奉节脐橙果酒发酵工艺的优化

吴 均,杨德莹,李抒桐,谢青松,熊 虎,严海元,向建国

(重庆市永川食品药品检验所,重庆 402160)



奉节脐橙果酒发酵工艺的优化

吴 均,杨德莹,李抒桐,谢青松,熊 虎,严海元,向建国

(重庆市永川食品药品检验所,重庆 402160)

为优化奉节脐橙果酒发酵工艺,以奉节脐橙果汁为原料,在对发酵温度、二氧化硫添加量、果酒干酵母添加量和发酵时间单因素实验基础上,应用Box-behnken中心组合实验设计,并进行响应面分析优化奉节脐橙果酒发酵工艺。结果表明,奉节脐橙果酒发酵最佳工艺条件为:发酵温度30 ℃、二氧化硫添加量60 mg/L、果酒干酵母添加量54 mg/100 mL、发酵时间11 d,在此条件下,得到的奉节脐橙果酒的酒精体积分数为14.13%。与响应面预测值14.18%拟合性较好,对实际生产有一定指导意义。

奉节脐橙,果酒,发酵工艺,优化,响应面法分析

奉节脐橙(Citrus sinensis Osbeck)是重庆奉节华盛顿脐橙优良枝变的甜橙鲜食品种,是国内具有优势的地方品种,在国内外享有一定的声誉[1]。奉节脐橙作为重庆特色水果,全县己在“一江五河”流域两岸海拔600米以下区域广泛种植,成为全县农业主导产业,截至2013年底,种植面积达28.5万亩、产量达20多万t、综合产值达8亿元,占全县农业产值的22%,在奉节县境内40公里长江两岸及其支流草堂河、梅溪河、朱衣河、墨溪河、石笋河两岸一、二级阶地成为奉节脐橙主产区,占总产量80%以上[2]。

脐橙的果皮色泽橙红,果肉多汁浓甜,口感脆嫩、营养丰富,含有蛋白质、氨基酸、维生素、脂肪、微量元素等多种营养成份,果肉中富含黄酮类化合物、柠檬苦素类化合物、类胡箩卜素、果胶等活性成分[3-4],研究表明其具有抗氧化[5]、防癌[6]、抗癌[7]、降低肝内胆固醇[8]、抗突变[9]、抗真菌[10-11]、抑制变性细胞增殖[12]、抗病毒[13]、抗炎症[14]、防治心血管疾病[15]等多种保健功效。目前脐橙主要以鲜食和橙汁加工为主,深加工产业相对滞后,近年来,对脐橙的综合研究主要集中在果实的贮藏方式[16]、保鲜技术[17]、病虫害防治[18]、产地溯源[19]、复合饮料[20-21]、果酒[22]等方面。潘训海等[23]利用正交实验探讨了脐橙果酒的酿制条件,得到了酿造过程中发酵温度、SO2用量、果胶酶用量、酵母接种量的最佳参数;杨文侠等[24]通过对发酵温度、橙汁加糖量、酵母添加量等因素进行正交实验设计,以感官评价为指标,确定最佳的酿造工艺参数。而利用响应面进行脐橙果酒发酵工艺优化的研究少见有报道。响应面分析法作为实验设计及统计的一种基本方法,在生物学中应用相当广泛,是生物学中的一种重要优化方法,主要用于确定各种工艺或培养实验的最优条件。本实验以奉节脐橙为研究对象,在单因素基础上,采用响应面分析法对影响奉节脐橙果酒发酵工艺参数进行优化,得到最佳工艺条件,为奉节脐橙果酒的生产提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

脐橙 购于重庆市奉节县草堂镇,品种为福本;果酒专用酵母 SY葡萄酒高活性干酵母 安琪酵母股份有限公司;果胶酶(2000 U/g) 生工生物工程股份有限公司;柠檬酸(AR) 国药集团化学试剂有限公司;K2S2O5(食品级) 长沙科迪亚实业有限公司;白砂糖(食品级)。

