響應曲面法分析小麥啤酒糖化工藝參數對麥汁收得率的影響

陳善峰，李慧敏，李宏軍，王玉露

（山東理工大學農業工程與食品科學學院，山東 淄博 255091）

我國啤酒工業發展很快，近年來，啤酒生產的原、輔料價格大幅度增加，啤酒企業的成本壓力增加。目前國內外企業采用添加輔料制取啤酒的方式來控制生產成本，常見的輔料種類有玉米淀粉、大米和糖漿等，其應用相對廣泛。徐穎等研究大米和玉米擠壓后作啤酒輔料的可行性，取得良好的效果[1－4]。為進一步拓寬原料范圍，劉曄等研究了小麥作啤酒輔料的可行性[5－7]，使用適當小麥為作輔料制成的啤酒，泡沫好，口感也不錯。但釀造高輔料啤酒時，因為其含有半纖維素和高黏度的β－葡聚糖，所以制成的麥汁黏度高，容易造成麥汁和啤酒過濾困難，影響最終麥汁收得率。

本文采用小麥芽作輔料，解決小麥輔料釀造啤酒過程中存在的問題。由于小麥芽中淀粉酶的活力比小麥中的淀粉酶活力增加30%～40%[8]，使得淀粉糖化更為完全，并提高β－葡聚糖的分解率，從而使麥汁收得率達到較高水平。糖化工藝中影響麥汁收得率的因素很多，在總結前人經驗的基礎上，本試驗選用水料比、小麥芽比例、52℃保溫時間和65℃保溫時間作為影響因素，考察其對麥汁收得率的影響規律，用SAS軟件對參數進行優化，建立了糖化工藝參數對麥汁收得率影響的數學模型，得到小麥芽制取麥汁的較優糖化工藝條件，本研究可對企業的實際生產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

大麥芽：澳大利亞斯庫納麥芽，含水率6.8%（青島啤酒濰坊有限公司）。小麥芽：國產金星小麥芽，含水率7.5%（山東省萊蕪市麥芽廠）。

1.2 分析方法

麥汁收得率：比重瓶法[9]。

1.3 試驗安排和數據

在500 mL三角瓶內進行試驗，總投料量固定在50 g。在單因素試驗的基礎上確定試驗因素及零水平：小麥芽比例40%，水料比4.0，52℃保溫時間30 min和65℃保溫時間70 min，試驗因素分別記為：X1、X2、X3和X4；以麥汁收得率為考察目標，記為Y，采用五因素五水平1/2實施正交旋轉組合試驗，采用四因素五水平的響應曲面分析方法尋求最佳糖化參數[10－11]，試驗因素水平及編碼見表1。

2 結果與討論

2.1 響應曲面分析方案及結果

試驗設計和試驗結果如表2所示。

表1 因素與水平及編碼Table 1 Factors and levels of independent variables

表2 試驗設計與試驗結果Table 2 Experinent design and results

續表

利用SAS9.0軟件對小麥芽比例、水料比、52℃保溫時間和65℃保溫時間等糖化工藝參數對小麥啤酒麥汁收得率的影響規律進行分析，以麥汁收得率為響應值（Y），對試驗數據進行多元回歸擬合，并采用回歸方差分析對回歸分析結果進行顯著性檢驗，結果見表3。

表3 回歸方程系數顯著性檢驗Table 3 Significance test for the regression equation coefficient

從表3回歸方程顯著性檢驗可知：模型一次項中只有X1（P＜0.0001）達到極顯著水平，其它不顯著，二次項中X12（P＜0.0001）和X22（P=0.0014＜0.01）達到極顯著水平，X32（P=0.0122＜0.05）達到較顯著水平，X42（P=0.7688）不顯著；交互項中 X3X1（P=0.0394＜0.025）和 X2X3（P=0.0094＜0.05）達到較顯著水平，其余不顯著。回歸模型的方差分析見表4，結果表明，此回歸模型的決定系數R2為0.9283，響應面回歸模型達到高度顯著水平（P＜0.0001）。

對表3中數據用Design Expert分析軟件進行二次多元回歸擬合，二次回歸方程的響應面見圖1～6。

圖1 小麥芽比例和水料比的響應面Fig.1 Response surface plots of the wheat malt content and the ratio of water to material

圖2 52℃保溫時間和小麥芽比例的響應面Fig.2 Response surface plots of saccharifaction time at 52℃and the wheat malt content

圖3 65℃保溫時間和小麥芽比例的響應面Fig.3 Response surface plots of saccharifaction time at 65℃and the wheat malt content

圖4 52℃保溫時間和水料比的響應面Fig.4 Response surface plots of saccharifaction time at 52℃and the ratio of water to material

圖5 65℃保溫時間和水料比的響應面Fig.5 Response surface plots of saccharifaction time at 65℃and the ratio of water to material

圖6 52℃和65℃保溫時間的響應面Fig.6 Response surface plots of saccharifaction time at 65℃and saccharifaction time at 52℃

