奉節臍橙果酒發酵工藝的優化

吳 均,楊德瑩,李抒桐,謝青松,熊 虎,嚴海元,向建國

(重慶市永川食品藥品檢驗所,重慶 402160)

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奉節臍橙果酒發酵工藝的優化

吳 均,楊德瑩,李抒桐,謝青松,熊 虎,嚴海元,向建國

(重慶市永川食品藥品檢驗所,重慶 402160)

為優化奉節臍橙果酒發酵工藝,以奉節臍橙果汁為原料,在對發酵溫度、二氧化硫添加量、果酒干酵母添加量和發酵時間單因素實驗基礎上,應用Box-behnken中心組合實驗設計,并進行響應面分析優化奉節臍橙果酒發酵工藝。結果表明,奉節臍橙果酒發酵最佳工藝條件為:發酵溫度30 ℃、二氧化硫添加量60 mg/L、果酒干酵母添加量54 mg/100 mL、發酵時間11 d,在此條件下,得到的奉節臍橙果酒的酒精體積分數為14.13%。與響應面預測值14.18%擬合性較好,對實際生產有一定指導意義。

奉節臍橙,果酒,發酵工藝,優化,響應面法分析

奉節臍橙(Citrus sinensis Osbeck)是重慶奉節華盛頓臍橙優良枝變的甜橙鮮食品種,是國內具有優勢的地方品種,在國內外享有一定的聲譽[1]。奉節臍橙作為重慶特色水果,全縣己在“一江五河”流域兩岸海拔600米以下區域廣泛種植,成為全縣農業主導產業,截至2013年底,種植面積達28.5萬畝、產量達20多萬t、綜合產值達8億元,占全縣農業產值的22%,在奉節縣境內40公里長江兩岸及其支流草堂河、梅溪河、朱衣河、墨溪河、石筍河兩岸一、二級階地成為奉節臍橙主產區,占總產量80%以上[2]。

臍橙的果皮色澤橙紅,果肉多汁濃甜,口感脆嫩、營養豐富,含有蛋白質、氨基酸、維生素、脂肪、微量元素等多種營養成份,果肉中富含黃酮類化合物、檸檬苦素類化合物、類胡籮卜素、果膠等活性成分[3-4],研究表明其具有抗氧化[5]、防癌[6]、抗癌[7]、降低肝內膽固醇[8]、抗突變[9]、抗真菌[10-11]、抑制變性細胞增殖[12]、抗病毒[13]、抗炎癥[14]、防治心血管疾病[15]等多種保健功效。目前臍橙主要以鮮食和橙汁加工為主,深加工產業相對滯后,近年來,對臍橙的綜合研究主要集中在果實的貯藏方式[16]、保鮮技術[17]、病蟲害防治[18]、產地溯源[19]、復合飲料[20-21]、果酒[22]等方面。潘訓海等[23]利用正交實驗探討了臍橙果酒的釀制條件,得到了釀造過程中發酵溫度、SO2用量、果膠酶用量、酵母接種量的最佳參數;楊文俠等[24]通過對發酵溫度、橙汁加糖量、酵母添加量等因素進行正交實驗設計,以感官評價為指標,確定最佳的釀造工藝參數。而利用響應面進行臍橙果酒發酵工藝優化的研究少見有報道。響應面分析法作為實驗設計及統計的一種基本方法,在生物學中應用相當廣泛,是生物學中的一種重要優化方法,主要用于確定各種工藝或培養實驗的最優條件。本實驗以奉節臍橙為研究對象,在單因素基礎上,采用響應面分析法對影響奉節臍橙果酒發酵工藝參數進行優化,得到最佳工藝條件,為奉節臍橙果酒的生產提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

臍橙 購于重慶市奉節縣草堂鎮,品種為福本;果酒專用酵母 SY葡萄酒高活性干酵母 安琪酵母股份有限公司;果膠酶(2000 U/g) 生工生物工程股份有限公司;檸檬酸(AR) 國藥集團化學試劑有限公司;K2S2O5(食品級) 長沙科迪亞實業有限公司;白砂糖(食品級)。

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

1.2 實驗方法

1.2.1 臍橙果酒釀造工藝流程 新鮮臍橙→清洗→去皮→榨汁→添加果膠酶→過濾得原汁→調酸→調糖度→添加果酒干酵母→添加K2S2O5→發酵→過濾→滅菌→臍橙果酒。

