響應面法優化杏酒發酵工藝

陳 雅，雷 靜，廉葦佳，韓 琛，吳 斌，阿依加馬麗·加帕爾

(新疆農業科學院吐魯番農業科學研究所，新疆吐魯番 838000)

0 引 言

【研究意義】杏(Armeniaca vulgaris Lam.)落葉喬木，屬薔薇科李亞科杏屬植物，原產于我國，已有3 500年的栽培歷史[1-2]。杏營養豐富，含大量碳水化合物、多種維生素、礦物質、類胡蘿卜素及水溶性多糖、揮發油、多酚物質等多種活性物質[3-6]。杏是新疆的主栽果樹之一[7]，2017年新疆杏種植面積11.1×104hm2，年產量93.3×104t；其中，吐魯番杏種植面積0.05×104hm2，年產量2.3×104t[8]。吐魯番以小白杏、梨光杏、毛杏為主。其中，毛杏皮薄，果肉細膩，糖酸適中，果香味濃郁。毛杏成熟期短，皮薄不易儲藏及運輸，除鮮食外，讓原產地加工成杏果產品提高其利用價值。【前人研究進展】杏果產品有杏脯、杏罐頭、杏干、杏果醋、杏酒、杏飲料等。目前，針對杏果酒開展了杏酒香氣成分、杏酒的護色、杏酒加工工藝、杏酒酵母的篩選及澄清工藝等研究。李春芳等[9]研究杏子經冷凍處理后釀造冰杏酒，得到最佳發酵條件為：發酵溫度18℃，糖度21%，酵母接種量0.08%，酸度7 g/L。劉昌蒙等[10]研究NaCl、EDTA、D-異抗壞血酸、檸檬酸、木瓜蛋白酶對杏酒褐變的抑制能力。得到抑制能力：檸檬酸>EDTA>木瓜蛋白酶。低溫條件下，檸檬酸0.3%、EDTA 0.4%、木瓜蛋白酶0.5%復合對杏果酒護色效果最佳。傅力等[11]采用氣相色譜-質譜聯用技術分析了賽買提、小白杏、北山、喬爾胖、圓旦杏和樹上干6種杏子果酒的香氣成分。杏品種的不同，杏酒中的香氣成分有所差異。杏汁初始糖度對杏酒的發酵速率及風味有一定的影響，初始糖度高，發酵的杏酒酒精度高，可以提高酒的口感，但是初始糖度過高，會影響酵母的代謝，影響酒的風味[16]。杏酒的pH值過高或過低都會影響酵母菌的活性[17]。【本研究切入點】杏酒能極大的保留杏的獨特果香味及營養成分且附加值高。現如今，杏酒的加工與產業化發展已成為杏資源利用的主要方向，其釀造工藝和品質優化是杏酒產品開發的關鍵點和難點[12]。針對毛杏發酵酒的工藝研究未見報道。研究吐魯番特色毛杏為原料，研究影響杏酒品質的關鍵發酵工藝參數。【擬解決的關鍵問題】以新疆毛杏為原料，通過單因素和響應面分析法，研究初始糖度、初始pH值、發酵溫度各自變量及其交互作用對杏酒品質的影響，并建立回歸模型，采用響應面分析法優化杏酒發酵工藝條件，為杏加工企業提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 材 料

材料：毛杏，采摘于吐魯番產業園區；白砂糖，新疆中唐糖業有限責任公司。

試劑：鹽酸、氫氧化鈉、葡萄糖、硫酸銅、酒石酸鉀鈉、鄰苯二甲酸氫鉀、乙醇，均為分析純；NaHCO3、檸檬酸，均為食品級；果膠酶，上海康禧食品飲業有限公司；焦亞硫酸鉀，ESSECO S.R.L.；釀酒高活干酵母(LALVIN EC-1118)，上海杰兔工貿有限公司。

