桑葚-草莓复合果酒发酵动力学模型建立

熊亚，李敏杰*，刘姗

（1.攀枝花学院生物与化学工程学院，四川攀枝花617000；2.攀枝花市干热河谷特色生物资源工程技术中心，四川攀枝花617000）

桑葚，又名桑椹子、桑蔗、桑枣等，桑树的成熟果实，为桑科植物桑树的果穗。成熟的桑葚质地油润，酸甜适口，以个大、肉厚、色紫红、糖分足者为佳[1]。现代研究证实，桑葚果实中含有丰富的活性蛋白、维生素、氨基酸、胡萝卜素、矿物质、白藜芦醇、花青素等成份，具有很好的预防血管硬化和癌症、抗衰老等多种功效[2-5]。

草莓属于多年生草本植物，富含多种营养物质，如维生素C、维生素A、维生素E、胡萝卜素、鞣酸、天冬氨酸、铜、草莓胺、果胶、纤维素、叶酸、铁、钙、鞣花酸与花青素等营养物质，营养价值极高[6-7]。更值得注意的是草莓中的维生素C 含量比苹果、葡萄都高7～10 倍，另外苹果酸、柠檬酸、维生素B1、维生素B2，以及胡萝卜素、钙、磷、铁的含量也比苹果、梨、葡萄高3～4 倍[8-10]。

复合果酒是由多种新鲜水果混合发酵而成的含酒精型饮料，它结合了各种水果原料的特点和优势，互为补充，它含有更多的糖、矿物质、有机酸、维生素、氨基酸等多种营养成分[11]。果酒也是一种良好的抗氧化剂，由于果酒是由各种新鲜且富含多种营养成分的水果发酵而成的，它不仅含有多种氨基酸、芳香酯、有机酸、维生素和矿物质，而且含有丰富的抗氧化物质。有研究表明，这些抗氧化剂比维生素具有更强的抗氧化活性[12]。由于草莓香味浓颜色浅，而桑葚味淡颜色深，两种水果形成良好的互补，不但能够弥补相互的缺陷，发挥自身的优势，满足人们对营养和保健的需求，也能够在一定程度上开拓果酒市场[13-16]。选用这两种水果酿造成复合果酒，可获得口感好、营养全面、保健效果好的果酒。它开辟了新兴果酒市场，解决了草莓、桑葚不易保存和运输的问题，使人们在任何时候都能享受到美味。本试验通过对桑葚-草莓复合果酒动力学模型的研究，对探索和优化复合果酒的优良酿造工艺，对复合果酒市场开发及扩大化生产有着积极的意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料及仪器

桑葚、草莓：攀枝花学院水果超市；果胶酶（105U/g）：湖北兴银河医药有限公司；高活性酵母：安琪酵母股份有限公司；氢氧化钠（分析纯）、亚硫酸（≥99.8%，分析纯）、无水柠檬酸（食品级）：成都科龙化工试剂厂。

1.2 主要仪器与设备

电子天平（FA1204B）：上海天平仪器厂；显微镜（SGO-PH300）：深圳市深视光谷光学仪器有限公司；手持式糖度仪（WS105 型）：上海普振生物科技有限公司；电热恒温水浴锅（DZKW-S-8）：北京市永光明医疗仪器有限公司；酒精计（0-40 型）：河间市宏利玻璃仪器厂；精密pH 计（PHS-3B）：上海圣科仪器设备有限公司；榨汁机（T2264MD）：上海九阳股份有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 复合发酵酒生产工艺

