（制糖工程专业论文）蔗汁西瓜皮果醋液态发酵工艺优化及动力学研究.pdf

蔗汁西瓜皮果醋液态发酵工艺优化及动力学研究摘要甘蔗和西瓜是极富营养价值的果品资源，利用蔗汁和西瓜皮酿制果醋不仅可以使西瓜皮资源得到充分利用，而且可以提高蔗汁和西瓜皮原料的附加值，酿制出健康美味的果醋。本文对蔗汁西瓜皮果醋液态发酵工艺进行了优化，并对酒精发酵过程进行了动力学研究，对醋酸发酵动力学过程进行了培养基模拟研究，以期为蔗汁西瓜皮果醋的工业化生产提供理论依据。课题的主要研究内容和结果如下：1 对蔗汁西瓜皮浆混合原料进行了果胶酶预处理，确定了果胶酶处理的最佳工艺条件：酶解时间为3 h ，p h 值为3 0 ，反应温度为5 5 c ，果胶酶用量为0 3 0 。2 确定了酒精发酵过程的最佳工艺条件：糖度为1 6 ，酵母菌用量为0 3 0 ，发酵温度为2 7 。c ，p h 值为3 5 ，发酵时间为4 8 h 。3 醋酸液态发酵过程的最佳工艺条件：发酵温度为3 3 ，醋酸菌用量为o 0 0 0 8 ，初始酒度为9 ，在摇床转速为1 2 0 r p m 条件下发酵6 d 。4 对酒精发酵过程进行了动力学研究，建立了酵母菌菌体生长、酒精生成和糖消耗动力学模型；其动力学方程分别如下：( 1 )酵母菌菌体生长动力学方程：警= o 1 6 3 2 x ( 1 一南或x =( 2 )酒精生成动力学方程：雩：6 8 7 5 6 4 7d x ，+ 0 0 5 0 3 7 5 6 2 x 或d td t尸= 意罴貉- 2 6 5 7 6 8 砌c 0 9 5 6 2 6 + 0 0 4 3 7 4 e n l 6 3 2 ，。( 3 )糖消耗动力学方程：一霉：1 2 7 4 8 8 4 7 d x ，+ 0 1 9 5 6 2 5 6 x 或d td ts = 6 3 一石j 焉否兰菩睾告缸一1 0 3 2 0 6 9 觑( 0 9 5 6 2 6 + 0 0 4 3 7 4 e n t 6 3 2 ) 。5 通过配制培养基，对醋酸液态发酵过程进行了动力学模拟研究，建立了醋酸杆菌菌体生长、醋酸生成和酒精消耗动力学模型；其动力学方程分别如下：x =( 1 )醋酸杆菌菌体生长动力学方程：i d x = o 6 7 9 1 x ( 1 一南或0 11 9 3 e o 6 7 9 ( 2 ) 醋酸生成动力学方程：望呈：1 7 8 7 9 x 或p ：1 4 7 9 6 i n ( 0 7 8 7 7 + 0 2 1 2 3 e 。 6 7 9 _ l ) + 1 9 1 5 2 。d t( 3 y 酒精消耗动力学方程：一雩：9 5 0 6 8 辈+ 1 4 0 6 5 x 或d td ts 圳3 粥7 一赢鬻貉一1 1 6 3 9 7 砌c 0 7 8 7 7 + 0 2 1 2 3 e 仉6 7 9 1 ，。关键词：蔗汁西瓜皮果醋发酵工艺优化动力学s t u d yo nliq uidf e r m e n t a tl0 np r o c e s so p tlmlz a tl0 na n dkin e tic so fs u g a r c a n ed uic e w a t e r m e l o n p e e lvin e g a ra b s t r a c ts u g a r c a n ea n dw a t e r m e l o na r eh i g h l yn u t r i t i o n a lv a l u ef r u i tr e s o u r c e s b r e w i n gf r u i tv i n e g a rw i t hs u g a r c a n ej u i c ea n dw a t e r m e l o n - p e e lc a nn o to n l ym a k ef u l lu s eo ft h ew a t e r m e l o n p e e lr e s o u r c e s ，b u ta l s oc a ni n c r e a s et h ea d d e dv a l u eo ft h es t u f f sa n db r e wo u th e a l t h y - d e l i c i o u sf r u i tv i n e g a r t h ep a p e ro p t i m i z a st h el i q u i df e r m e n t a t i o np r o c e s so fs u g a r c a n ej u i c ea n dw a t e r m e l o n p e e lv i n e g a r , s t u d i e so nt h ed y n a m i c so fa l c o h o lf e r m e n t a t i o na n ds t u d i e so nt h ed y n a m i c so fa c e t i cf e r m e n t a t i o nb ym e d i u ms t i m u l a t i o ni no r d e rt op r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ei