響應(yīng)面法優(yōu)化麥汁糖化工藝條件

高熳熳，劉騰云，白俊巖，程書(shū)梅，吳榮榮*

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科技學(xué)院，河北 保定 071000；2.衡水學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院，河北 衡水 053000）

白啤酒是以大麥芽和小麥芽為主要原料，酒花為輔料，經(jīng)上面酵母發(fā)酵而成。白啤酒輕微渾濁，外觀獨(dú)特，口味清爽，帶有淡淡的酒花香味和微微的酒花苦味，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值較高，具有強(qiáng)心、利尿、防治高血壓等作用[1-2]。小麥作為優(yōu)異的啤酒原料之一，α-淀粉酶含量較高，有利于淀粉的水解，得到更多的可發(fā)酵糖。蛋白含量也較為豐富，可以增加啤酒的泡持性，泡沫豐富細(xì)膩。且其無(wú)水浸出率比大麥芽要高，對(duì)啤酒的生產(chǎn)工藝和啤酒的品質(zhì)產(chǎn)生較大的影響[3-6]。但麥芽中含有的物質(zhì)大部分是非水溶性的，而釀造啤酒所需要的物質(zhì)是水溶性的，這就需要通過(guò)糖化，將麥芽中的不溶性物質(zhì)轉(zhuǎn)化為水溶性物質(zhì)。為提高浸出物的含量，減少經(jīng)濟(jì)成本，需要對(duì)糖化工藝條件進(jìn)行優(yōu)化。

我國(guó)啤酒企業(yè)發(fā)展較快，但在工藝、技術(shù)和品質(zhì)上存在著一些缺陷。近年來(lái)，我國(guó)學(xué)者對(duì)于啤酒的研究也不曾間斷。王志堅(jiān)[7]通過(guò)調(diào)整大麥芽、小麥芽和大米的比例來(lái)提高成品酒的質(zhì)量；申紅艷[8]用小麥芽替代部分大麥芽，并添加復(fù)合酶來(lái)降低了麥汁生產(chǎn)成本；夏振江等[9]對(duì)釀造小麥品種的選擇、制麥設(shè)備、工藝創(chuàng)新方面進(jìn)行研究，總結(jié)了β-葡聚糖對(duì)啤酒生產(chǎn)的影響及在制麥過(guò)程中的控制。而對(duì)于糖化工藝的研究較少，卞猛等[10]采用單因素及正交試驗(yàn)研究了藜麥啤酒糖化過(guò)程中不同的下料溫度、料水比、投料水pH對(duì)藜麥麥汁總黃酮含量的影響，同時(shí)對(duì)藜麥啤酒的感官、理化及微生物指標(biāo)進(jìn)行了品評(píng)和測(cè)定。結(jié)果表明，最佳藜麥啤酒糖化工藝為下料溫度60 ℃、料水比1∶5.0（g∶m L）、投料水pH值為5.0。在此最佳條件下，麥汁總黃酮含量為0.32mg/m L，原麥汁濃度為10.94 °P。

本研究利用小麥芽代替部分大麥芽，對(duì)麥汁糖化工藝進(jìn)行優(yōu)化，探討了52℃、65℃保溫時(shí)間、物料配比和水料比這4個(gè)因素對(duì)麥汁中浸出物中各組分含量的影響，并采取單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面試驗(yàn)，分析不同因素對(duì)麥汁品質(zhì)的影響，通過(guò)回歸和方差分析等方法相結(jié)合找出影響麥汁品質(zhì)的主要影響因素，建立回歸相關(guān)模型，旨在改善糖化條件，提高麥汁收得率。這不僅豐富了啤酒的種類(lèi)，還緩解了我國(guó)啤酒原料短缺的現(xiàn)象。同時(shí)，這也是我國(guó)啤酒企業(yè)的創(chuàng)新之處，無(wú)形中增加了小麥商用價(jià)值，充分的利用了農(nóng)副產(chǎn)品資源。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

