D-最優(yōu)混料設(shè)計(jì)在豉香型白酒香醅優(yōu)化中的應(yīng)用

黃光建 ，徐學(xué)鋒 ，郭梅君 ，廖振林，楊幼慧

(1 華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品學(xué)院，廣東 廣州 510642;2 廣東省九江酒廠有限公司，廣東 佛山 528203)

豉香型白酒是廣東地產(chǎn)白酒，酒體玉潔冰清，豉香獨(dú)特，醇和甘滑，余味爽凈［1］，酒度φ 約30%左右，在廣東、華南、港澳臺(tái)、東南亞乃至北美等地具有廣泛的市場(chǎng)輻射力與文化影響力.由于豉香型白酒特有的生產(chǎn)工藝，導(dǎo)致其風(fēng)味有別于其他小曲酒，使豉香型白酒的酸、酯含量遠(yuǎn)低于固態(tài)法的醬香、濃香、清香型白酒.隨著社會(huì)的進(jìn)步、科技的發(fā)展和人們生活習(xí)慣的改變，人們對(duì)豉香型白酒提出了更高的要求，如何提升白酒風(fēng)味品質(zhì)成了一個(gè)亟待解決的新課題［2］.

香醅串蒸技術(shù)有利于提高中低檔白酒的質(zhì)量，目前香醅串香工藝主要用于藥香型和濃香型等白酒生產(chǎn)中，取得了良好的效果.國(guó)家名優(yōu)白酒董酒生產(chǎn)工藝中采用雙醅法串香，小曲用來(lái)制作酒醅，大曲用來(lái)制作香醅，對(duì)控制產(chǎn)酒產(chǎn)香十分有利［3］.類似董酒蒸餾的獨(dú)特串香工藝已普遍為國(guó)內(nèi)酒廠所采用，對(duì)提高中低檔白酒的質(zhì)量起了很大作用.業(yè)內(nèi)的生產(chǎn)實(shí)踐表明，利用香醅串蒸來(lái)提高豉香型白酒風(fēng)味具有重要的研究意義，目前，對(duì)豉香型白酒香醅工藝進(jìn)行優(yōu)化的研究鮮見(jiàn)報(bào)道.

近年來(lái)，混料試驗(yàn)在生產(chǎn)實(shí)際中有非常廣泛的應(yīng)用，日益受到人們的重視.而最優(yōu)化設(shè)計(jì)可以在給定的因素空間中，基于給定的回歸模型，比較各種試驗(yàn)方案，尋找最優(yōu)組合，從而獲得最優(yōu)回歸方程.D-最優(yōu)設(shè)計(jì)可以使擬合模型回歸系數(shù)的方差最小化，提高回歸模型的預(yù)測(cè)精度［4］.D-最優(yōu)混料設(shè)計(jì)(Doptimal mixture design)則是將D-最優(yōu)化方法應(yīng)用到混料試驗(yàn)中的設(shè)計(jì)方法，具有試驗(yàn)次數(shù)少、信息量充分、參數(shù)預(yù)測(cè)精度高、能夠多目標(biāo)同步優(yōu)化等特點(diǎn)［5-7］.

本研究在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將不同配比的玉米、麩皮和丟糟含量進(jìn)行組合，通過(guò)D-最優(yōu)混料設(shè)計(jì)，以香醅生成的總酯含量為考察指標(biāo)，優(yōu)化香醅的配比，篩選出最佳的香醅制作配方，結(jié)果將為豉香型白酒品質(zhì)的改進(jìn)提供借鑒.

1 材料與方法

1.1 材料

主要材料有玉米，麩皮，丟糟，糖化酶，酒精，安琪生香活性干酵母等;總酯測(cè)定的相關(guān)儀器試劑參照GB/T10345—2007［8］.

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 選擇玉米、丟糟和麩皮不同的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為因素，以香醅的總酯質(zhì)量濃度為考察指標(biāo)進(jìn)行單因素試驗(yàn).根據(jù)單因素試驗(yàn)確定的水平，采用Design-expert 7.16 設(shè)計(jì)分析軟件中的D-optimal mixture design 設(shè)計(jì)試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析［9-11］，獲取香醅最佳制作配方，并進(jìn)行驗(yàn)證性試驗(yàn).

1.2.2 生香酵母活化 用10 倍質(zhì)量33～35℃的溫水溶解生香活性干酵母，在35℃下溶解活化30 min，即可使用［12］.

1.2.3 糖化酶活化 糖化酶使用前用55～60℃溫水溶解、攪勻、保溫靜置30 min，使用量為100 U/g 原料［13］.

1.2.4 香醅的配制與發(fā)酵 將培養(yǎng)基按比例調(diào)配好，攪拌均勻，常壓蒸1 h，冷卻到40℃左右，加適量糖化酶活化液，40℃活化2 h.將活化好的酵母按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%～5%的比例接種到固體培養(yǎng)基中，用塑料布封口，隔絕空氣，于28～30℃堆積培養(yǎng)48 h.

