響應面法優化人參-仙人掌果酒的發酵工藝

喬夢丹,王 微,賀 陽,戴雨霖,韓銘鑫,文連奎,鄭 飛,越 皓*

(1.長春中醫藥大學 吉林省人參科學研究院,吉林 長春 130117;2.吉林農業大學 食品科學與工程學院,吉林 長春 130118)

響應面法優化人參-仙人掌果酒的發酵工藝

喬夢丹1,王 微1,賀 陽2,戴雨霖1,韓銘鑫1,文連奎2,鄭 飛1,越 皓1*

(1.長春中醫藥大學 吉林省人參科學研究院,吉林 長春 130117;2.吉林農業大學 食品科學與工程學院,吉林 長春 130118)

該研究以人參及仙人掌果為原料制作果酒,考察發酵條件對仙參果酒的影響。在單因素試驗基礎上,選取酵母接種量、發酵溫度、初始pH值為影響因子,以酒精度為響應值,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,經優化后的仙參果酒最佳工藝條件為酵母接種量1‰,發酵溫度24℃,pH值4.0,在此條件下仙參果酒的酒精度為11.67%vol,感官評分達96分。其中含有總皂苷(93.76±0.86)mg/100 mL和總花青素(10.66±0.39)mg/100 mL。

果酒;發酵工藝;酒精度;感官評分;人參皂苷;花青素

人參是五加科植物人參(Panax ginseng)的干燥根,其主要含有人參皂苷、多糖、氨基酸、蛋白質等有效成分[1-3]。目前,已有大量研究證實人參具有抗氧化、抗疲勞、抗腫瘤、降血糖血脂、促進脂肪代謝、增強免疫力等功效[4-6],其作為新資源食品以來,廣泛應用于食品領域。仙人掌果為仙人掌科植物仙人掌的果實,果肉微酸甜,含有豐富的微量元素、蛋白質、氨基酸、維生素、多糖類、黃酮類物質、三萜化合物等營養物質,具有行氣活血、祛濕退熱、提高免疫力、清除自由基等作用[7-9]。

據統計,當代社會超過70%的人處于亞健康狀態。因此,低度保健酒或果酒是目前備受歡迎的保健食品之一,其針對于亞健康人群,能夠提高機體免疫力或增加免疫器官和細胞的活性。仙參果酒是以人參和仙人掌果為原料發酵而成的,是富含人參皂苷和花青素等活性成分的低度發酵酒。本研究在前期對仙參果酒進行了功能性試驗研究,結果表明其具有較強的體內抗氧化活性和增強免疫力作用。因此,將仙參果酒開發為保健食品,具有廣闊的應用前景,能夠滿足市場的需求。本試驗以人參和仙人掌果為原料,通過單因素試驗及響應面法優化發酵條件的最佳工藝參數,為仙參果酒的產業化生產提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

仙人掌果:海南富匯達農業開發有限公司;人參(五年生):吉林省撫松縣萬良人參市場;矢車菊-3-O-葡萄糖苷標準品(純度為98%):南京森貝伽生物科技有限公司;人參皂苷Re標準品(批號:110754-201626,純度為92.3%):中國食品藥品檢定所;香草醛:上海盈公生物技術有限公司;氫氧化鈉、葡萄糖、冰醋酸、鹽酸、無水乙醇、甲醇、正丁醇、香草醛、高氯酸、冰醋酸(均為分析純):北京化工廠;甲基紅、酚酞、次甲基藍:天津市大茂化學試劑廠;雙蒸水:實驗室自制。

1.2 儀器與設備

SPX-150S-II生化培養箱:上海新苗醫療器械制造有限公司;Centrifuge 5804R型離心機:Eppendonf公司;HH-8型數顯恒溫水浴鍋:常州智博瑞儀器制造有限公司;M200PRO多功能酶標儀:北京世貿遠東科學儀器有限公司;BP211D型電子分析天平:上海天平儀器廠。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程

1.3.2 操作要點

混合漿液的制備:取潔凈的鮮人參加3倍量的水,榨汁;另取新鮮完好且成熟的仙人掌果去皮去刺后,加入2倍量的水榨汁,兩者以1∶2比例混合,備用;

成分調整:加入適量蔗糖調整糖度,加入檸檬酸調節pH值;

