响应面法优化沙棘酒的发酵工艺

蔡文超,单春会,李文新,宁 明,杨丽萍,唐凤仙

(石河子大学 食品学院,新疆 石河子 832000)

沙棘(Hippophae rhamnoides)属于胡颓子科(Elaeagniaceae)沙棘属(Hippophae)植物,其抗逆性强,在盐碱地也可生存,还具有耐寒、抗风沙的特性[1]。沙棘果中维生素的含量丰富,尤其是维生素C(vitamin C,VC)的含量非常高,每克鲜果中含量在10～16 mg,是橘子的35倍,被称为“VC之王”[2]。此外,沙棘中还含有三萜、脂类、蛋白质、亚麻油、酚类、黄酮类等物质[3]。研究发现,沙棘具有抗氧化、抗心血管疾病、软化血管、保持年轻、增强免疫力等多种功能[4]。在国际上,沙棘的价值也被越来越多的人认可,沙棘的种植与开发也受到研究人员的重视[5]。目前,目前国内对沙棘产品的研究仅有沙棘果汁、沙棘果醋等的报道,在沙棘酒方面的研究还鲜见文献报道[6-7]。

新疆地区沙棘资源丰富,品种优良,开发生产沙棘系列产品具有较高的经济效益,新鲜沙棘果每公斤4.50元,而沙棘酒市场价在100元以上,附加值较高[8]。目前,新疆地区沙棘酒的研究开发还处于起步阶段,因此沙棘酒的研发对新疆沙棘产业的拓展具有积极的作用。

通过沙棘原料的深加工,开发研究沙棘酒,延长沙棘产品的产业链,使沙棘原料得到充分利用,扩大市场需求,提高种植的积极性,促进当地经济的发展[9-10]。本研究在单因素试验结果的基础上,采用响应面法优化沙棘酒的发酵工艺参数,确定最佳的沙棘酒加工工艺条件,以期为沙棘酒的开发提供新的途径与理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

沙棘原浆:新疆慧华沙棘生物科技有限公司；蔗糖(食品级):市售；酿酒活性干酵母(食品级):湖北安琪酵母股份有限公司；果胶酶(30 000 U/g):肇东日成酶制剂有限公司；碳酸氢钠(食品级):山东海天生物化工有限公司；偏重亚硫酸钾(分析纯):天津市大茂化学试剂厂；葡萄糖(食品级):山东西王糖业有限公司。

1.2 仪器与设备

SPX-250B生化培养箱:常州诺基仪器有限公司；S-3C型pH计:上海精密科学仪器有限公司；0～10酒精计:河北省沧州地区医药公司；MC202231型手持糖度计:成都泰光学有限公司；MULTIFUGEX1R离心机:常州万合仪器制造有限公司；FA201S电子分析天平:上海天平仪器厂；DK-8D数显恒温水浴锅:上海予卓仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 沙棘酒工艺流程及操作要点

原料处理:沙棘原浆在贮藏过程中会出现上层浮油的现象,因此需要用离心机对沙棘原浆进行去油(5 000 r/min离心15 min),下清液贮存备用。

成分调整:通过料液比预试验,将沙棘原浆与蒸馏水按2∶1(g∶mL)的比例复合得到沙棘果汁,根据理论值17 g/L的蔗糖通过发酵可以产生1%vol的酒精,按照预计酒精度并结合感官评定,用白砂糖将沙棘果汁的糖度调整为24%,pH值用碳酸氢钠调整为3.8,加入30 mg/L偏重亚硫酸钾杀菌并提高沙棘酒的稳定性[11-12]。将沙棘汁于65℃,恒温水箱中杀菌20 min,再冷却至30℃[14]。

