響應(yīng)面法優(yōu)化雪蓮果酒發(fā)酵工藝

吳竹青，陳 景，黃 群，黃 偉，陳功錫

(1.吉首大學 植物資源保護與利用湖南省高校重點實驗室，湖南 吉首 416000；2.吉首大學食品科學研究所，湖南 吉首 416000)

響應(yīng)面法優(yōu)化雪蓮果酒發(fā)酵工藝

吳竹青1,2，陳 景2，黃 群1,2，黃 偉2，陳功錫1

(1.吉首大學 植物資源保護與利用湖南省高校重點實驗室，湖南 吉首 416000；2.吉首大學食品科學研究所，湖南 吉首 416000)

以雪蓮果汁為原料，采用響應(yīng)面法優(yōu)化雪蓮果酒發(fā)酵工藝條件，在單因素試驗基礎(chǔ)上，雪蓮果汁糖度調(diào)整至22%，選取果酒干酵母接種量、發(fā)酵時間、發(fā)酵溫度、SO2用量為影響因子，以雪蓮果酒的酒精體積分數(shù)為響應(yīng)值，應(yīng)用Box-behnken中心組合試驗設(shè)計建立數(shù)學模型，進行響應(yīng)面分析。結(jié)果表明，雪蓮果酒發(fā)酵優(yōu)化工藝條件為：果酒干酵母接種量0.45%、發(fā)酵時間14d、發(fā)酵溫度28.5℃、SO2用量57mg/L，在此優(yōu)化條件下，雪蓮果酒的酒精體積分數(shù)為11.46%。

雪蓮果；果酒；發(fā)酵條件；響應(yīng)面分析；優(yōu)化

Key words：yacon；fruit wine；fermentation conditions；response surface analysis；optimization

雪蓮果又稱雅貢、雪蓮薯等，雪蓮果鮮果含有豐富的低聚果糖和水溶性膳食纖維，低聚果糖的含量約占果實干基的45%～46%，低聚果糖的含量會隨著貯存時間和條件的變化而下降，此外，雪蓮果還含有豐富的果糖、葡萄糖和蔗糖等糖類，鉀、鈣、鋅、硒、鐵等礦物質(zhì)以及酚酸、類黃酮、萜類等活性成分。雪蓮果具有調(diào)節(jié)腸胃、排毒通便、抗氧化、延緩衰老和提高機體免疫力等多種保健功效[1-4]。目前，雪蓮果以鮮食為主，精深加工尚處于初級階段，對其綜合利用的研究主要有果脯、果糕、冰淇淋、果醋、啤酒、復(fù)合飲料、發(fā)酵飲料和果酒等相關(guān)生產(chǎn)工藝技術(shù)研究[5-13]。本研究旨在探討影響雪蓮果酒發(fā)酵的諸因素，采用響應(yīng)面分析法對釀造工藝參數(shù)進行優(yōu)化，為雪蓮果酒的生產(chǎn)

提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

雪蓮果汁：本實驗所用新鮮雪蓮果由湘西自治州生態(tài)富硒雪蓮果開發(fā)基地提供，經(jīng)榨汁處理得到雪蓮果汁；安琪果酒專用活性干酵母由湖北安琪酵母股份有限公司提供；白砂糖(食品級)；偏重亞硫酸鉀(分析純)。

1.2 儀器與設(shè)備

XC-JP200型離心式榨汁機 江蘇南通榮慧機械有限公司；GUJS-7發(fā)酵系統(tǒng) 鎮(zhèn)江東方生物工程設(shè)備技術(shù)有限責任公司；SPX-250B-Z型生化培養(yǎng)箱 上海博迅實業(yè)有限公司；WYT型手持糖度計 成都光學儀器廠；JA5103N高精度電子天平 上海民橋精密科學儀器有限公司；酒精計及酒精蒸餾裝置等。

1.3 方法

1.3.1 雪蓮果果汁糖度調(diào)整

本實驗所用雪蓮果果汁固形物含量13.5%，還原糖含量7.5%，自身發(fā)酵的酒精度過低，為使果酒成品具有一定的酒精度，發(fā)酵初期一次性補充糖分，用蔗糖調(diào)整糖度，使果汁還原糖含量達22%左右。

