以还原糖含量为指标的膨化小麦辅料麦汁糖化工艺优化

杜菲+郑慧+李宏军

摘要：以水料比、膨化小麦比例、50℃蛋白质休止时间、62℃糖化时间、70℃糖化时间为糖化工艺参数，以还原糖含量为主要考察指标，通过对挤压蒸煮小麦辅料酿造啤酒的糖化工艺进行响应面法优化，得到最佳的糖化工艺参数：水料比为3.7mL∶1g，膨化小麦比例为32%，50℃蛋白质休止时间为53min，62℃糖化时间为47min，70℃糖化时间为31min。此时，对应的麦汁还原糖含量为86.1mg/mL。

关键词：挤压蒸煮；小麦；啤酒；还原糖；糖化工艺；膨化；响应面法

中图分类号：TS262.5文献标志码：A 文章编号：1002-1302（2014）11-0306-04

21世纪我国麦芽和大米等粮食价格大幅上涨，造成啤酒生产成本大幅度上升，啤酒酿造企业利润减少[1]。采用适量辅料替代部分大麦芽酿造啤酒，是降低生产成本的有效方法[2]。在我国，小麦是第二大粮食作物，其种植面积以及总产量仅次于水稻。小麦籽粒富含淀粉，并且小麦的无水浸出物含量较高，可用于啤酒酿造。我国小麦深加工程度不够，附加值低，农民增产不增收，利用挤压蒸煮小麦作辅料酿造啤酒，可以丰富啤酒品种，简化糖化工艺，增加小麦附加值，提高农民收入和啤酒企业的利润[3]。麦汁中的还原糖是啤酒酵母可以直接利用的可发酵性糖，不仅可以促进酵母细胞的正常生长代谢，而且有利于提高成品啤酒的质量。小麦辅料挤压膨化后，淀粉的晶体结构被破坏，呈坚实的多孔状结构，酶与辅料的作用面积增大，提高了淀粉的酶解速度、原料利用率以及麦汁还原糖的含量。在挤压过程中，淀粉发生糊化，α-度增加，有利于糖化，可以省去糊化或蒸煮工艺，简化工艺并节约能源[4-5]。本研究以挤压膨化小麦作辅料，采用Box-Behnken中心组合设计试验，用Design-Expert8.0.5软件对糖化工艺参数间的相互作用进行响应面分析[6-9]，建立糖化工艺参数对麦汁还原糖含量影响的数学模型，得到以还原糖含量为指标的最优糖化工艺条件。

1材料与方法

1.1试验材料

大麦芽（澳麦，山东省莱芜市麦芽厂）；小麦品种淄麦12号（市购）；低温挤压膨化小麦（自制）。

1.2小麦挤压方法

本研究中小麦的挤压参数[10-11]：直径为12mm的挤压机模孔3个；三节套筒温度分别为20、40、60℃，小麦粉的水分质量分数为22%，螺杆转速220r/min，模板与挤压机螺杆的轴头间隙为15mm，用山东理工大学自制挤压机进行加工。

1.3麦汁制备工艺

本研究采用的麦汁制备工艺流程见图1。

1.4还原糖含量的测定

麦汁还原糖含量的测定参照文献[12]。

1.5试验设计

本试验在500mL三角瓶内进行，总投料量固定在50g。选择水料比（mL∶g）、膨化小麦比例（%）、50℃蛋白质休止时间（min）、62℃糖化时间（min）、70℃糖化时间（min）为试验因素，以麦汁还原糖含量（g/mL）为考察指标进行糖化试验[13-14]，具体试验设计如表1所示。

2结果与分析

2.1以还原糖含量为指标的膨化小麦辅料麦汁糖化工艺参数响应曲面分析结果

采用Box-Behnken[15]的中心组合设计试验，试验安排及结果如表2所示。利用Design-Expert8.0.5软件对挤压小麦比例、水料比、50℃蛋白质休止时间、62℃糖化时间和70℃糖化时间对麦汁还原糖含量的影响规律进行分析，以麦汁还原糖含量为响应值（Y），对试验所得数据进行多元回归拟合，用回归方差分析的方法进行显著性检验，结果见表3、表4。从表3可以看出，模型的常数项（P<0.0001），一次项X1（P=0.0054<0.01）、X3（P<0.0001）、X4（P<0.0001）极显著，交互项X1X2（P=0.0039<0.05）和X2X3（P=0.0027<0.05）显著，其他不显著。方差分析结果（表4）表明，模型的确定系数R2=0.8852，模型的线性回归极显著（P<0.0001），交互项（P=0.0208<0.025）和总回归（P=0.0006<0.05）显著。

