗氧化、调节血糖、防癌、提高免疫力等保健功能[1-2]。目前，市面上的苹果产品有浓缩苹果汁、果酱、苹果醋等，然而，以苹果幼果为原料制成的产品比较罕见。苹果在种植过程中会进行疏花疏果，疏除的幼果造成了资源浪费、环境污染等问题，因此，高值化利用苹果幼果对经济发展与环境保护具有实际意义。根据研究，苹果幼果富含多酚、多糖等功能性成分[3]，尤其是多酚含量约为成熟苹果的10倍，研究表明，它们对人体有抗氧化、抑制肿瘤、抗诱变、防癌等多种保健功能[4-5]。因此，可利用苹果幼果生产功能性产品。

红薯营养丰富，富含淀粉、蛋白质、VA、VC、氨基酸、膳食纤维等营养成分，具有降血压、防癌、提高人体免疫力、润肠通便等保健功能[6-7]。目前，利用红薯开发的产品有果脯、软糖、果酱、面包、锅巴、全粉膨化薯片等。

本文以疏除的苹果幼果为主要原料，与红薯复配发酵制成果粮醋。红薯淀粉含量多、味道香甜，苹果幼果成熟度低、涩味重，两者复配可使风味更加协调。制成的果粮醋丰富了醋的种类，并将苹果幼果变废为宝，实现了其功能化利用。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

富士苹果幼果：采自山西皓美果蔬股份有限公司基地，2022年6月下旬采集，单果平均质量75 g，处理前保存于0 ℃冷库中；红薯：山东烟薯25号（市售）；α-淀粉酶、糖化酶、葡萄糖、柠檬酸、果胶酶、乙醇（均为食品级）：太谷县永利化工试剂经销部；氢氧化钠：天津市恒兴化学试剂制造有限公司;醋酸菌：山西农业大学山西老陈醋研究中心；福林酚：北京索莱宝科技有限公司；1，1-二苯基-2-三硝基苯肼（DPPH）、2，2′-联氮-双（3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸）二铵盐（ABTS）：上海蓝季科技发展有限公司。

1.2 主要仪器与设备

P4型紫外可见分光光度计 上海美谱达仪器有限公司；ZHWY-1102C恒温培养振荡器 上海智城分析仪器制造有限公司；SW-CJ-2FB超净工作台 绍兴博纬仪器设备有限公司；Trace 1300气相色谱-质谱联用仪 美国Thermo Fisher Scientific公司。

1.3 方法

1.3.1 工艺流程及操作要点

1.3.1.1 工艺流程

1.3.1.2 操作要点

苹果幼果汁的制备：将苹果幼果热烫处理1 min后，以1∶2的料液比打浆（加入1%的柠檬酸护色）。添加0.05%果胶酶于50 ℃水浴酶解3 h后，于90 ℃水浴灭酶10 min。在4 000 r/min条件下离心15 min，得到苹果幼果汁。

红薯液的制备：将红薯去皮、切片、蒸熟，以1∶1.5的料液比打浆。加入0.2%的α-淀粉酶酶解90 min后，加入0.3%的糖化酶酶解45 min。在液化、糖化结束后分别在90 ℃条件下灭酶20 min。

调配：将苹果幼果汁与红薯液按1∶1的比例混合后，于85 ℃水浴灭酶15 min。

酵母菌活化：用2%蔗糖水在37 ℃条件下活化酵母菌10 min。

酒精发酵：将接种量为0.2%的酵母菌接入初始糖度为18 °Brix、pH为4的混合果粮汁中，在28 ℃恒温培养箱中发酵8 d。

醋酸菌活化：在100 mL蒸馏水中加入2%葡萄糖与1%酵母膏，用8层纱布封口，进行高压蒸汽灭菌。冷却后，加入4%无水乙醇，摇匀，采用接种环接入两环醋酸菌，放入恒温培养振荡器中振荡，直至吸光度为1时即醋酸菌活化成功。

醋酸发酵：将醋酸菌接种到苹果幼果-红薯酒醪中，在30 ℃、转速150 r/min的摇床培养箱中进行发酵，9 d后测定总酸与多酚的含量。

杀菌：将发酵完成的果粮醋于85 ℃水浴25 min，迅速冷却后，在无菌条件下灌装。

1.3.2 醋酸发酵工艺优化

1.3.2.1 单因素试验

以醋酸菌接种量（4%、6%、8%、10%、12%）、初始酒精度（4%、5%、6%、7%、8%）、发酵温度（26，28，30，32，34 ℃）为单因素，考察其对总酸、多酚含量的影响。

