響應(yīng)面法優(yōu)化黃芪酒發(fā)酵工藝

周 瑤，徐懷德,*，米林峰，蔡 舒

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.榆林市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗所，陜西 榆林 719000)

響應(yīng)面法優(yōu)化黃芪酒發(fā)酵工藝

周 瑤1，徐懷德1,*，米林峰2，蔡 舒1

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.榆林市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗所，陜西 榆林 719000)

以黃芪為原料，利用響應(yīng)面法對黃芪酒的發(fā)酵工藝條件(溫度、蔗糖質(zhì)量分數(shù)、酵母的接種量)進行優(yōu)化。結(jié)果表明：經(jīng)優(yōu)化后黃芪酒最佳發(fā)酵工藝條件為黃芪干燥粉碎至40目、料水比(g/mL)1:60、酵母接種量0.71%、蔗糖質(zhì)量分數(shù)19%、發(fā)酵溫度22℃，該條件下所得黃芪酒的乙醇體積分數(shù)12.3%，總黃酮含量29.05mg/L、總皂苷含量123mg/L。黃芪酒酒色金黃，酒味醇厚甘爽，氣味醇香，酒體協(xié)調(diào)，無豆腥味，所得產(chǎn)品是一種符合現(xiàn)代人健康理念的低度發(fā)酵營養(yǎng)酒。

黃芪酒；發(fā)酵；優(yōu)化；響應(yīng)面法

黃芪是豆科植物蒙古黃芪(Astragalus membranaceus(Fisch.)Bge. var.mongholicus(Bge.) Hsiao)或膜莢黃芪(Astragalus membra-naceus(Fisch)Bge.)的干燥根，具有補氣固表、利尿脫毒、排膿、斂瘡生肌等功效[1]?，F(xiàn)代藥理研究表明，黃芪具有增強機體免疫功能、強心降壓、降血糖、利尿、抗衰老、抗疲勞、抗腫瘤、抗病毒、鎮(zhèn)靜、鎮(zhèn)痛等作用[2-3]，其化學(xué)成分主要有黃酮類、皂苷類(黃芪甲苷)和多糖等成分。黃芪屬大宗常用中藥材品種，主產(chǎn)于北方和西南地區(qū)。黃芪除藥用外也可作保健食品、飲料、化妝品等原料[4]。

目前，黃芪酒多采用單獨浸泡或采用黃芪與其他中藥材配伍進行浸泡的方法制作，其制作過程不能有效提取黃芪中多種營養(yǎng)和功效物質(zhì)，且產(chǎn)品藥味重。本實驗結(jié)合現(xiàn)代生物工程技術(shù)，采用響應(yīng)面法優(yōu)化黃芪酒發(fā)酵技術(shù)，制得的黃芪酒即保留了黃芪營養(yǎng)功效成分、又減少了黃芪固有的豆腥味，同時賦予黃芪酒具有果酒的口感，消費者更易接受，也為黃芪資源開發(fā)利用和新產(chǎn)品的開發(fā)提供依據(jù)和參考[5-10]。

1 材料與方法

1.1 原料與試劑

黃芪：3年生黃芪2009年10月采集于陜西子洲縣(圓柱形，長30～90cm，直徑1～3.5cm，表面淡棕黃色或淡棕褐色)經(jīng)鑒定為豆科植物膜夾黃芪的干燥根，符合中國藥典2005版相應(yīng)的要求；白砂糖 市購；葡萄酒活性干酵母 湖北安琪酵母公司；黃芪甲苷標品(批號：110781-200512) 中國藥品生物制品檢定所；其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

HH-S6雙列六孔型電熱水浴鍋、FWl00型高速萬能粉碎機 北京科偉有限公司；KDC-40低速離心機 科大創(chuàng)新股份有限公司中佳分公司；UV-1700型紫外-可見分光光度計。