JTC匀浆机 漯河市金田实验设备研究所;HH-420恒温水浴锅 上海乔跃电子有限公司;pH-3C酸度计 上海佑科仪器仪表有限公司;LH-T32手持糖度计 杭州陆恒生物科技有限公司;酒精计;SPX-150F-Ⅱ生化培养箱 上海龙跃仪器设备公司。

1.2 实验方法

1.2.1 脐橙果酒酿造工艺流程 新鲜脐橙→清洗→去皮→榨汁→添加果胶酶→过滤得原汁→调酸→调糖度→添加果酒干酵母→添加K2S2O5→发酵→过滤→灭菌→脐橙果酒。

1.2.2 操作要点 鲜果挑选:选取无腐烂、病虫害,果实大、肉厚,金黄色成熟的新鲜果实。

清洗榨汁:成熟的果实用流动水冲洗干净,沥干后剥皮榨汁,添加果胶酶过滤后得到原汁。

脐橙果汁调整:在脐橙果浆中添加果胶酶(0.25 g/L)是为了提高出汁率、过滤能力、利于果汁的澄清;在脐橙果汁中添加K2S2O5,调节果汁的SO2质量浓度达到60 mg/L,可起到杀菌、抗氧化和护色的作用[25]。由于脐橙果汁初始糖度不能满足果酒干酵母的发酵需求,需要添加白砂糖来提高初始糖度[26],用白砂糖将初始糖度调整为24%。用碳酸钙溶液将果汁pH调节为4.0。

菌种活化:称取1 g活性干酵母加入至20 mL含糖量为5%(m/m)的葡萄糖水中,搅拌均匀后于38 ℃保温30 min,冷却至28 ℃左右备用[27]。

过滤:虹吸上层酒液,在5 ℃左右冰箱中冷藏澄清72 h,过滤分离酒脚。

1.2.3 指标测定方法 可溶性固形物的测定:手持糖度仪;pH的测定:pH-3C仪;总糖与还原糖的测定:GB/T 15038-2006《葡萄酒果酒通用实验方法》中的直接滴定法[28];酒精体积分数的测定:酒精计法。

1.2.4 脐橙果酒发酵条件单因素实验设计

1.2.4.1 发酵时间对脐橙果酒酒精体积分数和残留总糖的影响实验 将脐橙果汁初始pH调整4.0,二氧化硫添加量为60 mg/L,果酒干酵母添加量为50 mg/100 mL,发酵温度28 ℃、初始糖度调整为24%,分别在2、4、6、8、10、12、14 d时测定脐橙果酒酒精体积分数和残留总糖。

1.2.4.2 果酒干酵母添加量对脐橙果酒酒精体积分数和残留总糖的影响实验 将脐橙果汁初始pH调整4.0,二氧化硫添加量为60 mg/L,发酵温度为28 ℃,初始糖度调整为24%,果酒干酵母添加量分别为20、30、40、50、60、70、80 mg/100 mL,发酵10 d,测定脐橙果酒酒精体积分数和残留总糖。

1.2.4.3 二氧化硫添加量对脐橙果酒酒精体积分数和残留总糖的影响实验 将脐橙果汁初始pH调整4.0,果酒干酵母添加量为50 mg/100 mL,发酵温度为28 ℃,初始糖度调整为24%,二氧化硫添加量分别为30、40、50、60、70、80、90 mg/L,发酵10 d,测定脐橙果酒酒精体积分数和残留总糖。

1.2.4.4 发酵温度对脐橙果酒酒精体积分数和残留总糖的影响实验 将脐橙果汁初始pH调整4.0,二氧化硫添加量为60 mg/L,果酒干酵母添加量为50 mg/100 mL,初始糖度调整为24%,分别在24、26、28、30、32 ℃温度下发酵10 d,测定脐橙果酒酒精体积分数和残留总糖。

