響應面法優化樺樹液酒發酵工藝

曲迪

（中國農科院特產研究所，吉林長春130000）

響應面法優化樺樹液酒發酵工藝

曲迪

（中國農科院特產研究所，吉林長春130000）

以新鮮樺樹液為原料，研究樺樹液發酵酒的發酵工藝條件。在單因素試驗基礎上，選取SO2添加量、酵母接種量、發酵溫度為影響因子，以樺樹液酒的酒精體積分數為響應值，應用中心組合Box-Behnken試驗和響應面分析法，模擬得到二次多項式回歸方程的預測模型，進行響應面分析。結果表明，經優化后的樺樹液酒的最佳工藝條件為酵母接種量0.42 g/L、SO2添加量103mg/L、發酵溫度25℃、發酵時間為12 d，該條件下酒精體積分數為11.98%vol。產品澄清透明、酒香濃郁、滋味協調、酒體典型風格較為突出。

樺樹液；發酵酒；發酵工藝；響應面

樺樹液是樺樹（Betula）的傷流液，是一種無色透明的液體，入口清涼微甜，有樺樹特有的清香氣味，每年4月～5月冰雪消融，初春萌動之時便可采集[1-2]。樺樹液富含人體需要的多種氨基酸、果糖、維生素、生物素、礦物質等，具有清熱、解毒、抗疲勞、抗衰老等保健作用[3-5]。利用樺樹液為原料發酵而成的酒具有獨特的

風味和保健功效，符合人們現在的消費觀念，具有可觀的經濟效益和較好的發展前景。

目前，國內張崇、李娜[6-10]等對樺樹液酒的研制進行了報道，但對優化樺樹液酒發酵條件方面的文章很少。本試驗以吉林省二道白河鎮的新鮮樺樹液為原料，通過單因素試驗確定樺樹酒的發酵工藝，采用響應面法優化樺樹液酒發酵條件的最佳工藝參數，為樺樹液酒的工業化生產提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

吉林省二道白河鎮采集的新鮮樺樹液；綿白糖：市售，符合一級品要求；酵母菌：安琪葡萄酒酵母；偏重亞硫酸鉀：食品級。

1.2 儀器與設備

SPX-250B-Z型生化培養箱：上海市博訊事業有限公司；電子天平：慈溪市天東衡器廠；DZKW-S-4恒溫水浴鍋：北京市永光明醫療儀器廠；WYT-4型手持糖度計：泉州中友光學儀器有限公司；酒精計：河間市儀器廠。

1.3 方法

1.3.1 樺樹液酒的發酵工藝流程

采集新鮮的樺樹液→加入適量SO2抑制雜菌→糖度調整→接種活性干酵母→主發酵→成分檢測→后發酵→陳釀→澄清→殺菌→成品

1.3.2 操作要點

1）糖度調整：本試驗原料樺樹汁的還原糖含量為1%，由于自身發酵的酒精度達不到成品酒的要求，需要向其中一次性補充糖分，使還原糖含量在20%左右。

2）酵母的活化：向2%的無菌糖水中加入適量干酵母在35℃的溫度下攪拌活化20min，直至有大量氣泡產生。

1.3.3 指標測定方法

酒精體積分數的測定：酒精計法[11]；糖度測定：手持糖度計法；還原糖的測定：菲林試劑法[11]；酸度的測定：酸堿滴定法[11]。

1.3.4 影響樺樹液酒發酵效果的單因素試驗

1.3.4.1 SO2添加量的影響

把樺樹液糖度調整為20%，發酵溫度為25℃，發酵時間為10 d，接種量為40mg/L，SO2添加量分別為20、40、60、80、100、120、140mg/L，探究SO2添加量對發酵效果的影響。

1.3.4.2 酵母接種量的影響

把樺樹液糖度調整為20%，發酵溫度為25℃，發酵時間為10 d，SO2添加量為100mg/L，酵母接種量分別為0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8 g/L，探究酵母接種量對發酵效果的影響。

