張亞南,付二冬,劉偉,王沛,王威,古麗娜孜,田歌,吳浩天,馬文瑞,張志臻,武運*
(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與藥學(xué)學(xué)院,新疆烏魯木齊830052;2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院,新疆烏魯木齊830052)
乳清雪菊酒發(fā)酵工藝優(yōu)化的研究
張亞南1,付二冬1,劉偉1,王沛1,王威1,古麗娜孜1,田歌1,吳浩天1,馬文瑞1,張志臻2,武運1*
(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與藥學(xué)學(xué)院,新疆烏魯木齊830052;2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院,新疆烏魯木齊830052)
為探討乳清雪菊酒的加工技術(shù),以新疆干酪副產(chǎn)物乳清與雪菊為原料,通過單因素試驗與響應(yīng)面試驗設(shè)計優(yōu)化乳清雪菊酒的發(fā)酵工藝條件。試驗結(jié)果表明,乳清雪菊酒的最佳發(fā)酵工藝為:馬克思克魯維酵母菌∶釀酒酵母菌∶干酪乳桿菌的接種比例6%∶6%∶2%,發(fā)酵時間102 h,發(fā)酵溫度30℃。在此條件下,乳清雪菊酒的酒精度可達(dá)5.93%vol,總酸為6.48 g/L,乳清雪菊酒呈淡橘黃色,擁有乳清與雪菊混合的芳香氣味,乳香與花香協(xié)調(diào),酒體柔和。
乳清;雪菊;酒精發(fā)酵;工藝優(yōu)化
乳清是制造干酪和干酪素的加工副產(chǎn)物,具有較高的營養(yǎng)價值,其中約含乳清干物質(zhì)6%~8%,粗蛋白質(zhì)1%,粗脂肪0.3%~0.4%,總糖3%~5%(乳糖占99.8%),此外還含有礦物質(zhì)和多種維生素[1-3]。其含有的乳清蛋白能結(jié)合鈣以及一些疏水性分子(如視黃醇、維生素E),起到降血壓、抗應(yīng)激、降低痛苦刺激的靈敏度、降低膽固醇、提高免疫力、提高認(rèn)知性能和改善睡眠等作用[4-6];乳糖能促進(jìn)腸道內(nèi)鈣、磷和錳等礦物質(zhì)的吸收,抑制其他有害細(xì)菌的繁殖,調(diào)整菌群平衡[7],但也易造成乳糖不耐癥。目前,全世界乳清產(chǎn)量每年約180×106~190×106t,其中只有50%得到了利用[8],其余大部分被作為廢水直接排放,而據(jù)研究水污染的工作人員分析,由于乳清蛋白具有很高的生物需氧量(3800~46000mg/L),己遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過200mg/L的生活污水容許極限[9],對環(huán)境造成了較嚴(yán)重的污染?,F(xiàn)今利用乳清生產(chǎn)含酒精飲料,具有工藝簡單、設(shè)備要求低、產(chǎn)品附加值高等優(yōu)點,乳清經(jīng)過酵母菌和乳酸菌等發(fā)酵作用,產(chǎn)生乙醇、乳酸及其他有機(jī)酸類,不僅使飲料產(chǎn)生良好的風(fēng)味,而且營養(yǎng)價值也大幅度提高了,這是由于乳酸菌將大分子乳清蛋白分解,產(chǎn)生一些肽類更易于被人體吸收。另外乳酸菌和克魯維酵母菌能分解利用乳清中的乳糖,減少乳糖不耐癥的發(fā)生。
雪菊學(xué)名兩色金雞菊,又稱清三高花,是藥食兩用植物,含有多種黃酮類物質(zhì)、多種人體必需的礦物元素、20多種氨基酸、數(shù)十種芳香族化合物、豐富的有機(jī)酸、維生素、酶類、多糖等,具有超過一般花茶的藥理功效。將雪菊沖泡,香味濃郁,具有清熱解毒、活血化疲、健脾胃、降血壓、降血脂和降血糖之功效,還可治療心慌、胃腸不適、食欲不振、痢疾等[10-13],現(xiàn)已成為營養(yǎng)學(xué)家、藥理學(xué)家以及養(yǎng)生專家研究的熱點。
新疆是我國奶業(yè)發(fā)展較好的地區(qū)之一,隨著奶酪需求量的增大,乳清排放量較大造成了資源浪費與環(huán)境污染。本研究以新疆乳清與雪菊為原料,將發(fā)酵液的酒精度作為評價指標(biāo),運用響應(yīng)面法優(yōu)化乳清雪菊酒的發(fā)酵工藝參數(shù),以期為新疆乳清與雪菊的新產(chǎn)品開發(fā)和產(chǎn)品附加值的提高提供一定的理論依據(jù)。
1.1 材料與試劑