儀器：FA/JA 系列電子天平，上海上平儀器有限公司；控溫發酵罐FJG-1、儲酒罐，吐魯番市耀揚金屬制品有限公司；制冷設備ICA-20L，上海康賽制冷設備有限公司；打漿機DJ-330，溫州市龍灣東霸食品機械廠。

1.2 方 法

1.2.1 工藝流程

1.2.2 操作要點

原料采收：選擇成熟度高，含糖量高，無腐爛、無病蟲害的新鮮毛杏。

破碎、打漿：毛杏用清水沖洗干凈，去核，將其破碎、打漿，加入一定比例的水。

加焦亞硫酸鉀：加入焦亞硫酸鉀(以SO2計20～30 g/L)，以去除杏中的雜菌，避免影響杏酒的口感和風味。

加果膠酶：加入30 g/L的果膠酶以提高毛杏的出汁率[13]，攪拌均勻，靜置2～3 h。

調節糖酸：用白砂糖調糖；用NaHCO3和檸檬酸調節酸度。

活化酵母：將水溫調至37～40℃，加糖調至糖度為4%，加入酵母進行活化。

發酵：將活化好的酵母加入到杏汁中進行控溫發酵。定期測定杏酒中酒精含量、總糖及總酸，至糖度酒精度基本穩定后停止發酵。

終止發酵：降溫至0～5℃，添加焦亞硫酸鉀(以SO2計20 g/L)終止發酵。

低溫澄清：將終止發酵后的杏酒在0～5℃下靜置10～15 d，使發酵液中的果肉、酵母等懸浮物沉降到罐底。

陳釀：抽取發酵罐中的杏酒上清液至儲酒罐，裝至滿罐，沖入氮氣，隔絕空氣，在0℃低溫條件下儲存不少于6個月。

澄清過濾：利用澄清劑進行澄清處理，使用硅藻土過濾機、板框過濾機過濾至酒體澄清透亮。

殺菌、灌裝：(68±2)℃滅菌3 min后灌裝。

1.2.3 單因素實驗

(1)調整初始糖度為24%、初始pH值為3.5、酵母接種量0.03%、發酵溫度18℃，研究杏水比(1∶0、1∶0.5、1∶1、1∶1.5、1∶2) 對杏酒品質的影響；

(2)調整杏水比1∶0.5，初始pH值為3.5、酵母接種量0.03%、發酵溫度18℃，研究初始糖度(18%、20%、22%、24%、26%) 對杏酒品質的影響；

(3)調整杏水比1∶0.5、初始糖度22%、酵母接種量0.03%、發酵溫度18℃，研究初始pH值(2.5、3.0、3.5、4.0、4.5)對杏酒品質的影響；

(4)調整杏水比1∶0.5、初始糖度為22%、初始pH值為3.5、發酵溫度18℃，研究酵母接種量(0.01%、0.02%、0.03%、0.04%、0.05%) 對杏酒品質的影響；

(5)調整杏水比1∶0.5、初始糖度為22%、初始pH值為3.5、酵母接種量0.04%，研究發酵溫度(14、18、22、26和30℃) 對杏酒品質的影響。

1.2.4 響應面實驗

在單因素實驗的基礎上，選取初始糖度(A)、初始pH值(B)、發酵溫度(C)3個因素進行響應面優化實驗，以感官評分作為響應指標，確定杏酒的最適發酵工藝條件。表1

表1 響應面分析因素與水平Table 1 Factors and levels used in response surface analysis

1.2.5 指標測定[14-15]

(1)酒精度：酒精計法；總糖：斐林試劑法；總酸：酸堿滴定法。

(2)杏酒感官質量評定標準

以色澤、澄清度、香氣、滋味、典型性5個方面為指標，對杏酒的感官質量進行綜合評價，滿分為100分。由10名品評人員組成品評小組，進行感官評定，去掉1個最高分和1個最低分后，取其平均分四舍五入取整數作為感官評分。表2