1.3.2 雪蓮果酒發(fā)酵工藝流程

雪蓮果→清洗、去皮→護色處理→離心榨汁→加果膠酶酶解→分離過濾→糖度調(diào)整→殺菌滅酶→主發(fā)酵→分離酒腳→后發(fā)酵→分離酒腳→陳釀→澄清→灌裝→殺菌→冷卻→雪蓮果酒成品

1.3.3 指標測定方法

糖度測定：手持折光儀法；酒精體積分數(shù)測定：酒精計法[14]；還原糖測定：斐林試劑法；酸度測定：酸堿滴定法；SO2測定：按照GB/T 15038—2006《葡萄酒、果酒通用分析方法》[14]。

1.3.4 影響雪蓮果酒發(fā)酵效果的單因素試驗

1.3.4.1 果酒干酵母接種量的影響

將雪蓮果汁糖度調(diào)整為22%，發(fā)酵溫度28℃，SO2用量60mg/L，分別在0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7g/100mL不同果酒干酵母接種量條件下，發(fā)酵10d，探討果酒干酵母接種量對雪蓮果酒發(fā)酵效果的影響。

1.3.4.2 發(fā)酵時間的影響

將雪蓮果汁糖度調(diào)整為22%，發(fā)酵溫度28℃，SO2用量60mg/L，果酒干酵母接種量0.5g/100mL，進行不同發(fā)酵時間的單因素試驗，探討發(fā)酵時間對雪蓮果酒發(fā)酵效果的影響。

1.3.4.3 發(fā)酵溫度的影響

將雪蓮果汁糖度調(diào)整為22%，SO2用量60mg/L，果酒干酵母接種量0.5g/100mL，分別在26、28、30、32℃不同溫度條件下進行發(fā)酵，發(fā)酵10d，探討發(fā)酵溫度對雪蓮果酒發(fā)酵效果的影響。1.3.4.4 SO2用量的影響

將雪蓮果汁糖度調(diào)整為22%，發(fā)酵溫度28℃，果酒干酵母接種量0.5g/100mL，分別使用30、40、50、60、70、80、90mg/L不同SO2添加量，本實驗采用添加偏重亞硫酸鉀，并換算成SO2添加量，發(fā)酵10d，探討SO2用量對雪蓮果酒發(fā)酵效果的影響。

1.3.5 雪蓮果酒發(fā)酵工藝條件優(yōu)化

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，根據(jù)Box-Behnken的中心組合設(shè)計原理，選擇發(fā)酵溫度(X1)、SO2用量(X2)、果酒干酵母接種量(X3)和發(fā)酵時間(X4)為自變量，以產(chǎn)品的酒精體積分數(shù)為響應(yīng)值，采用響應(yīng)面分析法，對雪蓮果酒發(fā)酵工藝條件參數(shù)進行優(yōu)化[15-18]。

2 結(jié)果與分析

2.1 影響雪蓮果酒發(fā)酵效果的單因素試驗

2.1.1 果酒干酵母接種量的影響

圖1 果酒干酵母接種量對酒精體積分數(shù)的影響Fig.1 Effects of yeast inoculating amount on alcoholicity in fruit wine

由圖1可知，當果酒干酵母接種量較小時，自身繁殖代謝慢，雜菌生長快，導致原料代謝成酒精不完全，酒精含量低，酒質(zhì)不協(xié)調(diào)；當酵母接種量過大時，酵母菌繁殖過旺，本身需要消耗大量的糖分，酒精含量反而降低；當接種量為0.5g/100mL時，酒精含量較高，酒體品質(zhì)較好；因此選擇果酒干酵母接種量為0.5g/100mL左右較為恰當。

2.1.2 發(fā)酵時間的影響

圖2 發(fā)酵時間對酒精體積分數(shù)和還原糖含量的影響Fig.2 Effects of fermentation time on alcoholicity and reducing sugars

由圖2可知，隨著發(fā)酵時間的延長，醪液還原糖含量逐漸降低，酒精體積分數(shù)逐漸增大，發(fā)酵前7d，酒精體積分數(shù)增加和還原糖降低較快，發(fā)酵速體積分數(shù)較快；之后發(fā)酵速度趨于緩慢，在發(fā)酵第12天時，酒精體積分數(shù)達到11.4%，還原糖含量2.6%左右，酒精發(fā)酵基本接近終點，所以選擇發(fā)酵時間12d左右較為適宜。

