响应面法优化马铃薯黄酒发酵条件

响应面法优化马铃薯黄酒发酵条件

0马铃薯酿酒原料黄酒在中国有着悠久的历史。这不仅是中国的特产，也是世界上最古老的饮料之一。传统生产黄酒所用原料以糯米为主,添加的辅料也是粮谷类原料。本研究突破了黄酒酿造原料均为粮谷类原料的传统,以新鲜马铃薯为辅料酿造黄酒,为黄酒酿造开辟了一条新的途径,同时也为马铃薯的深加工提供了一个新的方向。马铃薯是中国的高产作物之一,同时也是十大热门营养健康食品之一。中国马铃薯的栽种面积和产量均居世界第一位,具有马铃薯深加工的原料优势。马铃薯含有高质量的蛋白质和高含量的游离氨基酸,利用马铃薯为辅料酿造黄酒可以提高黄酒中氨基酸的含量并增加黄酒的营养价值。此外,马铃薯与黄酒酿造主要原料糯米相比,其价格低廉,产量高,而且本研究采用新鲜马铃薯为辅料,省去了浸米环节,可节约大量生产用水和时间,而且马铃薯蒸煮时间较短,可节约能源消耗,可以降低黄酒生产成本。目前,对黄酒新原料的研究主要集中在粮谷类原料,如:籼米、玉米、黍米等。以马铃薯为辅料酿造黄酒的研究还未见报道,仅仅有马铃薯发酵生产啤酒的报道。本文首次结合黄酒酿造的传统工艺和现代工艺,利用活性干酵母,采用两次喂饭法,以新鲜马铃薯为辅料进行黄酒酿造的研究。用马铃薯为辅料酿造黄酒的方法未见报道,传统黄酒的发酵条件也不完全实用于以马铃薯为辅料的黄酒的酿造,本文采用响应面方法对影响黄酒发酵的主要因素进行优化,确定其最佳发酵条件,为利用马铃薯作为辅料酿造黄酒的研究提供试验依据。1材料和方法1.1材料和测试指标1.1.1活性干酵母、麦曲马铃薯:克农4号;糯米:江苏产圆糯米;活性干酵母:安琪牌黄酒酵母;麦曲:浙江东风绍兴酒业有限公司馈赠;糖化酶:丹麦NOVO公司生产,酶活300U/mL。1.1.2水浴锅、酸度计LRH-250生化培养箱,上海一恒科技有限公司;比重式酒精计,浙江余姚黄家埠玻璃仪器厂;DK-80型电热恒温水浴锅,上海一恒科技有限公司;PHS-9V型酸度计,杭州华光无线电厂;835-50日立氨基酸分析仪,日本日立公司。1.1.3不同酸液质及添加量酒感官评分酒精度:蒸馏法;酸度:电位滴定法;pH值:酸度计法;氨基氮:甲醛滴定法;总糖:廉-爱农法;黄酒感官评定:按国家标准GB/T13662-2000,对黄酒的感官品质进行评定。氨基酸:835-50日立氨基酸分析仪分析。黄酒感官评分:按文献之方法,组成10人的感官评定小组对酒液色、香、味、体打分,色泽1-10分;香气1-25分;口味1-50分;风格1-15分,总分100分。1.2测试方法1.2.1降低马铃薯温度本试验采用新鲜马铃薯作为辅料。新鲜马铃薯洗净切成截面约为0.3cm×0.3cm的薯条,于常压下蒸煮10min,在洁净通风处摊开蒸煮好的马铃薯,使其温度降低到27℃左右。1.2.2酵母、麦曲、糖化酶的制备本试验采用两次喂饭法进行黄酒酿造,总量400g,其中糯米200g,新鲜马铃薯200g(按淀粉比马铃薯占16.7%,糯米占83.3%)。取200g糯米,进行浸泡、蒸煮冷却后,拌入活化酵母(10倍于酵母量的2%葡萄糖溶液,34℃活化20min)、麦曲和糖化酶的水中,放人恒温培养箱28℃恒温发酵。24h第一次喂饭,48h第二次喂饭,第一次喂饭加入40%马铃薯(80g),第二次喂饭加入60%马铃薯(120g),同时按比例加入酵母、麦曲、糖化酶。在发酵进行到15h左右进行第一次开耙,36h左右进行第二次开耙,65h左右进行第三次开耙,80h左右进行第四次开耙,以便排除二氧化碳和其他杂气,同时通入新鲜的空气利于酵母的生长繁殖。主发酵(120h)结束后,密闭于15℃恒温培养箱中进行后发酵,当酒精含量基本稳定,酒醅沉静为后发酵结束,历时约为16～20d。1.2.3主发酵过程中影响马铃薯酒精度和酸度的主要因素的确定整个试验分3个阶段进行。首先,首先通过单因素试验,以主发酵结束时的酒精度为指标,确定以马铃薯为辅料的黄酒主发酵的基本条件;然后,用L8(26)正交试验确定主发酵过程中影响酒精度和酸度的主要因素;最后,通过中心组合试验,以感官评分为响应值,拟合正交试验中最优点附近的响应模型,并分析优化得出最佳发酵条件。1.2.4数据统计分析每个处理进行三次重复,取其平均值进行分析。