酵母活化:將釀酒酵母加入5%葡萄糖溶液中,混合均勻,35℃恒溫水浴中活化30 min;

發酵:向混合漿液中接種活化后的酵母菌,攪拌均勻,在恒溫培養箱中發酵,每隔24 h測定殘糖量,當殘糖量、酒精度持續3 d保持不變時,發酵結束;

過濾澄清:采用孔徑為100～200nm的無機陶瓷膜過濾設備濾過殘渣;

調配:對澄清處理過的仙參果酒的糖度以及酸度進行適當的調配。

1.3.3 仙參果酒發酵工藝優化試驗

(1)發酵條件的單因素試驗

試驗對酵母接種量(0.5‰、0.7‰、0.9‰、1.1‰、1.3‰、1.5‰)、發酵溫度(15℃、18℃、21℃、24℃、27℃)和初始pH值(3.0、3.3、3.6、3.9、4.2)因素進行優選,以酒精度及感官評分為考察指標,考察3個發酵條件對仙參果酒發酵的影響[10-11]。

(2)響應面法優選發酵工藝

在單因素試驗基礎上,以酒精度(Y)為響應值,采用3因素3水平的響應面法進行仙參果酒發酵工藝條件的優化[12-13]。以Design-Expert V8.0.5軟件對試驗進行回歸分析,確定發酵的最優工藝參數。響應面試驗因素與水平見表1。

表1 果酒發酵工藝優化響應面試驗設計因素與水平Table 1 Factors and levels of response surface methodology for fruit wine fermentation conditions optimization

1.3.4 測定方法

(1)理化指標

酒精度測定:采用蒸餾比重法[14];總糖含量:斐林試劑滴定法[15];總酸測定:酸堿滴定法[16];pH值測定:酸度計法[17]。

(2)感官評分

選擇20名食品專業的人員,分別對仙參果酒的色澤、香氣、口感、狀態進行感官評分,滿分為100分[8],感官評分標準見表2。

表2 果酒感官評分標準Table 2 Sensory evaluation standards of fruit wine

(3)總花青素的測定

精密稱取矢車菊-3-O-葡萄糖苷標準品約10mg于10mL量瓶中,用0.1%鹽酸-80%乙醇(15∶85,V/V)溶解并定容,搖勻,作為標準品儲備液。分別精密量取標準品儲備50 μL、100 μL、150 μL、200 μL、250 μL,加0.1%鹽酸-80%乙醇(15∶85,V/V)定容至10mL。以相應試劑作為空白試劑,于波長535nm處測定吸光度值。以吸光度值(Y)對花青素質量濃度(X)作線性回歸,繪制標準曲線,得到回歸方程和相關系數。精密量取仙參果酒10 mL溶液,40℃水浴揮干,0.1%鹽酸-80%乙醇(15∶85,V/V)溶解于100mL量瓶中,稀釋并定容,搖勻,即得樣品溶液。按上述方法測得吸光度值,代入標準曲線中求得樣品中總花青素的質量濃度,并計算含量。

(4)總皂苷的測定

精密稱取人參皂苷Re標準品約10 mg于10 mL量瓶中,用甲醇溶解,稀釋,并定容,搖勻,作為標準品儲備液。分別精密量取標準品儲備液60 μL、80 μL、100 μL、120 μL、140 μL置于具塞試管中,60℃水浴揮干,加5%香草醛冰醋酸溶液0.2 mL,高氯酸0.8 mL,搖勻,使殘渣全部溶解,60℃水浴加熱10 min,冷卻,加冰醋酸5.0 mL,以相應試劑作為空白試劑,于波長560 nm處測定吸光度值。以吸光度值(Y)對總皂苷含量(X)作線性回歸,繪制標準曲線,得到回歸方程和相關系數。精密量取仙參果酒5 mL溶液,60℃水浴揮干,加10 mL的蒸餾水溶解后,同體積水飽和正丁醇萃取4次,合并上層液,60℃水浴揮干,加甲醇溶解于5 mL量瓶中,稀釋并定容,搖勻,精密吸取100 μL置于具塞試管中,按上述方法顯色并測得吸光度值,代入標準曲線中求得樣品中總皂苷的含量。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 酵母接種量對仙參果酒發酵的影響

