黃精水解液制備工藝優(yōu)化及新型黃精黃酒的釀制

汪 濤，周新群，孫君社，2，張志民，2，王民敬，2，胡雪芳，2，李旭瑞，2，裴海生，2

（1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計研究院 農(nóng)產(chǎn)品加工工程研究所，北京 100121；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)后處理重點實驗室，北京 100121；3.貴州大學(xué) 釀酒與食品工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025）

黃精（Polygonatum sibiricum）又名雞頭黃精，我國首批進入食藥同源的品種，中醫(yī)以根莖入藥是一種重要的中草藥，已經(jīng)使用了數(shù)千年。黃精富含活性多糖、皂苷、黃酮、蒽醌、生物堿和多種人體有用氨基酸[1]。經(jīng)研究，黃精在治療疲勞、降血糖、提高免疫和緩解性功能障礙等方面均有很好的療效[2-4]。黃精富含的黃酮、多酚和皂苷等活性成分均易溶于乙醇類有機溶劑，可提高酒精類產(chǎn)品的營養(yǎng)價值[5]。

目前，國內(nèi)專家學(xué)者很重視原料水解的研究，對水解方法、技術(shù)做了大量的工作。研究發(fā)現(xiàn)將固體原料水解后，便于其營養(yǎng)物質(zhì)充分利用、保留以及相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)[6]。黃精作為一種常用的道地藥材，富含大量的功效物質(zhì)。據(jù)調(diào)查目前市面上黃精產(chǎn)品幾乎都用固體原料加工生產(chǎn)的，沒有做任何處理，這樣不僅使黃精營養(yǎng)物質(zhì)流失，而且不便于人體吸收[7]。通過高速剪切、超聲酶解兩步對黃精進行水解，二者循序漸進、相輔相成使其盡可能全水解，大部分功能性物質(zhì)溶于水解液中，為后期產(chǎn)品開發(fā)提供易加工、高價值的原料。

原料水解釀造是一種新型釀酒工藝，用黃精水解液釀制黃酒，一方面可以免去黃精蒸煮環(huán)節(jié)，另一方面可以保證黃精營養(yǎng)物質(zhì)的充分利用。本研究通過單因素和正交試驗，以黃精多糖溶出率為指標，采用高速剪切和超聲酶解法兩步水解黃精，然后用黃精水解液和糯米釀制新型黃精黃酒，釀造出營養(yǎng)豐富、風(fēng)格獨特的新型黃酒。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

黃精（Polygonatum sibiricum）：遼寧澳地森生物工程有限公司；圓江糯米：盤錦大米集團；釀酒酵母（Saccharomyces cervisae）：中國食品發(fā)酵工業(yè)研究院；酒曲：雅大科技實業(yè)有限公司；傳統(tǒng)黃酒、傳統(tǒng)黃精黃酒：均為實驗室自制。

麥芽汁培養(yǎng)基：青島海博覽生物技術(shù)有限公司；亞鐵氰化鉀、五水硫酸銅、酒石酸鉀鈉：北京化工廠有限責任公司；苯酚、纖維素酶（10 000 U/g）：國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

HZQ-C空氣浴振蕩器：東聯(lián)電子技術(shù)開發(fā)技術(shù)有限公司；HS-250A恒溫恒濕培養(yǎng)箱：南京恒裕電子儀器廠；LDZX-50KBS立體式高壓滅菌器：上海申安醫(yī)療器械廠；RE-2000A旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器：西安喬普生物科技有限公司；VMA-cc高速剪切分散乳化機：北京東聯(lián)哈爾儀器制造有限公司；KQ-700TDV聲波清洗器：北京林子大科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 黃精水解工藝流程

1.3.2 黃精原料高速剪切水解工藝優(yōu)化

單因素試驗設(shè)計：分別選取剪切時間（10 min、20 min、30 min、40 min、50 min、60 min），剪切速率（10 000 r/min、11 000 r/min、12 000 r/min、13 000 r/min、14 000 r/min、15 000 r/min），pH（2、3、4、5、6、7、8），料液比（1∶20、1∶30、1∶40、1∶50、1∶60、1∶70，g∶mL）進行單因素試驗，分別測定黃精多糖溶出率，考察剪切時間、剪切速率、pH值、料液比對黃精原料水解的影響。

