響應(yīng)面法優(yōu)化糖化參數(shù)提高麥汁還原力

饒勝其 趙雅 方維明

【摘 要】以港啤-1號(hào)麥芽為原料制取麥汁，并以所得麥汁還原力為考核指標(biāo)，運(yùn)用Plackett-Burman 篩選試驗(yàn)確定糖化參數(shù)中影響麥汁還原力的顯著因素及影響程度依次為糖化初始pH值>糖化溫度>蛋白質(zhì)休止溫度。隨后通過(guò)三因素三水平的Box-Behnken響應(yīng)面分析法得出最佳蛋白質(zhì)休止溫度、糖化溫度和糖化初始pH值分別為52 ℃、66 ℃和5.4，該條件下麥汁還原力可達(dá)到2.388±0.019mmol Vc/L。

【關(guān)鍵詞】響應(yīng)面法;糖化;麥汁;還原力

Response Surface Methodology Optimizing Mashing Parameters to Improve Reduce Power of Wort

RAO Sheng-qi ZHAO Ya FANG Wei-ming

（School of Food Science and Engineering， Yangzhou University， Yangzhou Jiangsu 225127， China）

【Abstract】The malt called Gangpei-1th was used as raw material to produce wort， and reduce power of the resulting wort was presented as assessment index. Using Plackett-Burman screening test ， the significant factors in mashing parameters influencing reduce power of wort and their affecting degrees were determined as followed： initial pH value of saccharification > mashing temperature > protein resting temperature. Then using response surface analysis based on a three-variable and three-level Box-Behnken design， the optimal initial pH value of saccharification， mashing temperature and protein resting temperature was respectively determined as 5.4， 66 ℃ and 52 ℃. Under above conditions， reduce power of the resulting wort could reach 2.388 ±0.019mmol Vc/L.

【Key words】Response surface methodology;Saccharification;Wort;Reduce power

由于活性氧和自由基的作用使得存放過(guò)程中的啤酒酒體中的風(fēng)味物質(zhì)易于被氧化，形成令人不愉快的老化味，從而縮短啤酒的保鮮期[1]。Stephenson等[2]認(rèn)為，致啤酒老化的物質(zhì)很可能在制麥、糖化等啤酒釀造階段就已經(jīng)形成，并在啤酒貯藏過(guò)程中緩慢釋放出來(lái)，進(jìn)而影響啤酒的品質(zhì)。其中，糖化過(guò)程是麥汁產(chǎn)生的過(guò)程，同時(shí)也是啤酒產(chǎn)生風(fēng)味老化物質(zhì)前軀體的主要工段之一。林智平等[3]的研究發(fā)現(xiàn)，提高麥汁的還原力可以提高啤酒的還原力，最終提高啤酒的風(fēng)味穩(wěn)定性。因此，合理控制糖化工藝能有效提高啤酒的風(fēng)味穩(wěn)定性，延長(zhǎng)啤酒的保鮮期。本研究以港啤-1號(hào)麥芽制備麥汁，以麥汁還原力為考核指標(biāo)，采用 Plackett-Burman多因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)法及 Box-Behnken 響應(yīng)面優(yōu)化高麥汁還原力的最佳糖化工藝。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

港啤-1號(hào)麥芽由永順泰（寶應(yīng)）麥芽有限公司提供。文中出現(xiàn)試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純。

1.2 主要儀器設(shè)備

DGX-9053B-2干燥箱，上海福瑪實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司;UV-7504c紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)，上海欣茂儀器有限公司;5804R型高速冷凍離心機(jī)，德國(guó)EPPENDORF公司;KQ5200超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司;BGT-8A Mashing Bath（糖化儀），杭州博日科技有限公司。

1.3 麥汁制備工藝

參考顧國(guó)賢[4]的方法，并根據(jù)需要作適當(dāng)修改，具體步驟如下：將麥芽粉碎后，按與水1：4-1：3的比例（料水比）于35℃-38℃進(jìn)行投料，30min后升溫至40℃-54℃（蛋白質(zhì)休止溫度）進(jìn)行蛋白質(zhì)休止，保持30-80min（蛋白質(zhì)休止時(shí)間），然后繼續(xù)升溫至62℃-68℃（糖化溫度），保溫50-60min（糖化時(shí)間）進(jìn)行糖化，再升溫至75℃，保持10min，終止糖化，麥芽醪于75℃經(jīng)過(guò)濾后獲得頭道麥汁備用。