1.2.2 操作要點 鮮果挑選:選取無腐爛、病蟲害,果實大、肉厚,金黃色成熟的新鮮果實。

清洗榨汁:成熟的果實用流動水沖洗干凈,瀝干后剝皮榨汁,添加果膠酶過濾后得到原汁。

臍橙果汁調整:在臍橙果漿中添加果膠酶(0.25 g/L)是為了提高出汁率、過濾能力、利于果汁的澄清;在臍橙果汁中添加K2S2O5,調節果汁的SO2質量濃度達到60 mg/L,可起到殺菌、抗氧化和護色的作用[25]。由于臍橙果汁初始糖度不能滿足果酒干酵母的發酵需求,需要添加白砂糖來提高初始糖度[26],用白砂糖將初始糖度調整為24%。用碳酸鈣溶液將果汁pH調節為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[27]。

過濾:虹吸上層酒液,在5 ℃左右冰箱中冷藏澄清72 h,過濾分離酒腳。

1.2.3 指標測定方法 可溶性固形物的測定:手持糖度儀;pH的測定:pH-3C儀;總糖與還原糖的測定:GB/T 15038-2006《葡萄酒果酒通用實驗方法》中的直接滴定法[28];酒精體積分數的測定:酒精計法。

1.2.4 臍橙果酒發酵條件單因素實驗設計

1.2.4.1 發酵時間對臍橙果酒酒精體積分數和殘留總糖的影響實驗 將臍橙果汁初始pH調整4.0,二氧化硫添加量為60 mg/L,果酒干酵母添加量為50 mg/100 mL,發酵溫度28 ℃、初始糖度調整為24%,分別在2、4、6、8、10、12、14 d時測定臍橙果酒酒精體積分數和殘留總糖。

1.2.4.2 果酒干酵母添加量對臍橙果酒酒精體積分數和殘留總糖的影響實驗 將臍橙果汁初始pH調整4.0,二氧化硫添加量為60 mg/L,發酵溫度為28 ℃,初始糖度調整為24%,果酒干酵母添加量分別為20、30、40、50、60、70、80 mg/100 mL,發酵10 d,測定臍橙果酒酒精體積分數和殘留總糖。

1.2.4.3 二氧化硫添加量對臍橙果酒酒精體積分數和殘留總糖的影響實驗 將臍橙果汁初始pH調整4.0,果酒干酵母添加量為50 mg/100 mL,發酵溫度為28 ℃,初始糖度調整為24%,二氧化硫添加量分別為30、40、50、60、70、80、90 mg/L,發酵10 d,測定臍橙果酒酒精體積分數和殘留總糖。

1.2.4.4 發酵溫度對臍橙果酒酒精體積分數和殘留總糖的影響實驗 將臍橙果汁初始pH調整4.0,二氧化硫添加量為60 mg/L,果酒干酵母添加量為50 mg/100 mL,初始糖度調整為24%,分別在24、26、28、30、32 ℃溫度下發酵10 d,測定臍橙果酒酒精體積分數和殘留總糖。

1.2.5 臍橙果酒發酵工藝條件優化 在單因素實驗的基礎上,利用Box-Behnken的中心組合設計原理,選擇發酵溫度、二氧化硫添加量、果酒干酵母添加量和發酵時間這4個因素為自變量,以臍橙果酒的酒精體積分數為響應值,進行4因素3水平的Box-Behnken中心組合實驗設計,采用響應面法進行優化,確定臍橙果酒最佳發酵工藝條件參數[29]。

表1 Box-Behnken 實驗因素水平表
Table 1 Variables and levels in Box-Behnken central composite design

水平編碼因素A發酵溫度(℃)B二氧化硫添加量(mg/L)C果酒干酵母添加量(mg/100mL)D發酵時間(d)-12850408030605010132706012

1.2.6 數據處理 實驗所得數據為三次重復實驗的平均值;采用Origin9.0作圖;采用DesignExpert8.0軟件進行響應面分析。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗結果

2.1.1 發酵時間對臍橙果酒酒精體積分數和殘留總糖的影響 由圖1可知,發酵初期果酒的酒精體積分數低,殘留總糖含量高,是因為果酒干酵母的繁殖還處于停滯期,酵母數量不足,發酵力度不大,而隨著發酵時間的延長,果酒干酵母的繁殖進入對數期,果酒酒精體積分數逐漸增加,發酵液體中的殘留總糖含量逐漸降低。在發酵到10 d時,酒精體積分數達到最大值14%,殘留總糖含量達到最小值2 g/L,之后趨于穩定,發酵接近終點,這是因為隨著發酵時間的延長,果汁中的糖分及其他營養成分減少,酵母菌的生長和代謝受到抑制。因此,較佳發酵時間為10 d。

圖1 發酵時間對酒精體積分數和殘留總糖的影響Fig.1 Effects of fermentation time on alcoholicity and reducing sugars

