基于響應(yīng)面法優(yōu)化高粱黍米黃酒的糖化工藝

摘要：為提升先糖化后發(fā)酵工藝生產(chǎn)高粱黍米黃酒的原料利用率和出酒率，該研究以黍米和高粱為原料，以大曲為糖化劑，以還原糖含量和多酚含量為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面試驗(yàn)對(duì)高粱黍米黃酒的糖化工藝進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果顯示，當(dāng)料液比為1∶1.5、大曲添加量為10%、糖化溫度為60 ℃、糖化時(shí)間為24 h時(shí)，糖化液中還原糖含量、多酚含量達(dá)到最高，分別為（36.90±0.03） g/100 mL和（6.90±0.05） mg/10 mL。以最佳糖化工藝條件獲得的糖化液為發(fā)酵基質(zhì)釀造的干型高粱黍米黃酒出酒率為260%。以上研究為高粱黍米黃酒的開(kāi)發(fā)利用提供了數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：高粱；黍米；還原糖；多酚；糖化工藝；響應(yīng)面法

中圖分類(lèi)號(hào)：TS262.4""""""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A"""""文章編號(hào)：1000-9973（2025）02-0141-07

Optimization of Saccharification Process of Sorghum and Millet Huangjiu Based on Response Surface Method

ZHANG Jing-jing^1，2， WANG Qi-hui^1，2， ZHAO Gang-guo^1，2， ZHAO Meng-ke^1，2，

REN Chao^1，2， WANG Min^1，2， ZHANG Wei^2，3， JIA Li-yan^1，2*

（1.College of Food Science and Engineering， Shanxi Agricultural University， Jinzhong 030801， China;

2.Shanxi Huangjiu Industry Technology Innovation Strategic Alliance， Jinzhong 030801， China;

3.Shanxi Yanmenshan Wine Industry Co.， Ltd.， Xinzhou 034200， China）

Abstract： In order to improve the utilization rate of raw materials and the yield of sorghum and millet Huangjiu produced by the process of saccharification followed by fermentation， the saccharification process of sorghum and millet Huangjiu is optimized by single factor test and response surface test with millet and sorghum as the raw materials， Daqu as the saccharification agent， reducing sugar content and polyphenol content as the evaluation indexes. The results show that when the solid-liquid ratio is 1∶1.5， the addition amount of Daqu is 10%， the saccharification temperature is 60 ℃， and the saccharification time is 24 h， the reducing sugar content and polyphenol content reach the highest of （36.90±0.03） g/100 mL and （6.90±0.05） mg/10 mL respectively. The yield of dry sorghum and millet Huangjiu brewed with the saccharification solution obtained under the optimal saccharification process conditions as the fermentation substrate is 260%. The above research has provided data and technical support for the development and utilization of sorghum and millet Huangjiu.

Key words： sorghum; millet; reducing sugar; polyphenol; saccharification process; response surface method

黃酒是我國(guó)的國(guó)酒^[1-2]，是以稻米、黍米、玉米、小麥等為主要原料，添加大曲和部分酶制劑、酵母等糖化發(fā)酵劑釀制而成的發(fā)酵酒^[3-4]，既可作為調(diào)味品^[5]，又可作為飲品。

高粱（sorghum）是世界上第五大谷類(lèi)作物^[6-7]，具有抗旱、耐澇、高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的特性^[8-9]。高粱籽粒中不僅含有淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，而且含有多種功能成分，如原花青素、多酚、黃酮類(lèi)物質(zhì)等^[10]。以高粱為原料發(fā)酵食品，可能會(huì)賦予發(fā)酵食品功能性物質(zhì)，使其具有保健功效^[11]。目前，高粱類(lèi)發(fā)酵產(chǎn)品主要有白酒、食醋^[12]，在黃酒生產(chǎn)開(kāi)發(fā)中應(yīng)用較少，因此，研究與開(kāi)發(fā)高粱類(lèi)黃酒對(duì)于豐富黃酒品類(lèi)、延長(zhǎng)高粱產(chǎn)業(yè)鏈具有重要的意義。

黍米（millet）被列為五谷之一^[13]，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高，富含人體需要的多種維生素^[14]。黍米中所含的棕櫚酸、油酸、亞油酸、異亞油酸等脂肪酸均有利于人體的生長(zhǎng)發(fā)育^[15]。黍米中還含有多種米、麥中所缺乏的氨基酸，對(duì)調(diào)節(jié)機(jī)體代謝十分重要^[16]。

