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响应面法优化香瓜果醋酿造工艺

肖志勇

肖志勇. 响应面法优化香瓜果醋酿造工艺[J]. 福建农业学报, 2018, 33(9): 980-985. DOI: 10.19303/j.issn.1008-0384.2018.09.016
引用本文: 肖志勇. 响应面法优化香瓜果醋酿造工艺[J]. 福建农业学报, 2018, 33(9): 980-985. DOI: 10.19303/j.issn.1008-0384.2018.09.016
XIAO Zhi-yong. Response Surface Optimization of Muskmelon Fruit Fermentation for Vinegar[J]. Fujian Journal of Agricultural Sciences, 2018, 33(9): 980-985. DOI: 10.19303/j.issn.1008-0384.2018.09.016
Citation: XIAO Zhi-yong. Response Surface Optimization of Muskmelon Fruit Fermentation for Vinegar[J]. Fujian Journal of Agricultural Sciences, 2018, 33(9): 980-985. DOI: 10.19303/j.issn.1008-0384.2018.09.016

响应面法优化香瓜果醋酿造工艺

基金项目: 

福州市科技计划项目 2017-G-100

详细信息
    作者简介:

    肖志勇(1979-), 男, 高级工程师, 主要从事食品加工技术研究(E-mail: 543149340@qq.com)

  • 中图分类号: TS255.4

Response Surface Optimization of Muskmelon Fruit Fermentation for Vinegar

  • 摘要: 以新鲜香瓜为原料,采用单因素、Box-Benhnken响应面试验设计优化香瓜果醋酿造工艺。结果表明,香瓜果醋发酵的优化工艺为:初始酒精度7.0%,醋酸菌接入量9.5%,摇床转速155 r·min-1,发酵温度36℃,时间5 d,在此条件下,发酵所得香瓜果醋酸值达到5.33%,色泽浅黄澄清,酸味柔和适中,且独具香瓜特征香味。
    Abstract: Submerged fermentation was employed to produce vinegar from muskmelon fruits. The fermentation process was optimized using response surface and orthogonal experiments. The results showed that the optimal process was conducted with aninitial alcohol content of 7%, a mixer rotational speed at 155 r·min-1 and an addition of 9.5% acetobacter inoculum at 36℃ for 5 days. Under these conditions, the acidity of the resulting muskmelon vinegar was 5.33%. The light yellowish vinegar appeared clear with a pleasant sweet and acidic aroma.
  • 【研究意义】松褐天牛Monochamus alternatus Hope,又名松墨天牛,是我国南方松林分布区的重要蛀干害虫,以幼虫钻蛀松树枝干的韧皮部和木质部,影响水分、养分在树体内的传输,致使树体生长衰弱,有的甚至枯死,造成直接的经济损失。同时,松褐天牛也是松材线虫Bursaphelenchus xylophilus Nickle的重要传播媒介。松褐天牛是典型的钻蛀性害虫,除成虫期外,其他虫态均在树干内取食危害,林间天牛种群密度调查及其防治极为困难。【前人研究进展】目前国内学者在松褐天牛的生物学特性、发生规律和防控技术等方面做了大量研究[1-6]。国内有关松褐天牛在马尾松上的垂直分布情况及其与松树胸径、树高的关系也有少量研究报道:孟俊国等研究了松褐天牛幼虫在马尾松上的分布规律[7];高尚坤等系统地研究了松褐天牛产卵刻槽、幼虫和蛹在马尾松树干上的分布规律[8];涂业苟等研究了松褐天牛产卵刻槽、侵入孔和羽化孔的数量与树干胸径的关系[9];张世渊等对浙东沿海地区松褐天牛的成虫羽化历期和各虫态在病树上的分布规律进行了观察研究,同时认为,松褐天牛幼虫及蛹在树体上的分布规律及其保存率是制订清除松材线虫病死树质量标准的主要依据[10]。【本研究切入点】虽然有关学者已对松褐天牛在马尾松树干上的分布规律进行了报道[7-13],但这些研究是某一区域或某一时间段天牛的危害痕迹或幼虫在树干上的分布。天牛在松疫木中取食危害的过程中,会产生产卵刻槽、侵入孔和羽化孔等危害痕迹,危害痕迹调查法是钻蛀性害虫的重要调查方法之一[14]。对于松褐天牛在赣南松材线虫病疫木及其伐桩上的产卵刻槽、侵入孔和羽化孔的数量关系,目前还没有相关报道。【拟解决的关键问题】本研究对松材线虫病死树上的松褐天牛产卵刻槽、侵入孔和羽化孔的垂直分布情况及其数量关系进行了系统的调查分析,在实际调查工作中,调查整株疫木的侵入孔、羽化孔需要花大量人力、物力,针对此情况,本研究探讨疫木下段侵入孔数与整株羽化孔数(虫口密度)的关系,以期探明虫口调查的简便方法,旨在为松褐天牛的林间虫情调查和危害程度估计奠定基础。

