薏米啤酒的加工工藝研究與優化

虞思倩，吳迪，楊盼盼，董蓓佳，林柯*

吉林農業大學食品科學與工程學院（長春 130118）

薏米是禾本科植物薏苡的種仁，又稱薏苡仁、六谷子。其營養價值很高，含有近18%的蛋白質，49.5%的淀粉和7.2%的粗脂肪[1]。現代藥理學表明，薏米具有抑制癌細胞分裂增殖[2]、治療腫瘤、類風濕關節炎[3]等疾病的功效，因此具有較好的發展前景。

“藥食同源”的養生觀念深入人心[4]，薏米不僅在日常生活中作為食物被食用，而且還能作為藥膳。現已有薏米固體飲料[5]、薏米山藥乳酸飲料[6]、薏仁米酒[7]和薏米粥等薏米產品被廣泛開發。

市面上的啤酒大多以麥芽為主要原料，其保健效果差，而且口味單一，難以滿足消費者的需求。如果能夠將薏米的營養成分有效地與啤酒融合，作為一種功能性的啤酒，不僅能滿足消費者的需求，而且還能增加啤酒品種。試驗將以薏米和大麥芽為原料制作啤酒，將薏米中的淀粉水解為糖與大麥芽共同糖化，使其中的營養成分浸入啤酒。試驗不僅優化了薏米啤酒的加工工藝，還為開發新型保健酒提供了研究方法。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

1.1.1 試驗材料

大仁薏米；大麥芽；啤酒酵母，弗曼迪斯拉格干酵母SafLager-S-189；酒花顆粒，佩勒Perle（珍珠）酒花SM-20；卡拉膠。

1.1.2 試驗設備

數顯恒溫水浴鍋（HH-4，金壇市科析儀器有限公司），生化培養箱（SPX-250B-Z，上海博迅實業有限公司醫療設備廠），高速萬能粉碎機（FW80，天津市泰斯特儀器有限公司），電子分析天平（FA2004，上海上平儀器公司），萬用電爐（DL-1（1KW），北京中興偉業儀器有限公司）。

1.2 試驗方法

1.2.1 工藝流程（參見圖1）

圖1 薏米啤酒的生產工藝流程

1.2.2 操作要點

1.2.2.1 原料的選擇與混合

選擇有光澤、呈淡黃色的大麥芽為主料，顆粒飽滿、無霉變的新鮮薏米為輔料。量取已加熱至35～40℃的水1 L，以1∶4（g/mL）的料水比（即需原料共250 g），再按0.25∶1（g/g）的比例稱取薏米和麥芽，即薏米50 g，麥芽200 g，混合。

1.2.2.2 溫度控制

混合后，將原料液放入水浴鍋。使其升溫至50℃維持60 min，再在10 min之內升溫至63℃維持40 min，再在15 min之內升溫至72℃維持40 min，最后升溫至78℃維持15 min，完成糖化操作[8]。多段升溫目的在于使酶在不同溫度下發揮相應的作用[9]。

1.2.2.3 碘檢

為檢驗糖化是否完全，采取碘檢的方式來驗證[10]。分別稱取分析純碘單質1.27 g和分析純碘化鉀2.50 g用蒸餾水配置成0.02 mol/L的碘液，取少許糖化醪，滴2滴碘液，發現溶液未變色，則判斷糖化完全。

1.2.2.4 過濾

糖化結束，冷卻至室溫后，使用120目的紗布除去麥糟，使麥芽汁無大塊顆粒。酒花添加結束后使用回旋沉淀槽除去熱凝固蛋白和酒花殘留物。發酵結束后用離心（4 000 r/min，20 min）的方法除酵母，使啤酒基本達到澄清的狀態。

1.2.2.5 酒花添加

以麥芽汁質量的0.05%分3次添加酒花。第1次添加酒花的時間是煮沸后5 min，添加酒花質量的10%；第2次添加酒花的時間是煮沸后40 min，添加酒花質量的30%；第3次添加酒花的時間是煮沸結束前5 min，添加酒花質量的60%。