傳統(tǒng)黃酒釀造一般采用邊糖化邊發(fā)酵的方式，糖化效果不易控制，易導(dǎo)致原料利用率偏低^[17-18]、發(fā)酵時(shí)間長(zhǎng)、出酒率低等問(wèn)題^[19]。先糖化后發(fā)酵技術(shù)有利于原料中淀粉的充分糖化和糖化效果的控制，該技術(shù)在啤酒生產(chǎn)過(guò)程中得到廣泛應(yīng)用^[20]，但在黃酒生產(chǎn)中應(yīng)用較少。本課題組結(jié)合山西雜糧優(yōu)勢(shì)，以黍米和高粱為原料，采用先糖化后發(fā)酵工藝生產(chǎn)黃酒。以大曲為糖化劑，以還原糖含量和多酚含量為檢測(cè)指標(biāo)，采用單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面試驗(yàn)對(duì)高粱黍米黃酒的糖化工藝進(jìn)行優(yōu)化，確定最佳糖化條件，為高粱黍米黃酒的生產(chǎn)提供了技術(shù)支撐。

1"材料和方法

1.1"材料

黍米：山西雁門(mén)山酒業(yè)有限公司提供；大曲：山西某酒廠提供；晉糯3號(hào)高粱：山西農(nóng)業(yè)大學(xué)高粱研究所提供。

1.2"試劑

沒(méi)食子酸標(biāo)準(zhǔn)品、福林酚：北京索萊寶科技有限公司；甲醛溶液：天津市大茂化學(xué)試劑廠，以上試劑均為分析純。

1.3"主要儀器與設(shè)備

LS-75H立式壓力蒸汽滅菌器"江陰濱江醫(yī)療設(shè)備有限公司；HPX-9272MB電熱恒溫培養(yǎng)箱"上海博迅實(shí)業(yè)有限公司；UV-1200紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)"上海美譜達(dá)儀器有限公司；SC-3612低速離心機(jī)"安徽中科中佳科學(xué)儀器有限公司。

1.4"方法

1.4.1"操作要點(diǎn)

選用顆粒飽滿、無(wú)病蟲(chóng)害、無(wú)雜物、無(wú)雜味、無(wú)霉變的黍米、高粱，將黍米進(jìn)行清洗，高粱粉碎成4，6瓣；用占原料60%的沸水將高粱進(jìn)行潤(rùn)糝，潤(rùn)糝12 h，將黍米進(jìn)行浸泡并翻拌均勻；將黍米中的水分控干后倒入蒸鍋內(nèi)，隨后將高粱轉(zhuǎn)入另一蒸鍋內(nèi)，蒸飯，無(wú)白心即可，燜飯40～60 min。將蒸好的飯取出攤到?jīng)雒妆P(pán)上，放涼至60 ℃，將大曲均勻地灑到放涼至60 ℃的蒸飯表面，翻拌均勻，加水，設(shè)置培養(yǎng)箱的溫度，將拌有大曲的蒸飯轉(zhuǎn)入培養(yǎng)箱中進(jìn)行糖化。

1.4.2"還原糖含量的測(cè)定

還原糖含量的測(cè)定：采用3，5-二硝基水楊酸（DNS）法對(duì)樣品中的還原糖含量進(jìn)行測(cè)定^[21]。

1.4.3"多酚含量的測(cè)定

多酚含量的測(cè)定：采用福林酚法^[22]對(duì)黃酒中的多酚含量進(jìn)行測(cè)定，總酚含量以沒(méi)食子酸計(jì)。

1.4.4"單因素試驗(yàn)

將糖化時(shí)間、糖化溫度、大曲添加量、料液比（原料與水的比例）4個(gè)單因素作為關(guān)鍵控制因素，通過(guò)單因素試驗(yàn)研究糖化工藝對(duì)還原糖含量和多酚含量的影響。

