響應(yīng)面法優(yōu)化人參-仙人掌果酒的發(fā)酵工藝

喬夢(mèng)丹,王 微,賀 陽(yáng),戴雨霖,韓銘鑫,文連奎,鄭 飛,越 皓*

(1.長(zhǎng)春中醫(yī)藥大學(xué) 吉林省人參科學(xué)研究院,吉林 長(zhǎng)春 130117;2.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130118)

響應(yīng)面法優(yōu)化人參-仙人掌果酒的發(fā)酵工藝

喬夢(mèng)丹1,王 微1,賀 陽(yáng)2,戴雨霖1,韓銘鑫1,文連奎2,鄭 飛1,越 皓1*

(1.長(zhǎng)春中醫(yī)藥大學(xué) 吉林省人參科學(xué)研究院,吉林 長(zhǎng)春 130117;2.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130118)

該研究以人參及仙人掌果為原料制作果酒,考察發(fā)酵條件對(duì)仙參果酒的影響。在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上,選取酵母接種量、發(fā)酵溫度、初始pH值為影響因子,以酒精度為響應(yīng)值,應(yīng)用中心組合Box-Behnken試驗(yàn)和響應(yīng)面分析法,模擬得到二次多項(xiàng)式回歸方程的預(yù)測(cè)模型,進(jìn)行響應(yīng)面分析。結(jié)果表明,經(jīng)優(yōu)化后的仙參果酒最佳工藝條件為酵母接種量1‰,發(fā)酵溫度24℃,pH值4.0,在此條件下仙參果酒的酒精度為11.67%vol,感官評(píng)分達(dá)96分。其中含有總皂苷(93.76±0.86)mg/100 mL和總花青素(10.66±0.39)mg/100 mL。

果酒;發(fā)酵工藝;酒精度;感官評(píng)分;人參皂苷;花青素

人參是五加科植物人參(Panax ginseng)的干燥根,其主要含有人參皂苷、多糖、氨基酸、蛋白質(zhì)等有效成分[1-3]。目前,已有大量研究證實(shí)人參具有抗氧化、抗疲勞、抗腫瘤、降血糖血脂、促進(jìn)脂肪代謝、增強(qiáng)免疫力等功效[4-6],其作為新資源食品以來(lái),廣泛應(yīng)用于食品領(lǐng)域。仙人掌果為仙人掌科植物仙人掌的果實(shí),果肉微酸甜,含有豐富的微量元素、蛋白質(zhì)、氨基酸、維生素、多糖類(lèi)、黃酮類(lèi)物質(zhì)、三萜化合物等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),具有行氣活血、祛濕退熱、提高免疫力、清除自由基等作用[7-9]。

據(jù)統(tǒng)計(jì),當(dāng)代社會(huì)超過(guò)70%的人處于亞健康狀態(tài)。因此,低度保健酒或果酒是目前備受歡迎的保健食品之一,其針對(duì)于亞健康人群,能夠提高機(jī)體免疫力或增加免疫器官和細(xì)胞的活性。仙參果酒是以人參和仙人掌果為原料發(fā)酵而成的,是富含人參皂苷和花青素等活性成分的低度發(fā)酵酒。本研究在前期對(duì)仙參果酒進(jìn)行了功能性試驗(yàn)研究,結(jié)果表明其具有較強(qiáng)的體內(nèi)抗氧化活性和增強(qiáng)免疫力作用。因此,將仙參果酒開(kāi)發(fā)為保健食品,具有廣闊的應(yīng)用前景,能夠滿(mǎn)足市場(chǎng)的需求。本試驗(yàn)以人參和仙人掌果為原料,通過(guò)單因素試驗(yàn)及響應(yīng)面法優(yōu)化發(fā)酵條件的最佳工藝參數(shù),為仙參果酒的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

仙人掌果:海南富匯達(dá)農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)有限公司;人參(五年生):吉林省撫松縣萬(wàn)良人參市場(chǎng);矢車(chē)菊-3-O-葡萄糖苷標(biāo)準(zhǔn)品(純度為98%):南京森貝伽生物科技有限公司;人參皂苷Re標(biāo)準(zhǔn)品(批號(hào):110754-201626,純度為92.3%):中國(guó)食品藥品檢定所;香草醛:上海盈公生物技術(shù)有限公司;氫氧化鈉、葡萄糖、冰醋酸、鹽酸、無(wú)水乙醇、甲醇、正丁醇、香草醛、高氯酸、冰醋酸(均為分析純):北京化工廠;甲基紅、酚酞、次甲基藍(lán):天津市大茂化學(xué)試劑廠;雙蒸水:實(shí)驗(yàn)室自制。