乳清:新疆庫爾勒瑞源乳業(yè)提供;雪菊:烏魯木齊北園春市場;酵母菌、乳酸菌:新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與藥學(xué)學(xué)院微生物實驗室提供;酵母浸出粉胨葡萄糖(yeast extract peptone dextrose,YEPD)培養(yǎng)基、MRS培養(yǎng)基:青島海博生物技術(shù)有限公司;其他培養(yǎng)基均購于新疆阜瑞克生物科技有限公司;酒石酸鉀鈉、硫酸銅、氫氧化鈉、鹽酸(均為分析純):天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司。
1.2 儀器與設(shè)備
FA2014N分析天平:北京東南儀誠實驗室設(shè)備有限公司;HR40-IIA2生物安全柜:青島海爾特種電器有限公司;YXQ-LS-18SI手提式壓力蒸汽滅菌器:上海博迅實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠;DHP-9052電熱恒溫培養(yǎng)箱:上海一恒科學(xué)儀器有限公司;YBFJ110酒精計:冀州市耀華器械儀表廠;WFI-J型手持測糖儀:成都豪創(chuàng)光電儀器有限公司;JM-L型膠體磨:上海諾尼輕工機(jī)械有限公司;TD5A-WS臺式低速離心機(jī):長沙湘儀離心機(jī)儀器有限公司;NCJJ.1/100納米超高壓均質(zhì)機(jī):廊坊通用機(jī)械有限公司。
1.3 實驗方法
1.3.1 工藝流程
1.3.2 操作要點
(1)原料處理:按照3 g/100 mL的比例將雪菊浸泡在無菌水中,獲得雪菊溶液,同時將新鮮乳清,使用無菌紗布過濾除去雜質(zhì),并準(zhǔn)確量取一定量的乳清加入10%的蔗糖。
(2)成分調(diào)整:將10%的雪菊溶液與90%的乳清溶液進(jìn)行混合,置于85℃的水浴鍋中,水浴30 min,冷卻至室溫。
(3)菌種活化:將保存于4℃冰箱中的斜面酵母菌與乳酸菌在無菌條件下接種于YEPD與MRS肉湯液體培養(yǎng)基中,將接種好的活化菌液,置于28℃活化培養(yǎng)24 h傳代,活化2代后使用。
(4)酒精發(fā)酵:將酵母菌與乳酸菌按一定的比例加入乳清雪菊溶液中,30℃發(fā)酵4 d。
(5)將發(fā)酵完成的乳清雪菊酒加熱至溫度為50~70℃時,分別添加不同的穩(wěn)定劑,經(jīng)膠體磨處理2~3 min,再將處理后的樣液在20MPa下均質(zhì)10min,進(jìn)行灌裝,并于85℃條件下殺菌20 min,冷卻儲藏。
1.3.3 乳清雪菊酒發(fā)酵試驗
(1)單因素試驗
分別選取馬克思克魯維酵母菌、釀酒酵母菌和干酪乳桿菌的接種比例為3%∶3%∶5%、4%∶4%∶4%、5%∶5%∶3%、6%∶6%∶2%、7%∶7%∶1%,蔗糖添加量為6%、8%、10%、12%、14%,發(fā)酵溫度為26℃、28℃、30℃、32℃、34℃,發(fā)酵時間為24 h、48 h、72 h、96 h、120 h、144 h,雪菊浸提液為10%、20%、30%、40%、50%進(jìn)行單因素試驗,測定發(fā)酵液的酒精度、總酸、可溶性固形物含量,研究不同單因素對乳清雪菊酒發(fā)酵過程的影響。
(2)響應(yīng)面優(yōu)化試驗
根據(jù)單因素試驗結(jié)果,采用Expert-Design8.05中的Box-Behnken的響應(yīng)面設(shè)計,選取接種比例(A)、發(fā)酵溫度(B)、發(fā)酵時間(C)為優(yōu)化因素,以酒精度為響應(yīng)值,對乳清雪菊酒發(fā)酵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。響應(yīng)面試驗設(shè)計因素和水平見表1。
表1 乳清雪菊酒發(fā)酵條件優(yōu)化響應(yīng)面試驗設(shè)計因素與水平Table 1 Factors and levels of response surface methodology for wheyC.tintoriawine fermentation conditions optimization
1.3.4 檢測指標(biāo)
酒精度的測定:根據(jù)國標(biāo)GB/T 23546—2009《奶酒》中測定方法[14];酸度(以乳酸計)的測定:酸堿直接滴定法;可溶性固形物含量測定:采用手持測糖儀測定;微生物指標(biāo)的測定:根據(jù)國標(biāo)GB 4789.3—2010《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品衛(wèi)生微生物學(xué)檢驗大腸菌群計數(shù)》規(guī)定的方法進(jìn)行。
2.1 乳清雪菊酒發(fā)酵工藝單因素試驗結(jié)果
2.1.1 不同菌種接種比例對乳清雪菊酒的影響
