响应面法优化黄芪酒发酵工艺

周 瑶，徐怀德,*，米林峰，蔡 舒

(1.西北农林科技大学食品科学与工程学院，陕西 杨凌 712100；2.榆林市产品质量监督检验所，陕西 榆林 719000)

响应面法优化黄芪酒发酵工艺

周 瑶1，徐怀德1,*，米林峰2，蔡 舒1

(1.西北农林科技大学食品科学与工程学院，陕西 杨凌 712100；2.榆林市产品质量监督检验所，陕西 榆林 719000)

以黄芪为原料，利用响应面法对黄芪酒的发酵工艺条件(温度、蔗糖质量分数、酵母的接种量)进行优化。结果表明：经优化后黄芪酒最佳发酵工艺条件为黄芪干燥粉碎至40目、料水比(g/mL)1:60、酵母接种量0.71%、蔗糖质量分数19%、发酵温度22℃，该条件下所得黄芪酒的乙醇体积分数12.3%，总黄酮含量29.05mg/L、总皂苷含量123mg/L。黄芪酒酒色金黄，酒味醇厚甘爽，气味醇香，酒体协调，无豆腥味，所得产品是一种符合现代人健康理念的低度发酵营养酒。

黄芪酒；发酵；优化；响应面法

黄芪是豆科植物蒙古黄芪(Astragalus membranaceus(Fisch.)Bge. var.mongholicus(Bge.) Hsiao)或膜荚黄芪(Astragalus membra-naceus(Fisch)Bge.)的干燥根，具有补气固表、利尿脱毒、排脓、敛疮生肌等功效[1]。现代药理研究表明，黄芪具有增强机体免疫功能、强心降压、降血糖、利尿、抗衰老、抗疲劳、抗肿瘤、抗病毒、镇静、镇痛等作用[2-3]，其化学成分主要有黄酮类、皂苷类(黄芪甲苷)和多糖等成分。黄芪属大宗常用中药材品种，主产于北方和西南地区。黄芪除药用外也可作保健食品、饮料、化妆品等原料[4]。

目前，黄芪酒多采用单独浸泡或采用黄芪与其他中药材配伍进行浸泡的方法制作，其制作过程不能有效提取黄芪中多种营养和功效物质，且产品药味重。本实验结合现代生物工程技术，采用响应面法优化黄芪酒发酵技术，制得的黄芪酒即保留了黄芪营养功效成分、又减少了黄芪固有的豆腥味，同时赋予黄芪酒具有果酒的口感，消费者更易接受，也为黄芪资源开发利用和新产品的开发提供依据和参考[5-10]。

1 材料与方法

1.1 原料与试剂

黄芪：3年生黄芪2009年10月采集于陕西子洲县(圆柱形，长30～90cm，直径1～3.5cm，表面淡棕黄色或淡棕褐色)经鉴定为豆科植物膜夹黄芪的干燥根，符合中国药典2005版相应的要求；白砂糖 市购；葡萄酒活性干酵母 湖北安琪酵母公司；黄芪甲苷标品(批号：110781-200512) 中国药品生物制品检定所；其他试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

HH-S6双列六孔型电热水浴锅、FWl00型高速万能粉碎机 北京科伟有限公司；KDC-40低速离心机 科大创新股份有限公司中佳分公司；UV-1700型紫外-可见分光光度计。

1.3 方法

1.3.1 黄芪酒的发酵工艺和操作要点

工艺流程：黄芪→挑选、清洗→粉碎→成分调整→接种→主发酵→离心分离→陈酿→澄清过滤→装瓶→杀菌→成品。

操作要点：原料处理：挑选无虫蚀、无霉变的黄芪，用水冲去黄芪表面的泥土，然后将黄芪粉碎至40目，按照料水比1:60 (g/mL)加入纯净水，加入60mg/L SO2，用市售白砂糖调整蔗糖质量分数，备用；酵母活化：活性干酵母用5%糖水在38℃水浴中活化30min；发酵：将活化好的酵母放入待发酵液中控温发酵；陈酿：控制温度在15～18℃，陈酿6个月；澄清过滤：将陈酿的酒液除去酒脚，并加入明胶和单宁，静置一段时间，然后过滤，使酒液澄清，得到金黄色的黄芪酒；杀菌：将过滤、澄清后的黄芪酒分装于玻璃瓶中，密封后在80℃条件下水浴灭菌30min，冷却后在低温条件下贮存。

1.3.2 黄芪酒的发酵条件优化

1.3.2.1 单因素试验

在前期预实验的基础上，考察发酵温度、酵母接种量、蔗糖质量分数3个因素对黄芪酒发酵的影响。

1.3.2.2 响应面试验设计

根据单因素试验结果，安排中心组合试验设计[11-13]，以发酵温度、酵母接种量、蔗糖质量分数3个因素与乙醇及总黄酮含量进行中心组合设计(表1)，优化发酵工艺条件。通过Design Expert 7.0软件分析对试验进行回归分析，预测黄芪酒发酵的最优工艺参数。

