响应面法优化糖化参数提高麦汁还原力

饶胜其 赵雅 方维明

【摘 要】以港啤-1号麦芽为原料制取麦汁，并以所得麦汁还原力为考核指标，运用Plackett-Burman 筛选试验确定糖化参数中影响麦汁还原力的显著因素及影響程度依次为糖化初始pH值>糖化温度>蛋白质休止温度。随后通过三因素三水平的Box-Behnken响应面分析法得出最佳蛋白质休止温度、糖化温度和糖化初始pH值分别为52 ℃、66 ℃和5.4，该条件下麦汁还原力可达到2.388±0.019mmol Vc/L。

【关键词】响应面法;糖化;麦汁;还原力

Response Surface Methodology Optimizing Mashing Parameters to Improve Reduce Power of Wort

RAO Sheng-qi ZHAO Ya FANG Wei-ming

（School of Food Science and Engineering， Yangzhou University， Yangzhou Jiangsu 225127， China）

【Abstract】The malt called Gangpei-1th was used as raw material to produce wort， and reduce power of the resulting wort was presented as assessment index. Using Plackett-Burman screening test ， the significant factors in mashing parameters influencing reduce power of wort and their affecting degrees were determined as followed： initial pH value of saccharification > mashing temperature > protein resting temperature. Then using response surface analysis based on a three-variable and three-level Box-Behnken design， the optimal initial pH value of saccharification， mashing temperature and protein resting temperature was respectively determined as 5.4， 66 ℃ and 52 ℃. Under above conditions， reduce power of the resulting wort could reach 2.388 ±0.019mmol Vc/L.

【Key words】Response surface methodology;Saccharification;Wort;Reduce power

由于活性氧和自由基的作用使得存放过程中的啤酒酒体中的风味物质易于被氧化，形成令人不愉快的老化味，从而缩短啤酒的保鲜期[1]。Stephenson等[2]认为，致啤酒老化的物质很可能在制麦、糖化等啤酒酿造阶段就已经形成，并在啤酒贮藏过程中缓慢释放出来，进而影响啤酒的品质。其中，糖化过程是麦汁产生的过程，同时也是啤酒产生风味老化物质前躯体的主要工段之一。林智平等[3]的研究发现，提高麦汁的还原力可以提高啤酒的还原力，最终提高啤酒的风味稳定性。因此，合理控制糖化工艺能有效提高啤酒的风味稳定性，延长啤酒的保鲜期。本研究以港啤-1号麦芽制备麦汁，以麦汁还原力为考核指标，采用 Plackett-Burman多因素试验设计法及 Box-Behnken 响应面优化高麦汁还原力的最佳糖化工艺。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

港啤-1号麦芽由永顺泰（宝应）麦芽有限公司提供。文中出现试剂均为国产分析纯。

1.2 主要仪器设备

DGX-9053B-2干燥箱，上海福玛实验设备有限公司;UV-7504c紫外可见分光光度计，上海欣茂仪器有限公司;5804R型高速冷冻离心机，德国EPPENDORF公司;KQ5200超声波清洗器，昆山市超声仪器有限公司;BGT-8A Mashing Bath（糖化仪），杭州博日科技有限公司。

1.3 麦汁制备工艺

参考顾国贤[4]的方法，并根据需要作适当修改，具体步骤如下：将麦芽粉碎后，按与水1：4-1：3的比例（料水比）于35℃-38℃进行投料，30min后升温至40℃-54℃（蛋白质休止温度）进行蛋白质休止，保持30-80min（蛋白质休止时间），然后继续升温至62℃-68℃（糖化温度），保温50-60min（糖化时间）进行糖化，再升温至75℃，保持10min，终止糖化，麦芽醪于75℃经过滤后获得头道麦汁备用。

1.4试验处理方法

采用N=12的Plackett-Burman试验，以麦汁还原力为响应值Y，以筛选糖化工艺中影响麦汁还原力的主要参数。如表 1 所示，初步选择了6个变量，每个变量有 2 个水平，分别编码高水平（+1）和低水平（-1），并注明了对应变量水平的真实值。

采用Box-Behnken试验设计进一步优化影响麦汁还原力的主要糖化参数的水平。按照Box-Behnke试验设计原理[5]，开展三因素三水平的响应面试验，共17个试验，其中12个为分析因子试验（1～12），5个为中心点重复实验（13～17），以估计误差。试验以随机次序进行，重复3次。试验设计见表2。

表1 基于Plackett-Burman设计的糖化参数及水平

表2 Box-Behnken响应面分析因素水平表

1.5 麦汁还原力测定方法

还原力测定参照Oyaizu[6]的方法并适当修改，主要步骤如下：取1mL适当稀释的麦汁于25mL的具塞试管中，加2.5mLPBS缓冲液（0.2mol/L，pH6.6）和2.5mL1g/100mL K3Fe（CN）6溶液，于50℃保温20min，加入2.5mL10g/100mL三氯乙酸溶液后10000r/min离心10min，取上清液2.5mL于另一试管，加2.5mL蒸馏水和0.5mL 0.1g/100mL FeCl3溶液，用蒸馏水代替样品做空白，以Vc为阳性对照，于700nm波长处比色，结果表示成mmol Vc /L。

2 结果与分析

2.1 影响麦汁还原力的主要因素

采用Plackett-Burman设计，对影响麦汁还原力的6个糖化参数根据不同编码水平组合进行试验测定麦汁还原力，每个试验重复3次，测定结果取平均值，得到的结果如表3所示。

