響應(yīng)面法優(yōu)化樺樹液酒發(fā)酵工藝

曲迪

（中國(guó)農(nóng)科院特產(chǎn)研究所，吉林長(zhǎng)春130000）

響應(yīng)面法優(yōu)化樺樹液酒發(fā)酵工藝

曲迪

（中國(guó)農(nóng)科院特產(chǎn)研究所，吉林長(zhǎng)春130000）

以新鮮樺樹液為原料，研究樺樹液發(fā)酵酒的發(fā)酵工藝條件。在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選取SO2添加量、酵母接種量、發(fā)酵溫度為影響因子，以樺樹液酒的酒精體積分?jǐn)?shù)為響應(yīng)值，應(yīng)用中心組合Box-Behnken試驗(yàn)和響應(yīng)面分析法，模擬得到二次多項(xiàng)式回歸方程的預(yù)測(cè)模型，進(jìn)行響應(yīng)面分析。結(jié)果表明，經(jīng)優(yōu)化后的樺樹液酒的最佳工藝條件為酵母接種量0.42 g/L、SO2添加量103mg/L、發(fā)酵溫度25℃、發(fā)酵時(shí)間為12 d，該條件下酒精體積分?jǐn)?shù)為11.98%vol。產(chǎn)品澄清透明、酒香濃郁、滋味協(xié)調(diào)、酒體典型風(fēng)格較為突出。

樺樹液；發(fā)酵酒；發(fā)酵工藝；響應(yīng)面

樺樹液是樺樹（Betula）的傷流液，是一種無(wú)色透明的液體，入口清涼微甜，有樺樹特有的清香氣味，每年4月～5月冰雪消融，初春萌動(dòng)之時(shí)便可采集[1-2]。樺樹液富含人體需要的多種氨基酸、果糖、維生素、生物素、礦物質(zhì)等，具有清熱、解毒、抗疲勞、抗衰老等保健作用[3-5]。利用樺樹液為原料發(fā)酵而成的酒具有獨(dú)特的

風(fēng)味和保健功效，符合人們現(xiàn)在的消費(fèi)觀念，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益和較好的發(fā)展前景。

目前，國(guó)內(nèi)張崇、李娜[6-10]等對(duì)樺樹液酒的研制進(jìn)行了報(bào)道，但對(duì)優(yōu)化樺樹液酒發(fā)酵條件方面的文章很少。本試驗(yàn)以吉林省二道白河鎮(zhèn)的新鮮樺樹液為原料，通過(guò)單因素試驗(yàn)確定樺樹酒的發(fā)酵工藝，采用響應(yīng)面法優(yōu)化樺樹液酒發(fā)酵條件的最佳工藝參數(shù)，為樺樹液酒的工業(yè)化生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

吉林省二道白河鎮(zhèn)采集的新鮮樺樹液；綿白糖：市售，符合一級(jí)品要求；酵母菌：安琪葡萄酒酵母；偏重亞硫酸鉀：食品級(jí)。

1.2 儀器與設(shè)備

SPX-250B-Z型生化培養(yǎng)箱：上海市博訊事業(yè)有限公司；電子天平：慈溪市天東衡器廠；DZKW-S-4恒溫水浴鍋：北京市永光明醫(yī)療儀器廠；WYT-4型手持糖度計(jì)：泉州中友光學(xué)儀器有限公司；酒精計(jì)：河間市儀器廠。

1.3 方法

1.3.1 樺樹液酒的發(fā)酵工藝流程

采集新鮮的樺樹液→加入適量SO2抑制雜菌→糖度調(diào)整→接種活性干酵母→主發(fā)酵→成分檢測(cè)→后發(fā)酵→陳釀→澄清→殺菌→成品

1.3.2 操作要點(diǎn)

1）糖度調(diào)整：本試驗(yàn)原料樺樹汁的還原糖含量為1%，由于自身發(fā)酵的酒精度達(dá)不到成品酒的要求，需要向其中一次性補(bǔ)充糖分，使還原糖含量在20%左右。

