張靖媛，王成榮,*，楊紹蘭，張宏斌

(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266109；2.青島市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，山東 青島 266100)

響應(yīng)面分析法優(yōu)化南瓜酒發(fā)酵工藝條件

張靖媛1，王成榮1,*，楊紹蘭1，張宏斌2

(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266109；2.青島市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，山東 青島 266100)

利用中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)(CCD)和響應(yīng)面分析法優(yōu)化小磨盤南瓜酒的發(fā)酵條件，探索其發(fā)酵規(guī)律，建立優(yōu)質(zhì)小磨盤南瓜酒發(fā)酵的二次多項(xiàng)式數(shù)學(xué)模型，獲得小磨盤南瓜酒發(fā)酵的最佳參數(shù)為：SY酵母接種量0.10%、發(fā)酵溫度24.58℃、發(fā)酵時(shí)間129.73h，所得到的南瓜酒酒精體積分?jǐn)?shù)為8.03%，與預(yù)測值(8.13%)基本一致，可見模型能較好地預(yù)測南瓜酒發(fā)酵過程中的酒精體積分?jǐn)?shù)。

南瓜；小磨盤；發(fā)酵酒；中心組合設(shè)計(jì)；響應(yīng)面分析

南瓜為葫蘆科南瓜屬一年生草本植物，營養(yǎng)豐富，富含淀粉、蛋白質(zhì)、胡蘿卜素、維生素、礦物質(zhì)和生物堿等營養(yǎng)保健成分，具有防治動(dòng)脈硬化、溶解結(jié)石、催化分解致癌物質(zhì)亞硝胺等作用[1]，深受廣大消費(fèi)者的喜愛。但到目前為止，南瓜的大宗消費(fèi)還僅限于鮮食和南瓜粥、南瓜粉等的初加工產(chǎn)品。南瓜酒可由南瓜汁發(fā)酵制得，其顏色金黃，澄清透明，具有南瓜的清香和酒的醇香，是一種營養(yǎng)健康的酒類新品，近年來越來越受到重視。本實(shí)驗(yàn)采用響應(yīng)面分析法對(duì)小磨盤南瓜酒發(fā)酵過程中SY酵母菌接種量、發(fā)酵溫度和發(fā)酵時(shí)間3個(gè)因素進(jìn)行研究，旨在探尋南瓜酒的最佳發(fā)酵條件，為南瓜酒工廠化生產(chǎn)提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

南瓜，品種為小磨盤，于2010年11月購自青島城陽蔬菜批發(fā)市場。

SY酵母(Q/YB.J02.5) 湖北安琪酵母股份有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

AR2140電子分析天平 奧豪斯國際商貿(mào)有限公司；SPX-250B-Z型生化培養(yǎng)箱 上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠；HH.S11-1型電熱恒溫水浴鍋 龍口市先科儀器公司；SL-300型榨汁機(jī) 天津市達(dá)康電器有限公司；MSZ02500正壓過濾器 上海摩速器材有限公司；MLS-3750型全自動(dòng)立式高壓滅菌鍋 日本三洋電器集團(tuán)；WZ-103手持糖度計(jì) 浙江托普儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程

1.3.2 操作要點(diǎn)

酵母活化：將1.25g活性干酵母添加到25mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的蔗糖溶液中，攪拌均勻，38℃條件下活化30min，備用。

南瓜果實(shí)去皮、籽后切片，熱燙后按1:1加水打漿，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.16%果膠酶和0.30%糖化酶，50℃酶解1.5h，過濾，調(diào)糖，殺菌后接種已活化的酵母菌，并分別在生化培養(yǎng)箱中控制溫度進(jìn)行酒精發(fā)酵，按時(shí)測定酒精體積分?jǐn)?shù)。

1.3.3 影響南瓜酒發(fā)酵效果的單因素試驗(yàn)

1.3.3.1 酵母菌接種量的影響

南瓜漿糖度為18%，發(fā)酵溫度為20℃，分別接種體積分?jǐn)?shù)0.04%、0.06%、0.08%、0.10%、0.12%的酵母菌，發(fā)酵6d，探討酵母菌接種量對(duì)南瓜酒發(fā)酵效果的影響[2]。

