紫薯莜麦酒酿造工艺优化

紫薯莜麦酒酿造工艺优化
吴芳彤;刘春卯;罗同阳;曹倩荣;郑翔;杨何宝
【摘要】以紫薯、莜麦为原料,在单因素试验的基础上采用三步响应面法优化紫薯莜麦酒的酿造工艺.得到紫薯莜麦酒发酵工艺条件为:发酵时间6d,发酵温度18℃,S02添加量96 mg/L.在该发酵条件下酿造而成的紫薯莜麦酒酒精度11.00％vol,花色苷和β-葡聚糖含量分别为21.23和36.85 mg/L,显著高于对照组.%On the basis of single factor experiment,the brewing technology of purple sweet potato and hulless oat wine was optimized by three steps response surface methodology.Results showed that the optimal fermentation condition of purple sweet potato and hulless oat wine was fermentation at 18 ℃ for 6 d with additi on of SO2 96 mg/L.Under these optimized conditions,the alcohol degree was 11.00 ％ vol,and the contents of anthocyanin and β-glucan were 11.00 ％vol,21.23 and 36.85
mg/L,respectively,which were significantly higher than those of the control group.
【期刊名称】《食品与发酵工业》
【年(卷),期】2017(043)004
【总页数】6页(P129-134)
【关键词】紫薯;莜麦;果酒;花色苷;β-葡聚糖
【作者】吴芳彤;刘春卯;罗同阳;曹倩荣;郑翔;杨何宝
【作者单位】河北省微生物研究所,河北保定,071000;河北省微生物研究所,河北保定,071000;河北省微生物研究所,河北保定,071000;河北省微生物研究所,河北保定,071000;河北省微生物研究所,河北保定,071000;河北省微生物研究所,河北保定,071000
【正文语种】中文
莜麦，又称裸燕麦，是我国燕麦种植的主要品种之一，主要分布于我国西北、西南、华北和湖北等地。

与我国市场上常见的皮燕麦，同属燕麦属的不同种。

莜麦脂肪和碳水化合物含量低，富含优质蛋白、亚油酸、维生素、β-葡聚糖、矿物质元素等[1-3]。

莜麦β-葡聚糖，是一种高分子无分支线性黏多糖，主要通过β-(1，3)和
β-(1，4)糖苷键连接而成[4]。

与其他来源的β-葡聚糖相比，莜麦β-葡聚糖水溶性和皮肤渗透性更好，更容易被人体吸收利用[5]。

紫薯是我国近年来从国外引进的
红薯新品种，肉呈紫色至深紫色。

紫薯营养丰富，除具有普通红薯的生理保健功效外，还具有其独特的保健药用价值[6-7]。

本文以紫薯和莜麦为原料，经液化、糖化处理后，采用响应面优化法优化其发酵工艺，以期酿造出不仅具有紫薯酒瑰丽的色泽[8]，而且含有紫薯和莜麦的双重营养
价值，富含花色苷和β-葡聚糖的发酵酒。

1.1 材料与试剂
紫薯，市售；蔗糖、柠檬酸、NaOH，市售，食品级；葡萄酒、果酒专用酵母、甜酒曲，均为安琪酵母股份有限公司；α-淀粉酶(30 U/mg)、糖化酶(100 000 U/g)，北京化迈科技生物技术有限公司；β-葡聚糖标准品，Sigma-Aldrich股份有限公司；偏重亚硫酸钾，意大利Enartis股份有限公司，食品级；其他试剂均为国产分析纯。

1.2 实验方法
1.2.1 紫薯莜麦酒酿造工艺流程
1.2.2 菌种的活化
将5%的安琪葡萄酒、果酒专用干酵母，加入到含糖2%的溶液中，在35～40 ℃
下搅拌活化约15～30 min，直至糖水中出现大量的小气泡为止。

