紫薯莜麥酒釀造工藝優化

吳芳彤，劉春卯，羅同陽，曹倩榮，鄭翔，楊何寶

(河北省微生物研究所，河北 保定，071000)

紫薯莜麥酒釀造工藝優化

吳芳彤*，劉春卯，羅同陽，曹倩榮，鄭翔，楊何寶

(河北省微生物研究所，河北 保定，071000)

以紫薯、莜麥為原料，在單因素試驗的基礎上采用三步響應面法優化紫薯莜麥酒的釀造工藝。得到紫薯莜麥酒發酵工藝條件為：發酵時間6 d，發酵溫度18 ℃，SO2添加量96 mg/L。在該發酵條件下釀造而成的紫薯莜麥酒酒精度11.00 % vol，花色苷和β-葡聚糖含量分別為21.23和36.85 mg/L，顯著高于對照組。

紫薯；莜麥；果酒；花色苷；β-葡聚糖

莜麥，又稱裸燕麥，是我國燕麥種植的主要品種之一，主要分布于我國西北、西南、華北和湖北等地。與我國市場上常見的皮燕麥，同屬燕麥屬的不同種。莜麥脂肪和碳水化合物含量低，富含優質蛋白、亞油酸、維生素、β-葡聚糖、礦物質元素等[1-3]。莜麥β-葡聚糖，是一種高分子無分支線性黏多糖，主要通過β-(1，3)和 β-(1，4)糖苷鍵連接而成[4]。與其他來源的β-葡聚糖相比，莜麥β-葡聚糖水溶性和皮膚滲透性更好，更容易被人體吸收利用[5]。紫薯是我國近年來從國外引進的紅薯新品種，肉呈紫色至深紫色。紫薯營養豐富，除具有普通紅薯的生理保健功效外，還具有其獨特的保健藥用價值[6-7]。

本文以紫薯和莜麥為原料，經液化、糖化處理后，采用響應面優化法優化其發酵工藝，以期釀造出不僅具有紫薯酒瑰麗的色澤[8]，而且含有紫薯和莜麥的雙重營養價值，富含花色苷和β-葡聚糖的發酵酒。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紫薯，市售；蔗糖、檸檬酸、NaOH，市售，食品級；葡萄酒、果酒專用酵母、甜酒曲，均為安琪酵母股份有限公司；α-淀粉酶(30 U/mg)、糖化酶(100 000 U/g)，北京化邁科技生物技術有限公司；β-葡聚糖標準品，Sigma-Aldrich股份有限公司；偏重亞硫酸鉀，意大利Enartis股份有限公司，食品級；其他試劑均為國產分析純。

1.2 實驗方法

1.2.1 紫薯莜麥酒釀造工藝流程

1.2.2 菌種的活化

將5%的安琪葡萄酒、果酒專用干酵母，加入到含糖2%的溶液中，在35～40 ℃下攪拌活化約15～30 min，直至糖水中出現大量的小氣泡為止。

1.2.4 紫薯和莜麥的預處理

紫薯的液化采用工業酶液化法。挑選無霉變、病蟲傷害的新鮮紫薯，洗凈，隔水蒸煮30 min左右至無硬心，與純凈水按照1∶1.5(g∶mL)的料液比混勻打漿。用檸檬酸和NaOH調節pH至6.5，0.25% α-淀粉酶添加量，95 ℃液化70 min。得到的紫薯液繼續添加0.1%的糖化酶，調節pH至4.0，65 ℃糖化95 min。即得處理好的紫薯發酵醪。

莜麥液化處理采用恒溫浸出糖化法。莜麥挑選去除雜質霉變，粉碎過40目篩，隔水蒸煮30 min，將蒸好的莜麥，采用淋水冷卻法，冷卻到30～37 ℃，備用。以0.5%的接種量(以干莜麥量為計)將甜酒曲均勻的撒入其中，攪拌均勻，溫度控制在28 ℃左右。發酵30～36 h時，莜麥表面出現糖化菌絲，此時將莜麥二次攪拌混勻，發酵72 h結束。

將預處理好的紫薯和莜麥發酵醪按照2∶1的比例混合，調節pH和糖度，按照一定比例添加SO2，115～117 ℃高溫高壓滅菌15～20 min，冷卻到室溫，備用。

1.2.5 單因素試驗對紫薯莜麥酒的發酵工藝的優化

本試驗選取對紫薯莜麥酒影響較大的6個因素：初始pH、發酵溫度、接種量、發酵時間、初始糖度、SO2添加量。每個因素設5個梯度，初始pH 2.5、3.0、3.5、4.0、4.5；發酵溫度 16、18、20、22、24 ℃；接種量0.05%、0.10%、0.15%、0.2%、0.25 %；發酵時間 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-葡聚糖為檢測指標，考察這6個因素在紫薯莜麥酒釀造中的最優指標。