1.3.3.2 發(fā)酵溫度的影響

南瓜漿糖度為18%，選擇前步試驗(yàn)的最佳接種量，分別在18、20、22、24、26℃條件下發(fā)酵6d，探討發(fā)酵溫度對(duì)南瓜酒發(fā)酵效果的影響

1.3.3.3 發(fā)酵時(shí)間的影響

南瓜漿糖度為18%，選擇前兩步試驗(yàn)的最佳發(fā)酵溫度和接種量，分別發(fā)酵4、5、6、7、8d，探討發(fā)酵時(shí)間對(duì)南瓜酒發(fā)酵效果的影響。

1.4 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選擇接種量(x1)、發(fā)酵溫度(x2)、發(fā)酵時(shí)間(x3)3個(gè)因素，以終止發(fā)酵時(shí)果酒中酒精體積分?jǐn)?shù)(Y)為響應(yīng)值，運(yùn)用中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)(CCD)法進(jìn)行三因素五水平的響應(yīng)面(RSM)分析試驗(yàn)[3-4]。具體試驗(yàn)方案見表1。

表1 CCD法進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平編碼表Table 1 Coded values and corresponding actual values of the optimization parameters used in response surface analysis

1.5 指標(biāo)測定

酒精體積分?jǐn)?shù)(%)：采用酒精計(jì)[5]測定；糖度(%)：采用手持糖度計(jì)測定；發(fā)酵力：采用二氧化碳生成量法[6-7]測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 酵母菌接種量的影響

圖1 接種量對(duì)酒精體積分?jǐn)?shù)的影響Fig.1 Effect of yeast inoculum size on alcohol content in pumpkin wine

由圖1可知，適宜的酵母接種量以0.10%為宜。在接種量低于0.10%時(shí)，酒精體積分?jǐn)?shù)隨接種量的增加呈上升的趨勢，接種量超過0.10%，酒精體積分?jǐn)?shù)則明顯降低。這可能是由于在接種量較低時(shí)，酵母自身繁殖代謝慢，原料轉(zhuǎn)換不徹底，酒精體積分?jǐn)?shù)低，接種量過大時(shí)，酵母繁殖旺盛，需要消耗大量糖分來完成自身代謝，同樣導(dǎo)致酒精體積分?jǐn)?shù)降低的緣故。酵母在酒精發(fā)酵時(shí)會(huì)生成相同物質(zhì)的量的CO2，因此可以用發(fā)酵液每天生成CO2的量來表征酵母菌的發(fā)酵力，間接預(yù)測當(dāng)天酒精的產(chǎn)率；酵母發(fā)酵過程通常要經(jīng)過遲滯期才進(jìn)入對(duì)數(shù)期和穩(wěn)定期，即出現(xiàn)發(fā)酵高峰[2]，由此可以推斷南瓜酒發(fā)酵期間各接種量的酵母菌發(fā)酵力最大峰均為發(fā)酵期的第2天(圖2)。

圖2 接種量對(duì)二氧化碳生成的影響Fig.2 Effect of yeast inoculum size on alcohol content in pumpkin wine

2.2 發(fā)酵溫度的影響

由圖3可知，酒精體積分?jǐn)?shù)隨發(fā)酵溫度的增加而增加，當(dāng)發(fā)酵溫度為24℃時(shí)，酒精體積分?jǐn)?shù)達(dá)到最高，繼續(xù)升高溫度，酒精體積分?jǐn)?shù)降低，且口感變差。這是由于酵母菌有一個(gè)最佳活力的溫度范圍，在這個(gè)溫度范圍內(nèi)，溫度增加，發(fā)酵所需時(shí)間縮短，但溫度過高會(huì)產(chǎn)生較明顯的不良發(fā)酵氣味，影響口感和品質(zhì)[8-9]。溫度過低，酵母活力不能得到充分發(fā)揮，導(dǎo)致發(fā)酵時(shí)間延長。因此選擇發(fā)酵溫度為24℃較為合理。