1.2.5 脐橙果酒发酵工艺条件优化 在单因素实验的基础上,利用Box-Behnken的中心组合设计原理,选择发酵温度、二氧化硫添加量、果酒干酵母添加量和发酵时间这4个因素为自变量,以脐橙果酒的酒精体积分数为响应值,进行4因素3水平的Box-Behnken中心组合实验设计,采用响应面法进行优化,确定脐橙果酒最佳发酵工艺条件参数[29]。

表1 Box-Behnken 实验因素水平表
Table 1 Variables and levels in Box-Behnken central composite design

水平编码因素A发酵温度(℃)B二氧化硫添加量(mg/L)C果酒干酵母添加量(mg/100mL)D发酵时间(d)-12850408030605010132706012

1.2.6 数据处理 实验所得数据为三次重复实验的平均值;采用Origin9.0作图;采用DesignExpert8.0软件进行响应面分析。

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果

2.1.1 发酵时间对脐橙果酒酒精体积分数和残留总糖的影响 由图1可知,发酵初期果酒的酒精体积分数低,残留总糖含量高,是因为果酒干酵母的繁殖还处于停滞期,酵母数量不足,发酵力度不大,而随着发酵时间的延长,果酒干酵母的繁殖进入对数期,果酒酒精体积分数逐渐增加,发酵液体中的残留总糖含量逐渐降低。在发酵到10 d时,酒精体积分数达到最大值14%,残留总糖含量达到最小值2 g/L,之后趋于稳定,发酵接近终点,这是因为随着发酵时间的延长,果汁中的糖分及其他营养成分减少,酵母菌的生长和代谢受到抑制。因此,较佳发酵时间为10 d。

图1 发酵时间对酒精体积分数和残留总糖的影响Fig.1 Effects of fermentation time on alcoholicity and reducing sugars

2.1.2 果酒干酵母添加量对脐橙果酒酒精体积分数和残留总糖的影响 由图2可知,果酒酒精体积分数随着果酒干酵母添加量的增加而增加,发酵液体中的残留总糖含量逐渐降低。由此可见,果酒干酵母添加量越大,果酒酒精体积分数越高,糖分解转化为酒精越充分。但是过高的果酒干酵母添加量又会使果酒的发酵变得过于猛烈,虽然酒精体积分数较高但果酒的品质下降且味道变苦。果酒干酵母添加量低于50 mg/100 mL时,果酒发酵不彻底,果酒的酒精体积分数不高而残留总糖含量较高;果酒干酵母添加量为50 mg/100 mL时,酒精体积分数与残留总糖达到最大值和最小值,之后趋于稳定;因此,最佳的果酒干酵母添加量为50 mg/100 mL。

图2 果酒干酵母添加量对酒精体积分数和残留总糖的影响Fig.2 Effects of yeast inoculating amount on alcoholicity and reducing sugars

2.1.3 二氧化硫添加量对脐橙果酒酒精体积分数和残留总糖的影响 由图3可知,SO2添加量会直接影响酵母的发酵结果,二氧化硫添加量过少会导致果酒被杂菌污染,过多又会抑制果酒干酵母的生长和发酵性能,从而影响果酒的酒精体积分数和品质。酒精体积分数随着二氧化硫添加量的增加呈现先增加后降低的趋势,残留总糖随着二氧化硫添加量的增加呈先降低后增加的趋势,二氧化硫添加量为60 mg/L时果酒的酒精体积分数与残留总糖达到最大值和最小值,发酵较为彻底。因此,最佳二氧化硫添加量为60 mg/L。

图3 二氧化硫添加量对酒精体积分数和残留总糖的影响Fig.3 Effects of sulfur dioxide amount on alcoholicity and reducing sugars

