響應面法優(yōu)化紅棗發(fā)酵酒釀造工藝研究

陳 雅，廉葦佳，韓 琛，阿依加馬麗·加帕爾，雷 靜

(新疆農(nóng)業(yè)科學院吐魯番農(nóng)業(yè)科學研究所，新疆吐魯番 838000)

紅棗又名大棗、華棗，是鼠李科棗屬植物棗樹的果實，原產(chǎn)于我國[1]。在我國已形成新疆、河南、河北、山東、山西、陜西六大紅棗主產(chǎn)區(qū)，占全國產(chǎn)量的90%以上，是我國的特色果品[2]。紅棗富含維生素、氨基酸、黃酮類、皂苷類等多種營養(yǎng)成分，素有“木本糧食、滋補佳品”之稱，具有極高的食用和藥用價值[3-4]。紅棗中多糖、多酚和維生素C具有抗氧化和清除自由基的能力；環(huán)磷酸腺苷具有減輕各種化學藥物對肝臟損害的作用；皂苷類物質(zhì)具有抑菌、保肝、降脂、增強機體免疫力等生理功能[5-8]。

近年來，隨著我國實施退耕還林的政策，棗樹作為退耕還林和防風固沙的重要經(jīng)濟樹種，種植面積和產(chǎn)量增長迅速，為農(nóng)民脫貧增收做出了積極貢獻[9]。近30%的紅棗因果實小、有碰傷、裂果、成熟度低等問題，被列為“殘次棗”，這些殘次棗大多被用作動物飼料或者肥料[10-11]，造成了紅棗資源的浪費。殘次棗雖然失去了商品價值，但仍具有很高的營養(yǎng)成分和加工特性，將其發(fā)酵成紅棗酒，能保留紅棗原有的風味和營養(yǎng)功能成分，具有改善高血壓和肝硬化，提高機體免疫力等多種生理功效[12-13]。因此，本研究以殘次棗為原料，研究紅棗酒發(fā)酵工藝參數(shù)，從而實現(xiàn)殘次棗的綜合加工利用，提高紅棗的利用價值，以促進紅棗精深加工及紅棗酒的發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑及儀器

材料：殘次棗（品種：灰棗），購買于吐魯番市托克遜縣農(nóng)戶家；白砂糖，新疆中唐糖業(yè)有限責任公司。

試劑及耗材：鹽酸、氫氧化鈉、葡萄糖、硫酸銅、酒石酸鉀鈉、鄰苯二甲酸氫鉀、乙醇，均為分析純；果膠酶，上?？奠称凤嫎I(yè)有限公司；焦亞硫酸鉀，ESSECO S.R.L.；釀酒高活干酵母(LALVIN EC-1118)，上海杰兔工貿(mào)有限公司。

儀器設備：TP-A500 型電子分析天平，美國康州HZ 電子有限公司；打漿機DJ-330，溫州市龍灣東霸食品機械廠；控溫發(fā)酵罐FJG-1、儲酒罐，吐魯番市耀揚金屬制品有限公司；制冷設備ICA-20L，上?？蒂愔评湓O備有限公司；酒精計，冀州市耀華器械儀表廠；自動電位滴定儀ZD-2A 型，上海大普儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 工藝流程[14]

干紅棗→清洗→復水浸泡→去核、去皮→破碎打漿→加焦亞硫酸鉀→果膠酶酶解處理→調(diào)節(jié)糖酸→接種酵母→控溫發(fā)酵→終止發(fā)酵→低溫澄清→倒灌→陳釀→澄清→殺菌→灌裝→成品

1.2.2 單因素實驗

（1）不同初始糖度對紅棗酒品質(zhì)的影響

以初始pH 值為3.5、酵母接種量0.03 %、發(fā)酵溫度18 ℃進行紅棗酒發(fā)酵，研究不同初始糖度（18 %、20 %、22 %、24 %、26 %）對紅棗酒品質(zhì)的影響。

（2）不同初始pH值對紅棗酒品質(zhì)的影響

以初始糖度22%、酵母接種量0.03%、發(fā)酵溫度18 ℃進行紅棗酒發(fā)酵，研究不同初始pH值（2.5、3.0、3.5、4.0、4.5）對紅棗酒品質(zhì)的影響。

（3）不同發(fā)酵溫度對紅棗酒品質(zhì)的影響

以初始糖度22 %、初始pH 值為4.0、酵母接種量0.03 %進行紅棗酒發(fā)酵，研究不同發(fā)酵溫度（16 ℃、18 ℃、20 ℃、22 ℃、24 ℃）對紅棗酒品質(zhì)的影響。

（4）不同酵母接種量對紅棗酒品質(zhì)的影響

以初始糖度22 %、初始pH 值為4.0、發(fā)酵溫度20 ℃進行紅棗酒發(fā)酵，研究不同酵母接種量（0.01%、0.02%、0.03%、0.04%、0.05%）對紅棗酒品質(zhì)的影響。

