二氧化碳辅助发酵葡萄的干制和发酵工艺优化.pdf

第 28 卷第 12 期农 业 工 程 学 报Vol.28No.122012 年6 月Transactions of the Chinese Society of Agricultural EngineeringJun.2012269二氧化碳辅助发酵葡萄的干制和发酵工艺优化刘沫茵，郭蕴涵，赵翠萍，汪政富（中国农业大学食品科学与营养工程学院，国家果蔬加工工程研究中心，北京 100083）摘要：为了开发经发酵前处理的新型葡萄干产品，该文以新鲜葡萄为原料，以发酵后葡萄总酚质量浓度与平均干燥速率为指标，在单因素试验基础上，利用正交试验设计对发酵葡萄的最佳发酵工艺条件进行了优化。利用福林酚法测定总酚质量浓度，用热风干燥箱进行干燥并测定平均干燥速率。结果表明：二氧化碳发酵葡萄的最佳工艺条件为：压强0.14 MPa、温度 36下发酵 72 h。该条件下的葡萄总酚质量浓度和平均干燥速率综合值可达最大，分别比不经处理的葡萄高 48.3%和 44.6%。说明二氧化碳发酵葡萄干是一种富含高总酚含量的新型产品，二氧化碳发酵后再干燥也是一种具有应用价值的新型干制工艺。关键词：干燥，优化，工艺，二氧化碳发酵，总酚，平均干燥速率，葡萄doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2012.12.043中图分类号：TS255.42文献标志码：A文章编号：1002-6819(2012)-12-0269-04刘沫茵，郭蕴涵，赵翠萍，等.二氧化碳辅助发酵葡萄的干制和发酵工艺优化J.农业工程学报，2012，28(12)：269272.Liu Moying,Guo Yunhan,Zhao Cuiping,et al.Drying and fermentation process optimization of grapes pre-fermented withcarbon dioxideJ.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2012,28(12):269272.(in Chinese with English abstract)0引言葡萄营养丰富，每 100 g 含能量 180kJ，蛋白质 0.5 g，膳食纤维 0.4 g，碳水化合物 9.9 g，胡萝卜素 50 g，维生素 C25 mg，还有多种矿物质。葡萄干是世界性的消费产品。当葡萄做成葡萄干后，由于水分大量去除，营养素含量明显增加，医学上已证明，葡萄干有助于儿童发育，治疗热病及肾、肝疾病等。同时葡萄干也有抗衰老、抗诱变以及免疫防护作用1-4。国内外在对葡萄干燥的方法中有将微波和热风相结合的方法。C.deTorres 等用热风干燥和冷冻干燥对葡萄的挥发性物质和酚类物质进行了对比研究，发现热风干燥后的香气成分大大减少。但是冷冻干燥通常来说是一个费用很高的干燥方法，要高出热风干燥 48 倍5-7。由于容易操作，热风干燥是食品工业中运用最为广泛的干燥技术。但是热风干燥有很多缺点，比如干燥时间长导致产品质量和营养成分的降低8。在食品工业中，水果的干燥过程是费时和费能的一个加工步骤，因此要加速干燥过程从而减少加工时间。其中一个方法是对物料在干燥前进行一下物理性或化学性的预处理，从而降低热风干燥带来的影响9。预处理可以使酶钝化从而防止了颜色的褐变，组织变得疏松从而缩短干燥时间，并且收稿日期：2011-06-17修订日期：2012-03-20基金项目：国家“863”计划资助(2011AA100802)作者简介：刘沫茵（1987），女，黑龙江哈尔滨人，主要从事农产品干燥研究。北京中国农业大学食品科学与营养工程学院/国家果蔬加工工程研究中心，100083。Email：通信作者：汪政富（1962），男，浙江兰溪人，教授，博士，博导，主要从事农产品贮藏及干燥研究。北京北京市海淀清华东路 17 号中国农业大学 303 信箱，100083。Email：干燥产品的品质也非常好10。商业中通常所用的预处理物质包括钠、钾的氢氧化物、碳酸钾、偏亚硫酸钾、甲基和乙酯乳剂、维生素 C 和柠檬酸11-14。虽然添加化学试剂等方法可以加快干燥时间并保证产品质量，但是会对人身体构成一定威胁。本文研究了一种新型的葡萄干的生产工艺，内容主要包括葡萄经过二氧化碳发酵处理后再对其进行干燥，制得发酵葡萄干。葡萄中的总酚是具有抗氧化性的主要营养成分之一，本试验对葡萄原料进行二氧化碳浸渍处理，选择总酚质量浓度和平均干燥速率作为指标，探究二氧化碳浸渍发酵葡萄的最佳工艺条件，目前国内无相关研究，为新型葡萄干实际生产提供参考。1材料与方法1.1材料与仪器新鲜巨峰葡萄：市售，初始含水率为 93.4%；体积分数为10%Folin 酚试剂；质量分数为7.5%碳酸钠溶液；1 mg/mL没食子酸；体积分数为95%甲醇、纯度为99.5%二氧化碳。