响应面法优化无花果-仙人掌果酒的发酵工艺

王 鹏

（威海海洋职业学院 海洋生物与食品系，山东 威海 264300）

仙人掌产于热带，其果实为仙人掌果，呈红色或紫色，糖含量高，酸度低，口味酸甜，富含类黄酮、果胶、多糖、微量元素、氨基酸、有机酸、维生素、色素等营养物质，同时具有抗氧化、抗衰老、抗肿瘤、降三高、提高免疫力等医疗保健作用[1-4]。无花果味甘，富含多酚类、多糖类、多种矿物质等营养物质，新鲜果实含有18种氨基酸，其中必需氨基酸为8种，同时具有治疗腹泻、咽喉肿痛、帮助消化、生津开胃等药用价值，经常用于酿酒、制作饮料和果酱等[5-8]。

目前，国内将仙人掌果和无花果分别与其他原料复合开发果酒产品的案例已有报道[9-10]，但鲜有将二者复合开发保健果酒的案例。因此，本研究将仙人掌果和无花果的营养结合，同时兼具仙人掌果鲜艳的色泽和无花果良好的口感，在单因素试验的基础上，采用响应面法优化果酒发酵工艺，以期为酿成具有较高保健功能且感官品质好的果酒提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

仙人掌果、无花果：市售；FC9酵母、LAFASE FRUIT果胶酶（60 000 U/g）：法国LAFFORT公司；壳聚糖：扬州鸿信生物制品有限公司。

1.2 仪器与设备

FA201S电子天平：上海天平仪器厂；PHS-4C+酸度计：成都市方舟科技有限公司；SK-S22型电热恒温水浴锅、SGW-756全自动折光仪：上海精密实验仪器有限公司；HYCDA全温培养箱：太仓市豪城实验仪器有限公司；0～100%酒精计：武强县华鸥仪器仪表厂；WBG-1板框过滤器：温州星火食品机械有限公司；waters2695高效液相色谱仪：美国waters公司；JB3060打浆机：德国博朗公司。

1.3 方法

1.3.1 无花果-仙人掌果酒发酵工艺流程及操作要点

仙人掌果和无花果的预处理：选择果实饱满、无虫蛀、无腐烂的新鲜仙人掌果1 kg。将果实放入毛辊清洗机中，洗净果皮上的毛刺，去除果皮，仅保留紫红色果肉。挑选新鲜无花果2 kg，冷水洗净沥干。

破碎打浆：将处理好的仙人掌果肉和无花果果实按照1∶2比例放入消毒后的打浆机中，加入3 L纯净水，打至均匀果浆。

抑菌：向果浆中添加0.02%焦亚硫酸钾，搅拌均匀。

调整成分：向混合果浆中添加一定量的白砂糖，调节糖度为20°Bx左右；添加酒石酸调节果浆的pH值为3.00～4.00。

酶解：向调整成分后的混合果浆中添加0.4%果胶酶，置于恒温水浴锅45 ℃水浴2 h。

接种发酵：向酶解液接种一定量的FC9酵母，在一定温度条件下发酵7 d，当酒精度达到10%vol以上且不再升高时，发酵结束。

压榨澄清：发酵结束后，用板框过滤器对果酒发酵液进行固液分离，添加0.6 g/L壳聚糖作为澄清剂，在4 ℃条件下静置72 h，3 000 r/min离心10 min，得到原果酒上清液。

灌装贮藏：果酒灌装后置于8～25 ℃、相对温度75%～80%左右、通风环境下贮藏8～12个月[11]，得无花果-仙人掌果酒。

1.3.2 无花果-仙人掌果酒发酵工艺优化试验

（1）发酵条件优化单因素试验

分别考察酵母接种量（0.02%、0.03%、0.04%、0.05%、0.06%）、发酵温度（21 ℃、23 ℃、25 ℃、27 ℃、29 ℃）、初始pH值（3.00、3.20、3.40、3.60、3.80）、初始糖度（18°Bx、19°Bx、20°Bx、21°Bx、22°Bx）、发酵时间（5 d、6 d、7 d、8 d、9 d）对无花果-仙人掌果酒酒精度和感官评分的影响。

（2）发酵工艺优化响应面试验

在单因素试验基础上，以酒精度（Y）为响应值，采用3因素3水平的响应面试验对无花果-仙人掌果酒发酵条件进行优化，响应面试验因素及水平见表1。

表1 无花果-仙人掌果酒发酵条件优化响应面试验因素与水平Table 1 Factors and levels of response surface tests for fermentation conditions optimization of fig-cactus fruit wine