當(dāng)發(fā)酵溫度為30℃,發(fā)酵時間為96 h,蔗糖添加量為10%,雪菊溶液添加量為10%時,不同接種比例對乳清雪菊酒各指標(biāo)的影響見圖1。由圖1可知,在不同的菌種接種比例下,乳清雪菊酒的酒精度呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢,可溶性固形物含量與總酸緩慢較低。當(dāng)接種比例為6%∶6%∶2%時,酒精度達(dá)到最大值為5.7%vol,可溶性固形物含量下降為6.6°Bx,總酸下降為4.6 g/L;當(dāng)接種比例為7%∶7%∶1%時,酒精度有所下降,而可溶性固形物與總酸基本不變??赡苁且驗榫N接種比例不同時,菌種的延滯期、起酵速度、發(fā)酵周期不同;菌種接種量較高時,菌種消耗大量營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行了生長代謝,此時不利于酒精的轉(zhuǎn)化[15]。綜合考慮,選取菌種接種比例為6%∶6%∶2%進(jìn)行發(fā)酵試驗。
圖1 不同接種比例對乳清雪菊酒的影響Fig.1 Effect of different inoculum ratio on whey C.tintoriawine
2.1.2 不同發(fā)酵時間對乳清雪菊酒的影響
在發(fā)酵溫度為30℃,菌種接種比例為6%∶6%∶2%,蔗糖添加量為10%,雪菊溶液添加量為10%的試驗條件下,不同發(fā)酵時間對乳清雪菊酒各指標(biāo)的影響見圖2。由圖2可知,當(dāng)發(fā)酵時間在24~96 h時,乳清雪菊酒的酒精度增加較快;發(fā)酵時間96 h時,酒精度達(dá)到最大值為6.3%vol,可溶性固形物為6.0°Bx,總酸為7.5 g/L,當(dāng)發(fā)酵時間為96~144 h時,乳清雪菊酒的酒精度呈現(xiàn)緩慢下降趨勢,可溶性固形物含量未變化,總酸呈現(xiàn)上升趨勢,達(dá)到最大值為10.3 g/L。可能由于發(fā)酵時間較長,發(fā)酵液中營養(yǎng)物質(zhì)不足,難以滿足菌種的生長,進(jìn)入衰亡期;也許是由于發(fā)酵時間較長,有大量的副產(chǎn)物累積,增加了菌種的抑制作用。綜上所述,發(fā)酵時間選取96 h進(jìn)行試驗。
圖2 不同發(fā)酵時間對乳清雪菊酒的影響Fig.2 Effect of different fermentation time on whey C.tintoriawine
2.1.3 不同發(fā)酵溫度對乳清雪菊酒的影響
在菌種接種比例為6%∶6%∶2%,發(fā)酵時間為96 h,蔗糖添加量為10%,雪菊溶液添加量為10%的試驗條件下,不同發(fā)酵溫度對乳清雪菊酒各指標(biāo)的影響見圖3。由圖3可知,當(dāng)發(fā)酵溫度在26~30℃,酒精度與總酸上升,可溶性固形物含量下降。當(dāng)發(fā)酵溫度為30℃時,發(fā)酵液的酒精度達(dá)到6.1%vol,可溶性固形物含量6.7°Bx,總酸為4.8 g/L。當(dāng)發(fā)酵溫度為30℃以上時,乳清雪菊酒酒精度出現(xiàn)下降現(xiàn)象,可溶性固形物含量緩慢上升??赡苁且驗榘l(fā)酵溫度較低時,滿足不了菌種的生長溫度,使得菌種生長緩慢,起酵速度慢,發(fā)酵周期長;而發(fā)酵溫度過高時,加速了菌種衰老,產(chǎn)酒精率低,同時易引起雜菌污染[16]。綜上考慮,應(yīng)選取發(fā)酵溫度30℃進(jìn)行發(fā)酵試驗。
圖3 不同發(fā)酵溫度對乳清雪菊酒的影響Fig.3 Effect of different fermentation temperature on wheyC.tintoriawine
2.1.4 不同雪菊溶液添加量對乳清雪菊酒的影響
在發(fā)酵溫度為30℃,發(fā)酵時間為96 h,菌種接種比例為6%∶6%∶2%,蔗糖添加量為10%的試驗條件下,不同雪菊溶液添加量對乳清雪菊酒各指標(biāo)的影響見圖4。由圖4可知,隨著雪菊溶液添加量的增加,酒精度、可溶性固形物含量與總酸趨于穩(wěn)定,對乳清雪菊酒的發(fā)酵特性影響不大,對乳清雪菊酒的風(fēng)味影響較大,添加量過高時,雪菊香味過于濃郁,掩蓋了乳香味,綜合考慮,選擇雪菊溶液添加量為10%,以保證乳清雪菊酒香味的協(xié)調(diào)性。
圖4 不同雪菊溶液添加量對乳清雪菊酒的影響Fig.4 Effect of differentCoreopsis tintoriasolution addition on wheyC.tintoriawine
2.1.5 不同蔗糖添加量對乳清雪菊酒的影響
