响应面法优化黑豆米酒发酵工艺

2018-03-27刘琨毅冯雨辰赵金松袁华伟

中国酿造 2018年2期

刘琨毅，王琪*，冯雨辰，赵金松，袁华伟

（1.宜宾职业技术学院五粮液技术学院，四川宜宾 644003；2.四川理工学院生物工程学院，四川自贡 643000；3.宜宾学院生命科学与食品工程学院，四川宜宾 644000）

黑豆营养丰富，富含蛋白质、维生素、微量元素等多种营养成分，同时又具有多种生物活性物质（如黑豆色素、黑豆多糖和异黄酮等）[1-3]。现代医学研究表明，黑豆具有调节免疫、抗癌、抗氧化、降低胆固醇等功效[4-6]。由于其独特的生物活性物质，使其成为当前食品领域研究和开发的热点[7-9]。大米作为全球半数以上人口的主食，除了为机体提供生命必需的糖类、蛋白质、脂肪等主要营养成分外，还为人体提供诸如铁、锰、铜、锌、硒等大量必需的微量元素[10-11]。

生料酿酒是微生物利用生淀粉直接进行生长、繁殖及代谢的过程[12-13]，因其免去了传统酿酒工艺中原料和辅料的蒸煮、上甑、摊晾等工序，进而具有节约资源，提高酒率，操作简便，便于工业化生产等优点，被誉为我国白酒工业发展的方向[14-16]。目前，生料酿酒的原料来源广泛，主要包括大米、玉米、高粱、小麦、红薯等，但大多数生料酒厂使用单一的粮食酿酒，使其微生物代谢产物少，香气单一，口感单薄不协调，为大规模推广带来困难[17-19]。姜莉莉[20]用黑豆和糯米混合发酵制成黑豆米酒，不仅增加了米酒的色香味，而且提高了米酒的营养价值和保健功效。本试验通过黑豆与大米混合用于生料酿酒，以期提高酒香，使酒体口感醇和协调，为工业化生产提供理论基础。

1 材料与方法

.1 材料与试剂

生料曲：丽水力克生物科技有限公司；黑豆、大米：市售；乙酸、乙酸钠（分析纯）：国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

BS210S型电子分析天平：北京赛多利斯天平有限公司；SW-CJ-2FD型超净工作台：苏州净化设备有限公司；PHs-3c型精密pH计：上海理达仪器厂；800Y型多功能粉碎机：铂欧五金厂；ZWYR-D2403型恒温培养振荡器：上海智城分析仪器制造有限公司；Alcomat Super酒精度测试仪：意大利盖博分析仪器公司。

1.3 方法

1.3.1 黑豆米酒酿造工艺流程及操作要点

黑豆、大米→粉碎→加水→调整pH→接种→发酵→过滤→成品

操作要点：大米粉碎过40目筛，黑豆粉碎过60目筛，将两种原料按不同的配比组合加入三角瓶中，并加入一定量的纯净水，调整溶液pH至4.0，接种后在30℃条件下静置发酵，发酵前3天每天搅拌1次，待发酵结束后过滤得到黑豆米酒。

1.3.2 单因素试验方法

保持其他条件不变，分别考察物料比（黑豆∶大米）（1∶5、1∶4、1∶3、1∶2、1∶1（g∶g）），料液比（1∶1.5、1∶2、1∶2.5、1∶3、1∶3.5（g∶mL）），接种量（0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%），发酵时间（15 d、17 d、19 d、21 d、23 d）对黑豆米酒感官评分的影响。

1.3.3 黑豆米酒发酵工艺条件的响应面优化试验

在单因素试验的基础上，根据Box-Benhnken[21]的中心组合试验设计原理，以感官评分（Y）为考察指标，进行4因素3水平的响应面分析试验，确定黑豆米酒最佳的发酵工艺条件，因素与水平如表1所示。

表1 黑豆米酒发酵工艺条件优化响应面试验因素与水平Table 1 Factors and levels of response surface experiments for black bean rice wine fermentation process optimization

1.3.4 测定方法

还原糖（以葡萄糖计）测定：斐林试剂法[22]；酒精度测定：酒精计法[22]；总酸的测定：电位滴定法[23]。固形物测定：按照参考文献[24]的方法进行。

感官评定由15名专业人员组成的感官评定小组参照NY/T 1885—2010《绿色食品米酒》[24]对黑豆米酒从色泽（满分5分）、形态（满分5分）、香气（满分30分）、滋味（满分40分）、典型性（满分20分）5个方面进行评分，取15人的平均分，满分为100分，感官评分标准如表2所示。

表2 黑豆米酒感官评分标准Table 2 Sensory evaluation standards of black bean rice wine

续表

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 物料比对黑豆米酒感官评分的影响

图1 物料比对黑豆米酒感官评分的影响Fig.1 Effect of material ratio on sensory evaluation score of black bean rice wine

由图1可知，随着黑豆比例的逐渐增加，黑豆米酒的感官评分也随之增加；当黑豆与大米的比例达到1∶2时，黑豆米酒的感官评分达到最高为（84.8±1.2）分；但当黑豆的比例继续增加时黑豆米酒的感官评分则表现出下降的趋势。黑豆经发酵后产生的独特香气能克服单粮酿酒香气单一的弱点，但黑豆比例过大后容易使酒体呈现出较强的豆腥味。因此选择物料比（黑豆∶大米）为1∶3、1∶2、1∶1（g∶g）用于响应面优化试验。