1.2.4 紫薯和莜麦的预处理
紫薯的液化采用工业酶液化法。

挑选无霉变、病虫伤害的新鲜紫薯，洗净，隔水蒸煮30 min左右至无硬心，与纯净水按照1∶1.5(g∶mL)的料液比混匀打浆。

用柠
檬酸和NaOH调节pH至6.5，0.25% α-淀粉酶添加量，95 ℃液化70 min。

得
到的紫薯液继续添加0.1%的糖化酶，调节pH至4.0，65 ℃糖化95 min。

即得
处理好的紫薯发酵醪。

莜麦液化处理采用恒温浸出糖化法。

莜麦挑选去除杂质霉变，粉碎过40目筛，隔水蒸煮30 min，将蒸好的莜麦，采用淋水冷却法，冷却到30～37 ℃，备用。

以0.5%的接种量(以干莜麦量为计)将甜酒曲均匀的撒入其中，搅拌均匀，温度控制在28 ℃左右。

发酵30～36 h时，莜麦表面出现糖化菌丝，此时将莜麦二次搅拌混匀，发酵72 h结束。

将预处理好的紫薯和莜麦发酵醪按照2∶1的比例混合，调节pH和糖度，按照一
定比例添加SO2，115～117 ℃高温高压灭菌15～20 min，冷却到室温，备用。

1.2.5 单因素试验对紫薯莜麦酒的发酵工艺的优化
本试验选取对紫薯莜麦酒影响较大的6个因素：初始pH、发酵温度、接种量、发酵时间、初始糖度、SO2添加量。

每个因素设5个梯度，初始pH 2.5、3.0、3.5、4.0、4.5；发酵温度16、18、20、22、24 ℃；接种量0.05%、0.10%、0.15%、0.2%、0.25 %；发酵时间 3、5、7、9、11 d；初始糖度 14、16、18、20、22 Brix；SO2添加量50、55、60、65、70 mg/L。

以酒精度、花色苷和β-葡聚糖
为检测指标，考察这6个因素在紫薯莜麦酒酿造中的最优指标。

1.2.6 响应面法优化紫薯莜麦酒的发酵工艺
在单因素试验结果的基础上，以酒精度作为响应目标，采用三步法进行优化：首先通过Plackett-Burman设计找到对响应影响的显著因素；接着通过最陡爬坡实验
快速逼近最佳值区域；最后利用响应面方法中的中心组合设计实验，拟合实验数据得到二阶响应面模型，进而得到紫薯莜麦酒最优发酵工艺，并进行验证。

采用Design-Expert 8.0.6进行实验数据分析及处理。

1.2.6.1 Plackett Burman的筛选设计实验
选取6个因素作为考察对象：初始pH、发酵温度、接种量、发酵时间、初始糖度、SO2添加量。

1.2.6.2 最陡爬坡实验
响应面拟合方程只有在接近最佳值区域才近似于真实情况，因此要尽可能逼近最大产酒精区域才能建立有效地响应面方程[9]。

根据1.3.3.1 PB实验结果筛选得到对
酒精度影响显著的3个因素做最陡爬坡实验。

1.2.6.3 中心组合设计实验(CCD)
根据PB实验结果选取影响显著的3个变量，每个因素选取-1、0、+1，在最陡爬坡实验确定的最佳区域内，以酒精度作为响应值(Y)，利用Design-Expert 8.0.6
软件进行实验数据分析及处理。

1.2.7 酒精度和糖度含量的测定方法
酒精度采用GB/T15038—2006中酒精计法，以20 ℃时容量百分数表示的酒精水溶液浓度计算。

糖度的测量采用SB/T10203—1994中阿贝折光仪法测定。

1.2.8 花色苷的测定方法
pH示差法。

吸取一定量酒样于50 mL烧杯中，用柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液调节pH 3.0，定容到50 mL即为稀释酒样。

取稀释酒样1 mL，分别加入pH 1.0和
pH 4.5的缓冲溶液 9 mL，40 ℃水浴平衡 30 min，以蒸馏水为空白对照，分别
测定A510 nm和A700 nm[10]。

稀释后样品的吸光度ΔA按公式(1)计算：
ΔA=( A510-A700)pH 1.0- (A510-A700)pH 4.5
样品的花色苷含量(mg/L)按公式(2)计算：
花色苷含量=[ (ΔA×MW )/(ε×1)]×DF×1 000
其中：MW ，矢车菊素葡萄糖苷的相对分子质量(484.82 mg/mol)；ε，矢车菊素葡萄糖苷的摩尔消光系数(24 825 mol-1)；DF，稀释因子(样品总的稀释倍数)。

1.2.9 β-葡聚糖的测定方法
刚果红法。

分别配制5、10、15、20、25、30、35 μg/mL标准β-葡聚糖溶液，在545 nm处分别测定吸光度，在曲线上求A为1时的β-葡聚糖含量(即为K值)。

以β-葡聚糖浓度(C)为横坐标，吸光度(A)为纵坐标绘制标准曲线。

取稀释的紫薯莜麦保健酒饮料2.0 mL分别加入4.0 mL的刚果红，20 ℃水浴30 min以蒸馏水为空白对照，545 nm处测定吸光度(A1)。

为了消除酒样颜色对测定结果的影响，同时测定了各酒样的吸光度(A0)，即最终酒样吸光度为ΔA= A1-A0[11-12]。

β-葡聚糖含量/(mg·L-1)=K×ΔA×稀释倍数
2.1 单因素优化紫薯莜麦酒发酵工艺的结果
紫薯莜麦酒发酵工艺单因素选择结果如图1所示，随着各项工艺参数的递增，酒
精度、花色苷和β-葡聚糖均呈现先增加后减少或平稳的趋势。