小麥芽、大麥芽：煙臺(tái)帝伯仕啤酒技術(shù)有限公司；青島大花、卡斯卡特啤酒花：濟(jì)南尚德生物技術(shù)有限公司；甘氨酸、D-果糖（均為分析純）：北京博奧拓達(dá)科技有限公司；硼酸、茚三酮、碘酸鉀、次甲基藍(lán)、葡萄糖（均為分析純）：天津市福晨化學(xué)試劑廠。

1.2 儀器與設(shè)備

752型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)：上海光譜儀器有限公司；PRACTUM 124-1CN賽多利斯電子天平：賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司；GZX-9240MBE電熱鼓風(fēng)干燥箱：上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠；kjeltec 8400全自動(dòng)定氮儀：福斯華（北京）科貿(mào)有限公司；PHS-3C酸度計(jì)：上海理達(dá)儀器廠；HH-W 600數(shù)顯恒溫三用水箱：金壇市朗博儀器制造有限公司；THZ-82恒溫振蕩器：常州國(guó)華電器有限公司；SA.1-1861A附溫比重瓶：上海市崇明建設(shè)玻璃儀器廠。

1.3 方法

1.3.1 麥汁糖化工藝流程及操作要點(diǎn)

大麥芽、小麥芽→粉碎→糖化→過(guò)濾→煮沸→添加酒花→冷卻→過(guò)濾→麥芽汁

操作要點(diǎn)：

原料粉碎：用粉碎機(jī)將大麥芽、小麥芽分別粉碎無(wú)較大粒即可，準(zhǔn)確稱(chēng)取并按一定的水料比添加37℃蒸餾水。

糖化：采用低溫（37℃）投料的二次煮出糖化法[11]，即37℃保溫10min，此過(guò)程可有效浸出麥芽中的酶類(lèi)，有機(jī)磷酸鹽類(lèi)開(kāi)始分解，有利于β-葡聚糖的分解[12]；52℃糖化保溫40min使蛋白質(zhì)逐漸分解，低分子含氮物質(zhì)的含量逐漸上升[13]；65℃糖化保溫60m in，此過(guò)程中在β-淀粉酶的作用下，麥芽糖的含量持續(xù)增加，可發(fā)酵糖含量升高，非糖比例相對(duì)較低[14]；78 ℃保溫10m in使β-淀粉酶失活，α-淀粉酶和某些耐高溫的酶類(lèi)仍然發(fā)揮作用，殘留的淀粉被分解[15]。

過(guò)濾：糖化過(guò)程結(jié)束后采用過(guò)濾槽法對(duì)麥汁進(jìn)行過(guò)濾，糖化醪經(jīng)過(guò)充分?jǐn)嚢韬?，靜置20min，麥糟自然沉降形成過(guò)濾層。過(guò)濾過(guò)程中，剛開(kāi)始得到的麥汁比較渾濁，應(yīng)再次打入過(guò)濾槽中重新過(guò)濾，直至得到的麥汁清澈為止。當(dāng)麥糟露出液面時(shí)開(kāi)始洗糟，洗糟水76～78℃，洗糟過(guò)程可以連續(xù)進(jìn)行，控制最后的洗出液麥汁濃度在1.0～1.5°P[16]。

煮沸：麥汁煮沸是為了蒸發(fā)出多余的水分達(dá)到規(guī)定的濃度，同時(shí)溶出酒花中香味物質(zhì)和苦味物質(zhì)[17]。在煮沸過(guò)程中，麥汁中的可凝固蛋白-多酚復(fù)合物逐漸形成與析出，破壞麥汁中的酶，固定麥汁成分，提高啤酒的非生物穩(wěn)定性。

添加酒花：酒花的添加增加了麥汁的香氣和苦味，有利于蛋白質(zhì)的凝固析出[18]。為保證白啤酒的低苦味以及明顯的酒花香，酒花總量以0.13%～0.16%為宜[19]。本試驗(yàn)煮沸時(shí)間為90m in，酒花分3次添加，煮沸10m in后第一次添加，添加量為酒花總量的19%；沸后45min第二次添加，添加量為酒花總量的43%；煮沸結(jié)束前10min第三次添加，添加量為酒花總量的38%[20]。