试验数据用DPS数据分析软件和SAS6.12统计软件进行极差、方差与回归分析,并拟合出统计模型。2结果与分析2.1原料添加量对酒精发酵的影响根据黄酒酿制的要求,黄酒在120h的主发酵结束后,酒精度要求达到14.0%以上,因此首先要确定主发酵的条件。本试验通过单因素试验研究了主发酵过程中各因素水平对酒精度的影响。酵母最适宜的生长温度是28～32℃。由于在发酵过程中发酵醪的温度会略有上升,因此,试验选择主发酵温度为28℃。试验采用黄酒活性干酵母做为黄酒发酵的酒母,在麦曲添加量为15.0%,料水比为1∶1,不添加糖化酶的条件下,研究酵母添加量在以马铃薯为辅料的黄酒主发酵过程中对酒精度的影响(见图1)。结果表明,酵母用量为0.09%(原料量的0.09%,以下同)时酒精度最高,此时再增加酵母用量,则黄酒酒精度下降,因此选用0.09%为后续试验的酵母用量。在酵母添加量为0.09%,料水比为1∶1,不添加糖化酶的条件下,研究麦曲添加量在以马铃薯为辅料的黄酒主发酵过程中对酒精度的影响(见图2)。结果表明,当麦曲添加量为14.0%(原料量的14.0%,以下同)时酒精度最高,再增加麦曲添加量,酒精度则下降,因此选用14.0%为后续试验麦曲添加量。在酵母添加量为0.09%,麦曲添加量为14.0%,不添加糖化酶的条件下,研究不同料水比在以马铃薯为辅料的黄酒主发酵过程中对酒精度的影响(见图3)。结果表明,当料水比为1∶0.6时酒精度达到14.3%,符合黄酒主发酵结束后酒精度达到14.0%的要求,所以选料水比为1∶0.6为后续试验的料水比。在酵母添加量为0.09%,麦曲添加量为14.0%,料水比为1∶0.6的条件下,研究添加糖化酶对主发酵过程中酒精度的影响(见图4)。结果表明,当每100g原料添加425μL的糖化酶时,黄酒的酒精度达到15.0%,从结果可看出添加糖化酶可以提高黄酒的酒精度。从以上结果可知,加入糖化酶可以提高主发酵结束后酒液的酒精度,为了研究加入糖化酶后,降低料水比,主发酵结束后酒精度能否达到14.0%以上。以下试验采用1∶0.7和1∶0.8的料水比,当酵母添加量为0.09%,麦曲添加量为14.0%,每100g原料添加425μL的糖化酶,主发酵结束时,测定酒精度,结果见图5。结果表明,加入糖化酶后将料水从1∶0.6比降低到1∶0.7,酒精度也能达到14.2%,所以在后续试验中所采用的因素水平为:酵母添加量0.09%、麦曲添加量14.0%、每100克原料添加425μL的糖化酶、料水比为1∶0.7。2.2马铃薯辅料添加量对酒精发酵的影响根据上述单因素试验结果,设计了L8(26)正交试验,对以马铃薯为辅料的黄酒主发酵有影响的6个因素(酵母添加量、主发酵温度、麦曲添加量、料水比、糖化酶添加量、初始pH)进行研究,确定在以马铃薯为辅料的黄酒发酵过程中对酒精度和酸度影响显著的因素。按表1所示因素水平进行试验,结果见表2。当X1、X4、X5处于高水平X2、X3、X6处于低水平时酒精度有最高值,此时,以马铃薯为辅料的黄酒酒精度达到14.3%(v/v);当X3、X5、X6处于高水平,而X1、X2、X4处于低水平时有最低值12.0%(v/v)。对表2的酒精度进行极差分析,可发现X4对酒精度的影响最显著,其次是X3,再为X1,即料水比、麦曲添加量和酵母添加量对以马铃薯为辅料的黄酒酒精度影响比较显著;对表2的酸度进行极差分析,可知X3对酸度的影响最显著,其次是X4,再为X5和X1,即麦曲添加量、料水比、糖化酶添加量和酵母添加量对酸度的影响比较显著。因此,在以马铃薯为辅料的黄酒酿造过程中酵母添加量、麦曲添加量及料水比对以马铃薯为辅料的黄酒品质的好坏起关键性的作用。黄酒的感官品质是由色、香、味、体构成,影响黄酒色泽的主要因素是酿酒原料和麦曲。黄酒的芳香成分与原料、麦曲、酵母有密切的关系,酵母具有产酯能力,是酒中酯香的主要来源;每种曲都有其独特香气,这种香气在生产过程中转入酒中。黄酒呈味物质来源之一是原料及麦曲本身所特有的物质和酵母代谢产物在发酵过程中转入酒中。此外,黄酒中的挥发性香气和酯、醇、醛、酸等的产生与发酵过程中的微生物种类和数量有密切的关系,酒中的微生物主要是由酵母和麦曲产生,因此,麦曲和酵母在黄酒的发酵过程中对黄酒的感官品质有非常重要的影响,黄酒的感官品质是黄酒酿造中要考虑的一个重要因素,在后一步的优化中主要考虑黄酒的感官品质。