山药桑黄酒精饮料的发酵工艺

吕芳，孙浩，叶淑红

大连工业大学食品学院（大连 116034）

山药又名山芋，属于草本类植物，是一种兼用型植物。山药作为食药两用的佳品，其中含有丰富的蛋白质、多糖、胆碱、维生素和人体需要的多种微量元素，如钙、铁、磷、碘等[1]，还有多种可被人体利用的氨基酸[2]，素有“中国小人参”的美名[3]。山药主要用在焙烤和发酵行业[4]，其中山药保健酒（白酒酒精度4%～10%vol）深受消费者青睐。

桑黄属针层孔菌属[5]，通常作为药用真菌，用作中药有两千多年历史。桑黄中含有多糖类、甾体类、黄酮类、萜类、呋喃类、吡喃酮类等多种化合物[6]。桑黄具有抗肿瘤作用[7]、抗肝纤维化[8]、降血脂[9]、调整血糖浓度等功效[10]；并对类风湿性关节炎、痛风等病症有一定的治疗作用[11]。

由于天然桑黄资源稀少，目前桑黄产品主要是针对高端人群的药物和保健品，如日本的桑黄多糖颗粒，韩国的桑黄口服液[12]，产品形式单一，价格比较昂贵。随着桑黄养殖业的发展，市场上期望能有适合广大消费人群的多品类桑黄产品。

基于山药和桑黄在保健食品方面都具有良好的研究前景，试验以山药和桑黄为原料，用安琪酿酒酵母作为发酵剂，研制一款山药桑黄发酵酒精饮料。在发酵过程中，山药和桑黄中的有效营养素溶出，提高产品营养价值，改善产品感官。试验结果为桑黄、山药等药食原料的进一步开发应用奠定基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

山药、桑黄（市售）；安琪酿酒酵母（保藏于大连工业大学食品学院实验室）；α-淀粉酶（酶活力50 000 U/g，食品级，河南扩源化工产品有限公司）；纤维素酶（酶活力100 000 U/g，食品级，和氏璧生物科技有限公司）；其余化学试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

722S可见分光光度计（上海舜宇恒平科学仪器有限公司）；ZHWY-211B恒温摇床（上海智诚分析仪器制造有限公司）；SW-CJ-2FD超净工作台（苏州安泰空气技术有限公司）。

1.3 方法

1.3.1 工艺流程

1.3.2 操作要点

山药浆的制备[13]。新鲜山药切片，经护色（0.5%柠檬酸浸泡20 min）和糊化处理后按比例与水混合，打浆。

山药酶解[14]。山药浆中添加山药干重的2%淀粉酶，在温度60 ℃条件下水浴60 min。

桑黄酶解。桑黄粉中每克添加500 U纤维素酶，在温度60 ℃条件下水浴60 min。

调配：将桑黄酶解液中按比例加入山药酶解液，充分混合均匀。

灭菌[15]。采用HTU超高温杀菌30 min，冷却至40℃进行接种。

菌种准备。将菌种安琪酵母菌活化（肉汤培养基），制成发酵剂（109CFU/mL）。

发酵。接种后的料液置于温度28 ℃恒温摇床发酵72 h，取出进行调配。

1.3.3 发酵工艺单因素条件研究

以还原糖利用率、总糖利用率和感官评定分数作为考察指标，确定单因素的最优水平。初始条件为：料液质量比1∶8，28 ℃，酵母接种量体积分数2%，装液量48%，发酵68 h。控制单因素条件为变量，其他条件为初始值进行试验。

1.3.4 发酵工艺响应面试验研究

根据单因素优化结果，设计Box-Behnken Design响应面模型，选用装液量（A）、料液质量比（B）、发酵温度（C）3个因素，采用Box-Behnken中心组合试验设计三因素三水平试验，优化工艺条件，试验因素及编码表如表1。

表1 Box-Behnken试验因素及编码表

1.3.5 测定方法

还原糖，采用3, 5-二硝基水杨酸法[16]；总糖，采用苯酚-硫酸法测总糖[17]；三萜，采用香草醛-冰醋酸法测三萜[18]；黄酮，采用亚硝酸钠-硝酸铝法测总黄酮[19]；酒精含量，参照王永华《食品分析》酒精含量的测定[20]；微生物指标，GB/T 4789.25—2003《食品卫生微生物学检验 酒类检验》[21]。

1.3.6 感官评分方法

感官评定参照GB/T 33404—2016白酒感官品评导则[22]。具体评分标准见表2。

表2 感官综合评分表

1.3.7 数据处理

采用Origin、Design Expert V 8.0.6等软件对试验数据进行分析。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

