薏米啤酒的加工工藝研究與優(yōu)化

虞思倩，吳迪，楊盼盼，董蓓佳，林柯*

吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院（長春 130118）

薏米是禾本科植物薏苡的種仁，又稱薏苡仁、六谷子。其營養(yǎng)價值很高，含有近18%的蛋白質(zhì)，49.5%的淀粉和7.2%的粗脂肪[1]。現(xiàn)代藥理學(xué)表明，薏米具有抑制癌細(xì)胞分裂增殖[2]、治療腫瘤、類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎[3]等疾病的功效，因此具有較好的發(fā)展前景。

“藥食同源”的養(yǎng)生觀念深入人心[4]，薏米不僅在日常生活中作為食物被食用，而且還能作為藥膳。現(xiàn)已有薏米固體飲料[5]、薏米山藥乳酸飲料[6]、薏仁米酒[7]和薏米粥等薏米產(chǎn)品被廣泛開發(fā)。

市面上的啤酒大多以麥芽為主要原料，其保健效果差，而且口味單一，難以滿足消費(fèi)者的需求。如果能夠?qū)⑥裁椎臓I養(yǎng)成分有效地與啤酒融合，作為一種功能性的啤酒，不僅能滿足消費(fèi)者的需求，而且還能增加啤酒品種。試驗(yàn)將以薏米和大麥芽為原料制作啤酒，將薏米中的淀粉水解為糖與大麥芽共同糖化，使其中的營養(yǎng)成分浸入啤酒。試驗(yàn)不僅優(yōu)化了薏米啤酒的加工工藝，還為開發(fā)新型保健酒提供了研究方法。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

1.1.1 試驗(yàn)材料

大仁薏米；大麥芽；啤酒酵母，弗曼迪斯拉格干酵母SafLager-S-189；酒花顆粒，佩勒Perle（珍珠）酒花SM-20；卡拉膠。

1.1.2 試驗(yàn)設(shè)備

數(shù)顯恒溫水浴鍋（HH-4，金壇市科析儀器有限公司），生化培養(yǎng)箱（SPX-250B-Z，上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠），高速萬能粉碎機(jī)（FW80，天津市泰斯特儀器有限公司），電子分析天平（FA2004，上海上平儀器公司），萬用電爐（DL-1（1KW），北京中興偉業(yè)儀器有限公司）。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 工藝流程（參見圖1）

圖1 薏米啤酒的生產(chǎn)工藝流程

1.2.2 操作要點(diǎn)

1.2.2.1 原料的選擇與混合

選擇有光澤、呈淡黃色的大麥芽為主料，顆粒飽滿、無霉變的新鮮薏米為輔料。量取已加熱至35～40℃的水1 L，以1∶4（g/mL）的料水比（即需原料共250 g），再按0.25∶1（g/g）的比例稱取薏米和麥芽，即薏米50 g，麥芽200 g，混合。

1.2.2.2 溫度控制

混合后，將原料液放入水浴鍋。使其升溫至50℃維持60 min，再在10 min之內(nèi)升溫至63℃維持40 min，再在15 min之內(nèi)升溫至72℃維持40 min，最后升溫至78℃維持15 min，完成糖化操作[8]。多段升溫目的在于使酶在不同溫度下發(fā)揮相應(yīng)的作用[9]。

1.2.2.3 碘檢

為檢驗(yàn)糖化是否完全，采取碘檢的方式來驗(yàn)證[10]。分別稱取分析純碘單質(zhì)1.27 g和分析純碘化鉀2.50 g用蒸餾水配置成0.02 mol/L的碘液，取少許糖化醪，滴2滴碘液，發(fā)現(xiàn)溶液未變色，則判斷糖化完全。

1.2.2.4 過濾

糖化結(jié)束，冷卻至室溫后，使用120目的紗布除去麥糟，使麥芽汁無大塊顆粒。酒花添加結(jié)束后使用回旋沉淀槽除去熱凝固蛋白和酒花殘留物。發(fā)酵結(jié)束后用離心（4 000 r/min，20 min）的方法除酵母，使啤酒基本達(dá)到澄清的狀態(tài)。

1.2.2.5 酒花添加

以麥芽汁質(zhì)量的0.05%分3次添加酒花。第1次添加酒花的時間是煮沸后5 min，添加酒花質(zhì)量的10%；第2次添加酒花的時間是煮沸后40 min，添加酒花質(zhì)量的30%；第3次添加酒花的時間是煮沸結(jié)束前5 min，添加酒花質(zhì)量的60%。

1.2.2.6 酵母復(fù)水活化

將煮沸后的麥汁加入等量的無菌冷開水迅速冷卻至30～32℃得到活化麥汁，然后加入活化麥汁重量的10%的干酵母活化30 min。在活化的過程中會明顯的看到液體變渾濁，同時酵母由干癟變得飽滿[11]。

