響應面法優化西瓜汁保健果酒發酵工藝的研究

孟凡娟 安泉熹 張江勇 宋海霞 朱學軍

摘 要：以西瓜汁為原料，通過響應面法優化西瓜汁保健果酒發酵工藝條件，以酒精度為響應值，采用Box-behnken中心組合試驗設計建立數學模型，進行響應面分析。結果表明，西瓜汁保健果酒最優發酵工藝條件為：總糖含量26.32%，pH3.54，接種量3.92%，發酵溫度25.21℃。在此條件下，酒精度理論值為15.67%（v/v）， 驗證值為15.58%（v/v），與模型預測值基本相符。

關鍵詞：西瓜汁保健果酒；發酵條件；響應面分析

中圖分類號：S-3 文獻標識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20180732002

西瓜汁中含有多種糖類如葡萄糖、蔗糖、果糖等，多種蛋白質和氨基酸，各種維生素、粗纖維、無機鹽，多種揮發性醛類及鈣、磷、鐵等礦物質[1，2]。具有利尿、緩解疲勞、清熱解暑及美容功效等，還具有抗氧化、減少心血管疾病及預防癌癥等功能[3，4]。由于西瓜每年生產期集中且產量大，并且西瓜易受天氣影響而不耐儲存，使其售價偏低，每年都有成千上萬噸的西瓜由于各種因素的影響而在地里腐爛變質，嚴重影響了瓜農的經濟收入[5，6]。為了解決西瓜深加工難的技術難題，為了滿足人們對健康保健飲品的需求，本研究通過響應面法優化了西瓜汁保健果酒的發酵工藝。以期為西瓜深加工提供技術支持，提高西瓜產品附加值的同時又能促進人們的身體健康和增加瓜農經濟收益，生產出獨具西瓜風味的新型保健果酒。

1 材料與試劑

1.1 供試材料

應季麒麟西瓜、白砂糖、安琪果酒酵母。

1.2 試劑與儀器

主要試劑：75%乙醇、100?g/mL葡萄糖、6%苯酚、濃硫酸、檸檬酸。

主要儀器：榨汁機、可見分光光度計、酸度計、高壓滅菌鍋、超凈工作臺、智能生化培養箱、真空抽濾泵、旋轉蒸發儀。

1.3 試驗方法

1.3.1 西瓜預處理

將新鮮的西瓜表皮沖洗、消毒、切開去籽、瓜瓤榨汁后用紗布過濾，分裝后于-20℃冰箱冷凍保存，備用。

1.3.2 西瓜汁含糖量的測定

采用苯酚硫酸法繪制標準曲線，得線性回歸方程Y=0.016X+0.0237，相關系數R2=0.998，將西瓜汁過濾后稀釋至一定倍數，按照標準曲線繪制的方法測定吸光度，測得平均吸光度為0.46，經計算西瓜汁的含糖量為：5.5g/100mL。

1.3.3 酵母菌活化

準確稱取0.1g果酒酵母于2%糖水中，置35℃水浴活化30min，復轉28℃水浴活化1h。

1.3.4 總糖含量的優化

調節總糖含量分別為22%、24%、26%、28%、30%，初始pH為4，活化酵母菌接種量為5%，發酵溫度為26℃，每處理3個重復，置恒溫培養箱培養7d后測酒精度。

1.3.5 初始pH的優化

總糖含量調節為26%，控制初始pH分別為3、4、5、6、7，活化酵母菌接種量為5%，發酵溫度為26℃，每處理3個重復，置恒溫培養箱培養7d后測酒精度。

1.3.6 酵母菌接種量的優化

總糖含量調節為26%，初始pH為4，控制酵母菌接種量分別為1%、3%、5%、7%、9%，發酵溫度為26℃，每處理3個重復，置恒溫培養箱培養7d后測酒精度。

1.3.7 發酵溫度的優化

總糖含量調節為26g%，初始pH為4，活化酵母菌接種量為5%，控制發酵溫度分別為22℃、24℃、26℃、28℃、30℃，每處理3個重復，置恒溫培養箱培養7d后測酒精度。

