响应面法优化西瓜汁保健果酒发酵工艺的研究

孟凡娟 安泉熹 张江勇 宋海霞 朱学军

摘 要：以西瓜汁为原料，通过响应面法优化西瓜汁保健果酒发酵工艺条件，以酒精度为响应值，采用Box-behnken中心组合试验设计建立数学模型，进行响应面分析。结果表明，西瓜汁保健果酒最优发酵工艺条件为：总糖含量26.32%，pH3.54，接种量3.92%，发酵温度25.21℃。在此条件下，酒精度理论值为15.67%（v/v）， 验证值为15.58%（v/v），与模型预测值基本相符。

关键词：西瓜汁保健果酒；发酵条件；响应面分析

中图分类号：S-3 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20180732002

西瓜汁中含有多种糖类如葡萄糖、蔗糖、果糖等，多种蛋白质和氨基酸，各种维生素、粗纤维、无机盐，多种挥发性醛类及钙、磷、铁等矿物质[1，2]。具有利尿、缓解疲劳、清热解暑及美容功效等，还具有抗氧化、减少心血管疾病及预防癌症等功能[3，4]。由于西瓜每年生产期集中且产量大，并且西瓜易受天气影响而不耐储存，使其售价偏低，每年都有成千上万吨的西瓜由于各种因素的影响而在地里腐烂变质，严重影响了瓜农的经济收入[5，6]。为了解决西瓜深加工难的技术难题，为了满足人们对健康保健饮品的需求，本研究通过响应面法优化了西瓜汁保健果酒的发酵工艺。以期为西瓜深加工提供技术支持，提高西瓜产品附加值的同时又能促进人们的身体健康和增加瓜农经济收益，生产出独具西瓜风味的新型保健果酒。

1 材料与试剂

1.1 供试材料

应季麒麟西瓜、白砂糖、安琪果酒酵母。

1.2 试剂与仪器

主要试剂：75%乙醇、100?g/mL葡萄糖、6%苯酚、浓硫酸、柠檬酸。

主要仪器：榨汁机、可见分光光度计、酸度计、高压灭菌锅、超净工作台、智能生化培养箱、真空抽滤泵、旋转蒸发仪。

1.3 试验方法

1.3.1 西瓜预处理

将新鲜的西瓜表皮冲洗、消毒、切开去籽、瓜瓤榨汁后用纱布过滤，分装后于-20℃冰箱冷冻保存，备用。

1.3.2 西瓜汁含糖量的测定

采用苯酚硫酸法绘制标准曲线，得线性回归方程Y=0.016X+0.0237，相关系数R2=0.998，将西瓜汁过滤后稀释至一定倍数，按照标准曲线绘制的方法测定吸光度，测得平均吸光度为0.46，经计算西瓜汁的含糖量为：5.5g/100mL。

1.3.3 酵母菌活化

准确称取0.1g果酒酵母于2%糖水中，置35℃水浴活化30min，复转28℃水浴活化1h。

1.3.4 总糖含量的优化

调节总糖含量分别为22%、24%、26%、28%、30%，初始pH为4，活化酵母菌接种量为5%，发酵温度为26℃，每处理3个重复，置恒温培养箱培养7d后测酒精度。

1.3.5 初始pH的优化

总糖含量调节为26%，控制初始pH分别为3、4、5、6、7，活化酵母菌接种量为5%，发酵温度为26℃，每处理3个重复，置恒温培养箱培养7d后测酒精度。

1.3.6 酵母菌接种量的优化

总糖含量调节为26%，初始pH为4，控制酵母菌接种量分别为1%、3%、5%、7%、9%，发酵温度为26℃，每处理3个重复，置恒温培养箱培养7d后测酒精度。

1.3.7 发酵温度的优化

总糖含量调节为26g%，初始pH为4，活化酵母菌接种量为5%，控制发酵温度分别为22℃、24℃、26℃、28℃、30℃，每处理3个重复，置恒温培养箱培养7d后测酒精度。

1.3.8 响应面优化试验

在单因素试验的基础上，通过Design Expert V8.0.6.1

软件进行响应试验优化设计，以总糖含量、pH、接种量、发酵温度4个因素为考察对象，酒精度为响应值进行试验，每组试验3个重复取其平均值，以确定西瓜酒发酵最优的工艺条件。

