響應(yīng)面法優(yōu)化復(fù)合澄清劑對馬鈴薯酒的澄清效果

王健 ，張佳笑，劉媛 *，宋鵬飛，袁興茂，高清海

1. 河北北方學(xué)院，河北省農(nóng)產(chǎn)品食品質(zhì)量安全分析檢測重點實驗室（張家口 075000）；2. 河北省馬鈴薯加工工程技術(shù)研究中心（張家口 075000）；3. 河北省農(nóng)業(yè)機械化研究所（石家莊 050051）

馬鈴薯（學(xué)名Solanum tuberosum L.）又名地蛋、土豆等，屬茄科類植物，塊莖可食用，是糧、菜、飼料、工業(yè)原料的重要經(jīng)濟農(nóng)作物，也是全球第四大重要的糧食作物，僅次于小麥、稻谷和玉米[1-2]。馬鈴薯的營養(yǎng)豐富，它含有多種維生素、礦物質(zhì)、蛋白質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)。但是這些馬鈴薯酒體中的營養(yǎng)物質(zhì)和金屬離子，它們會相互作用，使酒體渾濁、顏色改變，嚴重影響馬鈴薯酒的感官品質(zhì)。因此，為提升馬鈴薯酒的感官品質(zhì)，試驗對釀制的馬鈴薯酒進行澄清處理。在單因素基礎(chǔ)上進行響應(yīng)面優(yōu)化試驗，得出馬鈴薯酒的最佳澄清工藝。

明膠是由動物皮膚等組織中的膠原部分降解而成的呈淡黃色、半透明狀的蛋白類物質(zhì)。作為酒的澄清劑，它能與酒中的單寧物質(zhì)結(jié)合成糊狀的蛋白質(zhì)-單寧化合物，來吸附酒中的混濁物質(zhì)使其沉淀，從而使酒澄清[3-4]。

蛋清粉可以改變酒體的結(jié)構(gòu)感，它可以與酒中的單寧物質(zhì)結(jié)合后吸附渾濁物質(zhì)，還可以穩(wěn)定馬鈴薯酒中的多酚物質(zhì)，使酒體更加圓潤飽滿，口感協(xié)調(diào)。

皂土又稱膨潤土，主要成分為二氧化硅，還含有氧化鋁、氧化鈣、氧化鎂、氧化鐵等物質(zhì)，其中鎂離子、鈣離子可結(jié)合色素、蛋白質(zhì)等多種懸浮物起到澄清作用[6]。

殼聚糖是一種直鏈多聚糖，它是天然的陽離子的絮凝劑，會與帶負電的單寧、可溶性蛋白、渾濁微粒結(jié)合成絮狀物而沉淀[8]。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

馬鈴薯酒（河北北方學(xué)院食品科學(xué)系自釀）；明膠（食品級，河南千味生物科技有限公司）；皂土（河南安然食品生物科技有限公司）；蛋清粉（煙臺帝伯仕自釀機有限公司）；殼聚糖（食品級，河信和生物科技有限公司）。

1.2 儀器與設(shè)備

FA1604電子天平（天津天馬衡基儀器有限公司）；DJ-98-11電熱恒溫水浴鍋（天津市泰斯特儀器有限公司）；UV765紫外可見分光光度計（上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司）。

1.3 測定方法

取馬鈴薯發(fā)酵后的酒，用四層紗布過濾，得出馬鈴薯酒，使其與蒸餾水作空白對照，測定在波長660 nm時的透光率。

1.4 試驗方法

1.4.1 澄清劑的配制

明膠溶液：準確稱取1 g明膠，加入49 mL蒸餾水放入溫度70 ℃水浴鍋中緩慢攪拌使其溶解，配成2%明膠，冷卻備用。

皂土溶液：準確稱取1 g皂土，加入49 mL蒸餾水充分攪拌至溶解成2%皂土懸浮液。

蛋清粉溶液：準確稱取1 g蛋清粉，加入49 mL蒸餾水充分攪拌至溶解成2%蛋清粉溶液。

殼聚糖溶液：準確稱取1 g殼聚糖，加入49 mL蒸餾水充分攪拌至溶解成2%殼聚糖溶液。

1.4.2 復(fù)合澄清劑對馬鈴薯發(fā)酵酒的澄清效果的影響

1.4.2.1 單一澄清劑對馬鈴薯酒澄清的影響

取馬鈴薯酒樣品20 mL于50 mL離心管中，分別加入0.12，0.16，0.20，0.24，0.28和0.32 g/100 mL梯度的明膠、蛋清粉、皂土、殼聚糖4種澄清劑，混合均勻后放入室內(nèi)靜置72 h，取其上清液在660 nm處測定透光率，篩選出透光率值較高的2種澄清劑進行后續(xù)試驗。

