响应面分析法确定刺梨酒的加工条件

响应面分析法确定刺梨酒的加工条件 2010NO.1O ?100-SerialNo.223ChinaBrewingR esearchReport 响应面分析法确定刺梨酒的T.条件 刘春梅z,张守义,代亨燕:,谭书明 (1.贵州大学贵州省发酵工程与生物制药重点实验室,贵州贵阳550003;2.贵州大学 化学与化工学院,贵州贵阳550003; 3.贵州大学资源与环境学院,贵州贵阳550003;4.贵州大学生命科学学院,贵州贵阳 550003) 摘要:以刺梨为主要原料,存单因素的基础上采用响应面分析法对影响发酵产酒的 主要因素进行优化,建立影响因素与响应值之 间的函数关系.确定最佳工艺条件为温度28~C,菌种配比1:1,含糖量t7%.此条件下 发酵酒精度为11.56%vol. 关键词:刺梨;酒精发酵;响应面分析法 中图分类号:TS262.7文献标识码:A文章编号:0254—5071(2010)10—0100—04 OptimizationofproducfionconditionsofRosaroxburghiitrattwinebyresponsesurfacemethodology LIUChunmei,ZHANGShouyi,DAIHengyan,TANShuming4 (|.GuizhouProvinceLaboratoryofFermentationEngineeringandBiologicalPharmacy,GuizhouUniversity,Guiyang550003,China; 2.ShoolofChemistryandChemicalEngineering,GuizhouUniversity,Guiyang550003,China;3.CollegeofResourcesandEnvironmental Engineenng,GuizhouUniversi~Guiyang550003,China;CollegeofLifeScience,GuizhouUniversi~Guiyang550003,China) Abstract:TheoptimalproductionconditionsofRosaroxburghiitrattwinewereinvestigated usingthesinglefactoxexperimentsandresponsesurface methodology.Therelationshipbetweeninfluencingfactorandresponsevalueswasestablish ed.Theoptimalconditionswereasfollowed:temperta— tion28%,thecontentofsuger17%andtheratioofbacteria1:1.Undertheseconditions,alcohol productionwas11.56%vo1. Keywords:Rosaroburghiitratt;alcoholfermentation;responsesurfacemethodology 刺梨(Rosaroxburghiitratt)是贵州省一种优良的营养 保健水果,至今还未能得到充分利用,造成大量资源浪 费.因此加强刺梨产品的深入研究,生产出高品质的刺梨 产品,可以扩大刺梨的消费市场,这对充分利用刺梨资源, 变废为宝,改善果醋结构,增加消费者的选择有重要的现 实意义. 本研究是在单因素试验的基础上,采用响应面分析优 化刺梨发酵过程的条件(如发酵的温度,菌种配比和含糖 量).研究不但可以充分利用贵州刺梨资源,而且可为市场 提供高品质产品,为贵I*U梨产业发展增加新途径. 1材料与方法 1.1材料 刺梨:市售刺梨鲜果. 菌种:酿酒干酵母和葡萄酒专用酵母(湖北安琪酵母 股份有限公司产). 