2.1.2 果酒干酵母添加量對臍橙果酒酒精體積分數和殘留總糖的影響 由圖2可知,果酒酒精體積分數隨著果酒干酵母添加量的增加而增加,發酵液體中的殘留總糖含量逐漸降低。由此可見,果酒干酵母添加量越大,果酒酒精體積分數越高,糖分解轉化為酒精越充分。但是過高的果酒干酵母添加量又會使果酒的發酵變得過于猛烈,雖然酒精體積分數較高但果酒的品質下降且味道變苦。果酒干酵母添加量低于50 mg/100 mL時,果酒發酵不徹底,果酒的酒精體積分數不高而殘留總糖含量較高;果酒干酵母添加量為50 mg/100 mL時,酒精體積分數與殘留總糖達到最大值和最小值,之后趨于穩定;因此,最佳的果酒干酵母添加量為50 mg/100 mL。

圖2 果酒干酵母添加量對酒精體積分數和殘留總糖的影響Fig.2 Effects of yeast inoculating amount on alcoholicity and reducing sugars

2.1.3 二氧化硫添加量對臍橙果酒酒精體積分數和殘留總糖的影響 由圖3可知,SO2添加量會直接影響酵母的發酵結果,二氧化硫添加量過少會導致果酒被雜菌污染,過多又會抑制果酒干酵母的生長和發酵性能,從而影響果酒的酒精體積分數和品質。酒精體積分數隨著二氧化硫添加量的增加呈現先增加后降低的趨勢,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,二氧化硫添加量為60 mg/L時果酒的酒精體積分數與殘留總糖達到最大值和最小值,發酵較為徹底。因此,最佳二氧化硫添加量為60 mg/L。

圖3 二氧化硫添加量對酒精體積分數和殘留總糖的影響Fig.3 Effects of sulfur dioxide amount on alcoholicity and reducing sugars

2.1.4 發酵溫度對臍橙果酒酒精體積分數和殘留總糖的影響 研究表明,在一定發酵溫度范圍內,溫度越高,果酒干酵母的生長速度和酶活力越高,酒精體積分數越高和殘留總糖越低,但過高的溫度會使果酒產生不良發酵味,從而影響其口感和品質;過低的發酵溫度則使果酒的酒精體積分數低且風味平淡[30-31]。由圖4可知,酒精體積分數隨著發酵溫度升高呈先增加后降低的趨勢,殘留總糖隨著發酵溫度升高呈先降低后增加的趨勢,當發酵溫度為30 ℃時,果酒的酒精體積分數與殘留總糖達到最大值和最小值,發酵較為徹底;當發酵溫度>30 ℃時,酒精體積分數下降,可能是因為過高的發酵溫度導致發酵過于劇烈而使果酒干酵母的發酵性能提早衰退。因此,最佳的發酵溫度為30 ℃。

圖4 發酵溫度對酒精體積分數和殘留總糖的影響Fig.4 Effects of fermentation temperature on alcoholicity and reducing sugars

2.2 響應面實驗設計與結果

2.2.1 響應面實驗結果與方差分析 參照單因素實驗結果,選擇發酵溫度(A)、二氧化硫添加量(B)、果酒干酵母添加量(C)、發酵時間(D)進行4因素3水平的Box-Behnken中心組合實驗設計,在中心點重復5次,共計29次實驗,結果如表2所示,利用Design-expert 8.0.6對實驗結果進行多元回歸分析。

表2 Box-Behnken 實驗設計方案及結果
Table 2 Results of Box-Behnken central composite design

實驗號ABCD酒精度(%)實驗號ABCD酒精度(%)110101271600-1-11320-10-112917-1-1001230-1-1013218010-11264001-11319-10-1012150-1011352001101366100-1118210000141711001222-10101228-1001121230101134900001412400-11133101-1001212500001411100111382610011261200001412701-1013130-1101342800001414-110011629-100-11171510-10121

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

系數來源平方和自由度均方F值Pro>F顯著性模型18541413217852<00001??A02110212876<00001??B00671006791000092??C03310334494<00001??D114111415382<00001??AB00221002230301035AC00621006284300116?AD00401004053900358?BC00401004053900358?BD1000E-00211000E-00213502650CD00621006284300116?A2159711597215347<00001??B2183118324722<00001??C204710476336<00001??D2150115020291<00001??殘差010147417E-003失擬0096109583E-00347900723不顯著凈誤差8000E-00342000E-003總離差186428相關系數(R2)09944調整復相關系(R2Adj)09889

注:**表示差異極顯著(p<0.01);*表示差異顯著(p<0.05)。

經多元回歸分析得到臍橙果酒酒精體積分數的回歸方程:

