響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)優(yōu)化紅肉蜜柚果酒發(fā)酵工藝

吳 均,謝青松,熊 虎,楊德瑩,李抒桐,嚴(yán)海元,向建國(guó)

(重慶市永川食品藥品檢驗(yàn)所,重慶 402160)

響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)優(yōu)化紅肉蜜柚果酒發(fā)酵工藝

吳 均,謝青松,熊 虎,楊德瑩,李抒桐,嚴(yán)海元,向建國(guó)

(重慶市永川食品藥品檢驗(yàn)所,重慶 402160)

為優(yōu)化紅肉蜜柚果酒發(fā)酵工藝,以紅肉蜜柚果汁為原料,在對(duì)發(fā)酵溫度、二氧化硫添加量、果酒干酵母添加量、發(fā)酵時(shí)間、初始糖度和初始pH單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,應(yīng)用Box-behnken中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),并進(jìn)行響應(yīng)面分析優(yōu)化紅肉蜜柚果酒發(fā)酵工藝。結(jié)果表明,紅肉蜜柚果酒發(fā)酵最佳工藝條件為:發(fā)酵溫度28 ℃、二氧化硫添加量61 mg/L、果酒干酵母添加量61 mg/100 mL、發(fā)酵時(shí)間15 d,在此優(yōu)化條件下,紅肉蜜柚果酒的酒精體積分?jǐn)?shù)為13%,與響應(yīng)面預(yù)測(cè)值13.25%擬合性較好,其殘留總糖為1 g/L左右、酒呈淡橙紅色,澄清透明,氣味芳香,酒香濃郁,帶有明亮的柚子風(fēng)味,口感柔和,對(duì)實(shí)際生產(chǎn)有一定指導(dǎo)意義。

紅肉蜜柚,果酒,發(fā)酵工藝,優(yōu)化,響應(yīng)面法分析

紅肉蜜柚又稱“紅瓤蜜柚”,是平和縣琯溪蜜柚的芽變株,其具有早熟、豐產(chǎn)、果大皮薄,果肉多汁柔軟,細(xì)嫩化渣,清甜微酸等優(yōu)點(diǎn)。紅肉蜜柚除了琯溪蜜柚所具有的糖類、有機(jī)酸、類黃酮、呋喃類化合物、甲氧基化合物、維生素和礦物質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)成分外[1-4],還富含β-胡蘿卜素,其含量是琯溪蜜柚的46.8倍,番茄紅素則是琯溪蜜柚的55.0倍[5]。還具有抗氧化[6-8]、降血糖[9]、抗腫瘤[10]、降膽固醇[11]、抑菌[12]、提高免疫力[13]、抗癌防癌[14]和預(yù)防心血管疾病[15]等多種保健功效。柚子酒富含人體所需的胡蘿卜素、硫胺素、核黃素、維生素C、維生素E等多種營(yíng)養(yǎng)成分,并含有較高的鉀、鈉、鈣、鎂、鐵、錳、鋅、銅、磷、硒等多種微量元素和18種氨基酸[16]。

目前紅肉蜜柚主要以鮮食為主,對(duì)其綜合利用的研究主要有果汁粉[17]、果粒飲料[18]、復(fù)合飲料[19]、提取番茄紅素[20]、提取果膠和纖維素[21]、黃酮類物質(zhì)以及檸檬苦素[22]等物質(zhì)的相關(guān)工藝研究,而對(duì)于紅肉蜜柚果酒的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。本實(shí)驗(yàn)以紅肉蜜柚為研究對(duì)象,在研究影響紅肉蜜柚果酒發(fā)酵的單因素基礎(chǔ)上,采用響應(yīng)面分析法對(duì)發(fā)酵工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,為紅肉蜜柚果酒的生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

紅肉蜜柚 重慶市永川區(qū)樂(lè)天瑪特超市,品種為平和縣琯溪紅肉蜜柚;SY葡萄酒高活性干酵母 安琪酵母股份有限公司;果膠酶 生工生物工程股份有限公司;檸檬酸(AR) 國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;K2S2O5(食品級(jí)) 長(zhǎng)沙科迪亞實(shí)業(yè)有限公司;白砂糖 食品級(jí)。