正交試驗設(shè)計：根據(jù)單因素試驗結(jié)果，確定剪切速率為14 000 r/min，選料剪切時間（A）、剪切pH（B）、料液比（C）為自變量，黃精多糖溶出率為因變量進行正交試驗，正交試驗因素與水平見表1。

表1 黃精原料高速剪切條件優(yōu)化正交試驗因素與水平Table 1 Factors and levels of orthogonal experiments for high-speed shear conditions optimization of Polygonatum sibiricum

1.3.3 黃精濾渣超聲酶解工藝優(yōu)化

單因素試驗設(shè)計：分別選取纖維素酶添加量（1.0%、2.0%、3.0%、4.0%、5.0%、6.0%），超聲功率（100 W、150 W、200 W、250 W、300 W、350 W），料液比（1∶5、1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30，g∶mL），超聲時間（30 min、40 min、50 min、60 min、70 min、80 min）進行單因素試驗，分別測定黃精多糖溶出率，考察纖維素酶添加量、超聲功率、料液比、超聲時間對黃精濾渣水解的影響。

正交試驗設(shè)計：根據(jù)單因素試驗結(jié)果，以纖維素酶添加量（A）、超聲功率（B）、料液比（C）、超聲時間（D）為自變量，黃精多糖溶出率為因變量進行正交試驗，因素與水平見表2。

表2 黃精濾渣超聲酶解條件優(yōu)化正交試驗因素與水平Table 2 Factors and levels of orthogonal experiments for ultrasonic hydrolysis condition optimization of Polygonatum sibiricum filter residue

1.3.4 新型黃精黃酒釀制工藝流程及操作要點

（1）在傳統(tǒng)黃精黃酒工藝技術(shù)的基礎(chǔ)上，僅對黃精水解液發(fā)酵比例進行研究；糯米蒸煮后冷卻至常溫，添加0.6%酒曲30 ℃糖化24 h后，接種2%釀酒酵母，28 ℃進行主發(fā)酵6 d，結(jié)束后溫度降至15 ℃進入后發(fā)酵。

（2）將黃精水解液蒸發(fā)濃縮，調(diào)節(jié)pH近中性，備用。分別選擇黃精水解液占釀造水比例為15%、30%、45%、60%、75%、90%、100%，探究其對發(fā)酵的影響并確定最佳比例。

1.3.5 測定方法

感官評價：參照GB/T 13662—2018《黃酒》中感官指標要求，制定感官評分標準見表3。

表3 黃精黃酒感官評分標準Table 3 Sensory evaluation standards of Polygonatum sibiricum Huangjiu

續(xù)表

由經(jīng)過訓(xùn)練的5人組成的產(chǎn)品感官評定小組，按感官評分標準對酒體的外觀、香氣、口感、風(fēng)格分別進行綜合評分，滿分100分，取平均分作為感官評分。

黃精多糖溶出率：采用苯酚硫酸法測定黃精多糖含量[8]，葡萄糖標準曲線回歸方程為：y=0.008 2x+0.028 3，R2=0.999 1。將水解液真空抽濾，收集濾液，蒸發(fā)濃縮，加入無水乙醇至體積分數(shù)為80%，醇沉2 h，7 000 r/min離心8 min得到粗多糖。按下列公式計算黃精多糖溶出率。

式中：C為標準曲線上對應(yīng)的葡萄糖含量，μg/mL；V為黃精多糖水溶液體積，mL；d為稀釋倍數(shù)；M為樣品干質(zhì)量，g。

黃精水解率的計算公式如下：

式中：M為黃精原料質(zhì)量，g；Mt為兩步水解后黃精濾渣質(zhì)量，g。

酒精度、總糖、總酸、氨基酸態(tài)氮、多糖：參照GB/T 13662—2018《黃酒》。

酒體中多糖含量計算公式：

式中：C為標準曲線上對應(yīng)的葡萄糖含量，mg/mL；v為多糖水溶液體積，mL；d為稀釋倍數(shù)；V為酒樣體積，mL。

1.3.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

使用Excel 2010、SPSS 19.0、Origin 8.5對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 黃精原料高速剪切水解單因素試驗結(jié)果與分析

2.1.1 剪切時間對黃精原料水解的影響

由圖1可知，黃精多糖溶出率隨剪切時間的延長呈先增加后降低的趨勢。剪切時間為50 min時，黃精多糖溶出率達到最高，為19.97%。高速剪切使黃精顆粒在定、轉(zhuǎn)子狹窄的間隙中受到強烈的機械剪切、離心擠壓、撞擊撕裂和湍流等作用，在短時間內(nèi)實現(xiàn)破壁，延長剪切時間破壁效果會更好，黃精多糖溶出率更高，但剪切時間過長會使溶劑溫度升高，多糖因高溫而分解[9]。因此，選擇剪切時間50 min為宜。

