响应面法优化杏酒发酵工艺

陈 雅，雷 静，廉苇佳，韩 琛，吴 斌，阿依加马丽·加帕尔

(新疆农业科学院吐鲁番农业科学研究所，新疆吐鲁番 838000)

0 引 言

【研究意义】杏(Armeniaca vulgaris Lam.)落叶乔木，属蔷薇科李亚科杏属植物，原产于我国，已有3 500年的栽培历史[1-2]。杏营养丰富，含大量碳水化合物、多种维生素、矿物质、类胡萝卜素及水溶性多糖、挥发油、多酚物质等多种活性物质[3-6]。杏是新疆的主栽果树之一[7]，2017年新疆杏种植面积11.1×104hm2，年产量93.3×104t；其中，吐鲁番杏种植面积0.05×104hm2，年产量2.3×104t[8]。吐鲁番以小白杏、梨光杏、毛杏为主。其中，毛杏皮薄，果肉细腻，糖酸适中，果香味浓郁。毛杏成熟期短，皮薄不易储藏及运输，除鲜食外，让原产地加工成杏果产品提高其利用价值。【前人研究进展】杏果产品有杏脯、杏罐头、杏干、杏果醋、杏酒、杏饮料等。目前，针对杏果酒开展了杏酒香气成分、杏酒的护色、杏酒加工工艺、杏酒酵母的筛选及澄清工艺等研究。李春芳等[9]研究杏子经冷冻处理后酿造冰杏酒，得到最佳发酵条件为：发酵温度18℃，糖度21%，酵母接种量0.08%，酸度7 g/L。刘昌蒙等[10]研究NaCl、EDTA、D-异抗坏血酸、柠檬酸、木瓜蛋白酶对杏酒褐变的抑制能力。得到抑制能力：柠檬酸>EDTA>木瓜蛋白酶。低温条件下，柠檬酸0.3%、EDTA 0.4%、木瓜蛋白酶0.5%复合对杏果酒护色效果最佳。傅力等[11]采用气相色谱-质谱联用技术分析了赛买提、小白杏、北山、乔尔胖、圆旦杏和树上干6种杏子果酒的香气成分。杏品种的不同，杏酒中的香气成分有所差异。杏汁初始糖度对杏酒的发酵速率及风味有一定的影响，初始糖度高，发酵的杏酒酒精度高，可以提高酒的口感，但是初始糖度过高，会影响酵母的代谢，影响酒的风味[16]。杏酒的pH值过高或过低都会影响酵母菌的活性[17]。【本研究切入点】杏酒能极大的保留杏的独特果香味及营养成分且附加值高。现如今，杏酒的加工与产业化发展已成为杏资源利用的主要方向，其酿造工艺和品质优化是杏酒产品开发的关键点和难点[12]。针对毛杏发酵酒的工艺研究未见报道。研究吐鲁番特色毛杏为原料，研究影响杏酒品质的关键发酵工艺参数。【拟解决的关键问题】以新疆毛杏为原料，通过单因素和响应面分析法，研究初始糖度、初始pH值、发酵温度各自变量及其交互作用对杏酒品质的影响，并建立回归模型，采用响应面分析法优化杏酒发酵工艺条件，为杏加工企业提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材 料

材料：毛杏，采摘于吐鲁番产业园区；白砂糖，新疆中唐糖业有限责任公司。

试剂：盐酸、氢氧化钠、葡萄糖、硫酸铜、酒石酸钾钠、邻苯二甲酸氢钾、乙醇，均为分析纯；NaHCO3、柠檬酸，均为食品级；果胶酶，上海康禧食品饮业有限公司；焦亚硫酸钾，ESSECO S.R.L.；酿酒高活干酵母(LALVIN EC-1118)，上海杰兔工贸有限公司。