以黍米、高粱為原料，準(zhǔn)確稱(chēng)取黍米、高粱各100 g，先將黍米進(jìn)行淘洗，淘洗至水清澈即可，浸泡水沒(méi)過(guò)黍米，高粱用沸水進(jìn)行浸泡，12 h后將黍米水分瀝干，將黍米和高粱分別轉(zhuǎn)入蒸鍋內(nèi)蒸熟，攤涼后將其分裝至500 mL錐形瓶中，在不同的糖化時(shí)間（0，3，6，9，12，15，18，21，24，27，30 h）、糖化溫度（50，55，60，65，70 ℃）、大曲添加量（6%、8%、10%、12%、14%）、料液比（1∶1、1∶1.5、1∶2、1∶2.5、1∶3）的條件下進(jìn)行糖化，測(cè)定糖化液中還原糖含量和多酚含量。

1.4.5"響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定影響高粱黍米黃酒糖化過(guò)程中還原糖含量和多酚含量的顯著因素。以還原糖含量和多酚含量為響應(yīng)值，以糖化時(shí)間（A）、糖化溫度（B）、大曲添加量（C）和料液比（D）為考察因素，采用Design-Expert V8.0.6.1軟件設(shè)計(jì)響應(yīng)面試驗(yàn)，試驗(yàn)因素與水平見(jiàn)表1。

1.4.6"數(shù)據(jù)處理和分析

采用Design-Expert V8.0.6.1軟件設(shè)計(jì)響應(yīng)面試驗(yàn)；采用Origin 64軟件繪制單因素分析圖；采用IBM SPSS Statistics 25軟件進(jìn)行單因素顯著性分析。

1.4.7"高粱黍米黃酒最優(yōu)糖化工藝

以高梁、黍米為主要原料，對(duì)以最佳糖化工藝條件獲得的糖化液為發(fā)酵基質(zhì)釀造的高粱黍米黃酒進(jìn)行分析。

2"結(jié)果與分析

2.1"高粱黍米黃酒糖化工藝優(yōu)化單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1"糖化時(shí)間對(duì)糖化過(guò)程中還原糖含量和多酚含量的影響

糖化時(shí)間對(duì)糖化過(guò)程中還原糖含量和多酚含量的影響見(jiàn)圖1。

由圖1可知，在糖化過(guò)程中，還原糖含量呈先上升后下降的趨勢(shì)，大曲中的酶類(lèi)將原料中的淀粉水解成糖類(lèi)，糖化作用迅速，隨著糖化時(shí)間的延長(zhǎng)，淀粉反應(yīng)完全，糖化進(jìn)行得比較徹底，因此醪液中還原糖含量有所下降^[23]；多酚含量隨著糖化時(shí)間的延長(zhǎng)呈先升高后降低的趨勢(shì)，當(dāng)糖化時(shí)間為24 h時(shí)，多酚含量達(dá)到最高，為（5.61±0.33） mg/10 mL；之后隨著糖化時(shí)間的延長(zhǎng)，多酚含量開(kāi)始降低，可能是多酚類(lèi)化合物被氧化所致^[24]。綜合考慮，確定最佳糖化時(shí)間為24 h。

2.1.2"糖化溫度對(duì)糖化過(guò)程中還原糖含量和多酚含量的影響

糖化溫度對(duì)糖化過(guò)程中還原糖含量和多酚含量的影響見(jiàn)圖2。

由圖2可知，隨著糖化溫度的升高，糖化液中還原糖含量和多酚含量均呈先上升后下降的趨勢(shì)。當(dāng)糖化溫度為60 ℃時(shí)，糖化液中還原糖含量最高，為（35.73±0.14） g/100 mL，多酚含量為（5.80±0.06） mg/10 mL，這可能是因?yàn)榇笄械拿冈跍囟容^低時(shí)活性較低，影響糖化效果，溫度過(guò)高時(shí)，各種酶活力下降^[25-26]，糖化速率減慢，還原糖含量下降；多酚類(lèi)物質(zhì)在較高的溫度下會(huì)發(fā)生氧化、聚合，從而使多酚含量有所降低^[27]。

