響應(yīng)曲面法分析小麥啤酒糖化工藝參數(shù)對麥汁收得率的影響

陳善峰，李慧敏，李宏軍，王玉露

（山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255091）

我國啤酒工業(yè)發(fā)展很快，近年來，啤酒生產(chǎn)的原、輔料價格大幅度增加，啤酒企業(yè)的成本壓力增加。目前國內(nèi)外企業(yè)采用添加輔料制取啤酒的方式來控制生產(chǎn)成本，常見的輔料種類有玉米淀粉、大米和糖漿等，其應(yīng)用相對廣泛。徐穎等研究大米和玉米擠壓后作啤酒輔料的可行性，取得良好的效果[1－4]。為進(jìn)一步拓寬原料范圍，劉曄等研究了小麥作啤酒輔料的可行性[5－7]，使用適當(dāng)小麥為作輔料制成的啤酒，泡沫好，口感也不錯。但釀造高輔料啤酒時，因?yàn)槠浜邪肜w維素和高黏度的β－葡聚糖，所以制成的麥汁黏度高，容易造成麥汁和啤酒過濾困難，影響最終麥汁收得率。

本文采用小麥芽作輔料，解決小麥輔料釀造啤酒過程中存在的問題。由于小麥芽中淀粉酶的活力比小麥中的淀粉酶活力增加30%～40%[8]，使得淀粉糖化更為完全，并提高β－葡聚糖的分解率，從而使麥汁收得率達(dá)到較高水平。糖化工藝中影響麥汁收得率的因素很多，在總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，本試驗(yàn)選用水料比、小麥芽比例、52℃保溫時間和65℃保溫時間作為影響因素，考察其對麥汁收得率的影響規(guī)律，用SAS軟件對參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，建立了糖化工藝參數(shù)對麥汁收得率影響的數(shù)學(xué)模型，得到小麥芽制取麥汁的較優(yōu)糖化工藝條件，本研究可對企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

大麥芽：澳大利亞斯庫納麥芽，含水率6.8%（青島啤酒濰坊有限公司）。小麥芽：國產(chǎn)金星小麥芽，含水率7.5%（山東省萊蕪市麥芽廠）。

1.2 分析方法

麥汁收得率：比重瓶法[9]。

1.3 試驗(yàn)安排和數(shù)據(jù)

在500 mL三角瓶內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，總投料量固定在50 g。在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上確定試驗(yàn)因素及零水平：小麥芽比例40%，水料比4.0，52℃保溫時間30 min和65℃保溫時間70 min，試驗(yàn)因素分別記為：X1、X2、X3和X4；以麥汁收得率為考察目標(biāo)，記為Y，采用五因素五水平1/2實(shí)施正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，采用四因素五水平的響應(yīng)曲面分析方法尋求最佳糖化參數(shù)[10－11]，試驗(yàn)因素水平及編碼見表1。

2 結(jié)果與討論

2.1 響應(yīng)曲面分析方案及結(jié)果

試驗(yàn)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表1 因素與水平及編碼Table 1 Factors and levels of independent variables

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Experinent design and results

續(xù)表

利用SAS9.0軟件對小麥芽比例、水料比、52℃保溫時間和65℃保溫時間等糖化工藝參數(shù)對小麥啤酒麥汁收得率的影響規(guī)律進(jìn)行分析，以麥汁收得率為響應(yīng)值（Y），對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，并采用回歸方差分析對回歸分析結(jié)果進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果見表3。

表3 回歸方程系數(shù)顯著性檢驗(yàn)Table 3 Significance test for the regression equation coefficient

從表3回歸方程顯著性檢驗(yàn)可知：模型一次項(xiàng)中只有X1（P＜0.0001）達(dá)到極顯著水平，其它不顯著，二次項(xiàng)中X12（P＜0.0001）和X22（P=0.0014＜0.01）達(dá)到極顯著水平，X32（P=0.0122＜0.05）達(dá)到較顯著水平，X42（P=0.7688）不顯著；交互項(xiàng)中 X3X1（P=0.0394＜0.025）和 X2X3（P=0.0094＜0.05）達(dá)到較顯著水平，其余不顯著。回歸模型的方差分析見表4，結(jié)果表明，此回歸模型的決定系數(shù)R2為0.9283，響應(yīng)面回歸模型達(dá)到高度顯著水平（P＜0.0001）。