2.1.2 料液比对黑豆米酒感官评分的影响

由图2可知，当料液比在1∶1.5～1∶3.0（g∶mL）范围内时，黑豆米酒的感官评分随着纯净水比例的升高而升高，最高时可达（78.4±1.2）分；当料液比达到1∶3.5（g∶mL）时，经发酵后的黑豆米酒酒液的酒精体积分数偏低，风味较差，造成黑豆米酒的感官评分降为（74.1±1.4）分。因此选择料液比为1∶2.5、1∶3.0、1∶3.5（g∶mL）用于后续试验。

图2 料液比对黑豆米酒感官评分的影响Fig.2 Effect of material to water ratio on sensory evaluation score of black bean rice wine

2.1.3 接种量对黑豆米酒感官评分的影响

图3 接种量对黑豆米酒感官评分的影响Fig.3 Effect of inoculum on sensory evaluation score of black bean rice wine

由图3可知，随着接种量的逐渐增加，黑豆米酒的感官评分也随之增加。由于接种量偏低时，容易使原料不能完全发酵，造成发酵液酒精体积分数偏低及酒香不突出等现象。当接种量达到2.5%时，黑豆米酒的感官评分达到了（82.2±1.3）分，但与接种量为2.0%时的感官评分无显著性差异（P＞0.05），故选择接种量为1.5%、2.0%、2.5%用于响应面法试验。

2.1.4 发酵时间对黑豆米酒感官评分的影响

图4 发酵时间对黑豆米酒感官评分的影响Fig.4 Effect of fermentation time on sensory evaluation score of black bean rice wine

由图4可知，随着发酵时间的延长，糖分不断转化成乙醇及香味物质，黑豆米酒的感官评分也随之增加，发酵时间为21 d时，最高达到了（82.3±1.1）分。虽然当发酵时间为23 d时，黑豆米酒的感官评分较发酵时间为21 d时有所下降，但两者之间无显著性差异（P＞0.05）。因此选择发酵时间为19 d、21 d、23 d用于后续试验。

2.2 响应面试验

通过响应面法对物料比、料液比、接种量、发酵时间4个因素分析得到以下试验方案及结果见表3。

表3 黑豆米酒发酵工艺条件优化响应面试验设计及结果Table 3 Design and results of response surface experiments for black bean rice wine fermentation process optimization

通过Design-Expert 8.0.6软件对表3的数据进行分析，得到结果如表4所示。由表4可知，接种量与发酵时间对黑豆米酒感官评分影响极显著（P＜0.01）。以黑豆米酒感官评分为响应值，经回归拟合后，得到回归方程：

表4 响应面试验结果方差分析Table 4 Variance analysis of the response surface experiments results

根据表4中方差分析结果，黑豆米酒感官评分的回归方程描述与响应面值之间的关系模型显著（P＜0.05），且失拟项检验不显著（P＞0.05），表明该试验模型充分拟合试验数据，黑豆米酒感官评分的回归方程是黑豆米酒感官评分与黑豆米酒酿造工艺各参数的合适数学模型，即可以利用此回归方程确定黑豆米酒酿造的最佳工艺。

响应面图形是响应值对各试验因子所构成的三维空间的曲面图，从响应面分析图上可形象地看出最佳参数及各参数之间的相互作用[25]。根据黑豆米酒感官评分回归方程得出不同因子的响应面分析图结果见图5。由图5可较直观地看出，各因素交互作用对黑豆米酒感官评分的影响，若曲线越陡峭，则表明该因素对黑豆米酒感官评分的影响越大[26]。由图5可知，因子C（接种量）对黑豆米酒感官评分的影响最大，因子D（发酵时间）次之，与表3方差分析结果相吻合，接种量和发酵时间二者对应的P值均＜0.01，均达到了极显著水平。

通过软件分析确定黑豆米酒的最佳酿造工艺为物料比（黑豆∶大米）1∶1.49、料液比1∶2.94（g∶mL）、接种量2.26%及发酵时间20.75 d，此条件下由公式算出感官评分的理论值为90.93分。为方便实际操作，根据所得的分析数据进行3组验证试验，修正验证试验的条件为物料比（黑豆∶大米）1∶1.5、料液比1∶3.0（g∶mL）、接种量2.3%及发酵时间21 d，在此条件下得到黑豆米酒的感官评分为91.5分，测定结果稳定，偏差不大，证明该结果合理可靠。

图5 物料比、料液比、接种量及发酵时间交互作用对黑豆米酒感官评分影响的等高线与响应面曲Fig.5 Response surface plots and contour line of effects of interaction between material ratio,material to water ratio,inoculum and fermentation time on the sensory evaluation score of black bean rice wine

2.3 理化指标分析

经测得黑豆米酒在最佳酿造工艺条件下的还原糖为4.3 g/100 g，酒精度11.7%vol，总酸0.89 g/100 g，固形物为11.3 g/100 g。理化指标均符合NY/T 1885—2010《绿色食品米酒》中的标准。

3 结论

在单因素试验的基础上用响应面法对黑豆米酒的酿造工艺条件进行了优化，影响黑豆米酒感官评分的工艺因素按主次顺序排列为接种量＞发酵时间＞料液比＞物料比。最终确定了其最优工艺条件为物料比（黑豆∶大米）1∶1.5、料液比1∶3.0（g∶mL）、接种量2.3%及发酵时间21 d，在此条件下黑豆米酒感官评分为91.5分，色泽玫红、透明、粮香与酒香和谐。

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