在發(fā)酵溫度為30℃,發(fā)酵時間為96 h,菌種接種比例為6%∶6%∶2%,蔗糖添加量為10%,雪菊溶液添加量為10%的試驗條件下,不同蔗糖添加量對乳清雪菊酒各指標(biāo)的影響見圖5。由圖5可知,隨著發(fā)酵液中糖含量的增加,乳清雪菊酒的酒精度顯著升高;當(dāng)糖添加量為10%時,酒精度達(dá)到最大值為6.02%vol,可溶性固形物含量為4.5°Bx,總酸為6.8 g/L;隨著蔗糖添加量繼續(xù)增加,乳清雪菊酒的酒精度有所下降,可溶性固形物含量隨之升高,總酸下降??赡苁钱?dāng)蔗糖添加量較低時,菌種生長和酒精轉(zhuǎn)化的所需的碳源不足,酒精度較低;當(dāng)蔗糖量過高時,形成了較高的滲透壓,對菌種的生長與代謝起到了阻礙作用,并且隨著發(fā)酵過程中酒精的積累,會加重對菌種代謝活動的阻礙[17]。綜合考慮,選取蔗糖添加量為10%進(jìn)行發(fā)酵。
圖5 不同蔗糖添加量對乳清雪菊酒的影響Fig.5 Effect of different sucrose addition on whey C.tintoriawine
2.2 乳清雪菊酒發(fā)酵響應(yīng)面優(yōu)化試驗結(jié)果
由單因素試驗結(jié)果可知,試驗所設(shè)計的考察因素對總酸影響較小,而對可溶性固形物與酒精度的影響較大,可溶性固形物與酒精度又呈現(xiàn)反比例關(guān)系,酒精度越高可溶性固形物就越低,因此選取酒精度作為響應(yīng)面優(yōu)化的評定指標(biāo),可體現(xiàn)出乳清雪菊酒的發(fā)酵特性。在此基礎(chǔ)上,采用Box-Behnken進(jìn)行響應(yīng)面試驗設(shè)計,考察菌種接種比例(A)、發(fā)酵溫度(B)、發(fā)酵時間(C)對乳清雪菊酒酒精度(Y)的影響,試驗設(shè)計及結(jié)果見表2。
對表2響應(yīng)面試驗結(jié)果進(jìn)行回歸分析,得到乳清雪菊酒酒精度對接種比例(A)、發(fā)酵溫度(B)、發(fā)酵時間(C)的擬合方程為:Y=5.92+0.48A+0.16B+0.34C-0.20AB+0.10AC-0.12BC-0.85A2-0.42B2-0.67C2。
由表3可知,本實驗建立的回歸模型極顯著(P<0.0001);而模型失擬項P=0.223 4>0.05,說明模型失擬項不顯著,由此說明所建立的模型具有良好的顯著性。模型決定系數(shù)R2=0.992 1,校正決定系數(shù)R2Adj=0.981 9,表明該模型能較好擬合實際試驗中響應(yīng)值的變化,表明乳清雪菊酒酒精度的實測值與預(yù)測值之間具有良好的擬合度,能夠利用該模型對乳清雪菊酒酒精發(fā)酵過程進(jìn)行分析和預(yù)測。
表2 乳清雪菊酒發(fā)酵條件優(yōu)化響應(yīng)面試驗設(shè)計結(jié)果與分析Table 2 Results and analysis of response surface methodology for wheyC.tintoriawine fermentation condition optimization
表3 回歸方程方差分析Table 3 Variance analysis of regression equations
由表3可知,一次項A、B、C,交互項AB和二次項A2、B2、C2對響應(yīng)值均存在極顯著的影響(P<0.01),交互項BC對響應(yīng)值存在顯著的影響(P<0.05)。
2.3 響應(yīng)面分析與優(yōu)化
為了考察各個交互項對乳清雪菊酒的酒精度的影響,利用Design-Expert 8.05軟件對回歸模型進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化,并對交互作用顯著的因素繪制交互項三維響應(yīng)面圖,能比較直觀的解釋各個變量和變量之間對響應(yīng)值的影響,結(jié)果見圖6。通過Design-Expert 8.05對建立的回歸方程進(jìn)行參數(shù)最優(yōu)化分析,可以得出最佳發(fā)酵工藝條件為接種比例6.1%∶6.1%∶1.9%、發(fā)酵溫度30.17℃、發(fā)酵時間102.33 h,在此條件下乳清雪菊酒酒精度預(yù)測值為6.04%vol。
圖6 接種比例、發(fā)酵溫度與發(fā)酵時間交互作用對乳清雪菊酒酒精度影響的響應(yīng)面和等高線Fig.6 Response surface plots and contour line of effects of interaction between inoculum ratio,fermentation temperature and time on alcohol content of wheyC.tintoriawine
2.4 驗證試驗
為檢驗該方法的可靠性,根據(jù)實際操作條件,將最佳發(fā)酵工藝修正為菌種接種比例為6%∶6%∶2%、發(fā)酵溫度30℃、發(fā)酵時間102 h,經(jīng)過3組平行試驗,最終測得的樣品平均酒精度為5.93%vol,可見該模型準(zhǔn)確可靠,利用該模型在實踐中進(jìn)行預(yù)測是可行的。