1.2.6 響應面法優化紫薯莜麥酒的發酵工藝

在單因素試驗結果的基礎上，以酒精度作為響應目標，采用三步法進行優化：首先通過Plackett-Burman設計找到對響應影響的顯著因素；接著通過最陡爬坡實驗快速逼近最佳值區域；最后利用響應面方法中的中心組合設計實驗，擬合實驗數據得到二階響應面模型，進而得到紫薯莜麥酒最優發酵工藝，并進行驗證。采用Design-Expert 8.0.6進行實驗數據分析及處理。

1.2.6.1 Plackett Burman的篩選設計實驗

選取6個因素作為考察對象：初始pH、發酵溫度、接種量、發酵時間、初始糖度、SO2添加量。

1.2.6.2 最陡爬坡實驗

響應面擬合方程只有在接近最佳值區域才近似于真實情況，因此要盡可能逼近最大產酒精區域才能建立有效地響應面方程[9]。根據1.3.3.1 PB實驗結果篩選得到對酒精度影響顯著的3個因素做最陡爬坡實驗。

1.2.6.3 中心組合設計實驗(CCD)

根據PB實驗結果選取影響顯著的3個變量，每個因素選取-1、0、+1，在最陡爬坡實驗確定的最佳區域內，以酒精度作為響應值(Y)，利用Design-Expert 8.0.6軟件進行實驗數據分析及處理。

1.2.7 酒精度和糖度含量的測定方法

酒精度采用GB/T15038—2006中酒精計法，以20 ℃時容量百分數表示的酒精水溶液濃度計算。糖度的測量采用SB/T10203—1994中阿貝折光儀法測定。

1.2.8 花色苷的測定方法

pH示差法。吸取一定量酒樣于50 mL燒杯中，用檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液調節pH 3.0，定容到50 mL即為稀釋酒樣。取稀釋酒樣1 mL，分別加入pH 1.0和pH 4.5的緩沖溶液 9 mL，40 ℃水浴平衡 30 min，以蒸餾水為空白對照，分別測定A510 nm和A700 nm[10]。

稀釋后樣品的吸光度ΔA按公式(1)計算：

ΔA=(A510-A700)pH 1.0- (A510-A700)pH 4.5

(1)

樣品的花色苷含量(mg/L)按公式(2)計算：

花色苷含量=[ (ΔA×MW)/(ε×1)]×DF×1 000

(2)

其中：MW，矢車菊素葡萄糖苷的相對分子質量(484.82 mg/mol)；ε，矢車菊素葡萄糖苷的摩爾消光系數(24 825 mol-1)；DF，稀釋因子(樣品總的稀釋倍數)。

1.2.9 β-葡聚糖的測定方法

剛果紅法。分別配制5、10、15、20、25、30、35 μg/mL標準β-葡聚糖溶液，在545 nm處分別測定吸光度，在曲線上求A為1時的β-葡聚糖含量(即為K值)。以β-葡聚糖濃度(C)為橫坐標，吸光度(A)為縱坐標繪制標準曲線。取稀釋的紫薯莜麥保健酒飲料2.0 mL分別加入4.0 mL的剛果紅，20 ℃水浴30 min以蒸餾水為空白對照，545 nm處測定吸光度(A1)。為了消除酒樣顏色對測定結果的影響，同時測定了各酒樣的吸光度(A0)，即最終酒樣吸光度為ΔA=A1-A0[11-12]。

β-葡聚糖含量/(mg·L-1)=K×ΔA×稀釋倍數

2 結果與分析

2.1 單因素優化紫薯莜麥酒發酵工藝的結果

紫薯莜麥酒發酵工藝單因素選擇結果如圖1所示，隨著各項工藝參數的遞增，酒精度、花色苷和β-葡聚糖均呈現先增加后減少或平穩的趨勢。當發酵醪初始pH 3.5、發酵溫度20 ℃、發酵時間7 d、初始糖度18 Brix、SO2添加量為60 mg/L時，酒精度、花色苷和β-葡聚糖均達到最大值。這可能是花色苷的穩定性較差，溫度、pH、糖、SO2添加量等均對其有影響。

