響應(yīng)面法優(yōu)化杏酒發(fā)酵工藝

陳 雅，雷 靜，廉葦佳，韓 琛，吳 斌，阿依加馬麗·加帕爾

(新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院吐魯番農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，新疆吐魯番 838000)

0 引 言

【研究意義】杏(Armeniaca vulgaris Lam.)落葉喬木，屬薔薇科李亞科杏屬植物，原產(chǎn)于我國，已有3 500年的栽培歷史[1-2]。杏營養(yǎng)豐富，含大量碳水化合物、多種維生素、礦物質(zhì)、類胡蘿卜素及水溶性多糖、揮發(fā)油、多酚物質(zhì)等多種活性物質(zhì)[3-6]。杏是新疆的主栽果樹之一[7]，2017年新疆杏種植面積11.1×104hm2，年產(chǎn)量93.3×104t；其中，吐魯番杏種植面積0.05×104hm2，年產(chǎn)量2.3×104t[8]。吐魯番以小白杏、梨光杏、毛杏為主。其中，毛杏皮薄，果肉細(xì)膩，糖酸適中，果香味濃郁。毛杏成熟期短，皮薄不易儲藏及運(yùn)輸，除鮮食外，讓原產(chǎn)地加工成杏果產(chǎn)品提高其利用價值。【前人研究進(jìn)展】杏果產(chǎn)品有杏脯、杏罐頭、杏干、杏果醋、杏酒、杏飲料等。目前，針對杏果酒開展了杏酒香氣成分、杏酒的護(hù)色、杏酒加工工藝、杏酒酵母的篩選及澄清工藝等研究。李春芳等[9]研究杏子經(jīng)冷凍處理后釀造冰杏酒，得到最佳發(fā)酵條件為：發(fā)酵溫度18℃，糖度21%，酵母接種量0.08%，酸度7 g/L。劉昌蒙等[10]研究NaCl、EDTA、D-異抗壞血酸、檸檬酸、木瓜蛋白酶對杏酒褐變的抑制能力。得到抑制能力：檸檬酸>EDTA>木瓜蛋白酶。低溫條件下，檸檬酸0.3%、EDTA 0.4%、木瓜蛋白酶0.5%復(fù)合對杏果酒護(hù)色效果最佳。傅力等[11]采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)分析了賽買提、小白杏、北山、喬爾胖、圓旦杏和樹上干6種杏子果酒的香氣成分。杏品種的不同，杏酒中的香氣成分有所差異。杏汁初始糖度對杏酒的發(fā)酵速率及風(fēng)味有一定的影響，初始糖度高，發(fā)酵的杏酒酒精度高，可以提高酒的口感，但是初始糖度過高，會影響酵母的代謝，影響酒的風(fēng)味[16]。杏酒的pH值過高或過低都會影響酵母菌的活性[17]。【本研究切入點(diǎn)】杏酒能極大的保留杏的獨(dú)特果香味及營養(yǎng)成分且附加值高?，F(xiàn)如今，杏酒的加工與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展已成為杏資源利用的主要方向，其釀造工藝和品質(zhì)優(yōu)化是杏酒產(chǎn)品開發(fā)的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)[12]。針對毛杏發(fā)酵酒的工藝研究未見報道。研究吐魯番特色毛杏為原料，研究影響杏酒品質(zhì)的關(guān)鍵發(fā)酵工藝參數(shù)?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以新疆毛杏為原料，通過單因素和響應(yīng)面分析法，研究初始糖度、初始pH值、發(fā)酵溫度各自變量及其交互作用對杏酒品質(zhì)的影響，并建立回歸模型，采用響應(yīng)面分析法優(yōu)化杏酒發(fā)酵工藝條件，為杏加工企業(yè)提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材 料

