以還原糖含量為指標的膨化小麥輔料麥汁糖化工藝優化

杜菲+鄭慧+李宏軍

摘要：以水料比、膨化小麥比例、50℃蛋白質休止時間、62℃糖化時間、70℃糖化時間為糖化工藝參數，以還原糖含量為主要考察指標，通過對擠壓蒸煮小麥輔料釀造啤酒的糖化工藝進行響應面法優化，得到最佳的糖化工藝參數：水料比為3.7mL∶1g，膨化小麥比例為32%，50℃蛋白質休止時間為53min，62℃糖化時間為47min，70℃糖化時間為31min。此時，對應的麥汁還原糖含量為86.1mg/mL。

關鍵詞：擠壓蒸煮；小麥；啤酒；還原糖；糖化工藝；膨化；響應面法

中圖分類號：TS262.5文獻標志碼：A 文章編號：1002-1302（2014）11-0306-04

21世紀我國麥芽和大米等糧食價格大幅上漲，造成啤酒生產成本大幅度上升，啤酒釀造企業利潤減少[1]。采用適量輔料替代部分大麥芽釀造啤酒，是降低生產成本的有效方法[2]。在我國，小麥是第二大糧食作物，其種植面積以及總產量僅次于水稻。小麥籽粒富含淀粉，并且小麥的無水浸出物含量較高，可用于啤酒釀造。我國小麥深加工程度不夠，附加值低，農民增產不增收，利用擠壓蒸煮小麥作輔料釀造啤酒，可以豐富啤酒品種，簡化糖化工藝，增加小麥附加值，提高農民收入和啤酒企業的利潤[3]。麥汁中的還原糖是啤酒酵母可以直接利用的可發酵性糖，不僅可以促進酵母細胞的正常生長代謝，而且有利于提高成品啤酒的質量。小麥輔料擠壓膨化后，淀粉的晶體結構被破壞，呈堅實的多孔狀結構，酶與輔料的作用面積增大，提高了淀粉的酶解速度、原料利用率以及麥汁還原糖的含量。在擠壓過程中，淀粉發生糊化，α-度增加，有利于糖化，可以省去糊化或蒸煮工藝，簡化工藝并節約能源[4-5]。本研究以擠壓膨化小麥作輔料，采用Box-Behnken中心組合設計試驗，用Design-Expert8.0.5軟件對糖化工藝參數間的相互作用進行響應面分析[6-9]，建立糖化工藝參數對麥汁還原糖含量影響的數學模型，得到以還原糖含量為指標的最優糖化工藝條件。

1材料與方法

1.1試驗材料

大麥芽（澳麥，山東省萊蕪市麥芽廠）；小麥品種淄麥12號（市購）；低溫擠壓膨化小麥（自制）。

1.2小麥擠壓方法

本研究中小麥的擠壓參數[10-11]：直徑為12mm的擠壓機模孔3個；三節套筒溫度分別為20、40、60℃，小麥粉的水分質量分數為22%，螺桿轉速220r/min，模板與擠壓機螺桿的軸頭間隙為15mm，用山東理工大學自制擠壓機進行加工。

1.3麥汁制備工藝

本研究采用的麥汁制備工藝流程見圖1。

1.4還原糖含量的測定

麥汁還原糖含量的測定參照文獻[12]。

1.5試驗設計

本試驗在500mL三角瓶內進行，總投料量固定在50g。選擇水料比（mL∶g）、膨化小麥比例（%）、50℃蛋白質休止時間（min）、62℃糖化時間（min）、70℃糖化時間（min）為試驗因素，以麥汁還原糖含量（g/mL）為考察指標進行糖化試驗[13-14]，具體試驗設計如表1所示。

