薏米啤酒的加工工艺研究与优化

虞思倩，吴迪，杨盼盼，董蓓佳，林柯*

吉林农业大学食品科学与工程学院（长春 130118）

薏米是禾本科植物薏苡的种仁，又称薏苡仁、六谷子。其营养价值很高，含有近18%的蛋白质，49.5%的淀粉和7.2%的粗脂肪[1]。现代药理学表明，薏米具有抑制癌细胞分裂增殖[2]、治疗肿瘤、类风湿关节炎[3]等疾病的功效，因此具有较好的发展前景。

“药食同源”的养生观念深入人心[4]，薏米不仅在日常生活中作为食物被食用，而且还能作为药膳。现已有薏米固体饮料[5]、薏米山药乳酸饮料[6]、薏仁米酒[7]和薏米粥等薏米产品被广泛开发。

市面上的啤酒大多以麦芽为主要原料，其保健效果差，而且口味单一，难以满足消费者的需求。如果能够将薏米的营养成分有效地与啤酒融合，作为一种功能性的啤酒，不仅能满足消费者的需求，而且还能增加啤酒品种。试验将以薏米和大麦芽为原料制作啤酒，将薏米中的淀粉水解为糖与大麦芽共同糖化，使其中的营养成分浸入啤酒。试验不仅优化了薏米啤酒的加工工艺，还为开发新型保健酒提供了研究方法。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

1.1.1 试验材料

大仁薏米；大麦芽；啤酒酵母，弗曼迪斯拉格干酵母SafLager-S-189；酒花颗粒，佩勒Perle（珍珠）酒花SM-20；卡拉胶。

1.1.2 试验设备

数显恒温水浴锅（HH-4，金坛市科析仪器有限公司），生化培养箱（SPX-250B-Z，上海博迅实业有限公司医疗设备厂），高速万能粉碎机（FW80，天津市泰斯特仪器有限公司），电子分析天平（FA2004，上海上平仪器公司），万用电炉（DL-1（1KW），北京中兴伟业仪器有限公司）。

1.2 试验方法

1.2.1 工艺流程（参见图1）

图1 薏米啤酒的生产工艺流程

1.2.2 操作要点

1.2.2.1 原料的选择与混合

选择有光泽、呈淡黄色的大麦芽为主料，颗粒饱满、无霉变的新鲜薏米为辅料。量取已加热至35～40℃的水1 L，以1∶4（g/mL）的料水比（即需原料共250 g），再按0.25∶1（g/g）的比例称取薏米和麦芽，即薏米50 g，麦芽200 g，混合。

1.2.2.2 温度控制

混合后，将原料液放入水浴锅。使其升温至50℃维持60 min，再在10 min之内升温至63℃维持40 min，再在15 min之内升温至72℃维持40 min，最后升温至78℃维持15 min，完成糖化操作[8]。多段升温目的在于使酶在不同温度下发挥相应的作用[9]。

1.2.2.3 碘检

为检验糖化是否完全，采取碘检的方式来验证[10]。分别称取分析纯碘单质1.27 g和分析纯碘化钾2.50 g用蒸馏水配置成0.02 mol/L的碘液，取少许糖化醪，滴2滴碘液，发现溶液未变色，则判断糖化完全。

1.2.2.4 过滤

糖化结束，冷却至室温后，使用120目的纱布除去麦糟，使麦芽汁无大块颗粒。酒花添加结束后使用回旋沉淀槽除去热凝固蛋白和酒花残留物。发酵结束后用离心（4 000 r/min，20 min）的方法除酵母，使啤酒基本达到澄清的状态。

1.2.2.5 酒花添加

以麦芽汁质量的0.05%分3次添加酒花。第1次添加酒花的时间是煮沸后5 min，添加酒花质量的10%；第2次添加酒花的时间是煮沸后40 min，添加酒花质量的30%；第3次添加酒花的时间是煮沸结束前5 min，添加酒花质量的60%。

1.2.2.6 酵母复水活化

将煮沸后的麦汁加入等量的无菌冷开水迅速冷却至30～32℃得到活化麦汁，然后加入活化麦汁重量的10%的干酵母活化30 min。在活化的过程中会明显的看到液体变浑浊，同时酵母由干瘪变得饱满[11]。

1.2.2.7 杀菌

将发酵容器通过煮沸方式杀死大部分杂菌。在啤酒的生产过程中，杂菌可存在于各种盛装容器，它们的污染繁殖可产生与酵母代谢产物不同的物质而改变啤酒的风味。为保证优质啤酒的生产和控制啤酒的生物稳定性，杀菌的过程不可忽视[12-13]。

1.3 试验设计

以感官评价为综合评价指标，分别研究料水比（1∶3.5，1∶4，1∶4.5，1∶5和1∶5.5（g/mL））、薏麦比（0.1∶1，0.15∶1，0.2∶1，0.25∶1和0.3∶1（g/g））、发酵温度（6，8，10，12和14℃）对薏米啤酒最后风味的影响。