材料：毛杏，采摘于吐魯番產(chǎn)業(yè)園區(qū)；白砂糖，新疆中唐糖業(yè)有限責(zé)任公司。

試劑：鹽酸、氫氧化鈉、葡萄糖、硫酸銅、酒石酸鉀鈉、鄰苯二甲酸氫鉀、乙醇，均為分析純；NaHCO3、檸檬酸，均為食品級；果膠酶，上?？奠称凤嫎I(yè)有限公司；焦亞硫酸鉀，ESSECO S.R.L.；釀酒高活干酵母(LALVIN EC-1118)，上海杰兔工貿(mào)有限公司。

儀器：FA/JA 系列電子天平，上海上平儀器有限公司；控溫發(fā)酵罐FJG-1、儲酒罐，吐魯番市耀揚(yáng)金屬制品有限公司；制冷設(shè)備ICA-20L，上海康賽制冷設(shè)備有限公司；打漿機(jī)DJ-330，溫州市龍灣東霸食品機(jī)械廠。

1.2 方 法

1.2.1 工藝流程

1.2.2 操作要點(diǎn)

原料采收：選擇成熟度高，含糖量高，無腐爛、無病蟲害的新鮮毛杏。

破碎、打漿：毛杏用清水沖洗干凈，去核，將其破碎、打漿，加入一定比例的水。

加焦亞硫酸鉀：加入焦亞硫酸鉀(以SO2計20～30 g/L)，以去除杏中的雜菌，避免影響杏酒的口感和風(fēng)味。

加果膠酶：加入30 g/L的果膠酶以提高毛杏的出汁率[13]，攪拌均勻，靜置2～3 h。

調(diào)節(jié)糖酸：用白砂糖調(diào)糖；用NaHCO3和檸檬酸調(diào)節(jié)酸度。

活化酵母：將水溫調(diào)至37～40℃，加糖調(diào)至糖度為4%，加入酵母進(jìn)行活化。

發(fā)酵：將活化好的酵母加入到杏汁中進(jìn)行控溫發(fā)酵。定期測定杏酒中酒精含量、總糖及總酸，至糖度酒精度基本穩(wěn)定后停止發(fā)酵。

終止發(fā)酵：降溫至0～5℃，添加焦亞硫酸鉀(以SO2計20 g/L)終止發(fā)酵。

低溫澄清：將終止發(fā)酵后的杏酒在0～5℃下靜置10～15 d，使發(fā)酵液中的果肉、酵母等懸浮物沉降到罐底。

陳釀：抽取發(fā)酵罐中的杏酒上清液至儲酒罐，裝至滿罐，沖入氮?dú)?，隔絕空氣，在0℃低溫條件下儲存不少于6個月。

澄清過濾：利用澄清劑進(jìn)行澄清處理，使用硅藻土過濾機(jī)、板框過濾機(jī)過濾至酒體澄清透亮。

殺菌、灌裝：(68±2)℃滅菌3 min后灌裝。

1.2.3 單因素實(shí)驗

(1)調(diào)整初始糖度為24%、初始pH值為3.5、酵母接種量0.03%、發(fā)酵溫度18℃，研究杏水比(1∶0、1∶0.5、1∶1、1∶1.5、1∶2) 對杏酒品質(zhì)的影響；

(2)調(diào)整杏水比1∶0.5，初始pH值為3.5、酵母接種量0.03%、發(fā)酵溫度18℃，研究初始糖度(18%、20%、22%、24%、26%) 對杏酒品質(zhì)的影響；

(3)調(diào)整杏水比1∶0.5、初始糖度22%、酵母接種量0.03%、發(fā)酵溫度18℃，研究初始pH值(2.5、3.0、3.5、4.0、4.5)對杏酒品質(zhì)的影響；

(4)調(diào)整杏水比1∶0.5、初始糖度為22%、初始pH值為3.5、發(fā)酵溫度18℃，研究酵母接種量(0.01%、0.02%、0.03%、0.04%、0.05%) 對杏酒品質(zhì)的影響；