本品采用的安琪葡萄酒果酒專用酵母最適溫度在20 ℃左右，溫度和pH過高或過低均不利于酵母的繁殖和催化酒精反應。糖度與酒精度有直接關系，糖在酵母菌的作用下轉化成為酒精和SO2，但在自然釀酒條件下，達到一定酒精濃度后，隨著糖度的增加酒精度基本保持不變。釀酒酵母對SO2的抗性較強，在發酵過程中添加SO2從而達到抑制其他雜菌生長的作用，提高酵母菌的發酵能力。

花色苷是類黃酮化合物，在植物、食品中以多種形式存在，目前已知種類有22大類?；ㄉ盏姆€定性受溫度影響非常大，在一定范圍內隨溫度的升高，花色苷向著無色的查爾酮和甲醇假堿形式轉化；在酸性條件下，隨著溫度的降低，其結構可逆轉變成紅色的花色苷陽離子形式[13]。高濃度的糖分含量有利于花色苷顏色的保護，低濃度的糖分含量，加速花色苷的降解[14]。SO2是食品中常用的防腐劑和漂白劑，在果酒中添加SO2具有殺菌、澄清、護色、改善酒的味感質量等作用，根據我國《NYT 1508—2007 綠色食品 果酒》中規定成品酒中SO2含量≤250 mg/L，過多或過少的SO2在酸性環境中形成亞硫酸氫根，親核攻擊花色苷C2或C4位生成無色的花色苷亞硫酸鹽復合物[15]。

圖1 單因素優化結果Fig.1 The optimal results of single factor design

β-葡聚糖在莜麥內以多種結構形式存在，但都是通過β-1,3鍵和β-1,4鍵連接而成的直鏈β-D-葡萄糖。發酵過程中β-葡聚糖基本不參與，但與酒精度有較強的聯系。β-葡聚糖的含量，隨著酒精度的升高，呈上升趨勢。這可能是因為較高的乙醇濃度增強了β-葡聚糖內的交鏈作用。

2.2 響應面優化紫薯莜麥酒發酵工藝的結果

2.2.1 PB實驗結果

2.2.1.1 PB實驗設計及結果

在單因素實驗的基礎上，以單因素最優指標為“-1”變量，“+1”取最低水平的1.5倍，選取6個因素，共進行12次實驗以確定每個因素的影響水平。編碼表見表1。以酒精度(Y)作為實驗響應值，每個實驗重復3次取平均值。PB實驗設計及結果見表2。運用Design Expert8.0.6軟件對實驗數據進行回歸擬合，回歸方程：Y=10.6-0.53X1-100X2+0.12X3+1.27X4-0.20X5-1.53X6，R2=0.918 0。

表1 Plackett Burman實驗設計的因素水平

表2 PB實驗設計及結果

2.2.1.2 PB實驗的回歸模型方差分析

表3 PB實驗的回歸模型方差分析

注：**表示極顯著(P<0.01);*表示顯著(P<0.05)。

2.2.1.3 PB實驗的回歸方程系數顯著性檢驗

PB實驗的回歸方程系數顯著性檢驗，見表4。各因素對紫薯莜麥酒酒精度的影響順序為：SO2添加量>發酵時間>發酵溫度>初始pH>初始糖度>接種量。其中SO2添加量、發酵時間和發酵溫度是顯著因素，其余為不顯著因素。

表4 PB實驗的回歸方程系數顯著性檢驗

注：**表示極顯著(P<0.01);*表示顯著(P<0.05)。

2.2.2 最陡爬坡實驗結果分析

由PB實驗可知，發酵溫度和SO2添加量均呈顯著負效應，應逐漸減小，發酵時間呈顯著正效應，應逐步增加發酵時間。根據這3個因素效應大小比例設定他們的變化方向及步長。實驗結果見表5。3號實驗的酒精度最高，因此以實驗3為中心點進行響應面實驗設計。

表5 最陡爬坡實驗設計及結果

2.2.3 中心組合設計(CCD)

2.2.3.1 CCD實驗設計及結果

根據Plackett-Burman實驗和最陡爬坡實驗結果，確定了3個對紫薯莜麥酒發酵影響顯著的因素并設定中心點。以(A)發酵溫度、(B)發酵時間和(C)SO2添加量為自變量，以酒精度(Y)作為實驗響應值，利用Design-Expert軟件中的CCD實驗對上述3個因素進行通用旋轉中心組合設計(表6)。