1.3 方法

1.3.1 黃芪酒的發(fā)酵工藝和操作要點

工藝流程：黃芪→挑選、清洗→粉碎→成分調(diào)整→接種→主發(fā)酵→離心分離→陳釀→澄清過濾→裝瓶→殺菌→成品。

操作要點：原料處理：挑選無蟲蝕、無霉變的黃芪，用水沖去黃芪表面的泥土，然后將黃芪粉碎至40目，按照料水比1:60 (g/mL)加入純凈水，加入60mg/L SO2，用市售白砂糖調(diào)整蔗糖質(zhì)量分數(shù)，備用；酵母活化：活性干酵母用5%糖水在38℃水浴中活化30min；發(fā)酵：將活化好的酵母放入待發(fā)酵液中控溫發(fā)酵；陳釀：控制溫度在15～18℃，陳釀6個月；澄清過濾：將陳釀的酒液除去酒腳，并加入明膠和單寧，靜置一段時間，然后過濾，使酒液澄清，得到金黃色的黃芪酒；殺菌：將過濾、澄清后的黃芪酒分裝于玻璃瓶中，密封后在80℃條件下水浴滅菌30min，冷卻后在低溫條件下貯存。

1.3.2 黃芪酒的發(fā)酵條件優(yōu)化

1.3.2.1 單因素試驗

在前期預(yù)實驗的基礎(chǔ)上，考察發(fā)酵溫度、酵母接種量、蔗糖質(zhì)量分數(shù)3個因素對黃芪酒發(fā)酵的影響。

1.3.2.2 響應(yīng)面試驗設(shè)計

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，安排中心組合試驗設(shè)計[11-13]，以發(fā)酵溫度、酵母接種量、蔗糖質(zhì)量分數(shù)3個因素與乙醇及總黃酮含量進行中心組合設(shè)計(表1)，優(yōu)化發(fā)酵工藝條件。通過Design Expert 7.0軟件分析對試驗進行回歸分析，預(yù)測黃芪酒發(fā)酵的最優(yōu)工藝參數(shù)。

表1 響應(yīng)面試驗優(yōu)化黃芪酒發(fā)酵工藝因素水平及編碼表Table 1 Coded values and corresponding actual values of variables in response surface analysis

1.3.3 黃芪酒指標測定

可溶性固形物：采用手持糖量計測定；酒精體積分數(shù)、總糖含量、可滴定酸、揮發(fā)酸含量、SO2含量測定：采用GB/T 15038—2006《葡萄酒、果酒通用分析方法》測定[14]；總黃酮：亞硝酸鈉-硝酸鋁法[15]；黃芪總皂苷的測定：冰醋酸-香草醛法(以黃芪甲苷為標品)[16]。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 發(fā)酵溫度對黃芪酒發(fā)酵的影響

發(fā)酵溫度影響微生物的生長情況和代謝產(chǎn)物的生成，因此對成品酒的乙醇體積分數(shù)和質(zhì)量有很大的影響，將黃芪液蔗糖質(zhì)量分數(shù)調(diào)整為18%、接種量0.6%，分別控制發(fā)酵溫度15、20、25、30、35℃進行發(fā)酵，發(fā)酵結(jié)束后測定其酒精體積分數(shù)、總黃酮含量，確定最適發(fā)酵溫度，結(jié)果見圖1。

圖1 溫度對黃芪酒發(fā)酵的影響Fig.1 Effect of temperature on Radix Astragali wine fermentation

從圖1可看出，發(fā)酵溫度低時發(fā)酵緩慢，溫度升高，發(fā)酵加快，但當發(fā)酵溫度超過30℃時，成品酒的乙醇體積分數(shù)較低，總黃酮的變化趨勢和乙醇體積分數(shù)基本上是一致的，在發(fā)酵過程中，較高的乙醇體積分數(shù)有利于黃芪總黃酮的浸提。發(fā)酵溫度控制在20～25℃時成品酒酒精體積分數(shù)、黃芪總黃酮比較高，故后期試驗發(fā)酵溫度采用20～25℃。

2.1.2 酵母接種量對黃芪酒發(fā)酵的影響

將黃芪液蔗糖質(zhì)量分數(shù)調(diào)整為18%，分別添加質(zhì)量分數(shù)0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.2%的酵母量，在溫度21℃進行發(fā)酵，發(fā)酵結(jié)束后測定其乙醇體積分數(shù)、總黃酮含量，確定最適酵母菌添加量，結(jié)果見圖2。

從圖2可以看出，不同接種量對黃芪酒發(fā)酵影響較明顯，接種量為0.6%時乙醇體積分數(shù)和總黃酮含量分別達到最大值11.8%、27.02mg/L，因此選擇最適接種范圍為0.6%左右。

