響應(yīng)面法優(yōu)化樺樹液酒發(fā)酵工藝

曲迪

（中國農(nóng)科院特產(chǎn)研究所，吉林長春130000）

響應(yīng)面法優(yōu)化樺樹液酒發(fā)酵工藝

曲迪

（中國農(nóng)科院特產(chǎn)研究所，吉林長春130000）

以新鮮樺樹液為原料，研究樺樹液發(fā)酵酒的發(fā)酵工藝條件。在單因素試驗基礎(chǔ)上，選取SO2添加量、酵母接種量、發(fā)酵溫度為影響因子，以樺樹液酒的酒精體積分數(shù)為響應(yīng)值，應(yīng)用中心組合Box-Behnken試驗和響應(yīng)面分析法，模擬得到二次多項式回歸方程的預(yù)測模型，進行響應(yīng)面分析。結(jié)果表明，經(jīng)優(yōu)化后的樺樹液酒的最佳工藝條件為酵母接種量0.42 g/L、SO2添加量103mg/L、發(fā)酵溫度25℃、發(fā)酵時間為12 d，該條件下酒精體積分數(shù)為11.98%vol。產(chǎn)品澄清透明、酒香濃郁、滋味協(xié)調(diào)、酒體典型風格較為突出。

樺樹液；發(fā)酵酒；發(fā)酵工藝；響應(yīng)面

樺樹液是樺樹（Betula）的傷流液，是一種無色透明的液體，入口清涼微甜，有樺樹特有的清香氣味，每年4月～5月冰雪消融，初春萌動之時便可采集[1-2]。樺樹液富含人體需要的多種氨基酸、果糖、維生素、生物素、礦物質(zhì)等，具有清熱、解毒、抗疲勞、抗衰老等保健作用[3-5]。利用樺樹液為原料發(fā)酵而成的酒具有獨特的

風味和保健功效，符合人們現(xiàn)在的消費觀念，具有可觀的經(jīng)濟效益和較好的發(fā)展前景。

目前，國內(nèi)張崇、李娜[6-10]等對樺樹液酒的研制進行了報道，但對優(yōu)化樺樹液酒發(fā)酵條件方面的文章很少。本試驗以吉林省二道白河鎮(zhèn)的新鮮樺樹液為原料，通過單因素試驗確定樺樹酒的發(fā)酵工藝，采用響應(yīng)面法優(yōu)化樺樹液酒發(fā)酵條件的最佳工藝參數(shù)，為樺樹液酒的工業(yè)化生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

吉林省二道白河鎮(zhèn)采集的新鮮樺樹液；綿白糖：市售，符合一級品要求；酵母菌：安琪葡萄酒酵母；偏重亞硫酸鉀：食品級。

1.2 儀器與設(shè)備

SPX-250B-Z型生化培養(yǎng)箱：上海市博訊事業(yè)有限公司；電子天平：慈溪市天東衡器廠；DZKW-S-4恒溫水浴鍋：北京市永光明醫(yī)療儀器廠；WYT-4型手持糖度計：泉州中友光學儀器有限公司；酒精計：河間市儀器廠。

1.3 方法

1.3.1 樺樹液酒的發(fā)酵工藝流程

采集新鮮的樺樹液→加入適量SO2抑制雜菌→糖度調(diào)整→接種活性干酵母→主發(fā)酵→成分檢測→后發(fā)酵→陳釀→澄清→殺菌→成品

1.3.2 操作要點

1）糖度調(diào)整：本試驗原料樺樹汁的還原糖含量為1%，由于自身發(fā)酵的酒精度達不到成品酒的要求，需要向其中一次性補充糖分，使還原糖含量在20%左右。

2）酵母的活化：向2%的無菌糖水中加入適量干酵母在35℃的溫度下攪拌活化20min，直至有大量氣泡產(chǎn)生。

1.3.3 指標測定方法

酒精體積分數(shù)的測定：酒精計法[11]；糖度測定：手持糖度計法；還原糖的測定：菲林試劑法[11]；酸度的測定：酸堿滴定法[11]。

1.3.4 影響樺樹液酒發(fā)酵效果的單因素試驗

1.3.4.1 SO2添加量的影響

把樺樹液糖度調(diào)整為20%，發(fā)酵溫度為25℃，發(fā)酵時間為10 d，接種量為40mg/L，SO2添加量分別為20、40、60、80、100、120、140mg/L，探究SO2添加量對發(fā)酵效果的影響。

