响应面法优化桦树液酒发酵工艺

曲迪

（中国农科院特产研究所，吉林长春130000）

响应面法优化桦树液酒发酵工艺

曲迪

（中国农科院特产研究所，吉林长春130000）

以新鲜桦树液为原料，研究桦树液发酵酒的发酵工艺条件。在单因素试验基础上，选取SO2添加量、酵母接种量、发酵温度为影响因子，以桦树液酒的酒精体积分数为响应值，应用中心组合Box-Behnken试验和响应面分析法，模拟得到二次多项式回归方程的预测模型，进行响应面分析。结果表明，经优化后的桦树液酒的最佳工艺条件为酵母接种量0.42 g/L、SO2添加量103mg/L、发酵温度25℃、发酵时间为12 d，该条件下酒精体积分数为11.98%vol。产品澄清透明、酒香浓郁、滋味协调、酒体典型风格较为突出。

桦树液；发酵酒；发酵工艺；响应面

桦树液是桦树（Betula）的伤流液，是一种无色透明的液体，入口清凉微甜，有桦树特有的清香气味，每年4月～5月冰雪消融，初春萌动之时便可采集[1-2]。桦树液富含人体需要的多种氨基酸、果糖、维生素、生物素、矿物质等，具有清热、解毒、抗疲劳、抗衰老等保健作用[3-5]。利用桦树液为原料发酵而成的酒具有独特的

风味和保健功效，符合人们现在的消费观念，具有可观的经济效益和较好的发展前景。

目前，国内张崇、李娜[6-10]等对桦树液酒的研制进行了报道，但对优化桦树液酒发酵条件方面的文章很少。本试验以吉林省二道白河镇的新鲜桦树液为原料，通过单因素试验确定桦树酒的发酵工艺，采用响应面法优化桦树液酒发酵条件的最佳工艺参数，为桦树液酒的工业化生产提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

吉林省二道白河镇采集的新鲜桦树液；绵白糖：市售，符合一级品要求；酵母菌：安琪葡萄酒酵母；偏重亚硫酸钾：食品级。

1.2 仪器与设备

SPX-250B-Z型生化培养箱：上海市博讯事业有限公司；电子天平：慈溪市天东衡器厂；DZKW-S-4恒温水浴锅：北京市永光明医疗仪器厂；WYT-4型手持糖度计：泉州中友光学仪器有限公司；酒精计：河间市仪器厂。

1.3 方法

1.3.1 桦树液酒的发酵工艺流程

采集新鲜的桦树液→加入适量SO2抑制杂菌→糖度调整→接种活性干酵母→主发酵→成分检测→后发酵→陈酿→澄清→杀菌→成品

1.3.2 操作要点

1）糖度调整：本试验原料桦树汁的还原糖含量为1%，由于自身发酵的酒精度达不到成品酒的要求，需要向其中一次性补充糖分，使还原糖含量在20%左右。

2）酵母的活化：向2%的无菌糖水中加入适量干酵母在35℃的温度下搅拌活化20min，直至有大量气泡产生。

1.3.3 指标测定方法

酒精体积分数的测定：酒精计法[11]；糖度测定：手持糖度计法；还原糖的测定：菲林试剂法[11]；酸度的测定：酸碱滴定法[11]。

1.3.4 影响桦树液酒发酵效果的单因素试验

1.3.4.1 SO2添加量的影响

把桦树液糖度调整为20%，发酵温度为25℃，发酵时间为10 d，接种量为40mg/L，SO2添加量分别为20、40、60、80、100、120、140mg/L，探究SO2添加量对发酵效果的影响。

1.3.4.2 酵母接种量的影响

把桦树液糖度调整为20%，发酵温度为25℃，发酵时间为10 d，SO2添加量为100mg/L，酵母接种量分别为0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8 g/L，探究酵母接种量对发酵效果的影响。

1.3.4.3 发酵温度的影响

把桦树液糖度调整为20%，发酵时间为10 d，SO2添加量为100mg/L，酵母接种量为0.4 g/L，发酵温度分别为17、19、21、23、25、27、29℃，探究发酵温度对发酵效果的影响。

1.3.4.4 发酵时间的影响

把桦树液糖度调整为20%，发酵温度为25℃，SO2添加量为100mg/L，酵母接种量为0.4 g/L，发酵时间分别为2、4、6、8、10、12、14 d，探究发酵时间对发酵效果的影响。