1.3.3 测定方法

酒精度测定：采用蒸馏比重法[12]；pH值测定：酸度计法[13]；总花青素测定：高效液相色谱法，色谱条件：色谱柱为Thermo Syncronis C18（250 mm×4.6 mm，5 μm）；柱温35 ℃，流速1.0 mL/min，进样量5.0 μL[14-15]；微生物指标测定：参见GB 4789.2—2016《食品微生物学检验菌落总数测定》[16]。

感官评分：请20位品酒师从无花果-仙人掌果酒的色泽（20分）、香气（20分）、口感（40分）、状态（20分）四个方面进行评分，具体评分标准见表2，满分100分，取最终平均分[17]。

表2 无花果-仙人掌果酒的感官评分标准Table 2 Sensory evaluation standards of fig-cactus fruit wine

1.3.4 数据处理

本试验数据分析采用Excel 2010和Design Expert V 8.0.1软件进行数据处理。采用Design-Expert V8.01专业版数据处理系统对各单因素均值进行Duncan新复极差法差异显著性相关分析。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 酵母接种量对无花果-仙人掌果酒发酵的影响

在发酵温度25 ℃、初始pH值3.40、初始糖度20°Bx、发酵7 d的条件下，考察酵母接种量对果酒酒精度和感官评分的影响，结果见图1。

图1 酵母接种量对无花果-仙人掌果酒酒精度和感官评分的影响Fig.1 Effect of yeast inoculum on alcohol content and sensory score of fig-cactus fruit wine

由图1可知，随着酵母菌接种量的增加，无花果-仙人掌果酒的酒精度和感官评分升高，当酵母接种量达到0.04%时，无花果-仙人掌果酒的酒精度和感官评分均达到最大值，分别为10.98%vol和96.5分，继续增加酵母接种量，过量的酵母繁殖以及酒精之外的代谢产物增多，消耗较多的糖分，不利于发酵产酒精，使酒精度下降，感官质量下降。因此，选择酵母接种量为0.04%较为适宜。

2.1.2 发酵温度对无花果-仙人掌果酒发酵的影响

在酵母菌接种量为0.04%、初始pH值3.40、初始糖度20°Bx、发酵7 d的条件下，考察发酵温度对果酒酒精度和感官评分的影响，结果见图2。

图2 发酵温度对无花果-仙人掌果酒酒精度和感官评分的影响Fig.2 Effect of fermentation temperature on alcohol content and sensory score of fig-cactus fruit wine

由图2可知，随着发酵温度的升高，无花果-仙人掌果酒的酒精度和感官评分升高，当发酵温度达到25 ℃时，无花果-仙人掌果酒的酒精度和感官评分均达到最大值，分别为11.01%vol和97分，继续升高发酵温度，酵母菌生长繁殖过于旺盛，导致过早衰老，使酒精度下降，同时酒体逐渐浑浊，感官质量下降。因此，选择发酵温度25 ℃较为适宜。

2.1.3 初始pH值对无花果-仙人掌果酒发酵的影响

在酵母菌接种量为0.04%、发酵温度25 ℃、初始糖度20°Bx、发酵7 d的条件下，考察初始pH值对果酒酒精度和感官评分的影响，结果见图3。

图3 初始pH值对无花果-仙人掌果酒酒精度和感官评分的影响Fig.3 Effect of initial pH on alcohol content and sensory score of fig-cactus fruit wine

由图3可知，随着初始pH值的升高，无花果-仙人掌果酒的酒精度和感官评分升高，当初始pH值达到3.40时，无花果-仙人掌果酒的酒精度和感官评分均达到最大值，分别为10.95%vol和96.5分，继续增加初始pH值，无花果-仙人掌果酒的酒精度和感官评分呈下降趋势，主要原因是初始pH值＜3.40时，较强的酸性环境抑制了酵母菌的发酵；当初始pH值＞3.40时，酵母菌体内酶活力受到影响，使酒精度下降。因此，选择初始pH值为3.40较为适宜。

2.1.4 初始糖度对无花果-仙人掌果酒发酵的影响

在酵母菌接种量为0.04%、发酵温度25 ℃、初始pH值3.40、发酵7 d的条件下，考察初始糖度对果酒酒精度和感官评分的影响，结果见图4。

图4 初始糖度对无花果-仙人掌果酒酒精度和感官评分的影响Fig.4 Effect of initial sugar concentration on alcohol content and sensory score of fig-cactus fruit fruit wine

由图4可知，随着初始糖度的升高，无花果-仙人掌果酒的酒精度和感官评分升高，当初始糖度达到20°Bx时，满足酵母菌发酵所需营养，无花果-仙人掌果酒的酒精度和感官评分均达到最大值，分别为10.96%vol和96.5分，继续增加初始糖度，酒精度不再继续升高，反而较高甜度使感官评分呈下降趋势。因此，选择初始糖度20°Bx较为适宜。