1.2 儀器與設(shè)備

SPX-150S-II生化培養(yǎng)箱:上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司;Centrifuge 5804R型離心機(jī):Eppendonf公司;HH-8型數(shù)顯恒溫水浴鍋:常州智博瑞儀器制造有限公司;M200PRO多功能酶標(biāo)儀:北京世貿(mào)遠(yuǎn)東科學(xué)儀器有限公司;BP211D型電子分析天平:上海天平儀器廠。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程

1.3.2 操作要點(diǎn)

混合漿液的制備:取潔凈的鮮人參加3倍量的水,榨汁;另取新鮮完好且成熟的仙人掌果去皮去刺后,加入2倍量的水榨汁,兩者以1∶2比例混合,備用;

成分調(diào)整:加入適量蔗糖調(diào)整糖度,加入檸檬酸調(diào)節(jié)pH值;

酵母活化:將釀酒酵母加入5%葡萄糖溶液中,混合均勻,35℃恒溫水浴中活化30 min;

發(fā)酵:向混合漿液中接種活化后的酵母菌,攪拌均勻,在恒溫培養(yǎng)箱中發(fā)酵,每隔24 h測(cè)定殘?zhí)橇?當(dāng)殘?zhí)橇?、酒精度持續(xù)3 d保持不變時(shí),發(fā)酵結(jié)束;

過(guò)濾澄清:采用孔徑為100～200nm的無(wú)機(jī)陶瓷膜過(guò)濾設(shè)備濾過(guò)殘?jiān)?

調(diào)配:對(duì)澄清處理過(guò)的仙參果酒的糖度以及酸度進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)配。

1.3.3 仙參果酒發(fā)酵工藝優(yōu)化試驗(yàn)

(1)發(fā)酵條件的單因素試驗(yàn)

試驗(yàn)對(duì)酵母接種量(0.5‰、0.7‰、0.9‰、1.1‰、1.3‰、1.5‰)、發(fā)酵溫度(15℃、18℃、21℃、24℃、27℃)和初始pH值(3.0、3.3、3.6、3.9、4.2)因素進(jìn)行優(yōu)選,以酒精度及感官評(píng)分為考察指標(biāo),考察3個(gè)發(fā)酵條件對(duì)仙參果酒發(fā)酵的影響[10-11]。

(2)響應(yīng)面法優(yōu)選發(fā)酵工藝

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上,以酒精度(Y)為響應(yīng)值,采用3因素3水平的響應(yīng)面法進(jìn)行仙參果酒發(fā)酵工藝條件的優(yōu)化[12-13]。以Design-Expert V8.0.5軟件對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行回歸分析,確定發(fā)酵的最優(yōu)工藝參數(shù)。響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平見(jiàn)表1。

表1 果酒發(fā)酵工藝優(yōu)化響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素與水平Table 1 Factors and levels of response surface methodology for fruit wine fermentation conditions optimization

1.3.4 測(cè)定方法

(1)理化指標(biāo)

酒精度測(cè)定:采用蒸餾比重法[14];總糖含量:斐林試劑滴定法[15];總酸測(cè)定:酸堿滴定法[16];pH值測(cè)定:酸度計(jì)法[17]。

(2)感官評(píng)分

選擇20名食品專(zhuān)業(yè)的人員,分別對(duì)仙參果酒的色澤、香氣、口感、狀態(tài)進(jìn)行感官評(píng)分,滿(mǎn)分為100分[8],感官評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

表2 果酒感官評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Sensory evaluation standards of fruit wine