利用Design-Expert8.0.5软件对表2还原糖含量的结果进行多元二次回归拟合分析，方程的响应面分析结果如图2所示。图2-a为50℃蛋白质休止时间，62、70℃糖化时间分别为50、44、30min时，麦汁中糖化还原糖含量受水料比和膨化小麦比例影响的响应曲面图。当X1处于较低水平时，麦汁中还原糖含量随X2加入量的增大而增加；当X1处于较高水平时，麦汁中还原糖含量随X2的增大而降低。当X2较低时，麦汁中还原糖含量值随X1的增大有下降的趋势；当X2处于高水平时，麦汁还原糖含量值随着X1的增大而明显降低。可见这2个因素之间的交互作用明显。水料比为4.0mL∶1g、62℃糖化时间固定在44min、70℃糖化时间固定在30min时，麦汁中的还原糖含量随挤压膨化小麦辅料加入比例和50℃蛋白质休止时间变化的响应曲面图见图2-b。当X3处于较高水平时，麦汁还原糖含量随X2的增加而增加；当X3在较低水平时，麦汁中的还原糖含量随X2的增大而降低，且2个因素间的交互作用比较明显。当X2在低水平时，麦汁中的还原糖含量随着X3的延长而明显下降；当X2在高水平时，麦汁中的还原糖含量随着X3的延长而明显增大。水料比为4.0mL∶1g、50℃蛋白质休止时间为50min、62℃糖化时间固定在44min时，麦汁中的还原糖含量受膨化小麦比例和70℃糖化时间影响的响应曲面图见图2-c。当X5保持不变时，还原糖含量随着X2的增加整体呈下降趋势；当X2不变时，麦汁还原糖含量随X5的延长而增加，到达一定程度后含量上升缓慢，因为此时糖化已接近完全，还原糖含量不再增加。水料比为4.0mL∶1g、膨化小麦比例是31%、50℃蛋白质休止时间固定在50min时，麦汁中的还原糖含量受62、70℃糖化时间影响的响应曲面图见图2-d。当X4不变时，麦汁还原糖含量值随X5的增加呈先增大后降低的趋势；当X5不变时，麦汁还原糖含量值随X4的延长而升高。endprint

2.2以还原糖含量为指标的膨化小麦辅料麦汁糖化工艺最佳条件的确定

以麦汁还原糖含量为考察指标，用岭回归寻找最优糖化工艺参数范围，岭回归寻优分析结果见表5。从表5可知，在编码半径范围内，还原糖含量的变化不大，还原糖含量的最优工艺参数范围为：水料比3.4～3.7mL∶1g，膨化小麦比例32%～33%，50℃蛋白质休止时间50～55min，62℃糖化时间44～47min，70℃糖化时间30～31min。

2.3以还原糖含量为指标的膨化小麦辅料麦汁糖化工艺最佳参数的验证试验结果

在最优范围内进行验证试验，试验结果（表6）表明，麦汁还原糖含量为85.5～87.6mg/mL，在预测范围以内验证优化参数，结果显示这些优化的参数是可靠的。

3结论

采用Box-Behnken中心组合试验设计，使用Design-Expert8.0.5软件进行回归分析，得到糖化工艺参数水料比、膨化小麦比例、50℃蛋白质休止时间、62℃糖化时间和70℃糖化时间对麦汁还原糖含量的回归模型，方差检验结果证明了该模型的可靠性。利用Design-Expert8.0.5软件对影响麦汁还原糖含量的糖化工艺参数间的相互作用进行响应面分析，通过岭回归得到最优糖化工艺参数：水料比为3.7mL∶1g，膨化小麦比例为32%，50℃蛋白质休止时间为53min，62℃糖化时间为47min，70℃糖化时间为31min。对应的麦汁还原糖含量为86.1g/mL。

参考文献：

[1]满娟娟.小麦啤酒糖化工艺研究[D].淄博：山东理工大学，2010.

[2]倪应应，胡鹏刚.高浓酿造法生产高辅料啤酒的研究[J].中国酿造，2012，31（4）：72-74.

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[5]杨铭铎.谷物膨化机理的研究[J].食品与发酵工业，1988（4）：7-16.