表2 杏酒感官評分標準Table 2 Sensory evaluation standards of apricot wine

2 結果與分析

2.1 不同杏水比對杏酒品質的影響

研究表明，隨著加水比例的不斷增加，發酵時間逐漸延長。杏水比為1∶0時，發酵時間為7 d，杏酒酒精度為10.2%，殘留的總糖含量最高為3.6%，總酸含量為5.7%；杏水比為1∶2時，酒精度達到11.7%，總糖含量為2.9%，總酸含量為3.2 g/L。杏汁濃度過低，會使杏酒的色澤不佳，果香味寡淡；濃度過高，會降低杏酒的清爽感，從而影響口感。當杏水比為1∶0.5時，杏酒的感官質量較好。選取最適杏水比為1∶0.5。表3

表3 不同杏水比對杏酒的影響Table 3 Effect of the ratio of apricot and water on apricot wine

2.2 初始糖度對杏酒品質的影響

研究表明，隨著初始糖度增加，發酵時間逐漸延長，酒精度、總糖含量均增加，杏酒發酵過程中由糖轉化成酒精，當初始糖度為18%時，沒有足夠的糖轉化成酒精，使酒精度較低為9.6%，發酵時間最短為5 d，杏酒中殘留的總糖含量為0.7%；當初始糖度為26%時，發酵時間較長為11 d，酒精度提高不明顯，總糖含量最高達4.4%，主要是過多的糖分增加了杏酒的滲透壓，抑制酵母菌的代謝活動。總酸含量隨著初始糖度的增加逐漸升高，當初始糖度為18%時，總酸含量最低，為3.4 g/L；當初始糖度為26%時，發酵周期延長，得到的杏酒總酸最高，為5.8 g/L。結合感官評分，初始糖度為18%時，感官評分最低為68分；初始糖度為22%時最高，為82分，且酒精度適宜為11.0%，糖酸比例適中，總糖含量2.2%，總酸含量4.9 g/L。選22%為杏酒的最適初始糖度。表4

表4 不同初始糖度下杏酒變化Table 4 Effect of initial sugar content on apricot wine

2.3 初始pH值對杏酒品質的影響

研究表明，當初始pH值為2.5時，酸度過高，影響酵母活性，抑制發酵過程，使杏酒發酵周期明顯延長，且酒精度較低為6.7%，總酸含量較高為9.6%，口感過酸。當初始pH值為4.5時，易滋生雜菌，抑制酵母菌的代謝，使酒精度降低，為10.1%，酒體渾濁，風味不佳。當初始pH值為3.5時，發酵周期適中，無雜菌生成，酒精含量較高，殘留的總糖含量較低，此時酒體較飽滿，感官質量最佳。初始pH值3.5最適杏酒發酵。表5

表5 不同初始pH值下杏酒變化Table 5 Effect of initial pH value on apricot wine

2.4 酵母接種量對杏酒品質的影響

研究表明，酵母接種量為0.01%時，發酵時間為11 d；當酵母接種量0.05%時，發酵時間為8 d。酒精度隨接種量的增加逐漸增加后趨于平衡，當酵母接種量為0.01%時，酵母菌過少，導致酵母菌生長代謝緩慢，酒精發酵速度緩慢，酒精度較低為8.6%；當酵母接種量為0.05%時，接種量多，酵母菌生長速度加快，并且產生的代謝產物破壞酵母菌生存環境，不利于酒精的產生，此時的酒精度為11.1%。總糖含量隨著酵母接種量的增加先下降，酵母接種量在0.01%～0.03%時，總糖含量從6.3%下降到1.7%。當酵母接種量為0.03%～0.05%時，總糖含量變化不大，在1.4%～1.9%；總酸含量波動不大，酵母接種量對總酸含量的影響不明顯。酵母接種量在0.03%和0.04%時，發酵時間、酒精度、總糖量和總酸量相差不大，結合感官評分，選取了感官評分較高的0.04%作為最適酵母接種量。表6