1.2.2.6 酵母復水活化

將煮沸后的麥汁加入等量的無菌冷開水迅速冷卻至30～32℃得到活化麥汁，然后加入活化麥汁重量的10%的干酵母活化30 min。在活化的過程中會明顯的看到液體變渾濁，同時酵母由干癟變得飽滿[11]。

1.2.2.7 殺菌

將發酵容器通過煮沸方式殺死大部分雜菌。在啤酒的生產過程中，雜菌可存在于各種盛裝容器，它們的污染繁殖可產生與酵母代謝產物不同的物質而改變啤酒的風味。為保證優質啤酒的生產和控制啤酒的生物穩定性，殺菌的過程不可忽視[12-13]。

1.3 試驗設計

以感官評價為綜合評價指標，分別研究料水比（1∶3.5，1∶4，1∶4.5，1∶5和1∶5.5（g/mL））、薏麥比（0.1∶1，0.15∶1，0.2∶1，0.25∶1和0.3∶1（g/g））、發酵溫度（6，8，10，12和14℃）對薏米啤酒最后風味的影響。

1.4 感官評定標準及理化評價方法

1.4.1 感官評定標準

表1 薏米啤酒感官評定標準

1.4.2 還原糖的測定

還原糖的測定采用斐林試劑法[14]。

1.4.3 酒精度的檢測

酒精度的檢測采用密度瓶法[15]。

1.4.4 透明度的檢測

采用分光光度計法測定，用10 mm比色杯在660 nm下測定透明度。

1.5 數據統計分析

試驗所得數據用SPSS 20.0和Design-Expert 8.0.6軟件處理。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果及分析

2.1.1 料水比對麥汁相對含糖量的影響

料水比的高低將影響糖化的質量。料水比過高，容器內過多的物料會影響試驗操作，同時含糖量過高的麥汁會對發酵產生阻礙作用[16]。料水比過低，經糖化產生的可發酵糖含量將會降低，不利于酵母發酵作用[17]。為選取最佳料水比作為試驗水平，在薏米和大麥芽的質量比為0.2∶1（g/g）的條件下，對一定范圍內料水比與相對含糖量之間的關系做驗證。

在薏麥比相同的條件下，如圖2所示，選取料水比為1∶4，1∶4.5和1∶5（g/mL）為響應面分析試驗水平。

2.1.2 薏麥比對麥汁含糖量的影響

薏米啤酒最顯著的特點是啤酒中含有薏米的特殊味道。在預試驗中發現，薏麥比在0.1∶1（g/g）以上所糖化出的麥芽汁有明顯的薏米味。當比例達到0.3∶1（g/g）以上就會出現碘檢不正常現象，初步判定麥芽汁含糖量與主輔料之比有直接關系。為了驗證這一猜想，在料水比為1∶4（g/mL）的條件下，分別以如上薏麥比進行糖化，通過測定含糖量，選擇合適的薏麥比。

圖3示表明，當薏麥比在0.1∶1～0.25∶1（g/g）時，麥汁含糖量隨薏麥比的增加而減少。麥芽汁糖化酶大都來自麥芽，因此隨著麥芽含量的降低，糖化所需要的酶就會減少，相應產物的含量也會減少。但在薏麥比達到0.25∶1（g/g）之后，含糖量有上升的趨勢，與之前二者呈相關性的假設不符。但為了降低輔料成本以及使輔料的利用得到最大化，經綜合考慮還是選取了0.2∶1，0.25∶1和0.3∶1（g/g）做響應面分析試驗水平。