2）酵母的活化：向2%的無(wú)菌糖水中加入適量干酵母在35℃的溫度下攪拌活化20min，直至有大量氣泡產(chǎn)生。

1.3.3 指標(biāo)測(cè)定方法

酒精體積分?jǐn)?shù)的測(cè)定：酒精計(jì)法[11]；糖度測(cè)定：手持糖度計(jì)法；還原糖的測(cè)定：菲林試劑法[11]；酸度的測(cè)定：酸堿滴定法[11]。

1.3.4 影響樺樹液酒發(fā)酵效果的單因素試驗(yàn)

1.3.4.1 SO2添加量的影響

把樺樹液糖度調(diào)整為20%，發(fā)酵溫度為25℃，發(fā)酵時(shí)間為10 d，接種量為40mg/L，SO2添加量分別為20、40、60、80、100、120、140mg/L，探究SO2添加量對(duì)發(fā)酵效果的影響。

1.3.4.2 酵母接種量的影響

把樺樹液糖度調(diào)整為20%，發(fā)酵溫度為25℃，發(fā)酵時(shí)間為10 d，SO2添加量為100mg/L，酵母接種量分別為0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8 g/L，探究酵母接種量對(duì)發(fā)酵效果的影響。

1.3.4.3 發(fā)酵溫度的影響

把樺樹液糖度調(diào)整為20%，發(fā)酵時(shí)間為10 d，SO2添加量為100mg/L，酵母接種量為0.4 g/L，發(fā)酵溫度分別為17、19、21、23、25、27、29℃，探究發(fā)酵溫度對(duì)發(fā)酵效果的影響。

1.3.4.4 發(fā)酵時(shí)間的影響

把樺樹液糖度調(diào)整為20%，發(fā)酵溫度為25℃，SO2添加量為100mg/L，酵母接種量為0.4 g/L，發(fā)酵時(shí)間分別為2、4、6、8、10、12、14 d，探究發(fā)酵時(shí)間對(duì)發(fā)酵效果的影響。

1.3.5 響應(yīng)面法優(yōu)化樺樹液酒發(fā)酵工藝

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)Box-Behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，分別對(duì)影響酒精度（Y）的4個(gè)因素：SO2添加量（A）、酵母接種量（B）、發(fā)酵溫度（C）、發(fā)酵時(shí)間（D）利用響應(yīng)面軟件Design-Expert8.0.6進(jìn)行響應(yīng)面設(shè)計(jì)[12-17]。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 SO2添加量的影響

SO2添加量的影響見(jiàn)圖1。

圖1 SO2添加量對(duì)酒精體積分?jǐn)?shù)的影響Fig.1 Effectsof SO2amounton alcoholicity

由圖1可知，SO2添加量較少時(shí)，由于不能較好的抑制雜菌，所以酒精發(fā)酵度數(shù)低；當(dāng)SO2添加量達(dá)到100mg/L時(shí)，酒精體積分?jǐn)?shù)達(dá)到最高且接近待發(fā)值；當(dāng)SO2添加量超過(guò)100mg/L時(shí)，不僅抑制了雜菌生長(zhǎng)也抑制了酵母菌的發(fā)酵代謝，使得酒精發(fā)酵度數(shù)低。所以SO2添加量為100mg/L最合適。

2.1.2 酵母接種量的影響

酵母接種量的影響見(jiàn)圖2。

酵母接種量是影響樺樹液酒酒精發(fā)酵的重要因素之一，由圖2可知，當(dāng)接種量較低時(shí)，酵母自身代謝緩慢，蔗糖代謝成酒精不完全，從而酒度低，酒質(zhì)不協(xié)調(diào)；隨著接種量逐漸增加，酒精的體積分?jǐn)?shù)也增加，當(dāng)接種量為0.4 g/L時(shí)，酒精度達(dá)到最高；當(dāng)接種量超過(guò)0.4 g/L時(shí)，酵母菌代謝過(guò)旺，消耗大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)并產(chǎn)

生較多代謝產(chǎn)物，使得菌體過(guò)早衰老并自溶，最終酒度較低，酒質(zhì)不協(xié)調(diào)。所以酵母接種量選擇0.4g/L較適合。

圖2 酵母接種量對(duì)酒精體積分?jǐn)?shù)的影Fig.2 Effectsof yeast inoculating amounton alcoholicity