1.4試驗(yàn)處理方法

采用N=12的Plackett-Burman試驗(yàn)，以麥汁還原力為響應(yīng)值Y，以篩選糖化工藝中影響麥汁還原力的主要參數(shù)。如表 1 所示，初步選擇了6個(gè)變量，每個(gè)變量有 2 個(gè)水平，分別編碼高水平（+1）和低水平（-1），并注明了對(duì)應(yīng)變量水平的真實(shí)值。

采用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)一步優(yōu)化影響麥汁還原力的主要糖化參數(shù)的水平。按照Box-Behnke試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理[5]，開(kāi)展三因素三水平的響應(yīng)面試驗(yàn)，共17個(gè)試驗(yàn)，其中12個(gè)為分析因子試驗(yàn)（1～12），5個(gè)為中心點(diǎn)重復(fù)實(shí)驗(yàn)（13～17），以估計(jì)誤差。試驗(yàn)以隨機(jī)次序進(jìn)行，重復(fù)3次。試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。

表1 基于Plackett-Burman設(shè)計(jì)的糖化參數(shù)及水平

表2 Box-Behnken響應(yīng)面分析因素水平表

1.5 麥汁還原力測(cè)定方法

還原力測(cè)定參照Oyaizu[6]的方法并適當(dāng)修改，主要步驟如下：取1mL適當(dāng)稀釋的麥汁于25mL的具塞試管中，加2.5mLPBS緩沖液（0.2mol/L，pH6.6）和2.5mL1g/100mL K3Fe（CN）6溶液，于50℃保溫20min，加入2.5mL10g/100mL三氯乙酸溶液后10000r/min離心10min，取上清液2.5mL于另一試管，加2.5mL蒸餾水和0.5mL 0.1g/100mL FeCl3溶液，用蒸餾水代替樣品做空白，以Vc為陽(yáng)性對(duì)照，于700nm波長(zhǎng)處比色，結(jié)果表示成mmol Vc /L。

2 結(jié)果與分析

2.1 影響麥汁還原力的主要因素

采用Plackett-Burman設(shè)計(jì)，對(duì)影響麥汁還原力的6個(gè)糖化參數(shù)根據(jù)不同編碼水平組合進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定麥汁還原力，每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)3次，測(cè)定結(jié)果取平均值，得到的結(jié)果如表3所示。

運(yùn)用Design expert7.0軟件表3數(shù)值進(jìn)行回歸方差分析。由表4可知，“ Prob>F”小于 0.05，表明影響因素顯著。 “Model Prob>F”等于0.0002，表明模型顯著。結(jié)果表明，糖化初始pH、糖化溫度和蛋白質(zhì)休止溫度對(duì)麥汁還原力具有極重要影響，而料水比、蛋白質(zhì)休止時(shí)間和糖化時(shí)間對(duì)麥汁還原力無(wú)顯著影響。通過(guò)單因素試驗(yàn)（數(shù)據(jù)不顯示），在后續(xù)實(shí)驗(yàn)操作中，我們將料水比、蛋白質(zhì)休止時(shí)間和糖化時(shí)間分別確定為1：3.5、30min和50min，并通過(guò)Box-Behnken設(shè)計(jì)及試驗(yàn)優(yōu)化最佳糖化溫度、糖化初始pH和蛋白質(zhì)休止溫度。

2.2 制取麥汁的糖化參數(shù)的響應(yīng)面試驗(yàn)分析

2.2.1 ?多元二次模型方程的建立及檢驗(yàn)

以Plackett-Burman 試驗(yàn)選取的蛋白質(zhì)休止溫度（X1）、糖化初始pH（X2）和糖化溫度（X3）3個(gè)因素為自變量，以麥汁還原力為響應(yīng)值Y，根據(jù)Box-Behnken設(shè)計(jì)進(jìn)行了17組試驗(yàn)，其中5組為中心點(diǎn)重復(fù)試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表5。利用Design-Expert軟件對(duì)表5試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，得到以麥汁還原力為目標(biāo)函數(shù)的三元二次回歸方程如下：

