響應面法優化仙人掌果-紅心火龍果酒發酵工藝

王 鵬

（威海海洋職業學院 食品與藥品系，山東 威海 264300）

仙人掌（Opuntia stricta）屬于仙人掌科仙人掌屬，在福建、廣西、云南、海南等地均有分布，仙人掌果是仙人掌的果實，果肉呈紫紅色，口感酸甜、清新、風味獨特，含有豐富的微量元素、黃酮類、果膠、多糖、有機酸、氨基酸、多糖、色素和維生素等[1-3]。此外，仙人掌果具有活血祛濕、清熱解毒、清除自由基、抗衰老、抗腫瘤抗癌、降三高等功效[4-6]。火龍果（Hylocereus undulatus）又名紅龍果，與仙人掌同屬于仙人掌科，在我國海南、廣東、廣西、福建等地均有種植。紅皮火龍果根據果肉的顏色可分為紅皮白心和紅皮紅心兩大類[7-8]?；瘕埞胸S富的碳水化合物、蛋白質、多酚、花青素、膳食纖維、維生素、氨基酸等營養物質，且顏色鮮亮、口感細膩多汁、香氣濃郁，經研究表明紅心火龍果的營養價值和色澤均優于白心火龍果[9-11]，且具有更好的生理活性功能，在預防心腦血管疾病、糖尿病、高血壓、調節機體免疫功能、調節激素水平方面具有良好的功效[12-14]。

復合果酒是以兩種或兩種以上新鮮水果為原料，通過控制酵母菌發酵制得的低酒精度果酒，不僅保持了各種水果的風味，還可以營養互補，使得水果中的營養成分得到更好的吸收。史曉華等[15]以仙人掌果和黑枸杞為原料，采用酒精度和感官評定為評價指標，通過正交試驗確定果酒最佳發酵工藝，制得一款富含黃酮和花青素，酒精度為12.0%vol的風味獨特復合果酒；喬夢丹等[16]以人參和仙人掌果為原料，采用酒精度作為響應值，通過響應面分析法優化果酒最佳發酵工藝，制得一款富含總皂苷和總花青素，酒精度為11.67%vol低度發酵復合果酒；鄧紅梅等[17]以龍眼和紅肉火龍果為原料，采用正交試驗優化果酒發酵工藝，制得一款含有7種有機酸的低酒精度健康復合果酒。目前國內外鮮有將仙人掌果和紅心火龍果復合開發保健果酒的案例，因此，該研究將屬于同科的仙人掌果和紅心火龍果結合，以單因素試驗為基礎，通過響應面法優化復合果酒發酵工藝，以期為制得兼具感官品質和保健功能的復合果酒提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

仙人掌果、紅心火龍果：市售；X16酵母、LAFASEFRUIT果膠酶（60 000 U/g）：法國LAFFORT公司；硅藻土：寧波鼎創新材料有限公司。其他試劑均為國產分析純。

1.2 儀器與設備

PR224ZH/E電子天平：奧豪斯儀器（上海）有限公司；HWS-12電熱恒溫水浴鍋：浙江一恒教學儀器有限公司；SGW-756全自動折光儀：上海精密實驗儀器有限公司；LRH-150F生化培養箱：上海一恒科學儀器有限公司；HR2826打漿機：飛利浦（中國）投資有限公司；SEGL-5冷凍過濾機：溫州中環機械設備有限公司。

1.3 方法

1.3.1 仙人掌果-紅心火龍果酒發酵工藝流程及操作要點

仙人掌和紅心火龍果鮮果→去皮處理→混合打漿→調整成分→酶解→發酵→過濾澄清→果酒

操作要點：

預處理：選擇成熟度高且新鮮的仙人掌果和紅心火龍果，去除果皮，分別保留紫紅色果肉。

破碎打漿：將仙人掌果果肉和紅心火龍果果肉按照1∶1的質量比混合放入打漿機中，加入純凈水，打成勻漿。

調整成分：向勻漿中加入0.03%的抑菌劑焦亞硫酸鉀；加入白砂糖調節勻漿的糖度為22°Bx，攪拌均勻；控制pH值為3.4左右。

酶解：將0.3%果膠酶添加于調整成分后的勻漿中，并在45 ℃條件下水浴2～3 h。

發酵：將0.03%的X16酵母接種到酶解液中，在溫度24 ℃條件下，發酵周期為6～10 d，每24 h測定酒精度和糖度的變化量，當二者不再發生變化時，判定為發酵結束。

過濾澄清：將1.5 g/100 mL的硅藻土添加到發酵液中，200 Hz超聲波澄清12 min后，用冷凍過濾機過濾，得到澄清果酒液。

1.3.2 仙人掌果-紅心火龍果酒發酵工藝優化試驗

（1）單因素試驗

采用單因素輪換法，分別考察果肉質量比（仙人掌果果肉質量∶紅心火龍果果肉質量=3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3），焦亞硫酸鉀添加量（0.01%、0.02%、0.03%、0.04%、0.05%），酵母接種量（0.01%、0.02%、0.03%、0.04%、0.05%），發酵溫度（20 ℃、22 ℃、24 ℃、26 ℃、28 ℃），初始糖度（18°Bx、20°Bx、22°Bx、24°Bx、26°Bx）對仙人掌果-紅心火龍果酒酒精度及感官評分的影響。