圖1 剪切時間對黃精原料水解的影響Fig.1 Effect of shear time on hydrolysis of Polygonatum sibiricum

2.1.2 剪切速率對黃精原料水解的影響

圖2 剪切速率對黃精原料水解的影響Fig.2 Effect of shear rate on hydrolysis of Polygonatum sibiricum

由圖2可知，黃精多糖溶出率隨剪切速率的增加呈增加并緩慢穩(wěn)定的趨勢，即在剪切速率達到14 000 r/min時，黃精多糖溶出率為20.13%，之后增加緩慢并趨于穩(wěn)定，是因為剪切速率增加到使物料間相互作用力達到某種平衡對多糖溶出影響不明顯[10]。因此選擇剪切速率14 000 r/min為宜。

2.1.3 剪切pH對黃精原料水解的影響

圖3 剪切pH對黃精原料水解的影響Fig.3 Effect of shear pH on hydrolysis of Polygonatum sibiricum

由圖3可知，黃精多糖溶出率隨剪切pH的升高呈先增加后降低的趨勢，剪切pH為3時達到最高，為25.74%。酸性溶劑有輔助分解植物細胞壁木質(zhì)素及纖維素的作用，使黃精多糖溶出率增加，但pH太低的環(huán)境會破壞多糖的結(jié)構(gòu)，使其降低；當pH＞3之后，溶劑中OH-增多，使細胞壁的纖維素、半纖維素的屈服強度增加、斷裂鍵能增強，水解程度降低[11-12]。因此選擇剪切pH3為宜。

2.1.4 料液比對黃精原料水解的影響

圖4 料液比對黃精原料水解的影響Fig.4 Effect of material-liquid ratio on hydrolysis of Polygonatum sibiricum

由圖4可知，黃精多糖溶出率隨料液比變化呈先增加后減少的趨勢。料液比為1∶50時黃精多糖溶出率達到最高，為25.55%。增加溶劑體積能使黃精顆粒擴散空間增加，與溶劑的有效接觸面積增大，浸潤破裂效果則更好，增加了黃精多糖在溶劑中的溶解量；但料液比過小時物料間相互的作用力太小使多糖溶出率降低，且過多的溶劑體積會對后續(xù)的處理造成困難，增加水解工藝成本[13]。因此選擇料液比1∶50（g∶mL）為宜。

2.2 黃精原料高速剪切水解條件優(yōu)化正交試驗結(jié)果與分析

表4 黃精原料高速剪切水解條件優(yōu)化正交試驗結(jié)果與分析Table 4 Results and analysis of orthogonal experiments results for high-speed shear conditions optimization of Polygonatum sibiricum raw material

由表4可知，影響黃精原料水解效果的強弱順序為剪切pH＞剪切時間＞料液比，最優(yōu)方案為A2B1C2，即剪切時間50 min、剪切pH為2、料液比1∶50（g∶mL）。為了驗證正交試驗的可靠性，對最佳條件進行驗證，試驗進行3組平行，測得黃精多糖溶出率均值25.47%。

為了進一步驗證其結(jié)果的準確性，對其進行方差分析，結(jié)果見表5。由表5可知，剪切時間、剪切pH、料液比對試驗結(jié)果影響均顯著（P＜0.05）。

表5 黃精原料高速剪切水解條件優(yōu)化正交試驗結(jié)果方差分析Table 5 Variance analysis of orthogonal experiments results for high-speed shear conditions optimization of Polygonatum sibiricum raw material

2.3 黃精濾渣超聲酶解單因素試驗結(jié)果與分析

2.3.1 纖維素酶添加量對黃精濾渣水解的影響

圖5 纖維素酶添加量對黃精濾渣水解的影響Fig.5 Effect of cellulase content on hydrolysis of Polygonatum sibiricum filter residue

由圖5可知，黃精濾渣多糖溶出率隨纖維素酶添加量的增加呈增加并緩慢穩(wěn)定的趨勢。纖維素酶通過破壞細胞壁使黃精多糖溶出。隨著酶添加量的增加，酶促反應(yīng)速度加快，細胞壁破壞程度變嚴重，黃精多糖溶出增加[14]；當纖維素酶添加量為3%時，黃精多糖溶出率為22.41%，繼續(xù)增加酶添加量，酶促反應(yīng)達飽和狀態(tài)，黃精多糖不再增加，趨于穩(wěn)定。其次，酶過量不僅影響酒體口感，而且增加工藝成本。因此，選擇纖維素酶添加量3%為宜。

