响应面实验优化红肉蜜柚果酒发酵工艺

吴 均,谢青松,熊 虎,杨德莹,李抒桐,严海元,向建国

(重庆市永川食品药品检验所,重庆 402160)

响应面实验优化红肉蜜柚果酒发酵工艺

吴 均,谢青松,熊 虎,杨德莹,李抒桐,严海元,向建国

(重庆市永川食品药品检验所,重庆 402160)

为优化红肉蜜柚果酒发酵工艺,以红肉蜜柚果汁为原料,在对发酵温度、二氧化硫添加量、果酒干酵母添加量、发酵时间、初始糖度和初始pH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红肉蜜柚果酒发酵工艺。结果表明,红肉蜜柚果酒发酵最佳工艺条件为:发酵温度28 ℃、二氧化硫添加量61 mg/L、果酒干酵母添加量61 mg/100 mL、发酵时间15 d,在此优化条件下,红肉蜜柚果酒的酒精体积分数为13%,与响应面预测值13.25%拟合性较好,其残留总糖为1 g/L左右、酒呈淡橙红色,澄清透明,气味芳香,酒香浓郁,带有明亮的柚子风味,口感柔和,对实际生产有一定指导意义。

红肉蜜柚,果酒,发酵工艺,优化,响应面法分析

红肉蜜柚又称“红瓤蜜柚”,是平和县琯溪蜜柚的芽变株,其具有早熟、丰产、果大皮薄,果肉多汁柔软,细嫩化渣,清甜微酸等优点。红肉蜜柚除了琯溪蜜柚所具有的糖类、有机酸、类黄酮、呋喃类化合物、甲氧基化合物、维生素和矿物质等营养成分外[1-4],还富含β-胡萝卜素,其含量是琯溪蜜柚的46.8倍,番茄红素则是琯溪蜜柚的55.0倍[5]。还具有抗氧化[6-8]、降血糖[9]、抗肿瘤[10]、降胆固醇[11]、抑菌[12]、提高免疫力[13]、抗癌防癌[14]和预防心血管疾病[15]等多种保健功效。柚子酒富含人体所需的胡萝卜素、硫胺素、核黄素、维生素C、维生素E等多种营养成分,并含有较高的钾、钠、钙、镁、铁、锰、锌、铜、磷、硒等多种微量元素和18种氨基酸[16]。

目前红肉蜜柚主要以鲜食为主,对其综合利用的研究主要有果汁粉[17]、果粒饮料[18]、复合饮料[19]、提取番茄红素[20]、提取果胶和纤维素[21]、黄酮类物质以及柠檬苦素[22]等物质的相关工艺研究,而对于红肉蜜柚果酒的研究尚未见报道。本实验以红肉蜜柚为研究对象,在研究影响红肉蜜柚果酒发酵的单因素基础上,采用响应面分析法对发酵工艺参数进行优化,为红肉蜜柚果酒的生产提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

红肉蜜柚 重庆市永川区乐天玛特超市,品种为平和县琯溪红肉蜜柚;SY葡萄酒高活性干酵母 安琪酵母股份有限公司;果胶酶 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 红肉蜜柚果酒酿造工艺流程 红肉蜜柚→清洗→去皮→榨汁→添加果胶酶→过滤得原汁→调酸→调糖→添加K2S2O5→添加果酒干酵母→发酵→过滤→灭菌→红肉蜜柚果酒。

1.2.2 操作要点 鲜果挑选:选取无腐烂、病虫害,果大皮薄、肉厚的新鲜果实。

清洗榨汁:新鲜的果实用流动水冲洗干净,沥干后剥皮榨汁,添加果胶酶(0.25 g/L)过滤后得到原汁。

果汁调整:将红肉蜜柚榨汁后添加果胶酶(0.25 g/L)是为了提高出汁率、过滤能力、利于果汁的澄清;在红肉蜜柚果汁中添加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。由于红肉蜜柚果汁初始糖度(11%)不能满足果酒干酵母的发酵需求,需要添加白砂糖来提高糖度,将初始糖度调整为22%。用碳酸钙溶液将果汁的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[23]。