2.1.5 发酵时间对无花果-仙人掌果酒发酵的影响

在酵母菌接种量为0.04%、发酵温度25 ℃、初始pH值3.40、初始糖度20 °Bx的条件下，考察发酵时间对果酒酒精度和感官评分的影响，结果见图5。

图5 发酵时间对无花果-仙人掌果酒酒精度和感官评分的影响Fig.5 Effect of fermentation time on alcohol content and sensory score of fig-cactus fruit wine

由图5可知，随着发酵时间的延长，无花果-仙人掌果酒的酒精度和感官评分升高，当发酵7 d时，酵母菌达到稳定期，产酒能力达到最大值，无花果-仙人掌果酒的酒精度和感官评分均达到最大值，分别为10.95%vol和96.5分，继续延长发酵时间，酒精度保持不变，反而过多的代谢产物致使感官评分呈下降趋势。因此，选择果酒发酵时间7 d较为适宜。

2.2 无花果-仙人掌果酒发酵工艺优化响应面试验

根据单因素试验结果，选取酵母接种量（A）、发酵温度（B）、初始pH值（C）为3个因素，以酒精度（Y）为考察指标，采用响应面试验设计，建立酒精度与3个因素的数学回归方程，并优化果酒发酵关键工艺参数[18-25]。果酒发酵工艺优化的响应面试验设计与结果见表3。

表3 无花果-仙人掌果酒发酵工艺优化响应面试验设计及结果Table 3 Design and results of response surface tests for fermentation conditions optimization of fig-cactus fruit wine

通过Design-Expert.V8.01软件对表3中酒精度（Y）指标的数据进行处理分析，得到回归模型方程：Y=10.98+0.20A+0.21B+0.21C-0.16AB-0.097AC+0.21BC-0.38A2-0.56B2-0.65C2。

由表4可知，回归模型的P＜0.000 1极显著，而失拟项的P=0.118 9＞0.05，说明本试验得到的回归模型拟合程度较好，能够很好地进行响应值的预测。由P值可知，一次项A、B、C，交互项AB、AC、BC和二次项A2、B2、C2均对结果有极显著影响（P＜0.01）。

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

2.3 各因素间交互作用分析

各因素间交互作用对无花果-仙人掌果酒酒精度影响的响应面及等高线见图6。

由图6可知，酵母接种量（A）和发酵温度（B）之间的交互作用对酒精度（Y）有极显著的影响（P＜0.000 1），酵母接种量（A）和初始pH值（C）之间的交互作用对酒精度（Y）有显著的影响（P＜0.01），发酵温度（B）和初始pH值（C）之间的交互作用对酒精度（Y）有极显著的影响（P＜0.000 1），这与表4的方差分析结果一致。

图6 各因素交互作用对无花果-仙人掌果酒酒精度影响的响应曲面与等高线Fig.6 Response surface plots and contour lines of effects of interaction between each factor on alcohol content of fig-cactus fruit wine

采用Design-Expert V8.01软件对模型进行优化，得到果酒的最佳发酵工艺参数预测组合为酵母接种量0.04%，发酵温度25 ℃，初始pH值3.40，此条件下果酒的酒精度预测值为11.01%vol。控制其他参数为理想水平，以果酒发酵的预测优化工艺参数组合为条件（酵母接种量0.04%、发酵温度25 ℃、初始pH值3.40），扩大验证试验，平行进行3次试验，得到的果酒实际酒精度平均值为11.03%vol，与预测值接近，统计学分析表明，与同水平预测值基本一致，表明该工艺可行。

2.4 产品质量指标分析

2.4.1 感官品评

在最佳条件下制得的无花果-仙人掌果酒清澈透明、有光泽、鲜艳紫红色；果香、酒香浓郁、协调悦人；口感醇厚、柔和顺口、回味延绵；酒体清澈、状态均匀、无沉淀；感官评分达97分。

2.4.2 理化指标

酒精度为11.03%vol，总花青素含量为50.68 mg/100 mL，总糖含量为3.72g/100mL，总酸含量为（以乙酸计）6.15g/100mL。

2.4.3 微生物指标

无花果-仙人掌果酒菌落总数≤50 CFU/mL，大肠杆菌≤3 MPN/100 mL，致病菌未检出[26]，符合国标对果酒卫生指标要求。

3 结论

以酒精度为考察指标，通过单因素试验，确定了各因素对果酒发酵趋势的影响。以酒精度为考察指标，通过响应面试验，优化无花果-仙人掌果酒发酵参数，确定最佳发酵工艺参数为酵母接种量0.04%，发酵温度25 ℃，初始pH值3.40，制得无花果-仙人掌果酒的酒精度11.03%vol，同时果酒的感官评分为97分，总花青素含量为50.68 mg/100 mL，是一款兼具口感和营养的保健型果酒。