TP-602 型电子天平（北京赛多利仪器系统有限公司）；T6 分光光度计（北京普析通用仪器设备有限公司）；HG-9070A 型烘箱（上海精宏实验设备有限公司）；DEF-6050 型真空干燥箱（上海新苗医疗器械制造有限公司）；JYL-B060 九阳料理机；发酵罐（直径 18 cm、高24 cm、厚 3 mm）、水浴锅（自制）。1.2试验方法将买来的新鲜葡萄摘除烂果、洗净后放入发酵罐中。密封后通入二氧化碳（二氧化碳通入量根据压力表显示所需的压力为准），放到恒温水浴锅中进行发酵；发酵结束后测定总酚质量浓度，再将其进行干燥农业工程学报2012 年270处理，记录质量变化，计算平均干燥速率。1）葡萄干物质质量的测定方法使用真空干燥方法16，将样品置于真空度不超过 1.33 104Pa，干燥温度为 70的恒温真空干燥箱中，干燥至恒质量。本文的葡萄干制过程的平均干燥速率是指葡萄在 70恒温电热干燥箱内开始干燥到湿基含水率达 12%左右的干燥时间内的速率，计算式如式（1）17平均干燥速率=蒸发水分总质量干燥时间 干物质质量（1）式中，平均干燥速率的单位为 g/(g h)。2）总酚的测定采用 Folin-Ciocalteus 法18。采用体积分数 95%的甲醇将没食子酸储备液稀释至浓度分别为10、20、40、60、80 g/mL 的标准溶液，将 0.4 mL 不同浓度的没食子酸溶液分别与 2 mL 稀释 10 倍的 Folinphenol 试剂混匀，保证在 30 s8 min 这段时间内加入1.8 mL 质量分数为 7.5%的碳酸钠溶液，混匀后常温下保持 1 h，后用分光光度计测定 765 nm 处的吸光值，制作标准曲线。标准曲线方程如式（2）y=0.01x-0.073，R2=0.999（2）取 1 mL 葡萄汁加入 39 mL 蒸馏水，得稀释 40 倍的葡萄汁，混匀后取 0.4 mL 稀释 40 倍的葡萄汁加入 2 mL稀释的 Folin 酚试剂混合均匀，在 30 s 后 8 min 之前加入1.8 mL 质量分数为 7.5%的碳酸钠溶液，混合均匀后常温保持 1 h，测定 765 nm 下的吸光值。1.3试验设计1.3.1单因素试验影响葡萄总酚质量浓度及平均干燥速率的因素主要有：发酵时间、发酵压强、发酵温度。试验方法如下：控制压强 0.14 MPa、发酵温度 30，研究发酵时间对葡萄浆果成分的影响，见图 1，控制发酵时间 48 h、发酵温度 30，研究发酵压强对葡萄浆果成分的影响见图 2，控制发酵压强 0.14 MPa、发酵时间 48 h，研究发酵温度对葡萄浆果成分的影响见图 3。1.3.2正交试验在单因素试验基础上设计正交试验，筛选出最佳工艺。正交试验设计水平编码表见表 1，试验方案见表 2。由于干燥速率和总酚质量浓度为分别代表干燥成本和产品品质的两个标志性指标，优化工艺不仅要降低成本而且也要保证产品品质，成本和品质属于同样重要指标，在综合指标中权重各占 50%。其中，综合值=（总酚质量浓度/总酚质量浓度最大组值）50%+（平均干燥速率/平均干燥速率最大组值）50%表 1发酵葡萄正交试验设计因素水平表Table 1Experimental levels employed for orthogonalexperimental design因素发酵时间 A/h发酵压强B/MPa发酵温度 C/480.1433720.1636水平及编码960.18392结果与分析2.1发酵条件对葡萄总酚质量浓度及平均干燥速率的影响由图 1 可知，随着发酵时间的增加，总酚质量浓度是呈上升趋势的，与 Millet 等人的研究结果相一致19，当发酵时间为 120 h 时其总酚含量最大，达到 1.176 mg/mL；随着发酵时间的增加，平均干燥速率也是呈上升趋势，经120 h发酵的葡萄干燥速率最大，达到0.177 g/(g h)。a.葡萄总酚b.葡萄平均干燥速率注：原料以干基计，发酵条件：30、0.14MPa。图 1发酵时间对葡萄总酚质量浓度和平均干燥速率的影响Fig.1Effects of fermentation time on total phenol in grape andaverage drying rate of grape由图 2 可知，随着发酵压强的增加，总酚质量浓度在0.12 0.16 MPa 时 是 增 加 的，在 0.16 Mpa 时 达 到1.027 mg/mL。当超过 0.16 MPa 后总酚质量浓度有所降低，这可能是由于发酵过程中一些酚类物质发生聚合所致；随着发酵压强的增加，其平均干燥速率在 0.120.16 MPa 时显著增加，但在0.16 MPa 以后变化不明显（P0.05）。由图3 可知，总酚质量浓度在2736时呈上升趋势，36时达到1.841 mg/mL。但在39时总酚质量浓度有所降低，原因可能是随发酵的进行，酚类物质相结合，导致总酚减少；平均干燥速率随发酵温度的升高先快速增加后略有下降趋势。