1.3.2.2 响应面试验

在单因素试验的基础上，以总酸含量为指标，进行响应面试验，试验因素水平见表1。

1.3.3 指标的测定

多酚含量的测定：采用福林酚法[8]；总酸含量的测定：参照GB 12456—2021中的方法。

1.3.4 抗氧化能力的测定

1.3.4.1 DPPH自由基清除率的测定

分别在0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9 mL的样品液中加入2 mL浓度为0.2 mmol/L的DPPH溶液，避光放置0.5 h，在517 nm处测定其吸光度值，记为Ai;同等条件下，相同体积的样品液与2 mL无水乙醇混合液的吸光度值记为Aj;相同体积无水乙醇与2 mL DPPH混合液的吸光度值记为A0[9]。DPPH自由基清除率计算公式：S=[1－（Ai－Aj）]/A0×100%。

1.3.4.2 ABTS自由基清除率的测定

用乙醇将ABTS溶液稀释，使其在734 nm处的吸光度值为0.7±0.02。分别在0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9 mL的样品液中加入0.8 mL ABTS溶液，摇匀并避光放置6 min，在734 nm处测其吸光度值记为Ai；同等条件下，相同体积的无水乙醇与0.8 mL ABTS溶液的混合液吸光度值记为Aj[9]。ABTS自由基清除率计算公式：S=（Aj－Ai）/Aj×100%。

1.3.4.3 羟基自由基清除率的测定

分别在0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9 mL的样品液中依次加入2 mL 1.8 mmol/mL 的FeSO4溶液（使用时稀释了10倍）、1.5 mL 1.8 mmol/mL的水杨酸溶液（使用时稀释了10倍）、0.3% H2O2溶液0.1 mL，在37 ℃下水浴避光0.5 h，在510 nm处测定吸光度值，记为A。同等条件下，将样品液换成蒸馏水，测定其吸光度值，记为A0[10]。羟基自由基清除率计算公式：S=（A0－A）/A0×100%。

1.3.5 挥发性风味物质的测定

在20 mL顶空瓶中移入6 mL样品，加入1.2 g NaCl，摇匀，在30 ℃下平衡30 min，将老化的SPME萃取头插入顶空瓶中吸附40 min后进行解吸[11]。

色谱条件：DB-5MS石英毛细管柱（60 m×0.25 mm，0.25 mm），初温35 ℃，保持6 min，以5 ℃/min升到150 ℃，再以10 ℃/min升到250 ℃。进样口温度为250 ℃，不分流进样，载气为氦气（He）；流速为1 mL/min[12]。

质谱条件：电子电离源；接口温度280 ℃，离子源温度250 ℃，质量扫描范围43～500 amu。

1.3.6 数据处理

采用Excel 2019和IBM SPSS Statistics 2023对数据进行处理与分析，采用Origin 2022进行作图。

2 结果与分析

2.1 醋酸发酵试验结果

2.1.1 醋酸发酵单因素结果分析

2.1.1.1 醋酸菌接种量对醋酸发酵的影响

由图1可知，当醋酸菌接种量为4%～10%时，果粮醋的总酸含量呈上升趋势，这是因为醋酸菌将乙醇转化成醋酸，因此总酸含量增加。当接种量大于10%时，总酸含量呈下降趋势，这可能是接种量过大不仅会将乙醇氧化成水和二氧化碳，而且会使醋酸菌出现衰退、老化现象，因此总酸含量降低[13-14]。多酚含量随着总酸含量的升高而降低，可能是醋酸发酵是氧化反应，生成的醋酸越多意味着氧化反应越强，多酚越易被氧化，因此多酚含量会随着总酸含量的升高而降低[15]。综合考虑，选择最佳醋酸菌接种量为10%。

2.1.1.2 发酵温度对醋酸发酵的影响

由图2可知，当发酵温度为26～30 ℃时，总酸含量随着发酵温度的上升而升高，当发酵温度高于30 ℃时，果粮醋的总酸含量随着发酵温度的升高而逐渐降低，这是因为温度过低或过高都会抑制醋酸菌的活性，使果粮醋中的总酸含量降低[16]。多酚含量随着总酸含量的上升而下降，这可能是因为多酚易溶于乙醇，在发酵温度为30 ℃时，发酵液中的醋酸菌转化率最高，因此酒精度最低，故溶解的多酚含量较低[17]。综合考虑，选择30 ℃为最佳发酵温度。