    试验地设在江西省赣州市峰山国家森林公园管理处的南田村和东风村,试验林地林分为马尾松Pinus massoniana Lamb.纯林,树龄10~40 a,胸径6~40 cm,平均树高7.5 m,郁闭度0.7~0.9。近年来,该林区出现大量由松材线虫病及松褐天牛造成的马尾松枯死现象,松褐天牛种群密度高,每年均有冬季清理枯死木及综合治理。

    每年11月至翌年3月,每月选取10~20 a生、松褐天牛数量多的松材线虫病病死木12株左右,共63株,沿地面伐倒,以株为单位测量树高、胸径,分段统计树干和侧枝上天牛产卵刻槽数,就地放置于林间,待翌年成虫完全羽化后,去皮逐株逐段调查统计幼虫侵入孔和成虫羽化孔的数量。

    由于树干长度不一致,在分析时以树干总长度为1,参照杨子祥的方法[14],从基部开始往上1/3处记为下段,往上1/3~2/3处为中段,往上2/3~3/3处为上段,将树干分为下段、中段和上段,再加上侧枝,分段分别统计侵入孔和羽化孔数量,进行分布特征分析。

    所有数据的统计分析均采用SPSS 17.0统计软件进行方差分析(one-way ANOVA)、t 检验和线性回归分析(Linear regression)。

    松褐天牛虫孔(产卵刻槽、侵入孔、羽化孔)在马尾松松材线虫病病死树及其伐桩上的分布情况见表 1

    表  1  松褐天牛虫孔在松材线虫病疫木上的分布
    Table  1.  Distribution of M. alternatus boreholes on infected pine trees
    项目
    Item
    株高
    Height/m
    伐桩
    Stumps(5 cm)
    下段
    Lower segment
    中段
    Middle segment
    上段
    Upper segment
    合计
    Total
    产卵槽数/个
    Number of oviposition slots
    < 8020.55±16.18Bb34.97±36.51 A b20.39±11.73B a75.90±62.41 b
    ≥ 8081.38±47.97Aa50.47±22.93ABa19.75±9.72 B a151.59±56.24a
    侵入孔数/个
    Number of intrusive holes
    < 80.66±0.83 a9.29±6.91 C b15.84±10.35 A b11.52±4.10 B a36.65±19.69 b
    ≥ 80.19±0.40 b35.03±19.77Ba49.88±34.27 A a18.88±13.86C a103.81±58.62a
    羽化孔数/个
    Number of eclosion holes
    < 80.29±0.46 a5.45±3.71 Cb9.39±4.96 A b7.25±3.03 B b22.10±10.27 b
    ≥ 80.10±0.30 b18.00±9.75 Ba26.31±16.85 A a11.03±7.57 BCa55.34±28.02 a
    注:表中同一行不同大写字母表示差异显著(P < 0.05),相同项目下的每一列不同小写字母表示差异显著(P < 0.05);表中数字为“平均值±标准差”。
    Note:Different capital letters on a same row indicate significant differences (P < 0.05). Different lowercase letters on a same column indicate significant differences (P < 0.05). Datas are mean±SD.
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    表 1可见,所调查的整株松褐天牛产卵刻槽数量介于25~259个,平均114.35个。株高 < 8 m的植株平均刻槽数为75.90个,其中下段20.55个、中段34.97个、上段20.39个,分别占总刻槽数的27.07%、46.07%、26.86%,产卵刻槽在病树上的数量分布特征为:中段>下段>上段,其中中段占比近50%,与上、下段的差异均达极显著水平(P < 0.01),而后两者差异不显著(P>0.05);株高≥ 8 m的植株平均刻槽数为151.59个,其中下段81.38个、中段50.47个、上段19.75个,分别占总刻槽数的53.687%、33.29%、13.03%,产卵刻槽在病树上的数量分布特征为:下段>中段>上段,其中下段占比超50%,与上段差异达极显著水平(P < 0.01)。可见,株高 < 8 m的整株产卵刻槽主要分布在树干中段,而株高≥ 8 m的则主要分布在树干下段,回归分析结果显示,松褐天牛产卵刻槽数量与株高的关系呈显著正相关关系(R2=0.479; df=1, 62; F=56.147; t=7.493; P < 0.01)。