1.4 感官评定标准及理化评价方法

1.4.1 感官评定标准

表1 薏米啤酒感官评定标准

1.4.2 还原糖的测定

还原糖的测定采用斐林试剂法[14]。

1.4.3 酒精度的检测

酒精度的检测采用密度瓶法[15]。

1.4.4 透明度的检测

采用分光光度计法测定，用10 mm比色杯在660 nm下测定透明度。

1.5 数据统计分析

试验所得数据用SPSS 20.0和Design-Expert 8.0.6软件处理。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果及分析

2.1.1 料水比对麦汁相对含糖量的影响

料水比的高低将影响糖化的质量。料水比过高，容器内过多的物料会影响试验操作，同时含糖量过高的麦汁会对发酵产生阻碍作用[16]。料水比过低，经糖化产生的可发酵糖含量将会降低，不利于酵母发酵作用[17]。为选取最佳料水比作为试验水平，在薏米和大麦芽的质量比为0.2∶1（g/g）的条件下，对一定范围内料水比与相对含糖量之间的关系做验证。

在薏麦比相同的条件下，如图2所示，选取料水比为1∶4，1∶4.5和1∶5（g/mL）为响应面分析试验水平。

2.1.2 薏麦比对麦汁含糖量的影响

薏米啤酒最显著的特点是啤酒中含有薏米的特殊味道。在预试验中发现，薏麦比在0.1∶1（g/g）以上所糖化出的麦芽汁有明显的薏米味。当比例达到0.3∶1（g/g）以上就会出现碘检不正常现象，初步判定麦芽汁含糖量与主辅料之比有直接关系。为了验证这一猜想，在料水比为1∶4（g/mL）的条件下，分别以如上薏麦比进行糖化，通过测定含糖量，选择合适的薏麦比。

图3示表明，当薏麦比在0.1∶1～0.25∶1（g/g）时，麦汁含糖量随薏麦比的增加而减少。麦芽汁糖化酶大都来自麦芽，因此随着麦芽含量的降低，糖化所需要的酶就会减少，相应产物的含量也会减少。但在薏麦比达到0.25∶1（g/g）之后，含糖量有上升的趋势，与之前二者呈相关性的假设不符。但为了降低辅料成本以及使辅料的利用得到最大化，经综合考虑还是选取了0.2∶1，0.25∶1和0.3∶1（g/g）做响应面分析试验水平。

图2 不同料水比对相对含糖量的影响

图3 不同薏麦比对含糖量的影响

2.1.3 发酵温度对酒精度的影响

料水比为1∶4（g/mL），薏麦比为0.3∶1（g/g），发酵时间为7 d，分别以6，8，10，12和14℃温度进行发酵，通过检测酒精产量来确定最佳发酵温度。

图4显然，当发酵温度为6～10℃时，酒精度随发酵温度的升高而升高；当温度为10℃时，酒精度达到峰值。继续升高发酵温度，酒精的产量在下降。这是因为在发酵的过程中，温度影响酵母的活性。在一定范围内升高发酵温度可提高酒精产量，但温度增加过多会抑制酵母发挥作用[18]。因此，选择发酵温度8，10和12℃为响应面分析试验水平。

2.1.4 响应面优化工艺参数设计

由单因素试验确定了影响薏米啤酒口感的最佳水平范围，采用Box-Behnken试验设计，运用Design- Expert 8.0.6软件，建立三因素三水平的模型，通过分析其数学回归模型，得到制作薏米啤酒的最佳配方，其因素与水平设计见表2，其中以-1、0、1分别为自变量的低、中、高水平。

图4 不同发酵温度对酒精度的影响

表2 试验因素及水平

2.2 响应面法薏米啤酒工艺结果

采用Box-Behnken设计以上三因素三水平的响应面试验，对试验结果进行建模分析，以确定制作薏米啤酒的最佳工艺参数。通过此软件，共设计了17组试验，所得结果如表3所示。

表3 响应面试验设计与结果

2.3 回归模型的建立和方差分析

根据表3所示17组试验数据，得到三个因素料水比（A）、薏麦比（B）、发酵温度（C）关于感官评价得分（Y）的二次多项回归方程，如下：

对此回归方程进行更深层的分析，得到方差分析结果，见表4。

由表4中的显著性结果可知，首先这个模型是极显著的p=0.000 2（p＜0.01），并且它的失拟项p= 0.967 1（p＞0.05）不显著，则这个模型可以切实可行的用这个方程来分析，其几乎不受未知的因素干扰，该建模成功。其次，此模型的模拟相关系数为R2=0.965 9，远大于0.9并且接近于1，说明该模型具有良好的预测性，其实际值和预测值拟合性较高，相关的方程式有较高的参考价值。再者，变异系数（CV= 0.91%）较小小于1%，表示数据的离散程度较小，此工艺比较稳定，重现性佳。最后，信噪比为13.079较高，因为一般来说，信噪比大于4的模型就是较好的模型了，进一步说明这个模型具有很高的可信度。