1.2.5 香醅串蒸 稱取100 g 香醅，添加φ 為30%食用酒精100 mL，進(jìn)行蒸餾，共接取100 mL 基酒，測(cè)定其總酯的含量.

1.2.6 總酯的測(cè)定 參照GB/T10345—2007 指示劑法［8］.

2 結(jié)果與分析

2.1 各原料的單因素試驗(yàn)

2.1.1 玉米質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)香醅總酯產(chǎn)量的影響 設(shè)定不同玉米質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其余原料按麩皮∶丟糟=4∶5的比例配足.不同玉米含量對(duì)香醅總酯生產(chǎn)量的影響如圖1 所示.

圖1 玉米質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)香醅總酯生產(chǎn)量的影響Fig.1 Total ester production of the flavoring fermented grains fermented with different percentages of corn

通過(guò)試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，香醅生成總酯含量隨著玉米添加量增大而增加，當(dāng)玉米添加比例為10%時(shí)，總酯生產(chǎn)量最高，當(dāng)玉米添加比例再增加時(shí)，總酯生產(chǎn)量開(kāi)始下降.說(shuō)明了適量的玉米配比有利于生香酵母代謝產(chǎn)生酯，可以提升香醅風(fēng)味.因此選擇4%、10%、20%為優(yōu)化時(shí)玉米質(zhì)量比例的3 個(gè)水平.

2.1.2 麩皮含量對(duì)香醅總酯產(chǎn)量的影響 設(shè)定不同麩皮質(zhì)量分?jǐn)?shù)，固定玉米含量為10%，余下以丟糟補(bǔ)足，不同麩皮含量對(duì)香醅總酯生產(chǎn)量的影響如圖2所示.

圖2 麩皮質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)香醅總酯生產(chǎn)量的影響Fig.2 Total ester production of the flavoring fermented grains fermented with different percentages of bran

由圖2 可看出，香醅生成總酯含量隨著麩皮添加量增大而增加，當(dāng)麩皮添加比例為40%時(shí)，總酯生產(chǎn)量最高，當(dāng)麩皮添加比例再增加時(shí)，總酯生產(chǎn)量開(kāi)始下降.說(shuō)明了適量的麩皮配比有利于促進(jìn)香醅中總酯的形成.因此選擇30%、40%、50%為優(yōu)化時(shí)麩皮質(zhì)量比例的3 個(gè)水平.

2.1.3 丟糟質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)香醅總酯生產(chǎn)量的影響設(shè)定不同丟糟質(zhì)量分?jǐn)?shù)，固定其余原料玉米∶麩皮的質(zhì)量比為1∶4，不同丟糟質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)香醅總酯生產(chǎn)量的影響如圖3 所示.

圖3 丟糟質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)香醅總酯生產(chǎn)量的影響Fig.3 Total ester production of the flavoring fermented grains fermented with different percentages of waste lees

由圖3 可看出，香醅生成總酯質(zhì)量濃度隨著丟糟添加量增大而增加，當(dāng)w(丟糟)為50%時(shí)，總酯生產(chǎn)量最高，當(dāng)w(丟糟)大于50%時(shí)，總酯生產(chǎn)量變化不大.說(shuō)明了適量的丟糟配比有利于促進(jìn)香醅中總酯的生成.因此選擇40%、50%、60%為優(yōu)化時(shí)丟糟質(zhì)量比例的3 個(gè)水平.

2.2 香醅制作的D-optimal mixture design 優(yōu)化試驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)結(jié)果 綜合上述單因素試驗(yàn)結(jié)果，證明不同玉米、麩皮和丟糟質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)香醅總酯形成的影響明顯，確定了香醅配方中不同原料的用量范圍分別為w(玉米)4%～20%，w(麩皮)30%～50%，w(丟糟)40%～60%，通過(guò)D-最優(yōu)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，確定試驗(yàn)因素空間內(nèi)的候選點(diǎn)，組成16 個(gè)模擬組合，確定豉香型白酒固態(tài)香醅最優(yōu)配方，結(jié)果如表1.

表1 D-最優(yōu)設(shè)計(jì)方案及試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 D-optimal design and results of tests

以香醅生成的總酯含量(y)為響應(yīng)值，應(yīng)用Design-expert 軟件進(jìn)行多元回歸擬合分析，各因子對(duì)響應(yīng)值的影響可用如下多元回歸方程表示:

其中x1，x2，x3分別表示玉米、麥麩和丟糟的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。由回歸方程和方差分析可知，三次項(xiàng)的系數(shù)為正數(shù)，說(shuō)明該3 個(gè)因素對(duì)總酯起著貢獻(xiàn)性作用.二次項(xiàng)回歸系數(shù)絕對(duì)值的大小依次為x1x3＞x1x2＞x2x3，這說(shuō)明，在復(fù)合配方中，玉米和丟糟的復(fù)合對(duì)總酯形成貢獻(xiàn)作用最強(qiáng)，玉米和麩皮復(fù)合對(duì)總酯形成貢獻(xiàn)作用次之，麩皮和丟糟復(fù)合對(duì)總酯形成貢獻(xiàn)作用最弱.