1.3.4.2 酵母接種量的影響

把樺樹液糖度調(diào)整為20%，發(fā)酵溫度為25℃，發(fā)酵時間為10 d，SO2添加量為100mg/L，酵母接種量分別為0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8 g/L，探究酵母接種量對發(fā)酵效果的影響。

1.3.4.3 發(fā)酵溫度的影響

把樺樹液糖度調(diào)整為20%，發(fā)酵時間為10 d，SO2添加量為100mg/L，酵母接種量為0.4 g/L，發(fā)酵溫度分別為17、19、21、23、25、27、29℃，探究發(fā)酵溫度對發(fā)酵效果的影響。

1.3.4.4 發(fā)酵時間的影響

把樺樹液糖度調(diào)整為20%，發(fā)酵溫度為25℃，SO2添加量為100mg/L，酵母接種量為0.4 g/L，發(fā)酵時間分別為2、4、6、8、10、12、14 d，探究發(fā)酵時間對發(fā)酵效果的影響。

1.3.5 響應(yīng)面法優(yōu)化樺樹液酒發(fā)酵工藝

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，根據(jù)Box-Behnken中心組合試驗設(shè)計原理，分別對影響酒精度（Y）的4個因素：SO2添加量（A）、酵母接種量（B）、發(fā)酵溫度（C）、發(fā)酵時間（D）利用響應(yīng)面軟件Design-Expert8.0.6進行響應(yīng)面設(shè)計[12-17]。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗結(jié)果與分析

2.1.1 SO2添加量的影響

SO2添加量的影響見圖1。

圖1 SO2添加量對酒精體積分數(shù)的影響Fig.1 Effectsof SO2amounton alcoholicity

由圖1可知，SO2添加量較少時，由于不能較好的抑制雜菌，所以酒精發(fā)酵度數(shù)低；當SO2添加量達到100mg/L時，酒精體積分數(shù)達到最高且接近待發(fā)值；當SO2添加量超過100mg/L時，不僅抑制了雜菌生長也抑制了酵母菌的發(fā)酵代謝，使得酒精發(fā)酵度數(shù)低。所以SO2添加量為100mg/L最合適。

2.1.2 酵母接種量的影響

酵母接種量的影響見圖2。

酵母接種量是影響樺樹液酒酒精發(fā)酵的重要因素之一，由圖2可知，當接種量較低時，酵母自身代謝緩慢，蔗糖代謝成酒精不完全，從而酒度低，酒質(zhì)不協(xié)調(diào)；隨著接種量逐漸增加，酒精的體積分數(shù)也增加，當接種量為0.4 g/L時，酒精度達到最高；當接種量超過0.4 g/L時，酵母菌代謝過旺，消耗大量營養(yǎng)物質(zhì)并產(chǎn)

生較多代謝產(chǎn)物，使得菌體過早衰老并自溶，最終酒度較低，酒質(zhì)不協(xié)調(diào)。所以酵母接種量選擇0.4g/L較適合。

圖2 酵母接種量對酒精體積分數(shù)的影Fig.2 Effectsof yeast inoculating amounton alcoholicity

2.1.3 發(fā)酵溫度的影響

發(fā)酵溫度的影響見圖3。

圖3 發(fā)酵溫度對酒精體積分數(shù)的影響Fig.3 Effectsof fermentation tem peratureon alcoholicity

由圖3可知，在17℃～25℃時，酒精體積分數(shù)隨發(fā)酵溫度升高的快；當發(fā)酵溫度在25℃～29℃時，酒精體積分數(shù)隨發(fā)酵溫度的升高略有下降。因此選擇發(fā)酵溫度為25℃最適宜。