在溫度24℃,pH值3.9的條件下,考察不同酵母接種量對發酵過程中的酒精度和感官評價的影響,結果見圖1。

圖1 酵母接種量對果酒酒精度和感官評分的影響Fig.1 Effect of yeast inoculum on alcohol content and sensory score of fruit wine

由圖1可知,隨著酵母接種量的增加,酒精度和感官評分均呈先升高后降低的趨勢,當酵母接種量為1.1‰時,仙參果酒的酒精度和感官評分均達到最佳值,分別為11.86%vol、98分。繼續增加酵母接種量,仙參果酒的酒精度和感官評分開始下降。因此,仙參果酒發酵酵母接種量選擇在1.1‰為宜。

2.1.2 發酵溫度對仙參果酒發酵的影響

在酵母添加量1.1‰,pH值3.9的條件下,考察不同溫度對發酵過程中的酒精度和感官評價的影響,結果見圖2。

圖2 發酵溫度對果酒中酒精度和感官評價的影響Fig.2 Effect of fermentation temperature on alcohol content and sensory score of fruit wine

由圖2可知,隨著發酵溫度的升高,酒精度和感官評分均呈快速升高后降低的趨勢,當發酵溫度為24℃時,仙參果酒的酒精度和感官評分均達到最大值,分別為12.11%vol、96分。而此后繼續升高發酵溫度,測得此時仙參果酒的酒精度及感官評分隨發酵溫度的升高而下降,這可能是因為發酵溫度過高,發酵速度過快,破壞了仙參果酒的整體感官質量,表現為仙人掌果香和酒香不足,有異味,口感粗糙有少量沉淀。因此,選擇仙參果酒的發酵溫度為24℃為宜。

2.1.3 初始pH對仙參果酒發酵的影響

在酵母添加量1.1‰,溫度24℃的條件下,考察pH值對發酵過程中的酒精度和感官評價的影響,結果見圖3。

圖3 pH對果酒酒精度和感官評分的影響Fig.3 Effect of pH on alcohol content and sensory score of fruit wine

由圖3可知,隨著仙參果酒的初始pH值升高,酒精度和感官評分均呈現先升高后降低的趨勢。當初始pH值為3.9時,仙參果酒的酒精度和感官評分均達到最大值,分別為11.93%vol、95分,此時感官評分達95分。因此,選擇仙參果酒的初始pH值為3.9[14]。

2.2 響應面試驗優化仙參果酒發酵工藝

2.2.1 仙參果酒發酵響應面試驗

在單因素試驗基礎上,選取酵母添加量(A)、發酵溫度(B)、初始pH(C)為3個因素,以酒精度(Y)為響應值,采用3因素3水平的響應面試驗考察各發酵條件對仙參果酒發酵結果的影響,結果見表3。

表3 果酒發酵工藝優化響應面試驗設計與結果Table 3 Results and analysis of response surface experiments for fruit wine fermentation conditions optimization

續表

2.2.2 響應面模型建立及顯著性分析

通過Design-Expert.V 8.0.6軟件對表3中酒精度(Y)進行數據分析,得到回歸模型:Y=11.37+0.33A+0.53B+0.42C+0.062AB-0.065AC-0.23BC-0.62A2-0.88B2-0.78C2

表4 響應面試驗結果方差分析及顯著性檢驗Table 4 Variance analysis and significance test of response surface experiments results

由表4可知,響應面優化擬合出的方程回歸項模型的P值＜0.000 1,且失擬項P值0.285 6＞0.005,說明本試驗所得仙參果酒的酒精度與3個變量的二次回歸方程高度顯著,可以很好地進行響應值的預測,且擬合得到的回歸模型的方程相關系數R2=99.2%,模型調整復相關系數R2adj=0.981 8,說明本試驗所建立的回歸模型擬合度良好。變異系數(coefficient of variation,CV)=1.29%,表明試驗數值具有較高的精密度和可靠性[18-20]。將酒精度作為響應值,方程一次項系數A、B、C,交互項BC和二次項系數A2、B2、C2均具有極顯著性(P＜0.01)。