2.5 產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)
2.5.1 感官指標(biāo)
乳清雪菊酒呈淡橘黃色,有少量的沉淀現(xiàn)象,擁有乳清與雪菊混合的芳香氣味,無異味,酒體柔和。
2.5.2 理化指標(biāo)
酒精度:5.93%vol,總酸:6.48 g/L。
2.5.3 微生物指標(biāo)
致病菌:沙門氏菌、志賀氏菌和金黃色葡萄球菌未檢出。
在單因素試驗的基礎(chǔ)上,通過Box-Behnken響應(yīng)面優(yōu)化法,得出乳清雪菊酒最佳發(fā)酵條件為馬克思克魯維酵母菌∶釀酒酵母菌∶干酪乳桿菌接種比例6%∶6%∶2%,發(fā)酵時間102 h,發(fā)酵溫度30℃。在優(yōu)化的最佳條件下,所得的乳清雪菊酒酒精度可達(dá)5.93%vol,總酸為6.48 g/L,乳清雪菊酒色澤呈淡橘黃色,擁有乳清與雪菊混合的芳香氣味,無異味,酒體柔和。
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Optimization of fermentation process of wheyCoreopsis tintoriawine
ZHANG Yanan1,FU Erdong1,LIU Wei1,WANG Pei1,WANG Wei1,GULINAZI1,TIAN Ge1,WU Haotian1,MA Wenrui1, ZHANG Zhizhen2,WU Yun1*
(1.College of Food Sciences and Pharmaceutical Sciences,Xinjiang Agricultural University,Urumqi 830052,China; 2.College of Science and Technology,Xinjiang Agricultural University,Urumqi 830052,China)
To research the technology of wheyCoreopsis tintoriawine,using whey(a by-product from Xinjiang cheese-making)andC.tintoriaas raw material,the optimum technological conditions were optimized through single factor experiments and response surface methodology.Experimental results showed that the optimum wheyC.tintoriawine fermentation process wereKluyveromyces marxianus∶Saccharomyces cerevisiae∶Lactobacillus caseiinoculum ratio 6%∶6%∶2%,fermentation time 102 h and temperature 30℃.Under the conditions,the alcohol content of the wine was 5.93%vol, total acid content was 6.48 g/L.The wheyC.tintoriawine was soft with pale orange color,had the aroma of whey mixed withC.tintoria,frankincense,coordinated with flowers.
whey;Coreopsis tintoria;alcoholic fermentation;process optimization
R284.2
0254-5071(2017)04-0109-05
10.11882/j.issn.0254-5071.2017.04.023
2016-10-20
“十二五”國家科技支撐項目(2012BAD44B01-05);企業(yè)橫向合作項目(XJNDRY-002);新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)自治區(qū)級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目(201610758080)
張亞南(1990-),女,碩士研究生,研究方向為食品生物技術(shù)。
*通訊作者:武運(1965-),女,教授,碩士,研究方向為食品生物技術(shù)與食品安全。