1.4.2.2 復(fù)合澄清劑的配比單因素試驗設(shè)計

在1.4.2.1中選擇透光率較高的兩種澄清劑進行復(fù)合配比。取馬鈴薯酒樣品20 mL于50 mL的離心管中，在復(fù)合澄清劑總量為0.048 g的前提下，按照質(zhì)量比1∶1，1.5∶1，2.0∶1，2.5∶1和3.0∶1向馬鈴薯酒中加入復(fù)合澄清劑并攪拌均勻，在水浴溫度45 ℃條件下水浴50 min后放入室內(nèi)靜置72 h。取上清液在波長660 nm處測定酒的透光率，確定符合澄清劑的配比。

1.4.2.3 復(fù)合澄清劑水浴溫度單因素試驗設(shè)計

取馬鈴薯酒樣品20 mL于50 mL離心管中，向酒體中加入0.048 g配比2∶1的復(fù)合澄清劑，并在40，45，50，55，60，65，70，75，80，85，90，95和100 ℃水浴中保溫50 min，之后，室溫靜置72 h，取上清液在660 nm處測定其透光率，確定最佳水浴溫度。

1.4.2.4 復(fù)合澄清劑水浴時間單因素試驗設(shè)計取馬鈴薯酒樣品20 mL于50 mL離心管中，按照復(fù)合澄清劑比例2∶1，總質(zhì)量0.048 g進行混合，將酒樣在最適溫度下分別處理30，40，50，60和70 min，室溫靜置72 h，取上清液在660 nm處測定其透光率，確定最佳的水浴時間。

1.4.2.5 復(fù)合澄清劑澄清馬鈴薯酒的響應(yīng)面優(yōu)化試驗在單因素試驗基礎(chǔ)上，以水浴時間（A）、水浴溫度（B）、復(fù)合澄清劑配比（C）為因素，以透光率（Y）為響應(yīng)值，利用Design Expert 8.06軟件，進行響應(yīng)面的試驗設(shè)計。響應(yīng)面試驗設(shè)計因素與水平見表1。

表1 復(fù)合澄清劑澄清馬鈴薯酒的響應(yīng)面優(yōu)化試驗因素與水平

2 結(jié)果與分析

2.1 單一澄清劑對馬鈴薯酒澄清的影響

2.1.1 明膠添加量對馬鈴薯酒澄清的影響

由圖1可知，在明膠的添加量為0～0.16 g/100 mL時，隨著明膠添加量增加，馬鈴薯酒透光率逐漸增大；明膠添加量為0.16 g/100 mL時，馬鈴薯酒透光率值最大為89.3%，此時的澄清效果最好；明膠添加量大于0.16 g/100 mL時，隨著明膠添加量逐漸增加，透光率逐漸下降，但整體逐步趨于穩(wěn)定，可能是由于明膠與馬鈴薯酒中的單寧之間相互作用才使其達到澄清效果，但澄清劑添加量過大會造成沉淀過多，使馬鈴薯酒的澄清效果不明顯[5]。

圖1 明膠添加量對馬鈴薯酒澄清的影響

2.1.2 蛋清粉添加量對馬鈴薯酒澄清的影響

由圖2可知，蛋清粉添加量為0.12 g/100 mL時，馬鈴薯酒透光率最大可達61.6%，此時的馬鈴薯酒的澄清效果最好，但隨著蛋清粉含量逐漸增大，馬鈴薯酒的透光率逐漸減小且趨于穩(wěn)定。故蛋清粉添加量為0.12 g/100 mL時的馬鈴薯酒澄清效果最好。