JTC勻漿機(jī) 漯河市金田實(shí)驗(yàn)設(shè)備研究所;HH-420恒溫水浴鍋 上海喬躍電子有限公司;pH-3C酸度計(jì) 上海佑科儀器儀表有限公司;LH-T32手持糖度計(jì) 杭州陸恒生物科技有限公司;酒精計(jì);SPX-150F-Ⅱ生化培養(yǎng)箱 上海龍躍儀器設(shè)備公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 紅肉蜜柚果酒釀造工藝流程 紅肉蜜柚→清洗→去皮→榨汁→添加果膠酶→過(guò)濾得原汁→調(diào)酸→調(diào)糖→添加K2S2O5→添加果酒干酵母→發(fā)酵→過(guò)濾→滅菌→紅肉蜜柚果酒。

1.2.2 操作要點(diǎn) 鮮果挑選:選取無(wú)腐爛、病蟲(chóng)害,果大皮薄、肉厚的新鮮果實(shí)。

清洗榨汁:新鮮的果實(shí)用流動(dòng)水沖洗干凈,瀝干后剝皮榨汁,添加果膠酶(0.25 g/L)過(guò)濾后得到原汁。

果汁調(diào)整:將紅肉蜜柚榨汁后添加果膠酶(0.25 g/L)是為了提高出汁率、過(guò)濾能力、利于果汁的澄清;在紅肉蜜柚果汁中添加K2S2O5,調(diào)節(jié)果汁的SO2質(zhì)量濃度達(dá)到60 mg/L,可起到殺菌、抗氧化和護(hù)色的作用。由于紅肉蜜柚果汁初始糖度(11%)不能滿足果酒干酵母的發(fā)酵需求,需要添加白砂糖來(lái)提高糖度,將初始糖度調(diào)整為22%。用碳酸鈣溶液將果汁的pH調(diào)節(jié)為4.0。

菌種活化:稱取1 g活性干酵母加入至20 mL含糖量為5%(m/m)的葡萄糖水中,攪拌均勻后于38 ℃保溫30 min,冷卻至28 ℃左右備用[23]。

發(fā)酵:果汁分裝入發(fā)酵瓶,添加經(jīng)活化后的活性干酵母,控制起始發(fā)酵溫度為28 ℃。2～3 d后,發(fā)酵達(dá)旺盛階段,醪液翻騰,液面有大量CO2泡沫冒出,并覆蓋一層由CO2泡沫、果膠物質(zhì)、蛋白質(zhì)、微細(xì)果肉等組成的泡蓋;13 d后,果汁總糖隨著發(fā)酵的進(jìn)行而降至3 g/L 左右時(shí),泡蓋開(kāi)始下沉,液面逐漸澄清,此時(shí)發(fā)酵速度變緩,發(fā)酵接近終點(diǎn)。

過(guò)濾:用橡皮管虹吸上層酒液至無(wú)菌玻璃容器中,后于冰箱冷藏澄清3 d,過(guò)濾分離酒腳得到澄清的果酒。

1.2.3 指標(biāo)測(cè)定方法 糖度的測(cè)定:手持糖度儀;pH的測(cè)定:pH-3C儀;總糖與還原糖的測(cè)定:GB/T15038-2006《葡萄酒果酒通用實(shí)驗(yàn)方法》中的直接滴定法;酒精體積分?jǐn)?shù)的測(cè)定:酒精計(jì)法。

1.2.4 紅肉蜜柚果酒發(fā)酵條件單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.4.1 發(fā)酵時(shí)間的影響 將紅肉蜜柚果汁初始糖度調(diào)整為22%,初始pH調(diào)整4.0,二氧化硫添加量為60 mg/L,果酒干酵母添加量為60 mg/100 mL,發(fā)酵溫度28 ℃,分別在2、4、6、8、10、12、14、16、18 d時(shí)測(cè)定紅肉蜜柚果酒酒精體積分?jǐn)?shù)和殘留總糖。

1.2.4.2 果酒干酵母添加量的影響 將紅肉蜜柚果汁初始糖度調(diào)整為22%,初始pH調(diào)整4.0,二氧化硫添加量為60 mg/L,發(fā)酵溫度為28 ℃,果酒干酵母添加量分別為20、30、40、50、60、70、80 mg/100 mL,發(fā)酵14 d,測(cè)定紅肉蜜柚果酒酒精體積分?jǐn)?shù)和殘留總糖。

1.2.4.3 發(fā)酵溫度的影響 將紅肉蜜柚果汁初始糖度調(diào)整為22%,初始pH調(diào)整4.0,二氧化硫添加量為60 mg/L,果酒干酵母添加量為60 mg/100 mL,分別在24、26、28、30、32 ℃溫度下發(fā)酵14 d,測(cè)定紅肉蜜柚果酒酒精體積分?jǐn)?shù)和殘留總糖。

