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        響應(yīng)面法優(yōu)化野生紅心果果酒發(fā)酵工藝條件

        2015-05-07 10:58:00李敏杰熊亞韓洪波
        食品研究與開發(fā) 2015年21期
        關(guān)鍵詞:番石榴紅心果酒

        李敏杰,熊亞,韓洪波

        (1.攀枝花學(xué)院生物與化學(xué)工程學(xué)院,四川攀枝花617000;2.攀枝花市干熱河谷特色生物資源工程技術(shù)中心,四川攀枝花617000)

        紅心果,又名番石榴、芭樂、雞屎果。成熟時(shí)淡黃或粉紅色,因其果肉呈紅色而得名,肉質(zhì)鮮嫩、綿軟香甜,味略酸,氣味濃烈,有助消化。紅心果是一種適應(yīng)性很強(qiáng)的熱帶野生果樹,在攀枝花山區(qū)分布較廣,果實(shí)富含維生素,特別是VC,含有大量的氨基酸及微量元素如鐵、鉀、胡蘿卜素等[1],其根、莖、葉均可作藥用,已有關(guān)于從紅心果葉提取多糖、多酚[2-3],討論其藥理作用的研究報(bào)道[4],因此紅心果果樹全身都是寶,具有潛在的市場(chǎng)開發(fā)價(jià)值。近年來,對(duì)紅心果的研究越來越多,主要集中在其果實(shí)的加工方面,如紅心果茶酒[5]、醋飲料[6]、果脯[7]、果條[8]、果凍[9]、復(fù)合飲料[10-11]等方面,楊勝遠(yuǎn)等[12]利用正交試驗(yàn)探討了紅心果果酒的釀制條件,得到了釀造過程中酒曲添加量、溫度、初始pH及加糖量的最佳參數(shù),李敏杰等[13]利用正交設(shè)計(jì),從發(fā)酵溫度、SO2添加量及酵母菌添加量3個(gè)方面探討了紅心果果酒發(fā)酵的最佳條件。利用響應(yīng)面進(jìn)行紅心果果酒發(fā)酵工藝優(yōu)化的研究少見有報(bào)道。響應(yīng)面分析法[14]作為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及統(tǒng)計(jì)的一種基本方法,在生物學(xué)中應(yīng)用相當(dāng)廣泛,是生物學(xué)中的一種重要優(yōu)化方法,主要用于確定各種工藝或培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)條件。

        本試驗(yàn)以紅心果果酒發(fā)酵過程中的酒精度為響應(yīng)值,采用單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面分析法對(duì)紅心果果酒的發(fā)酵條件進(jìn)行優(yōu)化,為今后進(jìn)行紅心果果酒工廠化生產(chǎn)提供一定的參考。

        1 材料及方法

        1.1 材料與儀器

        野生紅心果:采自四川省攀枝花市仁和區(qū)大田鄉(xiāng);酵母(安琪高活性酵母):湖北宜昌安琪酵母股份有限公司;亞硫酸(99.8%):成都科龍化工試劑廠。

        10609CHO手持折光儀:鄭州南北儀器設(shè)備公司;BL610電子天平:上海靜天電子儀器有限公司;BM255果汁機(jī):美的集團(tuán)有限公司。

        1.2 方法

        1.2.1 試驗(yàn)流程

        [13]中的試驗(yàn)流程。

        1.2.2 單因素試驗(yàn)

        在本試驗(yàn)中,選用發(fā)酵溫度、SO2添加量及酵母菌接種量3個(gè)因素,按照發(fā)酵溫度分別為20、22、24、26、28℃,二氧化硫添加量分別為40、50、60、70、80、90mg/kg,接種體積分?jǐn)?shù)分別為3%、4%、5%、6%、7%的酵母菌進(jìn)行紅心果果酒發(fā)酵,發(fā)酵完畢測(cè)定酒精度。

        1.2.3 響應(yīng)面試驗(yàn)

        選定二氧化硫添加量(X1)、酵母接種量(X2)和發(fā)酵溫度(X3)為自變量,酒精度(Y)為響應(yīng)值,利用軟件SAS 9.2進(jìn)行響應(yīng)面分析,確定所選各因素對(duì)果酒發(fā)酵酒精度的影響,得到最優(yōu)參數(shù)。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 單因素試驗(yàn)

