以還原糖含量為指標(biāo)的膨化小麥輔料麥汁糖化工藝優(yōu)化

杜菲+鄭慧+李宏軍

摘要：以水料比、膨化小麥比例、50℃蛋白質(zhì)休止時(shí)間、62℃糖化時(shí)間、70℃糖化時(shí)間為糖化工藝參數(shù)，以還原糖含量為主要考察指標(biāo)，通過對(duì)擠壓蒸煮小麥輔料釀造啤酒的糖化工藝進(jìn)行響應(yīng)面法優(yōu)化，得到最佳的糖化工藝參數(shù)：水料比為3.7mL∶1g，膨化小麥比例為32%，50℃蛋白質(zhì)休止時(shí)間為53min，62℃糖化時(shí)間為47min，70℃糖化時(shí)間為31min。此時(shí)，對(duì)應(yīng)的麥汁還原糖含量為86.1mg/mL。

關(guān)鍵詞：擠壓蒸煮；小麥；啤酒；還原糖；糖化工藝；膨化；響應(yīng)面法

中圖分類號(hào)：TS262.5文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1002-1302（2014）11-0306-04

21世紀(jì)我國(guó)麥芽和大米等糧食價(jià)格大幅上漲，造成啤酒生產(chǎn)成本大幅度上升，啤酒釀造企業(yè)利潤(rùn)減少[1]。采用適量輔料替代部分大麥芽釀造啤酒，是降低生產(chǎn)成本的有效方法[2]。在我國(guó)，小麥?zhǔn)堑诙蠹Z食作物，其種植面積以及總產(chǎn)量?jī)H次于水稻。小麥籽粒富含淀粉，并且小麥的無水浸出物含量較高，可用于啤酒釀造。我國(guó)小麥深加工程度不夠，附加值低，農(nóng)民增產(chǎn)不增收，利用擠壓蒸煮小麥作輔料釀造啤酒，可以豐富啤酒品種，簡(jiǎn)化糖化工藝，增加小麥附加值，提高農(nóng)民收入和啤酒企業(yè)的利潤(rùn)[3]。麥汁中的還原糖是啤酒酵母可以直接利用的可發(fā)酵性糖，不僅可以促進(jìn)酵母細(xì)胞的正常生長(zhǎng)代謝，而且有利于提高成品啤酒的質(zhì)量。小麥輔料擠壓膨化后，淀粉的晶體結(jié)構(gòu)被破壞，呈堅(jiān)實(shí)的多孔狀結(jié)構(gòu)，酶與輔料的作用面積增大，提高了淀粉的酶解速度、原料利用率以及麥汁還原糖的含量。在擠壓過程中，淀粉發(fā)生糊化，α-度增加，有利于糖化，可以省去糊化或蒸煮工藝，簡(jiǎn)化工藝并節(jié)約能源[4-5]。本研究以擠壓膨化小麥作輔料，采用Box-Behnken中心組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)，用Design-Expert8.0.5軟件對(duì)糖化工藝參數(shù)間的相互作用進(jìn)行響應(yīng)面分析[6-9]，建立糖化工藝參數(shù)對(duì)麥汁還原糖含量影響的數(shù)學(xué)模型，得到以還原糖含量為指標(biāo)的最優(yōu)糖化工藝條件。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

大麥芽（澳麥，山東省萊蕪市麥芽廠）；小麥品種淄麥12號(hào)（市購(gòu)）；低溫?cái)D壓膨化小麥（自制）。

1.2小麥擠壓方法

本研究中小麥的擠壓參數(shù)[10-11]：直徑為12mm的擠壓機(jī)模孔3個(gè)；三節(jié)套筒溫度分別為20、40、60℃，小麥粉的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為22%，螺桿轉(zhuǎn)速220r/min，模板與擠壓機(jī)螺桿的軸頭間隙為15mm，用山東理工大學(xué)自制擠壓機(jī)進(jìn)行加工。

1.3麥汁制備工藝

本研究采用的麥汁制備工藝流程見圖1。

1.4還原糖含量的測(cè)定

麥汁還原糖含量的測(cè)定參照文獻(xiàn)[12]。

1.5試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)在500mL三角瓶?jī)?nèi)進(jìn)行，總投料量固定在50g。選擇水料比（mL∶g）、膨化小麥比例（%）、50℃蛋白質(zhì)休止時(shí)間（min）、62℃糖化時(shí)間（min）、70℃糖化時(shí)間（min）為試驗(yàn)因素，以麥汁還原糖含量（g/mL）為考察指標(biāo)進(jìn)行糖化試驗(yàn)[13-14]，具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1所示。