表6 不同酵母接種量下杏酒變化Table 6 Effect of yeast inoculum on apricot wine

2.5 發酵溫度對杏酒品質的影響

研究表明，發酵速率隨著發酵溫度的增加而增加，發酵溫度為14℃時，發酵溫度太低，使發酵速率緩慢，發酵時間過長，為12 d；發酵溫度為 30℃時，發酵溫度過高，使發酵速率過快，發酵時間變短，為5 d。酒精度隨發酵溫度的上升先升高后下降，總糖含量先下降后升高。當發酵溫度為14℃時，發酵溫度過低，酵母生長緩慢，酒精度為7.5%，總糖含量為8.3%；發酵溫度為30℃時，發酵溫度過高，酵母菌增殖加快，菌體過早進入衰亡期，不利于糖轉化為酒精，導致后發酵不足，此時酒精度為9.5%，總糖含量為4.7%。隨著發酵溫度的升高，酵母菌活力提升、生長繁殖速度加快，產酸能力增強，導致總酸含量隨之升高，從4.0 g/L升高到7.2 g/L。當發酵溫度為18℃時，發酵時間適中9 d；酒精度為11.3%，總糖含量1.4%，總酸4.3 g/L，釀出的杏酒有濃濃杏子果香味，酒香濃郁，酸甜協調，酒體豐滿，感官評分最高，為88分。選取18℃作為杏酒的最適發酵溫度。表7

表7 不同發酵溫度下杏酒品質變化Table 7 Effect of fermentation temperature on apricot wine

2.6 響應面實驗

各因素對杏酒的感官評分的影響大小順序為：初始pH值﹥發酵溫度﹥初始糖度﹥酵母接種量﹥杏水比，因此，選取了顯著性較高的初始pH值、發酵溫度、初始糖度3個因素進行響應面實驗。表8

2.6.1 響應面實驗結果及方差

研究表明，得到感官評分(Y)與初始糖度(A)、初始pH值(B)、發酵溫度(C)的回歸方程：

Y=89.40+3.00A+2.88B+1.63C+1.75AB-1.25AC-1.00BC-2.95A2-8.70B2-4.70C2

研究表明，此模型P值為< 0.000 1，極顯著(P﹤0.05)，實驗方法是可靠的。失擬項P值為0.258 2>0.05，表現為不顯著，回歸方程擬合度和可信度均較好，實驗誤差小。模型中A、B、C的P值<0.05表現為顯著，說明初始糖度、初始pH值、發酵溫度對杏酒感官品質的影響顯著，各因素影響感官評分順序為初始糖度>初始pH值>發酵溫度。 A2、B2、C2的P值均小于0.05，說明A2、B2、C2對杏酒感官品質均有顯著影響。交互項AB的P值小于0.05，說明AB對杏酒感官品質有顯著影響。交互項AC、BC的P值均大于0.05，說明AC、BC對杏酒感官品質的影響不顯著。復相關系數R2=0.981 1，模型擬合度高，很好反映了初始糖度、初始pH值、發酵溫度對杏酒感官品質之間的關系，用于模型實驗結果可靠。表8，表9

表8 響應面實驗設計及結果Table 8 Response surface test design and results

2.6.2 響應面分析

研究表明，初始糖度與初始pH值等高線圖呈橢圓形，說明初始糖度與初始pH值對杏酒的感官評分交互作用顯著，隨著初始糖度與初始pH值的增加，杏酒感官評分逐漸增加，當2個因素增加到一定程度，杏酒感官評分又逐漸降低，說明過高或過低的初始pH值與初始糖度都會影響杏酒的品質。

初始糖度與發酵溫度等高線圖呈圓形，說明初始糖度和發酵溫度對杏酒的感官評分的交互效應不顯著。由圖1b響應面圖可以看出，初始糖度相比于發酵溫度的曲面較陡峭，說明2因素交互作用時，初始糖度比發酵溫度對杏酒的感官評分的影響較大。隨著初始糖度與發酵溫度的增加，杏酒感官評分逐漸增加，但當2個因素增加到一定程度，杏酒感官評分又逐漸降低，說明過高或過低的初始糖度與發酵溫度都會影響杏酒的品質。