1.3.5 响应面法优化桦树液酒发酵工艺

在单因素试验的基础上，根据Box-Behnken中心组合试验设计原理，分别对影响酒精度（Y）的4个因素：SO2添加量（A）、酵母接种量（B）、发酵温度（C）、发酵时间（D）利用响应面软件Design-Expert8.0.6进行响应面设计[12-17]。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果与分析

2.1.1 SO2添加量的影响

SO2添加量的影响见图1。

图1 SO2添加量对酒精体积分数的影响Fig.1 Effectsof SO2amounton alcoholicity

由图1可知，SO2添加量较少时，由于不能较好的抑制杂菌，所以酒精发酵度数低；当SO2添加量达到100mg/L时，酒精体积分数达到最高且接近待发值；当SO2添加量超过100mg/L时，不仅抑制了杂菌生长也抑制了酵母菌的发酵代谢，使得酒精发酵度数低。所以SO2添加量为100mg/L最合适。

2.1.2 酵母接种量的影响

酵母接种量的影响见图2。

酵母接种量是影响桦树液酒酒精发酵的重要因素之一，由图2可知，当接种量较低时，酵母自身代谢缓慢，蔗糖代谢成酒精不完全，从而酒度低，酒质不协调；随着接种量逐渐增加，酒精的体积分数也增加，当接种量为0.4 g/L时，酒精度达到最高；当接种量超过0.4 g/L时，酵母菌代谢过旺，消耗大量营养物质并产

生较多代谢产物，使得菌体过早衰老并自溶，最终酒度较低，酒质不协调。所以酵母接种量选择0.4g/L较适合。

图2 酵母接种量对酒精体积分数的影Fig.2 Effectsof yeast inoculating amounton alcoholicity

2.1.3 发酵温度的影响

发酵温度的影响见图3。

图3 发酵温度对酒精体积分数的影响Fig.3 Effectsof fermentation tem peratureon alcoholicity

由图3可知，在17℃～25℃时，酒精体积分数随发酵温度升高的快；当发酵温度在25℃～29℃时，酒精体积分数随发酵温度的升高略有下降。因此选择发酵温度为25℃最适宜。

2.1.4 发酵时间的影响

发酵时间的影响见图4。

图4 发酵时间对酒精体积分数的影响Fig.4 Effectsof fermentation tim eamounton alcoholicity

由图4可知，随着发酵时间的延长，酒精的体积分数逐渐增大，发酵前8 d，酒精体积分数增大的速度较快；第8天之后发酵速度趋于缓慢；在发酵第12天时，酒精体积分数为12.1%，符合待发值且与第14天持平。因此发酵时间为12 d最合适。

2.2 响应面法优化桦树液酒发酵工艺

综合单因素试验结果可知，发酵时间在10 d之后酒精体积分数趋于平稳，固发酵时间选取12 d为最佳，根据Box-Behnken中心组合试验设计原理，选取SO2添加量（A）、酵母接种量（B）、发酵温度（C）为3个因素，以酒精体积分数（Y）为响应值，分别在3个水平上进行试验。试验因素水平及编码见表1，试验方案设计及结果见表2。

表1 响应面试验优化桦树液酒发酵工艺因素水平与编码表Table1 Factorsand levels in response surfacedesign

表2 Box-Behnken试验设计方案及结果Tab le2 Resultsof Box-Behnken centralcom posite design

2.2.1 回归模型的建立及方差分析

回归模型的建立及方差分析见表3。

表3 响应面试验结果的方差分析Table3 Analysisof varianceof the fitted regressionm odel

续表3 响应面试验结果的方差分析Continue table3 Analysisof varianceof the fitted regression m odel

对表2中试验数据进行多元回归方程拟合后，得到各因素水平对发酵酒酒精体积分数影响的二次多项回归模型

由表3可知，模型的P＜0.01，模型方程（1）极显著，说明不同处理间的差异极显著失拟项P=0.633 7＞0.05，不显著，说明本试验所得二次回归方程能很好的对响应值进行预测；酒精体积分数值与回归方程预测值的相关系数R2为0.990 4，可知拟合情况良好；离散系数（CV）表示试验的精确度，其值越大，试验结果可靠性越低[18]。本试验CV为2.2%，在可接受范围内，说明试验结果可靠。从回归方程系数显著性可知，模型方程（1）的一次项和二次项A、B、C表现为极显著（P＜0.01）；交互项AB表现为显著（0.01＜P＜0.05）、AC表现为不显著（P＞0.05）、BC表现为极显著（P＜0.01）。