圖2 蛋清粉添加量對馬鈴薯酒澄清的影響

2.1.3 皂土添加量對馬鈴薯酒澄清的影響

由圖3可知，皂土添加量為0～0.16 g/100 mL時，隨著皂土添加量增加，馬鈴薯酒的透光率逐漸升高，皂土添加量為0.16 g/100 mL時，馬鈴薯酒的透光率最高為84.5%；但隨著皂土添加量大于0.16 g/100 mL時，透光率隨著添加量增大而下降。這可能是由于當(dāng)皂土添加量少于0.16 g/100 mL時，皂土的吸附效果不明顯，酒體內(nèi)的混濁物沒有被完全吸附；而高于0.16 g/100 mL時，可能是因為過量的皂土不再起澄清效果，相反，本身會引起酒體沉濁[7]。所以皂土添加量為0.16 g/100 mL時的澄清效果最好。

圖3 皂土添加量對馬鈴薯酒澄清的影響

2.1.4 殼聚糖添加量對藍莓果酒澄清的影響

由圖4可知，殼聚糖澄清效果基本保持穩(wěn)定，其透光率在43.3%～50.3%的范圍內(nèi)，澄清效果不明顯，但其范圍內(nèi)透光率有略微變化。殼聚糖添加量在0～0.24 g/100 mL 范圍內(nèi)，隨著添加量增加透光率顯著升高，殼聚糖添加量達到0.24 g/100 mL時，透光率達到最大值50.3%。可能是由于在殼聚糖的添加量低于0.24 g/100 mL時，沒有達到最佳的絮凝效果，故澄清率相對較低。高于0.24 g/100 mL時，由于殼聚糖也是增稠劑，自身也會給酒體帶來渾濁，使澄清度降低。

圖4 殼聚糖添加量對馬鈴薯酒澄清的影響

2.1.5 4種澄清劑澄清馬鈴薯酒效果比較

不添加澄清劑時，馬鈴薯酒的透光率為43.3%。分別加入相同梯度的不同澄清劑時，可從透光率的不同篩選出澄清效果較好的2種澄清劑作復(fù)合澄清劑進行后續(xù)試驗。澄清劑添加量為0.12，0.16，0.20，0.24，0.28和0.32 g/100 mL時，明膠的最高透光率為89.3%，蛋清粉的最高透光率為61.6%、殼聚糖的最高透光率為50.3%、皂土的最高透光率為84.5%。所以，采用明膠與皂土作為復(fù)合澄清劑進行后續(xù)試驗。

2.2 復(fù)合澄清劑澄清單因素試驗結(jié)果

2.2.1 復(fù)合澄清劑配比對馬鈴薯酒的澄清效果

取馬鈴薯酒的樣品20 mL于50 mL離心管中，在明膠與皂土復(fù)合澄清劑總量0.048 g前提下，按比例為1.0∶1，1.5∶1，2.0∶1，2.5∶1和3.0∶1加入復(fù)合澄清劑并混合均勻，在45 ℃保溫50 min后，于室溫靜置72 h。用移液槍吸取上清液在660 nm處測定其透光率，澄清效果見圖5。復(fù)合澄清劑配比1.5∶1時，透光率最高，可達73.2%。

圖5 復(fù)合澄清劑配比對馬鈴薯酒澄清效果的影響

2.2.2 復(fù)合澄清劑水浴溫度對馬鈴薯酒澄清效果的影響

取馬鈴薯酒的樣品20 mL于50 mL離心管中，按復(fù)合澄清劑配比2∶1加入，混合均勻，分別在40，45，50，55，60，65，70，75，80，85，90，95和100 ℃下保溫 50 min后室溫靜置72 h。用移液槍吸取上清液，在660 nm處測定其透光率，結(jié)果見圖6。水浴溫度40～70 ℃時，隨著水浴溫度升高，透光率呈明顯上升趨勢。水浴溫度達到70 ℃時，馬鈴薯酒的澄清效果最好，透光率達88.6%。隨著水浴溫度提升，透光率基本保持平穩(wěn)。