1.2.4.4 二氧化硫添加量的影響 將紅肉蜜柚果汁初始糖度調(diào)整為22%,初始pH調(diào)整4.0,果酒干酵母添加量為60 mg/100 mL,二氧化硫添加量分別為30、40、50、60、70、80、90 mg/L,發(fā)酵溫度為28 ℃,發(fā)酵14 d,測(cè)定紅肉蜜柚果酒酒精體積分?jǐn)?shù)和殘留總糖。

1.2.5 紅肉蜜柚果酒發(fā)酵工藝條件優(yōu)化 在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,利用Box-Behnken的中心組合設(shè)計(jì)原理,選擇發(fā)酵溫度、二氧化硫添加量、果酒干酵母添加量和發(fā)酵時(shí)間這4個(gè)因素為自變量,以紅肉蜜柚果酒的酒精體積分?jǐn)?shù)為響應(yīng)值,進(jìn)行4因素3水平的Box-Behnken中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),采用響應(yīng)面法進(jìn)行優(yōu)化,確定紅肉蜜柚果酒最佳發(fā)酵工藝條件參數(shù)。見(jiàn)表1。

表1 Box-Behnken設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)因素水平表及編碼Table 1 Level and code of variables for Box-Benhnken design

1.2.6 數(shù)據(jù)處理 實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)為三次重復(fù)實(shí)驗(yàn)的平均值;采用Origin9.0作圖;采用DesignExpert8.0軟件進(jìn)行響應(yīng)面分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 發(fā)酵時(shí)間的影響 由圖1可知,果酒酒精體積分?jǐn)?shù)隨著發(fā)酵時(shí)間延長(zhǎng)逐漸增加,發(fā)酵液體中的殘留總糖含量逐漸降低。發(fā)酵時(shí)間短，果酒的酒精體積分?jǐn)?shù)低,可能是因?yàn)楣聘山湍傅姆敝尺€處于停滯期,酵母數(shù)量不足,發(fā)酵力度不大。發(fā)酵時(shí)間小于6 d,果酒的酒精體積分?jǐn)?shù)增加較快,殘留總糖含量降低較快;發(fā)酵到14 d時(shí),果酒的酒精體積分?jǐn)?shù)達(dá)到12.8%,殘留總糖含量2.4 g/L左右,之后趨于穩(wěn)定,發(fā)酵接近終點(diǎn),因此,最佳發(fā)酵時(shí)間14 d。

圖1 發(fā)酵時(shí)間對(duì)果酒酒精體積分?jǐn)?shù)和殘留總糖的影響Fig.1 Effects of fermentation time on alcoholicity and reducing sugars in fruit wine

2.1.2 果酒干酵母添加量的影響 由圖2可知,發(fā)酵時(shí)間為14 d,果酒酒精體積分?jǐn)?shù)隨著果酒干酵母添加量的增加而增加,發(fā)酵液體中的殘留總糖含量逐漸降低;果酒干酵母添加量低于60 mg/100 mL時(shí),果酒發(fā)酵不徹底,果酒的酒精體積分?jǐn)?shù)不高而殘留總糖含量較高;果酒干酵母添加量為60 mg/100 mL時(shí),酒精體積分?jǐn)?shù)與殘?zhí)呛窟_(dá)到最大值和最小值,之后趨于穩(wěn)定;由此可見(jiàn),果酒干酵母添加量越大,果酒酒精體積分?jǐn)?shù)越高,糖分解轉(zhuǎn)化為酒精越充分。但是過(guò)高的果酒干酵母添加量會(huì)使發(fā)酵變得過(guò)于猛烈,使果酒的味道變苦。因此,最佳的果酒干酵母添加量為60 mg/100 mL。

圖2 果酒干酵母添加量對(duì)果酒酒精體積分?jǐn)?shù)和殘留總糖的影響Fig.2 Effects of yeast inoculating amount on alcoholicity and reducing sugars in fruit wine

2.1.3 發(fā)酵溫度的影響 研究表明,在一定發(fā)酵溫度范圍內(nèi),溫度越高,果酒干酵母的生長(zhǎng)速度和酶活力越高,但過(guò)高的溫度會(huì)使果酒產(chǎn)生不良發(fā)酵味,從而影響其口感和品質(zhì),而過(guò)低的發(fā)酵溫度則使果酒的風(fēng)味平淡[24]。由圖3可知,發(fā)酵時(shí)間為14 d,酒精體積分?jǐn)?shù)隨著發(fā)酵溫度升高呈先增加后降低的趨勢(shì),殘留總糖隨著發(fā)酵溫度升高呈先降低后增加的趨勢(shì),當(dāng)發(fā)酵溫度為28 ℃時(shí),果酒的酒精體積分?jǐn)?shù)與殘留總糖達(dá)到最大值和最小值,發(fā)酵較為徹底;當(dāng)發(fā)酵溫度大于28 ℃時(shí),酒精體積分?jǐn)?shù)下降,可能是因?yàn)檫^(guò)高的發(fā)酵溫度導(dǎo)致發(fā)酵過(guò)于劇烈而使果酒干酵母的發(fā)酵性能提早衰退。因此,最佳發(fā)酵溫度為28 ℃。