冷卻：在麥汁煮沸結(jié)束后，應(yīng)盡快除去麥汁中的熱凝固物和冷凝固物，并使麥汁的溫度降到酵母生長(zhǎng)繁殖所需的溫度。煮沸過(guò)程中，熱凝固物逐漸析出，主要為蛋白質(zhì)和多酚形成的復(fù)合物。在麥汁冷卻過(guò)程中，隨著麥汁溫度的不斷下降，冷凝固物逐漸析出，這個(gè)過(guò)程是可逆的，當(dāng)溫度升高時(shí)，麥汁恢復(fù)清亮透明。

過(guò)濾：對(duì)冷卻麥汁進(jìn)行過(guò)濾，除去熱凝固物和冷凝固物后得到麥芽汁。

1.3.2 麥芽汁糖化工藝優(yōu)化單因素試驗(yàn)

以麥汁浸出物得率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)小麥芽添加量（40.0%、42.5%、45.0%、47.5%、50.0%、52.5%、55.0%）、水料比（3.00∶1、3.25∶1、3.50∶1、3.75∶1、4.00∶1、4.25∶1、4.50∶1（m L∶g））、52 ℃糖化時(shí)間（30min、35min、40min、45min、50min）、65 ℃糖化時(shí)間（40min、50min、60min、70min、80min）4個(gè)因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)，考察各因素對(duì)麥汁浸出物得率影響。

1.3.3 麥汁糖化工藝優(yōu)化響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素試驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上，以麥汁浸出物得率（Y）為響應(yīng)值，選取小麥芽添加量（X1）、水料比（X2）、52℃糖化時(shí)間（X3）、65℃糖化時(shí)間（X4）4個(gè)因素進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化糖化工藝[15]，Box-Behnken試驗(yàn)因素與水平見(jiàn)表1，試驗(yàn)設(shè)3次重復(fù)。

表1 麥汁糖化工藝優(yōu)化Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素與水平Table 1 Factors and levels of Box-Behnken experiments design for wortmashing technology optim ization

1.3.4 麥汁理化指標(biāo)的測(cè)定

還原糖含量測(cè)定參照國(guó)標(biāo)GB/T 5009.7—2016《食品中還原糖的測(cè)定》中的直接滴定法[21]；α-氨基酸態(tài)氮含量測(cè)定參照國(guó)標(biāo)GB/T 5009.235—2016《食品中氨基酸態(tài)氮的測(cè)定》中的酸度計(jì)法[22]；可溶性氮含量測(cè)定參照國(guó)標(biāo)GB/T 5009.5—2016《食品中蛋白質(zhì)的測(cè)定》中的自動(dòng)凱氏定氮儀法[23]；麥汁浸出物得率測(cè)定利用比重瓶可測(cè)得麥汁的相對(duì)密度，查密度對(duì)應(yīng)濃度的表格可得麥汁的濃度，計(jì)算得到麥汁浸出物得率[24]。

1.3.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel軟件進(jìn)行繪圖和數(shù)據(jù)處理，SPSS 19.0軟件進(jìn)行差異性顯著性分析，響應(yīng)面試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Design Expert 8.0.6軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 麥汁糖化工藝優(yōu)化單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 小麥芽添加量對(duì)麥汁糖化效果的影響

圖1 小麥芽添加量對(duì)糖化效果的影響Fig.1 Effect ofwheatmalt addition on saccharification

由圖1可知，隨著小麥芽添加量在40.0%～55.0%范圍內(nèi)的增加，麥汁浸出物得率呈先上升后下降的趨勢(shì)，并在小麥芽添加量為42.5%時(shí)麥汁浸出物得率出現(xiàn)峰值，為78.20%。并且通過(guò)單因素方差分析可知，小麥芽添加量為42.5%時(shí)，與其他水平結(jié)果相比較差異極顯著（P＜0.01）。小麥中含有豐富的淀粉和蛋白質(zhì)，在一定范圍內(nèi)隨著添加量的增大，麥汁浸出物得率逐漸升高，但是由于小麥芽添加量的過(guò)多會(huì)導(dǎo)致麥糟層不易形成，過(guò)濾不徹底，造成浸出物的損失。因此，最適小麥芽添加量為42.5%。

