響應(yīng)面法優(yōu)化復(fù)合澄清劑對(duì)馬鈴薯酒的澄清效果

王健 ，張佳笑，劉媛 *，宋鵬飛，袁興茂，高清海

1. 河北北方學(xué)院，河北省農(nóng)產(chǎn)品食品質(zhì)量安全分析檢測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（張家口 075000）；2. 河北省馬鈴薯加工工程技術(shù)研究中心（張家口 075000）；3. 河北省農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所（石家莊 050051）

馬鈴薯（學(xué)名Solanum tuberosum L.）又名地蛋、土豆等，屬茄科類(lèi)植物，塊莖可食用，是糧、菜、飼料、工業(yè)原料的重要經(jīng)濟(jì)農(nóng)作物，也是全球第四大重要的糧食作物，僅次于小麥、稻谷和玉米[1-2]。馬鈴薯的營(yíng)養(yǎng)豐富，它含有多種維生素、礦物質(zhì)、蛋白質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。但是這些馬鈴薯酒體中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和金屬離子，它們會(huì)相互作用，使酒體渾濁、顏色改變，嚴(yán)重影響馬鈴薯酒的感官品質(zhì)。因此，為提升馬鈴薯酒的感官品質(zhì)，試驗(yàn)對(duì)釀制的馬鈴薯酒進(jìn)行澄清處理。在單因素基礎(chǔ)上進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)，得出馬鈴薯酒的最佳澄清工藝。

明膠是由動(dòng)物皮膚等組織中的膠原部分降解而成的呈淡黃色、半透明狀的蛋白類(lèi)物質(zhì)。作為酒的澄清劑，它能與酒中的單寧物質(zhì)結(jié)合成糊狀的蛋白質(zhì)-單寧化合物，來(lái)吸附酒中的混濁物質(zhì)使其沉淀，從而使酒澄清[3-4]。

蛋清粉可以改變酒體的結(jié)構(gòu)感，它可以與酒中的單寧物質(zhì)結(jié)合后吸附渾濁物質(zhì)，還可以穩(wěn)定馬鈴薯酒中的多酚物質(zhì)，使酒體更加圓潤(rùn)飽滿(mǎn)，口感協(xié)調(diào)。

皂土又稱(chēng)膨潤(rùn)土，主要成分為二氧化硅，還含有氧化鋁、氧化鈣、氧化鎂、氧化鐵等物質(zhì)，其中鎂離子、鈣離子可結(jié)合色素、蛋白質(zhì)等多種懸浮物起到澄清作用[6]。

殼聚糖是一種直鏈多聚糖，它是天然的陽(yáng)離子的絮凝劑，會(huì)與帶負(fù)電的單寧、可溶性蛋白、渾濁微粒結(jié)合成絮狀物而沉淀[8]。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

馬鈴薯酒（河北北方學(xué)院食品科學(xué)系自釀）；明膠（食品級(jí)，河南千味生物科技有限公司）；皂土（河南安然食品生物科技有限公司）；蛋清粉（煙臺(tái)帝伯仕自釀機(jī)有限公司）；殼聚糖（食品級(jí)，河信和生物科技有限公司）。

1.2 儀器與設(shè)備

FA1604電子天平（天津天馬衡基儀器有限公司）；DJ-98-11電熱恒溫水浴鍋（天津市泰斯特儀器有限公司）；UV765紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)（上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司）。

1.3 測(cè)定方法

取馬鈴薯發(fā)酵后的酒，用四層紗布過(guò)濾，得出馬鈴薯酒，使其與蒸餾水作空白對(duì)照，測(cè)定在波長(zhǎng)660 nm時(shí)的透光率。

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 澄清劑的配制

明膠溶液：準(zhǔn)確稱(chēng)取1 g明膠，加入49 mL蒸餾水放入溫度70 ℃水浴鍋中緩慢攪拌使其溶解，配成2%明膠，冷卻備用。

皂土溶液：準(zhǔn)確稱(chēng)取1 g皂土，加入49 mL蒸餾水充分?jǐn)嚢柚寥芙獬?%皂土懸浮液。

蛋清粉溶液：準(zhǔn)確稱(chēng)取1 g蛋清粉，加入49 mL蒸餾水充分?jǐn)嚢柚寥芙獬?%蛋清粉溶液。

殼聚糖溶液：準(zhǔn)確稱(chēng)取1 g殼聚糖，加入49 mL蒸餾水充分?jǐn)嚢柚寥芙獬?%殼聚糖溶液。

1.4.2 復(fù)合澄清劑對(duì)馬鈴薯發(fā)酵酒的澄清效果的影響

1.4.2.1 單一澄清劑對(duì)馬鈴薯酒澄清的影響

取馬鈴薯酒樣品20 mL于50 mL離心管中，分別加入0.12，0.16，0.20，0.24，0.28和0.32 g/100 mL梯度的明膠、蛋清粉、皂土、殼聚糖4種澄清劑，混合均勻后放入室內(nèi)靜置72 h，取其上清液在660 nm處測(cè)定透光率，篩選出透光率值較高的2種澄清劑進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