辅助药品:蔗糖,酵母膏,琼脂,果胶酶,亚硫酸氢钠, 碳酸钙,柠檬酸. 1.2仪器及设备 水浴锅,电炉,酸度计,烧杯,玻璃坛子,洁净工作台, 移液管,吸耳球,打浆机,纱布,试管,标签纸,滤纸,玻璃 棒,分光光度计,数字酸度计,冷凝管,石棉网,圆底烧瓶, SH卜III型循环水真空泵,500mL_~.角瓶.电热恒温培 养箱,电子精密天平,紫外分光光度计,万用电炉,酒精计, 冰箱,高压蒸气灭菌. 1-3分析测定方法 酒精度的测定:酒精蒸馏法测定【1】;总酸度的测定:酸 碱滴定法;还原糖的测定:2,5-二硝基水杨酸法;总糖的测 定:紫外分光光度法;可溶性固形:手持测糖仪;VC的测 定:2,6.二氯靛酚. 1.4试验方法 1.4.1原料的选择 选取新鲜的刺梨,但注意应充分成熟,苦涩味低,果 大,肉厚,种子少,可溶性固形物含量高,香味浓郁,无杂 质,病虫害,无腐烂变质. 1.4.2原料处理 用清洁水洗净杂质,沥干水分.去除果蒂,加入一定 量的柠檬酸,进行榨汁,用8层纱布过滤,获得刺梨原汁,同 时可以减少维生素C的氧化. 1.4_3初步澄清 用澄清剂对刺梨原汁进行初步澄清,除去过多的单宁 和果胶等物质,最大限度地预防发酵过程中氧化味的产生. 1.4.4刺梨汁的酶处理及调糖量 在刺梨汁中添加一定量的NaHSO,,以防刺梨汁被氧化 同时还可以抑制有害微生物的生长.再添DH03%左右的 果胶酶混匀,调温为45?,50o【=保温处理2h~3h.过滤除渣, 加入蔗糖(白砂糖)调整总糖,使糖度为17%~20%p]. 1.4.5灭菌 对刺梨原汁采用高温瞬时灭菌5min,10min/95~C, 收稿日期:2010—04—08 基金项目:贵州大学研究生创新基金(2009014) 作者简介:刘春梅(1983一)女,"J东烟台人,硕士研究生,主要从事农产品加工与贮 藏研究工作;谭书明,教授,通讯作者. 研究 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 中国酿造2010年第10期 总第223期?101? 100~C,灭菌后装灌密封,迅速冷却,添加lOOmg/LSO确保 发酵安全. 1.4.6刺梨汁的酒精发酵 酒精发酵过程可以分为3个时期,即前发酵期,主发酵 期和后期发酵期f3],后发酵. 1.4.7后发酵 ,移入消毒清洁 发酵结束后,立即将酒液与沉淀分离 的贮罐,留出少量空间,进行残糖的进一步发酵,18oC~20~C 约1周,液面平静,酒液清晰为止. 2结果与分析 2.1各个因素对发酵过程的影响 2.1.1温度对发酵过程的影响 控制糖度为17%,接种量为2%条件下进行酒精发酵, 并在进行到酒精发酵的第4d时,对不同温度条件下的酒精 度进行了测定,结果见图1. 图1不同温度对酒精度的影响 Figure1.Influenceofdifferenttemperaturesonalcoholdegree 通过试验,可以确定在发酵为第4d时,在大多数温度 下酒精发酵已经基本完成,时间过长酵母菌可能会发生自 溶,同时刺梨中的维生素C的含量也会下降,影响发酵产 生的酒的品质.由图l可以看出,在低于28?时,随着发酵 温度的升高,产酒量逐渐增加,这可能是由于在此范围温 度时,受温度的影响,酵母菌的活性没有充分发挥出来. 在高于28?时,发酵产酒量反而降低,这可能是由于发酵 温度过高,是酵母菌的活性受到抑制,影响产酒量和产酒 品质.温度在28?时,产酒量最高. 2.1.2含糖量的影响 控制温度28?,接种量为2%条件下进行酒精发酵,并 在进行到酒精发酵的第4d时,对不同糖度条件下的酒精度 进行了测定,结果(图2)可以看出,在糖度<17%时,随着 发酵糖度的升高,产酒量逐渐增加,这可能是由于发酵糖 度在此范围时,受糖度的影响,发酵液中的养料不够充分, 发酵产酒量随糖度的增加而增加.在糖度>17%时,发酵 产酒量反而降低,这可能是由于发酵糖度过高,是酵母菌的 活力受到抑制,影响产酒量和产酒品质.发酵糖度为17%时, 产酒量最高. 