1.2.2.7 殺菌

將發(fā)酵容器通過煮沸方式殺死大部分雜菌。在啤酒的生產(chǎn)過程中，雜菌可存在于各種盛裝容器，它們的污染繁殖可產(chǎn)生與酵母代謝產(chǎn)物不同的物質(zhì)而改變啤酒的風(fēng)味。為保證優(yōu)質(zhì)啤酒的生產(chǎn)和控制啤酒的生物穩(wěn)定性，殺菌的過程不可忽視[12-13]。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計

以感官評價為綜合評價指標(biāo)，分別研究料水比（1∶3.5，1∶4，1∶4.5，1∶5和1∶5.5（g/mL））、薏麥比（0.1∶1，0.15∶1，0.2∶1，0.25∶1和0.3∶1（g/g））、發(fā)酵溫度（6，8，10，12和14℃）對薏米啤酒最后風(fēng)味的影響。

1.4 感官評定標(biāo)準(zhǔn)及理化評價方法

1.4.1 感官評定標(biāo)準(zhǔn)

表1 薏米啤酒感官評定標(biāo)準(zhǔn)

1.4.2 還原糖的測定

還原糖的測定采用斐林試劑法[14]。

1.4.3 酒精度的檢測

酒精度的檢測采用密度瓶法[15]。

1.4.4 透明度的檢測

采用分光光度計法測定，用10 mm比色杯在660 nm下測定透明度。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)用SPSS 20.0和Design-Expert 8.0.6軟件處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1.1 料水比對麥汁相對含糖量的影響

料水比的高低將影響糖化的質(zhì)量。料水比過高，容器內(nèi)過多的物料會影響試驗(yàn)操作，同時含糖量過高的麥汁會對發(fā)酵產(chǎn)生阻礙作用[16]。料水比過低，經(jīng)糖化產(chǎn)生的可發(fā)酵糖含量將會降低，不利于酵母發(fā)酵作用[17]。為選取最佳料水比作為試驗(yàn)水平，在薏米和大麥芽的質(zhì)量比為0.2∶1（g/g）的條件下，對一定范圍內(nèi)料水比與相對含糖量之間的關(guān)系做驗(yàn)證。

在薏麥比相同的條件下，如圖2所示，選取料水比為1∶4，1∶4.5和1∶5（g/mL）為響應(yīng)面分析試驗(yàn)水平。

2.1.2 薏麥比對麥汁含糖量的影響

薏米啤酒最顯著的特點(diǎn)是啤酒中含有薏米的特殊味道。在預(yù)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，薏麥比在0.1∶1（g/g）以上所糖化出的麥芽汁有明顯的薏米味。當(dāng)比例達(dá)到0.3∶1（g/g）以上就會出現(xiàn)碘檢不正常現(xiàn)象，初步判定麥芽汁含糖量與主輔料之比有直接關(guān)系。為了驗(yàn)證這一猜想，在料水比為1∶4（g/mL）的條件下，分別以如上薏麥比進(jìn)行糖化，通過測定含糖量，選擇合適的薏麥比。

圖3示表明，當(dāng)薏麥比在0.1∶1～0.25∶1（g/g）時，麥汁含糖量隨薏麥比的增加而減少。麥芽汁糖化酶大都來自麥芽，因此隨著麥芽含量的降低，糖化所需要的酶就會減少，相應(yīng)產(chǎn)物的含量也會減少。但在薏麥比達(dá)到0.25∶1（g/g）之后，含糖量有上升的趨勢，與之前二者呈相關(guān)性的假設(shè)不符。但為了降低輔料成本以及使輔料的利用得到最大化，經(jīng)綜合考慮還是選取了0.2∶1，0.25∶1和0.3∶1（g/g）做響應(yīng)面分析試驗(yàn)水平。

圖2 不同料水比對相對含糖量的影響

圖3 不同薏麥比對含糖量的影響

2.1.3 發(fā)酵溫度對酒精度的影響

料水比為1∶4（g/mL），薏麥比為0.3∶1（g/g），發(fā)酵時間為7 d，分別以6，8，10，12和14℃溫度進(jìn)行發(fā)酵，通過檢測酒精產(chǎn)量來確定最佳發(fā)酵溫度。

圖4顯然，當(dāng)發(fā)酵溫度為6～10℃時，酒精度隨發(fā)酵溫度的升高而升高；當(dāng)溫度為10℃時，酒精度達(dá)到峰值。繼續(xù)升高發(fā)酵溫度，酒精的產(chǎn)量在下降。這是因?yàn)樵诎l(fā)酵的過程中，溫度影響酵母的活性。在一定范圍內(nèi)升高發(fā)酵溫度可提高酒精產(chǎn)量，但溫度增加過多會抑制酵母發(fā)揮作用[18]。因此，選擇發(fā)酵溫度8，10和12℃為響應(yīng)面分析試驗(yàn)水平。