2結(jié)果與分析

2.1以還原糖含量為指標(biāo)的膨化小麥輔料麥汁糖化工藝參數(shù)響應(yīng)曲面分析結(jié)果

采用Box-Behnken[15]的中心組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)，試驗(yàn)安排及結(jié)果如表2所示。利用Design-Expert8.0.5軟件對(duì)擠壓小麥比例、水料比、50℃蛋白質(zhì)休止時(shí)間、62℃糖化時(shí)間和70℃糖化時(shí)間對(duì)麥汁還原糖含量的影響規(guī)律進(jìn)行分析，以麥汁還原糖含量為響應(yīng)值（Y），對(duì)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，用回歸方差分析的方法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果見表3、表4。從表3可以看出，模型的常數(shù)項(xiàng)（P<0.0001），一次項(xiàng)X1（P=0.0054<0.01）、X3（P<0.0001）、X4（P<0.0001）極顯著，交互項(xiàng)X1X2（P=0.0039<0.05）和X2X3（P=0.0027<0.05）顯著，其他不顯著。方差分析結(jié)果（表4）表明，模型的確定系數(shù)R2=0.8852，模型的線性回歸極顯著（P<0.0001），交互項(xiàng)（P=0.0208<0.025）和總回歸（P=0.0006<0.05）顯著。

利用Design-Expert8.0.5軟件對(duì)表2還原糖含量的結(jié)果進(jìn)行多元二次回歸擬合分析，方程的響應(yīng)面分析結(jié)果如圖2所示。圖2-a為50℃蛋白質(zhì)休止時(shí)間，62、70℃糖化時(shí)間分別為50、44、30min時(shí)，麥汁中糖化還原糖含量受水料比和膨化小麥比例影響的響應(yīng)曲面圖。當(dāng)X1處于較低水平時(shí)，麥汁中還原糖含量隨X2加入量的增大而增加；當(dāng)X1處于較高水平時(shí)，麥汁中還原糖含量隨X2的增大而降低。當(dāng)X2較低時(shí)，麥汁中還原糖含量值隨X1的增大有下降的趨勢(shì)；當(dāng)X2處于高水平時(shí)，麥汁還原糖含量值隨著X1的增大而明顯降低?？梢娺@2個(gè)因素之間的交互作用明顯。水料比為4.0mL∶1g、62℃糖化時(shí)間固定在44min、70℃糖化時(shí)間固定在30min時(shí)，麥汁中的還原糖含量隨擠壓膨化小麥輔料加入比例和50℃蛋白質(zhì)休止時(shí)間變化的響應(yīng)曲面圖見圖2-b。當(dāng)X3處于較高水平時(shí)，麥汁還原糖含量隨X2的增加而增加；當(dāng)X3在較低水平時(shí)，麥汁中的還原糖含量隨X2的增大而降低，且2個(gè)因素間的交互作用比較明顯。當(dāng)X2在低水平時(shí)，麥汁中的還原糖含量隨著X3的延長(zhǎng)而明顯下降；當(dāng)X2在高水平時(shí)，麥汁中的還原糖含量隨著X3的延長(zhǎng)而明顯增大。水料比為4.0mL∶1g、50℃蛋白質(zhì)休止時(shí)間為50min、62℃糖化時(shí)間固定在44min時(shí)，麥汁中的還原糖含量受膨化小麥比例和70℃糖化時(shí)間影響的響應(yīng)曲面圖見圖2-c。當(dāng)X5保持不變時(shí)，還原糖含量隨著X2的增加整體呈下降趨勢(shì)；當(dāng)X2不變時(shí)，麥汁還原糖含量隨X5的延長(zhǎng)而增加，到達(dá)一定程度后含量上升緩慢，因?yàn)榇藭r(shí)糖化已接近完全，還原糖含量不再增加。水料比為4.0mL∶1g、膨化小麥比例是31%、50℃蛋白質(zhì)休止時(shí)間固定在50min時(shí)，麥汁中的還原糖含量受62、70℃糖化時(shí)間影響的響應(yīng)曲面圖見圖2-d。當(dāng)X4不變時(shí)，麥汁還原糖含量值隨X5的增加呈先增大后降低的趨勢(shì)；當(dāng)X5不變時(shí)，麥汁還原糖含量值隨X4的延長(zhǎng)而升高。endprint

2.2以還原糖含量為指標(biāo)的膨化小麥輔料麥汁糖化工藝最佳條件的確定

以麥汁還原糖含量為考察指標(biāo)，用嶺回歸尋找最優(yōu)糖化工藝參數(shù)范圍，嶺回歸尋優(yōu)分析結(jié)果見表5。從表5可知，在編碼半徑范圍內(nèi)，還原糖含量的變化不大，還原糖含量的最優(yōu)工藝參數(shù)范圍為：水料比3.4～3.7mL∶1g，膨化小麥比例32%～33%，50℃蛋白質(zhì)休止時(shí)間50～55min，62℃糖化時(shí)間44～47min，70℃糖化時(shí)間30～31min。

2.3以還原糖含量為指標(biāo)的膨化小麥輔料麥汁糖化工藝最佳參數(shù)的驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

在最優(yōu)范圍內(nèi)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果（表6）表明，麥汁還原糖含量為85.5～87.6mg/mL，在預(yù)測(cè)范圍以內(nèi)驗(yàn)證優(yōu)化參數(shù)，結(jié)果顯示這些優(yōu)化的參數(shù)是可靠的。