圖2 接種量對黃芪酒發(fā)酵的影響Fig.2 Effect of inoculum size on Radix Astragali wine fermentation

2.1.3 蔗糖質(zhì)量分數(shù)對黃芪酒發(fā)酵的影響

糖在酒釀造中起著重要的作用，含糖量不僅直接影響乙醇體積分數(shù)，同時也影響酒的品質(zhì)。分別于12%、15%、18%、21%、24%蔗糖質(zhì)量分數(shù)下添加0.6%酵母量，在溫度21℃進行發(fā)酵，發(fā)酵結(jié)束后測定其乙醇體積分數(shù)、總黃酮含量，確定最適酵母菌添加量，結(jié)果見圖3。

圖3 蔗糖質(zhì)量分數(shù)對黃芪酒發(fā)酵的影響Fig.3 Effect of sucrose amount on Radix Astragali wine fermentation

從圖3可以看出，初始蔗糖質(zhì)量分數(shù)對乙醇體積分數(shù)有顯著的影響，當初始蔗糖質(zhì)量分數(shù)18%時，乙醇體積分數(shù)、總黃酮含量分別達到11.7%、26.77mg/L，當初始蔗糖質(zhì)量分數(shù)超過18%時，乙醇體積分數(shù)和總黃酮含量變化不明顯，故初始蔗糖質(zhì)量分數(shù)的范圍在18%左右。

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗結(jié)果及分析

通過統(tǒng)計軟件Design-Expert 7.0分別以Y(乙醇體積分數(shù))及Z(總黃酮含量)為響應(yīng)值，對表2進行多元回歸擬合，得到如下的二次多項式回歸方程：

表2 響應(yīng)面試驗優(yōu)化黃芪酒發(fā)酵工藝設(shè)計與結(jié)果Table 2 Experimental protocol and corresponding experimental results for response surface analysis

表3 酒精體積分數(shù)回歸模型方差分析Table 3 Analysis of variance of the developed regression equation for alcohol concentration

由表3可以看出，模型的F模型=23.05＞F0.01(9,5)= 10.16，P＜0.0001，表明模型方程(1)極顯著，不同處理間的差異極顯著；失擬項P=0.5370＞0.05，不顯著；模型的校正決定系數(shù)R2Adj=0.9126，說明該模型能解釋約92%響應(yīng)值的變化，表明方程擬合程度較好。離散系數(shù)(coeflcient of variation，CV)表示試驗的精確度。其值越大，試驗結(jié)果的可靠性越低。本試驗CV=3.98%，在可接受范圍內(nèi)，說明試驗操作可信，可以用回歸方程代替試驗真實點對黃芪酒發(fā)酵的乙醇體積分數(shù)結(jié)果進行分析和預(yù)測。此外，回歸方程系數(shù)顯著性檢驗可知：模型(1)的一次項A顯著，B、C極顯著；二次項極顯著但交互項不顯著，說明所選因素之間的交互作用不明顯，采用該模型時可以不考慮因素間的交互作用。

表4 總黃酮含量回歸模型方差分析Table 4 Analysis of variance of the developed regression equation for total flavonoids content

由表4可以看出，模型方程(2)極顯著，不同處理間的差異極顯著；失擬不顯著；模型的R2Adj=0.9469，說明該模型能解釋約95%響應(yīng)值的變化，表明方程擬合程度較好。本試驗CV=5.82%，在可接受范圍內(nèi)，說明試驗操作可信，可以用回歸方程代替試驗真實點對黃芪酒發(fā)酵總黃酮含量的結(jié)果進行分析和預(yù)測。此外，模型(2)的一次項A顯著，B、C極顯著；二次項極顯著但交互項不顯著，說明所選因素之間的交互作用不明顯，采用該模型時可以不考慮因素間的交互作用。