发酵:果汁分装入发酵瓶,添加经活化后的活性干酵母,控制起始发酵温度为28 ℃。2～3 d后,发酵达旺盛阶段,醪液翻腾,液面有大量CO2泡沫冒出,并覆盖一层由CO2泡沫、果胶物质、蛋白质、微细果肉等组成的泡盖;13 d后,果汁总糖随着发酵的进行而降至3 g/L 左右时,泡盖开始下沉,液面逐渐澄清,此时发酵速度变缓,发酵接近终点。

过滤:用橡皮管虹吸上层酒液至无菌玻璃容器中,后于冰箱冷藏澄清3 d,过滤分离酒脚得到澄清的果酒。

1.2.3 指标测定方法 糖度的测定:手持糖度仪;pH的测定:pH-3C仪;总糖与还原糖的测定:GB/T15038-2006《葡萄酒果酒通用实验方法》中的直接滴定法;酒精体积分数的测定:酒精计法。

1.2.4 红肉蜜柚果酒发酵条件单因素实验设计

1.2.4.1 发酵时间的影响 将红肉蜜柚果汁初始糖度调整为22%,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60 mg/100 mL,发酵温度28 ℃,分别在2、4、6、8、10、12、14、16、18 d时测定红肉蜜柚果酒酒精体积分数和残留总糖。

1.2.4.2 果酒干酵母添加量的影响 将红肉蜜柚果汁初始糖度调整为22%,初始pH调整4.0,二氧化硫添加量为60 mg/L,发酵温度为28 ℃,果酒干酵母添加量分别为20、30、40、50、60、70、80 mg/100 mL,发酵14 d,测定红肉蜜柚果酒酒精体积分数和残留总糖。

1.2.4.3 发酵温度的影响 将红肉蜜柚果汁初始糖度调整为22%,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60 mg/100 mL,分别在24、26、28、30、32 ℃温度下发酵14 d,测定红肉蜜柚果酒酒精体积分数和残留总糖。

1.2.4.4 二氧化硫添加量的影响 将红肉蜜柚果汁初始糖度调整为22%,初始pH调整4.0,果酒干酵母添加量为60 mg/100 mL,二氧化硫添加量分别为30、40、50、60、70、80、90 mg/L,发酵温度为28 ℃,发酵14 d,测定红肉蜜柚果酒酒精体积分数和残留总糖。

1.2.5 红肉蜜柚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,以红肉蜜柚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,确定红肉蜜柚果酒最佳发酵工艺条件参数。见表1。

表1 Box-Behnken设计实验因素水平表及编码Table 1 Level and code of variables for Box-Benhnken design

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 发酵时间的影响 由图1可知,果酒酒精体积分数随着发酵时间延长逐渐增加,发酵液体中的残留总糖含量逐渐降低。发酵时间短，果酒的酒精体积分数低,可能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。发酵时间小于6 d,果酒的酒精体积分数增加较快,残留总糖含量降低较快;发酵到14 d时,果酒的酒精体积分数达到12.8%,残留总糖含量2.4 g/L左右,之后趋于稳定,发酵接近终点,因此,最佳发酵时间14 d。

图1 发酵时间对果酒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 in fruit wine

2.1.2 果酒干酵母添加量的影响 由图2可知,发酵时间为14 d,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;果酒干酵母添加量低于60 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60 mg/100 mL时,酒精体积分数与残糖含量达到最大值和最小值,之后趋于稳定;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会使发酵变得过于猛烈,使果酒的味道变苦。因此,最佳的果酒干酵母添加量为60 mg/100 mL。

图2 果酒干酵母添加量对果酒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 in fruit wine

2.1.3 发酵温度的影响 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,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,而过低的发酵温度则使果酒的风味平淡[24]。由图3可知,发酵时间为14 d,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28 ℃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;当发酵温度大于28 ℃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,最佳发酵温度为28 ℃。

图3 发酵温度对果酒酒精体积分数和残留总糖的影响Fig.3 Effects of fermentation temperature on alcoholicity and reducing sugars in fruit wine

2.1.4 二氧化硫添加量的影响 由图4可知,发酵时间为14 d,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。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,因此,最佳二氧化硫添加量为60 mg/L。