響應面曲面上有極大值，說明所選初始pH值與發酵溫度因素水平合理。初始pH值與發酵溫度等高線圖呈圓形，初始pH值與發酵溫度對杏酒感官評分的交互作用不顯著。初始pH值相比于發酵溫度的曲面較陡峭，初始pH值比發酵溫度對杏酒的感官評分的影響較大。隨著初始pH值與發酵溫度的增加，杏酒感官評分逐漸增加，但當2個因素增加到一定程度，杏酒感官評分又逐漸降低，過高或過低的初始pH值與發酵溫度都會影響杏酒的品質。圖1

圖1 各因素交互作用對杏酒品質影響的等高線和響應曲面Fig.1 Response surface and contour plots showing the effects of Initial sugar content,Initial pH value and Fermentation temperature on Apricot wine

2.6.3 驗證實驗

研究表明，得到最適發酵工藝條件為：初始糖度22.56%，初始pH值3.57，發酵溫度18.15℃。在此條件下，杏酒感官評分的最大理論值為90.608 4分。為了驗證模型預測的準確性，按照上述條件進行發酵驗證實驗。將杏酒的發酵工藝條件調整為：初始糖度22.5%，初始pH值3.6，發酵溫度18℃。經過3組重復實驗，實際測得杏酒感官評分的平均值為90.3，實驗結果與模型結果基本一致，所得模型能較準確地預測實際發酵情況。

3 討 論

原料是保證果酒產品質量的重要因素之一，它將直接影響果酒釀造后的感官特性。選擇毛杏作為釀造杏酒的原料，因為毛杏皮薄，果肉細膩，糖度高，酸度低，果香味濃郁，釀制成杏果酒可以保留杏獨特的果香味及營養成分，且毛杏含有多酚物質和抗氧化活性[19]，具有防癌、清除自由基等功效。毛杏成熟和采收期集中于高溫季節，采后生理代謝旺盛，貯運銷售環節存在易軟化、褐變、腐爛等問題，導致杏果的商品價值降低[20]，將其加工成杏酒是實現其較高經濟價值的途徑之一。

杏酒在發酵過程受到杏品種、酵母種類、酵母接種量、發酵時間、發酵溫度、初始糖度、初始pH值等多種因素的影響[21]，這些因素直接或間接的影響杏酒的色澤、香氣、口感等感官品質。實驗在前期研究中，對杏水比、初始糖度、初始pH值、酵母接種量、發酵溫度進行單因素考察，后篩選出初始糖度、初始pH值、發酵溫度對杏酒感官品質影響較大的3個因素進行響應面實驗設計。馬榮山等[22]以大扁杏為原料，采用正交實驗探究杏酒發酵工藝，得到最優發酵條件為：發酵溫度24℃，初始糖度22°Bx，酵母接種量8%，初始pH值4.0。與實驗的研究結果不一致，分析主要原因是選擇的杏品種以及接種的酵母菌種類不同，使研究結果有所不同。傅力等[23]以新疆賽買提杏為原料，使用正交實驗得到最佳發酵條件為：發酵方式澄清杏汁、杏水比1∶0.4，初始pH值4.0，初始含糖量380 g/L，發酵溫度20℃，接種量1%，SO2添加量80 mg/L。與實驗的研究結果不一致，分析主要原因是實驗采用杏漿發酵，而傅力選擇清汁發酵使實驗結果有所差異。

4 結 論

通過杏酒感官評分(Y)與初始糖度(A)、初始pH值(B)、發酵溫度(C)的關系建立響應面回歸方程：Y=89.40+3.00A+2.88B+1.63C+1.75AB-1.25AC-1.00BC-2.95A2-8.70B2-4.70C2，得到最適杏酒發酵工藝條件：初始糖度22.5%，初始pH值3.6，發酵溫度18℃。在此條件下，杏酒感官評分的最大理論值為90.608 4分，實際測得杏酒感官評分的平均分為90.3，該回歸模型具有較好的預測性能，可用于指導生產實踐。