響應(yīng)面法優(yōu)化西瓜汁保健果酒發(fā)酵工藝的研究

孟凡娟 安泉熹 張江勇 宋海霞 朱學(xué)軍

摘 要：以西瓜汁為原料，通過響應(yīng)面法優(yōu)化西瓜汁保健果酒發(fā)酵工藝條件，以酒精度為響應(yīng)值，采用Box-behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行響應(yīng)面分析。結(jié)果表明，西瓜汁保健果酒最優(yōu)發(fā)酵工藝條件為：總糖含量26.32%，pH3.54，接種量3.92%，發(fā)酵溫度25.21℃。在此條件下，酒精度理論值為15.67%（v/v）， 驗(yàn)證值為15.58%（v/v），與模型預(yù)測(cè)值基本相符。

關(guān)鍵詞：西瓜汁保健果酒；發(fā)酵條件；響應(yīng)面分析

中圖分類號(hào)：S-3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20180732002

西瓜汁中含有多種糖類如葡萄糖、蔗糖、果糖等，多種蛋白質(zhì)和氨基酸，各種維生素、粗纖維、無機(jī)鹽，多種揮發(fā)性醛類及鈣、磷、鐵等礦物質(zhì)[1，2]。具有利尿、緩解疲勞、清熱解暑及美容功效等，還具有抗氧化、減少心血管疾病及預(yù)防癌癥等功能[3，4]。由于西瓜每年生產(chǎn)期集中且產(chǎn)量大，并且西瓜易受天氣影響而不耐儲(chǔ)存，使其售價(jià)偏低，每年都有成千上萬噸的西瓜由于各種因素的影響而在地里腐爛變質(zhì)，嚴(yán)重影響了瓜農(nóng)的經(jīng)濟(jì)收入[5，6]。為了解決西瓜深加工難的技術(shù)難題，為了滿足人們對(duì)健康保健飲品的需求，本研究通過響應(yīng)面法優(yōu)化了西瓜汁保健果酒的發(fā)酵工藝。以期為西瓜深加工提供技術(shù)支持，提高西瓜產(chǎn)品附加值的同時(shí)又能促進(jìn)人們的身體健康和增加瓜農(nóng)經(jīng)濟(jì)收益，生產(chǎn)出獨(dú)具西瓜風(fēng)味的新型保健果酒。

1 材料與試劑

1.1 供試材料

應(yīng)季麒麟西瓜、白砂糖、安琪果酒酵母。

1.2 試劑與儀器

主要試劑：75%乙醇、100?g/mL葡萄糖、6%苯酚、濃硫酸、檸檬酸。

主要儀器：榨汁機(jī)、可見分光光度計(jì)、酸度計(jì)、高壓滅菌鍋、超凈工作臺(tái)、智能生化培養(yǎng)箱、真空抽濾泵、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 西瓜預(yù)處理

將新鮮的西瓜表皮沖洗、消毒、切開去籽、瓜瓤榨汁后用紗布過濾，分裝后于-20℃冰箱冷凍保存，備用。

1.3.2 西瓜汁含糖量的測(cè)定

采用苯酚硫酸法繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，得線性回歸方程Y=0.016X+0.0237，相關(guān)系數(shù)R2=0.998，將西瓜汁過濾后稀釋至一定倍數(shù)，按照標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制的方法測(cè)定吸光度，測(cè)得平均吸光度為0.46，經(jīng)計(jì)算西瓜汁的含糖量為：5.5g/100mL。

1.3.3 酵母菌活化

準(zhǔn)確稱取0.1g果酒酵母于2%糖水中，置35℃水浴活化30min，復(fù)轉(zhuǎn)28℃水浴活化1h。

1.3.4 總糖含量的優(yōu)化

調(diào)節(jié)總糖含量分別為22%、24%、26%、28%、30%，初始pH為4，活化酵母菌接種量為5%，發(fā)酵溫度為26℃，每處理3個(gè)重復(fù)，置恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng)7d后測(cè)酒精度。

1.3.5 初始pH的優(yōu)化

總糖含量調(diào)節(jié)為26%，控制初始pH分別為3、4、5、6、7，活化酵母菌接種量為5%，發(fā)酵溫度為26℃，每處理3個(gè)重復(fù)，置恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng)7d后測(cè)酒精度。

1.3.6 酵母菌接種量的優(yōu)化

總糖含量調(diào)節(jié)為26%，初始pH為4，控制酵母菌接種量分別為1%、3%、5%、7%、9%，發(fā)酵溫度為26℃，每處理3個(gè)重復(fù)，置恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng)7d后測(cè)酒精度。

1.3.7 發(fā)酵溫度的優(yōu)化

總糖含量調(diào)節(jié)為26g%，初始pH為4，活化酵母菌接種量為5%，控制發(fā)酵溫度分別為22℃、24℃、26℃、28℃、30℃，每處理3個(gè)重復(fù)，置恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng)7d后測(cè)酒精度。

1.3.8 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過Design Expert V8.0.6.1

軟件進(jìn)行響應(yīng)試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以總糖含量、pH、接種量、發(fā)酵溫度4個(gè)因素為考察對(duì)象，酒精度為響應(yīng)值進(jìn)行試驗(yàn)，每組試驗(yàn)3個(gè)重復(fù)取其平均值，以確定西瓜酒發(fā)酵最優(yōu)的工藝條件。