通過Design-Expert.V8.0.6軟件獲得三維響應面和等高線,能夠直觀地反映出各個因素及其相互作用對試驗結果的影響。由圖4可知,隨著酵母接種量和發酵溫度的升高,仙參果酒中的酒精度呈現先升高再下降的拋物線趨勢,且兩者等高線呈橢圓形狀,含有極值,坡度較大,說明這兩種因素交互作用顯著;而隨著酵母接種量和初始pH值的增加或隨著發酵溫度和初始pH值的增加,仙參果酒中的酒精度的變化趨勢同樣呈現先升高后降低的趨勢,其等高線均呈橢圓狀,含有極值,坡度較大。因此,認為酵母接種量、發酵溫度、初始pH值這三因素之間,兩兩交互作用均極顯著(P＜0.01)。

經過Design-Expert.V 8.0.6軟件對模型的優化,得到仙參果酒的最佳發酵工藝條件:酵母接種量1.09‰,發酵溫度23.88℃,初始pH值4.01,此發酵條件下發酵后的仙參果酒酒精度達11.79%vol。

2.2.3 發酵工藝條件的驗證

為了驗證模型預測理論值的準確性和真實性,同時為了方便實際操作,將最佳發酵工藝的條件調整為酵母接種量1‰,發酵溫度24℃,初始pH值4.0,在此優化條件下進行3次平行性試驗,得到仙參果酒的酒精度平均值為(11.67±0.13)%vol。而此條件下的仙參果酒在外觀上清澈透亮有光澤,呈紫紅色,在香味上,有清香的仙人掌果香和濃郁的酒香,在口感方面也十分純正爽口,感官評分達96分,結果與預測值相差甚小。因此,采用響應面法優化的仙參果酒的發酵工藝條件準確合理,具有極強的應用價值。

2.3 仙參果酒中功能成分的含量

以矢車菊-3-O-葡萄糖苷標準品的質量濃度(X)為橫坐標,吸光度值(Y)為縱坐標,進行線性回歸,得回歸方程為Y=35.099X-0.000 9,相關系數R=0.999 8,表明矢車菊-3-O-葡萄糖苷標準品質量濃度在0.0049～0.024mg/mL范圍內呈良好的線性關系。以人參皂苷Re標準品的含量(X)為橫坐標,吸光度值(Y)為縱坐標,進行線性回歸,得回歸方程為Y=2.3588X-0.0048,相關系數R=0.9997,表明人參皂苷Re標準品含量在0.0553～0.1292mg/mL范圍內呈良好的線性關系。

取最佳發酵工藝的條件下制得的仙參果酒,進行6次平行性試驗的測定,結果見表5。

表5 果酒中功能成分的含量Table 5 Content of functional components in fruit wine

由表5可知,得到仙參果酒的總花青素、總皂苷含量的平均值分別為(10.66±0.39)mg/100mL、(93.76±0.86)mg/100 mL。

3 結論

通過單因素試驗,以酒精度和感官評分為考察指標,確定了酵母接種量、發酵溫度和初始pH值對仙參果酒發酵的影響趨勢。通過響應面試驗,以酒精度為考察指標,優化仙參果酒的發酵工藝,確定了仙參果酒最佳發酵工藝條件為酵母接種量1‰,發酵溫度24℃,pH值4.0,在此發酵條件下,酒精度達11.67%vol。此時,仙參果酒中酒精度最優,發酵所得的人參仙人掌果保健酒的酒香濃郁,風味典型性明顯,總花青素和總皂苷含量分別為(10.66±0.39)mg/100mL、(93.76±0.86)mL/100 mL,是一種營養豐富的保健型果酒。

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QIAO Mengdan1,WANG Wei1,HE Yang2,DAI Yulin1,HAN Mingxin1,WEN Liankui2,ZHENG Fei1,YUE Hao1*
(1.JiLin Ginseng Academy,Changchun University of Chinese Medicine,Changchun 130117,China;2.College of Food Science and Engineering,Jilin Agricultural University,Changchun 130118,China)

TS262.7

0254-5071(2017)11-0170-05

10.11882/j.issn.0254-5071.2017.11.037

2017-08-22

吉林省中醫藥科技項目(2017161)

喬夢丹(1992-),女,碩士研究生,研究方向為藥品新劑型的研究與開發。

*通訊作者:越 皓(1977-),男,研究員,博士,研究方向為天然產物成分分析。