2結果與分析

2.1以還原糖含量為指標的膨化小麥輔料麥汁糖化工藝參數響應曲面分析結果

采用Box-Behnken[15]的中心組合設計試驗，試驗安排及結果如表2所示。利用Design-Expert8.0.5軟件對擠壓小麥比例、水料比、50℃蛋白質休止時間、62℃糖化時間和70℃糖化時間對麥汁還原糖含量的影響規律進行分析，以麥汁還原糖含量為響應值（Y），對試驗所得數據進行多元回歸擬合，用回歸方差分析的方法進行顯著性檢驗，結果見表3、表4。從表3可以看出，模型的常數項（P<0.0001），一次項X1（P=0.0054<0.01）、X3（P<0.0001）、X4（P<0.0001）極顯著，交互項X1X2（P=0.0039<0.05）和X2X3（P=0.0027<0.05）顯著，其他不顯著。方差分析結果（表4）表明，模型的確定系數R2=0.8852，模型的線性回歸極顯著（P<0.0001），交互項（P=0.0208<0.025）和總回歸（P=0.0006<0.05）顯著。

利用Design-Expert8.0.5軟件對表2還原糖含量的結果進行多元二次回歸擬合分析，方程的響應面分析結果如圖2所示。圖2-a為50℃蛋白質休止時間，62、70℃糖化時間分別為50、44、30min時，麥汁中糖化還原糖含量受水料比和膨化小麥比例影響的響應曲面圖。當X1處于較低水平時，麥汁中還原糖含量隨X2加入量的增大而增加；當X1處于較高水平時，麥汁中還原糖含量隨X2的增大而降低。當X2較低時，麥汁中還原糖含量值隨X1的增大有下降的趨勢；當X2處于高水平時，麥汁還原糖含量值隨著X1的增大而明顯降低。可見這2個因素之間的交互作用明顯。水料比為4.0mL∶1g、62℃糖化時間固定在44min、70℃糖化時間固定在30min時，麥汁中的還原糖含量隨擠壓膨化小麥輔料加入比例和50℃蛋白質休止時間變化的響應曲面圖見圖2-b。當X3處于較高水平時，麥汁還原糖含量隨X2的增加而增加；當X3在較低水平時，麥汁中的還原糖含量隨X2的增大而降低，且2個因素間的交互作用比較明顯。當X2在低水平時，麥汁中的還原糖含量隨著X3的延長而明顯下降；當X2在高水平時，麥汁中的還原糖含量隨著X3的延長而明顯增大。水料比為4.0mL∶1g、50℃蛋白質休止時間為50min、62℃糖化時間固定在44min時，麥汁中的還原糖含量受膨化小麥比例和70℃糖化時間影響的響應曲面圖見圖2-c。當X5保持不變時，還原糖含量隨著X2的增加整體呈下降趨勢；當X2不變時，麥汁還原糖含量隨X5的延長而增加，到達一定程度后含量上升緩慢，因為此時糖化已接近完全，還原糖含量不再增加。水料比為4.0mL∶1g、膨化小麥比例是31%、50℃蛋白質休止時間固定在50min時，麥汁中的還原糖含量受62、70℃糖化時間影響的響應曲面圖見圖2-d。當X4不變時，麥汁還原糖含量值隨X5的增加呈先增大后降低的趨勢；當X5不變時，麥汁還原糖含量值隨X4的延長而升高。endprint

2.2以還原糖含量為指標的膨化小麥輔料麥汁糖化工藝最佳條件的確定

以麥汁還原糖含量為考察指標，用嶺回歸尋找最優糖化工藝參數范圍，嶺回歸尋優分析結果見表5。從表5可知，在編碼半徑范圍內，還原糖含量的變化不大，還原糖含量的最優工藝參數范圍為：水料比3.4～3.7mL∶1g，膨化小麥比例32%～33%，50℃蛋白質休止時間50～55min，62℃糖化時間44～47min，70℃糖化時間30～31min。