2.3.2 超聲功率對黃精濾渣水解的影響

由圖6可知，黃精濾渣多糖溶出率隨超聲功率的增加呈先增加后降低的趨勢。超聲波具有機械效應(yīng)、空化效應(yīng)和熱效應(yīng)，通過大分子的運動速率，增大介質(zhì)的穿透力[15]。隨著超聲功率的增大，超聲波空化作用增強，對細胞的作用增強，細胞膜和細胞壁的通透性增大，從而黃精多糖溶出率增加；當超升功率為250 W時，黃精多糖溶出率達到最高，為24.75%；但隨著超聲功率的繼續(xù)增加，過大的超聲功率會破壞多糖結(jié)構(gòu)，使多糖降解[16]。因此，選擇超聲功率250 W為宜。

圖6 超聲功率對黃精濾渣水解的影響Fig.6 Effect of ultrasonic power on the hydrolysis of Polygonatum sibiricum filter residue

2.3.3 料液比對黃精濾渣水解的影響

由圖7可知，黃精濾渣多糖溶出率隨料液比變化呈先增加后降低的趨勢。料液比較高時溶液黏稠度大，超聲波對細胞的空化作用較弱，加之細胞內(nèi)外溶質(zhì)的濃度差較小，不利于多糖的溶出；隨著溶劑的增加，溶液黏稠度降低，細胞內(nèi)外多糖的濃度差增大，有利于多糖向溶劑中擴散[17]。當料液比為1∶20時，黃精多糖溶出率最高，為24.82%；繼續(xù)增加料液比，超聲波所產(chǎn)生的能量被溶劑吸收，并且雜質(zhì)溶出較多，多糖溶出率反而下降[18]。因此，選擇料液比1∶20（g∶mL）為宜。

圖7 料液比對黃精濾渣水解的影響Fig.7 Effect of material-liquid ratio on hydrolysis of Polygonatum sibiricum filter residue

2.3.4 超聲時間對黃精濾渣水解的影響

由圖8可知，隨著超聲時間的延長，黃精濾渣多糖溶出率呈先增加后降低的趨勢。隨著超聲時間的推移，多糖溶出率不斷提高，60 min時達到最高，為25.43%；而60 min之后，多糖溶出率開始下降，這是因為隨著超聲時間的延長，超聲波的機械效應(yīng)、空化效應(yīng)和熱效應(yīng)使分子結(jié)構(gòu)可能發(fā)生改變，水溶性變差，多糖溶出率下降[19]。因此，選擇超聲時間60 min為宜。

圖8 超聲時間對黃精濾渣水解的影響Fig.8 Effect of ultrasonic time on hydrolysis of Polygonatum sibiricum filter residue

2.4 黃精濾渣超聲酶解工藝優(yōu)化正交試驗結(jié)果與分析

表6 黃精濾渣超聲酶解條件優(yōu)化正交試驗結(jié)果與分析Table 6 Results and analysis of orthogonal experiments results for ultrasonic hydrolysis condition optimization of Polygonatum sibiricum filter residue

由表6可知，影響黃精濾渣水解效果的強弱順序為纖維素酶添加量＞超聲時間＞超聲功率＞料液比；最優(yōu)方案為A1B1C2D2，即纖維素酶添加量2%，超聲功率200 W，料液比1∶20（g∶mL），超聲時間60 min。為了驗證正交試驗的可靠性，對最佳條件進行驗證，試驗進行3組平行，測得黃精濾渣多糖溶出率均值為27.63%。

為了進一步驗證其結(jié)果的準確性，對其進行方差分析。由表7可知，纖維素酶添加量、超聲功率、超聲時間對試驗結(jié)果影響均顯著（P＜0.05），料液比對試驗結(jié)果影響不顯著（P＞0.05）。

表7 黃精濾渣超聲酶解條件優(yōu)化正交試驗結(jié)果方差分析Table 7 Variance analysis of orthogonal experiments results for hydrolysis conditions optimization of Polygonatum sibiricum filter residue