表6 CCD實驗設計的因素水平

PB實驗確定了發酵溫度、發酵時間和SO2添加量為影響紫薯莜麥酒的主要因素，最陡爬坡實驗確定了這3個因素的中心點，利用CCD實驗設計3因素2水平的響應面分析實驗，以酒精度(Y)作為響應值，以酒精度最大為優化目標進行實驗。實驗設計及響應值見表7。根據實驗結果，采用逐步回歸的方法進行二次回歸分析，剔除不顯著的因素，得到的回歸方程如下式：

Y=10.97+0.54A+0.20B-0.18C-0.90AB+0.63BC-1.39A2-1.41B2-0.34C2

表7 CCD實驗設計及響應值

2.2.3.2 CCD實驗回歸模型方差分析及響應面與等高線分析

表8 二次逐步回歸模型方差分析表

注：**表示極顯著(P<0.01);*表示顯著(P<0.05)。

由圖1和圖2的響應面圖可知，在無SO2添加的情況下，隨著發酵溫度升高和發酵時間的不斷增加，酒精度呈上升趨勢至最高點，但發酵溫度過高和時間過長，也會導致酒精度的小幅度下降；在發酵時間一定的情況下，SO2添加量的減少和發酵溫度的降低有利于酒精度的提高，但過低的SO2含量和過低的發酵溫度也不利于酒精的生成。

圖2 發酵時間和發酵溫度對酒精度交互用影響的響應面圖和等高線圖Fig.2 Response surface plot and contour plot for the interactive effects of fermentation time and fermentation temperature on alcohol content

圖3 發酵溫度和SO2添加量對酒精度交互用影響的響應面圖和等高線圖Fig.3 Response surface plot and contour plot for the interactive effects of fermentation temperature and additive amount of SO2 on alcohol content

2.2.3.3 紫薯莜麥酒最優發酵工藝條件的確定

根據CCD實驗設計獲得的結果和回歸方程，經分析獲得，最佳紫薯莜麥酒發酵工藝條件為：發酵時間6 d，發酵溫度18 ℃，SO2添加量96 mg/L。預測紫薯莜麥酒的酒精度理論值為10.97 %vol。為驗證響應面優化法的可靠性，在其他條件一定的情況下，采用上述最優發酵工藝條件，經3次平行實驗，實際測得紫薯莜麥酒的酒精度為11.00 %vol，與理論值相比高出0.03 %，無顯著差異。因此，基于PB實驗的中心組合實驗得到的最優紫薯莜麥酒發酵工藝條件具有可靠性。

2.4 紫薯莜麥酒特有功能性成分分析

對基于2.3得到的最優發酵工藝條件下釀造而成的紫薯莜麥酒，進行花色苷和β-葡聚糖含量的分析，以張裕窖釀解百納、長城干紅和農家自釀紫薯酒作為對照。測得在最佳發酵工藝條件下釀造的紫薯莜麥酒花色苷和β-葡聚糖含量分別為21.23和36.85 mg/L，而張裕窖釀解百納、長城干紅和農家自釀紫薯酒的花色苷含量分別為15.64、11.46 mg/L和15.68 mg/L，β-葡聚糖含量分別為6.44 mg/L、6.35 mg/L和7.32 mg/L。因此，本品花色苷和β-葡聚糖含量均高于對照樣品，具有良好的抗氧化活性和抗衰老的功效。

3 結論

通過單因素試驗得到初始pH、發酵溫度、接種量、發酵時間、初始糖度、SO2添加量的最優條件為：pH 3.5、20 ℃、0.2%、7 d、18 Brix、60 mg/L。在單因素試驗結果的基礎上，以酒精度作為響應目標，采用三步法進行優化,得到最佳紫薯莜麥酒發酵工藝條件為：發酵時間6 d，發酵溫度18 ℃，SO2添加量96 mg/L。在該發酵條件下釀造而成的紫薯莜麥酒酒精度11.00 %vol，花色苷和β-葡聚糖含量分別為21.23和36.85 mg/L，均高于對照組。因此，優化得到的紫薯莜麥酒發酵工藝條件結果可靠，獲得的成品酒色澤瑰麗，口感綿柔，并且富含花色苷和β-葡聚糖。

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Brewing technology of purple sweet potato and hulless oat wine

WU Fang-tong*, LIU Chun-mao, LU Tong-yang, CAO Qian-rong, ZHENG Xiang, YANG He-bao

(Hebei Research Institute of Microbiology,Baoding 071000, China)

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 addition of SO296 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.

purple sweet potato; hulless oat; anthocyanin; β-glucan

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201704020

碩士，講師(本文通訊作者，E-mail:yayawu710@hotmail.com)。

2016-10-14，改回日期：2016-11-18