響應面法優化沙棘酒的發酵工藝

蔡文超,單春會,李文新,寧 明,楊麗萍,唐鳳仙

(石河子大學 食品學院,新疆 石河子 832000)

沙棘(Hippophae rhamnoides)屬于胡頹子科(Elaeagniaceae)沙棘屬(Hippophae)植物,其抗逆性強,在鹽堿地也可生存,還具有耐寒、抗風沙的特性[1]。沙棘果中維生素的含量豐富,尤其是維生素C(vitamin C,VC)的含量非常高,每克鮮果中含量在10～16 mg,是橘子的35倍,被稱為“VC之王”[2]。此外,沙棘中還含有三萜、脂類、蛋白質、亞麻油、酚類、黃酮類等物質[3]。研究發現,沙棘具有抗氧化、抗心血管疾病、軟化血管、保持年輕、增強免疫力等多種功能[4]。在國際上,沙棘的價值也被越來越多的人認可,沙棘的種植與開發也受到研究人員的重視[5]。目前,目前國內對沙棘產品的研究僅有沙棘果汁、沙棘果醋等的報道,在沙棘酒方面的研究還鮮見文獻報道[6-7]。

新疆地區沙棘資源豐富,品種優良,開發生產沙棘系列產品具有較高的經濟效益,新鮮沙棘果每公斤4.50元,而沙棘酒市場價在100元以上,附加值較高[8]。目前,新疆地區沙棘酒的研究開發還處于起步階段,因此沙棘酒的研發對新疆沙棘產業的拓展具有積極的作用。

通過沙棘原料的深加工,開發研究沙棘酒,延長沙棘產品的產業鏈,使沙棘原料得到充分利用,擴大市場需求,提高種植的積極性,促進當地經濟的發展[9-10]。本研究在單因素試驗結果的基礎上,采用響應面法優化沙棘酒的發酵工藝參數,確定最佳的沙棘酒加工工藝條件,以期為沙棘酒的開發提供新的途徑與理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

沙棘原漿:新疆慧華沙棘生物科技有限公司；蔗糖(食品級):市售；釀酒活性干酵母(食品級):湖北安琪酵母股份有限公司；果膠酶(30 000 U/g):肇東日成酶制劑有限公司；碳酸氫鈉(食品級):山東海天生物化工有限公司；偏重亞硫酸鉀(分析純):天津市大茂化學試劑廠；葡萄糖(食品級):山東西王糖業有限公司。

1.2 儀器與設備

SPX-250B生化培養箱:常州諾基儀器有限公司；S-3C型pH計:上海精密科學儀器有限公司；0～10酒精計:河北省滄州地區醫藥公司；MC202231型手持糖度計:成都泰光學有限公司；MULTIFUGEX1R離心機:常州萬合儀器制造有限公司；FA201S電子分析天平:上海天平儀器廠；DK-8D數顯恒溫水浴鍋:上海予卓儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 沙棘酒工藝流程及操作要點

原料處理:沙棘原漿在貯藏過程中會出現上層浮油的現象,因此需要用離心機對沙棘原漿進行去油(5 000 r/min離心15 min),下清液貯存備用。

成分調整:通過料液比預試驗,將沙棘原漿與蒸餾水按2∶1(g∶mL)的比例復合得到沙棘果汁,根據理論值17 g/L的蔗糖通過發酵可以產生1%vol的酒精,按照預計酒精度并結合感官評定,用白砂糖將沙棘果汁的糖度調整為24%,pH值用碳酸氫鈉調整為3.8,加入30 mg/L偏重亞硫酸鉀殺菌并提高沙棘酒的穩定性[11-12]。將沙棘汁于65℃,恒溫水箱中殺菌20 min,再冷卻至30℃[14]。

