響應面法優化糖化參數提高麥汁還原力

饒勝其 趙雅 方維明

【摘 要】以港啤-1號麥芽為原料制取麥汁，并以所得麥汁還原力為考核指標，運用Plackett-Burman 篩選試驗確定糖化參數中影響麥汁還原力的顯著因素及影響程度依次為糖化初始pH值>糖化溫度>蛋白質休止溫度。隨后通過三因素三水平的Box-Behnken響應面分析法得出最佳蛋白質休止溫度、糖化溫度和糖化初始pH值分別為52 ℃、66 ℃和5.4，該條件下麥汁還原力可達到2.388±0.019mmol Vc/L。

【關鍵詞】響應面法;糖化;麥汁;還原力

Response Surface Methodology Optimizing Mashing Parameters to Improve Reduce Power of Wort

RAO Sheng-qi ZHAO Ya FANG Wei-ming

（School of Food Science and Engineering， Yangzhou University， Yangzhou Jiangsu 225127， China）

【Abstract】The malt called Gangpei-1th was used as raw material to produce wort， and reduce power of the resulting wort was presented as assessment index. Using Plackett-Burman screening test ， the significant factors in mashing parameters influencing reduce power of wort and their affecting degrees were determined as followed： initial pH value of saccharification > mashing temperature > protein resting temperature. Then using response surface analysis based on a three-variable and three-level Box-Behnken design， the optimal initial pH value of saccharification， mashing temperature and protein resting temperature was respectively determined as 5.4， 66 ℃ and 52 ℃. Under above conditions， reduce power of the resulting wort could reach 2.388 ±0.019mmol Vc/L.

【Key words】Response surface methodology;Saccharification;Wort;Reduce power

由于活性氧和自由基的作用使得存放過程中的啤酒酒體中的風味物質易于被氧化，形成令人不愉快的老化味，從而縮短啤酒的保鮮期[1]。Stephenson等[2]認為，致啤酒老化的物質很可能在制麥、糖化等啤酒釀造階段就已經形成，并在啤酒貯藏過程中緩慢釋放出來，進而影響啤酒的品質。其中，糖化過程是麥汁產生的過程，同時也是啤酒產生風味老化物質前軀體的主要工段之一。林智平等[3]的研究發現，提高麥汁的還原力可以提高啤酒的還原力，最終提高啤酒的風味穩定性。因此，合理控制糖化工藝能有效提高啤酒的風味穩定性，延長啤酒的保鮮期。本研究以港啤-1號麥芽制備麥汁，以麥汁還原力為考核指標，采用 Plackett-Burman多因素試驗設計法及 Box-Behnken 響應面優化高麥汁還原力的最佳糖化工藝。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

港啤-1號麥芽由永順泰（寶應）麥芽有限公司提供。文中出現試劑均為國產分析純。

1.2 主要儀器設備

DGX-9053B-2干燥箱，上海福瑪實驗設備有限公司;UV-7504c紫外可見分光光度計，上海欣茂儀器有限公司;5804R型高速冷凍離心機，德國EPPENDORF公司;KQ5200超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司;BGT-8A Mashing Bath（糖化儀），杭州博日科技有限公司。

1.3 麥汁制備工藝

參考顧國賢[4]的方法，并根據需要作適當修改，具體步驟如下：將麥芽粉碎后，按與水1：4-1：3的比例（料水比）于35℃-38℃進行投料，30min后升溫至40℃-54℃（蛋白質休止溫度）進行蛋白質休止，保持30-80min（蛋白質休止時間），然后繼續升溫至62℃-68℃（糖化溫度），保溫50-60min（糖化時間）進行糖化，再升溫至75℃，保持10min，終止糖化，麥芽醪于75℃經過濾后獲得頭道麥汁備用。

1.4試驗處理方法

采用N=12的Plackett-Burman試驗，以麥汁還原力為響應值Y，以篩選糖化工藝中影響麥汁還原力的主要參數。如表 1 所示，初步選擇了6個變量，每個變量有 2 個水平，分別編碼高水平（+1）和低水平（-1），并注明了對應變量水平的真實值。

采用Box-Behnken試驗設計進一步優化影響麥汁還原力的主要糖化參數的水平。按照Box-Behnke試驗設計原理[5]，開展三因素三水平的響應面試驗，共17個試驗，其中12個為分析因子試驗（1～12），5個為中心點重復實驗（13～17），以估計誤差。試驗以隨機次序進行，重復3次。試驗設計見表2。

表1 基于Plackett-Burman設計的糖化參數及水平

表2 Box-Behnken響應面分析因素水平表

1.5 麥汁還原力測定方法

還原力測定參照Oyaizu[6]的方法并適當修改，主要步驟如下：取1mL適當稀釋的麥汁于25mL的具塞試管中，加2.5mLPBS緩沖液（0.2mol/L，pH6.6）和2.5mL1g/100mL K3Fe（CN）6溶液，于50℃保溫20min，加入2.5mL10g/100mL三氯乙酸溶液后10000r/min離心10min，取上清液2.5mL于另一試管，加2.5mL蒸餾水和0.5mL 0.1g/100mL FeCl3溶液，用蒸餾水代替樣品做空白，以Vc為陽性對照，于700nm波長處比色，結果表示成mmol Vc /L。

2 結果與分析

2.1 影響麥汁還原力的主要因素

采用Plackett-Burman設計，對影響麥汁還原力的6個糖化參數根據不同編碼水平組合進行試驗測定麥汁還原力，每個試驗重復3次，測定結果取平均值，得到的結果如表3所示。