酵母的活化:在5%的葡萄糖溶液中加入酿酒活性干酵母,混合均匀,于37℃水浴活化30 min,作为菌种使用[13]。

发酵:在无菌条件下,接种活化后的酵母菌于沙棘汁中,在恒温培养箱中进行发酵,每隔12 h观察发酵液残糖量的变化,当残糖量维持72 h不变时,终止发酵。

澄清:向发酵完成的沙棘酒中加入明胶和壳聚糖混合澄清剂,在23℃条件下澄清后过滤[15]。

1.3.2 沙棘酒发酵条件优化的单因素试验

选取料液比(1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1(g∶mL))、初始糖度(22°Bx、24°Bx、26°Bx、28°Bx、30°Bx)、酵母添加量(0.01%、0.02%、0.03%、0.04%、0.05%)、发酵温度(20℃、22℃、24℃、26℃、28℃)进行单因素发酵试验,以酒精度和感官评分为评价标准,确定各因素对沙棘酒发酵品质的影响。

1.3.3 沙棘酒响应面优化试验

在单因素试验结果的基础上,选取因素料液比(A)、发酵温度(B)、初始糖度(C)和酵母添加量(D),并以酒精度(X)和感官评分(Y)为响应值,采用Design-Expert 8.0软件中心组合试验,进行响应面优化试验[16]。响应面试验因素与水平见表1。

表1 沙棘酒发酵条件优化响应面因素与水平Table 1 Factors and levels of response surface experiments for fermentation conditions optimization of sea-buckthorn wine

1.3.4 感官评定

选择有果酒品评经验的人员,组成一个10人的小组,每人分别对沙棘酒进行品评后打分,结果取平均值,主要从外观色泽、形态、香气、口味几方面进行评定,评分标准按表2的评审标准进行[17]。

表2 沙棘酒感官评价标准Table 2 Sensory evaluation standards of sea-buckthorn wine

1.3.5 理化指标检测方法

可溶性固形物的测定:采用糖度计法；总糖、总酸、酒精度的测定:参照GB/T 15038—2006《葡萄酒、果酒通用分析方法》[18]；二氧化硫含量的测定:参照GB 5009.34—2016《食品中二氧化硫的测定》[19]；菌落总数的测定:参照GB 4789.2—2016《食品微生物学检验菌落总数测定》[20]；大肠菌群的测定:参照GB 4789.3—2010《食品微生物学检验大肠菌群计数》[21]；致病菌的测定:参照GB 29921—2013《食品中致病菌限量》[22]。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 料液比对沙棘酒品质的影响

图1 料液比对沙棘酒酒精度和感官评分的影响Fig.1 Effect of solid-liquid ratio on alcohol content and sensory score of sea-buckthorn wine

由图1可知,随着沙棘果浆比例的增加,沙棘酒酒精度呈下降趋势,而感官评分呈先增大后减少的趋势。当料液比为1∶1(g∶mL)时,沙棘酒酒精度最高,达到了12.9%vol,但果香味和酒香不够,沙棘的味道不突出,感官评分最低,为65分；当料液比为3∶1(g∶mL)时,色泽金黄色,口感爽口,感官评分最高,为88分,且酒精度也相对较高,为12.6%vol。此后,随着沙棘和水的比例升高,沙棘本身不愉快的酸味逐渐显现,感官评分持续下降。因此,选择料液比为3∶1(g∶mL)时为为宜。

2.1.2 酵母添加量对沙棘酒发酵的影响

图2 酵母添加量对沙棘酒酒精度和感官评分的影响Fig.2 Effect of yeast addition on alcohol content and sensory score of sea-buckthorn wine

由图2可知,随酵母添加量的增加,沙棘酒酒精度先迅速增加后趋于平衡,而而感官评分呈先增大后减少的趋势。当酵母添加量为0.01%时,沙棘酒发酵不完全,酒精度较低(10.2%vol),酒香味也不足,感官评分为65分；随着加入的酵母量的增加,酒精度与感官评分也随之增加,当酵母量在0.03%时,沙棘酒果香和酒香浓郁,无杂味,感官评分最高,为90分；此后,酵母添加量继续增加,而由于酵母自身的消耗作用及发酵作用,糖的消耗量加快,酒精度变化不大。酵母含量过高导致酒中产生异味,感官评分反而不高。因此,选择酵母添加量0.03%为宜。