1.3.4.3 發酵溫度的影響

把樺樹液糖度調整為20%，發酵時間為10 d，SO2添加量為100mg/L，酵母接種量為0.4 g/L，發酵溫度分別為17、19、21、23、25、27、29℃，探究發酵溫度對發酵效果的影響。

1.3.4.4 發酵時間的影響

把樺樹液糖度調整為20%，發酵溫度為25℃，SO2添加量為100mg/L，酵母接種量為0.4 g/L，發酵時間分別為2、4、6、8、10、12、14 d，探究發酵時間對發酵效果的影響。

1.3.5 響應面法優化樺樹液酒發酵工藝

在單因素試驗的基礎上，根據Box-Behnken中心組合試驗設計原理，分別對影響酒精度（Y）的4個因素：SO2添加量（A）、酵母接種量（B）、發酵溫度（C）、發酵時間（D）利用響應面軟件Design-Expert8.0.6進行響應面設計[12-17]。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果與分析

2.1.1 SO2添加量的影響

SO2添加量的影響見圖1。

圖1 SO2添加量對酒精體積分數的影響Fig.1 Effectsof SO2amounton alcoholicity

由圖1可知，SO2添加量較少時，由于不能較好的抑制雜菌，所以酒精發酵度數低；當SO2添加量達到100mg/L時，酒精體積分數達到最高且接近待發值；當SO2添加量超過100mg/L時，不僅抑制了雜菌生長也抑制了酵母菌的發酵代謝，使得酒精發酵度數低。所以SO2添加量為100mg/L最合適。

2.1.2 酵母接種量的影響

酵母接種量的影響見圖2。

酵母接種量是影響樺樹液酒酒精發酵的重要因素之一，由圖2可知，當接種量較低時，酵母自身代謝緩慢，蔗糖代謝成酒精不完全，從而酒度低，酒質不協調；隨著接種量逐漸增加，酒精的體積分數也增加，當接種量為0.4 g/L時，酒精度達到最高；當接種量超過0.4 g/L時，酵母菌代謝過旺，消耗大量營養物質并產

生較多代謝產物，使得菌體過早衰老并自溶，最終酒度較低，酒質不協調。所以酵母接種量選擇0.4g/L較適合。

圖2 酵母接種量對酒精體積分數的影Fig.2 Effectsof yeast inoculating amounton alcoholicity

2.1.3 發酵溫度的影響

發酵溫度的影響見圖3。

圖3 發酵溫度對酒精體積分數的影響Fig.3 Effectsof fermentation tem peratureon alcoholicity

由圖3可知，在17℃～25℃時，酒精體積分數隨發酵溫度升高的快；當發酵溫度在25℃～29℃時，酒精體積分數隨發酵溫度的升高略有下降。因此選擇發酵溫度為25℃最適宜。

2.1.4 發酵時間的影響

發酵時間的影響見圖4。

圖4 發酵時間對酒精體積分數的影響Fig.4 Effectsof fermentation tim eamounton alcoholicity

由圖4可知，隨著發酵時間的延長，酒精的體積分數逐漸增大，發酵前8 d，酒精體積分數增大的速度較快；第8天之后發酵速度趨于緩慢；在發酵第12天時，酒精體積分數為12.1%，符合待發值且與第14天持平。因此發酵時間為12 d最合適。

2.2 響應面法優化樺樹液酒發酵工藝

綜合單因素試驗結果可知，發酵時間在10 d之后酒精體積分數趨于平穩，固發酵時間選取12 d為最佳，根據Box-Behnken中心組合試驗設計原理，選取SO2添加量（A）、酵母接種量（B）、發酵溫度（C）為3個因素，以酒精體積分數（Y）為響應值，分別在3個水平上進行試驗。試驗因素水平及編碼見表1，試驗方案設計及結果見表2。

表1 響應面試驗優化樺樹液酒發酵工藝因素水平與編碼表Table1 Factorsand levels in response surfacedesign

表2 Box-Behnken試驗設計方案及結果Tab le2 Resultsof Box-Behnken centralcom posite design

2.2.1 回歸模型的建立及方差分析

回歸模型的建立及方差分析見表3。

表3 響應面試驗結果的方差分析Table3 Analysisof varianceof the fitted regressionm odel

續表3 響應面試驗結果的方差分析Continue table3 Analysisof varianceof the fitted regression m odel