圖3 發(fā)酵溫度對(duì)酒精體積分?jǐn)?shù)的影響Fig.3 Effect of fermentation temperature on alcohol content in pumpkin wine

2.3 發(fā)酵時(shí)間的影響

圖4 發(fā)酵時(shí)間對(duì)酒精體積分?jǐn)?shù)的影響Fig.4 Effect of fermentation time on alcohol content in pumpkin wine

由圖4可知，隨著發(fā)酵時(shí)間的增加，酒精體積分?jǐn)?shù)呈先上升后下降的趨勢，在發(fā)酵第5天時(shí)，酒精體積分?jǐn)?shù)最高，之后酒精體積分?jǐn)?shù)又逐漸降低，所以選擇發(fā)酵時(shí)間為5d較為合適。

2.4 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

按照三因素五水平RSM設(shè)計(jì)方案，安排了20組試驗(yàn)，分別測定其酒精體積分?jǐn)?shù)，數(shù)據(jù)采用Design-Expert 7.0軟件進(jìn)行處理[3,10-13]，結(jié)果見表2。

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)安排及結(jié)果Table 2 Experimental design and results for response surface analysis

2.4.1 回歸模型的建立及其參數(shù)分析

以接種量(x1)、發(fā)酵溫度(x2)、發(fā)酵時(shí)間(x3)為自變量，南瓜酒酒精體積分?jǐn)?shù)為因變量Y，建立南瓜酒酒精發(fā)酵工藝參數(shù)回歸模型，對(duì)該模型進(jìn)行方差分析，對(duì)模型系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果見表3?；貧w方程為：

從表3可以看出，模型的P＜0.0001，表明模型方程極顯著；失擬項(xiàng)P＝0.1157＞0.05，不顯著；對(duì)回歸方程進(jìn)行檢驗(yàn)，模型的校正決定系數(shù)為0.9504，說明模型能解釋約95.04%響應(yīng)值的變化，僅有總變異的5.0%不能用此模型來解釋；決定系數(shù)R2＝0.9739，表明該模型擬合程度好，試驗(yàn)誤差小，說明該模型是合適的。x1、x2和x3對(duì)Y都有顯著影響，且均為正效應(yīng)，其中x2和x3對(duì)Y的影響極顯著，二次項(xiàng)對(duì)酒精體積分?jǐn)?shù)也有極顯著影響，且均為負(fù)效應(yīng)，交互項(xiàng)x2x3也極顯著，為正效應(yīng)，其余變量的影響均不顯著(P＞0.05)。

去除回歸方程中的不顯著項(xiàng)，得南瓜酒酒精發(fā)酵的二次回歸精簡模型方程(2)，該模型可以用來預(yù)測南瓜酒酒精發(fā)酵中的酒精體積分?jǐn)?shù)。

2.4.2 酒精發(fā)酵工藝的響應(yīng)面分析

模型(2)的響應(yīng)面及等高線圖解見圖5～7，接種量、發(fā)酵溫度、發(fā)酵時(shí)間及其交互作用對(duì)響應(yīng)值的影響可以從圖中直觀地反映出來，并確定各個(gè)因素的最佳水平范圍[14]。

圖5 接種量和發(fā)酵溫度對(duì)酒精體積分?jǐn)?shù)的響應(yīng)面和等高線Fig.5 Response surface and contour plots showing the interactive effects of yeast inoculum size and fermentation temperature on alcohol content in pumpkin wine

圖6 接種量和發(fā)酵時(shí)間對(duì)酒精體積分?jǐn)?shù)的響應(yīng)面和等高線Fig.6 Response surface and contour plots showing the interactive effects of yeast inoculum size and fermentation time on alcohol content in pumpkin wine

圖7 發(fā)酵時(shí)間和發(fā)酵溫度對(duì)酒精體積分?jǐn)?shù)的響應(yīng)面和等高線Fig.7 Response surface and contour plots showing the interactive effects of fermentation time and temperature on alcohol content in pumpkin wine