2.1.3 發(fā)酵溫度的影響

發(fā)酵溫度的影響見(jiàn)圖3。

圖3 發(fā)酵溫度對(duì)酒精體積分?jǐn)?shù)的影響Fig.3 Effectsof fermentation tem peratureon alcoholicity

由圖3可知，在17℃～25℃時(shí)，酒精體積分?jǐn)?shù)隨發(fā)酵溫度升高的快；當(dāng)發(fā)酵溫度在25℃～29℃時(shí)，酒精體積分?jǐn)?shù)隨發(fā)酵溫度的升高略有下降。因此選擇發(fā)酵溫度為25℃最適宜。

2.1.4 發(fā)酵時(shí)間的影響

發(fā)酵時(shí)間的影響見(jiàn)圖4。

圖4 發(fā)酵時(shí)間對(duì)酒精體積分?jǐn)?shù)的影響Fig.4 Effectsof fermentation tim eamounton alcoholicity

由圖4可知，隨著發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)，酒精的體積分?jǐn)?shù)逐漸增大，發(fā)酵前8 d，酒精體積分?jǐn)?shù)增大的速度較快；第8天之后發(fā)酵速度趨于緩慢；在發(fā)酵第12天時(shí)，酒精體積分?jǐn)?shù)為12.1%，符合待發(fā)值且與第14天持平。因此發(fā)酵時(shí)間為12 d最合適。

2.2 響應(yīng)面法優(yōu)化樺樹液酒發(fā)酵工藝

綜合單因素試驗(yàn)結(jié)果可知，發(fā)酵時(shí)間在10 d之后酒精體積分?jǐn)?shù)趨于平穩(wěn)，固發(fā)酵時(shí)間選取12 d為最佳，根據(jù)Box-Behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，選取SO2添加量（A）、酵母接種量（B）、發(fā)酵溫度（C）為3個(gè)因素，以酒精體積分?jǐn)?shù)（Y）為響應(yīng)值，分別在3個(gè)水平上進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)因素水平及編碼見(jiàn)表1，試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化樺樹液酒發(fā)酵工藝因素水平與編碼表Table1 Factorsand levels in response surfacedesign

表2 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果Tab le2 Resultsof Box-Behnken centralcom posite design

2.2.1 回歸模型的建立及方差分析

回歸模型的建立及方差分析見(jiàn)表3。

表3 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果的方差分析Table3 Analysisof varianceof the fitted regressionm odel

續(xù)表3 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果的方差分析Continue table3 Analysisof varianceof the fitted regression m odel

對(duì)表2中試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸方程擬合后，得到各因素水平對(duì)發(fā)酵酒酒精體積分?jǐn)?shù)影響的二次多項(xiàng)回歸模型

由表3可知，模型的P＜0.01，模型方程（1）極顯著，說(shuō)明不同處理間的差異極顯著失擬項(xiàng)P=0.633 7＞0.05，不顯著，說(shuō)明本試驗(yàn)所得二次回歸方程能很好的對(duì)響應(yīng)值進(jìn)行預(yù)測(cè)；酒精體積分?jǐn)?shù)值與回歸方程預(yù)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)R2為0.990 4，可知擬合情況良好；離散系數(shù)（CV）表示試驗(yàn)的精確度，其值越大，試驗(yàn)結(jié)果可靠性越低[18]。本試驗(yàn)CV為2.2%，在可接受范圍內(nèi)，說(shuō)明試驗(yàn)結(jié)果可靠。從回歸方程系數(shù)顯著性可知，模型方程（1）的一次項(xiàng)和二次項(xiàng)A、B、C表現(xiàn)為極顯著（P＜0.01）；交互項(xiàng)AB表現(xiàn)為顯著（0.01＜P＜0.05）、AC表現(xiàn)為不顯著（P＞0.05）、BC表現(xiàn)為極顯著（P＜0.01）。

2.2.2 響應(yīng)面的分析及優(yōu)化

通過(guò)Design Expert8.0.6軟件，由二元回歸模型（1）繪制響應(yīng)面分析圖（圖5～圖7）。圖中直觀地反映了各因素之間的交互作用對(duì)樺樹液酒酒精體積分?jǐn)?shù)的影響。