在同样压力和发酵时间的条件下，可能是由于随温度的升高，导致果胶水解程度增加，使得植物组织通透性增加，从而增加平均干燥速率；当随温度进一步升高，果胶等支撑植物组织框架的物质水解更加充分导致植物组织破坏坍塌，使植物组织结构变得致密，通透性变差从而平均干燥速率降低。第 12 期刘沫茵等：二氧化碳辅助发酵葡萄的干制和发酵工艺优化271a.葡萄总酚b.葡萄平均干燥速率注：原料以干基计，发酵条件：30、48 h。图 2发酵压强对葡萄总酚质量浓度和平均干燥速率的影响Fig.2Effects of fermentation pressure on total phenol in grape and average drying rate of grapea.葡萄总酚b.葡萄平均干燥速率注：原料以干基计，发酵条件：0.14 MPa、48 h。图 3发酵温度对葡萄总酚质量浓度和平均干燥速率的影响Fig.3Effects of fermentation temperature on total phenol in grape and average drying rate of grape2.2正交试验优选发酵葡萄的最佳工艺在发酵单因素试验基础上，对影响葡萄总酚质量浓度和平均干燥速率的因素（发酵时间、发酵压强、发酵温度）进行 L9（33）正交试验，由于选择 120 h 水平时，其 3 组发酵后的葡萄的破碎率分别达到 40%、40%、50%左右，均已超过 25%，因此发酵时间这一因素的 3 个水平分别选为 48、72、96 h试验结果见表 2。表 2试验方案和结果Table 2Experimental design and results试验号发酵时间/t发酵压强/MPa发酵温度/总酚质量浓度/(mg mL-1)平均干燥速率/(%h-1)综合值11110.9510.2050.81121220.9870.2240.86531330.8630.180.72342121.2340.2350.98852231.0910.2190.89662311.1120.2230.91373130.9270.2260.84483210.9130.2410.87093320.8780.2310.835由表 2 知，9 组正交试验中，综合值最大值组为A2B1C2，即 0.988。对表 2 的结果进行极差分析，结果如表 3 所示，分析出的最佳组合也是 A2B1C2。因此，发酵葡萄的最佳工艺参数是 0.14 MPa、36下发酵 72 h。不经发酵处理的新鲜葡萄总酚质量浓度为0.638mg/mL，平均干燥速率为 0.130g/(g h)；在较优条件下发酵的葡萄浆果总酚质量浓度和干燥速率分别为1.234mg/mL、0.235g/(g h)，比未处理的葡萄提高了48.3%和44.6%。表 3极差分析结果Table 3analysis results综合值ABCK12.3992.6432.594K22.7972.6312.687K32.5492.4712.464k10.8000.8810.865k20.9320.8770.896k30.8500.8240.821R0.1330.0570.074较优水平A2B1C2主次因素ACB2.5应用前景分析本文所提出的发酵工艺包含带保温层的不锈钢发酵罐和二氧化碳。发酵所用到的二氧化碳用气量，发酵新鲜葡萄仅用 0.003 元/kg；发酵用电主要为发酵罐加热，由于有较好的保温效果并且温度较低，气体二氧化碳热容 小，发 酵 保 温 用 电 量 很 低，葡 萄 约 用 电 量 为0.005 kW h/g，按每度电 0.8 元计算，则葡萄约用电 0.004元/kg。试验结果表明，采用本文提出的二氧化碳发酵后再干燥这种新工艺，可以提高产品总酚质量浓度，加快干燥速度。发酵后葡萄的平均干燥速率提高了约 45%，农业工程学报2012 年272缩短葡萄在高温中的暴露时间，是一种具有开发潜力的葡萄制干新工艺，该工艺具有很好的市场应用前景。3结论1）对葡萄干燥前进行二氧化碳发酵处理表明，总酚质量浓度随时间的增加而呈现增加趋势；随压强的增加先呈上升趋势，在 0.16 MPa 时达到最高值，0.16 MPa 以后总酚质量浓度有所降低；随温度变化的趋势中，总酚质量浓度在 2736时呈上升趋势，36时达到最大值，但在39时总酚质量浓度有所降低。平均干燥速率随时间、压强的增加均有上升的趋势，在 0.16 MPa 以后变化不明显；随发酵温度的升高先增加，在 39时略有下降趋势。2）通过正交试验得知，在压强0.14 MPa、温度36下发酵 72 h，发酵葡萄与未处理葡萄相比，总酚质量浓度和平均干燥速率分别提高了48.3%和44.6%。这种新型葡萄干比普通葡萄干总酚质量浓度高，其制干速率也高，说明发酵后干燥是一种具有商业应用前景的制干工艺。参考文献1晁无疾，管仲新，路苹，等.我国葡萄干质量分析J.