[6]姚芳，祁兴普，刘萍.复合蛋白酶水解低值淡水鱼工艺的响应面优化[J].江苏农业科学，2012，40（6）：229-233.

[7]刘尼亚.挤压蒸煮小麦辅料在啤酒糖化中应用的试验研究[D].哈尔滨：东北农业大学，2007.

[8]张硕，张崇禧.响应面法优化海参复合植物保鲜剂配方[J].江苏农业科学，2012，40（6）：254-257.

[9]朱兴一，陈秀，谢捷，等.基于响应面法的闪式提取香菇多糖工艺优化[J].江苏农业科学，2012，40（5）：243-245.

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[11]申德超，刘尼亚，王国庆.挤压蒸煮小麦作啤酒辅料的糖化试验[J].农业机械学报，2008，39（3）：71-74.

[12]顾国贤.酿造酒工艺学[M].北京：中国轻工业出版社，1996：131-133.

[13]满娟娟，李宏军.响应曲面法分析小麦啤酒糖化工艺参数对麦汁α-氨基氮含量的影响[J].酿酒科技，2010（3）：71-74.

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[15]胡成旭，侯欣彤，冯永宁，等.响应面法优化云芝多糖提取条件的研究[J].食品工业科技，2007，28（7）：124-126，130.endprint

2.2以还原糖含量为指标的膨化小麦辅料麦汁糖化工艺最佳条件的确定

以麦汁还原糖含量为考察指标，用岭回归寻找最优糖化工艺参数范围，岭回归寻优分析结果见表5。从表5可知，在编码半径范围内，还原糖含量的变化不大，还原糖含量的最优工艺参数范围为：水料比3.4～3.7mL∶1g，膨化小麦比例32%～33%，50℃蛋白质休止时间50～55min，62℃糖化时间44～47min，70℃糖化时间30～31min。

2.3以还原糖含量为指标的膨化小麦辅料麦汁糖化工艺最佳参数的验证试验结果

在最优范围内进行验证试验，试验结果（表6）表明，麦汁还原糖含量为85.5～87.6mg/mL，在预测范围以内验证优化参数，结果显示这些优化的参数是可靠的。

3结论

采用Box-Behnken中心组合试验设计，使用Design-Expert8.0.5软件进行回归分析，得到糖化工艺参数水料比、膨化小麦比例、50℃蛋白质休止时间、62℃糖化时间和70℃糖化时间对麦汁还原糖含量的回归模型，方差检验结果证明了该模型的可靠性。利用Design-Expert8.0.5软件对影响麦汁还原糖含量的糖化工艺参数间的相互作用进行响应面分析，通过岭回归得到最优糖化工艺参数：水料比为3.7mL∶1g，膨化小麦比例为32%，50℃蛋白质休止时间为53min，62℃糖化时间为47min，70℃糖化时间为31min。对应的麦汁还原糖含量为86.1g/mL。

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2.2以还原糖含量为指标的膨化小麦辅料麦汁糖化工艺最佳条件的确定

以麦汁还原糖含量为考察指标，用岭回归寻找最优糖化工艺参数范围，岭回归寻优分析结果见表5。从表5可知，在编码半径范围内，还原糖含量的变化不大，还原糖含量的最优工艺参数范围为：水料比3.4～3.7mL∶1g，膨化小麦比例32%～33%，50℃蛋白质休止时间50～55min，62℃糖化时间44～47min，70℃糖化时间30～31min。

2.3以还原糖含量为指标的膨化小麦辅料麦汁糖化工艺最佳参数的验证试验结果

在最优范围内进行验证试验，试验结果（表6）表明，麦汁还原糖含量为85.5～87.6mg/mL，在预测范围以内验证优化参数，结果显示这些优化的参数是可靠的。

3结论

采用Box-Behnken中心组合试验设计，使用Design-Expert8.0.5软件进行回归分析，得到糖化工艺参数水料比、膨化小麦比例、50℃蛋白质休止时间、62℃糖化时间和70℃糖化时间对麦汁还原糖含量的回归模型，方差检验结果证明了该模型的可靠性。利用Design-Expert8.0.5软件对影响麦汁还原糖含量的糖化工艺参数间的相互作用进行响应面分析，通过岭回归得到最优糖化工艺参数：水料比为3.7mL∶1g，膨化小麦比例为32%，50℃蛋白质休止时间为53min，62℃糖化时间为47min，70℃糖化时间为31min。对应的麦汁还原糖含量为86.1g/mL。

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