2.1.3 發(fā)酵溫度的影響

主發(fā)酵溫度是影響發(fā)酵時間和果酒風味的主要因素。28～32℃是酵母的最佳活力溫度范圍，溫度越高，所需的發(fā)酵時間相對越短，但發(fā)酵溫度過高會產(chǎn)生較明顯的不良發(fā)酵味，影響果酒的口感和品質(zhì)；在相對較低溫度下發(fā)酵有利于提高果酒的品質(zhì)，如口感及香氣成分形成等[17]。由圖3可知，隨著發(fā)酵溫度的升高，產(chǎn)酒精速度加快，當主發(fā)酵溫度為28℃時，發(fā)酵比較平穩(wěn)，易于控制，雪蓮果酒的口感和品質(zhì)較好，同時發(fā)酵速度亦較快。因此選擇發(fā)酵溫度為28℃較合理。

圖3 發(fā)酵溫度對酒精體積分數(shù)的影響Fig.3 Effects of fermentation temperature on alcoholicity

2.1.4 SO2用量的影響

圖4 SO2用量對酒精體積分數(shù)的影響Fig.4 Effects of SO2 amount on alcoholicity

由圖4可知， SO2用量60mg/L時，酒精體積分數(shù)達到10.8%，且原酒的品質(zhì)較好；SO2用量較低會導致雜菌的繁殖，從而影響發(fā)酵；SO2用量過高，雖可較好的抑制雜菌生長，但也會對酵母菌的發(fā)酵產(chǎn)生抑制作用，故選擇SO2適宜用量為60mg/L左右。

2.2 Box-Behnken中心組合設(shè)計試驗及響應(yīng)面法優(yōu)化發(fā)酵工藝

2.2.1 Box-Behnken試驗設(shè)計方案及試驗結(jié)果

在上述已進行的4個單因素試驗的基礎(chǔ)上，根據(jù)Box-Behnken的中心組合設(shè)計原理，選擇發(fā)酵溫度(X1)、SO2用量(X2)、果酒干酵母接種量(X3)和發(fā)酵時間(X4)作為響應(yīng)面優(yōu)化的考察因素，以產(chǎn)品酒精體積分數(shù)為響應(yīng)值，設(shè)計四因素三水平試驗，因素水平見表1，試驗結(jié)果見表2。

表1 Box-Behnken試驗因素水平表Table 1 Variables and levels in Box-Behnken central composite design

表2 Box-Behnken試驗設(shè)計方案及結(jié)果Table 2 Results of Box-Behnken central composite design

2.2.2 模型的建立及顯著性檢驗

利用SAS 8.1軟件對表2中試驗數(shù)據(jù)進行二次線性回歸擬合，得到數(shù)學模型為：

表3 回歸統(tǒng)計分析表Table 3 ANOVA for the regression response surface model

2.2.3 響應(yīng)面分析及優(yōu)化

圖5 Y=f(X1,X2)的響應(yīng)面和等高線圖Fig.5 Response surface and contour for the alcoholicity under different fermentation temperature and quantity of sulfur dioxide

圖6 Y=f(X1,X3)的響應(yīng)面和等高線圖Fig.6 Response surface and contour for the alcoholicity under different fermentation temperature and inoculating amount of yeast

圖7 Y=f(X1,X4)的響應(yīng)面和等高線圖Fig.7 Response surface and contour for the alcoholicity under different fermentation temperature and fermentation time

圖8 Y=f(X2,X3)的響應(yīng)面和等高線圖Fig.8 Response surface and contour for the alcoholicity under different quantity of sulfur dioxide and inoculating amount of yeast

圖9 Y=f(X2,X4)的響應(yīng)面和等高線圖Fig.9 Response surface and contour for the alcoholicity under different quantity of sulfur dioxide and fermentation time

圖10 Y=f(X3,X4)的響應(yīng)面和等高線圖Fig.10 Response surface and contour for the alcoholicity under different inoculating amount of yeast and fermentation time

由圖5～10可知，所選因素對響應(yīng)值影響強弱次序為：發(fā)酵溫度＞SO2用量＞果酒干酵母接種量＞發(fā)酵時間。

2.2.4 驗證性實驗

在優(yōu)化條件下，產(chǎn)品酒精含量的理論預(yù)測值為11.58%。為檢驗實驗結(jié)果的可靠性，采用上述優(yōu)化發(fā)酵工藝條件進行雪蓮果酒發(fā)酵實驗，3組平行實驗的結(jié)果分別為11.52%、11.41%、11.45%，平均值為11.46%，與理論預(yù)測值僅相差0.12%。因此，采用響應(yīng)面分析法優(yōu)化得到的雪蓮果酒發(fā)酵工藝條件參數(shù)準確可靠，具有一定的實用價值。