1.2.3 Box-Behnken中心組合實驗設計

在單因素實驗基礎上，以初始糖度、初始pH值、發(fā)酵溫度、酵母接種量4 個因素，建立四因素三水平的Box-Behnken 中心組合實驗[15]，以紅棗酒感官評分為響應指標，響應面分析因素與水平表見表1。

表1 響應面分析因素與水平表

1.3 指標測定方法

1.3.1 酒精度、總糖、總酸的測定

按照GB 15037—2006的方法檢測[16]。

1.3.2 紅棗酒感官評分評定標準[17-18]

以色澤、澄清度、香氣、滋味、典型性5 個方面為指標，對紅棗酒感官品質(zhì)綜合評價。由10 名品評人員組成品評小組，進行感官評定，滿分為100分，去掉一個最高分和一個最低分后，取其平均分作為感官評分（取小數(shù)點后1 位），紅棗酒感官品質(zhì)評定標準見表2。

表2 紅棗酒感官評分標準

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Design-Expert 8.0.6 統(tǒng)計分析軟件進行響應面實驗設計與結果分析。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 初始糖度對紅棗酒的品質(zhì)影響

紅棗酒發(fā)酵過程中由糖轉(zhuǎn)化成酒精，糖度含量越高，產(chǎn)生的酒精含量就越高[19]。由表3可以看出，隨著初始糖度的增加，酒精度、殘?zhí)橇?、總酸都逐漸增加。當初始糖度為18 %時，酒精度為9.6 %vol，殘?zhí)橇繛?.8 g/L；當初始糖度為26%時，酒精度達到13.2%vol，殘?zhí)橇孔罡邽?1.4 g/L，是因為糖分過多會增加紅棗酒的滲透壓，抑制酵母菌的代謝活動，部分糖未能轉(zhuǎn)化成酒精，使殘?zhí)禽^高且口感不佳，感官評分只有78.3分。當初始糖度為22%時，酒精度為11.3 %vol，殘?zhí)橇繛?4.7 g/L，總酸為6.9 g/L，且感官評分最高為86.7 分。因此，選22 %作為紅棗酒的最適初始糖度。

表3 初始糖度對紅棗酒的品質(zhì)影響

2.1.2 初始pH值對紅棗酒的品質(zhì)影響

由表4 可知，當pH 值為2.5 時，酸度太高從而影響酵母菌的活性，抑制發(fā)酵過程，部分糖不能轉(zhuǎn)化為酒精，使得殘?zhí)禽^高，此時紅棗酒的酒精度為8.2%vol，殘?zhí)橇繛?7.6 g/L，總酸為8.9 g/L。當pH值為4.5 時，易滋生雜菌，抑制酵母菌代謝，使紅棗酒的酒精度降低，為10.3%vol，殘?zhí)橇繛?4.7 g/L，總酸為5.5 g/L。當pH 值為4.0 時，殘?zhí)橇孔畹蜑?3.6 g/L，說明酒精發(fā)酵情況良好，糖分幾乎全部轉(zhuǎn)化成酒精，此條件下紅棗酒無雜菌生成，酒精含量較高，為11.5%vol，殘?zhí)橇枯^低，總酸為5.8 g/L，且感官評分最高為89.3 分。因此，選擇4.0 作為紅棗酒的最適pH值。

表4 初始pH值對紅棗酒的品質(zhì)影響

2.1.3 發(fā)酵溫度對紅棗酒的品質(zhì)影響

由表5可知，發(fā)酵速率隨著發(fā)酵溫度的增加而增加，發(fā)酵溫度越高，發(fā)酵速率越快，反之發(fā)酵溫度越低，發(fā)酵速率越慢。當發(fā)酵溫度為16 ℃時，紅棗酒酒精度9.6%vol，殘?zhí)橇繛?8.5 g/L，總酸為5.5 g/L；當發(fā)酵溫度為24 ℃時，發(fā)酵溫度較高，加快酵母菌增殖，菌體過早進入衰亡期，不利于糖轉(zhuǎn)化為酒精，導致后發(fā)酵不足，此時，酒精度10.8 %vol，殘?zhí)橇繛?4.3 g/L，總酸為9.5 g/L；結合感官評分，當發(fā)酵溫度為20 ℃時，酒精度為11.7%vol，殘?zhí)橇?2.9 g/L，總酸6.5 g/L，感官評分最高為90.8 分。因此，選擇20 ℃作為紅棗酒最適發(fā)酵溫度。

表5 發(fā)酵溫度對紅棗酒的品質(zhì)影響

2.1.4 酵母接種量對紅棗酒的品質(zhì)影響

由表6 可知，當酵母接種量為0.01 %時，酵母菌含量少，導致酵母菌生長代謝緩慢，使酒精發(fā)酵速度緩慢，此時酒精度較低為9.6 %vol；當酵母接種量為0.05 %時，酵母接種量較多，酵母菌生長速度加快，但產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物破壞酵母菌生存環(huán)境，不利于酒精的產(chǎn)生，此時酒精度降低為11.3%vol；當酵母接種量為0.04%時，酒精度為11.6%vol，殘?zhí)橇繛?3.8 g/L，總酸6.9 g/L，此時酒體較飽滿，感官質(zhì)量最佳為91.4 分。因此，選擇0.04%作為最適酵母接種量。