    所调查的整株天牛侵入孔数量介于17~221个,平均70.76个,其中下段22.37个、占总数的33.76%,中段33.13个、占48.04%,上段15.25个、占18.21%,在病树上的数量分布特征为:中段>下段>上段,且中段数量显著大于下、上段数量。回归分析结果显示,松褐天牛侵入孔数量与株高的关系呈显著正相关关系(R2=0.418; df=1, 62; F=43.794; t=6.618; P= < 0.01),不管株高大于还是小于8 m,均为中段的侵入孔数量最多。

    所调查的整株天牛羽化孔数量介于9~109个,平均38.98个,其中下段11.83个、占总数的32.52%,中段17.98个、占47.54%,上段9.18个、占19.93%,在病树上的数量分布特征为:中段>下段>上段,中段羽化孔数量最多,均占近50%,与上、下段的差异均达极显著水平(P < 0.01)。回归分析结果显示,松褐天牛羽化孔数量与株高的关系呈显著正相关关系(R2=0.353; df=1, 62; F=33.216; t=5.763; P < 0.01)。

    病死树上松褐天牛的产卵刻槽、侵入孔和羽化孔三者间的关系见表 2。由表 2可见,株高 < 8 m的植株上,天牛产卵刻槽数:侵入孔数:羽化孔数=1:0.483:0.291;株高≥ 8 m的植株上,天牛产卵刻槽数:侵入孔数:羽化孔数=1:0.685:0.365。相关分析结果显示:所有P < 0.01,表明两两间存在明显的相关关系,所有的相关系数R≥0.720,两两间为极显著相关,回归方程见表 2