表1 响应面试验优化黄芪酒发酵工艺因素水平及编码表Table 1 Coded values and corresponding actual values of variables in response surface analysis

1.3.3 黄芪酒指标测定

可溶性固形物：采用手持糖量计测定；酒精体积分数、总糖含量、可滴定酸、挥发酸含量、SO2含量测定：采用GB/T 15038—2006《葡萄酒、果酒通用分析方法》测定[14]；总黄酮：亚硝酸钠-硝酸铝法[15]；黄芪总皂苷的测定：冰醋酸-香草醛法(以黄芪甲苷为标品)[16]。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 发酵温度对黄芪酒发酵的影响

发酵温度影响微生物的生长情况和代谢产物的生成，因此对成品酒的乙醇体积分数和质量有很大的影响，将黄芪液蔗糖质量分数调整为18%、接种量0.6%，分别控制发酵温度15、20、25、30、35℃进行发酵，发酵结束后测定其酒精体积分数、总黄酮含量，确定最适发酵温度，结果见图1。

图1 温度对黄芪酒发酵的影响Fig.1 Effect of temperature on Radix Astragali wine fermentation

从图1可看出，发酵温度低时发酵缓慢，温度升高，发酵加快，但当发酵温度超过30℃时，成品酒的乙醇体积分数较低，总黄酮的变化趋势和乙醇体积分数基本上是一致的，在发酵过程中，较高的乙醇体积分数有利于黄芪总黄酮的浸提。发酵温度控制在20～25℃时成品酒酒精体积分数、黄芪总黄酮比较高，故后期试验发酵温度采用20～25℃。

2.1.2 酵母接种量对黄芪酒发酵的影响

将黄芪液蔗糖质量分数调整为18%，分别添加质量分数0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.2%的酵母量，在温度21℃进行发酵，发酵结束后测定其乙醇体积分数、总黄酮含量，确定最适酵母菌添加量，结果见图2。

从图2可以看出，不同接种量对黄芪酒发酵影响较明显，接种量为0.6%时乙醇体积分数和总黄酮含量分别达到最大值11.8%、27.02mg/L，因此选择最适接种范围为0.6%左右。

图2 接种量对黄芪酒发酵的影响Fig.2 Effect of inoculum size on Radix Astragali wine fermentation

2.1.3 蔗糖质量分数对黄芪酒发酵的影响

糖在酒酿造中起着重要的作用，含糖量不仅直接影响乙醇体积分数，同时也影响酒的品质。分别于12%、15%、18%、21%、24%蔗糖质量分数下添加0.6%酵母量，在温度21℃进行发酵，发酵结束后测定其乙醇体积分数、总黄酮含量，确定最适酵母菌添加量，结果见图3。

图3 蔗糖质量分数对黄芪酒发酵的影响Fig.3 Effect of sucrose amount on Radix Astragali wine fermentation

从图3可以看出，初始蔗糖质量分数对乙醇体积分数有显著的影响，当初始蔗糖质量分数18%时，乙醇体积分数、总黄酮含量分别达到11.7%、26.77mg/L，当初始蔗糖质量分数超过18%时，乙醇体积分数和总黄酮含量变化不明显，故初始蔗糖质量分数的范围在18%左右。

2.2 响应面优化试验结果及分析

通过统计软件Design-Expert 7.0分别以Y(乙醇体积分数)及Z(总黄酮含量)为响应值，对表2进行多元回归拟合，得到如下的二次多项式回归方程：

表2 响应面试验优化黄芪酒发酵工艺设计与结果Table 2 Experimental protocol and corresponding experimental results for response surface analysis

表3 酒精体积分数回归模型方差分析Table 3 Analysis of variance of the developed regression equation for alcohol concentration

由表3可以看出，模型的F模型=23.05＞F0.01(9,5)= 10.16，P＜0.0001，表明模型方程(1)极显著，不同处理间的差异极显著；失拟项P=0.5370＞0.05，不显著；模型的校正决定系数R2Adj=0.9126，说明该模型能解释约92%响应值的变化，表明方程拟合程度较好。离散系数(coeflcient of variation，CV)表示试验的精确度。其值越大，试验结果的可靠性越低。本试验CV=3.98%，在可接受范围内，说明试验操作可信，可以用回归方程代替试验真实点对黄芪酒发酵的乙醇体积分数结果进行分析和预测。此外，回归方程系数显著性检验可知：模型(1)的一次项A显著，B、C极显著；二次项极显著但交互项不显著，说明所选因素之间的交互作用不明显，采用该模型时可以不考虑因素间的交互作用。