從響應(yīng)面分析圖中可以看出所選因素對(duì)響應(yīng)值影響強(qiáng)弱順序依次為：B>C>A即：酵母接種量＞發(fā)酵溫度＞SO2添加量。

為確定最佳發(fā)酵工藝條件，將擬合回歸方程的兩邊分別對(duì)A、B、C求一階偏導(dǎo)數(shù)，并設(shè)其值為0，得到三元一次方程組：

求解得：A=0.164，B=0.188，C=0.022，根據(jù)編碼公式得到最佳工藝參數(shù)為：SO2添加量103.28mg/L，酵母接種量0.419 g/L，發(fā)酵溫度25.044℃，此條件下酒精體積分?jǐn)?shù)達(dá)11.98%?？紤]實(shí)際操作性，將發(fā)酵工藝參

數(shù)修正為：SO2添加量103mg/L，酵母接種量0.42 g/L，發(fā)酵溫度25℃。

圖5 和酵母接種量交互作用對(duì)酒精體積分?jǐn)?shù)影響的響應(yīng)面和等高線圖Fig.5 Response surfaceand contour plotof interaction among SO2and yeast inoculation quantity on alcoholicity

圖6 SO2和發(fā)酵溫度交互作用對(duì)酒精體積分?jǐn)?shù)影響的響應(yīng)面和等高線圖Fig.6 Responsesurfaceand contour plotof interaction am ong SO2and fermentation tem peratureon alcoholicity

圖7 酵母接種量和發(fā)酵溫度交互作用對(duì)酒精體積分?jǐn)?shù)影響的響應(yīng)面和等高線圖Fig.7 Response surfaceand contour p lotof interaction among yeast inoculation quantity and ferm entation tem peratureon alcoholicity

2.2.3 酒精體積分?jǐn)?shù)驗(yàn)證性試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)響應(yīng)面法的可行性，采用得到的最佳發(fā)酵條件進(jìn)行樺樹液酒的發(fā)酵試驗(yàn)，SO2添加量103mg/L、酵母接種量0.42 g/L、發(fā)酵溫度25℃，同時(shí)進(jìn)行3次平行試驗(yàn)。樺樹液酒的酒精度平均值為11.9%vol。與預(yù)測(cè)值誤差僅差0.67%。結(jié)果極為接近，進(jìn)一步驗(yàn)證了模型方程（1）的實(shí)用性。

2.3 產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

2.3.1 感官指標(biāo)

本試驗(yàn)發(fā)酵的樺樹液酒色澤微黃，澄清透明，既有原汁的清香，又有發(fā)酵后濃郁的醇香，滋味協(xié)調(diào)，口味純正無(wú)雜，清涼爽口，具有本酒典型的風(fēng)格。

2.3.2 理化指標(biāo)

酒精體積分?jǐn)?shù)：11.5%vol～12%vol；還原糖：（以葡萄糖計(jì)）≤4 g/L；可滴定酸（以檸檬酸計(jì)）：0.56%；游離SO2≤50mg/L。

2.3.3 微生物指標(biāo)

菌落總數(shù)＜100CFU/mL；大腸桿菌＜3MPN/100mL；致病菌：未檢出。

3 結(jié)論

通過(guò)單因素試驗(yàn)和中心組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)，采用響應(yīng)面分析法優(yōu)化樺樹液酒的發(fā)酵工藝條件，建立樺樹液酒發(fā)酵工藝的二次多項(xiàng)數(shù)學(xué)模型。該模型極顯著，擬合情況好，可用來(lái)預(yù)測(cè)設(shè)定條件范圍內(nèi)及其周圍的樺樹液酒發(fā)酵工藝參數(shù)，有一定實(shí)用價(jià)值。各因素對(duì)樺樹液酒發(fā)酵工藝的影響次序?yàn)榻湍附臃N量＞發(fā)酵溫度＞SO2添加量，優(yōu)化后工藝條件參數(shù)為酵母接種量0.42 g/L、發(fā)酵溫度25℃、SO2添加量103mg/L、發(fā)酵時(shí)間為12 d，在此條件下，酒精體積分?jǐn)?shù)為11.98%vol，發(fā)酵所得的樺樹液酒酒香濃郁，風(fēng)味典型性明顯，是一種營(yíng)養(yǎng)豐富的保健型果酒，開發(fā)前景廣闊具有實(shí)用意義。