糖度/% 图2不同糖度对酒精度的影响 Figure2.Influenceofdifferentsugarcontentonalcoholdegree 2.1-3菌种配比对发酵过程的影响 控制温度28~C,糖度在17%条件下进行酒精发酵,并 在进行到酒精发酵的第4d时,对不同菌种配比下的酒精 度进行了测定,结果见图3. > 露 菌种配比 图3不同菌种配比对酒精度的影响 Figure3.Influenceofdifferentbacteriaratioonalcoholdegree 由图3可以看出,确定总的接种量为2%,由于2种菌种 对温度,糖度的适应程度不同,发挥的作用也不同.在酿 酒干酵母含量配比低于1:1时,随着发酵酿酒干酵母的含 量的升高,产酒量逐渐增加,这可能是由于发酵酿酒干酵 母在此范围时,受糖度和温度的双重影响下,发酵产酒量 随糖度的增加而增加.在酿酒干酵母含量配比高于l:1时, 发酵产酒量反而降低,这可能是由于发酵糖度和温度的影 响,酵母菌的活力受到抑制,影响产酒量和产酒品质.发 酵配比为1:1时,产酒量最高,所用时间最短产酒品质和效 果最好. 2I2响应面法确定发酵过程的各个因素 根据中心组合Box—Behnken的中心组合试验设计原 理,综合单因素试验结果,选取温度,含糖量,菌种配比(酿 酒酵母占酵母总量)对发酵时间和产酒量的影响,影响显 着的3个因素,采取3因素5水平响应面分析方法,根据二次 响应面通用旋转组合设计原理,试验因素与水平设计见表l. 2.2.1回归模型的建立及显着性检测 采用多元回归技术,拟合二次多项模型的CCRD设计 与结果见表2.以3次试验所得发酵产酒量为响应值(Y). 2010NOI.1O?_v ?102?SerialNo.223ChinaBrewingR esearchReport 表1响应面分析试验因素水平 Table1.Factorsandlevelsofresponsesurfaceexperiment 表2Box—Behnken试验设计及结果 Table2.DesignandresultsofBox-Behnken 试验号x.)(2x,酒精度/%vol 采用Design.Expert7.0程序对表4111~应值与各个因素 进行回归拟合后,得到产酒量对温度(x.),含糖量(x:),菌 种配比(X)编码值的二次多项回归方程Y=+12.19120. 05059Xl+025994X2M9924X3-0.087500XlXr0.062500XlX3- 0.11250X2X3.2.39103Xl-0.95914X22—1.08288X3 表3回归模型方差分析表 Table3.Varianceanalysisofregressionmode 对该模型进行方差分析,结果见表3,回归方程系数显 着性检验结果见表4.回归方程中各变量对指标(响应值) 影响的显着性,由F检验来判定,概率P的值越小,则相应 变量的显着程度越高.由表3可以看出,模型p<O.0001,表 明回归模型极显着,失拟度0.0737>0.05,模型失拟度不 显着,其校正决定系数RAdi2=0.7682,表明有23.2%不能由 此模型进行解释.相关系数RZ=-0.8909,表明该模型拟合程 度较好,试验误差小,该模型是适合的,回归方程可以较好 地描述各因素与响应值之间的真实关系,可以利用该模型 可以用来确定最佳发酵培养条件.AdeqPrecision值为8.875, 远大于4,说明该模型完全可以用来对试验结果进行拟合. 从表4可以看出,在试验的水平范围内显着的因素为x., x2,二次项x1x,Xx,x2X交互相不显着. 表4回归方程系数显着性检验表 Table4.Significanceofregressioncoefficient 对编码值的回归方程取一阶偏导数,整理得到: . O.51-0.088X2—0.062X3—4.78X1=O(1) 0.26—0.088Xl-0.11X3—1.92)(2--0(2) O.50-0.062Xl-0.11X2-2.16X3=0(3) 式(1),式(2),式(3)联立方程组,解得xl=.0.014, X2-.0.144,x13.1,换算成真实值X.