    表  2  产卵刻槽、侵入孔和羽化孔数量间的关系分析
    Table  2.  Correlations among numbers of oviposition grooves, invasion and eclosion holes on diseased tree trunks
    株高
    Height/m
    项目
    Item
    比例
    Proportion
    相关系数
    R
    P
    Sig.
    回归方程
    Regression equation
    < 8产卵刻槽数x1与侵入孔数x2
    No of oviposition scars (x1) and No of entrance holes (x2)
    1:0.4830.9180.000x2=0.290x1 + 14.665
    产卵刻槽数x1与羽化孔数x3
    No of oviposition scars (x1) and No of exit holes (x3)
    1:0.2910.7200.000x3=0.119x1 + 13.100
    侵入孔数x2与羽化孔数x3
    No of entrance holes (x2) and No of exit holes (x3)
    1:0.6030.9110.000x3=0.475x2 + 4.677
    ≥ 8产卵刻槽数x4与侵入孔数x5
    No of oviposition scars (x4) and No of entrance holes (x5)
    1:0.6850.8480.000x5=0.884x4-30.263
    产卵刻槽数x4与羽化孔数x6
    No of oviposition scars (x4) and No of exit holes (x6)
    1:0.3650.7210.000x6=0.359x4 + 0.863
    侵入孔数x5与羽化孔数x6
    No of entrance holes (x5) and No of exit holes (x6)
    1:0.5330.9500.000x6=0.454x5 + 8.207
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    马尾松疫木下段虫孔数量(即下段产卵刻槽、侵入孔和羽化孔数量)与整株羽化孔数量的相关分析表明:下段产卵刻槽、侵入孔和羽化孔的数量均与整株羽化孔数量存在明显的相关关系(表 3),所有相关系数≥ 0.834,P < 0.01,分别达极显著相关,其回归方程见表 3。这一结果表明,松材线虫病疫木虫口密度调查,可以依据下段产卵刻槽、侵入孔或羽化孔的数量来估计整株羽化孔数量,从而推算林间的天牛虫口数量,制定合理的防治方案。

    表  3  下段虫孔数量与整株羽化孔数量相关性的回归分析
    Table  3.  Regression analysis for correlation between numbers of boreholes on lower section and total eclosion holes on a diseased-tree trunk
    项目
    Item
    相关系数
    R
    决定系数
    R2
    F
    F
    t
    t
    P
    Sig.
    回归方程
    Regression equation
    整株羽化孔数y
    No of emergent holes in the whole plant
    下段刻槽数x1
    No of grooves in lower section (x1)
    0.8340.695139.11811.7950.000y=0.477x1+14.4675
    下段侵入孔数x2
    No of entrance holes in lower section (x2)
    0.9280.861377.49319.4290.000y=1.270x2+10.588
    下段羽化孔数x3
    No of exit holes in lower section (x3)
    0.9410.886473.91521.7700.000y=2.610x3+8.116
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    病死木伐桩地上部松褐天牛产卵刻槽、侵入孔及羽化孔情况见表 1。从表 1可见,调查的病死木伐桩上未发现有天牛产卵刻槽,侵入孔和羽化孔数量也极少。病死木伐桩地上部天牛侵入孔平均每株0.48个,其中株高 < 8 m的疫木其伐桩侵入孔平均数量每桩为0.66个,株高≥ 8 m的为0.19个,两者差异达显著水平(P < 0.05);病死木伐桩地上部天牛羽化孔平均每株0.14个,其中株高 < 8 m的疫木其伐桩羽化孔平均数量每桩为0.29个,株高≥ 8 m的为0.10个,两者差异达显著水平(P < 0.05)。

    可见,病死树越高,伐桩上虫孔数量越少,但相关性不显著(R2 =0.082),因为每株伐桩虫孔数极少,在0~3个。有虫孔株率分别为38.10%、14.29%,病死木伐桩地上部天牛侵入孔数、羽化孔数分别占总株侵入孔数、羽化孔数的0.54%、0.29%,表明相对于全株上天牛种群数量而言,病死木伐桩上虽有天牛存在,但数量极低,即松褐天牛成虫的出现率较低,有羽化成虫的有虫伐桩率为14.29%,伐桩羽化成虫数量占整株羽化成虫数的0.35%。

    本研究发现,松材线虫病病死树上的松褐天牛产卵刻槽的数量分布特征,株高 < 8 m的植株,整株产卵刻槽主要分布在树干中段,占46.07%,而株高≥8 m的植株,整株产卵刻槽主要分布在树干下段,占53.687%,其次是中段,产卵刻槽数量与株高的关系均呈显著正相关关系。这与涂业苟等[9]、杨子祥等[14]的研究结论相一致:松褐天牛产卵刻槽的数量主要集中分布在马尾松树干1~5 m的位置,树干下段分布最多。这与高娜等[15]的研究不一致:黑松树干3 m以上很少有天牛产卵刻槽分布,树高>7 m时,没有产卵刻槽分布。出现这些差异的原因可能与松树品种、松树生长状况(包括树皮厚度、树干含水量和树皮内营养成分)有关[14-15],有待进一步研究。