当发酵醪初始pH 3.5、发酵温度20 ℃、发酵时间7 d、初始糖度18 Brix、SO2添加量为60 mg/L 时，酒精度、花色苷和β-葡聚糖均达到最大值。

这可能是花色苷的稳定性较差，
温度、pH、糖、SO2添加量等均对其有影响。

本品采用的安琪葡萄酒果酒专用酵母最适温度在20 ℃左右，温度和pH过高或过低均不利于酵母的繁殖和催化酒精反应。

糖度与酒精度有直接关系，糖在酵母菌的作用下转化成为酒精和SO2，但在自然酿酒条件下，达到一定酒精浓度后，随着
糖度的增加酒精度基本保持不变。

酿酒酵母对SO2的抗性较强，在发酵过程中添
加SO2从而达到抑制其他杂菌生长的作用，提高酵母菌的发酵能力。

花色苷是类黄酮化合物，在植物、食品中以多种形式存在，目前已知种类有22大类。

花色苷的稳定性受温度影响非常大，在一定范围内随温度的升高，花色苷向着无色的查尔酮和甲醇假碱形式转化；在酸性条件下，随着温度的降低，其结构可逆转变成红色的花色苷阳离子形式[13]。

高浓度的糖分含量有利于花色苷颜色的保护，低浓度的糖分含量，加速花色苷的降解[14]。

SO2是食品中常用的防腐剂和漂白剂，在果酒中添加SO2具有杀菌、澄清、护色、改善酒的味感质量等作用，根据
我国《NYT 1508—2007 绿色食品果酒》中规定成品酒中SO2含量≤250 mg/L，过多或过少的SO2在酸性环境中形成亚硫酸氢根，亲核攻击花色苷C2或C4位生成无色的花色苷亚硫酸盐复合物[15]。

β-葡聚糖在莜麦内以多种结构形式存在，但都是通过β-1,3键和β-1,4键连接而成的直链β-D-葡萄糖。

发酵过程中β-葡聚糖基本不参与，但与酒精度有较强的联系。

β-葡聚糖的含量，随着酒精度的升高，呈上升趋势。

这可能是因为较高的乙醇浓
度增强了β-葡聚糖内的交链作用。

2.2 响应面优化紫薯莜麦酒发酵工艺的结果
2.2.1 PB实验结果
2.2.1.1 PB实验设计及结果
在单因素实验的基础上，以单因素最优指标为“-1”变量，“+1”取最低水平的1.5倍，选取6个因素，共进行12次实验以确定每个因素的影响水平。

编码表见
表1。

以酒精度(Y)作为实验响应值，每个实验重复3次取平均值。

PB实验设计及结果见表2。

运用Design Expert8.0.6软件对实验数据进行回归拟合，回归方程：Y=10.6-0.53X1-100X2+0.12X3+1.27X4-0.20X5-1.53X6，R2=0.918 0。

2.2.1.2 PB实验的回归模型方差分析
对实验结果进行回归模型方差分析，分析结果见表3。

模型(P=0.0135<0.05)显著；精密度(Adeq Precisior)即有效信号与噪声的比值，本实验为9.134>4.0，说明模型在被研究的整个回归区域中拟合程度良好。

本实验中R2=0.918 0> 0.9，表明
预测值与实验值具有较高相关度；校正决定系数=0.819 5，表明有81.95%的实验数据的变异性可用此回归模型来解释。

2.2.1.3 PB实验的回归方程系数显著性检验
PB实验的回归方程系数显著性检验，见表4。

各因素对紫薯莜麦酒酒精度的影响
顺序为：SO2添加量>发酵时间>发酵温度>初始pH>初始糖度>接种量。

其中
SO2添加量、发酵时间和发酵温度是显著因素，其余为不显著因素。

2.2.2 最陡爬坡实验结果分析
由PB实验可知，发酵温度和SO2添加量均呈显著负效应，应逐渐减小，发酵时
间呈显著正效应，应逐步增加发酵时间。

根据这3个因素效应大小比例设定他们
的变化方向及步长。

实验结果见表5。

3号实验的酒精度最高，因此以实验3为中心点进行响应面实验设计。

2.2.3 中心组合设计(CCD)
2.2.
3.1 CCD实验设计及结果
根据Plackett-Burman实验和最陡爬坡实验结果，确定了3个对紫薯莜麦酒发酵影响显著的因素并设定中心点。