1.3.1.1 水果的挑选及处理

挑选成熟饱满、无病虫害及无损伤的新鲜桑葚、草莓。将选择后的草莓、桑葚冲洗干净后，捞出沥干，备用。

1.3.1.2 混合榨汁

将处理好桑葚和草莓以2∶3 的质量比混合，加入适量纯净水，榨汁机榨汁。

1.3.1.3 酶解

果胶酶按照40 mg/L 的量添加以增加出汁率，SO2添加量为60 mg/L，以防止杂菌污染。

1.3.1.4 成分调整

酵母菌按40 mg/L 发酵液的量进行接种，添加白砂糖调节初始糖度为22°，加入柠檬酸调节果汁初始pH 值为4。

1.3.1.5 发酵

在室温下（25 ℃）进行发酵，当发酵罐内发酵现象不明显且发酵液比重＜1 时，发酵结束。

1.3.1.6 过滤

将发酵酒液用3 层灭菌纱布过滤，以滤去发酵过程中死亡的酵母以及残存下来的果渣。

1.3.1.7 陈酿

将发酵过滤后的果酒静置两周左右，待酒液澄清后进行果酒的装瓶、贮存。

1.3.2 酵母菌数量的测定

采用血球板计数法测定发酵过程中酵母菌数量。

1.3.3 总糖含量的测定

采用3-5-二硝基水杨酸比色法[17]测定发酵过程中总糖含量。

1.3.4 酒精度含量的测定

采取蒸馏法[18]进行酒精度含量的测定。

1.3.5 数据处理

运用Origin8.6 软件进行菌体生长量、酒精生成量和总糖消耗量的非线性拟合。通过回归曲线得到动力学模型参数，建立酵母菌菌体生长、酒精生成和总糖消耗的动力学模型方程。

2 结果与分析

2.1 桑葚-草莓复合果酒发酵过程主要指标变化情况

桑葚-草莓复合果酒发酵过程主要指标变化曲线见图1。

图1 桑葚-草莓复合果酒发酵过程主要指标变化曲线Fig.1 Change curves of main indexes of the fermentation process of compound wine

由图1 可知，在发酵前2 d，酵母菌数量增长较为平缓，这是由于酵母菌代谢系统为适应新环境的需要，处于生长代谢适应阶段。从第3 天开始其数量快速增长，这是因为酵母菌已适应环境，能够大量利用发酵液中的营养物质，在第7 天数量达到最大值，为7.56×107个/mL，从第8 天开始逐渐减少，说明酵母菌负生长速率开始大于正生长速率，属于衰亡期。总糖含量随时间的变化在发酵的前3 天缓慢减少，可能是由于酵母菌在前3 d 处于适应生长阶段。从第3 天开始，总糖含量急剧减少，可能是由于酵母菌大量繁殖，导致底物大量消耗。从第8 天开始，总糖含量减少趋势缓慢，并逐渐趋于稳定，这可能是由于酵母菌也在这一时期开始逐渐衰亡，底物消耗逐渐减弱，这也预示着发酵基本完成。发酵过程中酒精度含量在发酵前2 d 变化很小，是由于酵母菌处于生长适应阶段，还未完全进行产酒精作用。从发酵第3 天开始，酒精度快速上升，这是因为酵母菌开始大量繁殖，将糖转化为酒精，导致酒精度大幅度上升，在发酵第10 天酒精度达到最大值，为13.4%vol。从酵母菌生长、酒精度及总糖含量随发酵的变化上看，酵母菌菌体数量曲线和酒精度生成曲线的变化趋势相同，三者之间相互联系，其变化符合发酵规律。

2.2 酵母菌生长动力学模型建立

酵母菌的生长曲线呈“S”型，因此可以用Logistic模型应用于果酒发酵过程进行模拟[19]，Logistic 方程是用来表现菌体生长与营养底物之间的非线性关系的经验方程[16]。Logistic 方程如下。

式中：Y 表示发酵过程中酵母菌的数量，×107个/mL；A1表示初始酵母菌数，×107个/mL；A2表示最终酵母菌数，×107个/mL；x 表示发酵时间，d；x0、p 为方程系数。

通过origin8.6 软件对菌体数量和方程式（1）进行拟合，得到A1=2.722 35，A2=7.312 54，x0=4.038 37，p=7.663 67，带入式（1）得酵母菌数量随发酵过程变化的动力学模型为式（2）。