n d u s t r i a lp r o d u c t i o no ft h ef r u i tv i n e g a r t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n dr e s u l t so ft h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ：1 p e c t i n a s ep r e t r e a t m e n ti ss t u d i e do nt h es u g a r c a n ej u i c ea n dw a t e r m e l o n - p e e lp u l p a n dt h eb e s tt e c h n o l o g i c a lc o n d i t i o n sa b o u tp e c t i n a s et r e a t m e n tw i t ht h em i x e dp u l pa r ea sf o l l o w s ：p hv a l u ea t3 0 ，t e m p e r a t u r ea t5 5，p e c t i n a s ed o s a g ea t0 30 ，a n de n z y m o l y s i st i m ef o r3 h 2 t h eb e s tt e c h n o l o g i c a lc o n d i t i o n so fa l c o h o lf e r m e n t a t i o ni sd e t e r m i n e di i ia sf o l l o w s ：s u g a rc o n t e n ta t16 ，y e a s td o s a g ea t0 3 0 ，t e m p e r a t u r ea t2 7 。c ，p hv a l u ea t3 5a n dt i m ef o r4 8 h 3 t h eb e s tt e c h n o l o g i c a lc o n d i t i o n so fa c e t i cf e r m e n t a t i o ni sd e t e r m i n e da sf o l l o w s ：f e r m e n t a t i o nt e m p e r a t u r ea t3 3 ，a c e t o b a c t e rd o s a g ea t0 0 0 0 8 ，i n i t i a la l c o h o l i c i t ya t9 s h a k e rs p e e da t12 0 r p ma n dt i m ef o r6 d 4 k i n e t i c so fa l c o h o lf e r m e n t a t i o ni ss t u d i e di nt h er e s e a r c h ，a n dt h ed y n a m i cm o d e l so fy e a s tc e l lg r o w t h ，p r o d u c tg e n e r a t i o na n ds u b s t r a t ec o n s u m p t i o na r ef o u n d e d t h ek i n e t i ce q u a t i o n so ft h et h r e em o d e l sa r ea sf o l l o w s ：( 1 ) y e a s tc e l lg r o w t hk i n e t i ce q u a t i 呲i d x = 。16 3 2 即一矗) 。rl ，0 3 7 6 6 3 e o 蚴五2 而09 5 6 2 6 而0 面0 4 37 4 蕊e 五+u1 0 j z 。( 2 ) a 1 c o h 。lg e n e r a t i 。nk i n e t i ce q u a t i o n d 衍e = 6 8 7 5 6 4 7 警+ o 0 5 0 3 7 5 6 2 x 。rp = 志罢器+ 2 6 5 7 6 8 砌c 0 9 5 6 2 6 + 0 0 4 3 7 4 e 。a 6 3 2 t ，( 3 ) s u g a rc o n s u m p t i o nk i n e t i ce q u a t i o n ：一堕：1 2 7 4 8 8 4 7d x + o 1 9 5 6 2 5 6 x出d t。rs = - 6 3 一石l 污否兰菩掌告知一1 0 3 2 0 6 9 砌( 0 9 5 6 2 6 + 0 0 4 3 7 4 e 。 