酵母的活化:在5%的葡萄糖溶液中加入釀酒活性干酵母,混合均勻,于37℃水浴活化30 min,作為菌種使用[13]。

發酵:在無菌條件下,接種活化后的酵母菌于沙棘汁中,在恒溫培養箱中進行發酵,每隔12 h觀察發酵液殘糖量的變化,當殘糖量維持72 h不變時,終止發酵。

澄清:向發酵完成的沙棘酒中加入明膠和殼聚糖混合澄清劑,在23℃條件下澄清后過濾[15]。

1.3.2 沙棘酒發酵條件優化的單因素試驗

選取料液比(1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1(g∶mL))、初始糖度(22°Bx、24°Bx、26°Bx、28°Bx、30°Bx)、酵母添加量(0.01%、0.02%、0.03%、0.04%、0.05%)、發酵溫度(20℃、22℃、24℃、26℃、28℃)進行單因素發酵試驗,以酒精度和感官評分為評價標準,確定各因素對沙棘酒發酵品質的影響。

1.3.3 沙棘酒響應面優化試驗

在單因素試驗結果的基礎上,選取因素料液比(A)、發酵溫度(B)、初始糖度(C)和酵母添加量(D),并以酒精度(X)和感官評分(Y)為響應值,采用Design-Expert 8.0軟件中心組合試驗,進行響應面優化試驗[16]。響應面試驗因素與水平見表1。

表1 沙棘酒發酵條件優化響應面因素與水平Table 1 Factors and levels of response surface experiments for fermentation conditions optimization of sea-buckthorn wine

1.3.4 感官評定

選擇有果酒品評經驗的人員,組成一個10人的小組,每人分別對沙棘酒進行品評后打分,結果取平均值,主要從外觀色澤、形態、香氣、口味幾方面進行評定,評分標準按表2的評審標準進行[17]。

表2 沙棘酒感官評價標準Table 2 Sensory evaluation standards of sea-buckthorn wine

1.3.5 理化指標檢測方法

可溶性固形物的測定:采用糖度計法；總糖、總酸、酒精度的測定:參照GB/T 15038—2006《葡萄酒、果酒通用分析方法》[18]；二氧化硫含量的測定:參照GB 5009.34—2016《食品中二氧化硫的測定》[19]；菌落總數的測定:參照GB 4789.2—2016《食品微生物學檢驗菌落總數測定》[20]；大腸菌群的測定:參照GB 4789.3—2010《食品微生物學檢驗大腸菌群計數》[21]；致病菌的測定:參照GB 29921—2013《食品中致病菌限量》[22]。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 料液比對沙棘酒品質的影響

圖1 料液比對沙棘酒酒精度和感官評分的影響Fig.1 Effect of solid-liquid ratio on alcohol content and sensory score of sea-buckthorn wine

由圖1可知,隨著沙棘果漿比例的增加,沙棘酒酒精度呈下降趨勢,而感官評分呈先增大后減少的趨勢。當料液比為1∶1(g∶mL)時,沙棘酒酒精度最高,達到了12.9%vol,但果香味和酒香不夠,沙棘的味道不突出,感官評分最低,為65分；當料液比為3∶1(g∶mL)時,色澤金黃色,口感爽口,感官評分最高,為88分,且酒精度也相對較高,為12.6%vol。此后,隨著沙棘和水的比例升高,沙棘本身不愉快的酸味逐漸顯現,感官評分持續下降。因此,選擇料液比為3∶1(g∶mL)時為為宜。

2.1.2 酵母添加量對沙棘酒發酵的影響

圖2 酵母添加量對沙棘酒酒精度和感官評分的影響Fig.2 Effect of yeast addition on alcohol content and sensory score of sea-buckthorn wine

由圖2可知,隨酵母添加量的增加,沙棘酒酒精度先迅速增加后趨于平衡,而而感官評分呈先增大后減少的趨勢。當酵母添加量為0.01%時,沙棘酒發酵不完全,酒精度較低(10.2%vol),酒香味也不足,感官評分為65分；隨著加入的酵母量的增加,酒精度與感官評分也隨之增加,當酵母量在0.03%時,沙棘酒果香和酒香濃郁,無雜味,感官評分最高,為90分；此后,酵母添加量繼續增加,而由于酵母自身的消耗作用及發酵作用,糖的消耗量加快,酒精度變化不大。酵母含量過高導致酒中產生異味,感官評分反而不高。因此,選擇酵母添加量0.03%為宜。