2.1.3 初始糖度对沙棘酒发酵的影响

图3 初始糖度对沙棘酒酒精度和感官评分的影响Fig.3 Effect of initial sugar content on alcohol content and sensory score of sea-buckthorn wine

由图3可知,随着初始糖度的增加,沙棘酒酒精度和感官评分均呈先增加后减少的趋势。当初始糖度为22°Bx时,沙棘酒的酒精度为10.3%vol,由于初始糖度较低,使沙棘本身的不愉快的酸味突出,感官评分也较低；随着初始糖度的增加,沙棘酒的酒精度与感官评分也随之增加,当初始糖度为26°Bx时,酒精度达到最高,此时感官评分也达到最高；当初始糖度超过26°Bx时,过高的浓度使酵母菌的发酵速度下降,果酒发酵不完全,酒精度含量与感官评分也随之下降。因此,选择初始糖度为26°Bx。

2.1.4 发酵温度对沙棘酒发酵的影响

图4 发酵温度对沙棘酒酒精度和感官评分的影响Fig.4 Effect of fermentation temperature on alcohol content and sensory score of sea-buckthorn wine

由图4可知,当发酵温度为20℃时,沙棘酒的酒精度为10.2%vol；随着发酵温度的升高,酒精含量随之升高；当发酵温度为30℃时,酒精度最高为11.5%vol,此时发酵温度适合酵母菌的生长,繁殖速度快,消耗过多酒液中的营养成分,对沙棘酒香气和风味产生不良影响,使感官评分下降；当发酵温度为24℃时,沙棘酒发酵速率适中,酒精度相对较高,且感官评分达到最高,因此选择发酵温度24℃为宜。

2.2 响应面分析方案与结果

根据单因素试验结果,对4个因素进行响应面优化,试验设计及结果见表3。用Design-Expert 8.0.6的中心组合试验,进行4因素3水平设计,总共有29组试验,以酒精度(X)和感官评分(Y)为双响应值,进行试验,其中有24个为析因试验,有5个为中心试验。响应面试验结果与分析见表3。

表3 沙棘酒发酵工艺条件优化响应面试验设计与结果Table 3 Design and results of response surface experiments for fermentation process conditions optimization of sea-buckthorn wine

续表

2.2.1 回归模型的建立及方差分析

利用响应面设计软件,对表4试验数据进行回归分析,得到多元二次回归方程:

酒精度的回归方程:

X=11.54+0.42A+0.23B+0.52C+0.85D+0.075AC+0.18AD+

感官评分的回归方程:

酒精度和感官评分的回归分析结果见表4。显著性检验结果(表4)表明,两种模型回归均显著(P＜0.0001),失拟项分别为:酒精度为响应值时,P=0.9662＞0.05；感官评分为响应值时:P=0.3821＞0.05,失拟项都不显著。并且模型决定系数R2X=0.886 3,R2Y=0.971 5,表明两种模型均与实际试验拟合较好,各因素与酒精度和感官评分之间存在良好的线性关系,此模型可用作预测和分析沙棘酒发酵工艺参数。

酒精度的回归方程中除交互项AB、AC、AD、BC无显著影响外,其余各项均有显著性影响(P＜0.05),其中因素A、C、D、A2、C2、D2对酒精度的影响达到极显著(P＜0.01),对回归方程优化后为:X=11.54+0.42A+0.23B+0.52C+0.85D+0.35BD+0.37CD-0.68A2-0.28B2-0.71C2-0.53D2；感官评分的回归方程中除交互项AD、CD无显著影响外,其余各项均有显著性影响(P＜0.05),其中因素A、B、C、D、AB、BD、A2、B2、C2、D2对感官评分的影响达到极显著(P＜0.01),对回归方程优化后为:Y=94.00+5.25A+3.67B+2.42C+1.67D+1.75AB-1.25AC+1.50BC+2.75BD-7.71A2-3.83B2-6.46C2-5.33D2。