1 6 3 2 ) 5 k i n e t i c so fa c e t i cf e r m e n t a t i o ni ss t u d i e di nt h er e s e a r c hb ym a k i n gu pm e d i u m ，a n dt h ed y n a m i cm o d e l so fa c e t o b a c t e rg r o w t h ，p r o d u c tg e n e r a t i o na n ds u b s t r a t ec o n s u m p t i o na r ef o u n d e d t h ek i n e t i ce q u a t i o n so ft h et h r e em o d e l sa r ea sf o l l o w s ：i vx =( 1 ) a c e t o b a c t e rg r o w t hk i n e t i ce q u a t i 眦百d x = 。6 7 9l 硼一南。r0 11 9 3 e o6 7 9 0 7 8 7 7 + 0 21 2 3 e o6 7 9 1 ( 2 ) a c e t i ca c i dg e n e r a t i 。nk i n e t i ce q u a t i 。n ：瓦d p = 17 8 7 9 xo rp = 1 4 7 9 6 i n ( 0 7 8 7 7 + 0 2 1 2 3 e o 6 7 9 1 ) + 1 9 1 5 2 ( 3 ) a l c 。h 。lc 。n s u m p t i 。nk i n e t i ce q u a t i 。n ：一d 西s = 9 5 0 6 8 警+ l4 。6 5 x 。r渊眠蛳一高嚣貉- 1 1 6 3 9 7 如c 0 7 8 7 7 + 0 2 1 2 3 e 。 6 7 9 1 ，k e yw o r d s ：s u g a r c a n ej u i c e ；w a t e r m e l o np e e l ；f r u i tv i n e g a r ；f e r m e n t a t i o n ；p r o c e s so p t i m i z a t i o n ；k i n e t i c sv广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容。除己注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。论文作者签名：会精斗学位论文使用授权说明2 呷年月2 笋日本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务：学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。请选择发布时间：幽| 】时发布口解密后发布( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定)论文作者签名：盒糕、中导师签名：2 咿衫月2 笋日广西大掌硕士学位论文舞 汁西瓜皮果醋液态发酵工艺优化及动力学研究1 1 食醋概述1 1 1 食醋的概述第一章绪论1 1 1 1 食醋的概念食醋是一种有着悠久历史的常见液体酸性调味品，它经微生物发酵产生。除水分外，其主要成分为乙酸( 分子式c h s c o o h ) ；通常食醋中含乙酸3 5 9 不等，最高达1 1 左右。食醋按国家标准分为酿造食醋和配制食醋。1 1 1 2 食醋的起源【1 】食醋起源于我国，至少有3 0 0 0 多年的历史，古人称醋为苦酒，说明了醋起源于酒。历史上称醋和其他各种酸性调味品为醯，周礼天官中即有“醯人主作醯 ( 醯即醋和其他各种酸性调味品) 的记载。贾思勰在齐民要术中详细记载了2 4 种制醋方法，其中2 1 中属于“液态发酵法 ，2 种为“固态发酵法”( 一种类似于淋浇工艺，另一种接近于用缸制醋方法) 。食醋发酵在古代最早只是酿酒受细菌( 醋酸杆菌) 污染的结果，即所谓“酒酸变醋”。因此醋酸发酵的历史几乎与酿酒一样悠久。1 1 1 3 食醋发酵机理以淀粉质原料为例，整个发酵过程主要经历了糖化、酒化( 酒精发酵) 、醋化( 醋酸发酵) 三个过程。其中糖化过程中需要加入糖化酶或糖化曲，酒化和醋化分别需要添加一定量的酵母菌和醋酸菌种。( 1 ) 淀粉糖化。( c 6 h 1 0 0 5 ) n + n i l 2 0 堕塑on c 6 h 1 2 0 6( 2 ) 酒精发酵。酵母菌经e m p 途径发酵葡萄糖产生乙醇和c 0 2 。广西大学硕士掌位论文蔗汁西瓜皮果醋液态发酵工艺优化及动力掌研究c 6 h 1 2 0 6 + 2 a d p + 2 p i 哼2 c h 3 c h 2 0 h + 2 c 0 2 + 2 栅( 3 ) 醋酸发酵。乙醇在醋酸菌氧化酶作用下氧化生成醋酸。乙醇在乙醇脱氢酶氧化下形成乙醛：c h 3 c h 2 0 h + n a dz 醇脱氢酶) c h 3 c h o + n a d h 2乙醛在乙醛脱氢酶作用下氧化成乙酸；c h 3 c h o + n a d + h 2 0 兰墅塑堕专c h 3 c o o h + n a d h 21 1 1 4 常见食醋发酵工艺流程( 1 ) 液态发酵工艺流程如图1 1 ：图1 1 液态发酵工艺流程图f i g 1 - 1p r o c e s so fl i q u i df e r m e n t a t i o n( 2 ) 固态发酵工艺流程如图1 2 ：图1 2 固态发酵工艺流程图f i g 1 - 2p r o c e s so fs o l i df e r m e n t a t i o n2广西大掌硕士掌位论文蔗汁西瓜皮果醋液态发酵工艺优化及动力掌研究( 3 ) 液固结合法工艺流程如图1 3 ：图l - 3 固液结合法发酵工艺流程图f i g 1 - 3p r o c e s so fs o l i d l i q u i df e r m e n t a t i o n1 1 2 我国食醋发展历史及现状【2 】1 1 2 1 我国食醋发展历程( 1 ) 酿醋设备和技术的发展我国的酿醋技术历史悠久，但用科学方法加以研究和改进是在近几十年才开始的。