二次通用旋轉組合設計優化釀造醬油工藝控制參數

低鹽固態發酵法生產醬油主要是以豆粕或黃豆和小麥麩皮為原料，經制曲、成曲、原料處理和發酵，再用鹽水淋油而制成醬油。醬油是人們日常生活中常用的調味品之一，而醬油中的氨基酸態氮含量是醬油的重要理化指標[1]，是影響醬油滋味及營養價值的重要因素。

在生產過程中，適當的豆粕潤水量、鹽水的添加溫度和發酵溫度，可以最大化提高原料中的蛋白質利用率及出油率，也會使頭油中的氨基酸態氮含量相對增加，提高醬油的風味與品質。本文通過調節不同的豆粕潤水量、鹽水添加溫度以及發酵溫度，然后經過發酵并進行淋油，以頭油中的氨基酸態氮含量為考察指標，進行數據分析處理進而得出回歸方程，并用Excel規劃求解方式得出最佳工藝參數組合。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

1.1.1 原料

豆粕，福建康宏股份有限公司；麩皮，安徽德鑫源食品有限公司公司；米曲霉，山東和眾康源生物科技有限公司。

1.1.2 設備

電、汽兩用快速蒸煮車、恒溫水浴鍋、自動電位滴定儀等。

1.2 試驗方法

1.2.1 原料處理

原料豆粕與麩皮（7∶3）混合后分別經過不同的潤水處理后，在0.02 MPa下蒸煮120 min，使蛋白質適度變性，淀粉糊化。

1.2.2 制曲、成曲

①制曲。醒曲→菌絲生產繁殖→孢子著生→成熟。②將成熟的米曲霉均勻拌入降溫至35 ℃的原料中，經過36 h制成成曲，期間12 h翻曲一次，再經8 h進行二次翻曲。

1.2.3 發酵、淋油

將成曲拌入不同溫度的鹽水，鹽水波美度為17°Be，然后在不同的發酵溫度下發酵24 d，發酵結束后，加入2倍的17 °Be鹽水浸泡24 h后抽取醬油，使用甲醛法測定醬油中的氨基酸態氮。

2 結果與分析

以頭油中的氨基酸態氮為考察指標，選取豆粕潤水量、添加鹽水溫度、發酵時間3個試驗因素，確定5個水平，選取試驗次數少，并能克服誤差干擾的二次通用旋轉組合設計安排試驗[2]。根據通用旋轉組合設計的試驗實施參數表，總試驗次數N為20，中心點試驗次數m0為6，星號點的試驗次數為6，全因子試驗的試驗次數mc為8（2P，P為因素個數），星號臂值r=1.682[3]。其中豆粕潤水量、添加鹽水溫度、發酵溫度3個因素的變化區間分別取值40%～50%；51～60 ℃；40～50 ℃，通過計算分別確定各水平取值。試驗因素水平編碼表如表1所示。

表1 試驗因素水平編碼表

根據表2的試驗數據，對選取的3個不同因素對氨基酸態氮含量的影響規律進行分析，響應值為y（氨基酸態氮含量mg/100 g），設計試驗的計算表如表3所示。通過計算回歸方程，并對回歸方程進行方差分析，以證明求得的回歸方程是否擬合真實試驗結果，最后運用Excel規劃求解，得出最佳工藝控制參數組合。

表2 二次通用旋轉組合設計試驗安排及結果表

表3 設計試驗的計算結果表

2.1 回歸方程的建立

相關回歸系數公式為

其中，K=0.166 3；-E=0.056 8；F=0.069 4；G=0.006 9；mc=8）[3]。

結合試驗計算結果表計算可得b0=1.203 8；b1=0.114 8；b2=-0.030 9；b3=0.004 7；b12=-0.021 2；b13=-0.016 3；b23=-0.061 3；b11=-0.027 0；b22=-0.064 1；b33=-0.065 9。

所以，相應回歸方程為

2.2 回歸方程的方差分析

由表4方差分析表及F檢驗結果可知，F1檢驗結果不顯著，說明失擬平方和基本是因為試驗誤差等偶然因素引起，不存在一些其他因素影響[4]；F2檢驗結果顯著，說明回歸方程與實際擬合情況較好，建立的方程模型是具有顯著意義，可以充分響應各參數對醬油中氨基酸態氮的影響。

表4 回歸方程的方差分析表

2.3 用規劃求解尋找最優工藝參數

先建立一個Excel工作表，然后在3個試驗因素的編碼范圍[-1.682,1.682]內，通過Excel規劃求解得出最佳工藝參數組合[5]。首先設置規劃求解參數，參數包括設置3個可變單元格和1個目標單元格（建立目標函數，即回歸方程），然后設置約束條件，把3個可變單元格取值范圍設置在[-1.682,1.682][6]，點擊規劃求解，得出最佳工藝參數組合為（即使氨基酸態氮含量達到理論最大值）x1=1.68，x2=-0.90，x3=-0.25（即豆粕潤水量50%，添加鹽水溫度53.1 ℃，發酵溫度44.3 ℃）時，氨基酸態氮含量是最高的，理論含量可達1.31 mg/100 g。

2.4 試驗結果驗證

在考慮到實際生產的可操作性情況下，將最優工藝參數組合條件定為豆粕潤水量50%，添加鹽水溫度53 ℃，發酵溫度44 ℃，在此工藝參數控制下驗證試驗結果。產出醬油氨基酸態氮含量達到1.24 mg/100 g，與理論最大值較為接近。

3 結論與討論

3.1 豆粕潤水量的影響

潤水的主要目是使原料中蛋白質含有適量的水分，以便在蒸料過程中適度變性，并使原料中的淀粉充分糊化，提供發酵所需的營養物質。潤水量是生產中的關鍵控制環節，適量的水分能加速米曲霉孢子的發芽，但潤水量不足，原料豆粕會發生吸水不完全的現象，導致蒸料時蛋白質變性不完全[7]。本文選擇潤水量的范圍為40%～50%，然后通過試驗優化出最佳潤水量。

3.2 鹽水添加溫度的影響

鹽水添加溫度的高低在實際生產中非常重要。溫度過高，醬醅溫度升溫會過快，使部分脂肪酶和谷氨酰胺酶失活[8]，醬油的鮮味會降低，并且會加速美拉德反應，影響醬油氨基酸態氮含量和醬油的風味和品質；溫度過低則會影響酶促反應，延長發酵的時間，從而影響生產效率。

3.3 發酵溫度的影響

發酵溫度是整個生產過程中最重要的控制參數。發酵溫度過低，會導致醬醅中蛋白質分解不徹底，原料的利用率降低，必然會影響發酵時間和醬油產出品質；發酵溫度過高，同樣會加速美拉德反應，使醬油色澤加深變黑，使氨基酸態氮、還原糖含量等物質的含量減少[9]。

本文采用二次通用旋轉組合設計試驗，以氨基酸態氮為響應值，得到了豆粕潤水量、鹽水添加溫度和發酵溫度3個試驗因素的二次回歸方程，通過方差分析，證明回歸方程模型與實際擬合較好。并通過Excel規劃求解得出最佳工藝參數組合為豆粕潤水量50%，添加鹽水溫度53.1 ℃，發酵溫度44.3 ℃。經過試驗驗證進一步證實了組合設計試驗方案的可靠性，并可為低鹽固態發酵法生產醬油提高氨基酸態氮含量提供技術支撐。