2.1.4 響應(yīng)面優(yōu)化工藝參數(shù)設(shè)計

由單因素試驗(yàn)確定了影響薏米啤酒口感的最佳水平范圍，采用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計，運(yùn)用Design- Expert 8.0.6軟件，建立三因素三水平的模型，通過分析其數(shù)學(xué)回歸模型，得到制作薏米啤酒的最佳配方，其因素與水平設(shè)計見表2，其中以-1、0、1分別為自變量的低、中、高水平。

圖4 不同發(fā)酵溫度對酒精度的影響

表2 試驗(yàn)因素及水平

2.2 響應(yīng)面法薏米啤酒工藝結(jié)果

采用Box-Behnken設(shè)計以上三因素三水平的響應(yīng)面試驗(yàn)，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行建模分析，以確定制作薏米啤酒的最佳工藝參數(shù)。通過此軟件，共設(shè)計了17組試驗(yàn)，所得結(jié)果如表3所示。

表3 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計與結(jié)果

2.3 回歸模型的建立和方差分析

根據(jù)表3所示17組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到三個因素料水比（A）、薏麥比（B）、發(fā)酵溫度（C）關(guān)于感官評價得分（Y）的二次多項(xiàng)回歸方程，如下：

對此回歸方程進(jìn)行更深層的分析，得到方差分析結(jié)果，見表4。

由表4中的顯著性結(jié)果可知，首先這個模型是極顯著的p=0.000 2（p＜0.01），并且它的失擬項(xiàng)p= 0.967 1（p＞0.05）不顯著，則這個模型可以切實(shí)可行的用這個方程來分析，其幾乎不受未知的因素干擾，該建模成功。其次，此模型的模擬相關(guān)系數(shù)為R2=0.965 9，遠(yuǎn)大于0.9并且接近于1，說明該模型具有良好的預(yù)測性，其實(shí)際值和預(yù)測值擬合性較高，相關(guān)的方程式有較高的參考價值。再者，變異系數(shù)（CV= 0.91%）較小小于1%，表示數(shù)據(jù)的離散程度較小，此工藝比較穩(wěn)定，重現(xiàn)性佳。最后，信噪比為13.079較高，因?yàn)橐话銇碚f，信噪比大于4的模型就是較好的模型了，進(jìn)一步說明這個模型具有很高的可信度。

F值越大，說明各因素對薏米啤酒最后的感官評分影響也越大，即各因素的F值反映了其對試驗(yàn)指標(biāo)的重要性。由表4可知，一次項(xiàng)B、C的p＜0.01，達(dá)到極顯著的影響水平，然而A的p＞0.05，其對最后感官評價的影響為不顯著，說明料水比（A）對感官評價評分無顯著影響，而薏麥比（B）和發(fā)酵溫度（C）對感官評價評分有顯著的影響。交互項(xiàng)AB的p＜0.01，AC、BC＞0.05，二次項(xiàng)A2、B2、C2的p＜0.05，所以在此水平范圍內(nèi)，對結(jié)果影響的排序?yàn)椋恨阐湵龋˙）＞發(fā)酵溫度（C）＞料水比（A）。

表4 回歸模型方差分析表

2.4 交互項(xiàng)圖形分析及工藝優(yōu)化

等高線圖和響應(yīng)面圖能對響應(yīng)值有一個直觀而形象的反映。通過等高線的密集程度和形狀能判斷出兩因素交互效應(yīng)的強(qiáng)弱，圖中若為橢圓形則兩因素交互顯著，若接近圓形說明兩因素交互作用不顯著；同時，響應(yīng)面的坡度陡峭程度，也能反映各因素對響應(yīng)值的貢獻(xiàn)大小。（圖中所示料水比0.25即1∶4，0.23即1∶4.5，0.2即1∶5，以此類推。）

圖5展示了不同因素交互作用對最后感官評價得分的等高線和響應(yīng)面。從圖5a可知，固定發(fā)酵溫度（C），而料水比（A）、薏麥比（B）交互作用顯著，因?yàn)槠淦露榷盖停詈蟮母泄俚梅蛛S著料水比與薏麥比的增加而緩慢增加而后下降的變化趨勢；從圖5b可知，固定薏麥比（B），而料水比（A）、發(fā)酵溫度（C）交互作用不顯著，感官得分呈現(xiàn)略微上升后趨于平穩(wěn)的趨勢；同理，圖5c可知，固定料水比（A），而薏麥比（B）、發(fā)酵溫度（C）對最后的感官得分沒有較大的影響。