圖2 不同料水比對相對含糖量的影響

圖3 不同薏麥比對含糖量的影響

2.1.3 發酵溫度對酒精度的影響

料水比為1∶4（g/mL），薏麥比為0.3∶1（g/g），發酵時間為7 d，分別以6，8，10，12和14℃溫度進行發酵，通過檢測酒精產量來確定最佳發酵溫度。

圖4顯然，當發酵溫度為6～10℃時，酒精度隨發酵溫度的升高而升高；當溫度為10℃時，酒精度達到峰值。繼續升高發酵溫度，酒精的產量在下降。這是因為在發酵的過程中，溫度影響酵母的活性。在一定范圍內升高發酵溫度可提高酒精產量，但溫度增加過多會抑制酵母發揮作用[18]。因此，選擇發酵溫度8，10和12℃為響應面分析試驗水平。

2.1.4 響應面優化工藝參數設計

由單因素試驗確定了影響薏米啤酒口感的最佳水平范圍，采用Box-Behnken試驗設計，運用Design- Expert 8.0.6軟件，建立三因素三水平的模型，通過分析其數學回歸模型，得到制作薏米啤酒的最佳配方，其因素與水平設計見表2，其中以-1、0、1分別為自變量的低、中、高水平。

圖4 不同發酵溫度對酒精度的影響

表2 試驗因素及水平

2.2 響應面法薏米啤酒工藝結果

采用Box-Behnken設計以上三因素三水平的響應面試驗，對試驗結果進行建模分析，以確定制作薏米啤酒的最佳工藝參數。通過此軟件，共設計了17組試驗，所得結果如表3所示。

表3 響應面試驗設計與結果

2.3 回歸模型的建立和方差分析

根據表3所示17組試驗數據，得到三個因素料水比（A）、薏麥比（B）、發酵溫度（C）關于感官評價得分（Y）的二次多項回歸方程，如下：

對此回歸方程進行更深層的分析，得到方差分析結果，見表4。

由表4中的顯著性結果可知，首先這個模型是極顯著的p=0.000 2（p＜0.01），并且它的失擬項p= 0.967 1（p＞0.05）不顯著，則這個模型可以切實可行的用這個方程來分析，其幾乎不受未知的因素干擾，該建模成功。其次，此模型的模擬相關系數為R2=0.965 9，遠大于0.9并且接近于1，說明該模型具有良好的預測性，其實際值和預測值擬合性較高，相關的方程式有較高的參考價值。再者，變異系數（CV= 0.91%）較小小于1%，表示數據的離散程度較小，此工藝比較穩定，重現性佳。最后，信噪比為13.079較高，因為一般來說，信噪比大于4的模型就是較好的模型了，進一步說明這個模型具有很高的可信度。

F值越大，說明各因素對薏米啤酒最后的感官評分影響也越大，即各因素的F值反映了其對試驗指標的重要性。由表4可知，一次項B、C的p＜0.01，達到極顯著的影響水平，然而A的p＞0.05，其對最后感官評價的影響為不顯著，說明料水比（A）對感官評價評分無顯著影響，而薏麥比（B）和發酵溫度（C）對感官評價評分有顯著的影響。交互項AB的p＜0.01，AC、BC＞0.05，二次項A2、B2、C2的p＜0.05，所以在此水平范圍內，對結果影響的排序為：薏麥比（B）＞發酵溫度（C）＞料水比（A）。

表4 回歸模型方差分析表

2.4 交互項圖形分析及工藝優化

等高線圖和響應面圖能對響應值有一個直觀而形象的反映。通過等高線的密集程度和形狀能判斷出兩因素交互效應的強弱，圖中若為橢圓形則兩因素交互顯著，若接近圓形說明兩因素交互作用不顯著；同時，響應面的坡度陡峭程度，也能反映各因素對響應值的貢獻大小。（圖中所示料水比0.25即1∶4，0.23即1∶4.5，0.2即1∶5，以此類推。）

圖5展示了不同因素交互作用對最后感官評價得分的等高線和響應面。從圖5a可知，固定發酵溫度（C），而料水比（A）、薏麥比（B）交互作用顯著，因為其坡度陡峭，最后的感官得分隨著料水比與薏麥比的增加而緩慢增加而后下降的變化趨勢；從圖5b可知，固定薏麥比（B），而料水比（A）、發酵溫度（C）交互作用不顯著，感官得分呈現略微上升后趨于平穩的趨勢；同理，圖5c可知，固定料水比（A），而薏麥比（B）、發酵溫度（C）對最后的感官得分沒有較大的影響。