對表2中試驗數據進行多元回歸方程擬合后，得到各因素水平對發酵酒酒精體積分數影響的二次多項回歸模型

由表3可知，模型的P＜0.01，模型方程（1）極顯著，說明不同處理間的差異極顯著失擬項P=0.633 7＞0.05，不顯著，說明本試驗所得二次回歸方程能很好的對響應值進行預測；酒精體積分數值與回歸方程預測值的相關系數R2為0.990 4，可知擬合情況良好；離散系數（CV）表示試驗的精確度，其值越大，試驗結果可靠性越低[18]。本試驗CV為2.2%，在可接受范圍內，說明試驗結果可靠。從回歸方程系數顯著性可知，模型方程（1）的一次項和二次項A、B、C表現為極顯著（P＜0.01）；交互項AB表現為顯著（0.01＜P＜0.05）、AC表現為不顯著（P＞0.05）、BC表現為極顯著（P＜0.01）。

2.2.2 響應面的分析及優化

通過Design Expert8.0.6軟件，由二元回歸模型（1）繪制響應面分析圖（圖5～圖7）。圖中直觀地反映了各因素之間的交互作用對樺樹液酒酒精體積分數的影響。

從響應面分析圖中可以看出所選因素對響應值影響強弱順序依次為：B>C>A即：酵母接種量＞發酵溫度＞SO2添加量。

為確定最佳發酵工藝條件，將擬合回歸方程的兩邊分別對A、B、C求一階偏導數，并設其值為0，得到三元一次方程組：

求解得：A=0.164，B=0.188，C=0.022，根據編碼公式得到最佳工藝參數為：SO2添加量103.28mg/L，酵母接種量0.419 g/L，發酵溫度25.044℃，此條件下酒精體積分數達11.98%。考慮實際操作性，將發酵工藝參

數修正為：SO2添加量103mg/L，酵母接種量0.42 g/L，發酵溫度25℃。

圖5 和酵母接種量交互作用對酒精體積分數影響的響應面和等高線圖Fig.5 Response surfaceand contour plotof interaction among SO2and yeast inoculation quantity on alcoholicity

圖6 SO2和發酵溫度交互作用對酒精體積分數影響的響應面和等高線圖Fig.6 Responsesurfaceand contour plotof interaction am ong SO2and fermentation tem peratureon alcoholicity

圖7 酵母接種量和發酵溫度交互作用對酒精體積分數影響的響應面和等高線圖Fig.7 Response surfaceand contour p lotof interaction among yeast inoculation quantity and ferm entation tem peratureon alcoholicity

2.2.3 酒精體積分數驗證性試驗

為了檢驗響應面法的可行性，采用得到的最佳發酵條件進行樺樹液酒的發酵試驗，SO2添加量103mg/L、酵母接種量0.42 g/L、發酵溫度25℃，同時進行3次平行試驗。樺樹液酒的酒精度平均值為11.9%vol。與預測值誤差僅差0.67%。結果極為接近，進一步驗證了模型方程（1）的實用性。

2.3 產品質量標準

2.3.1 感官指標

本試驗發酵的樺樹液酒色澤微黃，澄清透明，既有原汁的清香，又有發酵后濃郁的醇香，滋味協調，口味純正無雜，清涼爽口，具有本酒典型的風格。

2.3.2 理化指標

酒精體積分數：11.5%vol～12%vol；還原糖：（以葡萄糖計）≤4 g/L；可滴定酸（以檸檬酸計）：0.56%；游離SO2≤50mg/L。

2.3.3 微生物指標

菌落總數＜100CFU/mL；大腸桿菌＜3MPN/100mL；致病菌：未檢出。

3 結論

通過單因素試驗和中心組合設計試驗，采用響應面分析法優化樺樹液酒的發酵工藝條件，建立樺樹液酒發酵工藝的二次多項數學模型。該模型極顯著，擬合情況好，可用來預測設定條件范圍內及其周圍的樺樹液酒發酵工藝參數，有一定實用價值。各因素對樺樹液酒發酵工藝的影響次序為酵母接種量＞發酵溫度＞SO2添加量，優化后工藝條件參數為酵母接種量0.42 g/L、發酵溫度25℃、SO2添加量103mg/L、發酵時間為12 d，在此條件下，酒精體積分數為11.98%vol，發酵所得的樺樹液酒酒香濃郁，風味典型性明顯，是一種營養豐富的保健型果酒，開發前景廣闊具有實用意義。