仪器：FA/JA 系列电子天平，上海上平仪器有限公司；控温发酵罐FJG-1、储酒罐，吐鲁番市耀扬金属制品有限公司；制冷设备ICA-20L，上海康赛制冷设备有限公司；打浆机DJ-330，温州市龙湾东霸食品机械厂。

1.2 方 法

1.2.1 工艺流程

1.2.2 操作要点

原料采收：选择成熟度高，含糖量高，无腐烂、无病虫害的新鲜毛杏。

破碎、打浆：毛杏用清水冲洗干净，去核，将其破碎、打浆，加入一定比例的水。

加焦亚硫酸钾：加入焦亚硫酸钾(以SO2计20～30 g/L)，以去除杏中的杂菌，避免影响杏酒的口感和风味。

加果胶酶：加入30 g/L的果胶酶以提高毛杏的出汁率[13]，搅拌均匀，静置2～3 h。

调节糖酸：用白砂糖调糖；用NaHCO3和柠檬酸调节酸度。

活化酵母：将水温调至37～40℃，加糖调至糖度为4%，加入酵母进行活化。

发酵：将活化好的酵母加入到杏汁中进行控温发酵。定期测定杏酒中酒精含量、总糖及总酸，至糖度酒精度基本稳定后停止发酵。

终止发酵：降温至0～5℃，添加焦亚硫酸钾(以SO2计20 g/L)终止发酵。

低温澄清：将终止发酵后的杏酒在0～5℃下静置10～15 d，使发酵液中的果肉、酵母等悬浮物沉降到罐底。

陈酿：抽取发酵罐中的杏酒上清液至储酒罐，装至满罐，冲入氮气，隔绝空气，在0℃低温条件下储存不少于6个月。

澄清过滤：利用澄清剂进行澄清处理，使用硅藻土过滤机、板框过滤机过滤至酒体澄清透亮。

杀菌、灌装：(68±2)℃灭菌3 min后灌装。

1.2.3 单因素实验

(1)调整初始糖度为24%、初始pH值为3.5、酵母接种量0.03%、发酵温度18℃，研究杏水比(1∶0、1∶0.5、1∶1、1∶1.5、1∶2) 对杏酒品质的影响；

(2)调整杏水比1∶0.5，初始pH值为3.5、酵母接种量0.03%、发酵温度18℃，研究初始糖度(18%、20%、22%、24%、26%) 对杏酒品质的影响；

(3)调整杏水比1∶0.5、初始糖度22%、酵母接种量0.03%、发酵温度18℃，研究初始pH值(2.5、3.0、3.5、4.0、4.5)对杏酒品质的影响；

(4)调整杏水比1∶0.5、初始糖度为22%、初始pH值为3.5、发酵温度18℃，研究酵母接种量(0.01%、0.02%、0.03%、0.04%、0.05%) 对杏酒品质的影响；

(5)调整杏水比1∶0.5、初始糖度为22%、初始pH值为3.5、酵母接种量0.04%，研究发酵温度(14、18、22、26和30℃) 对杏酒品质的影响。

1.2.4 响应面实验

在单因素实验的基础上，选取初始糖度(A)、初始pH值(B)、发酵温度(C)3个因素进行响应面优化实验，以感官评分作为响应指标，确定杏酒的最适发酵工艺条件。表1

表1 响应面分析因素与水平Table 1 Factors and levels used in response surface analysis

1.2.5 指标测定[14-15]

(1)酒精度：酒精计法；总糖：斐林试剂法；总酸：酸碱滴定法。

(2)杏酒感官质量评定标准

以色泽、澄清度、香气、滋味、典型性5个方面为指标，对杏酒的感官质量进行综合评价，满分为100分。由10名品评人员组成品评小组，进行感官评定，去掉1个最高分和1个最低分后，取其平均分四舍五入取整数作为感官评分。表2