综合考虑,选取X1、X3即酵母添加量和麦曲添加量为后续试验的试验因素。对表2结果进行分析可知当x1为0.10%、x3为13.0%时以马铃薯为辅料的黄酒酒精度有最高值。所以,在后续试验中取x1为0.10%、x3为13.0%,其他试验因素固定在中心水平,通过中心组合试验优化发酵条件后,以期能酿造出符合国家标准的以马铃薯为辅料的黄酒。2.3eg试验结果根据单因素试验和L8(26)正交试验结果,采用Box-Wilson设计方法,对X1和X3两因素进行响应面分析设计,以酒精度、酸度和感官品质为响应值设计中心组合试验,各编码值及试验设计和试验结果见表3和表4。从表4中可看出,在此条件下进行黄酒酿制,所有组合的酒精度和酸度都符合黄酒要求,对酒精度和酸度进行响应面回归分析,其图形为一个平台,因此,在此试验值范围内X1和X3的变化对酒精度和酸度已无显著影响,中心组合试验设计以感官品质为响应值进行响应面回归分析(RSREG)结果见表4和表5,表4试验结果显示,感官评分最大值出现在(0,0)处,最小值出现在(0,-1.414)。根据表4所示的试验结果绘出Y值随X1、X3变化的关系图(见图6)是一个开口向下的曲面图,说明在试验区域内有最大值。对表4的试验结果进行回归分析可得出二次多项式的拟合方程(1),依此模型可预测最大值是Y=89.5以及与之相对应的编码水平为X1=0.289和X3=0.336,其对应的实际值是x1=0.114%和x3=14.0%。模型的完备性可由方差分析及确定系数两方面考察,对表4的结果进行方差分析(表5)可以发现,该响应面回归模型在94%的概率水平上是显著的;(该响应面回归模型没有达到95%概率水平上显著,其主要原因可能是以下两方面:一是该分析指标采用的是感官评分值,由于感官评分存在个体差异导致评分过程中获得的数据存在较大差异;另一方面从模型在方差分析结果可以发现,导致总回归模型不是极显著的因子是两个因子的交互作用,其可能原因是麦曲和酵母中含有同种类型的酶,且它们对以马铃薯为辅料的黄酒的感官品质的影响是相同的,因而它们之间的交互作用不显著。因此,这两个方面在因素导致了该响应面回归模型没有达到95%概率水平上显著,而只是在94%概率水平上是显著的。)回归模型的平方项在96%的概率水平上是显著的,X1、X3之间的交互作用不显著;总确定系数是0.7195,说明该模型拟合性较好,能解释72%的试验结果。对试验数据进行多项式回归,可以得到二次多项式回归方程:Y=88.560+1.518X1+2.795X3-2.658X2112+1.375X1×X3-3.533X2332(1)2.4不同发酵条件下生马铃薯辅料添加量的测定为了验证试验结果是否与真实情况相一致,根据以上优化的发酵条件进行了验证实验。实验结果表明,在优化得到的发酵条件下酿造的以马铃薯为辅料的黄酒感官评分为88.9,与预测值仅相差0.6,非常接近预测值。其理化指标和感官指标都符合国家标准GB/T13662-2000(见表6、表7),且其游离氨基酸含量远高于粮谷类原料酿造的黄酒(见表8)。2.5采用甘薯作为原料的黄酒的质量分析2.5.1理化指标和感官评定在优化后的最佳发酵条件下酿造以马铃薯为辅料的黄酒,并测定了以马铃薯为辅料的黄酒的理化指标,同时进行了感官评定,试验结果见表6。其各项指标符合黄酒的国家标准,而且游离氨基氮含量优于传统黄酒,但唯一不足的是以马铃薯为辅料的黄酒的pH值略高于国家标准,其可能原因是马铃薯原料中含偏碱性成分较多,无疑导致pH值的升高。2.5.2以甘薯为原料的黄酒的感官评估以马铃薯为辅料的黄酒在处理完毕后,呈橙黄色,具有浓郁的香气,有典型的黄酒风格,由于氨基酸含量比较高所以酒的鲜味比较突出(表7)。2.5.3氨基酸含量黄酒以氨基酸丰富著称,它是黄酒中的营养物质,同时也是黄酒中重要的风味物质。普通黄酒氨基酸含量在2470.6～5930.7mg/L之间。表8结果表明,以马铃薯为辅料的黄酒中含有丰富的氨基酸,以马铃薯为辅料的黄酒不仅含有普通黄酒中所含的各种氨基酸,其游离氨基酸含量为7063.4mg/L,是普通黄酒游离氨基酸含量的1.2～2.5倍。3为辅料的酒精发酵综合以上试验结果及