二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計優(yōu)化釀造醬油工藝控制參數(shù)

低鹽固態(tài)發(fā)酵法生產(chǎn)醬油主要是以豆粕或黃豆和小麥麩皮為原料，經(jīng)制曲、成曲、原料處理和發(fā)酵，再用鹽水淋油而制成醬油。醬油是人們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｓ玫恼{(diào)味品之一，而醬油中的氨基酸態(tài)氮含量是醬油的重要理化指標[1]，是影響醬油滋味及營養(yǎng)價值的重要因素。

在生產(chǎn)過程中，適當?shù)亩蛊蓾櫵俊Ⅺ}水的添加溫度和發(fā)酵溫度，可以最大化提高原料中的蛋白質(zhì)利用率及出油率，也會使頭油中的氨基酸態(tài)氮含量相對增加，提高醬油的風味與品質(zhì)。本文通過調(diào)節(jié)不同的豆粕潤水量、鹽水添加溫度以及發(fā)酵溫度，然后經(jīng)過發(fā)酵并進行淋油，以頭油中的氨基酸態(tài)氮含量為考察指標，進行數(shù)據(jù)分析處理進而得出回歸方程，并用Excel規(guī)劃求解方式得出最佳工藝參數(shù)組合。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

1.1.1 原料

豆粕，福建康宏股份有限公司；麩皮，安徽德鑫源食品有限公司公司；米曲霉，山東和眾康源生物科技有限公司。

1.1.2 設(shè)備

電、汽兩用快速蒸煮車、恒溫水浴鍋、自動電位滴定儀等。

1.2 試驗方法

1.2.1 原料處理

原料豆粕與麩皮（7∶3）混合后分別經(jīng)過不同的潤水處理后，在0.02 MPa下蒸煮120 min，使蛋白質(zhì)適度變性，淀粉糊化。

1.2.2 制曲、成曲

①制曲。醒曲→菌絲生產(chǎn)繁殖→孢子著生→成熟。②將成熟的米曲霉均勻拌入降溫至35 ℃的原料中，經(jīng)過36 h制成成曲，期間12 h翻曲一次，再經(jīng)8 h進行二次翻曲。

1.2.3 發(fā)酵、淋油

將成曲拌入不同溫度的鹽水，鹽水波美度為17°Be，然后在不同的發(fā)酵溫度下發(fā)酵24 d，發(fā)酵結(jié)束后，加入2倍的17 °Be鹽水浸泡24 h后抽取醬油，使用甲醛法測定醬油中的氨基酸態(tài)氮。

2 結(jié)果與分析

以頭油中的氨基酸態(tài)氮為考察指標，選取豆粕潤水量、添加鹽水溫度、發(fā)酵時間3個試驗因素，確定5個水平，選取試驗次數(shù)少，并能克服誤差干擾的二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計安排試驗[2]。根據(jù)通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計的試驗實施參數(shù)表，總試驗次數(shù)N為20，中心點試驗次數(shù)m0為6，星號點的試驗次數(shù)為6，全因子試驗的試驗次數(shù)mc為8（2P，P為因素個數(shù)），星號臂值r=1.682[3]。其中豆粕潤水量、添加鹽水溫度、發(fā)酵溫度3個因素的變化區(qū)間分別取值40%～50%；51～60 ℃；40～50 ℃，通過計算分別確定各水平取值。試驗因素水平編碼表如表1所示。

表1 試驗因素水平編碼表

根據(jù)表2的試驗數(shù)據(jù)，對選取的3個不同因素對氨基酸態(tài)氮含量的影響規(guī)律進行分析，響應(yīng)值為y（氨基酸態(tài)氮含量mg/100 g），設(shè)計試驗的計算表如表3所示。通過計算回歸方程，并對回歸方程進行方差分析，以證明求得的回歸方程是否擬合真實試驗結(jié)果，最后運用Excel規(guī)劃求解，得出最佳工藝控制參數(shù)組合。

表2 二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計試驗安排及結(jié)果表

表3 設(shè)計試驗的計算結(jié)果表

2.1 回歸方程的建立

相關(guān)回歸系數(shù)公式為

其中，K=0.166 3；-E=0.056 8；F=0.069 4；G=0.006 9；mc=8）[3]。

結(jié)合試驗計算結(jié)果表計算可得b0=1.203 8；b1=0.114 8；b2=-0.030 9；b3=0.004 7；b12=-0.021 2；b13=-0.016 3；b23=-0.061 3；b11=-0.027 0；b22=-0.064 1；b33=-0.065 9。