2.1.4 发酵温度对脐橙果酒酒精体积分数和残留总糖的影响 研究表明,在一定发酵温度范围内,温度越高,果酒干酵母的生长速度和酶活力越高,酒精体积分数越高和残留总糖越低,但过高的温度会使果酒产生不良发酵味,从而影响其口感和品质;过低的发酵温度则使果酒的酒精体积分数低且风味平淡[30-31]。由图4可知,酒精体积分数随着发酵温度升高呈先增加后降低的趋势,残留总糖随着发酵温度升高呈先降低后增加的趋势,当发酵温度为30 ℃时,果酒的酒精体积分数与残留总糖达到最大值和最小值,发酵较为彻底;当发酵温度>30 ℃时,酒精体积分数下降,可能是因为过高的发酵温度导致发酵过于剧烈而使果酒干酵母的发酵性能提早衰退。因此,最佳的发酵温度为30 ℃。

图4 发酵温度对酒精体积分数和残留总糖的影响Fig.4 Effects of fermentation temperature on alcoholicity and reducing sugars

2.2 响应面实验设计与结果

2.2.1 响应面实验结果与方差分析 参照单因素实验结果,选择发酵温度(A)、二氧化硫添加量(B)、果酒干酵母添加量(C)、发酵时间(D)进行4因素3水平的Box-Behnken中心组合实验设计,在中心点重复5次,共计29次实验,结果如表2所示,利用Design-expert 8.0.6对实验结果进行多元回归分析。

表2 Box-Behnken 实验设计方案及结果
Table 2 Results of Box-Behnken central composite design

实验号ABCD酒精度(%)实验号ABCD酒精度(%)110101271600-1-11320-10-112917-1-1001230-1-1013218010-11264001-11319-10-1012150-1011352001101366100-1118210000141711001222-10101228-1001121230101134900001412400-11133101-1001212500001411100111382610011261200001412701-1013130-1101342800001414-110011629-100-11171510-10121

表3 方差分析
Table 3 Analysis of variance for the fltted regression model

系数来源平方和自由度均方F值Pro>F显著性模型18541413217852<00001∗∗A02110212876<00001∗∗B00671006791000092∗∗C03310334494<00001∗∗D114111415382<00001∗∗AB00221002230301035AC00621006284300116∗AD00401004053900358∗BC00401004053900358∗BD1000E-00211000E-00213502650CD00621006284300116∗A2159711597215347<00001∗∗B2183118324722<00001∗∗C204710476336<00001∗∗D2150115020291<00001∗∗残差010147417E-003失拟0096109583E-00347900723不显著净误差8000E-00342000E-003总离差186428相关系数(R2)09944调整复相关系(R2Adj)09889

注:**表示差异极显著(p<0.01);*表示差异显著(p<0.05)。

经多元回归分析得到脐橙果酒酒精体积分数的回归方程:

酒精体积分数(%)=14.18+0.13A-0.075B+0.17C+0.31D+0.075AB+0.13AC+0.1AD+0.1BC+0.05BD+0.13CD-1.57A2-0.53B2-0.27C2-0.48D2

2.2.2 交互作用分析 4个因素间交互作用的响应曲面如图5～图10所示。曲面图可以预测和检验自变量的响应值以及自变量之间的关系[32]。曲面图坡度越陡,交互作用较强;交互作用越弱等高线越圆,交互作用较强则等高线呈椭圆[33]。由图5～图10的曲面图可知,随着因素水平的增加,果酒酒精体积分数先增加后减少;A与C、A与D、B与C、C与D交互作用较大;A与B、B与D的交互作用对酒精体积分数的影响相对较小。图7、图9、图10的曲面图显示陡峭程度,可得出:D对酒精体积分数的影响要大于A、B与C。同理,图6、图8的响应面曲面图图显示C对酒精体积分数的影响要强于A和B;图7响应面曲面图显示A对酒精体积分数的影响要大于B。

图5 发酵温度与二氧化硫添加量交互影响脐橙果酒酒精体积分数的响应曲面Fig.5 Response surface for the alcoholicity under different fermentation temperature and quantity of sulfur dioxide