2.3以還原糖含量為指標的膨化小麥輔料麥汁糖化工藝最佳參數的驗證試驗結果

在最優范圍內進行驗證試驗，試驗結果（表6）表明，麥汁還原糖含量為85.5～87.6mg/mL，在預測范圍以內驗證優化參數，結果顯示這些優化的參數是可靠的。

3結論

采用Box-Behnken中心組合試驗設計，使用Design-Expert8.0.5軟件進行回歸分析，得到糖化工藝參數水料比、膨化小麥比例、50℃蛋白質休止時間、62℃糖化時間和70℃糖化時間對麥汁還原糖含量的回歸模型，方差檢驗結果證明了該模型的可靠性。利用Design-Expert8.0.5軟件對影響麥汁還原糖含量的糖化工藝參數間的相互作用進行響應面分析，通過嶺回歸得到最優糖化工藝參數：水料比為3.7mL∶1g，膨化小麥比例為32%，50℃蛋白質休止時間為53min，62℃糖化時間為47min，70℃糖化時間為31min。對應的麥汁還原糖含量為86.1g/mL。

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2.2以還原糖含量為指標的膨化小麥輔料麥汁糖化工藝最佳條件的確定

以麥汁還原糖含量為考察指標，用嶺回歸尋找最優糖化工藝參數范圍，嶺回歸尋優分析結果見表5。從表5可知，在編碼半徑范圍內，還原糖含量的變化不大，還原糖含量的最優工藝參數范圍為：水料比3.4～3.7mL∶1g，膨化小麥比例32%～33%，50℃蛋白質休止時間50～55min，62℃糖化時間44～47min，70℃糖化時間30～31min。

2.3以還原糖含量為指標的膨化小麥輔料麥汁糖化工藝最佳參數的驗證試驗結果

在最優范圍內進行驗證試驗，試驗結果（表6）表明，麥汁還原糖含量為85.5～87.6mg/mL，在預測范圍以內驗證優化參數，結果顯示這些優化的參數是可靠的。

3結論

采用Box-Behnken中心組合試驗設計，使用Design-Expert8.0.5軟件進行回歸分析，得到糖化工藝參數水料比、膨化小麥比例、50℃蛋白質休止時間、62℃糖化時間和70℃糖化時間對麥汁還原糖含量的回歸模型，方差檢驗結果證明了該模型的可靠性。利用Design-Expert8.0.5軟件對影響麥汁還原糖含量的糖化工藝參數間的相互作用進行響應面分析，通過嶺回歸得到最優糖化工藝參數：水料比為3.7mL∶1g，膨化小麥比例為32%，50℃蛋白質休止時間為53min，62℃糖化時間為47min，70℃糖化時間為31min。對應的麥汁還原糖含量為86.1g/mL。

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2.2以還原糖含量為指標的膨化小麥輔料麥汁糖化工藝最佳條件的確定

以麥汁還原糖含量為考察指標，用嶺回歸尋找最優糖化工藝參數范圍，嶺回歸尋優分析結果見表5。從表5可知，在編碼半徑范圍內，還原糖含量的變化不大，還原糖含量的最優工藝參數范圍為：水料比3.4～3.7mL∶1g，膨化小麥比例32%～33%，50℃蛋白質休止時間50～55min，62℃糖化時間44～47min，70℃糖化時間30～31min。

2.3以還原糖含量為指標的膨化小麥輔料麥汁糖化工藝最佳參數的驗證試驗結果

在最優范圍內進行驗證試驗，試驗結果（表6）表明，麥汁還原糖含量為85.5～87.6mg/mL，在預測范圍以內驗證優化參數，結果顯示這些優化的參數是可靠的。

3結論

采用Box-Behnken中心組合試驗設計，使用Design-Expert8.0.5軟件進行回歸分析，得到糖化工藝參數水料比、膨化小麥比例、50℃蛋白質休止時間、62℃糖化時間和70℃糖化時間對麥汁還原糖含量的回歸模型，方差檢驗結果證明了該模型的可靠性。利用Design-Expert8.0.5軟件對影響麥汁還原糖含量的糖化工藝參數間的相互作用進行響應面分析，通過嶺回歸得到最優糖化工藝參數：水料比為3.7mL∶1g，膨化小麥比例為32%，50℃蛋白質休止時間為53min，62℃糖化時間為47min，70℃糖化時間為31min。對應的麥汁還原糖含量為86.1g/mL。

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[15]胡成旭，侯欣彤，馮永寧，等.響應面法優化云芝多糖提取條件的研究[J].食品工業科技，2007，28（7）：124-126，130.endprint