5 0 年代，济南酿造厂开始使用人工纯种培养的曲霉和酵母菌进行糖化和酒精发酵，但是没有人工培养的醋酸菌，人工翻醅的问题未得到解决。6 0 年代，上海创造了酶法液化通风回流的固态发酵工艺，解决了人工翻酷的问题，一定程度上保持了传统食醋的风味和品质，提高了原料的利用率，缩短了醋酸发酵的周期。7 0 年代初，生料制醋新工艺在山西长治试产成功，并投入生产。其工艺特点是：主辅料全是生的，但麸曲用量较大，可节约煤耗和劳动力。7 0 年代中期，上海酿造科学研究所与上海醋厂协作，研究自吸式发酵罐应用于液体深层发酵醋的生产，并于1 9 7 7 年通过技术鉴定。1 9 7 8 年上海醋厂年产6 0 0 0 t 自吸式发酵醋车间正式建成投产，使我国食醋生产达到国际先进水平。( 2 ) 纯种发酵技术的应用与发展一株优良的菌种不仅能使产量提高、质量稳定，而且可以提高原料利用率、节约粮食。在微生物菌种研究方面，各地酿造企业的科技工作者、有关科研单位进行了大量工3广西大掌司n b 掌位论文蔗汁西瓜皮果醋液态发酵工艺优化及动力掌研究作，并取得了显著成果。( 3 ) 生物工程技术在传统酿醋工业上的起步与应用我国酿造科技工作者，在传统酿造中采用新技术的研究也有了良好的开端和进展。固定化技术的研究固定化细胞技术具有发酵速度快、设备利用率高、便于实现生产机械化等许多优点，因此，得到国内外酿造行业的重视。我国从8 0 年代起，就着手这方面的研究试验工作，也取得了很好的成绩。酿醋发酵剂的研究与商品化生产通过人工诱变和驯化有关微生物亲株，将其细胞筛选分离，在保持其活性的条件下，干燥得到具有活性的曲霉、酵母、醋酸菌、“酿醋发酵剂”。这些商品化生产的酿醋发酵剂，能简化工艺、用量少，效益显著。对我国酿醋工业生产水平的提高和经济效益的提高具有重大的现实意义。1 1 2 2 我国食醋发展现状( 1 ) 工艺种类传统酿造法。依靠空气中的野生型微生物落入发酵而成，人工翻醅、压榨。工艺特点是：产品风味好，但劳动强度大、原料利用率低、卫生条件差、生产周期长、受季节性限制( 国内仍有一些工厂采用此法) 。改进后的酿醋方法。纯种发酵制醋，采用人工纯种培养的微生物曲霉、酵母、醋酸菌，淀粉原料经液化、糖化后，先酵母发酵成酒醪，再拌以辅料为填充剂进行醋酸发酵。速酿法制醋在速酿塔中配以填充料，用水泵回浇的方法生产，发酵周期较短，工艺特点是酸味强、劳动强度小、周期短、但产品色泽和风味差。自吸式液体深层发酵法该法是当今世界先进的制醋法。其工艺的特点是：设备先进、发酵周期短、厂房占地面积小、原料利用率高、劳动生产率高，节约了辅料，不用任何填充料，产品卫生，解决了工业化生产中的一些重大问题，是我国近代制醋生产工业化不断发展的一个重要标志。( 2 ) 食醋产量和消费水平4广西大掌硕士掌位论文蔗：- q - 西瓜皮果醋液态发酵工艺优化及动力掌研究我国目前食醋的产量，据不完全统计约为2 2 0 万吨( 3 5 h a c ) 。我国近2 0 多年食醋产量和人均消费如表1 1 。表1 - 1 我国近2 0 多年食醋产量和人均消费量t a b 1 1v i n e g a rp r o d u c t i o na n dp e rc a p i t av i n e g a rc o n s u m p t i o ni nt h el a s t2 0y e a r s由上表可知，近2 0 多年来我国食醋生产发展很快，年增长速度达到7 以上，随着人民生活水平的不断改善和提高，对食醋的需求量和质量要求也必将越来越高。1 1 3 国外食醋发展现状【3 】国外的食醋种类繁多，主要的有：( 1 ) 苹果醋。主要采用奥尔兰法酿制。( 2 ) 葡萄酒醋。它是欧美食醋最优的品种之一，在欧洲具有很高的消费量。目前，对葡萄酒醋的有机酸、挥发性成分、氨基酸和一些微量成分已进行了一些研究。( 3 ) 麦芽醋。以英国、美国、日本制造较多，主要原料是麦芽、玉米，发酵周期约数月。另外，日本的食醋也颇受欢迎。日本食醋最普遍采用的生产方法有3 种：( 1 ) 静置式。( 2 ) 速酿法。( 3 ) 深层通风法：往原料液中不断通风，并激烈搅拌，使乙醇被醋酸菌氧化为醋酸，可实现连续化生产。1 2 果醋1 。2 1 果醋的起源果醋最早出现在西方名著圣经之旧约全书。西方人三千年前己懂得使用果醋。罗马时代，埃及艳后爱喝加入珍珠粉的果醋，原来果醋是埃及艳后美容的秘方。西元十八、十九世纪，欧洲人出外旅行时，随身携带果醋，用以杀菌预防传染病【4 1 。1 2 2 果醋的营养成分果醋营养丰富，含有多种有机酸和氨基酸，其中主要成分是醋酸，其次是葡萄糖酸、琥珀酸、乳酸、苹果酸、酒石酸，还含有柠檬酸、酮戊二酸、富马酸、焦谷氨酸等。