2.1.2 水料比對(duì)麥汁糖化效果的影響

圖2 水料比對(duì)糖化效果的影響Fig.2 Effect ofwater to material ratio on saccharification

由圖2可知，隨著水料比在3.00∶1～4.50∶1（m L∶g）范圍內(nèi)增大，麥汁浸出物得率呈先上升后慢慢下降的趨勢(shì)，在水料比為3.75∶1（m L∶g）時(shí)麥汁浸出物得率出現(xiàn)峰值，為78.10%。并且通過(guò)單因素方差分析可知，水料比為3.75∶1（m L∶g）時(shí)，與其他水平結(jié)果相比較差異顯著（P＜0.05）。當(dāng)水料比較低時(shí)，糖化期間酶的活力較低，在一定范圍內(nèi)隨著水料比的增大，酶的活性逐漸提高，浸出物收得率逐漸升高。但是水料比過(guò)大時(shí)，洗糟水用量減少，過(guò)濾不徹底，造成浸出物的損失。因此，最適水料比為3.75∶1（m L∶g）。

2.1.3 52℃糖化時(shí)間對(duì)麥汁糖化效果的影響

圖3 52℃糖化保溫時(shí)間對(duì)糖化效果的影響Fig.3 Effect of saccharification time at 52℃on saccharification

由圖3可知，隨著52℃糖化保溫時(shí)間在30～50min范圍內(nèi)延長(zhǎng)，麥汁浸出物得率呈現(xiàn)一定的增長(zhǎng)趨勢(shì)，在52℃糖化保溫時(shí)間為40min時(shí)，麥汁浸出物得率出現(xiàn)峰值，為78.04%。在糖化保溫時(shí)間＞40m in之后，麥汁浸出物得率基本保持不變。并且通過(guò)單因素方差分析可知，52℃糖化保溫時(shí)間為30m in、35min、40min之間有極顯著差異（P＜0.01），糖化保溫時(shí)間為40min、45min、50min時(shí)，結(jié)果差異不顯著（P＞0.05），但與糖化保溫時(shí)間為30m in、35m in、40m in之間差異極顯著（P＜0.01）。當(dāng)52℃糖化保溫時(shí)間較短時(shí)，糖化不完全，在一定范圍內(nèi)隨著52℃糖化保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，酶的不斷催化，浸出物收得率逐漸升高。但是在糖化時(shí)間超過(guò)40min后，糖化基本完全，結(jié)果無(wú)明顯變化。因此，從節(jié)約成本等方面考慮，在52℃糖化保溫最適時(shí)間為40min。

2.1.4 65℃糖化時(shí)間對(duì)麥汁糖化效果的影響

圖4 65℃糖化保溫時(shí)間對(duì)糖化效果的影響Fig.4 Effect of saccharification time at 65℃on saccharification

由圖4可知，隨著65℃糖化保溫時(shí)間在40～80min范圍內(nèi)延長(zhǎng)，麥汁浸出物得率呈現(xiàn)一定的增長(zhǎng)趨勢(shì)，在65℃糖化保溫時(shí)間為60m in時(shí)麥汁浸出物得率出現(xiàn)峰值，為78.15%。在糖化保溫時(shí)間＞60min之后，得率基本保持不變。并且通過(guò)單因素方差分析可知，65℃糖化保溫時(shí)間為40m in、50min、60min之間差異極顯著（P＜0.01），與糖化保溫時(shí)間為60m in、70m in、80m in之間差異極顯著（P＜0.01）。當(dāng)65℃糖化保溫時(shí)間較短時(shí)，糖化不完全，在一定范圍內(nèi)隨著65℃糖化保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，原料中的大分子物質(zhì)被不斷降解，浸出物得率逐漸升高。但是在糖化時(shí)間超過(guò)60min后，糖化基本完全，結(jié)果無(wú)明顯變化。因此，從節(jié)約成本等方面考慮，65℃糖化保溫最適時(shí)間為60m in。