圖5 任意兩變量對感官評價得分影響的響應面與等高線圖

2.5 薏米啤酒最佳工藝參數確定

利用Design-Expert 8.0.6軟件對此模型的回歸方程求解，預測生產薏米啤酒的最佳工藝，當料水比（A）為0.21，即1∶4.76（g/mL），薏麥比（B）為0.2∶1（g/g），發酵溫度（C）為10.64℃時，最后的感官評價得分能達到91.8分。為證實預測的準確性，控制以上條件，并進行了3組平行試驗，經過嚴格的評判后取得感官評分的實際平均值，為92.6分，與預測值相比，誤差僅為0.87%，接近預測值，說明通過這個模型得到的最佳工藝參數具有參考價值并且可靠性高。

2.6 澄清及其結果

在給薏米啤酒感官評分中，很重要的一項就是評價其透明度，也就是啤酒的渾濁度。啤酒渾濁不僅會導致其外觀變得暗沉，不清亮，還會造成其穩定性下降，過濾困難等一系列問題，從而增加了生產成本[19]。因此選擇一種合適的麥汁澄清劑變得尤為重要。

在國際上，卡拉膠常用于啤酒的澄清，然而在國內并未完全的普及。并且卡拉膠具有凝沉作用完全、加快蛋白質沉淀、不影響啤酒的泡沫性能等特點[20]，而且與硅膠、單寧等澄清劑相比其的成本非常低，因此在本次試驗中選用卡拉膠作為麥汁澄清劑。

首先將卡拉膠與水以1∶10的比例混合，然后在麥汁煮沸前15 min內，將卡拉膠加入其中，其用量為每1 L的麥汁添加10～50 mg的卡拉膠。

具體的卡拉膠用量在10～50 mg/L之間，但是最佳的加入量是多少不能確定。利用“黃金分割優選法”不斷舍劣取優，逐步縮小試驗范圍，直至取得滿意的結果，可以用較少的試驗次數迅速找到最佳點。

因為卡拉膠添加量的含優區間是[10, 50]，在[10, 50]的0.618處取值，即第一試驗點為：

P1=（50-10）×0.618+10=34.72 mg/L第二試驗點為：

P2=50+10-34.72=25.28 mg/L

測得感官評價得分（透明度）P1低于P2，則舍去不包括P1點以外的部分，在留下部分找出P2的對稱點P3，即第三試驗點為：

測得感官評價得分（透明度）P3低于P2，則舍去不包括P3點以外的部分，在留下部分找出P2的對稱點P4，即第四試驗點為：

測得感官評價得分（透明度）P2低于P4，則舍去不包括P2點以外的部分，在留下部分找出P4的對稱點P5即第五試驗點為：

測得感官評價得分（透明度）P4低于P5，則舍去不包括P4點以外的部分，在留下部分找出P5的對稱點P6即第六試驗點為：

測得感官評價得分（透明度）P6低于P5，則舍去不包括P6點以外的部分，在留下部分找出P5的對稱點P即第七試驗點為：

測得感官評價得分（透明度）P7高于P6，但仍低于P5，則可以確定P5時卡拉膠的最佳添加量，為31.12 mg/L。

圖6 卡拉膠添加量對薏米啤酒透明度的影響

3 結論

在單因素試驗的基礎上用響應面法對薏米啤酒的工藝參數進行了優化，影響薏米啤酒感官評分的工藝因素按主次順序排列為薏麥比＞發酵溫度＞料水比。最終確定了其最優工藝條件為：料水比1∶4.76（g/mL）、薏麥比0.2∶1（g/g）及發酵溫度10.64℃。此條件下薏米啤酒感官評分為91.8分。利用黃金分割法，確定在每升麥汁中加入31.12 mg的卡拉膠能夠達到最佳的澄清效果。