表2 杏酒感官评分标准Table 2 Sensory evaluation standards of apricot wine

2 结果与分析

2.1 不同杏水比对杏酒品质的影响

研究表明，随着加水比例的不断增加，发酵时间逐渐延长。杏水比为1∶0时，发酵时间为7 d，杏酒酒精度为10.2%，残留的总糖含量最高为3.6%，总酸含量为5.7%；杏水比为1∶2时，酒精度达到11.7%，总糖含量为2.9%，总酸含量为3.2 g/L。杏汁浓度过低，会使杏酒的色泽不佳，果香味寡淡；浓度过高，会降低杏酒的清爽感，从而影响口感。当杏水比为1∶0.5时，杏酒的感官质量较好。选取最适杏水比为1∶0.5。表3

表3 不同杏水比对杏酒的影响Table 3 Effect of the ratio of apricot and water on apricot wine

2.2 初始糖度对杏酒品质的影响

研究表明，随着初始糖度增加，发酵时间逐渐延长，酒精度、总糖含量均增加，杏酒发酵过程中由糖转化成酒精，当初始糖度为18%时，没有足够的糖转化成酒精，使酒精度较低为9.6%，发酵时间最短为5 d，杏酒中残留的总糖含量为0.7%；当初始糖度为26%时，发酵时间较长为11 d，酒精度提高不明显，总糖含量最高达4.4%，主要是过多的糖分增加了杏酒的渗透压，抑制酵母菌的代谢活动。总酸含量随着初始糖度的增加逐渐升高，当初始糖度为18%时，总酸含量最低，为3.4 g/L；当初始糖度为26%时，发酵周期延长，得到的杏酒总酸最高，为5.8 g/L。结合感官评分，初始糖度为18%时，感官评分最低为68分；初始糖度为22%时最高，为82分，且酒精度适宜为11.0%，糖酸比例适中，总糖含量2.2%，总酸含量4.9 g/L。选22%为杏酒的最适初始糖度。表4

表4 不同初始糖度下杏酒变化Table 4 Effect of initial sugar content on apricot wine

2.3 初始pH值对杏酒品质的影响

研究表明，当初始pH值为2.5时，酸度过高，影响酵母活性，抑制发酵过程，使杏酒发酵周期明显延长，且酒精度较低为6.7%，总酸含量较高为9.6%，口感过酸。当初始pH值为4.5时，易滋生杂菌，抑制酵母菌的代谢，使酒精度降低，为10.1%，酒体浑浊，风味不佳。当初始pH值为3.5时，发酵周期适中，无杂菌生成，酒精含量较高，残留的总糖含量较低，此时酒体较饱满，感官质量最佳。初始pH值3.5最适杏酒发酵。表5

表5 不同初始pH值下杏酒变化Table 5 Effect of initial pH value on apricot wine

2.4 酵母接种量对杏酒品质的影响

研究表明，酵母接种量为0.01%时，发酵时间为11 d；当酵母接种量0.05%时，发酵时间为8 d。酒精度随接种量的增加逐渐增加后趋于平衡，当酵母接种量为0.01%时，酵母菌过少，导致酵母菌生长代谢缓慢，酒精发酵速度缓慢，酒精度较低为8.6%；当酵母接种量为0.05%时，接种量多，酵母菌生长速度加快，并且产生的代谢产物破坏酵母菌生存环境，不利于酒精的产生，此时的酒精度为11.1%。总糖含量随着酵母接种量的增加先下降，酵母接种量在0.01%～0.03%时，总糖含量从6.3%下降到1.7%。当酵母接种量为0.03%～0.05%时，总糖含量变化不大，在1.4%～1.9%；总酸含量波动不大，酵母接种量对总酸含量的影响不明显。酵母接种量在0.03%和0.04%时，发酵时间、酒精度、总糖量和总酸量相差不大，结合感官评分，选取了感官评分较高的0.04%作为最适酵母接种量。表6