圖3 發(fā)酵溫度對(duì)果酒酒精體積分?jǐn)?shù)和殘留總糖的影響Fig.3 Effects of fermentation temperature on alcoholicity and reducing sugars in fruit wine

2.1.4 二氧化硫添加量的影響 由圖4可知,發(fā)酵時(shí)間為14 d,酒精體積分?jǐn)?shù)隨著二氧化硫添加量的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì),殘留總糖隨著二氧化硫添加量的增加呈先降低后增加的趨勢(shì),二氧化硫添加量為60 mg/L時(shí)果酒的酒精體積分?jǐn)?shù)與殘留總糖達(dá)到最大值和最小值,發(fā)酵較為徹底。二氧化硫添加量過(guò)少會(huì)導(dǎo)致果酒被雜菌污染,過(guò)多又會(huì)抑制果酒干酵母的生長(zhǎng)和發(fā)酵性能,從而影響果酒的酒精體積分?jǐn)?shù)和品質(zhì),因此,最佳二氧化硫添加量為60 mg/L。

圖4 二氧化硫添加量對(duì)果酒酒精體積分?jǐn)?shù)和殘留總糖的影響Fig.4 Effects of sulfur dioxide amount on alcoholicity and reducing sugars in fruit wine

表2 Box-Behnken 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果Table 2 Results of Box-Behnken central composite design

2.2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果與方差分析 參照單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果,選擇發(fā)酵溫度(A)、二氧化硫添加量(B)、果酒干酵母添加量(C)、發(fā)酵時(shí)間(D)進(jìn)行4因素3水平的Box-Behnken中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),在中心點(diǎn)重復(fù)5次,共計(jì)29次實(shí)驗(yàn),結(jié)果如表2所示,利用Design-expert 8.0.6對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元回歸分析。

表3 方差分析Table 3 Analysis of variance for the fltted regression model

注:**表示差異極顯著(p<0.01);*表示差異顯著(p<0.05)。

得到預(yù)測(cè)模型:

酒精體積分?jǐn)?shù)(%)=13.16+0.27A+0.058B+0.12C+0.24D+0.075AB-0.025AC-0.10AD+0.075BC+0.025BD-0.050CD-0.76A2-0.39B2-0.40C2-0.22D2

2.2.2 響應(yīng)面分析 發(fā)酵溫度(A)、二氧化硫添加量(B)、果酒干酵母添加量(C)、發(fā)酵時(shí)間(D)4個(gè)因素間交互作用的響應(yīng)曲面如圖5～圖10所示。曲面圖可以預(yù)測(cè)和檢驗(yàn)自變量的響應(yīng)值以及自變量之間的關(guān)系[25]。圖5、圖6、圖8曲面圖顯示出:隨著各因素水平的升高,果酒酒精體積分?jǐn)?shù)先增加后減少。圖7、圖9、圖10顯示出:隨著發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng),酒精體積分?jǐn)?shù)逐漸增加;圖5、圖6、圖7可得出:A對(duì)酒精體積分?jǐn)?shù)的影響要大于B、C與D。同理,圖8、圖9顯示B對(duì)酒精體積分?jǐn)?shù)的影響要弱于C與D;圖10顯示D對(duì)酒精體積分?jǐn)?shù)的影響要大于C。

圖5 發(fā)酵溫度與二氧化硫添加量交互影響紅肉蜜柚果酒酒精體積分?jǐn)?shù)的響應(yīng)曲面Fig.5 Response surface for the alcoholicity under different fermentation temperature and quantity of sulfur dioxid

圖6 發(fā)酵溫度與果酒干酵母添加量交互影響紅肉蜜柚果酒酒精體積分?jǐn)?shù)的響應(yīng)曲面Fig.6 Response surface for the alcoholicity under different fermentation temperature and inoculating amount of yeast

圖7 發(fā)酵溫度與發(fā)酵時(shí)間交互影響紅肉蜜柚果酒酒精體積分?jǐn)?shù)的響應(yīng)曲面Fig.7 Response surface for the alcoholicity under different fermentation temperature and fermentation time