2.1.1.3 初始酒精度对醋酸发酵的影响

由图3可知，初始酒精度在4%～7%之间时，总酸含量随着初始酒精度的增加而增加，可能是乙醇为醋酸菌提供了碳源，促进了醋酸菌的生长，故总酸含量升高[18]。当初始酒精度大于7%时，总酸含量降低，可能是初始酒精度过高会抑制醋酸菌的生长，使总酸含量下降[19]。初始酒精度为4%时，多酚含量最低；当初始酒精度为8%时，多酚含量最高，这可能与发酵液中初始酒精度的含量有关，多酚在乙醇中的溶解度较大。综合考虑，选择7%为最佳初始酒精度。

2.1.2 响应面优化醋酸发酵工艺

2.1.2.1 响应面试验设计及结果

在单因素试验的基础上，以总酸含量为指标，设计三因素三水平的响应面试验，结果见表2，方差分析见表3。

应用响应面软件进行分析，得到二元多项式回归方程： Y=4.45－0.11A－0.13B+0.15C+0.020AB+0.080AC+0.035BC－0.65A2－0.27B2－0.21C2。

由表3可知，回归模型极显著（P＜0.000 1），失拟项不显著（P=0.247 4＞0.05），此模型的R2 =0.989 7，RAdj2=0.976 5，说明模型的拟合度较好，因此该模型能对果粮醋的总酸含量进行分析[20]。由F值可知，3个因素对总酸含量的影响顺序为发酵温度（C）＞初始酒精度（B）＞醋酸菌接种量（A）。

2.1.2.2 各因素间交互作用分析

响应面图的曲面越陡峭，表明交互作用越强。等高线的形状越接近椭圆形，表明交互作用越显著[21]。各因素交互作用对总酸含量影响的等高线和响应面图见图4。

由图4可知，醋酸菌接种量与初始酒精度、初始酒精度与发酵温度的交互作用对总酸含量的影响不显著，醋酸菌接种量与发酵温度的交互作用对总酸含量的影响显著。

2.1.2.3 验证试验

通过响应面分析软件得到醋酸发酵最佳工艺为醋酸菌接种量9.868%、初始酒精度6.776%、发酵温度30.677 ℃，在此条件下预测的总酸含量为4.492 g/100 mL。根据实际操作的可行性，将最佳工艺调整为醋酸菌接种量10%、初始酒精度7%、发酵温度 31 ℃，在此条件下进行3次平行试验，得到总酸含量为（4.51±0.06） g/100 mL，多酚含量为（331.87±3.23） μg/mL，与预测值较接近，表明该工艺可行。

2.2 抗氧化能力的比较

2.2.1 DPPH自由基清除能力的比较

由图5可知，苹果幼果-红薯复合果粮醋、苹果幼果-红薯复合果粮汁的DPPH自由基清除能力随着样品添加量的增加呈上升趋势，当样品添加量为0.9 mL时，苹果幼果-红薯复合果粮醋、苹果幼果-红薯复合果粮汁的DPPH自由基清除率分别为（83.47±1.91）%、（79.34±2.16）%。市售苹果醋的DPPH自由基清除能力随着样品添加量的增加而上升，当样品添加量为0.6 mL时，市售苹果醋的DPPH自由基清除率为（41.66±1.79）%，继续增加样品添加量，DPPH自由基清除率变化不大，趋于稳定。3种样品的DPPH自由基清除率由大到小排序为苹果幼果-红薯复合果粮醋gt;苹果幼果-红薯复合果粮汁gt;市售苹果醋。

2.2.2 ABTS自由基清除能力的比较

由图6可知，3种样品的ABTS自由基清除能力均随着样品添加量的增加而增加，当样品添加量为0.8，0.9 mL时，市售苹果醋的ABTS自由基清除率高于苹果幼果-红薯复合果粮汁。但苹果幼果-红薯复合果粮醋的ABTS自由基清除率始终高于苹果幼果-红薯复合果粮汁和市售苹果醋。

2.2.3 羟基自由基清除能力的比较

由图7可知，3种样品的羟基自由基清除率随着样品添加量的增加而增加，当样品添加量为0.9 mL时，苹果幼果-红薯复合果粮醋的羟基自由基清除率最高，为（88.19±1.21）%；市售苹果醋的羟基自由基清除率次之，为（71.74±1.2）%；苹果幼果-红薯复合果粮汁的羟基自由基清除率最低，为（69.95±1.41）%。