從圖5可以看出，當(dāng)把發(fā)酵時(shí)間固定于零水平時(shí)，隨著接種量的增加，酒精體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)先微弱上升后下降的趨勢；隨著發(fā)酵溫度的升高，酒精體積分?jǐn)?shù)也呈先上升后下降的趨勢。在接種量的變化范圍處于0.09%～0.12%，發(fā)酵溫度23～25.5℃時(shí)，酒精體積分?jǐn)?shù)較高。從等高線圖可以看出發(fā)酵溫度對(duì)酒精體積分?jǐn)?shù)的影響比接種量的影響要顯著。從圖6可知，當(dāng)把發(fā)酵溫度固定于零水平時(shí)，隨著接種量的增大，發(fā)酵時(shí)間的延長，在接種量的變化范圍處于0.09%～0.12%，發(fā)酵時(shí)間108～144h時(shí)，酒精體積分?jǐn)?shù)達(dá)到最大值。等高線呈圓形，表明兩因素的交互作用較弱。從圖7可知，當(dāng)把接種量固定于零水平，隨著發(fā)酵溫度的升高和發(fā)酵時(shí)間的延長，酒精體積分?jǐn)?shù)均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。發(fā)酵溫度處于23～26℃，發(fā)酵時(shí)間108～150h時(shí)，酒精體積分?jǐn)?shù)最高。相應(yīng)曲面的坡度較為陡峭，表明酒精體積分?jǐn)?shù)對(duì)發(fā)酵溫度和時(shí)間的交互作用比較敏感。等高線呈橢圓形，表明兩因素的交互作用較強(qiáng)。2.4.3 酒精發(fā)酵優(yōu)化工藝參數(shù)的驗(yàn)證

分別對(duì)模型(2)的x1、x2、x3求一階偏導(dǎo)，利用Design-Expert 7.0對(duì)得到的3個(gè)方程求解，得到南瓜酒發(fā)酵的最優(yōu)組合為接種量0.10%，發(fā)酵溫度24.58℃，發(fā)酵時(shí)間129.73h，得到的酒精體積分?jǐn)?shù)為8.13%。從理論求得的最佳組合未包含在所設(shè)計(jì)的20個(gè)試驗(yàn)處理中，為了進(jìn)一步對(duì)該工藝參數(shù)進(jìn)行3次驗(yàn)證，測得南瓜酒酒精體積分?jǐn)?shù)平均值為8.03%，與模型預(yù)測值(8.13%)基本一致，可見模型能較好地預(yù)測實(shí)際發(fā)酵酒精體積分?jǐn)?shù)的情況。

3 結(jié) 論

3.1 在小磨盤南瓜酒發(fā)酵過程中，接種量(x1)、發(fā)酵溫度(x2)和發(fā)酵時(shí)間(x3)對(duì)酒精體積分?jǐn)?shù)(Y)均有顯著影響，且均為正效應(yīng)，其中發(fā)酵溫度(x2)和發(fā)酵時(shí)間(x3)及其交互作用影響極顯著，二次項(xiàng)也有極顯著影響，且均為負(fù)效應(yīng)，其余變量的影響均不顯著(P＞0.05)，其二次回歸精簡模型方程為：Y＝7.98＋0.15x1＋0.36x2＋0.36x3＋0.24x2x3－－－。該模型可用來預(yù)測設(shè)定條件范圍內(nèi)及其周圍的南瓜酒發(fā)酵工藝參數(shù)，對(duì)試驗(yàn)擬合較好，有一定的實(shí)用價(jià)值。

3.2 響應(yīng)面法(RSM)獲得的小磨盤南瓜酒發(fā)酵最佳工藝參數(shù)為接種量0.10%，發(fā)酵溫度24.58℃，發(fā)酵時(shí)間129.73h，酒精體積分?jǐn)?shù)為8.03%。發(fā)酵所得的南瓜酒，果香濃郁，是一種營養(yǎng)豐富的酒類新品，開發(fā)前景廣闊。

[1] 趙玉安, 王慧瑜, 曹輝. 南瓜的營養(yǎng)價(jià)值和功能特性[J]. 食品研究與開發(fā), 2004, 25(2): 95-97.