    本试验显示,松褐天牛侵入孔、羽化孔在被害病死树上的数量分布特征为树干中段>下段>上段,且中段数量显著大于下段、上段数量,这与前人的研究结论一致[10, 12, 14]。天牛产卵刻槽、侵入孔和羽化孔,两两间存在明显的数量相关关系且显著相关。根据王玲萍[16]的研究:松褐天牛在马尾松树干内卵的孵化率为86.18%, 孵化后的幼虫只有31.68%能进入木质部,各段的孵化率或侵入率的差异可能是造成侵入孔与产卵刻槽分布特征不一致的原因。而幼虫蛀入木质部后,受环境因素的影响较小,生存率较高[10],因此羽化孔和侵入孔出现了相似的分布特征,即中段分布最多,全树幼虫侵入孔与成虫羽化孔的数量比例稳定在1:0.5~1:0.6。

    关于松褐天牛的林间虫情调查问题。松褐天牛是典型的钻蛀性害虫,危害痕迹(产卵刻槽、侵入孔和羽化孔)调查法是钻蛀性害虫的重要调查方法之一[14]。在实际调查工作中,调查整株疫木的侵入孔、羽化孔需要花大量人力、物力,难度很大,而树干下段的危害痕迹比较容易调查,根据下段危害痕迹数量来估计整株的羽化孔数量,有助于快速掌握林间的虫口数量[14]。本研究结果显示,树干下段虫孔数量(即下段产卵刻槽、侵入孔和羽化孔数量)与整株羽化孔数量呈极显著相关关系,即均可采用下段产卵刻槽、侵入孔或羽化孔数量来估计整株的羽化孔数量。有报道认为:根据整株(或树干高度2~3 m)刻槽的数量,可以预测整株马尾松上的松褐天牛羽化孔总数量,更直观可靠[9]。但由于无效产卵刻槽的存在[4, 16-17],采用产卵刻槽来估计羽化孔数量,可能会产生较大的误差[14]。松褐天牛成虫羽化历期太长(4~8月),且松材线虫病病死树的清除一般须在4月前完成,所以采用下段羽化孔数量来估计整株羽化孔数量也是不现实的。而天牛幼虫则较早进入木质部,蛀入后受环境条件和天敌影响较小,种群数量基本稳定[10],因此根据下段侵入孔数量来推算整株羽化孔的数量更为准确、可靠。

    本研究还发现,在所调查的松材线虫病病死树中,伐桩上没有发现产卵刻槽,有松褐天牛侵入孔、羽化孔的伐桩数分别占总伐桩数的38.10%、14.29%,伐桩内虽有松褐天牛分布,但数量极少,每桩虫孔数量在0~3个,伐桩羽化成虫数量占整株羽化成虫数的0.35%。而伐桩暴露在林间的时间长,伐桩内的天牛一般在5~6月羽化,因此,虽然有的伐桩上可能有松褐天牛成虫羽化,但其虫体也可能不带有松材线虫(另文发表),即不能发挥媒介作用,这与蒋丽雅等[18]的研究结论一致。因此,我们认为,在松材线虫病疫木清理过程中,只要控制好伐桩高度(低于5 m),伐桩则无需处理。

  • 图  1   初始酒精度对醋酸发酵的影响

    注:D1~D7为发酵时间1~7 d,图 2~4同。

    Figure  1.   Effect of initial alcohol content on fermentation

    图  2   温度对醋酸发酵的影响

    Figure  2.   Effect of temperature on fermentation

    图  3   醋酸菌接种量对醋酸发酵的影响

    Figure  3.   Effect of inoculation of acetobacter on fermentation

    图  4   震荡转速对醋酸发酵的影响

    Figure  4.   Effect of mixer rotational speed on fermentation

    图  5   R1=(X1X2)的响应面

    Figure  5.   Response surface plot for fermentation under varied alcohol content and acetobacter inoculation