（2）響應面試驗

以單因素試驗為基礎，選取對酒精度影響較大的發酵溫度（A）、初始糖度（B）、酵母接種量（C）為自變量，以酒精度（Y）為響應值，采用3因素3水平的Box-Behnken響應面試驗，并用Design-Expert 10.0專業版數據處理系統進行發酵工藝參數優化。

1.3.3 測定方法

酒精度、總酸、揮發性酸檢測方法參考GB/T 15038—2006《葡萄酒、果酒通用分析方法》測定[18]；微生物指標檢測方法參考GB 4789.2—2010《食品微生物學檢驗菌落總數測定》[19]。

感官評分：請由15位高級品酒師組成的感官評分小組，參照葡萄酒感官評定要求[18]，采用無記名評分方式對色澤、香氣、滋味和典型性進行綜合評分，滿分100分，取其平均值，感官評分標準見表1。

表1 仙人掌果-紅心火龍果酒感官評分標準Table 1 Sensory evaluation standards of cactus and red pitaya fruit wine

1.3.4 數據處理

本試驗數據分析采用Excel 2010和Design-Expert 10.0軟件進行數據處理。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 果肉質量比對仙人掌果-紅心火龍果酒發酵的影響

由圖1可知，隨著果肉質量比的改變，果酒酒精度基本保持在11.80%vol左右，隨著火龍果果肉質量比例的增加，當果肉質量比達到1∶1時，仙人掌果-紅心火龍果酒的感官評分達到最大值（94.5分），繼續提高火龍果果肉質量比例，果酒感官評分下降，仙人掌果肉質量比例較大時，果酒清新度好但香氣不足，火龍果肉質量比例較大時，果酒香氣較好但清新度差。因此，果酒較為適宜的果肉質量比是1∶1。

圖1 果肉質量比對果酒酒精度和感官評分的影響Fig.1 Effect of pulp mass ratio on alcohol content and sensory score of the fruit wine

2.1.2 焦亞硫酸鉀對仙人掌果-紅心火龍果酒發酵的影響

由圖2可知，隨著焦亞硫酸鉀添加量的增加，仙人掌果-紅心火龍果酒的酒精度和感官評分隨之升高，當焦亞硫酸鉀添加量達到0.03%時，酒精度和感官評分均達到最大值，分別為11.82%vol和95.5分，繼續增加焦亞硫酸鉀，會抑制酵母菌的生長，不利于酒精的產生，使酒精度下降，同時較多的焦亞硫酸鉀會造成感官質量的下降。因此，果酒較為適宜的焦亞硫酸鉀添加量是0.03%。

圖2 焦亞硫酸鉀對果酒酒精度和感官評分的影響Fig.2 Effect of potassium metabisulfite on alcohol content and sensory score of the fruit wine

2.1.3 發酵溫度對仙人掌果-紅心火龍果酒發酵的影響

由圖3可知，隨著發酵溫度的升高，仙人掌果-紅心火龍果酒的酒精度和感官評分升高，當發酵溫度達到24 ℃時，仙人掌果-紅心火龍果酒的酒精度和感官評分均達到最大值，分別為11.75%vol和95分，繼續升高發酵溫度，酵母菌生長旺盛，在相同的發酵時間下提前衰老，致使酒精度下降，并伴隨酸味產生，感官評分降低[20-21]。因此，果酒較為適宜的發酵溫度是24 ℃。

圖3 發酵溫度對果酒酒精度和感官評分的影響Fig.3 Effect of fermentation temperature on alcohol content and sensory score of the fruit wine

2.1.4 初始糖度對仙人掌果-紅心火龍果酒發酵的影響

由圖4可知，隨著初始糖度的升高，仙人掌果-紅心火龍果酒的酒精度和感官評分升高，當初始糖度達到22°Bx時，滿足酵母菌發酵所需營養，仙人掌果-紅心火龍果酒的酒精度和感官評分均達到最大值，分別為11.81%vol和94.5分，繼續增加初始糖度，酒精度呈下降趨勢，初始糖度的升高使果酒中滲透壓增大，不利于酵母菌的發酵，另外甜度的升高也降低了感官評分[22]。因此，果酒發酵較為適宜的初始糖度是22°Bx。

圖4 初始糖度對果酒酒精度和感官評分的影響Fig.4 Effect of initial sugar concentration on alcohol content and sensory score of the fruit wine