此外,通过F值大小,在选定实验范围内,推断各因素对实验结果的重要性,F值越大,其对应的重要性也越大。由表4可知,各因素的影响因子为(酒精度):D＞C＞A＞B；各因素的影响因子为(感官评分):A＞B＞C＞D。

表4 回归模型方差分析Table 4 Variance analysis of regression model

2.2.2 响应面分析及优化

采用Design-Expert 8.0.6软件分析回归模型,料液比、发酵温度、初始糖度、酵母添加量4个因素交互作用对酒精度和感官评价影响的响应面和等高线,结果见图5。

图5 料液比、发酵温度、初始糖度、酵母添加量交互作用对沙棘酒酒精度和感官评分影响的响应面和等高线Fig.5 Response surface plots and contour line of effects of interactions between solid-liquid ratio,fermentation temperature,initial sugar content and yeast addition on alcohol content and sensory score of sea-buckthorn wine

由图5可知,酵母添加量为定值时,发酵温度升高对酒精度没有明显变化,当加入的酵母量为0.02%时,酒精度开始快速增加；发酵温度为定值时,酒精度随着酵母添加量的增加而升高；酵母添加量为定值时,随着初始糖度的升高,酒精度先升高后降低；当初始糖度保持不变时,酒精度随着酵母添加量的增加而升高。

发酵温度为定值时,随着料液比的比例增大,感官评分的变化是先升高后降低,当采用22℃以上发酵时,感官评分变化趋于平缓；当料液比保持不变时,感官评分随着发酵温度的增加变化平缓。初始糖度为定值时,随着料液比的升高,感官评分升高；当料液比保持不变时,感官评分随着初始糖度的增加先升高后降低。发酵温度为定值时,提高初始糖度,感官评分变化是先升高后降低；当初始糖度保持不变时,感官评分随着发酵温度的提高而升高,当初始糖度达到26°Bx,感官评分变化趋于平缓。酵母添加量为定值时,提高发酵温度,感官评分升高；当发酵温度为定值时,感官评分随着酵母添加量的增加先升高后降低。

2.2.3 响应面验证试验

由DesignExpert8.0.6软件进行优化,以酒精度和感官评分为双响应值,确定最佳发酵参数为料液比为3.43∶1(g∶mL)、发酵温度26℃、初始糖度26.99°Bx、酵母添加量0.04%,在此发酵条件下,沙棘酒酒精度为12.57%vol,感官评分为95.95分。考虑到实际生产,将最佳工艺参数调整为料液比为3.4∶1(g∶mL)、发酵温度26 ℃、初始糖度27 °Bx、酵母添加量为0.04%。按照优化的发酵条件进行沙棘酒酿造,测定酒精度,并进行感官评分。实际测得的酒精度为12.0%vol,感官评分为93分,与理论值差异均不显著(P＞0.05)。

2.3 产品质量指标

在最佳发酵条件下,所得沙棘酒的各项指标检测结果为:沙棘酒的总酸含量为7.5 g/L,总糖含量为64 g/L,酒精度为12.0%vol,总二氧化硫含量为52 mg/L。其微生物指标中,细菌总数≤100 CFU/mL；大肠杆菌≤3 MPN/100 mL；致病菌未检出。沙棘酒各项指标符合国家标准参照GB/T 15038—2006《葡萄酒、果酒通用分析方法》。

3 结论

以沙棘汁为原料,通过单因素试验和响应面分析,考虑料液比、发酵温度、初始糖度、酵母添加量对沙棘酒发酵的影响。结果显示,沙棘酒发酵优化参数为料液比3.4∶1(g∶mL)、发酵温度26 ℃、初始糖度27 °Bx、酵母添加量0.04%,在此工艺条件下,发酵所得沙棘酒酒的精度为12.0%vol,感官评分为93分。酒体呈现出金黄色的外观特征,沙棘果香突出,酒香浓郁,口感甘洌,是一种具有广阔市场前景的果酒,对于拓宽沙棘深加工渠道有着深渊的意义。

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