Y =-118.85096+2.54026X1+9.21973X2+0.47634X3-0.015350X12-0.45260X22-0.00156711X32-0.057333X1X2-0.00388889X1X3-0.010400X2X3

方差分析結(jié)果見(jiàn)表6，模型F值為91.00（p<0.0001）表現(xiàn)為極顯著，失擬項(xiàng)p=0.7434>0.05，表明殘差均由隨機(jī)誤差引起。模型中一次項(xiàng)X1、X2、X3均表現(xiàn)為極顯著（P≤0. 01），表明糖化溫度、糖化初始pH、蛋白質(zhì)休止溫度對(duì)麥汁還原力有極顯著影響。模型中二次項(xiàng)除了X2X3顯著（P≤0.05）其他均極顯著 （P≤0.01），這表明響應(yīng)值變化復(fù)雜，各種因素對(duì)麥汁還原力的影響不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。相關(guān)系數(shù)（Adj R-Squared）=0.9827，表明實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值高度相關(guān)。各因素一次項(xiàng)F值越大，表明對(duì)麥汁還原力的影響越顯著，影響程度依次為：糖化初始pH值>糖化溫度>蛋白質(zhì)休止溫度。

2.2.2 響應(yīng)面分析與優(yōu)化

等高線的形狀可以表各因素之間交互作用的強(qiáng)弱，等高線呈橢圓形表示因素之間的交互作用強(qiáng)烈，反之越接近于圓形，交互作用越弱[7]。交互作用越強(qiáng)，對(duì)麥汁還原力的影響大。由圖1～圖3可得知，糖化初始pH值和蛋白質(zhì)休止溫度之間的交互作用顯著，而糖化溫度與糖化初始pH值以及糖化溫度與蛋白質(zhì)休止溫度之間的交互作用極顯著，這與方差分析結(jié)果一致;響應(yīng)面圖反映了糖化溫度在65℃～67℃范圍內(nèi)、pH值在5.3～5.55范圍內(nèi)及蛋白質(zhì)休止溫度在50.5℃～54℃范圍內(nèi)存在最高麥汁還原力。

2.3 最佳糖化工藝的驗(yàn)證與確定

基于Box-Behnken試驗(yàn)所得結(jié)果及其二次多項(xiàng)回歸方程，可知麥汁還原力最高時(shí)的蛋白質(zhì)休止溫度、糖化溫度和糖化初始pH值分別為52℃、66℃和5.4，該條件下對(duì)應(yīng)的糖化麥汁還原力為2.362mmol Vc/L。為了證實(shí)預(yù)測(cè)結(jié)果，用響應(yīng)面優(yōu)化獲得的最佳條件重復(fù)試驗(yàn)3次，得出麥汁平均還原力為2.388±0.019mmol Vc/L，與預(yù)測(cè)值基本一致，證明該模型能很好地優(yōu)化高還原力麥汁的制備工藝。

3 結(jié)論

本研究運(yùn)用Plackett-Burman篩選試驗(yàn)結(jié)合Box-Behnken響應(yīng)面設(shè)計(jì)確定了蛋白質(zhì)休止溫度、糖化溫度和糖化初始pH值三因素為顯著因素，并優(yōu)化得到提高麥汁還原力的最佳蛋白質(zhì)休止溫度、糖化溫度和糖化初始pH值分別為52 ℃、66℃和5.4，該條件下，麥汁還原力可達(dá)到2.388±0.019mmol Vc/L。經(jīng)方差分析得知主要因素對(duì)麥汁還原力的影響程度依次為糖化初始pH值>糖化溫度>蛋白質(zhì)休止溫度。通過(guò)響應(yīng)曲面圖分析，可知糖化溫度和糖化初始pH值以及糖化溫度和蛋白質(zhì)休止溫度具有極其顯著的交互作用，而糖化初始pH值和蛋白質(zhì)休止溫度也呈現(xiàn)顯著的交互作用。試驗(yàn)證明，響應(yīng)面分析法能夠很好地優(yōu)化高還原力麥汁的糖化工藝條件。

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[責(zé)任編輯：薛俊歌]