2.2.2 响应面的分析及优化

通过Design Expert8.0.6软件，由二元回归模型（1）绘制响应面分析图（图5～图7）。图中直观地反映了各因素之间的交互作用对桦树液酒酒精体积分数的影响。

从响应面分析图中可以看出所选因素对响应值影响强弱顺序依次为：B>C>A即：酵母接种量＞发酵温度＞SO2添加量。

为确定最佳发酵工艺条件，将拟合回归方程的两边分别对A、B、C求一阶偏导数，并设其值为0，得到三元一次方程组：

求解得：A=0.164，B=0.188，C=0.022，根据编码公式得到最佳工艺参数为：SO2添加量103.28mg/L，酵母接种量0.419 g/L，发酵温度25.044℃，此条件下酒精体积分数达11.98%。考虑实际操作性，将发酵工艺参

数修正为：SO2添加量103mg/L，酵母接种量0.42 g/L，发酵温度25℃。

图5 和酵母接种量交互作用对酒精体积分数影响的响应面和等高线图Fig.5 Response surfaceand contour plotof interaction among SO2and yeast inoculation quantity on alcoholicity

图6 SO2和发酵温度交互作用对酒精体积分数影响的响应面和等高线图Fig.6 Responsesurfaceand contour plotof interaction am ong SO2and fermentation tem peratureon alcoholicity

图7 酵母接种量和发酵温度交互作用对酒精体积分数影响的响应面和等高线图Fig.7 Response surfaceand contour p lotof interaction among yeast inoculation quantity and ferm entation tem peratureon alcoholicity

2.2.3 酒精体积分数验证性试验

为了检验响应面法的可行性，采用得到的最佳发酵条件进行桦树液酒的发酵试验，SO2添加量103mg/L、酵母接种量0.42 g/L、发酵温度25℃，同时进行3次平行试验。桦树液酒的酒精度平均值为11.9%vol。与预测值误差仅差0.67%。结果极为接近，进一步验证了模型方程（1）的实用性。

2.3 产品质量标准

2.3.1 感官指标

本试验发酵的桦树液酒色泽微黄，澄清透明，既有原汁的清香，又有发酵后浓郁的醇香，滋味协调，口味纯正无杂，清凉爽口，具有本酒典型的风格。

2.3.2 理化指标

酒精体积分数：11.5%vol～12%vol；还原糖：（以葡萄糖计）≤4 g/L；可滴定酸（以柠檬酸计）：0.56%；游离SO2≤50mg/L。

2.3.3 微生物指标

菌落总数＜100CFU/mL；大肠杆菌＜3MPN/100mL；致病菌：未检出。

3 结论

通过单因素试验和中心组合设计试验，采用响应面分析法优化桦树液酒的发酵工艺条件，建立桦树液酒发酵工艺的二次多项数学模型。该模型极显著，拟合情况好，可用来预测设定条件范围内及其周围的桦树液酒发酵工艺参数，有一定实用价值。各因素对桦树液酒发酵工艺的影响次序为酵母接种量＞发酵温度＞SO2添加量，优化后工艺条件参数为酵母接种量0.42 g/L、发酵温度25℃、SO2添加量103mg/L、发酵时间为12 d，在此条件下，酒精体积分数为11.98%vol，发酵所得的桦树液酒酒香浓郁，风味典型性明显，是一种营养丰富的保健型果酒，开发前景广阔具有实用意义。

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Optim ization of Fermentation of Birth Sap W ine by Response Surface M ethodology

QUDi
（InstituteofSpecial Animaland PlantSciencesofCAAS，Changchun 130000，Jilin，China）

The fermentation condition ofbirth sapwinewasoptimized by response surfacemethodology.The impactof sulfur dioxide used，yeast inoculums concentration and fermentation temperature on sensory score，and the alcoholicity was selected as response value and themathematicalmodelwas established by Box-Behnken central composite design.Asa result，inoculum amount0.42 g/L，sulfur dioxide103mg/L，fermentation temperature 25℃，fermentation time 12 days，under this optimal condition，the alcoholicitywas 11.98%volwith good quality.

birch sap；brewedwine；fermentation technology；responsesurfacemethodology

10.3969/j.issn.1005-6521.2016.23.029

2016-02-17

曲迪（1990—），女（汉），硕士，研究方向：长白山野生植物资源开发利用。