果5广西大掌硕士掌位论文蔗汁西瓜皮果醋液态发酵工艺优化及动力学研究醋品种和生产工艺的不同，有机酸的含量也各不相同。这些丰富的有机酸，能有效维持体内的酸碱平衡【5 1 。果醋中含有维生素c 、尼克酸、维生素a 、叶酸、视黄醇等多种维生素，还含有钾、铁、锌和钙等多种矿物元素。1 2 3 果醋的功能性5 1( 1 ) 促进新陈代谢，调节酸碱平衡，消除疲劳。果醋是一种碱性食品，在体内代谢后生成碱性物质，能有效防止血液向酸性转化，起到调节酸碱平衡的作用。果醋中包括醋酸在内的各种有机酸，可帮助人体内三羧酸循环的正常进行，有利于清除肌肉中沉积的乳酸，促进有氧代谢，消除疲劳。( 2 ) 具有降血脂、降低胆固醇的作用。长期食用果醋是降低胆固醇的一种有效方法。果醋中的尼克酸和其他维生素均是胆固醇的克星。尼克酸能促使胆固醇经肠道随粪便排出，使血浆和组织中胆固醇含量减少，达到降低人体胆固醇的目的。( 3 ) 提高人体的免疫力，具有防癌抗癌作用。果醋中的维生素和氨基酸，能增强钙质的吸收，增强人体免疫力。其中，果醋中丰富的维生素c 可以形成一种活性极强的抗氧化剂“抗坏血酸基”，可以有效的清除体内的过氧化自由基，防止细胞癌变和细胞衰老。同时，维生素c 还可阻止强致癌物亚硝胺在体内的合成，促使亚硝胺的分解，保护机体免受侵害，具有防癌抗癌的作用。( 4 ) 促进血液循环，有降压作用。多种果醋品种中含有人体必需的钾、锌等微量元素和维生素，并含有三砧类和黄酮成分，可促进心血管扩张、增加冠状动脉血流量、产生降压效果，对高血压、高血脂、动脉硬化等多种疾病有防治作用。( 5 ) 果醋有抑制血糖升高的作用。餐后食用果醋，血中胰岛素分泌量约减少2 0 ，可以推迟血糖峰值出现的时间，缓和了进食后血糖的急剧变化，从而有抑制血糖升高的功效。( 6 ) 开胃消食、解酒保肝。果醋中的挥发性有机酸可刺激大脑的食欲中枢，促进消化液的分泌，提高胃液浓度，健胃消食，增进食欲。酒后饮用果醋，可加快酒精在体内的分解代谢速度，因此果醋极具解酒功能。本草纲目中有醋能“散淤血、治黄疸之说，认为醋具有养肝、保肝的功能。6广西大掌硕士掌位论文蔗汁西瓜皮果醋液态发酵工艺 0 l i 匕及动力学研究( 7 ) 具有抗菌消炎、防治感冒的作用。醋酸有很强的抗菌作用，它对多种细菌具有杀灭作用。经验证明，醋厂的职工不易感冒，是与长期接触食醋有关。( 8 ) 果醋有美容护肤、延缓衰老的作用。导致皮肤细胞衰老的主要原因是过氧化脂质的增多。经常食用果醋可以很好地抑制和阻止人体中过氧化脂质的形成，使机体内过氧化脂质水平下降，延缓衰老，增加人的寿命。另外，经常食用果醋，能使皮肤细嫩光洁、容颜滋润洁白。1 2 。4 国内外果醋的发展现状1 2 4 1 国内果醋的发展现状1 6 11 9 8 9 年山西太原的颜丹等人利用生料醋浸泡梨、姜后添加糖、蜜所得的一种保健醋，是我国最早的果醋专利，因其具有浓郁的梨香而归于果醋类。与国外种类繁多的果醋系列来说，我国的果醋品种很少，市场上主要是苹果醋。1 2 4 2 国外果醋的发展现状在国外，特别是欧美、日本等发达国家，有关果醋调味品、果醋保健品等产品种类较多，用途广泛。人们对果醋的价值认识、产品开发已相当深入。在日本，7 0 年代末就将果醋纳入国家标准，果醋生产已经有了一定的规模，并于8 0 年代掀起保健醋热潮，仅在1 9 8 2 至1 9 8 6 年5 年间就至少有3 9 种6 2 个品牌的新品果醋上市，苹果醋经常名列热销食品“金榜 【刀。1 2 5 我国果醋生产与开发存在的问题【8 】我国的果醋生产相对比较落后，完善的果醋市场尚未形成，品种单一，在生产和开发过程中还有很多问题有待解决。1 2 5 1 工艺上的不完善及工艺条件的不确定液态发酵工艺生产果醋可以改善生产条件，减少杂菌污染机会，机械化程度和劳动生产率较高。但是，液态发酵果醋色泽、风味及体态较固态发酵工艺生产的果醋差。传统固态发酵法虽简单易行，但是也存在辅料消耗多及需要浸淋工序等的不足。目前，还没有十分完美的果醋生产方法，有关果醋的生产技术我国仍在探索阶段。在醋酸发酵的过程中，产膜酵母( 俗称酒花菌) 的污染问题，醋酸发酵挥发量大、产酸率偏低的问题，仍处于研究阶段。7广西大掌硕士掌位论文蔗汁西瓜皮果醋液态发酵工艺优化及动力掌研究1 2 5 2 品种单一与国外各种各样的果醋产品系列相比，我国的果醋品种比较少，占领市场的主要是苹果醋。果醋的保健品在我国更是寥寥无几。此外，很多果醋产品不是完全采用果蔬为原料，还需添加粮食或以粮食为主要原料，并且尚未达到规模化生产。1 2 5 3 果醋存放过程中的混浊、沉淀现象果醋在存放过程中，常呈现有悬浮膜、结块与沉淀物的混浊现象。不仅影响产品的外观，还会影响产品的品质。醋的混浊是一个十分复杂的现象，可概括为生物性混浊和非生物性混浊两大类型，每种类型都有很复杂的原因和影响因素。对果醋存储过程中的混浊和沉淀现象需要进一步研究。1 2 5 4 果醋的生产缺少统一的国家标准目前，我国的果醋及果醋饮料行业还未制定出相应的国家标准，这使得产品在激烈的竞争市场上无章可循，产品质量相差悬殊，鱼龙混杂，这从一定程度上影响了果醋的消费、开发与研制。这一问题的解决有待于国家相关部门建立相应的生产和质量标准。1 2 5 5 果醋风味物质的研究果醋中的有机酸和酯香物质的研究受分析化学发展水平及分析技术的限制，所以要提高分析检测技术水平，才能更好地对果醋风味成分进行深层次研究。