所以，相應(yīng)回歸方程為

2.2 回歸方程的方差分析

由表4方差分析表及F檢驗結(jié)果可知，F(xiàn)1檢驗結(jié)果不顯著，說明失擬平方和基本是因為試驗誤差等偶然因素引起，不存在一些其他因素影響[4]；F2檢驗結(jié)果顯著，說明回歸方程與實際擬合情況較好，建立的方程模型是具有顯著意義，可以充分響應(yīng)各參數(shù)對醬油中氨基酸態(tài)氮的影響。

表4 回歸方程的方差分析表

2.3 用規(guī)劃求解尋找最優(yōu)工藝參數(shù)

先建立一個Excel工作表，然后在3個試驗因素的編碼范圍[-1.682,1.682]內(nèi)，通過Excel規(guī)劃求解得出最佳工藝參數(shù)組合[5]。首先設(shè)置規(guī)劃求解參數(shù)，參數(shù)包括設(shè)置3個可變單元格和1個目標單元格（建立目標函數(shù)，即回歸方程），然后設(shè)置約束條件，把3個可變單元格取值范圍設(shè)置在[-1.682,1.682][6]，點擊規(guī)劃求解，得出最佳工藝參數(shù)組合為（即使氨基酸態(tài)氮含量達到理論最大值）x1=1.68，x2=-0.90，x3=-0.25（即豆粕潤水量50%，添加鹽水溫度53.1 ℃，發(fā)酵溫度44.3 ℃）時，氨基酸態(tài)氮含量是最高的，理論含量可達1.31 mg/100 g。

2.4 試驗結(jié)果驗證

在考慮到實際生產(chǎn)的可操作性情況下，將最優(yōu)工藝參數(shù)組合條件定為豆粕潤水量50%，添加鹽水溫度53 ℃，發(fā)酵溫度44 ℃，在此工藝參數(shù)控制下驗證試驗結(jié)果。產(chǎn)出醬油氨基酸態(tài)氮含量達到1.24 mg/100 g，與理論最大值較為接近。

3 結(jié)論與討論

3.1 豆粕潤水量的影響

潤水的主要目是使原料中蛋白質(zhì)含有適量的水分，以便在蒸料過程中適度變性，并使原料中的淀粉充分糊化，提供發(fā)酵所需的營養(yǎng)物質(zhì)。潤水量是生產(chǎn)中的關(guān)鍵控制環(huán)節(jié)，適量的水分能加速米曲霉孢子的發(fā)芽，但潤水量不足，原料豆粕會發(fā)生吸水不完全的現(xiàn)象，導(dǎo)致蒸料時蛋白質(zhì)變性不完全[7]。本文選擇潤水量的范圍為40%～50%，然后通過試驗優(yōu)化出最佳潤水量。

3.2 鹽水添加溫度的影響

鹽水添加溫度的高低在實際生產(chǎn)中非常重要。溫度過高，醬醅溫度升溫會過快，使部分脂肪酶和谷氨酰胺酶失活[8]，醬油的鮮味會降低，并且會加速美拉德反應(yīng)，影響醬油氨基酸態(tài)氮含量和醬油的風味和品質(zhì)；溫度過低則會影響酶促反應(yīng)，延長發(fā)酵的時間，從而影響生產(chǎn)效率。

3.3 發(fā)酵溫度的影響

發(fā)酵溫度是整個生產(chǎn)過程中最重要的控制參數(shù)。發(fā)酵溫度過低，會導(dǎo)致醬醅中蛋白質(zhì)分解不徹底，原料的利用率降低，必然會影響發(fā)酵時間和醬油產(chǎn)出品質(zhì)；發(fā)酵溫度過高，同樣會加速美拉德反應(yīng)，使醬油色澤加深變黑，使氨基酸態(tài)氮、還原糖含量等物質(zhì)的含量減少[9]。

本文采用二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計試驗，以氨基酸態(tài)氮為響應(yīng)值，得到了豆粕潤水量、鹽水添加溫度和發(fā)酵溫度3個試驗因素的二次回歸方程，通過方差分析，證明回歸方程模型與實際擬合較好。并通過Excel規(guī)劃求解得出最佳工藝參數(shù)組合為豆粕潤水量50%，添加鹽水溫度53.1 ℃，發(fā)酵溫度44.3 ℃。經(jīng)過試驗驗證進一步證實了組合設(shè)計試驗方案的可靠性，并可為低鹽固態(tài)發(fā)酵法生產(chǎn)醬油提高氨基酸態(tài)氮含量提供技術(shù)支撐。