以(A)发酵温度、(B)发酵时间和(C)SO2添加量为
自变量，以酒精度(Y)作为实验响应值，利用Design-Expert软件中的CCD实验
对上述3个因素进行通用旋转中心组合设计(表6)。

PB实验确定了发酵温度、发酵时间和SO2添加量为影响紫薯莜麦酒的主要因素，最陡爬坡实验确定了这3个因素的中心点，利用CCD实验设计3因素2水平的响应面分析实验，以酒精度(Y)作为响应值，以酒精度最大为优化目标进行实验。

实
验设计及响应值见表7。

根据实验结果，采用逐步回归的方法进行二次回归分析，剔除不显著的因素，得到的回归方程如下式：
Y=10.97+0.54A+0.20B-0.18C-0.90AB +0.63BC-1.39A2-1.41B2-0.34C2
2.2.
3.2 CCD实验回归模型方差分析及响应面与等高线分析
对该模型方程的方程分析和显著性分析，如表8所示，模型F=23.98，P<0.000 1极显著，负相关系数R2=0.955 7，校正决定系数=0.915 9，表明91.59%的变化可以由此模型解释，说明模型的拟合程度良好，很好地反映了发酵温度(A)、发酵时间(B)和SO2添加量(C)对酒精度的影响。

其中发酵温度(A)和发酵时间(B)，发酵时间(B)和SO2添加量(C)之间交互作用极显著(P<0.01)；发酵温度(A)对酒精度有极显著影响(P<0.01)。

失拟项不显著(P=0.481 1>0.05)，表明未知因素对实验结果影响较小。

由图1和图2的响应面图可知，在无SO2添加的情况下，随着发酵温度升高和发酵时间的不断增加，酒精度呈上升趋势至最高点，但发酵温度过高和时间过长，也会导致酒精度的小幅度下降；在发酵时间一定的情况下，SO2添加量的减少和发酵温度的降低有利于酒精度的提高，但过低的SO2含量和过低的发酵温度也不利于酒精的生成。

2.2.
3.3 紫薯莜麦酒最优发酵工艺条件的确定
根据CCD实验设计获得的结果和回归方程，经分析获得，最佳紫薯莜麦酒发酵工艺条件为：发酵时间6 d，发酵温度18 ℃，SO2添加量96 mg/L。

预测紫薯莜麦酒的酒精度理论值为10.97 %vol。

为验证响应面优化法的可靠性，在其他条件一定的情况下，采用上述最优发酵工艺条件，经3次平行实验，实际测得紫薯莜麦酒的酒精度为11.00 %vol，与理论值相比高出0.03 %，无显著差异。

因此，基于PB实验的中心组合实验得到的最优紫薯莜麦酒发酵工艺条件具有可靠性。

2.4 紫薯莜麦酒特有功能性成分分析
对基于2.3得到的最优发酵工艺条件下酿造而成的紫薯莜麦酒，进行花色苷和β-葡聚糖含量的分析，以张裕窖酿解百纳、长城干红和农家自酿紫薯酒作为对照。

测得在最佳发酵工艺条件下酿造的紫薯莜麦酒花色苷和β-葡聚糖含量分别为21.23和36.85 mg/L，而张裕窖酿解百纳、长城干红和农家自酿紫薯酒的花色苷含量分别为15.64、11.46 mg/L和15.68 mg/L，β-葡聚糖含量分别为6.44 mg/L、6.35 mg/L和7.32 mg/L。

因此，本品花色苷和β-葡聚糖含量均高于对照样品，具有良好的抗氧化活性和抗衰老的功效。

通过单因素试验得到初始pH、发酵温度、接种量、发酵时间、初始糖度、SO2添加量的最优条件为：pH 3.5、20 ℃、0.2%、7 d、18 Brix、60 mg/L。

在单因素试验结果的基础上，以酒精度作为响应目标，采用三步法进行优化,得到最佳紫薯莜麦酒发酵工艺条件为：发酵时间6 d，发酵温度18 ℃，SO2添加量96 mg/L。

在该发酵条件下酿造而成的紫薯莜麦酒酒精度11.00 %vol，花色苷和β-葡聚糖含量分别为21.23和36.85 mg/L，均高于对照组。

因此，优化得到的紫薯莜麦酒发酵工艺条件结果可靠，获得的成品酒色泽瑰丽，口感绵柔，并且富含花色苷和β-葡聚糖。

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