表6 不同酵母接种量下杏酒变化Table 6 Effect of yeast inoculum on apricot wine

2.5 发酵温度对杏酒品质的影响

研究表明，发酵速率随着发酵温度的增加而增加，发酵温度为14℃时，发酵温度太低，使发酵速率缓慢，发酵时间过长，为12 d；发酵温度为 30℃时，发酵温度过高，使发酵速率过快，发酵时间变短，为5 d。酒精度随发酵温度的上升先升高后下降，总糖含量先下降后升高。当发酵温度为14℃时，发酵温度过低，酵母生长缓慢，酒精度为7.5%，总糖含量为8.3%；发酵温度为30℃时，发酵温度过高，酵母菌增殖加快，菌体过早进入衰亡期，不利于糖转化为酒精，导致后发酵不足，此时酒精度为9.5%，总糖含量为4.7%。随着发酵温度的升高，酵母菌活力提升、生长繁殖速度加快，产酸能力增强，导致总酸含量随之升高，从4.0 g/L升高到7.2 g/L。当发酵温度为18℃时，发酵时间适中9 d；酒精度为11.3%，总糖含量1.4%，总酸4.3 g/L，酿出的杏酒有浓浓杏子果香味，酒香浓郁，酸甜协调，酒体丰满，感官评分最高，为88分。选取18℃作为杏酒的最适发酵温度。表7

表7 不同发酵温度下杏酒品质变化Table 7 Effect of fermentation temperature on apricot wine

2.6 响应面实验

各因素对杏酒的感官评分的影响大小顺序为：初始pH值﹥发酵温度﹥初始糖度﹥酵母接种量﹥杏水比，因此，选取了显著性较高的初始pH值、发酵温度、初始糖度3个因素进行响应面实验。表8

2.6.1 响应面实验结果及方差

研究表明，得到感官评分(Y)与初始糖度(A)、初始pH值(B)、发酵温度(C)的回归方程：

Y=89.40+3.00A+2.88B+1.63C+1.75AB-1.25AC-1.00BC-2.95A2-8.70B2-4.70C2

研究表明，此模型P值为< 0.000 1，极显著(P﹤0.05)，实验方法是可靠的。失拟项P值为0.258 2>0.05，表现为不显著，回归方程拟合度和可信度均较好，实验误差小。模型中A、B、C的P值<0.05表现为显著，说明初始糖度、初始pH值、发酵温度对杏酒感官品质的影响显著，各因素影响感官评分顺序为初始糖度>初始pH值>发酵温度。 A2、B2、C2的P值均小于0.05，说明A2、B2、C2对杏酒感官品质均有显著影响。交互项AB的P值小于0.05，说明AB对杏酒感官品质有显著影响。交互项AC、BC的P值均大于0.05，说明AC、BC对杏酒感官品质的影响不显著。复相关系数R2=0.981 1，模型拟合度高，很好反映了初始糖度、初始pH值、发酵温度对杏酒感官品质之间的关系，用于模型实验结果可靠。表8，表9

表8 响应面实验设计及结果Table 8 Response surface test design and results

2.6.2 响应面分析

研究表明，初始糖度与初始pH值等高线图呈椭圆形，说明初始糖度与初始pH值对杏酒的感官评分交互作用显著，随着初始糖度与初始pH值的增加，杏酒感官评分逐渐增加，当2个因素增加到一定程度，杏酒感官评分又逐渐降低，说明过高或过低的初始pH值与初始糖度都会影响杏酒的品质。

初始糖度与发酵温度等高线图呈圆形，说明初始糖度和发酵温度对杏酒的感官评分的交互效应不显著。由图1b响应面图可以看出，初始糖度相比于发酵温度的曲面较陡峭，说明2因素交互作用时，初始糖度比发酵温度对杏酒的感官评分的影响较大。随着初始糖度与发酵温度的增加，杏酒感官评分逐渐增加，但当2个因素增加到一定程度，杏酒感官评分又逐渐降低，说明过高或过低的初始糖度与发酵温度都会影响杏酒的品质。