(5)調(diào)整杏水比1∶0.5、初始糖度為22%、初始pH值為3.5、酵母接種量0.04%，研究發(fā)酵溫度(14、18、22、26和30℃) 對杏酒品質(zhì)的影響。

1.2.4 響應(yīng)面實(shí)驗

在單因素實(shí)驗的基礎(chǔ)上，選取初始糖度(A)、初始pH值(B)、發(fā)酵溫度(C)3個因素進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗，以感官評分作為響應(yīng)指標(biāo)，確定杏酒的最適發(fā)酵工藝條件。表1

表1 響應(yīng)面分析因素與水平Table 1 Factors and levels used in response surface analysis

1.2.5 指標(biāo)測定[14-15]

(1)酒精度：酒精計法；總糖：斐林試劑法；總酸：酸堿滴定法。

(2)杏酒感官質(zhì)量評定標(biāo)準(zhǔn)

以色澤、澄清度、香氣、滋味、典型性5個方面為指標(biāo)，對杏酒的感官質(zhì)量進(jìn)行綜合評價，滿分為100分。由10名品評人員組成品評小組，進(jìn)行感官評定，去掉1個最高分和1個最低分后，取其平均分四舍五入取整數(shù)作為感官評分。表2

表2 杏酒感官評分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Sensory evaluation standards of apricot wine

2 結(jié)果與分析

2.1 不同杏水比對杏酒品質(zhì)的影響

研究表明，隨著加水比例的不斷增加，發(fā)酵時間逐漸延長。杏水比為1∶0時，發(fā)酵時間為7 d，杏酒酒精度為10.2%，殘留的總糖含量最高為3.6%，總酸含量為5.7%；杏水比為1∶2時，酒精度達(dá)到11.7%，總糖含量為2.9%，總酸含量為3.2 g/L。杏汁濃度過低，會使杏酒的色澤不佳，果香味寡淡；濃度過高，會降低杏酒的清爽感，從而影響口感。當(dāng)杏水比為1∶0.5時，杏酒的感官質(zhì)量較好。選取最適杏水比為1∶0.5。表3

表3 不同杏水比對杏酒的影響Table 3 Effect of the ratio of apricot and water on apricot wine

2.2 初始糖度對杏酒品質(zhì)的影響

研究表明，隨著初始糖度增加，發(fā)酵時間逐漸延長，酒精度、總糖含量均增加，杏酒發(fā)酵過程中由糖轉(zhuǎn)化成酒精，當(dāng)初始糖度為18%時，沒有足夠的糖轉(zhuǎn)化成酒精，使酒精度較低為9.6%，發(fā)酵時間最短為5 d，杏酒中殘留的總糖含量為0.7%；當(dāng)初始糖度為26%時，發(fā)酵時間較長為11 d，酒精度提高不明顯，總糖含量最高達(dá)4.4%，主要是過多的糖分增加了杏酒的滲透壓，抑制酵母菌的代謝活動?？偹岷侩S著初始糖度的增加逐漸升高，當(dāng)初始糖度為18%時，總酸含量最低，為3.4 g/L；當(dāng)初始糖度為26%時，發(fā)酵周期延長，得到的杏酒總酸最高，為5.8 g/L。結(jié)合感官評分，初始糖度為18%時，感官評分最低為68分；初始糖度為22%時最高，為82分，且酒精度適宜為11.0%，糖酸比例適中，總糖含量2.2%，總酸含量4.9 g/L。選22%為杏酒的最適初始糖度。表4

表4 不同初始糖度下杏酒變化Table 4 Effect of initial sugar content on apricot wine

2.3 初始pH值對杏酒品質(zhì)的影響

研究表明，當(dāng)初始pH值為2.5時，酸度過高，影響酵母活性，抑制發(fā)酵過程，使杏酒發(fā)酵周期明顯延長，且酒精度較低為6.7%，總酸含量較高為9.6%，口感過酸。當(dāng)初始pH值為4.5時，易滋生雜菌，抑制酵母菌的代謝，使酒精度降低，為10.1%，酒體渾濁，風(fēng)味不佳。當(dāng)初始pH值為3.5時，發(fā)酵周期適中，無雜菌生成，酒精含量較高，殘留的總糖含量較低，此時酒體較飽滿，感官質(zhì)量最佳。初始pH值3.5最適杏酒發(fā)酵。表5