酒精體積分數(%)=14.18+0.13A-0.075B+0.17C+0.31D+0.075AB+0.13AC+0.1AD+0.1BC+0.05BD+0.13CD-1.57A2-0.53B2-0.27C2-0.48D2

2.2.2 交互作用分析 4個因素間交互作用的響應曲面如圖5～圖10所示。曲面圖可以預測和檢驗自變量的響應值以及自變量之間的關系[32]。曲面圖坡度越陡,交互作用較強;交互作用越弱等高線越圓,交互作用較強則等高線呈橢圓[33]。由圖5～圖10的曲面圖可知,隨著因素水平的增加,果酒酒精體積分數先增加后減少;A與C、A與D、B與C、C與D交互作用較大;A與B、B與D的交互作用對酒精體積分數的影響相對較小。圖7、圖9、圖10的曲面圖顯示陡峭程度,可得出:D對酒精體積分數的影響要大于A、B與C。同理,圖6、圖8的響應面曲面圖圖顯示C對酒精體積分數的影響要強于A和B;圖7響應面曲面圖顯示A對酒精體積分數的影響要大于B。

圖5 發酵溫度與二氧化硫添加量交互影響臍橙果酒酒精體積分數的響應曲面Fig.5 Response surface for the alcoholicity under different fermentation temperature and quantity of sulfur dioxide

圖6 發酵溫度與果酒干酵母添加量交互影響臍橙果酒酒精體積分數的響應曲面Fig.6 Response surface for the alcoholicity under different fermentation temperature and inoculating amount of yeast

圖7 發酵溫度與發酵時間交互影響臍橙果酒酒精體積分數的響應曲面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臍橙果酒酒精體積分數的響應曲面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酵時間交互影響臍橙果酒酒精體積分數的響應曲面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酵時間交互影響臍橙果酒酒精體積分數的響應曲面Fig.10 Response surface for the alcoholicity under different inoculating amount of yeast and fermentation time

2.2.3 最優發酵工藝的優化與驗證 經Design-Expert 8.0.6系統分析得到臍橙果酒發酵的最佳工藝條件:發酵溫度為30.14 ℃、二氧化硫添加量為59.91 mg/L、果酒干酵母添加量為54.14 mg/100 mL、發酵時間為10.76 d,臍橙果酒果酒酒精體積分數理論預測值為14.18%。

為了方便操作,將以上參數修正為:發酵溫度為30 ℃、二氧化硫添加量為60 mg/L、果酒干酵母添加量為54 mg/100 mL、發酵時間為11 d,在該條件下進行3組平行驗證實驗,得到臍橙果酒酒精體積分數分別為14.2%、14.2%、14%,平均值為14.13%,與預測值僅相差0.05%。表明采用該模型得到的預測值與實驗真實值相符度高。

3 結論

通過單因素實驗和中心組合設計實驗,采用響應面分析法得出臍橙果酒最佳工藝條件:發酵溫度為30 ℃、二氧化硫添加量為60 mg/L、果酒干酵母添加量為54 mg/100 mL、發酵時間為11 d。在此條件下,果酒酒精體積分數為14.13%,理論預測值為14.18%,表明該模型擬合程度良好,能用此模型對臍橙果酒酒精體積分數進行分析和預測,有一定的實用價值。影響臍橙果酒酒精體積分數因素的順序為:發酵時間>果酒干酵母接種量>發酵溫度>二氧化硫添加量。

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Optimization of fermentation technology of citrus sinensis osbeck fruit wine of Fengjie

WU Jun,YANG De-ying,LI Shu-tong,XIE Qing-song,XIONG Hu,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 Fengjie. The citrus sinensis osbeck juice of Fengjie was utilized as raw material to brew fruit wine. On the basis of single-factor test,Box-Behnken center-united experiment was designed to concern four factors including fermentation temperature,content sulfur dioxide,yeast addition quantity,fermentation time. Then the response surface regression analysis was conducted to obtain the optimum formulations of wine fermentation process of Fengjie citrus sinensis osbeck. The optimal fermentation conditions were determined as follows:fermentation temperature 30 ℃,sulfur dioxide 60 mg/L,yeast addition quantity 54 mg/100 mL and fermentation time 11 d. Under this optimal condition,the alcoholicity was 14.13%(v/v). The result was well matched with the predicted value(14.18%),and well suggests production prediction.

the citrus sinensis osbeck of Fengjie;fruit wine;fermentation technique;optimization;response surface analysis

2016-05-30

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

TS201.2

B

1002-0306(2016)23-0247-06

10.13386/j.issn1002-0306.2016.23.038