1.4.2.2 復(fù)合澄清劑的配比單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在1.4.2.1中選擇透光率較高的兩種澄清劑進(jìn)行復(fù)合配比。取馬鈴薯酒樣品20 mL于50 mL的離心管中，在復(fù)合澄清劑總量為0.048 g的前提下，按照質(zhì)量比1∶1，1.5∶1，2.0∶1，2.5∶1和3.0∶1向馬鈴薯酒中加入復(fù)合澄清劑并攪拌均勻，在水浴溫度45 ℃條件下水浴50 min后放入室內(nèi)靜置72 h。取上清液在波長(zhǎng)660 nm處測(cè)定酒的透光率，確定符合澄清劑的配比。

1.4.2.3 復(fù)合澄清劑水浴溫度單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

取馬鈴薯酒樣品20 mL于50 mL離心管中，向酒體中加入0.048 g配比2∶1的復(fù)合澄清劑，并在40，45，50，55，60，65，70，75，80，85，90，95和100 ℃水浴中保溫50 min，之后，室溫靜置72 h，取上清液在660 nm處測(cè)定其透光率，確定最佳水浴溫度。

1.4.2.4 復(fù)合澄清劑水浴時(shí)間單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)取馬鈴薯酒樣品20 mL于50 mL離心管中，按照復(fù)合澄清劑比例2∶1，總質(zhì)量0.048 g進(jìn)行混合，將酒樣在最適溫度下分別處理30，40，50，60和70 min，室溫靜置72 h，取上清液在660 nm處測(cè)定其透光率，確定最佳的水浴時(shí)間。

1.4.2.5 復(fù)合澄清劑澄清馬鈴薯酒的響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，以水浴時(shí)間（A）、水浴溫度（B）、復(fù)合澄清劑配比（C）為因素，以透光率（Y）為響應(yīng)值，利用Design Expert 8.06軟件，進(jìn)行響應(yīng)面的試驗(yàn)設(shè)計(jì)。響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素與水平見(jiàn)表1。

表1 復(fù)合澄清劑澄清馬鈴薯酒的響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)因素與水平

2 結(jié)果與分析

2.1 單一澄清劑對(duì)馬鈴薯酒澄清的影響

2.1.1 明膠添加量對(duì)馬鈴薯酒澄清的影響

由圖1可知，在明膠的添加量為0～0.16 g/100 mL時(shí)，隨著明膠添加量增加，馬鈴薯酒透光率逐漸增大；明膠添加量為0.16 g/100 mL時(shí)，馬鈴薯酒透光率值最大為89.3%，此時(shí)的澄清效果最好；明膠添加量大于0.16 g/100 mL時(shí)，隨著明膠添加量逐漸增加，透光率逐漸下降，但整體逐步趨于穩(wěn)定，可能是由于明膠與馬鈴薯酒中的單寧之間相互作用才使其達(dá)到澄清效果，但澄清劑添加量過(guò)大會(huì)造成沉淀過(guò)多，使馬鈴薯酒的澄清效果不明顯[5]。

圖1 明膠添加量對(duì)馬鈴薯酒澄清的影響

2.1.2 蛋清粉添加量對(duì)馬鈴薯酒澄清的影響

由圖2可知，蛋清粉添加量為0.12 g/100 mL時(shí)，馬鈴薯酒透光率最大可達(dá)61.6%，此時(shí)的馬鈴薯酒的澄清效果最好，但隨著蛋清粉含量逐漸增大，馬鈴薯酒的透光率逐漸減小且趨于穩(wěn)定。故蛋清粉添加量為0.12 g/100 mL時(shí)的馬鈴薯酒澄清效果最好。