图4 二氧化硫添加量对果酒酒精体积分数和残留总糖的影响Fig.4 Effects of sulfur dioxide amount on alcoholicity and reducing sugars in fruit wine

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

2.2 响应面实验结果

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

注:**表示差异极显著(p<0.01);*表示差异显著(p<0.05)。

得到预测模型:

酒精体积分数(%)=13.16+0.27A+0.058B+0.12C+0.24D+0.075AB-0.025AC-0.10AD+0.075BC+0.025BD-0.050CD-0.76A2-0.39B2-0.40C2-0.22D2

2.2.2 响应面分析 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)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[25]。图5、图6、图8曲面图显示出:随着各因素水平的升高,果酒酒精体积分数先增加后减少。图7、图9、图10显示出:随着发酵时间的延长,酒精体积分数逐渐增加;图5、图6、图7可得出:A对酒精体积分数的影响要大于B、C与D。同理,图8、图9显示B对酒精体积分数的影响要弱于C与D;图10显示D对酒精体积分数的影响要大于C。

图5 发酵温度与二氧化硫添加量交互影响红肉蜜柚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 dioxid

图6 发酵温度与果酒干酵母添加量交互影响红肉蜜柚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红肉蜜柚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红肉蜜柚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红肉蜜柚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红肉蜜柚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-Expert8.0.6系统分析得到红肉蜜柚果酒发酵的最佳工艺条件:发酵温度为28.29 ℃、二氧化硫添加量为61.15 mg/L、果酒干酵母添加量为61.19 mg/100 mL、发酵时间为15.03 d,红肉蜜柚果酒酒精体积分数理论预测值为13.25%。

为了方便操作,将以上参数修正为:发酵温度为28 ℃、二氧化硫添加量为61 mg/L、果酒干酵母添加量为61 mg/100 mL、发酵时间为15 d,3组平行实验的结果分别为13.0%、13.0%、13.2%,平均值为13.07%,与理论预测值仅相差0.18%,表明采用该模型得到的预测值与实验真实值相符度高,具有一定的实用价值。

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到红肉蜜柚果酒的最佳发酵工艺条件:发酵温度为28 ℃、二氧化硫添加量为61 mg/L、果酒干酵母添加量为61 mg/100 mL、发酵时间15 d。在此条件下,果酒酒精体积分数可达13%。表明该模型拟合程度良好,能用此模型对红肉蜜柚酒精体积分数进行分析和预测,其残留总糖为1 g/L左右、酒呈淡橙红色,澄清透明,气味芳香,酒香浓郁,带有明亮的柚子风味,口感柔和有一定的实用价值。影响红肉蜜柚酒精体积分数因素的顺序为:发酵温度>发酵时间>果酒干酵母添加量>二氧化硫添加量。

[1]郭莉,孙志高.柚子活性成分的提取及其功能研究进展[J].食品研究与开发,2007,28(8):167-171.

[2]Rouseff R L,Martin S F,YoutseyY C O. Quantitative survey of narirutin,naringin,hesperidin,and neohesperidin in Citrus[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry,1987,35:1027-1030.

[3]Jang H D,Chang K S,Chang T C,et al. Antioxidant potentials of buntan pummelo(CitrusgrandisOsbeck)and its ethanolic and acetified fermentation product[J]. Food Chem,2010,118(3):554-558.

[4]董乃霞.琯溪蜜柚果汁脱苦及加工工艺的研究[D].江苏:江南大学，2009.

[5]陆修闽,刘庆,徐娟,等. 红肉蜜柚果肉红色色素鉴定[J]. 亚热带植物科学,2006,35(1):39-41.

[6]但俊峰,盛雪飞,陈健初.5种柚汁中主要抗氧化成分含量及其抗氧化能力的比较[J].食品科学,2008,99(7):90-93.

[7]傅虹飞,冯云,谢笔均,等. 红葡萄柚类胡萝卜素抗油脂光敏氧化效果研究[J]. 中国粮油学报,2009,24(7):93-97

[8]Jayapralsha G K,Girennavar B,Patil B S. Antioxidant capacity of pummelo and navel oranges:extraction efficiency of solvents in sequence[J]. Food Sci Technol,2008,41(3):376-384.