(3)總花青素的測(cè)定

精密稱(chēng)取矢車(chē)菊-3-O-葡萄糖苷標(biāo)準(zhǔn)品約10mg于10mL量瓶中,用0.1%鹽酸-80%乙醇(15∶85,V/V)溶解并定容,搖勻,作為標(biāo)準(zhǔn)品儲(chǔ)備液。分別精密量取標(biāo)準(zhǔn)品儲(chǔ)備50 μL、100 μL、150 μL、200 μL、250 μL,加0.1%鹽酸-80%乙醇(15∶85,V/V)定容至10mL。以相應(yīng)試劑作為空白試劑,于波長(zhǎng)535nm處測(cè)定吸光度值。以吸光度值(Y)對(duì)花青素質(zhì)量濃度(X)作線性回歸,繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,得到回歸方程和相關(guān)系數(shù)。精密量取仙參果酒10 mL溶液,40℃水浴揮干,0.1%鹽酸-80%乙醇(15∶85,V/V)溶解于100mL量瓶中,稀釋并定容,搖勻,即得樣品溶液。按上述方法測(cè)得吸光度值,代入標(biāo)準(zhǔn)曲線中求得樣品中總花青素的質(zhì)量濃度,并計(jì)算含量。

(4)總皂苷的測(cè)定

精密稱(chēng)取人參皂苷Re標(biāo)準(zhǔn)品約10 mg于10 mL量瓶中,用甲醇溶解,稀釋,并定容,搖勻,作為標(biāo)準(zhǔn)品儲(chǔ)備液。分別精密量取標(biāo)準(zhǔn)品儲(chǔ)備液60 μL、80 μL、100 μL、120 μL、140 μL置于具塞試管中,60℃水浴揮干,加5%香草醛冰醋酸溶液0.2 mL,高氯酸0.8 mL,搖勻,使殘?jiān)咳芙?60℃水浴加熱10 min,冷卻,加冰醋酸5.0 mL,以相應(yīng)試劑作為空白試劑,于波長(zhǎng)560 nm處測(cè)定吸光度值。以吸光度值(Y)對(duì)總皂苷含量(X)作線性回歸,繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,得到回歸方程和相關(guān)系數(shù)。精密量取仙參果酒5 mL溶液,60℃水浴揮干,加10 mL的蒸餾水溶解后,同體積水飽和正丁醇萃取4次,合并上層液,60℃水浴揮干,加甲醇溶解于5 mL量瓶中,稀釋并定容,搖勻,精密吸取100 μL置于具塞試管中,按上述方法顯色并測(cè)得吸光度值,代入標(biāo)準(zhǔn)曲線中求得樣品中總皂苷的含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 酵母接種量對(duì)仙參果酒發(fā)酵的影響

在溫度24℃,pH值3.9的條件下,考察不同酵母接種量對(duì)發(fā)酵過(guò)程中的酒精度和感官評(píng)價(jià)的影響,結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 酵母接種量對(duì)果酒酒精度和感官評(píng)分的影響Fig.1 Effect of yeast inoculum on alcohol content and sensory score of fruit wine

由圖1可知,隨著酵母接種量的增加,酒精度和感官評(píng)分均呈先升高后降低的趨勢(shì),當(dāng)酵母接種量為1.1‰時(shí),仙參果酒的酒精度和感官評(píng)分均達(dá)到最佳值,分別為11.86%vol、98分。繼續(xù)增加酵母接種量,仙參果酒的酒精度和感官評(píng)分開(kāi)始下降。因此,仙參果酒發(fā)酵酵母接種量選擇在1.1‰為宜。

2.1.2 發(fā)酵溫度對(duì)仙參果酒發(fā)酵的影響

在酵母添加量1.1‰,pH值3.9的條件下,考察不同溫度對(duì)發(fā)酵過(guò)程中的酒精度和感官評(píng)價(jià)的影響,結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 發(fā)酵溫度對(duì)果酒中酒精度和感官評(píng)價(jià)的影響Fig.2 Effect of fermentation temperature on alcohol content and sensory score of fruit wine

由圖2可知,隨著發(fā)酵溫度的升高,酒精度和感官評(píng)分均呈快速升高后降低的趨勢(shì),當(dāng)發(fā)酵溫度為24℃時(shí),仙參果酒的酒精度和感官評(píng)分均達(dá)到最大值,分別為12.11%vol、96分。而此后繼續(xù)升高發(fā)酵溫度,測(cè)得此時(shí)仙參果酒的酒精度及感官評(píng)分隨發(fā)酵溫度的升高而下降,這可能是因?yàn)榘l(fā)酵溫度過(guò)高,發(fā)酵速度過(guò)快,破壞了仙參果酒的整體感官質(zhì)量,表現(xiàn)為仙人掌果香和酒香不足,有異味,口感粗糙有少量沉淀。因此,選擇仙參果酒的發(fā)酵溫度為24℃為宜。