3結(jié)論

采用Box-Behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)，使用Design-Expert8.0.5軟件進(jìn)行回歸分析，得到糖化工藝參數(shù)水料比、膨化小麥比例、50℃蛋白質(zhì)休止時(shí)間、62℃糖化時(shí)間和70℃糖化時(shí)間對(duì)麥汁還原糖含量的回歸模型，方差檢驗(yàn)結(jié)果證明了該模型的可靠性。利用Design-Expert8.0.5軟件對(duì)影響麥汁還原糖含量的糖化工藝參數(shù)間的相互作用進(jìn)行響應(yīng)面分析，通過嶺回歸得到最優(yōu)糖化工藝參數(shù)：水料比為3.7mL∶1g，膨化小麥比例為32%，50℃蛋白質(zhì)休止時(shí)間為53min，62℃糖化時(shí)間為47min，70℃糖化時(shí)間為31min。對(duì)應(yīng)的麥汁還原糖含量為86.1g/mL。

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2.2以還原糖含量為指標(biāo)的膨化小麥輔料麥汁糖化工藝最佳條件的確定

以麥汁還原糖含量為考察指標(biāo)，用嶺回歸尋找最優(yōu)糖化工藝參數(shù)范圍，嶺回歸尋優(yōu)分析結(jié)果見表5。從表5可知，在編碼半徑范圍內(nèi)，還原糖含量的變化不大，還原糖含量的最優(yōu)工藝參數(shù)范圍為：水料比3.4～3.7mL∶1g，膨化小麥比例32%～33%，50℃蛋白質(zhì)休止時(shí)間50～55min，62℃糖化時(shí)間44～47min，70℃糖化時(shí)間30～31min。

2.3以還原糖含量為指標(biāo)的膨化小麥輔料麥汁糖化工藝最佳參數(shù)的驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

在最優(yōu)范圍內(nèi)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果（表6）表明，麥汁還原糖含量為85.5～87.6mg/mL，在預(yù)測(cè)范圍以內(nèi)驗(yàn)證優(yōu)化參數(shù)，結(jié)果顯示這些優(yōu)化的參數(shù)是可靠的。

3結(jié)論

采用Box-Behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)，使用Design-Expert8.0.5軟件進(jìn)行回歸分析，得到糖化工藝參數(shù)水料比、膨化小麥比例、50℃蛋白質(zhì)休止時(shí)間、62℃糖化時(shí)間和70℃糖化時(shí)間對(duì)麥汁還原糖含量的回歸模型，方差檢驗(yàn)結(jié)果證明了該模型的可靠性。利用Design-Expert8.0.5軟件對(duì)影響麥汁還原糖含量的糖化工藝參數(shù)間的相互作用進(jìn)行響應(yīng)面分析，通過嶺回歸得到最優(yōu)糖化工藝參數(shù)：水料比為3.7mL∶1g，膨化小麥比例為32%，50℃蛋白質(zhì)休止時(shí)間為53min，62℃糖化時(shí)間為47min，70℃糖化時(shí)間為31min。對(duì)應(yīng)的麥汁還原糖含量為86.1g/mL。

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2.2以還原糖含量為指標(biāo)的膨化小麥輔料麥汁糖化工藝最佳條件的確定

以麥汁還原糖含量為考察指標(biāo)，用嶺回歸尋找最優(yōu)糖化工藝參數(shù)范圍，嶺回歸尋優(yōu)分析結(jié)果見表5。從表5可知，在編碼半徑范圍內(nèi)，還原糖含量的變化不大，還原糖含量的最優(yōu)工藝參數(shù)范圍為：水料比3.4～3.7mL∶1g，膨化小麥比例32%～33%，50℃蛋白質(zhì)休止時(shí)間50～55min，62℃糖化時(shí)間44～47min，70℃糖化時(shí)間30～31min。

2.3以還原糖含量為指標(biāo)的膨化小麥輔料麥汁糖化工藝最佳參數(shù)的驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

在最優(yōu)范圍內(nèi)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果（表6）表明，麥汁還原糖含量為85.5～87.6mg/mL，在預(yù)測(cè)范圍以內(nèi)驗(yàn)證優(yōu)化參數(shù)，結(jié)果顯示這些優(yōu)化的參數(shù)是可靠的。

3結(jié)論

采用Box-Behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)，使用Design-Expert8.0.5軟件進(jìn)行回歸分析，得到糖化工藝參數(shù)水料比、膨化小麥比例、50℃蛋白質(zhì)休止時(shí)間、62℃糖化時(shí)間和70℃糖化時(shí)間對(duì)麥汁還原糖含量的回歸模型，方差檢驗(yàn)結(jié)果證明了該模型的可靠性。利用Design-Expert8.0.5軟件對(duì)影響麥汁還原糖含量的糖化工藝參數(shù)間的相互作用進(jìn)行響應(yīng)面分析，通過嶺回歸得到最優(yōu)糖化工藝參數(shù)：水料比為3.7mL∶1g，膨化小麥比例為32%，50℃蛋白質(zhì)休止時(shí)間為53min，62℃糖化時(shí)間為47min，70℃糖化時(shí)間為31min。對(duì)應(yīng)的麥汁還原糖含量為86.1g/mL。

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