2.2.2 方差分析 對(duì)表1 中的試驗(yàn)結(jié)果和3 次模型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到方差分析結(jié)果如表2 所示.

表2 回歸方程的方差分析Tab.2 Analysis of variance of the regression equation

2.2.3 交互因子的響應(yīng)面分析 根據(jù)D-優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果和最佳回歸方程繪制玉米、麩皮和丟糟交互因子的等高線和響應(yīng)面分析，分別見(jiàn)圖4 和圖5.

圖4 交互因子的等高線Fig.4 The contours of the interaction factors

圖5 交互因子的響應(yīng)面Fig.5 The response surface of interaction factors

由圖4 和圖5 可看出，響應(yīng)曲面圖為一曲面，說(shuō)明3 者間具有一定的交互作用.在丟糟和麩皮添加量較大，玉米添加量較小處，曲面還是呈現(xiàn)一定的球面狀，有極大值.當(dāng)丟糟和麩皮添加比例固定時(shí)，隨著玉米添加量的增加，總酯形成呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì);當(dāng)玉米和丟糟添加比例固定時(shí)，總酯形成隨著麩皮添加比例的增大呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì);當(dāng)玉米和麩皮添加量固定時(shí)，隨著丟糟的添加，總酯越來(lái)越大，在60%左右達(dá)到最大值，說(shuō)明在香醅配方中，丟糟的添加量對(duì)總酯形成影響重大，3 者的復(fù)配在一定程度上能夠發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，共同促進(jìn)總酯形成.

響應(yīng)面圖可以直接反映出各因素對(duì)響應(yīng)值的影響大小，利用等高線疊加圖選出3 個(gè)因素的最佳用量范圍，可以直觀地描繪出符合總酯指標(biāo)的輔料配比，見(jiàn)圖4.

2.2.4 最優(yōu)配方的確定 用軟件的最優(yōu)化功能設(shè)定各因素的變化范圍，設(shè)定所期望的響應(yīng)值(表3)，從隨機(jī)組合開(kāi)始進(jìn)行最陡爬坡預(yù)測(cè)，直到目標(biāo)響應(yīng)值.數(shù)據(jù)分析給出了達(dá)到或接近目標(biāo)響應(yīng)值的2 個(gè)組合，并提供了預(yù)測(cè)值(表4).

采用優(yōu)化后的組合進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，總酯含量為3.86 g/L，與預(yù)測(cè)值基本一樣，為所有試驗(yàn)中最高值，見(jiàn)表4.因此確定香醅最優(yōu)配方組合(w)為玉米7.22%、麩皮33.62%、丟糟59.16%.

表3 試驗(yàn)因素和響應(yīng)值的目標(biāo)范圍Tab.3 Range of the test and response value

表4 各成分最佳組合的預(yù)測(cè)和實(shí)測(cè)結(jié)果Tab.4 The predicted and measured results of the best combination of different ingredients

3 討論

香醅風(fēng)味主要來(lái)源于微生物代謝培養(yǎng)基的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，不同的原料具有不同的營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)和成分，適宜的原料有利于微生物的生長(zhǎng)繁殖及發(fā)酵，同時(shí)也能為微生物創(chuàng)造適宜的生長(zhǎng)環(huán)境，有利于香味成分物質(zhì)能相互反應(yīng)和轉(zhuǎn)化，制作出最佳的香醅.本文中使用的玉米、麩皮和丟糟營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)豐富［14-15］，有利于微生物代謝產(chǎn)生風(fēng)味物質(zhì).除此之外，還有諸多雜糧在白酒的呈香方面有不俗的表現(xiàn)，后續(xù)研究會(huì)在考慮成本等因素的基礎(chǔ)上，應(yīng)用更多不同的原料進(jìn)行香醅制作.

本文采用混料均勻設(shè)計(jì)的D-最優(yōu)混料設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，得出豉香型白酒香醅的最佳配方，表明D-最優(yōu)混料設(shè)計(jì)可有效地應(yīng)用于多種原料混合的香醅配方優(yōu)化，這種方法很少運(yùn)用于香醅和白酒發(fā)酵原料配方優(yōu)化方面，與其他方法相比，D-最優(yōu)混料設(shè)計(jì)試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)較少，可以使擬合模型回歸系數(shù)的方差最小化，提高回歸模型的預(yù)測(cè)精度［16-18］.由于原料間相互作用分析在其他混料試驗(yàn)中鮮有探究［19-21］，而將D-最優(yōu)混料設(shè)計(jì)用于深入分析交互因子間的聯(lián)系，更有利于配料和節(jié)省原料，提高試驗(yàn)精確性.通過(guò)D-最優(yōu)混料設(shè)計(jì)所得的豉香型白酒香醅最佳配方，為進(jìn)一步提高豉香型白酒風(fēng)味奠定了基礎(chǔ)，所述方法對(duì)于其他混料配方設(shè)計(jì)研究亦具有一定的指導(dǎo)作用.

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