运用Design expert7.0软件表3数值进行回归方差分析。由表4可知，“ Prob>F”小于 0.05，表明影响因素显著。 “Model Prob>F”等于0.0002，表明模型显著。结果表明，糖化初始pH、糖化温度和蛋白质休止温度对麦汁还原力具有极重要影响，而料水比、蛋白质休止时间和糖化时间对麦汁还原力无显著影响。通过单因素试验（数据不显示），在后续实验操作中，我们将料水比、蛋白质休止时间和糖化时间分别确定为1：3.5、30min和50min，并通过Box-Behnken设计及试验优化最佳糖化温度、糖化初始pH和蛋白质休止温度。

2.2 制取麦汁的糖化参数的响应面试验分析

2.2.1  多元二次模型方程的建立及检验

以Plackett-Burman 试验选取的蛋白质休止温度（X1）、糖化初始pH（X2）和糖化温度（X3）3个因素为自变量，以麦汁还原力为响应值Y，根据Box-Behnken设计进行了17组试验，其中5组为中心点重复试验，结果见表5。利用Design-Expert软件对表5试验数据进行多元回归拟合，得到以麦汁还原力为目标函数的三元二次回归方程如下：

Y =-118.85096+2.54026X1+9.21973X2+0.47634X3-0.015350X12-0.45260X22-0.00156711X32-0.057333X1X2-0.00388889X1X3-0.010400X2X3

方差分析结果见表6，模型F值为91.00（p<0.0001）表现为极显著，失拟项p=0.7434>0.05，表明残差均由随机误差引起。模型中一次项X1、X2、X3均表现为极显著（P≤0. 01），表明糖化温度、糖化初始pH、蛋白质休止温度对麦汁还原力有极显著影响。模型中二次项除了X2X3显著（P≤0.05）其他均极显著 （P≤0.01），这表明响应值变化复杂，各种因素对麦汁还原力的影响不是简单的线性关系。相关系数（Adj R-Squared）=0.9827，表明实测值与预测值高度相关。各因素一次项F值越大，表明对麦汁还原力的影响越显著，影响程度依次为：糖化初始pH值>糖化温度>蛋白质休止温度。

2.2.2 响应面分析与优化

等高线的形状可以表各因素之间交互作用的强弱，等高线呈椭圆形表示因素之间的交互作用强烈，反之越接近于圆形，交互作用越弱[7]。交互作用越强，对麦汁还原力的影响大。由图1～图3可得知，糖化初始pH值和蛋白质休止温度之间的交互作用显著，而糖化温度与糖化初始pH值以及糖化温度与蛋白质休止温度之间的交互作用极显著，这与方差分析结果一致;响应面图反映了糖化温度在65℃～67℃范围内、pH值在5.3～5.55范围内及蛋白质休止温度在50.5℃～54℃范围内存在最高麦汁还原力。

2.3 最佳糖化工艺的验证与确定

基于Box-Behnken试验所得结果及其二次多项回归方程，可知麦汁还原力最高时的蛋白质休止温度、糖化温度和糖化初始pH值分别为52℃、66℃和5.4，该条件下对应的糖化麦汁还原力为2.362mmol Vc/L。为了证实预测结果，用响应面优化获得的最佳条件重复试验3次，得出麦汁平均还原力为2.388±0.019mmol Vc/L，与预测值基本一致，证明该模型能很好地优化高还原力麦汁的制备工艺。

3 结论

本研究运用Plackett-Burman筛选试验结合Box-Behnken响应面设计确定了蛋白质休止温度、糖化温度和糖化初始pH值三因素为显著因素，并优化得到提高麦汁还原力的最佳蛋白质休止温度、糖化温度和糖化初始pH值分别为52 ℃、66℃和5.4，该条件下，麦汁还原力可達到2.388±0.019mmol Vc/L。经方差分析得知主要因素对麦汁还原力的影响程度依次为糖化初始pH值>糖化温度>蛋白质休止温度。通过响应曲面图分析，可知糖化温度和糖化初始pH值以及糖化温度和蛋白质休止温度具有极其显著的交互作用，而糖化初始pH值和蛋白质休止温度也呈现显著的交互作用。试验证明，响应面分析法能够很好地优化高还原力麦汁的糖化工艺条件。

【参考文献】

[1]田玉红，郝俊光，孙治副.啤酒老化机理的研究进展[J].啤酒科技，2010（5）：15-20.

[2]STEPHENSON W.H， BIAWA J.P， MIRACLE.R E.， et al.. Laboratoryscale studies of the impact of oxygen on mashing[J].J.I.Brewing， 2003，109（3）：273-283.

[3]林智平，顾国贤，冯景章.提高麦汁还原力与啤酒风味稳定性[J].醜酒，2005，30：57-59.

[4]顾国贤.酿造酒工艺学[M].2版.北京：中国轻工业出版社，1996.

[5]BOX G.E P， BEHNKEN D.W.. Some new three level design for the study of quantitative variables [J].Technometrics，1960，2（4）：455-475.

[6]OYAIZU M..Studies on products of browning reactions： Antioxidative activities of browning products of browning reaction prepared from glucosamine[J].Japanese Journal of Nutrition， 1986，44：307-315.

[7]高丹丹，常通，曹郁生，等.响应面法优化中性蛋白酶水解棉籽蛋白工艺[J].食品科学，2009，30（16）：153-157.

[责任编辑：薛俊歌]