与发达国家相比，我国在这方面还存在一定差距。1 3 发酵动力学简介发酵动力学是发酵工程的一个重要组成部分，它以化学热力学( 研究反应的方向)和化学动力学( 研究反应的速度) 为基础，研究发酵过程中变量在活细胞作用下变化的规律，以及各种发酵条件对这些变量变化速度的影响。这一研究，有助于我们更加深入地认识和掌握发酵过程，为工业发酵的模拟、优化和控制打下良好的理论基础。发酵动力学的研究内容主要包括：细胞生长和死亡动力学；基质消耗动力学；氧消耗动力学；二氧化碳生成动力学；产物合成和降解动力学；代谢热生成动力学。以上各方面不是孤立的，而是既相互联系又相互制约，构成错综复杂的发酵动力学体系一j 。一般来说，微生物的生长和培养方式可以分为分批培养、补料分批和连续培养三种类型。图l - 4 定性地表示了分批、补料分批及连续操作时菌体及底物的浓度随时间的变8广西大学硕士学位论文蔗汁西瓜皮果醋液态发酵工艺优化及动力掌研究化情况。- - - - - - - - 一b i o m a s s- - s u b s t r a t ec o n c e n t r a ti o nb i o m a s s- - - r e s t r i c t i v es u b s t r a t ec o n c e n t r a t i o nt i m ec o n ti n u o u so p e r a ti o n图l - 4 分批、补料分批及连续操作时菌体及底物的浓度随时间的变化图【9 jf i g 1 - 4c u r v e sc h a n g e so fb a t c h ，f e d - b a t c ha n dc o n t i n u o u so p e r a t i o n微生物是发酵过程的主体，胞内有各种酶系，在摄取培养基中的养分后，通过体内特定酶系进行复杂的生化反应，将底物转化成有用的产品。微生物发酵过程中主要包含菌体生长、基质消耗和代谢产物生成等方面。其中，菌体生长是关键。在各种不同的理化环境中生长的微生物，其生长代谢活动实际上是其对所处的理化环境的一种响应【1 0 1 。发酵动力学是对微生物生长和产物形成过程的定量描述，是发酵工艺设计过程中必不可少的工具，通过研究微生物生长、发酵产物合成、底物消耗之间的动态定量关系，确定微生物生长速率、发酵产物合成速率、底物消耗速率及其转化率等发酵动力学参数特征，9广西大掌硕士掌位论文囊强十西瓜皮4 1 1 - 醋液态发酵工艺优1 七及动力掌研究以及各种理化因子对这些动力学参数的影响，并建立相应的发酵动力学过程的数学模型，从而达到认识发酵过程规律，优化发酵工艺，提高发酵产量和效率的目的，服务于生产实践。1 4 论文研究的目的、意义与内容1 4 1 研究目的与意义随着小康社会的建设和深入发展，人们的生活水平不断提高，消费者更趋向于购买一些营养丰富且兼具保健功能的食品，果醋就是其中的一种。它兼具水果和食醋的营养保健功能，是集营养、保健、食疗等功能为一体的新型饮品。广西区盛产甘蔗，近年来全区甘蔗总产量超过5 5 0 0 万吨，0 7 0 8 榨季产糖量达至1 j 9 3 0多万吨，占全国食糖总量的6 0 以上【1 1 1 。甘蔗汁有助脾作用，古人称之为“脾果” 1 2 1 。它含有丰富的蔗糖、果糖、葡萄糖，还含天门冬素、天门冬氨酸、丙氨酸、柠檬酸、维生素a 、维生素c 、尼克酸、核黄素、钾、钙、磷、铁等多种营养成分【1 2 】。蔗汁具有滋心脾，健胃润肺，生津止渴的功效。西瓜是众所周知的极具营养价值和药用价值的果品资源。广西区西瓜的产量也很大，全区年产西瓜约2 0 0 万吨。俗话说：“1 0 斤西瓜3 斤皮 。然而，在西瓜大量上市的季节，大堆小堆的西瓜破损严重，一些小城市随地可见人们扔下的西瓜皮，不仅浪费资源，还严重影响城市清洁卫生。西瓜皮占西瓜全重的3 0 以上。西瓜皮除了含有大量的水分( 7 3 左右) 外【1 3 1 ，还含有丰富的营养物质，如果糖、葡萄糖、蔗糖、粗蛋白、氨基酸、膳食纤维、苹果酸、黄酮类物质、硫胺素、烟酸、维生素c 和矿物质( 如磷、铁和钙等) ，其中总糖含量占2 1 左右【13 1 。甘蔗和西瓜都是极具营养价值的水果资源。在西瓜皮中具有一定活性的总黄酮含量较高。根据蔗汁含有大量糖分和西瓜皮极具营养的特点，本课题对利用甘蔗汁、西瓜皮生产果醋进行了研究。利用蔗汁、西瓜皮制果醋，不仅可以增加甘蔗和西瓜的附加值，使西瓜皮资源得到充分利用，而且可以带动广西区农业经济的发展。用蔗汁和西瓜皮制得的新型果醋兼具甘蔗和西瓜皮特有的风味和营养价值，不仅可以作为日常生活中的调味品使用，而且可以调配成果醋饮料，具有较好的经济价值。本课题的目的在于对蔗汁西瓜皮果醋的生产工艺进行深入研究，找出最佳的工艺条1 0广西大掌硕士掌位论文蔗汁西瓜皮果醋液态发酵工艺优化及动力学研究件，并对酒精发酵和醋酸发酵过程进行动力学研究，以期为工业化生产提供理论依据。1 4 2 论文研究内容( 1 ) 对原料进行果胶酶处理，研究果胶酶处理的最佳工艺条件；( 2 ) 蔗汁西瓜皮果醋酒精发酵工艺研究及工艺条件的优化：( 3 ) 蔗汁西瓜皮果醋液态醋酸发酵工艺研究及工艺条件的优化；( 4 ) 酒精发酵动力学和醋酸发酵动力学研究；( 5 ) 产品的品质分析与检测，并进行经济性分析。