圖2 蛋清粉添加量對(duì)馬鈴薯酒澄清的影響

2.1.3 皂土添加量對(duì)馬鈴薯酒澄清的影響

由圖3可知，皂土添加量為0～0.16 g/100 mL時(shí)，隨著皂土添加量增加，馬鈴薯酒的透光率逐漸升高，皂土添加量為0.16 g/100 mL時(shí)，馬鈴薯酒的透光率最高為84.5%；但隨著皂土添加量大于0.16 g/100 mL時(shí)，透光率隨著添加量增大而下降。這可能是由于當(dāng)皂土添加量少于0.16 g/100 mL時(shí)，皂土的吸附效果不明顯，酒體內(nèi)的混濁物沒(méi)有被完全吸附；而高于0.16 g/100 mL時(shí)，可能是因?yàn)檫^(guò)量的皂土不再起澄清效果，相反，本身會(huì)引起酒體沉濁[7]。所以皂土添加量為0.16 g/100 mL時(shí)的澄清效果最好。

圖3 皂土添加量對(duì)馬鈴薯酒澄清的影響

2.1.4 殼聚糖添加量對(duì)藍(lán)莓果酒澄清的影響

由圖4可知，殼聚糖澄清效果基本保持穩(wěn)定，其透光率在43.3%～50.3%的范圍內(nèi)，澄清效果不明顯，但其范圍內(nèi)透光率有略微變化。殼聚糖添加量在0～0.24 g/100 mL 范圍內(nèi)，隨著添加量增加透光率顯著升高，殼聚糖添加量達(dá)到0.24 g/100 mL時(shí)，透光率達(dá)到最大值50.3%。可能是由于在殼聚糖的添加量低于0.24 g/100 mL時(shí)，沒(méi)有達(dá)到最佳的絮凝效果，故澄清率相對(duì)較低。高于0.24 g/100 mL時(shí)，由于殼聚糖也是增稠劑，自身也會(huì)給酒體帶來(lái)渾濁，使澄清度降低。

圖4 殼聚糖添加量對(duì)馬鈴薯酒澄清的影響

2.1.5 4種澄清劑澄清馬鈴薯酒效果比較

不添加澄清劑時(shí)，馬鈴薯酒的透光率為43.3%。分別加入相同梯度的不同澄清劑時(shí)，可從透光率的不同篩選出澄清效果較好的2種澄清劑作復(fù)合澄清劑進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。澄清劑添加量為0.12，0.16，0.20，0.24，0.28和0.32 g/100 mL時(shí)，明膠的最高透光率為89.3%，蛋清粉的最高透光率為61.6%、殼聚糖的最高透光率為50.3%、皂土的最高透光率為84.5%。所以，采用明膠與皂土作為復(fù)合澄清劑進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

2.2 復(fù)合澄清劑澄清單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 復(fù)合澄清劑配比對(duì)馬鈴薯酒的澄清效果

取馬鈴薯酒的樣品20 mL于50 mL離心管中，在明膠與皂土復(fù)合澄清劑總量0.048 g前提下，按比例為1.0∶1，1.5∶1，2.0∶1，2.5∶1和3.0∶1加入復(fù)合澄清劑并混合均勻，在45 ℃保溫50 min后，于室溫靜置72 h。用移液槍吸取上清液在660 nm處測(cè)定其透光率，澄清效果見(jiàn)圖5。復(fù)合澄清劑配比1.5∶1時(shí)，透光率最高，可達(dá)73.2%。

圖5 復(fù)合澄清劑配比對(duì)馬鈴薯酒澄清效果的影響

2.2.2 復(fù)合澄清劑水浴溫度對(duì)馬鈴薯酒澄清效果的影響

取馬鈴薯酒的樣品20 mL于50 mL離心管中，按復(fù)合澄清劑配比2∶1加入，混合均勻，分別在40，45，50，55，60，65，70，75，80，85，90，95和100 ℃下保溫 50 min后室溫靜置72 h。用移液槍吸取上清液，在660 nm處測(cè)定其透光率，結(jié)果見(jiàn)圖6。水浴溫度40～70 ℃時(shí)，隨著水浴溫度升高，透光率呈明顯上升趨勢(shì)。水浴溫度達(dá)到70 ℃時(shí)，馬鈴薯酒的澄清效果最好，透光率達(dá)88.6%。隨著水浴溫度提升，透光率基本保持平穩(wěn)。