1.3.8 響應面優化試驗

在單因素試驗的基礎上，通過Design Expert V8.0.6.1

軟件進行響應試驗優化設計，以總糖含量、pH、接種量、發酵溫度4個因素為考察對象，酒精度為響應值進行試驗，每組試驗3個重復取其平均值，以確定西瓜酒發酵最優的工藝條件。

1.4 酒精度的測定

嚴格按照GB/T15038-2006葡萄酒、果酒通用分析方法中酒精計法測定。

1.5 數據處理

試驗數據采用Excel中AVERAGE、STDEV函數統計處理和Design Expert軟件中的數據回歸分析。

2 結果與分析

2.1 單因素優化結果分析

（a） （b）

（c） （d）

（a）總糖含量對酒精度的影響 （b）初始pH對酒精度的影響

（c）接種量對酒精度的影響 （d）發酵溫度對酒精度的影響

如圖（a）所示：當西瓜汁發酵液的總糖含量為26%時酒精度最高，總糖含量低于或高于26%時，酒精度均有顯著的下降趨勢，所以確定總糖含量的因素水平為24%、26%、28%；如圖（b）所示：西瓜酒發酵的最適pH值為4，當pH<4和pH>4時，酒精度均有下降的趨勢，所以確定初始pH的因素水平為3、4、5；如圖（c）所示：接種量為5%時酒精度最高，當接種量低于或高于5%時，酒精度均有顯著的下降趨勢，因此確定接種量的因素水平為3%、5%、7%；如圖（d）所示：發酵溫度為26℃時，酒精度含量最高，當發酵溫度高于或低于26℃時，酒精度的含量均顯著降低，從而確定發酵溫度的因素水平為24℃、26℃、28℃。

2.2 響應面結果與分析

在單因素優化試驗的基礎上，通過Design Expert軟件進行4因素3水平的Box-behnken中心組合試驗設計，共29組試驗。

通過Design Expert軟件對試驗數據進行回歸分析，擬合得到酒精度對發酵總糖、pH、接種量、溫度的二次回歸方程為：

Y=15.18-0.14X1-0.83X2-0.88X3-0.36X4+0.10X1X2-0.38X1X3-0.55X1X4+0.15X2X3+0.25X2X4+0.13X3X4-0.72X12-1.08X22-0.98X32-0.79X42

由表3可知：模型的f值=6.17，P值=0.0008<0.05，

表明模型具有顯著性，擬失項的P值不顯著，表明該模型的建立是充分的。其中：一次項X2、X3及二次項、X22、X32、X42對響應值的影響均達到了極顯著水平，二次項X12對響應值的影響達到了顯著水平，各交互項對模型的影響均不顯著。各顯著項對響應值的影響順序依次為：C>B>B2>C2>D2>A2，表明接種量對酒精度的影響最大，其次是pH值。根據Design Expert建立的Box-behnken數學模型進行參數優化分析，得出西瓜汁保健果酒的最佳發酵工藝條件為：總糖含量26.32%，初始pH3.54，接種量3.92%，發酵溫度25.21℃，在此條件下，酒精度理論值為15.67%（v/v）。為驗證模型的可行性，將上述預測條件進行試驗驗證，所得酒精度的驗證值為15.58%（v/v），跟模型的預測值接近，表明該模型的建立是充分的，具有一定的可行性和參考價值。

3 結論

本研究對西瓜汁保健果酒的生產工藝進行了研究，通過改善不同發酵工藝條件以達到提高發酵酒中酒精度的目的。在單因素實驗的基礎上，進行了響應面優化試驗，結果表明，西瓜汁保健果酒釀造的最優工藝條件為：總糖26.32%，初始pH3.54，接種量3.92%，發酵溫度25.21℃。所得西瓜汁保健果酒營養豐富，果香濃郁，色澤鮮亮，口感幽雅。

參考文獻

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[2]張俊杰，程志強.西瓜的營養成分及保健功能[J].南方園藝，2013，24（2）：49-50.

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[4]胡曉冰，楊生玉，張彭湃，等.西瓜酒發酵工藝的研究[J].釀酒，2007（3）：83-85.

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[6]王春霞，高素芳，楊文璽，等.西瓜酒的研制[J].甘肅科技縱橫，2006（6）：31，134.

作者簡介：孟凡娟（1989-），女，碩士研究生，研究方向：微生物研究；朱學軍（1970-），男，博士，講師，研究方向：生物轉化研究。