2.1.5 酵母接種量對仙人掌果-紅心火龍果酒發酵的影響

由圖5可知，隨著酵母菌接種量的增加，仙人掌果-紅心火龍果酒的酒精度和感官評分升高，當酵母接種量達到0.03%時，仙人掌果-紅心火龍果酒的酒精度和感官評分均達到最大值，分別為11.79%vol和95分，繼續增加酵母接種量，過量的酵母消耗較多的糖分用于生長繁殖，不利于酒精的產生，導致酒精度下降，整體風味下降[23-24]。因此，果酒較為適宜的酵母接種量是0.03%。

圖5 酵母接種量對果酒酒精度和感官評分的影響Fig.5 Effect of yeast inoculum on alcohol content and sensory score of the fruit wine

2.2 響應面試驗優化無花果-仙人掌果酒發酵工藝

根據單因素試驗結果，選取發酵溫度（A）、初始糖度（B）、酵母接種量（C）為3個評價因素，以酒精度（Y）為考察指標，建立酒精度（Y）與3個因素的數學回歸方程，采用響應面試驗優化果酒關鍵發酵工藝參數[25-27]。果酒發酵工藝優化響應面試驗設計及結果見表2，方差分析及顯著性檢驗見表3。

表2 仙人掌果-紅心火龍果酒發酵工藝優化響應面試驗設計及結果Table 2 Design and results of response surface experiments for fermentation technology optimization of cactus and red pitaya fruit wine

表3 回歸模型方差分析Table 3 Variance analysis of regression model

通過Design-Expert 10.0軟件對表2中酒精度（Y）指標的數據進行處理分析，得到回歸模型二次多項方程：Y=11.86+0.071A+0.28B+0.30C-0.13AB-0.028AC+0.005BC-0.53A2-0.43B2-0.62C2。

由表3可知，回歸模型的P＜0.000 1極顯著，而失擬項的P=0.178 0＞0.05不顯著，說明本試驗理論和實際值偏差很小，得到的回歸模型能夠很好地的預測響應值?；貧w方程一次項A、B、C、交互項AB、二次項A2、B2、C2均對復合果酒酒精度有極顯著影響（P＜0.01）。交互項AC、BC對結果無顯著性影響（P＞0.05）。

2.3 因素間交互作用分析

各因素交互作用對仙人掌果-紅心火龍果酒酒精度影響的響應面及等高線見圖6。

圖6 各因素交互作用對仙人掌果-紅心火龍果酒酒精度影響的響應曲面與等高線Fig.6 Response surface plots and contour lines of effects of interaction between each factor on alcohol content of cactus and red pitaya fruit wine

由圖6可知，固定酵母接種量為0水平時，發酵溫度和初始糖度之間的交互作用對酒精度（Y）有極顯著的影響（P＜0.01），當發酵溫度和初始糖度均在0水平即（24 ℃）和（22°Bx）范圍內，兩因子對酒精度的影響呈顯著正交互作用；而高于或低于0水平時，兩因子對酒精度的影響呈負交互作用，都會降低酒精度。發酵溫度和酵母接種量之間的交互作用以及初始糖度和酵母接種量之間的交互作用對酒精度（Y）均有影響，但都不顯著（P＞0.05）。

采用Design-Expert 10.0專業版對模型進行優化，得到果酒的最佳發酵工藝參數為發酵溫度23.853 ℃，初始糖度22.160°Bx，酵母接種量0.032%，果酒酒精度的預測值為11.91%vol。為滿足實際可行性操作，將最佳工藝參數調整為發酵溫度24 ℃，初始糖度22°Bx，酵母接種量0.03%，在此條件下平行進行3次驗證試驗，得到果酒實際酒精度為11.89%vol，與預測值的誤差為0.16%，二者基本一致，因此表明該工藝可行。

2.4 產品質量指標結果

2.4.1 感官指標

在最佳條件下制得的仙人掌果-紅心火龍果酒清澈透明有光澤、無懸浮物、鮮艷紫紅色；酒香濃郁醇厚、果香突出、協調；具有典型火龍果果香及仙人掌果的清香；酒體醇厚、入口柔和、回味綿長，感官評分達95.5分。

2.4.2 理化指標

仙人掌果-紅心火龍果酒的酒精度11.89%vol，總酸含量（以乙酸計）為6.82 g/L，揮發酸含量（以乙酸計）為1.53 g/L，總糖含量為45.7 g/L。

2.4.3 微生物指標

仙人掌果-紅心火龍果酒菌落總數26＜50 CFU/mL，大腸桿菌0＜3 MPN/100 mL，致病菌未檢出，符合國標要求。

3 結論

該研究以酒精度為考察指標，通過單因素試驗，確定了各因素對果酒發酵的影響趨勢，并通過響應面試驗優化仙人掌果-紅心火龍果酒發酵工藝。結果表明，最佳發酵條件為發酵溫度24 ℃，初始糖度22°Bx，酵母接種量0.03%，此條件下制得仙人掌果-紅心火龍果酒的酒精度11.89%vol，果酒的感官評分為95.5分，是一款營養和感官價值俱佳的復合保健果酒。