2.1.3 初始糖度對沙棘酒發酵的影響

圖3 初始糖度對沙棘酒酒精度和感官評分的影響Fig.3 Effect of initial sugar content on alcohol content and sensory score of sea-buckthorn wine

由圖3可知,隨著初始糖度的增加,沙棘酒酒精度和感官評分均呈先增加后減少的趨勢。當初始糖度為22°Bx時,沙棘酒的酒精度為10.3%vol,由于初始糖度較低,使沙棘本身的不愉快的酸味突出,感官評分也較低；隨著初始糖度的增加,沙棘酒的酒精度與感官評分也隨之增加,當初始糖度為26°Bx時,酒精度達到最高,此時感官評分也達到最高；當初始糖度超過26°Bx時,過高的濃度使酵母菌的發酵速度下降,果酒發酵不完全,酒精度含量與感官評分也隨之下降。因此,選擇初始糖度為26°Bx。

2.1.4 發酵溫度對沙棘酒發酵的影響

圖4 發酵溫度對沙棘酒酒精度和感官評分的影響Fig.4 Effect of fermentation temperature on alcohol content and sensory score of sea-buckthorn wine

由圖4可知,當發酵溫度為20℃時,沙棘酒的酒精度為10.2%vol；隨著發酵溫度的升高,酒精含量隨之升高；當發酵溫度為30℃時,酒精度最高為11.5%vol,此時發酵溫度適合酵母菌的生長,繁殖速度快,消耗過多酒液中的營養成分,對沙棘酒香氣和風味產生不良影響,使感官評分下降；當發酵溫度為24℃時,沙棘酒發酵速率適中,酒精度相對較高,且感官評分達到最高,因此選擇發酵溫度24℃為宜。

2.2 響應面分析方案與結果

根據單因素試驗結果,對4個因素進行響應面優化,試驗設計及結果見表3。用Design-Expert 8.0.6的中心組合試驗,進行4因素3水平設計,總共有29組試驗,以酒精度(X)和感官評分(Y)為雙響應值,進行試驗,其中有24個為析因試驗,有5個為中心試驗。響應面試驗結果與分析見表3。

表3 沙棘酒發酵工藝條件優化響應面試驗設計與結果Table 3 Design and results of response surface experiments for fermentation process conditions optimization of sea-buckthorn wine

續表

2.2.1 回歸模型的建立及方差分析

利用響應面設計軟件,對表4試驗數據進行回歸分析,得到多元二次回歸方程:

酒精度的回歸方程:

X=11.54+0.42A+0.23B+0.52C+0.85D+0.075AC+0.18AD+

感官評分的回歸方程:

酒精度和感官評分的回歸分析結果見表4。顯著性檢驗結果(表4)表明,兩種模型回歸均顯著(P＜0.0001),失擬項分別為:酒精度為響應值時,P=0.9662＞0.05；感官評分為響應值時:P=0.3821＞0.05,失擬項都不顯著。并且模型決定系數R2X=0.886 3,R2Y=0.971 5,表明兩種模型均與實際試驗擬合較好,各因素與酒精度和感官評分之間存在良好的線性關系,此模型可用作預測和分析沙棘酒發酵工藝參數。

酒精度的回歸方程中除交互項AB、AC、AD、BC無顯著影響外,其余各項均有顯著性影響(P＜0.05),其中因素A、C、D、A2、C2、D2對酒精度的影響達到極顯著(P＜0.01),對回歸方程優化后為:X=11.54+0.42A+0.23B+0.52C+0.85D+0.35BD+0.37CD-0.68A2-0.28B2-0.71C2-0.53D2；感官評分的回歸方程中除交互項AD、CD無顯著影響外,其余各項均有顯著性影響(P＜0.05),其中因素A、B、C、D、AB、BD、A2、B2、C2、D2對感官評分的影響達到極顯著(P＜0.01),對回歸方程優化后為:Y=94.00+5.25A+3.67B+2.42C+1.67D+1.75AB-1.25AC+1.50BC+2.75BD-7.71A2-3.83B2-6.46C2-5.33D2。