        2.1.1 二氧化硫添加量對(duì)紅心果果酒酒精度的影響

        圖1表明二氧化硫添加量對(duì)酒精度的影響。

        圖1 二氧化硫添加量對(duì)酒精度的影響Fig.1 Effect of SO2amount on alcoholic strength

        在SO2添加量從40 mg/kg增加到70 mg/kg時(shí),酒精度值也隨著增加,在添加量為70 mg/kg時(shí),酒精度值達(dá)到最大,為9.2%。當(dāng)二氧化硫添加量繼續(xù)增加時(shí),酒精度值不再升高,反而有所下降,二氧化硫添加量過高,可在一定程度上抑制酵母菌的發(fā)酵活性,勢(shì)必會(huì)影響到果酒發(fā)酵的酒精度。故二氧化硫添加量控制在70 mg/kg較為合適。

        2.1.2 酵母菌接種量對(duì)紅心果果酒酒精度的影響

        圖2表明接種量對(duì)酒精度的影響。

        圖2 酵母菌接種量對(duì)酒精度的影響Fig.2 Effect of inoculation amount of yeast on alcoholic strength

        圖2表明,在酵母菌接種量從4%到6%時(shí),酒精度一直呈上升趨勢(shì),由此可見,接種量在6%時(shí),酒精度達(dá)到最大值,為9.5%。隨著接種量的繼續(xù)增加,酒精度反而開始下降,這可能是因?yàn)榻湍妇臃N量過大,其生長代謝衰亡期提前,對(duì)發(fā)酵造成影響。因此,選擇6%的酵母菌接種量比較合適。

        2.1.3 發(fā)酵溫度對(duì)紅心果果酒酒精度的影響

        圖3表明發(fā)酵溫度對(duì)酒精度的影響。

        圖3 發(fā)酵溫度對(duì)酒精度的影響Fig.3 Effect of fermentation temperature on alcoholic strength

        圖3表明,發(fā)酵溫度從22℃到26℃,酒精度不斷上升,在26℃的時(shí)候達(dá)到最大值。溫度的高低,會(huì)影響酵母菌的生長,其發(fā)酵活性也會(huì)受到影響。因此,我們將溫度控制在26℃。

        2.2 響應(yīng)面分析

        2.2.1 選取響應(yīng)面分析的因素及水平

        根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果,進(jìn)行三因素三水平的響應(yīng)面試驗(yàn)分析。表1表明響應(yīng)面分析因素與水平的選取值。

        表1 響應(yīng)面分析因素與水平Table 1 Analytical factors and levels for RSA

        2.2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)方案及結(jié)果

        表2表明響應(yīng)面試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果。

        表3表明響應(yīng)面分析的結(jié)果。

        對(duì)三個(gè)因素作如下變換:X1=(A-70)/10,X2=(B-6)/1,X3=(C-24)/2。以此三個(gè)因素作為自變量,酒精度(Y)為響應(yīng)值,采用SAS 9.2軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(表2)。

        表2 響應(yīng)面試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Program and results of RSA

        表3 回歸分析結(jié)果Table 3 Results of regression analysis

        經(jīng)回歸擬合,建立數(shù)學(xué)模型:

        Y=8.5+0.037 5X1+0.087 5X2+0.225X3-0.125X1X1-0.075X1X3-0.125X2X2-0.025X2X3-0.2X3X3。式中:Y為酒精度,%;X1為 SO2添加量,mg/kg;X2為酵母菌接種量,%;X3為發(fā)酵溫度,℃。

        根據(jù)數(shù)學(xué)模型,對(duì) X1、X2、X3求偏導(dǎo),帶入各因素的變換方程中求得SO2添加量即A=51.3 mg/kg,酵母菌接種量即B=5.33%,發(fā)酵溫度即C=24.98℃。在此優(yōu)化條件下,紅心果果酒發(fā)酵酒精度的理論值為9.58%。