2.1.4 發(fā)酵時間的影響

發(fā)酵時間的影響見圖4。

圖4 發(fā)酵時間對酒精體積分數(shù)的影響Fig.4 Effectsof fermentation tim eamounton alcoholicity

由圖4可知，隨著發(fā)酵時間的延長，酒精的體積分數(shù)逐漸增大，發(fā)酵前8 d，酒精體積分數(shù)增大的速度較快；第8天之后發(fā)酵速度趨于緩慢；在發(fā)酵第12天時，酒精體積分數(shù)為12.1%，符合待發(fā)值且與第14天持平。因此發(fā)酵時間為12 d最合適。

2.2 響應(yīng)面法優(yōu)化樺樹液酒發(fā)酵工藝

綜合單因素試驗結(jié)果可知，發(fā)酵時間在10 d之后酒精體積分數(shù)趨于平穩(wěn)，固發(fā)酵時間選取12 d為最佳，根據(jù)Box-Behnken中心組合試驗設(shè)計原理，選取SO2添加量（A）、酵母接種量（B）、發(fā)酵溫度（C）為3個因素，以酒精體積分數(shù)（Y）為響應(yīng)值，分別在3個水平上進行試驗。試驗因素水平及編碼見表1，試驗方案設(shè)計及結(jié)果見表2。

表1 響應(yīng)面試驗優(yōu)化樺樹液酒發(fā)酵工藝因素水平與編碼表Table1 Factorsand levels in response surfacedesign

表2 Box-Behnken試驗設(shè)計方案及結(jié)果Tab le2 Resultsof Box-Behnken centralcom posite design

2.2.1 回歸模型的建立及方差分析

回歸模型的建立及方差分析見表3。

表3 響應(yīng)面試驗結(jié)果的方差分析Table3 Analysisof varianceof the fitted regressionm odel

續(xù)表3 響應(yīng)面試驗結(jié)果的方差分析Continue table3 Analysisof varianceof the fitted regression m odel

對表2中試驗數(shù)據(jù)進行多元回歸方程擬合后，得到各因素水平對發(fā)酵酒酒精體積分數(shù)影響的二次多項回歸模型

由表3可知，模型的P＜0.01，模型方程（1）極顯著，說明不同處理間的差異極顯著失擬項P=0.633 7＞0.05，不顯著，說明本試驗所得二次回歸方程能很好的對響應(yīng)值進行預(yù)測；酒精體積分數(shù)值與回歸方程預(yù)測值的相關(guān)系數(shù)R2為0.990 4，可知擬合情況良好；離散系數(shù)（CV）表示試驗的精確度，其值越大，試驗結(jié)果可靠性越低[18]。本試驗CV為2.2%，在可接受范圍內(nèi)，說明試驗結(jié)果可靠。從回歸方程系數(shù)顯著性可知，模型方程（1）的一次項和二次項A、B、C表現(xiàn)為極顯著（P＜0.01）；交互項AB表現(xiàn)為顯著（0.01＜P＜0.05）、AC表現(xiàn)為不顯著（P＞0.05）、BC表現(xiàn)為極顯著（P＜0.01）。

2.2.2 響應(yīng)面的分析及優(yōu)化

通過Design Expert8.0.6軟件，由二元回歸模型（1）繪制響應(yīng)面分析圖（圖5～圖7）。圖中直觀地反映了各因素之間的交互作用對樺樹液酒酒精體積分數(shù)的影響。

從響應(yīng)面分析圖中可以看出所選因素對響應(yīng)值影響強弱順序依次為：B>C>A即：酵母接種量＞發(fā)酵溫度＞SO2添加量。

為確定最佳發(fā)酵工藝條件，將擬合回歸方程的兩邊分別對A、B、C求一階偏導(dǎo)數(shù)，并設(shè)其值為0，得到三元一次方程組：

求解得：A=0.164，B=0.188，C=0.022，根據(jù)編碼公式得到最佳工藝參數(shù)為：SO2添加量103.28mg/L，酵母接種量0.419 g/L，發(fā)酵溫度25.044℃，此條件下酒精體積分數(shù)達11.98%?？紤]實際操作性，將發(fā)酵工藝參