此外,通過F值大小,在選定實驗范圍內,推斷各因素對實驗結果的重要性,F值越大,其對應的重要性也越大。由表4可知,各因素的影響因子為(酒精度):D＞C＞A＞B；各因素的影響因子為(感官評分):A＞B＞C＞D。

表4 回歸模型方差分析Table 4 Variance analysis of regression model

2.2.2 響應面分析及優化

采用Design-Expert 8.0.6軟件分析回歸模型,料液比、發酵溫度、初始糖度、酵母添加量4個因素交互作用對酒精度和感官評價影響的響應面和等高線,結果見圖5。

圖5 料液比、發酵溫度、初始糖度、酵母添加量交互作用對沙棘酒酒精度和感官評分影響的響應面和等高線Fig.5 Response surface plots and contour line of effects of interactions between solid-liquid ratio,fermentation temperature,initial sugar content and yeast addition on alcohol content and sensory score of sea-buckthorn wine

由圖5可知,酵母添加量為定值時,發酵溫度升高對酒精度沒有明顯變化,當加入的酵母量為0.02%時,酒精度開始快速增加；發酵溫度為定值時,酒精度隨著酵母添加量的增加而升高；酵母添加量為定值時,隨著初始糖度的升高,酒精度先升高后降低；當初始糖度保持不變時,酒精度隨著酵母添加量的增加而升高。

發酵溫度為定值時,隨著料液比的比例增大,感官評分的變化是先升高后降低,當采用22℃以上發酵時,感官評分變化趨于平緩；當料液比保持不變時,感官評分隨著發酵溫度的增加變化平緩。初始糖度為定值時,隨著料液比的升高,感官評分升高；當料液比保持不變時,感官評分隨著初始糖度的增加先升高后降低。發酵溫度為定值時,提高初始糖度,感官評分變化是先升高后降低；當初始糖度保持不變時,感官評分隨著發酵溫度的提高而升高,當初始糖度達到26°Bx,感官評分變化趨于平緩。酵母添加量為定值時,提高發酵溫度,感官評分升高；當發酵溫度為定值時,感官評分隨著酵母添加量的增加先升高后降低。

2.2.3 響應面驗證試驗

由DesignExpert8.0.6軟件進行優化,以酒精度和感官評分為雙響應值,確定最佳發酵參數為料液比為3.43∶1(g∶mL)、發酵溫度26℃、初始糖度26.99°Bx、酵母添加量0.04%,在此發酵條件下,沙棘酒酒精度為12.57%vol,感官評分為95.95分。考慮到實際生產,將最佳工藝參數調整為料液比為3.4∶1(g∶mL)、發酵溫度26 ℃、初始糖度27 °Bx、酵母添加量為0.04%。按照優化的發酵條件進行沙棘酒釀造,測定酒精度,并進行感官評分。實際測得的酒精度為12.0%vol,感官評分為93分,與理論值差異均不顯著(P＞0.05)。

2.3 產品質量指標

在最佳發酵條件下,所得沙棘酒的各項指標檢測結果為:沙棘酒的總酸含量為7.5 g/L,總糖含量為64 g/L,酒精度為12.0%vol,總二氧化硫含量為52 mg/L。其微生物指標中,細菌總數≤100 CFU/mL；大腸桿菌≤3 MPN/100 mL；致病菌未檢出。沙棘酒各項指標符合國家標準參照GB/T 15038—2006《葡萄酒、果酒通用分析方法》。