圖8 二氧化硫添加量與果酒干酵母添加量交互影響紅肉蜜柚果酒酒精體積分?jǐn)?shù)的響應(yīng)曲面Fig.8 Response surface for the alcoholicity under different quantity of sulfur dioxide and inoculating amount of yeast

圖9 二氧化硫添加量與發(fā)酵時(shí)間交互影響紅肉蜜柚果酒酒精體積分?jǐn)?shù)的響應(yīng)曲面Fig.9 Response surface for the alcoholicity under different quantity of sulfur dioxide and fermentation time

圖10 果酒干酵母添加量與發(fā)酵時(shí)間交互影響紅肉蜜柚果酒酒精體積分?jǐn)?shù)的響應(yīng)曲面Fig.10 Response surface for the alcoholicity under different inoculating amount of yeast and fermentation time

2.2.3 最優(yōu)發(fā)酵工藝的優(yōu)化與驗(yàn)證 經(jīng)Design-Expert8.0.6系統(tǒng)分析得到紅肉蜜柚果酒發(fā)酵的最佳工藝條件:發(fā)酵溫度為28.29 ℃、二氧化硫添加量為61.15 mg/L、果酒干酵母添加量為61.19 mg/100 mL、發(fā)酵時(shí)間為15.03 d,紅肉蜜柚果酒酒精體積分?jǐn)?shù)理論預(yù)測(cè)值為13.25%。

為了方便操作,將以上參數(shù)修正為:發(fā)酵溫度為28 ℃、二氧化硫添加量為61 mg/L、果酒干酵母添加量為61 mg/100 mL、發(fā)酵時(shí)間為15 d,3組平行實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分別為13.0%、13.0%、13.2%,平均值為13.07%,與理論預(yù)測(cè)值僅相差0.18%,表明采用該模型得到的預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)真實(shí)值相符度高,具有一定的實(shí)用價(jià)值。

3 結(jié)論

通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)和中心組合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),采用響應(yīng)面分析法得到紅肉蜜柚果酒的最佳發(fā)酵工藝條件:發(fā)酵溫度為28 ℃、二氧化硫添加量為61 mg/L、果酒干酵母添加量為61 mg/100 mL、發(fā)酵時(shí)間15 d。在此條件下,果酒酒精體積分?jǐn)?shù)可達(dá)13%。表明該模型擬合程度良好,能用此模型對(duì)紅肉蜜柚酒精體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行分析和預(yù)測(cè),其殘留總糖為1 g/L左右、酒呈淡橙紅色,澄清透明,氣味芳香,酒香濃郁,帶有明亮的柚子風(fēng)味,口感柔和有一定的實(shí)用價(jià)值。影響紅肉蜜柚酒精體積分?jǐn)?shù)因素的順序?yàn)?發(fā)酵溫度>發(fā)酵時(shí)間>果酒干酵母添加量>二氧化硫添加量。

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Optimization of fermentation of red pulp honey pomelo fruit wine by response surface methodology

WU Jun,XIE Qing-song,XIONG Hu,YANG De-ying,LI Shu-tong,YAN Hai-yuan,XIANG Jian-guo

(Chongqing Yongchuan Institute for Food and Drug Control,Chongqing 402160,China)

In order to optimize the fermentation technology of citrus sinensis osbeck fruit wine of red pulp honey pomelo.The red pulp honey pomelo juice was utilized as raw material to brew fruit wine. Box-Behnken center-united experiment was designed concerning six factors(fermentation temperature,content sulfur dioxide,yeast addition quantity,fermentation time,initial sugar content,initial pH)on the basis of single-factor test. Then the response surface regression analysis was conducted to obtain the optimum formulations of wine fermentation process of red pulp honey pomelo. The optimal fermentation conditions were determined as follows:fermentation temperature of 28 ℃,sulfur dioxide of 61 mg/L,inoculating amount of yeast of 61 mg/100 mL and fermentation time of 15 days. Under this optimal condition,the alcoholicity was 13%(v/v). The result was well matched with the predicted value(13.25%),the reducing sugar was 1 g/L,the wine showed pale orange-red,clean and transparent liquid and fragrance,with bright fruit flavors of grapefruit,mild taste and well suggests production prediction.

red pulp honey pomelo;fruit wine;fermentation technique;optimization;response surface analysis

2016-08-01

吳均(1988-)，女，碩士研究生，研究方向：食品安全與質(zhì)量控制，主要從事食品微生物檢測(cè)，E-mail:3119495376@qq.com。

TS201.2

B

:1002-0306(2017)03-0238-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.03.037