對表3中數(shù)據(jù)用Design Expert分析軟件進(jìn)行二次多元回歸擬合，二次回歸方程的響應(yīng)面見圖1～6。

圖1 小麥芽比例和水料比的響應(yīng)面Fig.1 Response surface plots of the wheat malt content and the ratio of water to material

圖2 52℃保溫時間和小麥芽比例的響應(yīng)面Fig.2 Response surface plots of saccharifaction time at 52℃and the wheat malt content

圖3 65℃保溫時間和小麥芽比例的響應(yīng)面Fig.3 Response surface plots of saccharifaction time at 65℃and the wheat malt content

圖4 52℃保溫時間和水料比的響應(yīng)面Fig.4 Response surface plots of saccharifaction time at 52℃and the ratio of water to material

圖5 65℃保溫時間和水料比的響應(yīng)面Fig.5 Response surface plots of saccharifaction time at 65℃and the ratio of water to material

圖6 52℃和65℃保溫時間的響應(yīng)面Fig.6 Response surface plots of saccharifaction time at 65℃and saccharifaction time at 52℃

圖1為糖化工藝參數(shù)52℃和65℃保溫時間保持在零水平時，小麥芽比例和水料比對麥汁浸出物收得率影響的響應(yīng)面圖。可見，對于考察目標(biāo)麥汁浸出物收得率，若水料比不變，小麥芽比例小于40%時收得率與小麥芽比例正相關(guān)，小麥芽比例大于40%時收得率與小麥芽比例負(fù)相關(guān)，在40%處達(dá)到最大值。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是，小麥芽淀粉含量高于大麥芽，在一定范圍內(nèi)，隨著輔料含量的增加，物料中淀粉含量增加，在糖化完全的前提下，收得率提高；由于小麥芽中所含淀粉酶活力小于大麥芽，當(dāng)?shù)矸酆窟^大時，淀粉酶濃度降低，不能使淀粉糖化完全，收得率降低；當(dāng)小麥芽比例保持固定時，麥汁收得率與水料比呈正相關(guān)，但水料比到達(dá)一定程度后，收得率增幅減緩。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是隨著水料比的增大，淀粉酶活動能力增強(qiáng)，酶促反應(yīng)明顯，淀粉水解較徹底，收得率增加；當(dāng)水料過大時，由于淀粉含量固定，底物濃度降低，麥汁收得率保持在相對固定的水平。

圖2為糖化工藝參數(shù)65℃保溫時間和水料比保持在零水平時，小麥芽比例和52℃保溫時間對麥汁浸出物收得率影響的響應(yīng)面圖。當(dāng)輔料添加量（小麥芽比例）固定時，麥汁收得率與52℃保溫時間正相關(guān)，由于隨52℃保溫時間增加，蛋白質(zhì)降解徹底，盡管淀粉酶在此溫度下活性較低，但也能使淀粉降解，故麥汁浸出物收得率增加；當(dāng)52℃保溫時間固定時，小麥芽比例小于40%時收得率與其正相關(guān)，小麥芽比例大于40%時收得率與其負(fù)相關(guān)，在40%處達(dá)到最大值，其原因隨著輔料含量的增加，物料中淀粉含量增加，在糖化完全的前提下，收得率提高；但當(dāng)?shù)矸酆窟^大時，由于小麥芽中所含淀粉酶活力小于大麥芽，淀粉酶濃度反而降低，不能使淀粉糖化完全，收得率反而降低。

圖3為糖化工藝參數(shù)水料比和52℃保溫時間保持在零水平時，小麥芽比例和65℃保溫時間對麥汁浸出物收得率影響的響應(yīng)面圖。當(dāng)輔料添加量（小麥芽比例）固定時，收得率與52℃保溫時間正相關(guān)，因?yàn)?5℃是淀粉酶的最適溫度，在此條件下保溫時間的越長，糖化越充分，浸出物收得率也就越高；當(dāng)65℃保溫時間固定時，小麥芽比例小于40%時收得率與小麥芽比例正相關(guān)，小麥芽比例大于40%時收得率與小麥芽比例負(fù)相關(guān)，在40%處達(dá)到最大值，其原因前面已做分析，在此不再贅述。