图6 发酵温度与果酒干酵母添加量交互影响脐橙果酒酒精体积分数的响应曲面Fig.6 Response surface for the alcoholicity under different fermentation temperature and inoculating amount of yeast

图7 发酵温度与发酵时间交互影响脐橙果酒酒精体积分数的响应曲面Fig.7 Response surface for the alcoholicity under different fermentation temperature and fermentation time

图8 二氧化硫添加量与果酒干酵母添加量交互影响脐橙果酒酒精体积分数的响应曲面Fig.8 Response surface for the alcoholicity under different quantity of sulfur dioxide and inoculating amount of yeast

图9 二氧化硫添加量与发酵时间交互影响脐橙果酒酒精体积分数的响应曲面Fig.9 Response surface for the alcoholicity under different quantity of sulfur dioxide and fermentation time

图10 果酒干酵母添加量与发酵时间交互影响脐橙果酒酒精体积分数的响应曲面Fig.10 Response surface for the alcoholicity under different inoculating amount of yeast and fermentation time

2.2.3 最优发酵工艺的优化与验证 经Design-Expert 8.0.6系统分析得到脐橙果酒发酵的最佳工艺条件:发酵温度为30.14 ℃、二氧化硫添加量为59.91 mg/L、果酒干酵母添加量为54.14 mg/100 mL、发酵时间为10.76 d,脐橙果酒果酒酒精体积分数理论预测值为14.18%。

为了方便操作,将以上参数修正为:发酵温度为30 ℃、二氧化硫添加量为60 mg/L、果酒干酵母添加量为54 mg/100 mL、发酵时间为11 d,在该条件下进行3组平行验证实验,得到脐橙果酒酒精体积分数分别为14.2%、14.2%、14%,平均值为14.13%,与预测值仅相差0.05%。表明采用该模型得到的预测值与实验真实值相符度高。

3 结论

通过单因素实验和中心组合设计实验,采用响应面分析法得出脐橙果酒最佳工艺条件:发酵温度为30 ℃、二氧化硫添加量为60 mg/L、果酒干酵母添加量为54 mg/100 mL、发酵时间为11 d。在此条件下,果酒酒精体积分数为14.13%,理论预测值为14.18%,表明该模型拟合程度良好,能用此模型对脐橙果酒酒精体积分数进行分析和预测,有一定的实用价值。影响脐橙果酒酒精体积分数因素的顺序为:发酵时间>果酒干酵母接种量>发酵温度>二氧化硫添加量。

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Optimization of fermentation technology of citrus sinensis osbeck fruit wine of Fengjie

WU Jun,YANG De-ying,LI Shu-tong,XIE Qing-song,XIONG Hu,YAN Hai-yuan,XIANG Jian-guo

(Chongqing Yongchuan Institute for Food and Drug Control,Chongqing 402160,China)

In order to optimize the fermentation technology of citrus sinensis osbeck fruit wine of Fengjie. The citrus sinensis osbeck juice of Fengjie was utilized as raw material to brew fruit wine. On the basis of single-factor test,Box-Behnken center-united experiment was designed to concern four factors including fermentation temperature,content sulfur dioxide,yeast addition quantity,fermentation time. Then the response surface regression analysis was conducted to obtain the optimum formulations of wine fermentation process of Fengjie citrus sinensis osbeck. The optimal fermentation conditions were determined as follows:fermentation temperature 30 ℃,sulfur dioxide 60 mg/L,yeast addition quantity 54 mg/100 mL and fermentation time 11 d. Under this optimal condition,the alcoholicity was 14.13%(v/v). The result was well matched with the predicted value(14.18%),and well suggests production prediction.

the citrus sinensis osbeck of Fengjie;fruit wine;fermentation technique;optimization;response surface analysis

2016-05-30

吴均(1988-)，女，硕士研究生，研究方向：食品安全与质量控制，主要从事食品微生物检测，E-mail：3119495376@qq.com。

TS201.2

B

1002-0306(2016)23-0247-06

10.13386/j.issn1002-0306.2016.23.038