        表3表明,模型達(dá)到顯著水平,說明試驗(yàn)設(shè)計(jì)可靠,擬合的二次回歸方程合適,據(jù)此可以看出,該回歸模型可用來預(yù)測(cè)響應(yīng)值酒精度(Y)的具體情況。由回歸方程中的各項(xiàng)系數(shù)所具有的顯著性可知,因素X2對(duì)酒精度(Y)具有顯著的影響效應(yīng),因素X3對(duì)酒精度(Y)具有極顯著的影響,且均為正效應(yīng);而因素X1對(duì)酒精度(Y)不具有顯著的影響;二次項(xiàng)因素中X3X3對(duì)酒精度(Y)具有極顯著的影響,而X1X1、X2X2對(duì)酒精度(Y)具有顯著影響;交互式因素 X1X2、X1X3、X2X3對(duì)酒精度(Y)不具有顯著影響,因此各具體試驗(yàn)因素對(duì)響應(yīng)值的影響不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。

        2.2.3 紅心果果酒發(fā)酵工藝的響應(yīng)面及等高線圖

        通過響應(yīng)面圖形可以直觀的觀察到試驗(yàn)設(shè)計(jì)的最優(yōu)組合,對(duì)最佳參數(shù)及各參數(shù)之間的相互作用也一目了然[15],響應(yīng)值會(huì)受到各因素或其交互作用的影響,其影響效果可以通過等高圖來體現(xiàn)[16]。響應(yīng)面分析及等高線圖見圖4~圖6。

        圖4表明SO2添加量及酵母菌接種量對(duì)酒精度的響應(yīng)面及等高線圖。

        圖4 SO2添加量及酵母菌接種量對(duì)酒精度的響應(yīng)面及等高線圖Fig.4 Responsive surfaces and counter of SO2amount and yeast inoculation amount.

        圖5表明SO2添加量及發(fā)酵溫度對(duì)酒精度的響應(yīng)面及等高線圖。

        圖6表明發(fā)酵溫度及酵母菌添加量對(duì)酒精度的響應(yīng)面及等高線圖。

        2.2.4 驗(yàn)證試驗(yàn)

        為驗(yàn)證響應(yīng)面法所得結(jié)果的可靠性,在上述響應(yīng)面分析法求得的最佳條件下重復(fù)發(fā)酵3次,實(shí)際測(cè)的的平均酒精度為9.61%,與模型預(yù)測(cè)值9.58%基本一致,可見模型能較好地預(yù)測(cè)實(shí)際發(fā)酵酒精度的情況,適合于此發(fā)酵工藝,因此,基于響應(yīng)面優(yōu)化的發(fā)酵工藝參數(shù)可靠,具有實(shí)用價(jià)值。

        圖5 SO2添加量及發(fā)酵溫度對(duì)酒精度的響應(yīng)面及等高線圖Fig.5 Responsive surfaces and counter of SO2amount and fermentation temperature

        圖6 發(fā)酵溫度及酵母菌添加量對(duì)酒精度的響應(yīng)面及等高線圖Fig.6 Responsive surfaces and counter of fermentation temperature and inoculation amount of yeast

        3 結(jié)論

        通過單因素試驗(yàn),二氧化硫添加量控制在70 mg/kg比較好,酵母菌接種量控制在6%比較好,發(fā)酵溫度則控制在26℃較好,酒精度值最高。在此基礎(chǔ)上再利用響應(yīng)面分析法對(duì)紅心果果酒發(fā)酵的工藝條件進(jìn)行了研究,考察了二氧化硫添加量、酵母菌接種量和發(fā)酵溫度3個(gè)因素對(duì)酒精度的影響,得到最佳參數(shù)為二氧化硫添加量A為51.3mg/kg,酵母菌接種量B為5.33%,發(fā)酵溫度C為24.98℃。在此發(fā)酵工藝條件下野生紅心果果酒酒精度的理論值為9.58%。通過驗(yàn)證試驗(yàn),在此優(yōu)化條件下的實(shí)際平均酒精度為9.61%。由此可見,通過響應(yīng)面法得到的紅心果果酒發(fā)酵條件參數(shù)準(zhǔn)確可靠,實(shí)際工藝可以以此作為借鑒。果酒發(fā)酵工藝是一種成熟的工藝,響應(yīng)面法目前來說可以很好地用于發(fā)酵工藝最佳參數(shù)的確定,但它不是唯一方法,在今后的類似分析中,應(yīng)該盡可能的使用多種統(tǒng)計(jì)方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,才能使最終的結(jié)果更為準(zhǔn)確和可靠。

        參考文獻(xiàn):

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