2.1.3 初始pH對(duì)仙參果酒發(fā)酵的影響

在酵母添加量1.1‰,溫度24℃的條件下,考察pH值對(duì)發(fā)酵過(guò)程中的酒精度和感官評(píng)價(jià)的影響,結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 pH對(duì)果酒酒精度和感官評(píng)分的影響Fig.3 Effect of pH on alcohol content and sensory score of fruit wine

由圖3可知,隨著仙參果酒的初始pH值升高,酒精度和感官評(píng)分均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。當(dāng)初始pH值為3.9時(shí),仙參果酒的酒精度和感官評(píng)分均達(dá)到最大值,分別為11.93%vol、95分,此時(shí)感官評(píng)分達(dá)95分。因此,選擇仙參果酒的初始pH值為3.9[14]。

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化仙參果酒發(fā)酵工藝

2.2.1 仙參果酒發(fā)酵響應(yīng)面試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上,選取酵母添加量(A)、發(fā)酵溫度(B)、初始pH(C)為3個(gè)因素,以酒精度(Y)為響應(yīng)值,采用3因素3水平的響應(yīng)面試驗(yàn)考察各發(fā)酵條件對(duì)仙參果酒發(fā)酵結(jié)果的影響,結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 果酒發(fā)酵工藝優(yōu)化響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 3 Results and analysis of response surface experiments for fruit wine fermentation conditions optimization

續(xù)表

2.2.2 響應(yīng)面模型建立及顯著性分析

通過(guò)Design-Expert.V 8.0.6軟件對(duì)表3中酒精度(Y)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,得到回歸模型:Y=11.37+0.33A+0.53B+0.42C+0.062AB-0.065AC-0.23BC-0.62A2-0.88B2-0.78C2

表4 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果方差分析及顯著性檢驗(yàn)Table 4 Variance analysis and significance test of response surface experiments results

由表4可知,響應(yīng)面優(yōu)化擬合出的方程回歸項(xiàng)模型的P值＜0.000 1,且失擬項(xiàng)P值0.285 6＞0.005,說(shuō)明本試驗(yàn)所得仙參果酒的酒精度與3個(gè)變量的二次回歸方程高度顯著,可以很好地進(jìn)行響應(yīng)值的預(yù)測(cè),且擬合得到的回歸模型的方程相關(guān)系數(shù)R2=99.2%,模型調(diào)整復(fù)相關(guān)系數(shù)R2adj=0.981 8,說(shuō)明本試驗(yàn)所建立的回歸模型擬合度良好。變異系數(shù)(coefficient of variation,CV)=1.29%,表明試驗(yàn)數(shù)值具有較高的精密度和可靠性[18-20]。將酒精度作為響應(yīng)值,方程一次項(xiàng)系數(shù)A、B、C,交互項(xiàng)BC和二次項(xiàng)系數(shù)A2、B2、C2均具有極顯著性(P＜0.01)。

通過(guò)Design-Expert.V8.0.6軟件獲得三維響應(yīng)面和等高線,能夠直觀地反映出各個(gè)因素及其相互作用對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。由圖4可知,隨著酵母接種量和發(fā)酵溫度的升高,仙參果酒中的酒精度呈現(xiàn)先升高再下降的拋物線趨勢(shì),且兩者等高線呈橢圓形狀,含有極值,坡度較大,說(shuō)明這兩種因素交互作用顯著;而隨著酵母接種量和初始pH值的增加或隨著發(fā)酵溫度和初始pH值的增加,仙參果酒中的酒精度的變化趨勢(shì)同樣呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì),其等高線均呈橢圓狀,含有極值,坡度較大。因此,認(rèn)為酵母接種量、發(fā)酵溫度、初始pH值這三因素之間,兩兩交互作用均極顯著(P＜0.01)。

經(jīng)過(guò)Design-Expert.V 8.0.6軟件對(duì)模型的優(yōu)化,得到仙參果酒的最佳發(fā)酵工藝條件:酵母接種量1.09‰,發(fā)酵溫度23.88℃,初始pH值4.01,此發(fā)酵條件下發(fā)酵后的仙參果酒酒精度達(dá)11.79%vol。