=28,x2:17%,X3=63.1. 综合考虑实际操作的便利,将酒精发酵最佳发酵条件为 温度为28?,糖度为17%,菌种配比为3:2.在此条件下进行 的发酵产酒,由回归方程预测产酒量为11.56%vo1. 2.2.2酒精发酵工艺的响应面分析及优化 通过模型方程所作的三维响应面图及与之对应的等 高线图能比较直观的解释各个变量和变量之间对响应值 的影响.等高线的形状可以反映出交互作用的强弱,椭圆 形表示两因素交互作用显着,而圆形则与之相反. 由图4可以看出,在菌种配比于中心水平值即菌种配 比为l:1时,温度,含糖量及其交互作用对产酒量影响并不 明显.随着温度和含糖量的增加,产酒量先增加后减少. 在试验范围内,温度对产酒量的作用较大.确定最佳水平 即温度为27.5?,28.5?,糖度为l6.3%,17.6%. 在初始糖度位于中心水平即含糖量为17%时,培养温 度,菌种配比及其交互作用对发酵产酒量的影响并不明 2335427597盘2石盘盘3&&&m&??? oo0o 佛螂o0oo 0..oo 鸽船oooooo 80J髓0ooooooo 23456789?H巧" 研究报告中国酿造2010年第10期 总第223期?103? 显.温度对发酵产酒量的影响很大,温度过低时产酒量很 低,在试验范围内随温度的升高,产酒量先增加后减少,确 定最佳温度范围为27.5?,29?,接种量为11:9,15:7. 在发酵温度位于中心水平即温度为28%时,含糖量, > 熙 鳃 酒精度 整 菌种配比及其交互作用对发酵产酒量的影响并不明显. 含糖度对发酵产酒量的影响很大,含糖量过低时产酒量 很低,在试验范围内随含糖量的升高,产酒量先增加后减 ,确定最佳含糖量范围为16%,18%,接种量为2:3,15:7. 少 100;100 七? 1.O0 0.50 醒 璃0.00 × .5O ? 一 1.00 酒精度 - 1.00-0.500.O00.501.00 x,温度 瑶 嚣 褪 > 舞 甄 00 x,糖度 图4各因素交互作用对发酵产酒量的影响的响应面和等高线图 Fifure4.RSMandcontourmapoftheeffectofinteractionbyvariousfactorsonalcoholproduc tion 2.2I3验证试验 为验证响应面法所得结果的可靠性,在上述响应面 分析法求得的最佳条件下固体发酵重复5次试验,实际测 得的平均产酒量为l1.56%vol,试验值在95%的置信区问 内,从而表明模型是适合于此发酵工艺.因此,基于响应 面优化的发酵工艺参数准确可靠,具有实用价值. 3讨论 响应面方法是利用合理的试验设计并通过对试验数 据进行一定的处理,建立影响因素与响应值之问的函数 关系,得到回归方程,通过对回归方程进行分析,选择最优 工艺参数.实验室最常用的优化策略是单次因子法,而响 应面方法是统计技术的合称,包括试验设计,建模,因子效 应评估以及寻求因子最佳操作条件嘲. 采用试验设计软件Design—Expert7.0程序,采用响应 曲面设计中的中心旋转组合设计旧,建立了酵母菌对刺梨 汁酒精发酵的二次多项数学模型,经检验是合理可靠的. 同时利用模型的响应面及等高线对影响刺梨汁酒精发 酵过程的关键因子及其相互作用进行了探讨,确定了因素 的最佳水平范围,优化了产酒的条件:含糖量17%,温度 28?,菌种配比为7:5. 参考文献:' 【1】武世新.不同溶液对刺梨VC浸提的影响【J].食品科学,1994,3(5): l3—16. 【2】王明力,周文美.木瓜就加工工艺的研究[J].酿酒科技,2005,l1(7): 100-103. 【3]丁筑红,王准生,伍佳琪.先酵母发酵条件对刺梨果酒主发酵作用的 影响【J】.酿酒科技2005,l1(6):65—68. 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