2.2 麥汁糖化工藝響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，以麥汁浸出物得率（Y）為響應(yīng)值，選取小麥芽添加量（X1）、水料比（X2）、52 ℃糖化時(shí)間（X3）、65℃糖化時(shí)間（X4）4個(gè)因素進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化糖化工藝選取4因素3水平的Box-Behnken試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2，方差分析見(jiàn)表3。

表2 麥汁糖化工藝優(yōu)化Box-Behnben試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Design and results of Box-Behnken experiments for wortm ashing technology optim ization

通過(guò)Design Expert8.0.6軟件對(duì)27組試驗(yàn)的響應(yīng)值進(jìn)行回歸分析，并進(jìn)行回歸方程擬合，得到各試驗(yàn)因子對(duì)響應(yīng)值影響的多元二次回歸方程：

表3 回歸模型方差分析Table 3 Variance analysis of regression model

由表3可知，模型P＜0.000 1，說(shuō)明回歸模型效果極顯著[20]。模型失擬項(xiàng)P值為8.49＞0.05，說(shuō)明失擬項(xiàng)不顯著，說(shuō)明模型比較穩(wěn)定，擬合良好，誤差小。決定系數(shù)R2=0.983 7，校正決定系數(shù)R2Adj=0.967 8，表明模型可以解釋試驗(yàn)96.78%的響應(yīng)值變化。一次項(xiàng)A、B、C、D、交互項(xiàng)AB、二次項(xiàng)A2、B2、C2對(duì)結(jié)果影響極顯著（P＜0.01），交互項(xiàng)BC、CD對(duì)結(jié)果影響顯著（P＜0.05）。

通過(guò)Design Expert8.0.6軟件分別作出小麥芽添加量與水料比，水料比與52℃糖化保溫時(shí)間，52℃糖化保溫時(shí)間與65℃糖化保溫時(shí)間交互作用的響應(yīng)曲面及等高線圖，結(jié)果見(jiàn)圖5。由圖5可知，曲面圖越陡表示交互作用越強(qiáng)，曲面圖越平表示交互作用越弱。

通過(guò)Design Expert8.0.6軟件分析得到最佳糖化工藝條件為小麥芽添加量42.0%、水料比為4.00∶1（m L∶g）、52 ℃糖化時(shí)間44.5min、65℃糖化保溫時(shí)間67.7min，麥汁浸出物得率理論預(yù)測(cè)值為79.99%。結(jié)合試驗(yàn)實(shí)際情況，最終選擇小麥芽添加量42.0%、水料比為4.00∶1（m L∶g）、52 ℃糖化時(shí)間45m in、65℃糖化保溫時(shí)間68m in。為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，采取優(yōu)化后的糖化條件做驗(yàn)證試驗(yàn)，設(shè)3次平行，麥汁浸出物得率實(shí)際平均值為79.63%，與理論預(yù)測(cè)值基本一致。

圖5 小麥芽添加量、水料比、52℃糖化保溫時(shí)間與65℃糖化保溫時(shí)間交互作用對(duì)麥汁浸出物得率影響的響應(yīng)面及等高線Fig.5 Response surface plots and contour lines of effects of interaction between wheatmalt addition,water to material ratio,saccharification time at 52℃ and 65℃ on wort extract yield

3 結(jié)論

本研究主要對(duì)麥汁糖化工藝進(jìn)行優(yōu)化，首先通過(guò)單因素試驗(yàn)研究了小麥芽添加量、水料比、52℃糖化保溫時(shí)間和65℃糖化保溫時(shí)間對(duì)麥汁浸出物得率的影響，選取較優(yōu)條件范圍。在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)響應(yīng)面試驗(yàn)，以麥汁浸出物得率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，優(yōu)化糖化條件為小麥芽添加量42.0%、水料比4.00∶1（m L∶g）、52 ℃糖化保溫時(shí)間45m in、65℃糖化保溫時(shí)間68min。此優(yōu)化條件下，麥汁浸出物得率為79.63%，α-氨基酸態(tài)氮含量為272.01mg/L。還原糖含量9.14 g/100m L，可溶性氮含量1.41 g/L。本研究可對(duì)企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)提供理論依據(jù)。