广西大掌硕士掌位论文蔗汁西瓜皮果醋液态发酵工。艺优化及动力掌研究2 1 前言2 1 1 甘蔗汁第二章原料的预处理从制糖的观点来看，甘蔗可以分成蔗汁及纤维分两个部分。纤维分中包含有纤维素、聚戊糖、木质素、灰分、蔗脂与蔗蜡、蛋白质等成分。在蔗汁中，主要是水及溶解于水的物质，即固溶物。固溶物中包括糖分及可溶性非糖分。糖分又包含蔗糖、葡萄糖及果糖；非糖分比较复杂，有胶体物质、含氮物质、无机物、色素、类脂、酶类、淀粉等【l4 1 。甘蔗及蔗汁的化学成分( 一般用百分比来表示) ，随甘蔗品种、土壤、气候、成熟度、病虫害等条件的不同变化甚大。每1 0 0 9 鲜蔗汁的化学成分见表2 1 ：表2 - 1 每1 0 0 9 甘蔗汁的营养成分列表2 1 2 西瓜皮t a b 2 一ln u t r i e n tc o m p o s i t i o no f10 0 9s u g a r c a n ej u i c e甘蔗汁的营养成分列表：( 每1 0 0 9 中含)西瓜皮，别名西瓜翠衣，来源为葫芦科植物西瓜的外层果皮。果皮含蜡质及糖。西瓜皮占西瓜全重的3 0 以上。西瓜皮除了含有大量的水分( 7 3 左右) 外，还含有丰1 2广西大学硕士掌位论文蔗汁西瓜皮果醋液态发酵工艺优化及动力掌研究富的营养物质，如果糖、葡萄糖、蔗糖、粗蛋白、氨基酸、膳食纤维、苹果酸、黄酮类物质、硫胺素、烟酸、维生素c 和矿物质( 如磷、铁和钙等) ，其中总糖含量占2 1 左右。2 1 3 果胶【1 6 】果胶广泛存在于高等植物，特别是水果和蔬菜的组织中，是果蔬植物细胞中胶层的主要成分，起着“粘合 细胞的作用。果胶由法国人b r a c e n o t 于1 8 2 5 年首次从胡萝卜的肉质根中得到并将其命名为“p e c t i n ，意思是容易成胶的物质。果胶的存在对后续发酵和成品的非生物稳定性有很大的负面影响，所以要对混合果浆进行果胶酶处理，使其降解为半乳糖醛酸等低分子物质，不但提高了原料的出汁率，也为后期生产打下了良好基础【1 7 】。2 1 4 果胶酶及作用机理【1 8 】果胶酶可以分为3 类：原果胶酶、解聚酶和果胶酯酶( p e ) 。解聚酶又可细分为果胶水解酶( p m g 、p m g l ) 和果胶裂解酶( p g 、p g l ) 。原果胶酶将不溶性的原果胶水解为水溶性果胶，根据其作用方式不同又可分为外切酶和内切酶。聚半乳糖醛酸酶( p g ) 是发现较早、研究最为广泛的一种果胶酶，它水解d 一半乳糖酸的a - 1 ，4 糖苷键，也分为外切酶和内切酶。p g 内切酶广泛存在于真菌、细菌和很多酵母中，高等植物中也发现有内切酶的存在。内切酶作用于聚半乳糖醛酸时，随机水解其中的半乳糖醛酸单位，可使溶液的粘度下降，但还原力增加不大。外切酶的研究和存在比较少，它水解聚半乳糖醛酸时逐个释放出半乳糖醛酸单位。聚半乳糖醛酸裂解酶( p g l ) 和聚甲基半乳糖醛酸裂解酶( p m g l ) 分别通过反式消去作用切断果胶酸和果胶分子的仅一l ，4 糖苷键，生成p 一4 ，5 不饱和半乳糖醛酸。这两种裂解酶都分为外切酶和内切酶两种。2 2 果胶酶处理工艺研究2 。2 1 实验材料蔗汁( 混合汁)广西农垦集团南宁金光糖厂p - 西大学硕士学位论文蔗汁西瓜皮果醋液态发酵工艺优1 匕及动力掌研究西瓜皮浆自备西瓜皮打浆果胶酶( 食品级)肇东日成酶制剂有限公司生产盐酸；n a o h 溶液；葡萄糖( 舢u ；蔗糖( a r ) ；中性醋酸铅粉；9 5 乙醇：脱铅剂2 2 2 主要仪器与设备p h s 一3 c 型精密p h 计上海雷磁仪器厂紫外可见分光光度仪北京瑞利分析仪器公司飞鸽牌台式离心机t d l 5 a上海安亭科学仪器厂上皿电子天平f a 2 0 0 4上海精科天平公司w a y - 2 s 型数字阿贝折光仪上海精密科学仪器厂电动搅拌器上海科学仪器厂恒温水浴锅( 士1 )上海精密科学仪器厂2 2 3 果胶酶处理工艺设计2 2 3 1 果胶试验为了定性检测果胶物质是否分解完全和初步确定较好的酶解时间，设计了如下的果胶试验。准确称取2 0 0 0 9 鲜蔗汁，再称取1 2 0 0 9 西瓜皮浆，加入0 3 0 ( 即0 9 6 9 ) 果胶酶制剂，调节p h 为3 o ，搅拌均匀后置于5 5 恒温水浴锅中加热。分别在水浴l h ，2 h ，3 h ，4 h ，5 h ，6 h 后，取1 0 m l 混合果汁样品，与9 5 的乙醇按1 ：l 比例混合，装入3 0 m l 的试管，用手紧握紧按试管口，翻转轻摇，静置1 5 m i n 后观察有无凝胶物质出现，并用“+ ”号的多少表示凝胶物质的多少，“一 表示无凝胶物质出现。2 2 3 2 酶解时间的初步确定结合上述果胶试验，设计了如下试验以进一步确定果胶酶处理的时间。准确称取2 0 0 0 9 鲜蔗汁，再称取12 0 0 9 西瓜皮浆，加入o 3 0 ( 即0 9 6 9 ) 果胶酶制剂，调节p h 为3 0 ，搅拌均匀后置于5 5 c 恒温水浴锅中加热。分别在水浴1 h ，2 h ，3 h ，4 h ，5 h ，6 h 后，经高速离心机( 4 5 0 0 r p m ) 离心l o m i n ，取上层清夜，用分光光度计在6 6 0 n m 波长下，以蒸馏水作参比，测定其透光率t 。同时取样，测定样品的锤度。