1.4 酒精度的測(cè)定

嚴(yán)格按照GB/T15038-2006葡萄酒、果酒通用分析方法中酒精計(jì)法測(cè)定。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel中AVERAGE、STDEV函數(shù)統(tǒng)計(jì)處理和Design Expert軟件中的數(shù)據(jù)回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素優(yōu)化結(jié)果分析

（a） （b）

（c） （d）

（a）總糖含量對(duì)酒精度的影響 （b）初始pH對(duì)酒精度的影響

（c）接種量對(duì)酒精度的影響 （d）發(fā)酵溫度對(duì)酒精度的影響

如圖（a）所示：當(dāng)西瓜汁發(fā)酵液的總糖含量為26%時(shí)酒精度最高，總糖含量低于或高于26%時(shí)，酒精度均有顯著的下降趨勢(shì)，所以確定總糖含量的因素水平為24%、26%、28%；如圖（b）所示：西瓜酒發(fā)酵的最適pH值為4，當(dāng)pH<4和pH>4時(shí)，酒精度均有下降的趨勢(shì)，所以確定初始pH的因素水平為3、4、5；如圖（c）所示：接種量為5%時(shí)酒精度最高，當(dāng)接種量低于或高于5%時(shí)，酒精度均有顯著的下降趨勢(shì)，因此確定接種量的因素水平為3%、5%、7%；如圖（d）所示：發(fā)酵溫度為26℃時(shí)，酒精度含量最高，當(dāng)發(fā)酵溫度高于或低于26℃時(shí)，酒精度的含量均顯著降低，從而確定發(fā)酵溫度的因素水平為24℃、26℃、28℃。

2.2 響應(yīng)面結(jié)果與分析

在單因素優(yōu)化試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過Design Expert軟件進(jìn)行4因素3水平的Box-behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)，共29組試驗(yàn)。

通過Design Expert軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，擬合得到酒精度對(duì)發(fā)酵總糖、pH、接種量、溫度的二次回歸方程為：

Y=15.18-0.14X1-0.83X2-0.88X3-0.36X4+0.10X1X2-0.38X1X3-0.55X1X4+0.15X2X3+0.25X2X4+0.13X3X4-0.72X12-1.08X22-0.98X32-0.79X42

由表3可知：模型的f值=6.17，P值=0.0008<0.05，

表明模型具有顯著性，擬失項(xiàng)的P值不顯著，表明該模型的建立是充分的。其中：一次項(xiàng)X2、X3及二次項(xiàng)、X22、X32、X42對(duì)響應(yīng)值的影響均達(dá)到了極顯著水平，二次項(xiàng)X12對(duì)響應(yīng)值的影響達(dá)到了顯著水平，各交互項(xiàng)對(duì)模型的影響均不顯著。各顯著項(xiàng)對(duì)響應(yīng)值的影響順序依次為：C>B>B2>C2>D2>A2，表明接種量對(duì)酒精度的影響最大，其次是pH值。根據(jù)Design Expert建立的Box-behnken數(shù)學(xué)模型進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化分析，得出西瓜汁保健果酒的最佳發(fā)酵工藝條件為：總糖含量26.32%，初始pH3.54，接種量3.92%，發(fā)酵溫度25.21℃，在此條件下，酒精度理論值為15.67%（v/v）。為驗(yàn)證模型的可行性，將上述預(yù)測(cè)條件進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，所得酒精度的驗(yàn)證值為15.58%（v/v），跟模型的預(yù)測(cè)值接近，表明該模型的建立是充分的，具有一定的可行性和參考價(jià)值。

3 結(jié)論

本研究對(duì)西瓜汁保健果酒的生產(chǎn)工藝進(jìn)行了研究，通過改善不同發(fā)酵工藝條件以達(dá)到提高發(fā)酵酒中酒精度的目的。在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)，結(jié)果表明，西瓜汁保健果酒釀造的最優(yōu)工藝條件為：總糖26.32%，初始pH3.54，接種量3.92%，發(fā)酵溫度25.21℃。所得西瓜汁保健果酒營養(yǎng)豐富，果香濃郁，色澤鮮亮，口感幽雅。

參考文獻(xiàn)

[1]華景清，蔡健.西瓜的營養(yǎng)與藥用價(jià)值[J].食品與藥品，2005

（6）：67-69.

[2]張俊杰，程志強(qiáng).西瓜的營養(yǎng)成分及保健功能[J].南方園藝，2013，24（2）：49-50.

[3]王英臣，匡明，王立江.西瓜酒的研制與開發(fā)[J].中國西瓜甜瓜，2001（4）：40-41.

[4]胡曉冰，楊生玉，張彭湃，等.西瓜酒發(fā)酵工藝的研究[J].釀酒，2007（3）：83-85.

[5]代巧鷹，譚興和，王鋒.西瓜加工研究進(jìn)展[J].保鮮與加工，

2008（6）：5-8.

[6]王春霞，高素芳，楊文璽，等.西瓜酒的研制[J].甘肅科技縱橫，2006（6）：31，134.

作者簡介：孟凡娟（1989-），女，碩士研究生，研究方向：微生物研究；朱學(xué)軍（1970-），男，博士，講師，研究方向：生物轉(zhuǎn)化研究。