[1]趙華文,覃軍.樺樹液的應(yīng)用現(xiàn)狀與開發(fā)方向[J].中國(guó)林副特產(chǎn), 2001(2):38-40

[2]金萬(wàn)俊,于學(xué)軍,徐志玉.樺樹液的開發(fā)利用[J].林業(yè)科技開發(fā), 1993(1):41

[3]倪士峰,劉惠,申志勇,等.樺木屬的藥用研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué), 2009,37(7):3046

[4]EVNMIJU,SIEVN LEE,HYUN JINHNANG,etal.Antioxidantand anticancer activity of extract from Betula platyphylla var.japonica [J].Lifesciences,2004,74(8):1013-1026

[5] 向進(jìn)樂(lè),崔國(guó)庭,郭香鳳,等.樺樹汁及其在食品工業(yè)中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀[J].食品科技,2006(11):48-50

[6]張崇,李孟菊,張丕亮.樺樹液酒發(fā)酵工藝[J].中國(guó)林副特產(chǎn),2014 (4):33-35

[7]李娜,常紅娟,譚毅,等.樺樹汁發(fā)酵酒的研制[J].釀酒,2008,35(3): 101-102

[8]王國(guó)良.新品保健啤酒的開發(fā)(二)[J].釀酒科技,2006(1):119-121

[9]劉生梅,李海玲,王云,等.樺樹液采集工藝及開發(fā)利用前景[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技,2011(10):354-356

[10]蘇喜廷,王德才,王丕亮.森林白樺樹液酒營(yíng)養(yǎng)成分檢測(cè)與分析[J].中國(guó)林副特產(chǎn),2013(3):39-41

[11]中華人民共和國(guó)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T15038-2006葡萄酒、果酒通用分析方法[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2006:15

[12]劉靜,胡彥營(yíng),李湘利,等.響應(yīng)面法優(yōu)化果膠酶澄清芡實(shí)酒工藝及其效果評(píng)價(jià)[J].食品科學(xué),2013,34(22):87-91

[13]吳竹青,陳景,黃群,等.響應(yīng)面法優(yōu)化雪蓮果酒發(fā)酵工藝[J].食品科學(xué),2010,31(23):182-187

[14]李升升,徐懷德,李鈺金,等.響應(yīng)面法對(duì)洋蔥酒發(fā)酵工藝的優(yōu)化[J].食品科學(xué),2011,32(06):135-138

[15]馬玉婷,李進(jìn),張志怡.響應(yīng)面法優(yōu)化黑果枸杞酒渣多糖精制工藝[J].食品科學(xué),2012,33(6):37-43

[16]王玉瑩,戴洪義.響應(yīng)面法優(yōu)化蘋果酒發(fā)酵工藝[J].中國(guó)釀造, 2012,31(8):19-22

[17]王璐,李小溪,古麗娜孜.響應(yīng)面法優(yōu)化馬奶酒發(fā)酵條件的研究[J].中國(guó)釀造,2014,33(2):66-70

[18]郭克娜,闞建全,王穎,等.響應(yīng)面法優(yōu)化薏米酒發(fā)酵工藝條件[J].食品科學(xué),2013,34(21):272

Optim ization of Fermentation of Birth Sap W ine by Response Surface M ethodology

QUDi
（InstituteofSpecial Animaland PlantSciencesofCAAS，Changchun 130000，Jilin，China）

The fermentation condition ofbirth sapwinewasoptimized by response surfacemethodology.The impactof sulfur dioxide used，yeast inoculums concentration and fermentation temperature on sensory score，and the alcoholicity was selected as response value and themathematicalmodelwas established by Box-Behnken central composite design.Asa result，inoculum amount0.42 g/L，sulfur dioxide103mg/L，fermentation temperature 25℃，fermentation time 12 days，under this optimal condition，the alcoholicitywas 11.98%volwith good quality.

birch sap；brewedwine；fermentation technology；responsesurfacemethodology

10.3969/j.issn.1005-6521.2016.23.029

2016-02-17

曲迪（1990—），女（漢），碩士，研究方向：長(zhǎng)白山野生植物資源開發(fā)利用。