[1]趙華文,覃軍.樺樹液的應用現狀與開發方向[J].中國林副特產, 2001(2):38-40

[2]金萬俊,于學軍,徐志玉.樺樹液的開發利用[J].林業科技開發, 1993(1):41

[3]倪士峰,劉惠,申志勇,等.樺木屬的藥用研究[J].安徽農業科學, 2009,37(7):3046

[4]EVNMIJU,SIEVN LEE,HYUN JINHNANG,etal.Antioxidantand anticancer activity of extract from Betula platyphylla var.japonica [J].Lifesciences,2004,74(8):1013-1026

[5] 向進樂,崔國庭,郭香鳳,等.樺樹汁及其在食品工業中的應用研究現狀[J].食品科技,2006(11):48-50

[6]張崇,李孟菊,張丕亮.樺樹液酒發酵工藝[J].中國林副特產,2014 (4):33-35

[7]李娜,常紅娟,譚毅,等.樺樹汁發酵酒的研制[J].釀酒,2008,35(3): 101-102

[8]王國良.新品保健啤酒的開發(二)[J].釀酒科技,2006(1):119-121

[9]劉生梅,李海玲,王云,等.樺樹液采集工藝及開發利用前景[J].現代農業科技,2011(10):354-356

[10]蘇喜廷,王德才,王丕亮.森林白樺樹液酒營養成分檢測與分析[J].中國林副特產,2013(3):39-41

[11]中華人民共和國質量監督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會.GB/T15038-2006葡萄酒、果酒通用分析方法[S].北京:中國標準出版社,2006:15

[12]劉靜,胡彥營,李湘利,等.響應面法優化果膠酶澄清芡實酒工藝及其效果評價[J].食品科學,2013,34(22):87-91

[13]吳竹青,陳景,黃群,等.響應面法優化雪蓮果酒發酵工藝[J].食品科學,2010,31(23):182-187

[14]李升升,徐懷德,李鈺金,等.響應面法對洋蔥酒發酵工藝的優化[J].食品科學,2011,32(06):135-138

[15]馬玉婷,李進,張志怡.響應面法優化黑果枸杞酒渣多糖精制工藝[J].食品科學,2012,33(6):37-43

[16]王玉瑩,戴洪義.響應面法優化蘋果酒發酵工藝[J].中國釀造, 2012,31(8):19-22

[17]王璐,李小溪,古麗娜孜.響應面法優化馬奶酒發酵條件的研究[J].中國釀造,2014,33(2):66-70

[18]郭克娜,闞建全,王穎,等.響應面法優化薏米酒發酵工藝條件[J].食品科學,2013,34(21):272

Optim ization of Fermentation of Birth Sap W ine by Response Surface M ethodology

QUDi
（InstituteofSpecial Animaland PlantSciencesofCAAS，Changchun 130000，Jilin，China）

The fermentation condition ofbirth sapwinewasoptimized by response surfacemethodology.The impactof sulfur dioxide used，yeast inoculums concentration and fermentation temperature on sensory score，and the alcoholicity was selected as response value and themathematicalmodelwas established by Box-Behnken central composite design.Asa result，inoculum amount0.42 g/L，sulfur dioxide103mg/L，fermentation temperature 25℃，fermentation time 12 days，under this optimal condition，the alcoholicitywas 11.98%volwith good quality.

birch sap；brewedwine；fermentation technology；responsesurfacemethodology

10.3969/j.issn.1005-6521.2016.23.029

2016-02-17

曲迪（1990—），女（漢），碩士，研究方向：長白山野生植物資源開發利用。