F值越大，说明各因素对薏米啤酒最后的感官评分影响也越大，即各因素的F值反映了其对试验指标的重要性。由表4可知，一次项B、C的p＜0.01，达到极显著的影响水平，然而A的p＞0.05，其对最后感官评价的影响为不显著，说明料水比（A）对感官评价评分无显著影响，而薏麦比（B）和发酵温度（C）对感官评价评分有显著的影响。交互项AB的p＜0.01，AC、BC＞0.05，二次项A2、B2、C2的p＜0.05，所以在此水平范围内，对结果影响的排序为：薏麦比（B）＞发酵温度（C）＞料水比（A）。

表4 回归模型方差分析表

2.4 交互项图形分析及工艺优化

等高线图和响应面图能对响应值有一个直观而形象的反映。通过等高线的密集程度和形状能判断出两因素交互效应的强弱，图中若为椭圆形则两因素交互显著，若接近圆形说明两因素交互作用不显著；同时，响应面的坡度陡峭程度，也能反映各因素对响应值的贡献大小。（图中所示料水比0.25即1∶4，0.23即1∶4.5，0.2即1∶5，以此类推。）

图5展示了不同因素交互作用对最后感官评价得分的等高线和响应面。从图5a可知，固定发酵温度（C），而料水比（A）、薏麦比（B）交互作用显著，因为其坡度陡峭，最后的感官得分随着料水比与薏麦比的增加而缓慢增加而后下降的变化趋势；从图5b可知，固定薏麦比（B），而料水比（A）、发酵温度（C）交互作用不显著，感官得分呈现略微上升后趋于平稳的趋势；同理，图5c可知，固定料水比（A），而薏麦比（B）、发酵温度（C）对最后的感官得分没有较大的影响。

图5 任意两变量对感官评价得分影响的响应面与等高线图

2.5 薏米啤酒最佳工艺参数确定

利用Design-Expert 8.0.6软件对此模型的回归方程求解，预测生产薏米啤酒的最佳工艺，当料水比（A）为0.21，即1∶4.76（g/mL），薏麦比（B）为0.2∶1（g/g），发酵温度（C）为10.64℃时，最后的感官评价得分能达到91.8分。为证实预测的准确性，控制以上条件，并进行了3组平行试验，经过严格的评判后取得感官评分的实际平均值，为92.6分，与预测值相比，误差仅为0.87%，接近预测值，说明通过这个模型得到的最佳工艺参数具有参考价值并且可靠性高。

2.6 澄清及其结果

在给薏米啤酒感官评分中，很重要的一项就是评价其透明度，也就是啤酒的浑浊度。啤酒浑浊不仅会导致其外观变得暗沉，不清亮，还会造成其稳定性下降，过滤困难等一系列问题，从而增加了生产成本[19]。因此选择一种合适的麦汁澄清剂变得尤为重要。

在国际上，卡拉胶常用于啤酒的澄清，然而在国内并未完全的普及。并且卡拉胶具有凝沉作用完全、加快蛋白质沉淀、不影响啤酒的泡沫性能等特点[20]，而且与硅胶、单宁等澄清剂相比其的成本非常低，因此在本次试验中选用卡拉胶作为麦汁澄清剂。

首先将卡拉胶与水以1∶10的比例混合，然后在麦汁煮沸前15 min内，将卡拉胶加入其中，其用量为每1 L的麦汁添加10～50 mg的卡拉胶。

具体的卡拉胶用量在10～50 mg/L之间，但是最佳的加入量是多少不能确定。利用“黄金分割优选法”不断舍劣取优，逐步缩小试验范围，直至取得满意的结果，可以用较少的试验次数迅速找到最佳点。

因为卡拉胶添加量的含优区间是[10, 50]，在[10, 50]的0.618处取值，即第一试验点为：

P1=（50-10）×0.618+10=34.72 mg/L第二试验点为：

P2=50+10-34.72=25.28 mg/L

测得感官评价得分（透明度）P1低于P2，则舍去不包括P1点以外的部分，在留下部分找出P2的对称点P3，即第三试验点为：

测得感官评价得分（透明度）P3低于P2，则舍去不包括P3点以外的部分，在留下部分找出P2的对称点P4，即第四试验点为：

测得感官评价得分（透明度）P2低于P4，则舍去不包括P2点以外的部分，在留下部分找出P4的对称点P5即第五试验点为：

测得感官评价得分（透明度）P4低于P5，则舍去不包括P4点以外的部分，在留下部分找出P5的对称点P6即第六试验点为：

测得感官评价得分（透明度）P6低于P5，则舍去不包括P6点以外的部分，在留下部分找出P5的对称点P即第七试验点为：

测得感官评价得分（透明度）P7高于P6，但仍低于P5，则可以确定P5时卡拉胶的最佳添加量，为31.12 mg/L。

图6 卡拉胶添加量对薏米啤酒透明度的影响

3 结论

在单因素试验的基础上用响应面法对薏米啤酒的工艺参数进行了优化，影响薏米啤酒感官评分的工艺因素按主次顺序排列为薏麦比＞发酵温度＞料水比。最终确定了其最优工艺条件为：料水比1∶4.76（g/mL）、薏麦比0.2∶1（g/g）及发酵温度10.64℃。此条件下薏米啤酒感官评分为91.8分。利用黄金分割法，确定在每升麦汁中加入31.12 mg的卡拉胶能够达到最佳的澄清效果。