運用Design expert7.0軟件表3數值進行回歸方差分析。由表4可知，“ Prob>F”小于 0.05，表明影響因素顯著。 “Model Prob>F”等于0.0002，表明模型顯著。結果表明，糖化初始pH、糖化溫度和蛋白質休止溫度對麥汁還原力具有極重要影響，而料水比、蛋白質休止時間和糖化時間對麥汁還原力無顯著影響。通過單因素試驗（數據不顯示），在后續實驗操作中，我們將料水比、蛋白質休止時間和糖化時間分別確定為1：3.5、30min和50min，并通過Box-Behnken設計及試驗優化最佳糖化溫度、糖化初始pH和蛋白質休止溫度。

2.2 制取麥汁的糖化參數的響應面試驗分析

2.2.1 ?多元二次模型方程的建立及檢驗

以Plackett-Burman 試驗選取的蛋白質休止溫度（X1）、糖化初始pH（X2）和糖化溫度（X3）3個因素為自變量，以麥汁還原力為響應值Y，根據Box-Behnken設計進行了17組試驗，其中5組為中心點重復試驗，結果見表5。利用Design-Expert軟件對表5試驗數據進行多元回歸擬合，得到以麥汁還原力為目標函數的三元二次回歸方程如下：

Y =-118.85096+2.54026X1+9.21973X2+0.47634X3-0.015350X12-0.45260X22-0.00156711X32-0.057333X1X2-0.00388889X1X3-0.010400X2X3

方差分析結果見表6，模型F值為91.00（p<0.0001）表現為極顯著，失擬項p=0.7434>0.05，表明殘差均由隨機誤差引起。模型中一次項X1、X2、X3均表現為極顯著（P≤0. 01），表明糖化溫度、糖化初始pH、蛋白質休止溫度對麥汁還原力有極顯著影響。模型中二次項除了X2X3顯著（P≤0.05）其他均極顯著 （P≤0.01），這表明響應值變化復雜，各種因素對麥汁還原力的影響不是簡單的線性關系。相關系數（Adj R-Squared）=0.9827，表明實測值與預測值高度相關。各因素一次項F值越大，表明對麥汁還原力的影響越顯著，影響程度依次為：糖化初始pH值>糖化溫度>蛋白質休止溫度。

2.2.2 響應面分析與優化

等高線的形狀可以表各因素之間交互作用的強弱，等高線呈橢圓形表示因素之間的交互作用強烈，反之越接近于圓形，交互作用越弱[7]。交互作用越強，對麥汁還原力的影響大。由圖1～圖3可得知，糖化初始pH值和蛋白質休止溫度之間的交互作用顯著，而糖化溫度與糖化初始pH值以及糖化溫度與蛋白質休止溫度之間的交互作用極顯著，這與方差分析結果一致;響應面圖反映了糖化溫度在65℃～67℃范圍內、pH值在5.3～5.55范圍內及蛋白質休止溫度在50.5℃～54℃范圍內存在最高麥汁還原力。

2.3 最佳糖化工藝的驗證與確定

基于Box-Behnken試驗所得結果及其二次多項回歸方程，可知麥汁還原力最高時的蛋白質休止溫度、糖化溫度和糖化初始pH值分別為52℃、66℃和5.4，該條件下對應的糖化麥汁還原力為2.362mmol Vc/L。為了證實預測結果，用響應面優化獲得的最佳條件重復試驗3次，得出麥汁平均還原力為2.388±0.019mmol Vc/L，與預測值基本一致，證明該模型能很好地優化高還原力麥汁的制備工藝。

3 結論

本研究運用Plackett-Burman篩選試驗結合Box-Behnken響應面設計確定了蛋白質休止溫度、糖化溫度和糖化初始pH值三因素為顯著因素，并優化得到提高麥汁還原力的最佳蛋白質休止溫度、糖化溫度和糖化初始pH值分別為52 ℃、66℃和5.4，該條件下，麥汁還原力可達到2.388±0.019mmol Vc/L。經方差分析得知主要因素對麥汁還原力的影響程度依次為糖化初始pH值>糖化溫度>蛋白質休止溫度。通過響應曲面圖分析，可知糖化溫度和糖化初始pH值以及糖化溫度和蛋白質休止溫度具有極其顯著的交互作用，而糖化初始pH值和蛋白質休止溫度也呈現顯著的交互作用。試驗證明，響應面分析法能夠很好地優化高還原力麥汁的糖化工藝條件。

【參考文獻】

[1]田玉紅，郝俊光，孫治副.啤酒老化機理的研究進展[J].啤酒科技，2010（5）：15-20.

[2]STEPHENSON W.H， BIAWA J.P， MIRACLE.R E.， et al.. Laboratoryscale studies of the impact of oxygen on mashing[J].J.I.Brewing， 2003，109（3）：273-283.

[3]林智平，顧國賢，馮景章.提高麥汁還原力與啤酒風味穩定性[J].醜酒，2005，30：57-59.

[4]顧國賢.釀造酒工藝學[M].2版.北京：中國輕工業出版社，1996.

[5]BOX G.E P， BEHNKEN D.W.. Some new three level design for the study of quantitative variables [J].Technometrics，1960，2（4）：455-475.

[6]OYAIZU M..Studies on products of browning reactions： Antioxidative activities of browning products of browning reaction prepared from glucosamine[J].Japanese Journal of Nutrition， 1986，44：307-315.

[7]高丹丹，常通，曹郁生，等.響應面法優化中性蛋白酶水解棉籽蛋白工藝[J].食品科學，2009，30（16）：153-157.

[責任編輯：薛俊歌]