2.5 黃精多糖溶出率和水解率的結(jié)果與分析

圖9 黃精多糖溶出率及水解率Fig.9 Dissolution rate and hydrolysis rate of Polygonatum sibiricum

由圖9可知，黃精原料經(jīng)過高速剪切，其濾渣再經(jīng)超聲波酶解的處理后黃精多糖溶出率達52.5%。再者黃精水解率達到81.3%，很大程度上改變了黃精原料的物理狀態(tài)，這樣能使其充分的利用和高價值開發(fā)。通過高速剪切、超聲酶解兩步處理黃精，不僅能提高新型黃精黃酒的營養(yǎng)價值，而且解決了原料在不經(jīng)過蒸煮發(fā)酵時酸度高的情況，最大限度體現(xiàn)黃精應(yīng)有的價值。

2.6 新型黃精黃酒釀制研究及酒體質(zhì)量分析

表8 黃精水解液比例對新型黃精黃酒發(fā)酵的影響Table 8 Effect of Polygonatum sibiricum hydrolysate ratio on fermentation of new type Polygonatum sibiricum Huangjiu

在傳統(tǒng)黃精黃酒工藝條件的基礎(chǔ)上，以黃精水解液占釀造水比例進行發(fā)酵試驗研究。由表8可知，在黃精水解液比例為75%，發(fā)酵7 d時，酒體感官評分為82.5分，酸甜適中，口感醇厚，具有濃郁的黃精獨有的香味。故黃精水解液占釀造水的75%時最為適宜。

通過15 d發(fā)酵，得到新型黃精黃酒為淡黃色、清亮透明、酸甜適中，具有黃精中藥原有的特殊香味，總糖11.15 g/L，總酸6.32 g/L，酒精度11.2%vol，pH值4.4，氨基酸肽氮含量0.39 g/L。感官評價、理化指標均符合GB/T 13662—2008《黃酒》中對一級干黃酒的要求。

2.7 新型黃精黃酒多糖含量的測定結(jié)果與分析

多糖是黃精最主要的功能性成分，黃精產(chǎn)品獨特之處就是較傳統(tǒng)產(chǎn)品多糖含量更多。由圖10可知，傳統(tǒng)黃酒、傳統(tǒng)黃精黃酒、新型黃精黃酒中多糖含量分別為1.11 mg/mL、1.90 mg/mL、5.01 mg/mL。其中，新型黃精黃酒多糖含量是傳統(tǒng)黃酒的4.51倍，傳統(tǒng)黃酒中的多糖大部分是糯米發(fā)酵后殘余的糊精類物質(zhì)[20]，但黃精主要成分為多糖，而且其中還存在較多的非淀粉類中性多糖，在發(fā)酵過程中大部分被保留，從而使酒體中多糖含量增加；新型黃精黃酒多糖濃度遠高于傳統(tǒng)法釀造的黃精黃酒，是傳統(tǒng)黃精黃酒的2.64倍，其發(fā)酵過程中直接添加的是黃精水解液，水解液中原有的多糖含量遠高于傳統(tǒng)釀造過程中黃精浸出來的多糖。黃精含有多種功能性成分，其主要功能性成分為黃精多糖，酒體中多糖含量的增加不僅改善了黃酒的品質(zhì)，增加黃酒的種類，還提高了黃精的附加值。

圖10 新型黃精黃酒多糖含量測定結(jié)果Fig.10 Determination results of polysaccharide content in the new Polygonatum sibiricum Huangjiu

3 結(jié)論

運用高速剪切、超聲酶解兩步對黃精進行水解，通過正交試驗得出黃精原料高速剪切工藝參數(shù)為剪切時間50 min、剪切pH為2、剪切速率14 000 r/min、料液比1∶50（g∶mL）；黃精濾渣水解工藝參數(shù)為纖維素酶添加量2%、超聲功率200 W、料液比1∶20（g∶mL）、超聲時間60 min，經(jīng)過這兩步對黃精的處理黃精多糖溶出率達52.5%，水解率為81.3%。

黃精水解液與糯米結(jié)合發(fā)酵新型黃精黃酒，感官評價、理化指標符合GB/T 13662—2008《黃酒》中對一級干黃酒的要求；其中，經(jīng)檢測新型黃精黃酒多糖含量為5.01 mg/mL，遠高于傳統(tǒng)黃精黃酒、傳統(tǒng)黃酒。說明新型黃酒即繼承了傳統(tǒng)黃酒的風(fēng)格特點，也突顯了自身的獨特性。