表5 不同初始pH值下杏酒變化Table 5 Effect of initial pH value on apricot wine

2.4 酵母接種量對杏酒品質(zhì)的影響

研究表明，酵母接種量為0.01%時，發(fā)酵時間為11 d；當(dāng)酵母接種量0.05%時，發(fā)酵時間為8 d。酒精度隨接種量的增加逐漸增加后趨于平衡，當(dāng)酵母接種量為0.01%時，酵母菌過少，導(dǎo)致酵母菌生長代謝緩慢，酒精發(fā)酵速度緩慢，酒精度較低為8.6%；當(dāng)酵母接種量為0.05%時，接種量多，酵母菌生長速度加快，并且產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物破壞酵母菌生存環(huán)境，不利于酒精的產(chǎn)生，此時的酒精度為11.1%。總糖含量隨著酵母接種量的增加先下降，酵母接種量在0.01%～0.03%時，總糖含量從6.3%下降到1.7%。當(dāng)酵母接種量為0.03%～0.05%時，總糖含量變化不大，在1.4%～1.9%；總酸含量波動不大，酵母接種量對總酸含量的影響不明顯。酵母接種量在0.03%和0.04%時，發(fā)酵時間、酒精度、總糖量和總酸量相差不大，結(jié)合感官評分，選取了感官評分較高的0.04%作為最適酵母接種量。表6

表6 不同酵母接種量下杏酒變化Table 6 Effect of yeast inoculum on apricot wine

2.5 發(fā)酵溫度對杏酒品質(zhì)的影響

研究表明，發(fā)酵速率隨著發(fā)酵溫度的增加而增加，發(fā)酵溫度為14℃時，發(fā)酵溫度太低，使發(fā)酵速率緩慢，發(fā)酵時間過長，為12 d；發(fā)酵溫度為 30℃時，發(fā)酵溫度過高，使發(fā)酵速率過快，發(fā)酵時間變短，為5 d。酒精度隨發(fā)酵溫度的上升先升高后下降，總糖含量先下降后升高。當(dāng)發(fā)酵溫度為14℃時，發(fā)酵溫度過低，酵母生長緩慢，酒精度為7.5%，總糖含量為8.3%；發(fā)酵溫度為30℃時，發(fā)酵溫度過高，酵母菌增殖加快，菌體過早進(jìn)入衰亡期，不利于糖轉(zhuǎn)化為酒精，導(dǎo)致后發(fā)酵不足，此時酒精度為9.5%，總糖含量為4.7%。隨著發(fā)酵溫度的升高，酵母菌活力提升、生長繁殖速度加快，產(chǎn)酸能力增強(qiáng)，導(dǎo)致總酸含量隨之升高，從4.0 g/L升高到7.2 g/L。當(dāng)發(fā)酵溫度為18℃時，發(fā)酵時間適中9 d；酒精度為11.3%，總糖含量1.4%，總酸4.3 g/L，釀出的杏酒有濃濃杏子果香味，酒香濃郁，酸甜協(xié)調(diào)，酒體豐滿，感官評分最高，為88分。選取18℃作為杏酒的最適發(fā)酵溫度。表7

表7 不同發(fā)酵溫度下杏酒品質(zhì)變化Table 7 Effect of fermentation temperature on apricot wine

2.6 響應(yīng)面實(shí)驗

各因素對杏酒的感官評分的影響大小順序為：初始pH值﹥發(fā)酵溫度﹥初始糖度﹥酵母接種量﹥杏水比，因此，選取了顯著性較高的初始pH值、發(fā)酵溫度、初始糖度3個因素進(jìn)行響應(yīng)面實(shí)驗。表8