2.1.3"大曲添加量對(duì)糖化過(guò)程中還原糖含量和多酚含量的影響

大曲添加量對(duì)糖化過(guò)程中還原糖含量和多酚含量的影響見(jiàn)圖3。

由圖3可知，當(dāng)大曲添加量為10%時(shí)，糖化液中還原糖含量和多酚含量最高，分別為（36.19±0.65） mg/100 mL和（6.17±0.24） mg/10 mL。隨著大曲添加量繼續(xù)增加，還原糖含量和多酚含量開(kāi)始下降，這可能是因?yàn)樵谝欢ǚ秶鷥?nèi)增加大曲添加量可以加快反應(yīng)速率，但大曲增加到一定量時(shí)，反應(yīng)底物被大量消耗，大曲中的酶與原料中的淀粉接觸的能力下降。因此，確定最佳大曲添加量為10%。

2.1.4"料液比對(duì)糖化過(guò)程中還原糖含量和多酚含量的影響

糖化過(guò)程中過(guò)高的水分含量會(huì)降低糖化醪液的糖度，過(guò)低的水分含量會(huì)影響后期發(fā)酵的出酒量，且不利于人工操作^[28]。料液比對(duì)糖化過(guò)程中還原糖含量和多酚含量的影響見(jiàn)圖4。

和多酚含量均呈先上升后下降的趨勢(shì)。當(dāng)料液比為1∶1.5時(shí)，糖化液中還原糖含量達(dá)到最高，為（36.42±0.49） g/100 mL，多酚含量為（6.67±0.03） mg/10 mL。隨著水添加量的繼續(xù)增加，糖化液變稀，濃度降低，還原糖含量和多酚含量下降^[29]。綜合考慮，確定最佳料液比為1∶1.5。

2.2"高粱黍米黃酒糖化工藝優(yōu)化響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1"響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果和方差分析

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，篩選出4個(gè)影響糖化過(guò)程中還原糖含量和多酚含量的顯著因素，以還原糖含量（R₁）和多酚含量（R₂）為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)響應(yīng)面試驗(yàn)進(jìn)一步確定高粱黍米黃酒糖化工藝條件，試驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果見(jiàn)表2，方差分析結(jié)果見(jiàn)表3。

采用Design-Expert V8.0.6.1軟件對(duì)模型進(jìn)行多元回歸擬合，得出糖化液中還原糖含量（R₁）和多酚含量（R₂）對(duì)糖化時(shí)間（A）、糖化溫度（B）、大曲添加量（C）、料液比（D）的多元二次回歸方程：

R₁=36.70+0.56A+0.27B+0.93C-0.20D+0.51AB-1.23AC+0.12AD-1.05BC+1.18BD+0.32CD-3.82A²-4.40B²-1.90C²-3.49D²。

R₂=6.78+0.14A+0.096B+0.30C-0.086D+0.12AB+0.32AC+0.044AD-0.034BC+0.63BD-0.20CD-1.57A²-1.14B²-1.11C²-0.77D²。

由表3可知，還原糖含量和多酚含量的回歸模型均極顯著（P＜0.000 1），還原糖含量失擬項(xiàng)的P=0.272 2＞0.05，不顯著；多酚含量失擬項(xiàng)的P=0.761 5＞0.05，不顯著，表明模型可靠，試驗(yàn)方法的可信度強(qiáng)^[30]。以還原糖含量為響應(yīng)值，回歸模型的決定系數(shù)R²=0.997 1，校正決定系數(shù)R_Adj²=0.994 1；以多酚含量為響應(yīng)值，回歸模型的決定系數(shù)R²=0.997 9，校正決定系數(shù)R_Adj²=0.995 8，表明模型的解釋度和相關(guān)性都較好，說(shuō)明回歸方程能較好地?cái)M合試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)設(shè)計(jì)可靠。由表3還可知，一次項(xiàng)A、B、C，交互項(xiàng)AB、AC、BC、BD及二次項(xiàng)A²、B²、C²、D²對(duì)糖化液中還原糖含量的影響極顯著（Plt;0.01）；一次項(xiàng)A、B、C、D，交互項(xiàng)AB、AC、BD、CD及二次項(xiàng)A²、B²、C²、D²對(duì)糖化液中多酚含量的影響極顯著（Plt;0.01）。

2.2.2"各因素間交互作用對(duì)糖化液中還原糖含量和多酚含量影響的響應(yīng)面和等高線分析

糖化時(shí)間（A）、糖化溫度（B）、大曲添加量（C）、料液比（D）4個(gè)因素間交互作用對(duì)糖化液中還原糖含量（R₁）和多酚含量（R₂）影響的響應(yīng)面圖和等高線圖見(jiàn)圖5和圖6。