圖6 復(fù)合澄清劑水浴溫度對(duì)馬鈴薯酒澄清效果的影響

2.2.3 復(fù)合澄清劑水浴時(shí)間對(duì)馬鈴薯酒澄清的影響

取馬鈴薯酒樣品20 mL于50 mL離心管中，按復(fù)合澄清劑配比2∶1加入，混合均勻，在一定水浴溫度下保溫30，40，50，60和70 min，其間不斷攪拌，然后室溫下靜置72 h，用移液槍吸取上清液在660 nm處測(cè)定其透光率，結(jié)果見(jiàn)圖7。隨著水浴時(shí)間延長(zhǎng)，透光率緩慢升高，水浴時(shí)間為40 min時(shí)，透光率最大，為72.9%。隨著水浴時(shí)間增加，馬鈴薯酒的透光率反而在下降?？赡艿脑蚴?，水浴時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)使得復(fù)合澄清劑與酒體之間黏著性更大反而起不到澄清效果。

圖7 復(fù)合澄清劑水浴時(shí)間對(duì)馬鈴薯酒澄清效果的影響

2.3 復(fù)合澄清劑澄清馬鈴薯酒響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果和Box-Behnken的中心組合設(shè)計(jì)，選取3個(gè)因素——水浴時(shí)間、水浴溫度、復(fù)合澄清劑配比以透光率為響應(yīng)值，設(shè)計(jì)三因素三水平共17個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的響應(yīng)面分析試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 響應(yīng)面分析方案及試驗(yàn)結(jié)果

采用Design-Expert 8.06軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元回歸擬合，得到以透光率為目標(biāo)函數(shù)的二次回歸方程：透光率Y=93.14+1.12A-0.91B+0.99C-1.37AB-0.82AC+0.99BC-5.10A2-1.86B2-3.82C2。

由表3和圖8可知，F(xiàn)值的大小可以判斷出影響透光率中A（水浴時(shí)間）的影響最大，C（澄清劑的配比）對(duì)其影響次之，B（水浴溫度）對(duì)其結(jié)果影響最小。模型達(dá)到極顯著水平（p＜0.01），表明模型構(gòu)建較成功。失擬項(xiàng)不顯著（p＞0.05），表明回歸方程擬合效果較好，其中，A2項(xiàng)、C2項(xiàng)對(duì)響應(yīng)值影響極顯著（p＜0.01），決定系數(shù)R2=0.917 6，調(diào)整決定系數(shù)=0.811 7，說(shuō)明該模型的預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值具有較好的擬合性，因此可用此模型對(duì)馬鈴薯酒的透光率進(jìn)行預(yù)測(cè)。通過(guò)響應(yīng)面優(yōu)化分析得到馬鈴薯酒的最佳澄清條件為：水浴時(shí)間41.4 min，水浴溫度68.62 ℃，澄清劑配比1.54∶1。此時(shí)預(yù)測(cè)的透光率為93.383%。綜合考慮試驗(yàn)的可操作性，將澄清劑配比設(shè)定為1.54∶1，水浴溫度設(shè)定為68.6 ℃，水浴時(shí)間設(shè)定為41.4 min，在此條件下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，得到透光率為94%，與模型的預(yù)測(cè)值吻合程度較高，說(shuō)明試驗(yàn)所獲得的回歸模型方程具有良好可靠性和實(shí)用性。

表3 回歸模型方差分析

2.4 響應(yīng)面曲面圖分析

根據(jù)回歸方程利用Design-Expert 8.06軟件，作出各因素兩兩交互作用響應(yīng)面及等高線(xiàn)見(jiàn)圖8。

圖8 各因素交互作用對(duì)還原糖影響的響應(yīng)面及等高線(xiàn)

3 結(jié)論

試驗(yàn)分別對(duì)馬鈴薯酒中添加的明膠、皂土、蛋清粉和殼聚糖4種澄清劑進(jìn)行澄清處理，結(jié)果表明，對(duì)于添加單一澄清劑來(lái)說(shuō)，添加明膠和皂土的透光率要高于蛋清粉和殼聚糖，所以選用明膠-皂土進(jìn)行復(fù)合澄清劑處理。在單因素和響應(yīng)面的優(yōu)化下，馬鈴薯酒最佳的澄清條件為：明膠與皂土的配比1.54∶1，水浴溫度68.6 ℃，水浴時(shí)間41.4 min。在此條件下做3次平行試驗(yàn)，驗(yàn)證后得到馬鈴薯酒的透光率最高為94%，與預(yù)測(cè)值接近，說(shuō)明模型能較好地預(yù)測(cè)馬鈴薯酒的澄清度。