以感官评分为评价指标，确定了复配原料的比例为：山药与桑黄质量比19∶1。

2.1.1 料液质量比对发酵过程总糖和还原糖利用率的影响

在不同的料液质量比例下，测定发酵液中总糖和还原糖的利用率，结果如图1所示。料液质量比1∶7时，还原糖和总糖的总体利用率达到最大值。这是由于料液质量比逐渐减小，原料中的还原糖在水中的浸出率升高[23]，所以还原糖利用率又逐渐升高。但是如若料液质量比设置过低，会导致产品风味较为欠缺。综合感官评分考量，最终确定料液质量比为1∶7。

图1 不同料液质量比下对糖的利用率

2.1.2 发酵温度对发酵过程总糖和还原糖利用率的影响

由图2可知，温度28 ℃时，酵母菌对还原糖和总糖的利用率达到峰值，随着温度升高，酵母菌对糖的利用率逐渐降低，故最佳发酵温度为28 ℃。

图2 不同温度下对糖的利用率

2.1.3 酵母接种量体积分数对发酵过程总糖和还原糖利用率的影响

由图3可知，酵母接种量体积分数1.0%时酵母菌对还原糖和总糖的利用率最高，酵母接种量体积分数大于1.0%后，利用率趋近于平稳，其原因在于菌种繁殖过多，菌种繁殖过多导致菌种间的相互竞争，所以酵母接种量体积分数过高时糖的利用率降低。最终确定酵母接种量体积分数1.0%为最优发酵条件。

图3 不同酵母接种量体积分数下糖的利用率

2.1.4 装液量对发酵过程总糖和还原糖利用率的影响

装液量代表的是发酵瓶中可溶性氧的含量[24]。由图4所示，总糖利用率随着装液量的改变而改变，总糖利用率在装液量60%处达到峰值，而还原糖利用率趋势较为平稳。综合感官评分选择装液量60%为最佳发酵条件。

图4 不同装液量下糖的利用率

2.2 响应面优化试验

2.2.1 响应面模型的建立及显著性检验

根据单因素试验结果，采用Box-Behnken中心组合试验设计，考察各因素对感官分数的影响，借助Design Expert V 8.0.6软件进行分析。

以还原糖利用率（Y）为评价指标，考察酵母菌发酵阶段的装液量、料液质量比、发酵时间对发酵的影响，试验方案及结果见表3。

表3 Box-Behnken设计方案及结果表

通过分析软件对试验结果进行分析，得到回归方程：Y=37.92-2.63A+5.01B-1.20C+2.39AB+1.33AC-1.82BC-7.07A2-8.39B2-2.59C2。其显著性检验与方差分析见表4。

表4 回归方程显著性检验与方差分析

由表4可知，发酵阶段模型p=0.003 2＜0.01，说明建立的回归方程模型极显著；失拟项p=0.064 4＞0.05，不显著，且R2=0.929 6，说明试验的拟合情况好，而且试验的相对误差小[25]；离散系数为10.80%，说明试验的精确度很高；信噪比等于10.464，远大于4，说明试验模型能得到很强的响应信号[26]。模型可用于确定山药桑黄发酵饮料的最佳工艺[27]。

2.2.2 因素交互作用响应面分析

各因素对还原糖利用率影响的响应面优化图见图5。各因素在发酵过程的交互作用，料液质量比（B）曲线相对较陡，因此料液质量比对发酵过程中还原糖利用率的影响最显著；装液量（A）曲线较为平缓，响应值变化随其数值的变化较小，因此装液量对发酵过程中还原糖利用率影响较小。

图5 发酵条件优化响应面图

2.2.3 优化条件的确定和验证试验

采用Design Expert V 8.0.6软件对回归模型进行分析确定获得最佳工艺的发酵条件为：发酵温度26.5℃，装液量60%，料液质量比1∶7。在此条件下，产品的还原糖利用率的理论值可达37.92%。在此最佳工艺条件下，进行3组验证试验，还原糖利用率实际值为37.19%，与预测理论值相对误差为1.93%。试验结果说明所得模型与实际情况拟合程度良好，能够较好地反映出装液量、发酵时间和料液质量比与发酵过程中还原糖利用率之间的关系，可采用该模型对发酵结果进行预测。

3 结论

试验以山药和桑黄为原料，探究山药桑黄酒精饮料在不同因素条件下的生产工艺，通过单因素和响应面分析，得出山药桑黄酒精饮料的最佳生产工艺为：山药与桑黄浆质量比19∶1，料液质量比1∶7，酵母接种量体积分数1%，发酵温度26.5 ℃，发酵时间76 h，装液量选择60%。在此条件下，总糖和还原糖利用率最大，得到的产品为明黄色，色泽亮丽、澄清、嗅到有酒精醇香及特殊木质香气，品尝有茶香，回味绵长，并且含有较合适的酒精度（3.77%vol），和丰富的营养物质（其中总黄酮0.023 g/L、三萜类物质0.21 g/L）。产品含有山药及桑黄的营养成分，可以兼具山药、桑黄和发酵饮料的多种营养保健作用，为山药和桑黄的开发利用提供新途径。