響應(yīng)面圖與等高線圖能反映因素之間的交互作用，圖形越陡峭表明兩者之間的交互作用越顯著。通過(guò)響應(yīng)面圖與等高線圖可以快速找出試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷淖畲箜憫?yīng)值與最佳參數(shù)。由圖5和圖6可知，糖化時(shí)間（A）、糖化溫度（B）、大曲添加量（C）、料液比（D）對(duì)還原糖含量和多酚含量影響的等高線呈橢圓形，表明AB、AC、BC、BD的交互作用對(duì)還原糖含量的影響極顯著，CD的交互作用對(duì)還原糖含量的影響顯著；AB、AC、BD、CD的交互作用對(duì)多酚含量的影響極顯著。由圖5可知，AB、AC、BC、BD交互作用的響應(yīng)面陡峭，且等高線呈明顯的橢圓形，表示AB、AC、BC、BD的交互作用對(duì)還原糖含量的影響極顯著（Plt;0.01）。CD交互作用的響應(yīng)面陡峭，說(shuō)明大曲添加量與料液比的交互作用對(duì)還原糖含量的影響顯著（Plt;0.05）；AD交互作用的響應(yīng)面相對(duì)較平緩，說(shuō)明糖化時(shí)間和料液比的交互作用對(duì)還原糖含量的影響不顯著（Pgt;0.05）。

由圖6可知，AB、AC、BD、CD交互作用的響應(yīng)面陡峭，且等高線呈明顯的橢圓形，表示AB、AC、BD、CD的交互作用對(duì)多酚含量的影響極顯著（Plt;0.01）。AD、BC交互作用的響應(yīng)面相對(duì)較平緩，說(shuō)明AD、BC的交互作用對(duì)多酚含量的影響不顯著（Pgt;0.05）。

2.2.3"最優(yōu)糖化工藝參數(shù)的確定和驗(yàn)證試驗(yàn)

經(jīng)過(guò)Design-Expert V8.0.6.1軟件分析得到高粱黍米黃酒的最佳糖化工藝參數(shù)為糖化時(shí)間24.17 h、糖化溫度60.09 ℃、大曲添加量10.34%、料液比1∶1.48，在此條件下模型預(yù)測(cè)得到的糖化液中還原糖含量為36.81 g/100 mL，多酚含量為6.81 mg/10 mL。為了方便實(shí)際操作，將最佳糖化工藝參數(shù)修正為糖化時(shí)間24 h、糖化溫度60 ℃、大曲添加量10%、料液比1∶1.5，在此條件下重復(fù)進(jìn)行3組平行試驗(yàn)，所得還原糖含量平均值為（36.90±0.03） g/100 mL，多酚含量平均值為（6.90±0.05） mg/10 mL，分別與還原糖含量預(yù)測(cè)值36.81 g/100 mL和多酚含量預(yù)測(cè)值6.81 mg/10 mL基本保持一致，所以利用該模型優(yōu)化高粱黍米黃酒糖化工藝條件是可行的。

2.2.4"高粱黍米黃酒糖化液

以本研究最佳糖化工藝條件獲得的糖化液為發(fā)酵基質(zhì)釀造的干型高粱黍米黃酒總糖含量為11.2 g/L，酒精度為9.6%，總酸含量為5.3 g/L，出酒率為260%。采用先糖化后發(fā)酵的方式釀造高粱黍米黃酒有效地控制了發(fā)酵過(guò)程中的總酸含量，糖分得到了充分的利用，出酒率也得到了提高。

3"結(jié)論

以黍米和高粱為原料，以大曲為糖化劑，以還原糖含量和多酚含量為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化得到高粱黍米黃酒最優(yōu)糖化工藝條件為糖化時(shí)間24 h、糖化溫度60 ℃、大曲添加量10%、料液比1∶1.5，在此最佳條件下，糖化液中還原糖含量為（36.90±0.03） g/100 mL，多酚含量為（6.90±0.05） mg/10 mL。以該糖化液為發(fā)酵基質(zhì)釀造的干型高粱黍米黃酒總糖含量為11.2 g/L，酒精度為9.6%，總酸含量為5.3 g/L，出酒率為260%（以原料計(jì)）。

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