圖6 復(fù)合澄清劑水浴溫度對馬鈴薯酒澄清效果的影響

2.2.3 復(fù)合澄清劑水浴時間對馬鈴薯酒澄清的影響

取馬鈴薯酒樣品20 mL于50 mL離心管中，按復(fù)合澄清劑配比2∶1加入，混合均勻，在一定水浴溫度下保溫30，40，50，60和70 min，其間不斷攪拌，然后室溫下靜置72 h，用移液槍吸取上清液在660 nm處測定其透光率，結(jié)果見圖7。隨著水浴時間延長，透光率緩慢升高，水浴時間為40 min時，透光率最大，為72.9%。隨著水浴時間增加，馬鈴薯酒的透光率反而在下降。可能的原因是，水浴時間過長會使得復(fù)合澄清劑與酒體之間黏著性更大反而起不到澄清效果。

圖7 復(fù)合澄清劑水浴時間對馬鈴薯酒澄清效果的影響

2.3 復(fù)合澄清劑澄清馬鈴薯酒響應(yīng)面優(yōu)化試驗設(shè)計及結(jié)果

根據(jù)單因素試驗結(jié)果和Box-Behnken的中心組合設(shè)計，選取3個因素——水浴時間、水浴溫度、復(fù)合澄清劑配比以透光率為響應(yīng)值，設(shè)計三因素三水平共17個試驗點的響應(yīng)面分析試驗。試驗設(shè)計與結(jié)果見表2。

表2 響應(yīng)面分析方案及試驗結(jié)果

采用Design-Expert 8.06軟件對試驗結(jié)果進行多元回歸擬合，得到以透光率為目標函數(shù)的二次回歸方程：透光率Y=93.14+1.12A-0.91B+0.99C-1.37AB-0.82AC+0.99BC-5.10A2-1.86B2-3.82C2。

由表3和圖8可知，F(xiàn)值的大小可以判斷出影響透光率中A（水浴時間）的影響最大，C（澄清劑的配比）對其影響次之，B（水浴溫度）對其結(jié)果影響最小。模型達到極顯著水平（p＜0.01），表明模型構(gòu)建較成功。失擬項不顯著（p＞0.05），表明回歸方程擬合效果較好，其中，A2項、C2項對響應(yīng)值影響極顯著（p＜0.01），決定系數(shù)R2=0.917 6，調(diào)整決定系數(shù)=0.811 7，說明該模型的預(yù)測值與試驗值具有較好的擬合性，因此可用此模型對馬鈴薯酒的透光率進行預(yù)測。通過響應(yīng)面優(yōu)化分析得到馬鈴薯酒的最佳澄清條件為：水浴時間41.4 min，水浴溫度68.62 ℃，澄清劑配比1.54∶1。此時預(yù)測的透光率為93.383%。綜合考慮試驗的可操作性，將澄清劑配比設(shè)定為1.54∶1，水浴溫度設(shè)定為68.6 ℃，水浴時間設(shè)定為41.4 min，在此條件下進行驗證試驗，得到透光率為94%，與模型的預(yù)測值吻合程度較高，說明試驗所獲得的回歸模型方程具有良好可靠性和實用性。

表3 回歸模型方差分析

2.4 響應(yīng)面曲面圖分析

根據(jù)回歸方程利用Design-Expert 8.06軟件，作出各因素兩兩交互作用響應(yīng)面及等高線見圖8。

圖8 各因素交互作用對還原糖影響的響應(yīng)面及等高線

3 結(jié)論

試驗分別對馬鈴薯酒中添加的明膠、皂土、蛋清粉和殼聚糖4種澄清劑進行澄清處理，結(jié)果表明，對于添加單一澄清劑來說，添加明膠和皂土的透光率要高于蛋清粉和殼聚糖，所以選用明膠-皂土進行復(fù)合澄清劑處理。在單因素和響應(yīng)面的優(yōu)化下，馬鈴薯酒最佳的澄清條件為：明膠與皂土的配比1.54∶1，水浴溫度68.6 ℃，水浴時間41.4 min。在此條件下做3次平行試驗，驗證后得到馬鈴薯酒的透光率最高為94%，與預(yù)測值接近，說明模型能較好地預(yù)測馬鈴薯酒的澄清度。