經(jīng)過軟件的優(yōu)化，黃芪酒乙醇體積分數(shù)和總黃酮含量的最佳試驗參數(shù)為發(fā)酵溫度21.81℃、酵母接種量0.71%、蔗糖質(zhì)量分數(shù)為18.99%，但考慮到實際情況將最佳提取工藝條件修正為溫度22℃、酵母接種量0.71%、蔗糖質(zhì)量分數(shù)19%。在此條件下，所得產(chǎn)品的乙醇體積分數(shù)為12.3%，總黃酮含量為29.05mg/L，回歸模型預(yù)測酒精體積分數(shù)及黃酮含量理論值分別為12.4%、29.19mg/L，實際測定值比理論預(yù)測值分別低0.8%、0.48%。因此，采用RSA法優(yōu)化得到的浸提條件參數(shù)準確可靠。

2.3 黃芪酒指標測定

黃芪酒總皂苷(以黃芪甲苷為標品)123mg/L，總糖(以葡萄糖計)9.8g/L；可滴定酸(以乙酸計)4.32g/L；揮發(fā)酸(以乙酸計)0.46g/L；游離SO2≤30mg/L；黃芪酒色澤金黃，澄清透明，酒味醇厚甘爽，氣味醇香，酒體協(xié)調(diào)，具有獨特的黃芪風(fēng)味。黃芪中的豆腥味物質(zhì)主要為正己醛、正己醇、2-己烯醛、2-戊基呋喃、乙基乙烯基酮等物質(zhì)[17]，發(fā)酵過程中酵母等微生物消耗利用了這些物質(zhì)，本實驗制得黃芪酒無豆腥味。

3 結(jié) 論

3.1 得到Y(jié)(乙醇體積分數(shù))和Z(黃酮含量)的二次多項式回歸方程：

3.2 利用響應(yīng)面分析法優(yōu)化后黃芪酒發(fā)酵最佳工藝條件為黃芪干燥粉碎至40目、料水比1:60(g/mL)、發(fā)酵溫度22℃、酵母接種量0.71%、蔗糖質(zhì)量分數(shù)19%，所得產(chǎn)品的乙醇體積分數(shù)含量12.3%，總黃酮含量29.05mg/L，回歸模型預(yù)測乙醇體積分數(shù)及總黃酮含量理論值分別為12.4%、29.19mg/L，實際測定值比理論預(yù)測值分別低0.8%、0.48%，回歸方程能夠反映各篩選因素對黃芪酒發(fā)酵的影響。黃芪酒總皂苷(以黃芪甲苷為標品)123mg/L，總糖(以葡萄糖計)9.8g/L；總酸(以酒石酸計)5.4g/L；揮發(fā)酸(以乙酸計)0.46g/L；游離SO2≤30mg/L；黃芪酒色澤金黃，澄清透明，酒味醇厚甘爽，氣味醇香，酒體協(xié)調(diào)，具有獨特的黃芪風(fēng)味，無豆腥味。

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Optimizing the Fermentation Process forRadix AstragaliWine by Response Surface Methodology

ZHOU Yao1，XU Huai-de1,*，MI Lin-feng2，CAI Shu1
(1. College of Food Science and Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, China；2. Supervision and Examination Station of Product Quality of Yulin City, Yulin 719000, China)

In this study, optimization of three process conditions (temperature, sucrose amount and inoculum size) for wine fermentation fromRadix Astragaliwas done using response surface methodology. It was found that the optimum fermentation conditions forRadix Astragaliwine were mixing dried and pulverizedRadix Astragaliwith a particle size of 40 mesh with a 60-fold volume of water, inoculation with active dry wine yeast at 0.71%, adding sucrose at 19%, and fermentation at 22 ℃. Under these conditions, alcohol concentration in obtainedRadix Astragaliwine was 12.3%, which contained 29.05 mg of total flavonoids,and 123 mg of total saponins per liter, displayed golden yellow color, had a strong, sweet and mellow taste and an aromatic smell and harmonious body without soybean odor. This product is a low-alcohol nutritional wine that is in accordance with modern people' s health concept.

Radix Astragaliwine；fermentation；optimization

TS262.91

B

1002-6630(2011)04-0293-04

2010-04-01

周瑤(1986—)，女，碩士研究生，研究方向為天然產(chǎn)物提取分離。E-mail：zhouyao9109@163.com

*通信作者：徐懷德(19 64—)，男，副教授，本科，研究方向為軟飲料、果品蔬菜貯藏與加工、天然產(chǎn)物提取。E-mail：xuhuaide@yahoo.com.cn