2 3 3 3 果胶酶用量对透光率的影响准确称取5 份上述配比的混合原料，分别加入0 0 5 ，o 1 0 ，0 2 0 ，0 3 0 ，0 4 0 的1 4广西大掌硕士学位论文藤汁西瓜皮果醋液态发酵工艺优化及动力掌研究果胶酶制剂，调节p h 为3 5 ，搅拌均匀后分别置于5 5 0 下恒温水浴3 h 后取样离心，并测定其透过率t 。2 2 3 4 温度对透光率的影响准确称取7 份上述配比的混合原料，各加入0 2 0 ( 0 6 4 9 ) 果胶酶制剂，调节p h 为3 0 ，搅拌均匀后分别置于3 5 ，4 0 ，4 5 ，5 0 ，5 5 ，6 0 和6 5 条件下恒温水浴3 h后取样离心，并测定其透过率t 。2 2 3 5p h 对透光率的影响准确称取6 份上述配比的混合原料，各加入o 3 0 ( 即0 9 6 9 ) 果胶酶制剂，分别调节p h 为2 5 ，3 o ，3 5 ，4 0 ，4 5 和5 0 ，搅拌均匀后分别置于5 5 ( 2 下恒温水浴3 h 后取样离心，并测定其透过率t 。2 2 3 6 正交试验设计为了优化果胶酶处理混合果浆的工艺条件，根据上述单因素实验结果，n p h 值( a ) 、反应温度( b ) 、果胶酶用量( c ) 为因素，在确定的酶解时间条件下，设计了果胶酶处理蔗汁一西瓜皮果浆的l 9 ( 3 4 ) 正交实验，因素与水平设计见表2 2 。表2 - 2 正交试验因素水平设计表t a b 2 - 2f a c t o r sl e v e l sd e s i g no fp e c t i n a s et r e a t m e n to r t h o g o n a lt e s t2 2 4 试验步骤及分析方法2 2 4 1 西瓜皮打浆收集或购买一定量的西瓜皮，切成宽度3 5 c m 的长条状，用打浆机打浆，收集西瓜皮果浆。如果没有打浆机，也可用实验用的搅拌器来打浆，不同的是要求把西瓜皮切得更细一些，切成长约2 3 c m ，宽约l c m 的细片即可。不管是用打浆机还是搅拌器，果浆的细度要求为过4 0 目筛9 0 以上。2 2 4 2 蔗汁西瓜皮浆的混合实验用蔗汁( 混合汁) 取自广西南宁金光糖厂，其锤度为1 9 4 ，蔗糖分为1 3 2 。西1 5广西大掌硕士掌位论文蔗汁西瓜皮果醋液态发酵工。艺优化及动力学研究瓜皮浆的锤度为2 1 4 ，蔗糖分为2 4 ，它与蔗汁按质量比为西蓑菱粟= 三3 的比例混合后，测得混合果浆的锤度为2 0 1 ，蔗糖分为1 0 4 。2 2 4 3 果胶酶处理称取一定量上述的蔗汁西瓜皮混合果浆料，添加0 1 0 o - 4 ) 4 的果胶酶，调节p h 值为2 0 5 0 ，在3 5 6 0 下作用1 5 “h 。2 2 4 4 透光率的测定称取一定量的鲜蔗汁和西瓜皮浆，加入一定量的果胶酶制剂，调节p h 、水浴温度为实验要求的条件。酶解一定时间后，取样经高速离心机( 4 5 0 0 r p m ) 离心1 0 m i n ，取上层清液，用分光光度计在6 6 0 n m 波长下，以蒸馏水作参比，测定其透光率t 。实验中比色皿厚为l c m 。2 2 4 5 果胶定性检测果胶物质的定性检测采用酒精法【1 9 1 ：用9 5 的乙醇与混合果汁按l ：l 比例混合，装入3 0 m l 的试管，用手紧握紧按试管口，翻转轻摇，静置1 5 m i n 后观察有无凝胶物质出现，并用“十 号的多少表示凝胶物质的多少，“一”表示无凝胶物质出现。2 2 4 6 锤度的测定【2 0 1取澄清样液，用数字阿贝折光仪测定固形物百分含量，即锤度值。本实验过程中，锤度值是经过温度换算( 统一按2 0 下计) 后的数值，后同。2 2 5 实验结果及分析2 2 5 1 果胶试验果胶试验结果于表2 3 所示：表2 3 果胶试验结果表t a b 2 - 3r e s u l to fp e c t i nt e s t由上表可知，酶解l 3 h 内，果胶试验中均定性检测到了果胶物质的存在，并且凝胶物质含量越来越少，表明果胶物质在不断的被分解掉；3 6 h 内，果胶试验中没有观察到凝胶物质，说明果胶物质基本分解完全。1 6广西大掌硕士学位论文蔗汁西瓜皮果醋液态发酵工艺俄化及动力掌研究2 2 5 2 酶解时间与透光率和锤度的关系果胶酶作用时间与透光率、锤度的关系如表2 - 4 所示：表2 - 4 酶解时间与透光率、锤度关系表t a b 2 - 4e f f e c t so fe n z y m o l y s i st i m eo nt r a n s m i t t a n c ea n db r i x果胶酶作用时间与透光率、锤度的关系曲线如图2 1 所示：0123456t i m e h2 2 02 1 82 1 62 1 42 1 22 1 o2 0 82 0 62 0 42 0 22 0 0图2 1 酶解时间与透光率、锤度关系曲线f i g 2 - 1t h ec u r v eo fe n z y m o l y s i st i m e ，t r a n s m i t t a n c ea n db r i x由上图可知，1 3 h 内，随着酶解时间的延长，透光率不断增大，3 h 后透光率不再增大，反而有所减小。与此同时，在l 3 h 内，混合果浆澄清液的锤