    图  6   R1=(X1X3)的响应面

    Figure  6.   Response surface plot for fermentation under varied temperature and alcohol content

    图  7   R1=(X1X4)的响应面

    Figure  7.   Response surface plot for fermentation under varied alcohol content and mixer rotational speed

    图  8   R1=(X3X4)的响应面

    Figure  8.   Response surface plot for fermentation under varied mixer rotational speed and temperature

    表  1   Box-Behnken试验设计因素

    Table  1   Variables and levels in Box-Behnken central composite design

    编码值 酒精添加量/% 接种量/% 发酵温度/℃ 摇床转速/(r·min-1)
    -1 4 8 34 140
    0 6 10 36 150
    +1 8 12 38 160
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    表  2   Box-Behnken试验设计及试验结果

    Table  2   Arrangement and results of Box-Behnken central composite experiment

    试验号 因素 醋酸含量R/%
    X1 X2 X3 X4
    1 -1 -1 0 0 3.3
    2 -1 1 0 0 4.3
    3 1 -1 0 0 3.3
    4 1 1 0 0 4.5
    5 0 0 -1 -1 4.3
    6 0 0 -1 1 5.0
    7 0 0 1 -1 4.4
    8 0 0 1 1 4.9
    9 -1 0 0 -1 4.3
    10 -1 0 0 1 4.5
    11 1 0 0 -1 4.7
    12 1 0 0 1 5.2
    13 0 -1 -1 0 3.3
    14 0 -1 1 0 3.0
    15 0 1 -1 0 3.9
    16 0 1 1 0 4.3
    17 -1 0 -1 0 4.0
    18 -1 0 1 0 4.2
    19 1 0 -1 0 5.1
    20 1 0 1 0 4.4
    21 0 -1 0 -1 3.1
    22 0 -1 0 1 3.2
    23 0 1 0 -1 3.6
    24 0 1 0 1 4.3
    25 0 0 0 0 5.3
    26 0 0 0 0 5.5
    27 0 0 0 0 5.1
    28 0 0 0 0 5.2
    29 0 0 0 0 5.3
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    表  3   回归统计分析结果

    Table  3   ANOVA for response surface regression model

    系数来源 平方和 自由度 均方 F Prob>F 显著性
    模型 14.89 14 1.06 22.86 <0.0001 **
    X1 0.61 1 0.61 13.06 0.0028 **
    X2 2.71 1 2.71 58.20 <0.0001 **
    X3 <0.0001 1 <0.0001 0.16 0.6941
    X4 0.61 1 0.61 13.06 0.0028 **
    X1X2 <0.0001 1 <0.0001 0.21 0.6500
    X1X3 0.16 1 0.16 3.44 0.0849
    X1X4 0.022 1 0.022 0.48 0.4982
    X2X3 0.12 1 0.12 2.63 0.1270
    X2X4 0.090 1 0.090 1.93 0.1860
    X3X4 <0.0001 1 <0.0001 0.21 0.6500
    X12 0.53 1 0.53 11.39 0.0045 *
    X22 10.31 1 10.31 221.64 <0.0001 **
    X32 1.09 1 1.09 23.53 0.0003 **
    X42 0.73 1 0.73 15.72 0.0014 **
    残差 0.65 14 0.047
    失拟 0.56 10 0.056 2.56 0.1891 不显著
    净误差 0.088 4 0.022
    总离差 15.54 28
    相关系数(R2) 0.9581
    调整复相关系数(RAdj2) 0.9162
    注:“**”表示极显著(P<0.01),“*”表示显著(P<0.05)。
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-05-10
  • 修回日期:  2018-07-02
  • 刊出日期:  2018-08-31

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