2.3 雪蓮果酒的陳釀與澄清

雪蓮果酒主發(fā)酵結(jié)束后，分離酒腳，分別進行15～20d后發(fā)酵和90d以上的陳釀，所得酒液的酒精體積分數(shù)在11%～12%，殘?zhí)橇俊?.0g/L；然后采用皂土下膠法，對原酒進行澄清處理，用0.5～0.6g/L的皂土下膠，可以獲得較好的澄清效果。采用本實驗條件釀制所得的雪蓮果酒色澤淡黃，具有爽怡的口味和獨特的雪蓮果果香，澄清透明，酒體完整，典型性突出。

2.4 雪蓮果酒褐變問題的解決

在雪蓮果酒釀造過程中，抑制褐變的產(chǎn)生是關(guān)鍵技術(shù)之一，可以采用果汁護色處理、殺菌滅酶，控制相對較低的發(fā)酵溫度，添加適量SO2，滿缸陳釀、密封，減少酒液與空氣的接觸，以及加入澄清劑來降低果酒中單寧、酚類物質(zhì)含量等多種措施，雪蓮果酒的氧化褐變、品質(zhì)下降問題可以得到較好地解決。

2.5 雪蓮果果酒質(zhì)量指標

2.5.1 感官指標

色澤：淡橘黃色，透明清亮，光澤度好；口味：清爽，醇厚豐滿，柔和怡人；香氣：雪蓮果果香馥郁，無異味；典型性：酒性協(xié)調(diào)，酒體完整，典型性突出。

2.5.2 理化指標

酒精體積分數(shù)：11%～12%；還原糖含量(以葡萄糖計)≤4g/L；游離SO2含量≤50mg/L。

2.5.3 微生物指標

大腸菌群≤30個/L，細菌總數(shù)≤50個/mL，致病菌不得檢出。

3 結(jié) 論

通過單因素試驗和中心組合設(shè)計試驗，采用響應(yīng)面分析法優(yōu)化雪蓮果酒發(fā)酵工藝條件，得出優(yōu)化工藝條件參數(shù)為：發(fā)酵溫度28.5℃、SO2用量57mg/L、果酒干酵母接種量0.45%、發(fā)酵時間14d。在此條件下，產(chǎn)品酒精體積分數(shù)可達11.46%，所得原酒的品質(zhì)好。在本實驗范圍內(nèi)建立的二次線性回歸模型準確有效，可用來預(yù)測設(shè)定條件范圍內(nèi)及其周圍的雪蓮果酒發(fā)酵工藝參數(shù)，對實驗擬合較好，有一定的實用價值。發(fā)酵所得的雪蓮果酒，雪蓮果果香濃郁，是一種營養(yǎng)豐富的保健型果酒，開發(fā)前景廣闊。

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Optimization of Fermentation of Yacon Fruit Wine by Response Surface Methodology

WU Zhu-qing1,2，CHEN Jing2，HUANG Qun1,2，HUANG Wei2，CHEN Gong-xi1
(1. Key Laboratory of Plant Resources Conservation and Utilization of Hunan Province, Jishou University, Jishou 416000, China；2. Institute of Food Science, Jishou University, Jishou 416000, China)

The yacon juice was utilized as raw material to brew fruit wine. Response surface methodology (RSM) was applied to optimize the fermentation conditions of Yacon fruit wine. Based on single factor experiment, sugar concentration of the fruit juice was adjusted to 22%, and the inoculating amount of yeast, fermentation time, temperature and quantity of sulfur dioxide used were chosen as influencing factors, and the alcoholicity was selected as response value and the mathematical model was established by Box-behnken central composite design. The optimal fermentation conditions were determined as follows:inoculating amount of yeast 0.45%, fermentation time 14 days, fermentation temperature 28.5 ℃ and sulfur dioxide 57 mg/L. Under this optimal condition, the alcoholicity was 11.46% (V/V).

TS 261.4；TS 262.7

A

1002-6630(2010)23-0182-06

2010-09-15

2009年植物資源保護與利用湖南省高校重點實驗室開放項目(JSK200905)

吳竹青(1964—)，女，高級實驗師，本科，研究方向為食物資源開發(fā)與利用。E-mail：wuzhuqing093@126.com