3 結論

以沙棘汁為原料,通過單因素試驗和響應面分析,考慮料液比、發酵溫度、初始糖度、酵母添加量對沙棘酒發酵的影響。結果顯示,沙棘酒發酵優化參數為料液比3.4∶1(g∶mL)、發酵溫度26 ℃、初始糖度27 °Bx、酵母添加量0.04%,在此工藝條件下,發酵所得沙棘酒酒的精度為12.0%vol,感官評分為93分。酒體呈現出金黃色的外觀特征,沙棘果香突出,酒香濃郁,口感甘洌,是一種具有廣闊市場前景的果酒,對于拓寬沙棘深加工渠道有著深淵的意義。

[1]于 暢,王競紅,薛 菲,等.沙棘對堿性鹽脅迫的形態和生理響應[J].中南林業科技大學學報,2014,34(9):70-75.

[2]劉 勇,廉永善,王穎莉,等.沙棘的研究開發評述及其重要意義[J].中國中藥雜志,2014,39(9):1547-1552.

[3]程康華,高擁軍.沙棘油的綜合開發利用[J].生物質化學工程,2004,38(6):42-46.

[4]臧茜茜,鄧乾春,從仁懷,等.沙棘油功效成分及藥理功能研究進展[J].中國油脂,2015,40(5):76-81.

[5]賈 玉,劉 偉,王海平.國內外沙棘開發研究進展[J].圖書情報導刊,2005,15(14):127-128.

[6]宋 翔,李 悅,魏文靜.沙棘復合果蔬汁飲料配方研究[J].食品研究與開發,2015,36(8):43-45.

[7]牛廣財,朱 丹,魏文毅.沙棘果醋飲料的研制[J].食品工業科技,2012,33(23):226-228.

[8]胡 蘭.新疆產中國沙棘(Hippophae rhamnoidesL.subsp.sinensisRousi)化學成分基礎研究[D].烏魯木齊:新疆醫科大學,2007.

[9]陳奇凌,王東健,花東來,等.對新疆生產建設兵團發展沙棘產業的思考[J].水資源開發與管理,2013,11(1):13-15.

[10]陳奇凌,王東健,花東來.新疆沙棘產業發展優勢與建議[J].沙棘:教育縱橫,2010(4):223.

[11]李 華.現代葡萄酒工藝學[M].西安:陜西人民出版社,2000:17-18.

[12]CARRETé R,VIDAL M T,BORDONS A,et al.Inhibitory effect of sulfur dioxide and other stress compounds in wine on the ATPase activity ofOenococcus oeni[J].Fems Microbiol Lett,2002,211(2):155-159.

[13]陳 敏,梁新樂,勵建榮.葡萄酒活性干酵母復水活化條件的研究[J].江蘇食品與發酵,2001(2):6-9.

[14]張 峰,李志斌,劉景蘭,等.殺菌技術在飲料生產管理中的應用[J].現代營銷:學苑版,2013(2):125-125.

[15]辛秀蘭,蓋禹含,劉俊英,等.不同澄清劑對藍莓發酵酒澄清效果的影響[J].中國釀造,2010,29(2):119-122.

[16]柳曉晨.藍莓類冰酒加工關鍵技術及其應用[D].哈爾濱:東北農業大學,2015.

[17]薛桂新,尚曉敏.2種酵母對藍靛果果酒理化特性的影響[J].中國釀造,2011,30(12):134-137.

[18]中華人民共和國國家衛生和計劃生育委員會.GB/T 15038—2006葡萄酒、果酒通用分析方法[S].北京:中國標準出版社,2016.

[19]中華人民共和國國家衛生和計劃生育委員會.GB 5009.34—2016食品中二氧化硫的測定[S].北京:中國標準出版社,2016.

[20]中華人民共和國國家衛生和計劃生育委員會.GB 4789.2—2016食品微生物學檢驗菌落總數測定[S].北京:中國標準出版社,2016.

[21]中華人民共和國國家衛生和計劃生育委員會.GB 4789.3—2010食品微生物學檢驗大腸菌群計數[S].北京:中國標準出版社,2010.

[22]中華人民共和國國家衛生和計劃生育委員會.GB 29921—2013食品中致病菌限量[S].北京:中國標準出版社,2013.