1.4 酒精度的测定

严格按照GB/T15038-2006葡萄酒、果酒通用分析方法中酒精计法测定。

1.5 数据处理

试验数据采用Excel中AVERAGE、STDEV函数统计处理和Design Expert軟件中的数据回归分析。

2 结果与分析

2.1 单因素优化结果分析

（a） （b）

（c） （d）

（a）总糖含量对酒精度的影响 （b）初始pH对酒精度的影响

（c）接种量对酒精度的影响 （d）发酵温度对酒精度的影响

如图（a）所示：当西瓜汁发酵液的总糖含量为26%时酒精度最高，总糖含量低于或高于26%时，酒精度均有显著的下降趋势，所以确定总糖含量的因素水平为24%、26%、28%；如图（b）所示：西瓜酒发酵的最适pH值为4，当pH<4和pH>4时，酒精度均有下降的趋势，所以确定初始pH的因素水平为3、4、5；如图（c）所示：接种量为5%时酒精度最高，当接种量低于或高于5%时，酒精度均有显著的下降趋势，因此确定接种量的因素水平为3%、5%、7%；如图（d）所示：发酵温度为26℃时，酒精度含量最高，当发酵温度高于或低于26℃时，酒精度的含量均显著降低，从而确定发酵温度的因素水平为24℃、26℃、28℃。

2.2 响应面结果与分析

在单因素优化试验的基础上，通过Design Expert软件进行4因素3水平的Box-behnken中心组合试验设计，共29组试验。

通过Design Expert软件对试验数据进行回归分析，拟合得到酒精度对发酵总糖、pH、接种量、温度的二次回归方程为：

Y=15.18-0.14X1-0.83X2-0.88X3-0.36X4+0.10X1X2-0.38X1X3-0.55X1X4+0.15X2X3+0.25X2X4+0.13X3X4-0.72X12-1.08X22-0.98X32-0.79X42

由表3可知：模型的f值=6.17，P值=0.0008<0.05，

表明模型具有显著性，拟失项的P值不显著，表明该模型的建立是充分的。其中：一次项X2、X3及二次项、X22、X32、X42对响应值的影响均达到了极显著水平，二次项X12对响应值的影响达到了显著水平，各交互项对模型的影响均不显著。各显著项对响应值的影响顺序依次为：C>B>B2>C2>D2>A2，表明接种量对酒精度的影响最大，其次是pH值。根据Design Expert建立的Box-behnken数学模型进行参数优化分析，得出西瓜汁保健果酒的最佳发酵工艺条件为：总糖含量26.32%，初始pH3.54，接种量3.92%，发酵温度25.21℃，在此条件下，酒精度理论值为15.67%（v/v）。为验证模型的可行性，将上述预测条件进行试验验证，所得酒精度的验证值为15.58%（v/v），跟模型的预测值接近，表明该模型的建立是充分的，具有一定的可行性和参考价值。

3 结论

本研究对西瓜汁保健果酒的生产工艺进行了研究，通过改善不同发酵工艺条件以达到提高发酵酒中酒精度的目的。在单因素实验的基础上，进行了响应面优化试验，结果表明，西瓜汁保健果酒酿造的最优工艺条件为：总糖26.32%，初始pH3.54，接种量3.92%，发酵温度25.21℃。所得西瓜汁保健果酒營养丰富，果香浓郁，色泽鲜亮，口感幽雅。

参考文献

[1]华景清，蔡健.西瓜的营养与药用价值[J].食品与药品，2005

（6）：67-69.

[2]张俊杰，程志强.西瓜的营养成分及保健功能[J].南方园艺，2013，24（2）：49-50.

[3]王英臣，匡明，王立江.西瓜酒的研制与开发[J].中国西瓜甜瓜，2001（4）：40-41.

[4]胡晓冰，杨生玉，张彭湃，等.西瓜酒发酵工艺的研究[J].酿酒，2007（3）：83-85.

[5]代巧鹰，谭兴和，王锋.西瓜加工研究进展[J].保鲜与加工，

2008（6）：5-8.

[6]王春霞，高素芳，杨文玺，等.西瓜酒的研制[J].甘肃科技纵横，2006（6）：31，134.

作者简介：孟凡娟（1989-），女，硕士研究生，研究方向：微生物研究；朱学军（1970-），男，博士，讲师，研究方向：生物转化研究。