表6 酵母接種量對紅棗酒的品質(zhì)影響

2.2 響應面實驗結果及數(shù)據(jù)分析

2.2.1 回歸模型的建立及方差分析（表7）

表7 響應面實驗方案及結果

2.2.2 回歸方程擬合及方差分析

采用Design Expert 8.0.6 統(tǒng)計軟件對所得數(shù)據(jù)進行回歸分析，結果見表8，對各因素回歸擬合后，得到回歸方程：Y=91.46+0.36A-0.18B+1.03C-1.54D+0.45AB-0.25AC-0.73AD+0.28BC-0.20BD+0.95CD-2.92A2-1.92B2-2.54C2-3.04D2。

由表8 可以看出，此模型F 值為63.54，P 值＜0.0001，表示擬合獲得的模型方程極顯著，說明實驗方法可靠，可用該回歸方程替代實驗真實點對結果進行分析。失擬項F 值為3.5，P 值為0.1191＞0.05，表現(xiàn)為不顯著，說明回歸方程擬合度和可信度均較好，實驗誤差小。模型中A 的P 值＜0.05 表現(xiàn)為差異顯著，C、D 的P 值＜0.01 表現(xiàn)為差異極顯著，說明初始糖度、發(fā)酵溫度、酵母接種量對紅棗酒感官評分的影響顯著，而B 的P 值＞0.05，表現(xiàn)為不顯著；各因素影響感官評分順序為發(fā)酵溫度＞酵母接種量＞初始糖度＞初始pH 值。交互項AD、CD的P 值均小于0.01，說明AD、CD 對紅棗酒感官評分的影響極其顯著。交互項AB、AC、BC、BD 的P值均大于0.05，說明它們對紅棗酒感官評分影響不顯著。A2、B2、C2、D2的P值均小于0.01，說明A2、B2、C2、D2對紅棗酒感官評分的影響極其顯著。復相關系數(shù)R2=0.9845，說明實驗值與模型回歸值一致性良好，實驗誤差小，可以用此模型分析、預測各因素對紅棗酒感官評分的影響。

表8 回歸模型及方差分析

2.2.3 響應面圖分析

根據(jù)Design-Expert 8.0.6 統(tǒng)計分析軟件獲得響應值的3D 曲面圖，分析各因素對紅棗酒的感官評分的影響及各因素間的交互作用。由圖1 可以看出，初始糖度與酵母接種量對紅棗酒感官評分交互作用顯著，隨著初始糖度與酵母接種量的增加，紅棗酒感官評分含量逐漸增加，當兩個因素增加到一定程度，紅棗酒感官評分又逐漸降低，說明過高或過低的初始糖度與酵母接種量都會影響紅棗酒感官品質(zhì)。發(fā)酵溫度與酵母接種量對紅棗酒感官評分交互作用顯著，隨著發(fā)酵溫度與酵母接種量的增加，紅棗酒感官評分逐漸增加，當兩個因素增加到一定程度紅棗酒感官評分又逐漸降低，說明過高或過低的發(fā)酵溫度與酵母接種量都會影響紅棗酒感官品質(zhì)。

圖1 各因素交互作用對紅棗酒感官評分影響的響應曲面

2.2.4 驗證實驗

通過所得回歸模型對紅棗酒發(fā)酵工藝條件進行優(yōu)化，得到最適發(fā)酵工藝條件為：初始糖度22.08%、初始pH 值3.99、發(fā)酵溫度20.3 ℃、酵母接種量0.04 %，得到紅棗酒感官評分為91.7384 分。為了驗證模型預測的準確性，按照上述條件進行驗證實驗。鑒于實驗的實際可操作性，將工藝條件調(diào)整為：初始糖度22.1 %、初始pH 值4、發(fā)酵溫度20.3 ℃、酵母接種量0.04 %。經(jīng)過三組重復實驗，實際測得紅棗酒感官評分平均值為91.5 分，實驗結果與模型結果基本一致，所得模型能較準確地預測實際情況。因此，采用響應面分析方法優(yōu)化紅棗酒發(fā)酵工藝條件較準確，有實際的應用價值。

3 結論

通過以紅棗酒感官評分為響應值(Y)，初始糖度(A)、初始pH 值(B)、發(fā)酵溫度(C)和酵母接種量(D)為自變量建立回歸方程：Y=91.46+0.36A-0.18B+1.03C-1.54D+0.45AB-0.25AC-0.73AD+0.28BC-0.20BD+0.95CD-2.92A2-1.92B2-2.54C2-3.04D2，得到最適紅棗酒發(fā)酵工藝條件為：初始糖度22.1 %、初始pH 值4、發(fā)酵溫度20.3 ℃、酵母接種量0.04 %。在此條件下的紅棗酒感官評分最大理論值為91.7384 分。實際測得紅棗酒感官評分平均值為91.5 分，表明該回歸模型具有較好的預測性能，可用于指導生產(chǎn)實踐。