中外葡萄与葡萄酒，2005，(6)：4952.Chao wuji,Guan Zhongxin,Lu Ping,et al.Analysis of raisinsqualityin ChinaJ.Sino-Overseas Grapevineand Wine,2005,(6):4952.(inChinesewithEnglishabstract)2葡萄与葡萄酒J.中医药国际参考，2006，8(8)：3435.Grape and WineJ.Traditional Chinese medicine internationalreference,2006,8(8):3435.(inChinesewithEnglishabstract)3罗国光.世界葡萄干生产和贸易状况J.河北林业科技，2004，10(5)：1113.Luo Guoguang.The world raisins production and trade statusJ.The Journal of Hebei Forestry Science and Technology,2004,10(5):1113.(inChinesewithEnglishabstract)4马龙，邓淑文，屈卫东，等.新疆红葡萄干保健功能的实验研究J.新疆医科大学学报，1999，3(22)：13.MaLong,DengShuwen,QuWeidong,etal.experimentsofXinjiangred currant s health care functionJ.Journal of Xinjiang MedicalUniversity,1999,3(22):13.(inChinesewithEnglishabstract)5Kassem A S,Shokr A Z,El-Mahdy A R,et al.Comparisonof drying characteristics of Thompson seedless grapesusing combined microwave oven and hot air dryingJ.Journal of the Saudi Society of Agricultural Sciences,2011,10(16):3340.6C de Torres,Diaz-Maroto M C,Hermosin-Gutierrez I,et al.Effect of freeze-drying and oven-drying on volatiles andphenolics composition of grape skinJ.Analytica ChimicaActa,2010,660(1/2):177182.7Ratti C.Hot air and freeze-drying of high-value foods:areviewJ.Journal of Food Engineering,2001,49(4):311319.8Feng H,Tang J.Microwave finish drying of diced apples in aspouted bedJ.Food Sci,1998,63(4):679683.9Gornicki K,Kaleta A.Drying curve modelling of blanchedcarrot cubes under natural convection conditionJ.Food Eng,2007,82(2):160170.10 Kingsly A R P,Singh R,Goyal R K,et al.Thin-layer dryingbehaviouroforganicallyproducedtomatoJ.AmericanJournal of Food Technology,2007,2(2):7178.11 Kingsly R P,Goyal R K,Manikantan M R,et al.Effects ofpretreatments and drying air temperature on drying behaviorof peach sliceJ.International Journal of Food Science andTechnology,2007,42(1):6569.12 DoymazI.Effectofpre-treatmentsusingpotassiummetabisulphide and alkaline ethyl oleate on the drying kinetics ofapricotsJ.Biosystems Engineering,2004,89(3):281287.13 Doymaz I.An experimental study on drying of greenapplesJ.Drying Technolog,2009,27(3):478485.14 El-Beltagy A,Gamea G R,Amer Essa A H.Solar dryingcharacteristics of strawberryJ.Journal of Food Engineering,2007,78(2):456464.15 李华.