2.6.1 響應(yīng)面實(shí)驗結(jié)果及方差

研究表明，得到感官評分(Y)與初始糖度(A)、初始pH值(B)、發(fā)酵溫度(C)的回歸方程：

Y=89.40+3.00A+2.88B+1.63C+1.75AB-1.25AC-1.00BC-2.95A2-8.70B2-4.70C2

研究表明，此模型P值為< 0.000 1，極顯著(P﹤0.05)，實(shí)驗方法是可靠的。失擬項P值為0.258 2>0.05，表現(xiàn)為不顯著，回歸方程擬合度和可信度均較好，實(shí)驗誤差小。模型中A、B、C的P值<0.05表現(xiàn)為顯著，說明初始糖度、初始pH值、發(fā)酵溫度對杏酒感官品質(zhì)的影響顯著，各因素影響感官評分順序為初始糖度>初始pH值>發(fā)酵溫度。 A2、B2、C2的P值均小于0.05，說明A2、B2、C2對杏酒感官品質(zhì)均有顯著影響。交互項AB的P值小于0.05，說明AB對杏酒感官品質(zhì)有顯著影響。交互項AC、BC的P值均大于0.05，說明AC、BC對杏酒感官品質(zhì)的影響不顯著。復(fù)相關(guān)系數(shù)R2=0.981 1，模型擬合度高，很好反映了初始糖度、初始pH值、發(fā)酵溫度對杏酒感官品質(zhì)之間的關(guān)系，用于模型實(shí)驗結(jié)果可靠。表8，表9

表8 響應(yīng)面實(shí)驗設(shè)計及結(jié)果Table 8 Response surface test design and results

2.6.2 響應(yīng)面分析

研究表明，初始糖度與初始pH值等高線圖呈橢圓形，說明初始糖度與初始pH值對杏酒的感官評分交互作用顯著，隨著初始糖度與初始pH值的增加，杏酒感官評分逐漸增加，當(dāng)2個因素增加到一定程度，杏酒感官評分又逐漸降低，說明過高或過低的初始pH值與初始糖度都會影響杏酒的品質(zhì)。

初始糖度與發(fā)酵溫度等高線圖呈圓形，說明初始糖度和發(fā)酵溫度對杏酒的感官評分的交互效應(yīng)不顯著。由圖1b響應(yīng)面圖可以看出，初始糖度相比于發(fā)酵溫度的曲面較陡峭，說明2因素交互作用時，初始糖度比發(fā)酵溫度對杏酒的感官評分的影響較大。隨著初始糖度與發(fā)酵溫度的增加，杏酒感官評分逐漸增加，但當(dāng)2個因素增加到一定程度，杏酒感官評分又逐漸降低，說明過高或過低的初始糖度與發(fā)酵溫度都會影響杏酒的品質(zhì)。

響應(yīng)面曲面上有極大值，說明所選初始pH值與發(fā)酵溫度因素水平合理。初始pH值與發(fā)酵溫度等高線圖呈圓形，初始pH值與發(fā)酵溫度對杏酒感官評分的交互作用不顯著。初始pH值相比于發(fā)酵溫度的曲面較陡峭，初始pH值比發(fā)酵溫度對杏酒的感官評分的影響較大。隨著初始pH值與發(fā)酵溫度的增加，杏酒感官評分逐漸增加，但當(dāng)2個因素增加到一定程度，杏酒感官評分又逐漸降低，過高或過低的初始pH值與發(fā)酵溫度都會影響杏酒的品質(zhì)。圖1

圖1 各因素交互作用對杏酒品質(zhì)影響的等高線和響應(yīng)曲面Fig.1 Response surface and contour plots showing the effects of Initial sugar content,Initial pH value and Fermentation temperature on Apricot wine