圖5 任意兩變量對感官評價得分影響的響應(yīng)面與等高線圖

2.5 薏米啤酒最佳工藝參數(shù)確定

利用Design-Expert 8.0.6軟件對此模型的回歸方程求解，預(yù)測生產(chǎn)薏米啤酒的最佳工藝，當(dāng)料水比（A）為0.21，即1∶4.76（g/mL），薏麥比（B）為0.2∶1（g/g），發(fā)酵溫度（C）為10.64℃時，最后的感官評價得分能達(dá)到91.8分。為證實(shí)預(yù)測的準(zhǔn)確性，控制以上條件，并進(jìn)行了3組平行試驗(yàn)，經(jīng)過嚴(yán)格的評判后取得感官評分的實(shí)際平均值，為92.6分，與預(yù)測值相比，誤差僅為0.87%，接近預(yù)測值，說明通過這個模型得到的最佳工藝參數(shù)具有參考價值并且可靠性高。

2.6 澄清及其結(jié)果

在給薏米啤酒感官評分中，很重要的一項(xiàng)就是評價其透明度，也就是啤酒的渾濁度。啤酒渾濁不僅會導(dǎo)致其外觀變得暗沉，不清亮，還會造成其穩(wěn)定性下降，過濾困難等一系列問題，從而增加了生產(chǎn)成本[19]。因此選擇一種合適的麥汁澄清劑變得尤為重要。

在國際上，卡拉膠常用于啤酒的澄清，然而在國內(nèi)并未完全的普及。并且卡拉膠具有凝沉作用完全、加快蛋白質(zhì)沉淀、不影響啤酒的泡沫性能等特點(diǎn)[20]，而且與硅膠、單寧等澄清劑相比其的成本非常低，因此在本次試驗(yàn)中選用卡拉膠作為麥汁澄清劑。

首先將卡拉膠與水以1∶10的比例混合，然后在麥汁煮沸前15 min內(nèi)，將卡拉膠加入其中，其用量為每1 L的麥汁添加10～50 mg的卡拉膠。

具體的卡拉膠用量在10～50 mg/L之間，但是最佳的加入量是多少不能確定。利用“黃金分割優(yōu)選法”不斷舍劣取優(yōu)，逐步縮小試驗(yàn)范圍，直至取得滿意的結(jié)果，可以用較少的試驗(yàn)次數(shù)迅速找到最佳點(diǎn)。

因?yàn)榭ɡz添加量的含優(yōu)區(qū)間是[10, 50]，在[10, 50]的0.618處取值，即第一試驗(yàn)點(diǎn)為：

P1=（50-10）×0.618+10=34.72 mg/L第二試驗(yàn)點(diǎn)為：

P2=50+10-34.72=25.28 mg/L

測得感官評價得分（透明度）P1低于P2，則舍去不包括P1點(diǎn)以外的部分，在留下部分找出P2的對稱點(diǎn)P3，即第三試驗(yàn)點(diǎn)為：

測得感官評價得分（透明度）P3低于P2，則舍去不包括P3點(diǎn)以外的部分，在留下部分找出P2的對稱點(diǎn)P4，即第四試驗(yàn)點(diǎn)為：

測得感官評價得分（透明度）P2低于P4，則舍去不包括P2點(diǎn)以外的部分，在留下部分找出P4的對稱點(diǎn)P5即第五試驗(yàn)點(diǎn)為：

測得感官評價得分（透明度）P4低于P5，則舍去不包括P4點(diǎn)以外的部分，在留下部分找出P5的對稱點(diǎn)P6即第六試驗(yàn)點(diǎn)為：

測得感官評價得分（透明度）P6低于P5，則舍去不包括P6點(diǎn)以外的部分，在留下部分找出P5的對稱點(diǎn)P即第七試驗(yàn)點(diǎn)為：

測得感官評價得分（透明度）P7高于P6，但仍低于P5，則可以確定P5時卡拉膠的最佳添加量，為31.12 mg/L。

圖6 卡拉膠添加量對薏米啤酒透明度的影響

3 結(jié)論

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上用響應(yīng)面法對薏米啤酒的工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，影響薏米啤酒感官評分的工藝因素按主次順序排列為薏麥比＞發(fā)酵溫度＞料水比。最終確定了其最優(yōu)工藝條件為：料水比1∶4.76（g/mL）、薏麥比0.2∶1（g/g）及發(fā)酵溫度10.64℃。此條件下薏米啤酒感官評分為91.8分。利用黃金分割法，確定在每升麥汁中加入31.12 mg的卡拉膠能夠達(dá)到最佳的澄清效果。