表4 总黄酮含量回归模型方差分析Table 4 Analysis of variance of the developed regression equation for total flavonoids content

由表4可以看出，模型方程(2)极显著，不同处理间的差异极显著；失拟不显著；模型的R2Adj=0.9469，说明该模型能解释约95%响应值的变化，表明方程拟合程度较好。本试验CV=5.82%，在可接受范围内，说明试验操作可信，可以用回归方程代替试验真实点对黄芪酒发酵总黄酮含量的结果进行分析和预测。此外，模型(2)的一次项A显著，B、C极显著；二次项极显著但交互项不显著，说明所选因素之间的交互作用不明显，采用该模型时可以不考虑因素间的交互作用。

经过软件的优化，黄芪酒乙醇体积分数和总黄酮含量的最佳试验参数为发酵温度21.81℃、酵母接种量0.71%、蔗糖质量分数为18.99%，但考虑到实际情况将最佳提取工艺条件修正为温度22℃、酵母接种量0.71%、蔗糖质量分数19%。在此条件下，所得产品的乙醇体积分数为12.3%，总黄酮含量为29.05mg/L，回归模型预测酒精体积分数及黄酮含量理论值分别为12.4%、29.19mg/L，实际测定值比理论预测值分别低0.8%、0.48%。因此，采用RSA法优化得到的浸提条件参数准确可靠。

2.3 黄芪酒指标测定

黄芪酒总皂苷(以黄芪甲苷为标品)123mg/L，总糖(以葡萄糖计)9.8g/L；可滴定酸(以乙酸计)4.32g/L；挥发酸(以乙酸计)0.46g/L；游离SO2≤30mg/L；黄芪酒色泽金黄，澄清透明，酒味醇厚甘爽，气味醇香，酒体协调，具有独特的黄芪风味。黄芪中的豆腥味物质主要为正己醛、正己醇、2-己烯醛、2-戊基呋喃、乙基乙烯基酮等物质[17]，发酵过程中酵母等微生物消耗利用了这些物质，本实验制得黄芪酒无豆腥味。

3 结 论

3.1 得到Y(乙醇体积分数)和Z(黄酮含量)的二次多项式回归方程：

3.2 利用响应面分析法优化后黄芪酒发酵最佳工艺条件为黄芪干燥粉碎至40目、料水比1:60(g/mL)、发酵温度22℃、酵母接种量0.71%、蔗糖质量分数19%，所得产品的乙醇体积分数含量12.3%，总黄酮含量29.05mg/L，回归模型预测乙醇体积分数及总黄酮含量理论值分别为12.4%、29.19mg/L，实际测定值比理论预测值分别低0.8%、0.48%，回归方程能够反映各筛选因素对黄芪酒发酵的影响。黄芪酒总皂苷(以黄芪甲苷为标品)123mg/L，总糖(以葡萄糖计)9.8g/L；总酸(以酒石酸计)5.4g/L；挥发酸(以乙酸计)0.46g/L；游离SO2≤30mg/L；黄芪酒色泽金黄，澄清透明，酒味醇厚甘爽，气味醇香，酒体协调，具有独特的黄芪风味，无豆腥味。

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Optimizing the Fermentation Process forRadix AstragaliWine by Response Surface Methodology

ZHOU Yao1，XU Huai-de1,*，MI Lin-feng2，CAI Shu1
(1. College of Food Science and Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, China；2. Supervision and Examination Station of Product Quality of Yulin City, Yulin 719000, China)

In this study, optimization of three process conditions (temperature, sucrose amount and inoculum size) for wine fermentation fromRadix Astragaliwas done using response surface methodology. It was found that the optimum fermentation conditions forRadix Astragaliwine were mixing dried and pulverizedRadix Astragaliwith a particle size of 40 mesh with a 60-fold volume of water, inoculation with active dry wine yeast at 0.71%, adding sucrose at 19%, and fermentation at 22 ℃. Under these conditions, alcohol concentration in obtainedRadix Astragaliwine was 12.3%, which contained 29.05 mg of total flavonoids,and 123 mg of total saponins per liter, displayed golden yellow color, had a strong, sweet and mellow taste and an aromatic smell and harmonious body without soybean odor. This product is a low-alcohol nutritional wine that is in accordance with modern people' s health concept.

Radix Astragaliwine；fermentation；optimization

TS262.91

B

1002-6630(2011)04-0293-04

2010-04-01

周瑶(1986—)，女，硕士研究生，研究方向为天然产物提取分离。E-mail：zhouyao9109@163.com

*通信作者：徐怀德(19 64—)，男，副教授，本科，研究方向为软饮料、果品蔬菜贮藏与加工、天然产物提取。E-mail：xuhuaide@yahoo.com.cn