2.2.3 發(fā)酵工藝條件的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型預(yù)測(cè)理論值的準(zhǔn)確性和真實(shí)性,同時(shí)為了方便實(shí)際操作,將最佳發(fā)酵工藝的條件調(diào)整為酵母接種量1‰,發(fā)酵溫度24℃,初始pH值4.0,在此優(yōu)化條件下進(jìn)行3次平行性試驗(yàn),得到仙參果酒的酒精度平均值為(11.67±0.13)%vol。而此條件下的仙參果酒在外觀上清澈透亮有光澤,呈紫紅色,在香味上,有清香的仙人掌果香和濃郁的酒香,在口感方面也十分純正爽口,感官評(píng)分達(dá)96分,結(jié)果與預(yù)測(cè)值相差甚小。因此,采用響應(yīng)面法優(yōu)化的仙參果酒的發(fā)酵工藝條件準(zhǔn)確合理,具有極強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

2.3 仙參果酒中功能成分的含量

以矢車(chē)菊-3-O-葡萄糖苷標(biāo)準(zhǔn)品的質(zhì)量濃度(X)為橫坐標(biāo),吸光度值(Y)為縱坐標(biāo),進(jìn)行線性回歸,得回歸方程為Y=35.099X-0.000 9,相關(guān)系數(shù)R=0.999 8,表明矢車(chē)菊-3-O-葡萄糖苷標(biāo)準(zhǔn)品質(zhì)量濃度在0.0049～0.024mg/mL范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系。以人參皂苷Re標(biāo)準(zhǔn)品的含量(X)為橫坐標(biāo),吸光度值(Y)為縱坐標(biāo),進(jìn)行線性回歸,得回歸方程為Y=2.3588X-0.0048,相關(guān)系數(shù)R=0.9997,表明人參皂苷Re標(biāo)準(zhǔn)品含量在0.0553～0.1292mg/mL范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系。

取最佳發(fā)酵工藝的條件下制得的仙參果酒,進(jìn)行6次平行性試驗(yàn)的測(cè)定,結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 果酒中功能成分的含量Table 5 Content of functional components in fruit wine

由表5可知,得到仙參果酒的總花青素、總皂苷含量的平均值分別為(10.66±0.39)mg/100mL、(93.76±0.86)mg/100 mL。

3 結(jié)論

通過(guò)單因素試驗(yàn),以酒精度和感官評(píng)分為考察指標(biāo),確定了酵母接種量、發(fā)酵溫度和初始pH值對(duì)仙參果酒發(fā)酵的影響趨勢(shì)。通過(guò)響應(yīng)面試驗(yàn),以酒精度為考察指標(biāo),優(yōu)化仙參果酒的發(fā)酵工藝,確定了仙參果酒最佳發(fā)酵工藝條件為酵母接種量1‰,發(fā)酵溫度24℃,pH值4.0,在此發(fā)酵條件下,酒精度達(dá)11.67%vol。此時(shí),仙參果酒中酒精度最優(yōu),發(fā)酵所得的人參仙人掌果保健酒的酒香濃郁,風(fēng)味典型性明顯,總花青素和總皂苷含量分別為(10.66±0.39)mg/100mL、(93.76±0.86)mL/100 mL,是一種營(yíng)養(yǎng)豐富的保健型果酒。

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QIAO Mengdan1,WANG Wei1,HE Yang2,DAI Yulin1,HAN Mingxin1,WEN Liankui2,ZHENG Fei1,YUE Hao1*
(1.JiLin Ginseng Academy,Changchun University of Chinese Medicine,Changchun 130117,China;2.College of Food Science and Engineering,Jilin Agricultural University,Changchun 130118,China)

TS262.7

0254-5071(2017)11-0170-05

10.11882/j.issn.0254-5071.2017.11.037

2017-08-22

吉林省中醫(yī)藥科技項(xiàng)目(2017161)

喬夢(mèng)丹(1992-),女,碩士研究生,研究方向?yàn)樗幤沸聞┬偷难芯颗c開(kāi)發(fā)。

*通訊作者:越 皓(1977-),男,研究員,博士,研究方向?yàn)樘烊划a(chǎn)物成分分析。