酵母菌生长试验值与预测值模型拟合曲线如图2所示。

图2 酵母菌生长实验值与预测值模型拟合曲线Fig.2 Fitness curve of test values of yeast growth and prediction values

由图2 可知，发酵过程中酵母菌的变化曲线与其拟合曲线的复合度较好，桑葚-草莓复合果酒发酵过程中的Logistic 模型R2=0.978 85，酵母菌数量的试验值与预测值能够较好的拟合，表明该模型能较好的反应酵母菌的生长发育情况。

2.3 底物总糖消耗动力学模型

在复合果酒的发酵过程中，总糖的消耗模型包括底物消耗以维持细胞呼吸新陈代谢作用、供给菌体生长、形成产物3 个部分[20]。通过物料平衡，利用Boltzmann模型建立方程如下。

式中：Y 为总糖含量，g/L；A1为初始总糖含量，g/L；A2为总糖终浓度，g/L；x0、dx 为方程系数；x 为发酵时间，d。

通过origin8.6 软件对总糖含量和方程式（3）进行拟合，得A1=232.218 19，A2=15.649 97，x0=5.219 53，dx=1.414 81，带入式（3）得总糖含量随发酵进程变化的动力学模型。

总糖消耗试验值与预测值模型拟合曲线见图3。

图3 总糖含量与预测值模型拟合曲线Fig.3 Fitness curve of test values and prediction values of total sugar content

如图3 所示，发酵过程中总糖含量随发酵时间的变化曲线与其拟合曲线的吻合程度极高，此动力学模型的R2=0.996 54，说明总糖含量的试验值与预测值能够很好的拟合，该模型能很好的反映总糖消耗情况。

2.4 产物酒精生成动力学模型

不同时间的酒精度含量数据，用origin8.6 作图软件进行非线性拟合，得到复合果酒生产中产物生成动力学模型。

式中：Y 表示发酵过程中的酒精度，%vol；A1表示初始酒精度，%vol；A2表示最终酒精度，%vol；x 表示发酵时间，d；x0、p 为方程系数。

通过origin8.6 软件对发酵过程中酒精度数据和方程式（5）进行拟合，得到A1=1.184 98，A2=20.406 54，x0=7.473 71，P=1.950 6，带入式（5）得酒精度随发酵过程变化的动力学模型。

图4 酒精度产量与预测值模型拟合曲线Fig.4 Fitness curve of test values and prediction values of alcohol production

酒精度产量与预测值模拟拟合曲线如图4 所示。酒精度产量与预测值模型拟合曲线的R2=0.994 1，说明在发酵过程中酒精生成动力学模型的预测值和实测值相对误差较小，其拟合度高。

3 结论

本试验以桑葚、草莓为原料，混合榨汁后加入酵母进行发酵，得到酒液透亮清澈，色泽呈深红色，带有草莓清香的复合果酒。在桑葚-草莓复合果酒的发酵过程中对菌体量、酒精度、总糖含量进行测定，随着发酵时间的进行，这3 个参数出现了规律性的变化。发酵完成后复合果酒的酒精度为13.4%vol，残糖含量为24 g/L；采用Origin8.6 软件对数据进行分析，用Logistic 方程建立了桑葚-草莓复合果酒发酵的菌体生长、产酒精动力学模型，用Boltzmannm 模型建立了总糖消耗的动力学模型，其决定系数R2分别为0.979、0.997、0.994，均大于0.9。所以，采用的动力学模型预测与实际果酒发酵的情况符合度都很好，表明此动力学模型能较好的描述桑葚-草莓复合果酒发酵过程中基质、产物、酵母菌的变化。

通过桑葚-草莓复合果酒发酵动力学模型的建立，对掌握酵母菌的生理特征，酒精生产的优化条件，以及各发酵指标之间的关系，为工业化生产桑葚-草莓复合果酒提供一定的参考价值。