综上，与苹果幼果-红薯复合果粮汁、市售苹果醋相比，苹果幼果-红薯复合果粮醋的抗氧化能力较高。苹果幼果-红薯复合果粮醋的抗氧化能力高于苹果幼果-红薯复合果粮汁，可能是因为发酵后多酚、黄酮等功能性成分含量升高，使果粮醋的抗氧化能力增强[22]。苹果幼果-红薯复合果粮醋的抗氧化能力高于市售苹果醋，可能是因为苹果幼果中含有较多的多酚、多糖等功能性成分，这些功能性成分均具有较强的抗氧化能力[23-24]。

2.3 挥发性成分分析

由表4和图8可知，苹果幼果-红薯复合果粮汁、苹果幼果-红薯复合果粮醋、市售苹果醋中共检测到90种挥发性风味物质。苹果幼果-红薯复合果粮汁中含有33种挥发性风味物质，其中酯类5种（占总量的0.81%），酸类1种（占总量的0.34%），醇类13种（占总量的19.87%），酮类2种（占总量的0.28%），酚类2种（占总量的0.45%），醛类5种（占总量的33.31%），烯烃类5种（占总量的0.46%）。发酵后，果粮醋中共含有42种挥发性风味物质，其中，酯类15种（占总量的12.2%），酸类11种（占总量的73.55%），醇类5种（占总量的0.79%），酮类5种（占总量的0.97%），酚类1种（占总量的0.18%），醛类3种（占总量的0.13%），烯烃类2种（占总量的0.04%），比果粮汁增加了酸类、酯类和酮类物质，包括乙酸、（±）-3-羟基月桂酸、乙酸乙酯、2-甲基丁基乙酸酯、己酸甲酯、异戊酸异戊酯、S（－）-2-甲基-1-丁醇、3-羟基-2-丁酮、大马士酮、2，4-二叔丁基酚、α-柏木烯等物质。乙酸会使人愉悦，乙酸含量越高说明发酵品质越好；乙酸乙酯赋予果粮醋菠萝香和苹果香甜味；3-羟基-2-丁酮具有奶油香、甜香；大马士酮赋予果粮醋玫瑰花香[25-26]，这些风味物质不仅赋予了果粮醋特殊的香气，而且丰富了果粮醋的风味。

市售苹果醋中共检测到27种挥发性风味物质，其中酯类2种（占总量的0.88%），酸类7种（占总量的49.59%），醇类7种（占总量的45.87%），酮类1种（占总量的0.65%），酚类1种（占总量的0.05%），烯烃类4种（占总量的0.07%），醛类5种（占总量的1.19%）。与苹果幼果-红薯复合果粮醋相比，市售苹果醋的酸类、酯类、酮类等物质的种类与含量均较低，这是因为红薯淀粉含量高，与苹果幼果复配可弥补其淀粉少、糖度低等不足，从而使苹果幼果-红薯复合果粮醋的风味更佳。

3 结论

通过单因素试验与响应面试验得到苹果幼果-红薯复合果粮醋的最优醋酸发酵工艺为醋酸菌接种量10%、发酵温度31 ℃、初始酒精度7%，在此条件下，果粮醋的总酸含量为（4.51±0.06） g/100 mL，多酚含量为（331.87±3.23） μg/mL。与市售苹果醋、苹果幼果-红薯复合果粮汁相比，苹果幼果-红薯复合果粮醋具有较强的抗氧化能力。采用HS-SPME-GC-MS检测苹果幼果-红薯复合果粮汁、苹果幼果-红薯复合果粮醋、市售苹果醋的挥发性风味物质，苹果幼果-红薯复合果粮醋的风味最佳，含有较多的酸类与酯类物质，这些挥发性风味物质使苹果幼果-红薯复合果粮醋清新淡雅、香味宜人。

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收稿日期：2024-04-21

基金项目：晋中国家农高区食品科学与工程教授、博士工作站资助项目（JZNGQBSGZZ003）;吕梁市重点研发计划项目（2021NYGG-2-38）；兵团重点领域科技攻关计划项目（2023AB004-01）

作者简介：张霞（1995—），女，硕士，研究方向：农产品贮藏与加工。

*通信作者：王愈（1968—），男，教授，博士，研究方向：农产品贮藏与加工。