[9]Rao A V,Agarawal S P. Role of lycopene as antioxidant carotenoid in the prevention of chronic diseases:a review[J]. Nutrition Research,1999,19(2):305-323.

[10]黄高凌,倪辉,胡阳,等. 蜜柚中主要苦味物质的快速测定方法的研究[J]. 中国食品学报,2009,9(1):208-213.

[11]贾冬英,郎黄英,姚开,等. 柚中果皮水不溶性膳食纤维对胆固醇的吸附研究[J]. 四川大学学报:工程科学版,2008,40(3):86-90.

[12]贾冬英,姚开,谭敏等.柚果皮中生理活性成分研究进展[J].食品与发酵工业,2001,11:74-77.

[13]南京中医药大学.中药大辞典[M].上海:上海科技出版社,2006.505.

[14]Eliso T,Maurizio L G,Santo G,et al. Citrus flavonoids,Molecular structure,biological activity and nutritional properties:A review[J]. Food chemistry,2007,104:466-479.

[15]Zhang Y H,Li Y,Dong L J,et al. Investigation of the interaction between naringin and human serum albumin[J]. Journal of Molecular Structure,2008,875:1-8.

[16]张怡. 福建特产柚子加工及综合利用技术的研究[J]. 福州:福建农林大学，2009.

[17]陈雪梅,黎英,石小琼. 红肉蜜柚果汁粉的生产工艺研究[J].江苏农业科学,2015,43(4):258-261.

[18]陈雪梅,黎英,卓晓华. 红肉蜜柚果粒饮料的工艺和配方优化[J].食品研究与开发,2014,35(17):48-52.

[19]陈雪梅,张映斌,曹诗诗. 红肉蜜柚果粒果汁复合饮料的生产工艺研究[J].福建师大福清分校学报,2014,(17):53-59.

[20]胡位荣,孙茹,温焱光. 响应曲面法优化红肉蜜柚番茄红素提取工艺的研究[J].广东农业科学,2012,(17):86-89.

[21]叶伟强. 琯溪蜜柚果脯加工及产业的研究[D].福州:福建农林大学

[22]阳梅芳.柚子黄酮类物质提取、分离及生物特性研究[D].广东:华南理工大学，2013.

[23]苏凤贤,曹旭峰,汪峰,等. 人参果酒酿造中酿酒酵母的选择[J]. 食品与发酵工业,2010,36(14):129-135.

[24]Reddy L V A,Reddy O V S. Effect of fermentation conditions on yeast growth and volatile composition of wine produced from mango(MangiferaindicaL.)fruit juice[J].Food and Bioproducts Processing,2011,89(4):487-491.

[25]徐响,孙丽萍,董捷. 响应面法优化蜂胶超临界二氧化碳萃取工艺的研究[J]. 食品科学,2009,30(8):86-89.

Optimization of fermentation of red pulp honey pomelo fruit wine by response surface methodology

WU Jun,XIE Qing-song,XIONG Hu,YANG De-ying,LI Shu-tong,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 red pulp honey pomelo.The red pulp honey pomelo juice was utilized as raw material to brew fruit wine. Box-Behnken center-united experiment was designed concerning six factors(fermentation temperature,content sulfur dioxide,yeast addition quantity,fermentation time,initial sugar content,initial pH)on the basis of single-factor test. Then the response surface regression analysis was conducted to obtain the optimum formulations of wine fermentation process of red pulp honey pomelo. The optimal fermentation conditions were determined as follows:fermentation temperature of 28 ℃,sulfur dioxide of 61 mg/L,inoculating amount of yeast of 61 mg/100 mL and fermentation time of 15 days. Under this optimal condition,the alcoholicity was 13%(v/v). The result was well matched with the predicted value(13.25%),the reducing sugar was 1 g/L,the wine showed pale orange-red,clean and transparent liquid and fragrance,with bright fruit flavors of grapefruit,mild taste and well suggests production prediction.

red pulp honey pomelo;fruit wine;fermentation technique;optimization;response surface analysis

2016-08-01

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(2017)03-0238-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.03.037