葡萄酒工艺学M.科学出版社，2008，5：197.16 AOAC.(1990).Official methods of analysis(15th ed.)M.Washington,DC,USA:Association ofofficialanalyticalchemists.17 Xiao Dong Chen,Kamlesh C.Patel.Micro-organism inactivationduringdryingofsmalldropletsorthin-layerslabsAcriticalreviewofexisting kinetics models and an appraisal of the drying rate dependentmodelJ.JournalofFoodEngineering,2007,82(1):110.18 石碧，狄莹.植物多酚M.科学出版社，2000：1920.19 Millet DP.Hdwell-GS.The effectof various carbonicmaceration treatment on yeast and wine composition ofMarechalfochJ.AmericanJournalofEnologyandviticulture,1990,40(3):170174.Drying and fermentation process optimization of grapes pre-fermentedwith carbon dioxideLiu Moying,Guo Yunhan,Zhao Cuiping,Wang Zhengfu(College of Food Science and Nutritional Engineering,China Agricultural University,National Engineering Research Center for Fruits andVegetables Process,Beijing 100083,China)Abstract:In order to develop a novel raisin of grapes pre-fermented with carbon dioxide,taking fresh Kyoho grape asexperimental materials,and taking total phenol content and average drying rate of fermented grapes as evaluation indices,the optimal fermentation condition was presented by means of orthogonal test based on the single factor experiments.Total phenol content was determined with Folin-Ciocalteus method and average-drying-rate was detected in a hot-airdrier.The results indicated that the optimized conditions were as follow:pressure at 0.14 MPa,temperature at 36,andfermentation time for 72 h.Under this condition,total phenol content and average-drying-rate of fermented grapes wasthe highest,and increased by 48.3%and 44.6%,respectively,compared with those of fresh grape.The results suggestedthat the raisin produced with carbonic maceration grapes was a novel product rich in phenol,and thedrying-after-carbonic-maceration(DACM)was also a novel promising technology for commercial application.Key words:drying,optimization,processing,carbonic maceration,total phenol content,average drying rate,grapes