數(shù)修正為：SO2添加量103mg/L，酵母接種量0.42 g/L，發(fā)酵溫度25℃。

圖5 和酵母接種量交互作用對酒精體積分數(shù)影響的響應(yīng)面和等高線圖Fig.5 Response surfaceand contour plotof interaction among SO2and yeast inoculation quantity on alcoholicity

圖6 SO2和發(fā)酵溫度交互作用對酒精體積分數(shù)影響的響應(yīng)面和等高線圖Fig.6 Responsesurfaceand contour plotof interaction am ong SO2and fermentation tem peratureon alcoholicity

圖7 酵母接種量和發(fā)酵溫度交互作用對酒精體積分數(shù)影響的響應(yīng)面和等高線圖Fig.7 Response surfaceand contour p lotof interaction among yeast inoculation quantity and ferm entation tem peratureon alcoholicity

2.2.3 酒精體積分數(shù)驗證性試驗

為了檢驗響應(yīng)面法的可行性，采用得到的最佳發(fā)酵條件進行樺樹液酒的發(fā)酵試驗，SO2添加量103mg/L、酵母接種量0.42 g/L、發(fā)酵溫度25℃，同時進行3次平行試驗。樺樹液酒的酒精度平均值為11.9%vol。與預(yù)測值誤差僅差0.67%。結(jié)果極為接近，進一步驗證了模型方程（1）的實用性。

2.3 產(chǎn)品質(zhì)量標準

2.3.1 感官指標

本試驗發(fā)酵的樺樹液酒色澤微黃，澄清透明，既有原汁的清香，又有發(fā)酵后濃郁的醇香，滋味協(xié)調(diào)，口味純正無雜，清涼爽口，具有本酒典型的風格。

2.3.2 理化指標

酒精體積分數(shù)：11.5%vol～12%vol；還原糖：（以葡萄糖計）≤4 g/L；可滴定酸（以檸檬酸計）：0.56%；游離SO2≤50mg/L。

2.3.3 微生物指標

菌落總數(shù)＜100CFU/mL；大腸桿菌＜3MPN/100mL；致病菌：未檢出。

3 結(jié)論

通過單因素試驗和中心組合設(shè)計試驗，采用響應(yīng)面分析法優(yōu)化樺樹液酒的發(fā)酵工藝條件，建立樺樹液酒發(fā)酵工藝的二次多項數(shù)學模型。該模型極顯著，擬合情況好，可用來預(yù)測設(shè)定條件范圍內(nèi)及其周圍的樺樹液酒發(fā)酵工藝參數(shù)，有一定實用價值。各因素對樺樹液酒發(fā)酵工藝的影響次序為酵母接種量＞發(fā)酵溫度＞SO2添加量，優(yōu)化后工藝條件參數(shù)為酵母接種量0.42 g/L、發(fā)酵溫度25℃、SO2添加量103mg/L、發(fā)酵時間為12 d，在此條件下，酒精體積分數(shù)為11.98%vol，發(fā)酵所得的樺樹液酒酒香濃郁，風味典型性明顯，是一種營養(yǎng)豐富的保健型果酒，開發(fā)前景廣闊具有實用意義。

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Optim ization of Fermentation of Birth Sap W ine by Response Surface M ethodology

QUDi
（InstituteofSpecial Animaland PlantSciencesofCAAS，Changchun 130000，Jilin，China）

The fermentation condition ofbirth sapwinewasoptimized by response surfacemethodology.The impactof sulfur dioxide used，yeast inoculums concentration and fermentation temperature on sensory score，and the alcoholicity was selected as response value and themathematicalmodelwas established by Box-Behnken central composite design.Asa result，inoculum amount0.42 g/L，sulfur dioxide103mg/L，fermentation temperature 25℃，fermentation time 12 days，under this optimal condition，the alcoholicitywas 11.98%volwith good quality.

birch sap；brewedwine；fermentation technology；responsesurfacemethodology

10.3969/j.issn.1005-6521.2016.23.029

2016-02-17

曲迪（1990—），女（漢），碩士，研究方向：長白山野生植物資源開發(fā)利用。