圖4為糖化工藝參數(shù)65℃保溫時間和小麥芽比例保持在零水平時，水料比和52℃保溫時間對麥汁浸出物收得率影響的響應(yīng)面圖。當(dāng)把糖化工藝參數(shù)52℃保溫時間固定，收得率與水料比顯著正相關(guān)；當(dāng)水料比保持在零水平時，收得率與52℃保溫時間正相關(guān)；以上現(xiàn)象出現(xiàn)的原因，分別見圖2和圖1的相關(guān)分析，在此不再重復(fù)。

圖5為糖化工藝參數(shù)52℃保溫時間和小麥芽比例保持在零水平時，65℃保溫時間和水料比對麥汁浸出物收得率影響的響應(yīng)面圖。當(dāng)把糖化工藝參數(shù)65℃保溫時間固定，收得率與水料比顯著正相關(guān)；當(dāng)水料比保持在零水平時，收得率與65℃保溫時間正相關(guān)；以上現(xiàn)象出現(xiàn)的原因，分別見圖3和圖1的相關(guān)分析，在此不再重復(fù)。

圖6為糖化工藝參數(shù)水料比和小麥芽比例保持在零水平時，52℃和65℃保溫時間對麥汁浸出物收得率影響的響應(yīng)面圖。由圖可見，當(dāng)把其中一個保溫時間固定，收得率均與另一保溫時間正相關(guān)；收得率與保溫時間正相關(guān)的原因，分別見圖2、3的相關(guān)分析，在此不再重復(fù)。

2.2 最佳條件的確定

將表2數(shù)據(jù)用SAS軟件進(jìn)行嶺回歸處理，最優(yōu)工藝范圍見表5。將麥汁浸出物收得率作為考察指標(biāo)，經(jīng)嶺回歸分析得到最優(yōu)工藝參數(shù)范圍：水料比4.74～4.82（V/W），小麥芽比例40.0%～40.5%，65℃保溫時間72～73 min，52℃保溫時間35～36 min。

表4 回歸模型方差分析Table 4 Variance analysis for regression model

表5 嶺回歸尋優(yōu)分析結(jié)果Table 5 Result of ridge regression optimization analysis

2.3 驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

根據(jù)嶺回歸分析所得各因素的最優(yōu)范圍，進(jìn)行收得率驗(yàn)證試驗(yàn)，因素水平選擇及試驗(yàn)結(jié)果見表6。由表6可知，麥汁收得率符合回歸預(yù)測值，表明該試驗(yàn)因素選擇及方案設(shè)計(jì)合理，回歸模型可靠。

表6 收得率驗(yàn)證試驗(yàn)的試驗(yàn)安排與數(shù)據(jù)Table 6 Calidated and compared experiment arrangements andresults of the recoverable ratio of wort

3 結(jié)論

本試驗(yàn)將小麥芽作為輔料制取麥汁，通過四因素五水平（1/2實(shí)施）二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)，進(jìn)行糖化試驗(yàn)，獲得不同因素水平下的麥汁浸出物收得率數(shù)據(jù)，用SAS9.0軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到麥汁收得率的回歸模型，回歸模型達(dá)到高度顯著水平（P＜0.0001）；利用響應(yīng)面分析，得到二次方程交互作用圖，通過對響應(yīng)面圖形的分析，揭示了各因素對考察指標(biāo)影響的內(nèi)在原因；經(jīng)嶺回歸分析，得到各因素的最優(yōu)范圍，經(jīng)驗(yàn)證試驗(yàn)，表明該試驗(yàn)因素選擇及方案設(shè)計(jì)合理，回歸模型可靠。結(jié)論為：小麥芽作輔料制取麥汁是可行的；小麥芽作輔料制取麥汁的最優(yōu)糖化工藝參數(shù)為小麥芽比例40.0%、水料比4.8（W/V）、52℃保溫時間36.0 min、65℃保溫時間73 min。最優(yōu)糖化工藝參數(shù)下制取麥汁的收得率為69.05%。

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