圖1為糖化工藝參數52℃和65℃保溫時間保持在零水平時，小麥芽比例和水料比對麥汁浸出物收得率影響的響應面圖?？梢姡瑢τ诳疾炷繕他溨鑫锸盏寐剩羲媳炔蛔儯←溠勘壤∮?0%時收得率與小麥芽比例正相關，小麥芽比例大于40%時收得率與小麥芽比例負相關，在40%處達到最大值。出現這種現象的原因是，小麥芽淀粉含量高于大麥芽，在一定范圍內，隨著輔料含量的增加，物料中淀粉含量增加，在糖化完全的前提下，收得率提高；由于小麥芽中所含淀粉酶活力小于大麥芽，當淀粉含量過大時，淀粉酶濃度降低，不能使淀粉糖化完全，收得率降低；當小麥芽比例保持固定時，麥汁收得率與水料比呈正相關，但水料比到達一定程度后，收得率增幅減緩。出現這種現象的原因是隨著水料比的增大，淀粉酶活動能力增強，酶促反應明顯，淀粉水解較徹底，收得率增加；當水料過大時，由于淀粉含量固定，底物濃度降低，麥汁收得率保持在相對固定的水平。

圖2為糖化工藝參數65℃保溫時間和水料比保持在零水平時，小麥芽比例和52℃保溫時間對麥汁浸出物收得率影響的響應面圖。當輔料添加量（小麥芽比例）固定時，麥汁收得率與52℃保溫時間正相關，由于隨52℃保溫時間增加，蛋白質降解徹底，盡管淀粉酶在此溫度下活性較低，但也能使淀粉降解，故麥汁浸出物收得率增加；當52℃保溫時間固定時，小麥芽比例小于40%時收得率與其正相關，小麥芽比例大于40%時收得率與其負相關，在40%處達到最大值，其原因隨著輔料含量的增加，物料中淀粉含量增加，在糖化完全的前提下，收得率提高；但當淀粉含量過大時，由于小麥芽中所含淀粉酶活力小于大麥芽，淀粉酶濃度反而降低，不能使淀粉糖化完全，收得率反而降低。

圖3為糖化工藝參數水料比和52℃保溫時間保持在零水平時，小麥芽比例和65℃保溫時間對麥汁浸出物收得率影響的響應面圖。當輔料添加量（小麥芽比例）固定時，收得率與52℃保溫時間正相關，因為65℃是淀粉酶的最適溫度，在此條件下保溫時間的越長，糖化越充分，浸出物收得率也就越高；當65℃保溫時間固定時，小麥芽比例小于40%時收得率與小麥芽比例正相關，小麥芽比例大于40%時收得率與小麥芽比例負相關，在40%處達到最大值，其原因前面已做分析，在此不再贅述。

圖4為糖化工藝參數65℃保溫時間和小麥芽比例保持在零水平時，水料比和52℃保溫時間對麥汁浸出物收得率影響的響應面圖。當把糖化工藝參數52℃保溫時間固定，收得率與水料比顯著正相關；當水料比保持在零水平時，收得率與52℃保溫時間正相關；以上現象出現的原因，分別見圖2和圖1的相關分析，在此不再重復。

圖5為糖化工藝參數52℃保溫時間和小麥芽比例保持在零水平時，65℃保溫時間和水料比對麥汁浸出物收得率影響的響應面圖。當把糖化工藝參數65℃保溫時間固定，收得率與水料比顯著正相關；當水料比保持在零水平時，收得率與65℃保溫時間正相關；以上現象出現的原因，分別見圖3和圖1的相關分析，在此不再重復。

圖6為糖化工藝參數水料比和小麥芽比例保持在零水平時，52℃和65℃保溫時間對麥汁浸出物收得率影響的響應面圖。由圖可見，當把其中一個保溫時間固定，收得率均與另一保溫時間正相關；收得率與保溫時間正相關的原因，分別見圖2、3的相關分析，在此不再重復。

2.2 最佳條件的確定

將表2數據用SAS軟件進行嶺回歸處理，最優工藝范圍見表5。將麥汁浸出物收得率作為考察指標，經嶺回歸分析得到最優工藝參數范圍：水料比4.74～4.82（V/W），小麥芽比例40.0%～40.5%，65℃保溫時間72～73 min，52℃保溫時間35～36 min。

表4 回歸模型方差分析Table 4 Variance analysis for regression model

表5 嶺回歸尋優分析結果Table 5 Result of ridge regression optimization analysis

2.3 驗證試驗設計及結果

根據嶺回歸分析所得各因素的最優范圍，進行收得率驗證試驗，因素水平選擇及試驗結果見表6。由表6可知，麥汁收得率符合回歸預測值，表明該試驗因素選擇及方案設計合理，回歸模型可靠。

表6 收得率驗證試驗的試驗安排與數據Table 6 Calidated and compared experiment arrangements andresults of the recoverable ratio of wort

3 結論

本試驗將小麥芽作為輔料制取麥汁，通過四因素五水平（1/2實施）二次正交旋轉組合設計，進行糖化試驗，獲得不同因素水平下的麥汁浸出物收得率數據，用SAS9.0軟件對試驗數據進行分析，得到麥汁收得率的回歸模型，回歸模型達到高度顯著水平（P＜0.0001）；利用響應面分析，得到二次方程交互作用圖，通過對響應面圖形的分析，揭示了各因素對考察指標影響的內在原因；經嶺回歸分析，得到各因素的最優范圍，經驗證試驗，表明該試驗因素選擇及方案設計合理，回歸模型可靠。結論為：小麥芽作輔料制取麥汁是可行的；小麥芽作輔料制取麥汁的最優糖化工藝參數為小麥芽比例40.0%、水料比4.8（W/V）、52℃保溫時間36.0 min、65℃保溫時間73 min。最優糖化工藝參數下制取麥汁的收得率為69.05%。

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