[2] 鄭海鵬. 南瓜酒發(fā)酵工藝及香氣成分變化研究[D]. 重慶: 西南大學(xué),2009.

[3] 趙志華, 岳田利, 王燕妮, 等. 蘋果酒酵母融合子W1發(fā)酵工藝參數(shù)的優(yōu)化研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2007, 23(2): 233-238.

[4] 謝定, 鐘海雁, 崔濤, 等. 響應(yīng)面法優(yōu)化水晶梨果醋發(fā)酵工藝條件[J].中國食品學(xué)報(bào), 2009, 9(2): 92-98.

[5] 全國食品工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì), 釀酒分技術(shù)委員會(huì). GB/T 15038—2006葡萄酒、果酒通用分析方法[S]. 北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2006.

[6] 金慧, 劉榮厚. 不同溫度條件對(duì)甜高粱莖稈汁液酒精發(fā)酵的影響[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué), 2007, 35(19): 5684-5685.

[7] 劉小平, 胡建勛, 王鈺, 等. 甘薯品種內(nèi)涵品質(zhì)與發(fā)酵酒精產(chǎn)量關(guān)系的初步研究[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué), 1997, 25(3): 203-204.

[8] 范兆軍, 牛廣財(cái), 朱丹, 等. 響應(yīng)面法優(yōu)化沙棘果酒發(fā)酵條件的研究[J]. 食品與機(jī)械, 2009, 25(1): 41-45.

[9] 吳竹青, 陳景, 黃群, 等. 響應(yīng)面法優(yōu)化雪蓮果酒發(fā)酵工藝[J]. 食品科學(xué), 2010, 31(23): 182-187.

[10] 劉月梅, 白衛(wèi)東, 魯周民, 等. 柿果醋醋酸發(fā)酵工藝參數(shù)優(yōu)化研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2008, 24(4): 257-260.

[11] 金慧, 劉榮厚, 沈飛, 等. 甜高粱莖汁固定化酵母乙醇發(fā)酵工藝優(yōu)化的試驗(yàn)研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2008, 24(4): 194-198.

[12] 高年發(fā), 晉明芬, 張健, 等. 玉米粉細(xì)菌發(fā)酵生產(chǎn)L-乳酸的研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2007, 23(6): 233-236.

[13] 方俊, 盧向陽, 蔣紅梅, 等. 響應(yīng)面分析法優(yōu)化制備豬血小肽發(fā)酵條件的研究[J]. 食品科學(xué), 2006, 27(8): 141-144.

[14] AMBATI P, AYYANNA C. Optimizing medium constituents and fermentation conditions for citric acid production from palmyra jaggery using response surface method[J]. World Journal of Microbiology and Biotechnology, 2001, 17(4): 331-335.

Optimization of Fermentation Parameters for Pumpkin Wine by Response Surface Methodology

ZHANG Jing-yuan1，WANG Cheng-rong1,*，YANG Shao-lan1，ZHANG Hong-bin2
(1. College of Food Science and Engineering, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China；2. Qingdao Academy of Agricultural Sciences, Qingdao 266100, China)

Based on central composite design response surface methodology was applied to optimize fermentation parameters for pumpkin wine. Alcohol content in pumpkin wine was investigated with respect to yeast inoculum size, temperature and fermentation time, and a quadratic polynomial model was established. The optimum fermentation parameters were determined as follows: yeast inoculum size 0.10%, fermentation temperature 24.58 ℃ and fermentation time 129.73 h. The alcohol content in the pumpkin wine obtained was 8.03% (V/V).

pumpkin；pumpkin cultivar (C. moschata)；fermented wine；central composite design(CCD)；response surface analysis

TS261.4

A

1002-6630(2012)05-0213-05

2011-04-02

山東省現(xiàn)代蔬菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項(xiàng)目

張靖媛(1987—)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)楣呱罴庸?。E-mail：hollad_1@163.com

王成榮(1958—)，男，教授，碩士，研究方向?yàn)楣呱罴庸ぜ百A藏。E-mail：qauwcr@126.com