响应面曲面上有极大值，说明所选初始pH值与发酵温度因素水平合理。初始pH值与发酵温度等高线图呈圆形，初始pH值与发酵温度对杏酒感官评分的交互作用不显著。初始pH值相比于发酵温度的曲面较陡峭，初始pH值比发酵温度对杏酒的感官评分的影响较大。随着初始pH值与发酵温度的增加，杏酒感官评分逐渐增加，但当2个因素增加到一定程度，杏酒感官评分又逐渐降低，过高或过低的初始pH值与发酵温度都会影响杏酒的品质。图1

图1 各因素交互作用对杏酒品质影响的等高线和响应曲面Fig.1 Response surface and contour plots showing the effects of Initial sugar content,Initial pH value and Fermentation temperature on Apricot wine

2.6.3 验证实验

研究表明，得到最适发酵工艺条件为：初始糖度22.56%，初始pH值3.57，发酵温度18.15℃。在此条件下，杏酒感官评分的最大理论值为90.608 4分。为了验证模型预测的准确性，按照上述条件进行发酵验证实验。将杏酒的发酵工艺条件调整为：初始糖度22.5%，初始pH值3.6，发酵温度18℃。经过3组重复实验，实际测得杏酒感官评分的平均值为90.3，实验结果与模型结果基本一致，所得模型能较准确地预测实际发酵情况。

3 讨 论

原料是保证果酒产品质量的重要因素之一，它将直接影响果酒酿造后的感官特性。选择毛杏作为酿造杏酒的原料，因为毛杏皮薄，果肉细腻，糖度高，酸度低，果香味浓郁，酿制成杏果酒可以保留杏独特的果香味及营养成分，且毛杏含有多酚物质和抗氧化活性[19]，具有防癌、清除自由基等功效。毛杏成熟和采收期集中于高温季节，采后生理代谢旺盛，贮运销售环节存在易软化、褐变、腐烂等问题，导致杏果的商品价值降低[20]，将其加工成杏酒是实现其较高经济价值的途径之一。

杏酒在发酵过程受到杏品种、酵母种类、酵母接种量、发酵时间、发酵温度、初始糖度、初始pH值等多种因素的影响[21]，这些因素直接或间接的影响杏酒的色泽、香气、口感等感官品质。实验在前期研究中，对杏水比、初始糖度、初始pH值、酵母接种量、发酵温度进行单因素考察，后筛选出初始糖度、初始pH值、发酵温度对杏酒感官品质影响较大的3个因素进行响应面实验设计。马荣山等[22]以大扁杏为原料，采用正交实验探究杏酒发酵工艺，得到最优发酵条件为：发酵温度24℃，初始糖度22°Bx，酵母接种量8%，初始pH值4.0。与实验的研究结果不一致，分析主要原因是选择的杏品种以及接种的酵母菌种类不同，使研究结果有所不同。傅力等[23]以新疆赛买提杏为原料，使用正交实验得到最佳发酵条件为：发酵方式澄清杏汁、杏水比1∶0.4，初始pH值4.0，初始含糖量380 g/L，发酵温度20℃，接种量1%，SO2添加量80 mg/L。与实验的研究结果不一致，分析主要原因是实验采用杏浆发酵，而傅力选择清汁发酵使实验结果有所差异。

4 结 论

通过杏酒感官评分(Y)与初始糖度(A)、初始pH值(B)、发酵温度(C)的关系建立响应面回归方程：Y=89.40+3.00A+2.88B+1.63C+1.75AB-1.25AC-1.00BC-2.95A2-8.70B2-4.70C2，得到最适杏酒发酵工艺条件：初始糖度22.5%，初始pH值3.6，发酵温度18℃。在此条件下，杏酒感官评分的最大理论值为90.608 4分，实际测得杏酒感官评分的平均分为90.3，该回归模型具有较好的预测性能，可用于指导生产实践。