2.6.3 驗證實(shí)驗

研究表明，得到最適發(fā)酵工藝條件為：初始糖度22.56%，初始pH值3.57，發(fā)酵溫度18.15℃。在此條件下，杏酒感官評分的最大理論值為90.608 4分。為了驗證模型預(yù)測的準(zhǔn)確性，按照上述條件進(jìn)行發(fā)酵驗證實(shí)驗。將杏酒的發(fā)酵工藝條件調(diào)整為：初始糖度22.5%，初始pH值3.6，發(fā)酵溫度18℃。經(jīng)過3組重復(fù)實(shí)驗，實(shí)際測得杏酒感官評分的平均值為90.3，實(shí)驗結(jié)果與模型結(jié)果基本一致，所得模型能較準(zhǔn)確地預(yù)測實(shí)際發(fā)酵情況。

3 討 論

原料是保證果酒產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素之一，它將直接影響果酒釀造后的感官特性。選擇毛杏作為釀造杏酒的原料，因為毛杏皮薄，果肉細(xì)膩，糖度高，酸度低，果香味濃郁，釀制成杏果酒可以保留杏獨(dú)特的果香味及營養(yǎng)成分，且毛杏含有多酚物質(zhì)和抗氧化活性[19]，具有防癌、清除自由基等功效。毛杏成熟和采收期集中于高溫季節(jié)，采后生理代謝旺盛，貯運(yùn)銷售環(huán)節(jié)存在易軟化、褐變、腐爛等問題，導(dǎo)致杏果的商品價值降低[20]，將其加工成杏酒是實(shí)現(xiàn)其較高經(jīng)濟(jì)價值的途徑之一。

杏酒在發(fā)酵過程受到杏品種、酵母種類、酵母接種量、發(fā)酵時間、發(fā)酵溫度、初始糖度、初始pH值等多種因素的影響[21]，這些因素直接或間接的影響杏酒的色澤、香氣、口感等感官品質(zhì)。實(shí)驗在前期研究中，對杏水比、初始糖度、初始pH值、酵母接種量、發(fā)酵溫度進(jìn)行單因素考察，后篩選出初始糖度、初始pH值、發(fā)酵溫度對杏酒感官品質(zhì)影響較大的3個因素進(jìn)行響應(yīng)面實(shí)驗設(shè)計。馬榮山等[22]以大扁杏為原料，采用正交實(shí)驗探究杏酒發(fā)酵工藝，得到最優(yōu)發(fā)酵條件為：發(fā)酵溫度24℃，初始糖度22°Bx，酵母接種量8%，初始pH值4.0。與實(shí)驗的研究結(jié)果不一致，分析主要原因是選擇的杏品種以及接種的酵母菌種類不同，使研究結(jié)果有所不同。傅力等[23]以新疆賽買提杏為原料，使用正交實(shí)驗得到最佳發(fā)酵條件為：發(fā)酵方式澄清杏汁、杏水比1∶0.4，初始pH值4.0，初始含糖量380 g/L，發(fā)酵溫度20℃，接種量1%，SO2添加量80 mg/L。與實(shí)驗的研究結(jié)果不一致，分析主要原因是實(shí)驗采用杏漿發(fā)酵，而傅力選擇清汁發(fā)酵使實(shí)驗結(jié)果有所差異。

4 結(jié) 論

通過杏酒感官評分(Y)與初始糖度(A)、初始pH值(B)、發(fā)酵溫度(C)的關(guān)系建立響應(yīng)面回歸方程：Y=89.40+3.00A+2.88B+1.63C+1.75AB-1.25AC-1.00BC-2.95A2-8.70B2-4.70C2，得到最適杏酒發(fā)酵工藝條件：初始糖度22.5%，初始pH值3.6，發(fā)酵溫度18℃。在此條件下，杏酒感官評分的最大理論值為90.608 4分，實(shí)際測得杏酒感官評分的平均分為90.3，該回歸模型具有較好的預(yù)測性能，可用于指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。