黄精水解液制备工艺优化及新型黄精黄酒的酿制

汪 涛，周新群，孙君社，2，张志民，2，王民敬，2，胡雪芳，2，李旭瑞，2，裴海生，2

（1.农业农村部规划设计研究院 农产品加工工程研究所，北京 100121；2.农业农村部农产品产后处理重点实验室，北京 100121；3.贵州大学 酿酒与食品工程学院，贵州 贵阳 550025）

黄精（Polygonatum sibiricum）又名鸡头黄精，我国首批进入食药同源的品种，中医以根茎入药是一种重要的中草药，已经使用了数千年。黄精富含活性多糖、皂苷、黄酮、蒽醌、生物碱和多种人体有用氨基酸[1]。经研究，黄精在治疗疲劳、降血糖、提高免疫和缓解性功能障碍等方面均有很好的疗效[2-4]。黄精富含的黄酮、多酚和皂苷等活性成分均易溶于乙醇类有机溶剂，可提高酒精类产品的营养价值[5]。

目前，国内专家学者很重视原料水解的研究，对水解方法、技术做了大量的工作。研究发现将固体原料水解后，便于其营养物质充分利用、保留以及相关产品的开发[6]。黄精作为一种常用的道地药材，富含大量的功效物质。据调查目前市面上黄精产品几乎都用固体原料加工生产的，没有做任何处理，这样不仅使黄精营养物质流失，而且不便于人体吸收[7]。通过高速剪切、超声酶解两步对黄精进行水解，二者循序渐进、相辅相成使其尽可能全水解，大部分功能性物质溶于水解液中，为后期产品开发提供易加工、高价值的原料。

原料水解酿造是一种新型酿酒工艺，用黄精水解液酿制黄酒，一方面可以免去黄精蒸煮环节，另一方面可以保证黄精营养物质的充分利用。本研究通过单因素和正交试验，以黄精多糖溶出率为指标，采用高速剪切和超声酶解法两步水解黄精，然后用黄精水解液和糯米酿制新型黄精黄酒，酿造出营养丰富、风格独特的新型黄酒。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

黄精（Polygonatum sibiricum）：辽宁澳地森生物工程有限公司；圆江糯米：盘锦大米集团；酿酒酵母（Saccharomyces cervisae）：中国食品发酵工业研究院；酒曲：雅大科技实业有限公司；传统黄酒、传统黄精黄酒：均为实验室自制。

麦芽汁培养基：青岛海博览生物技术有限公司；亚铁氰化钾、五水硫酸铜、酒石酸钾钠：北京化工厂有限责任公司；苯酚、纤维素酶（10 000 U/g）：国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

HZQ-C空气浴振荡器：东联电子技术开发技术有限公司；HS-250A恒温恒湿培养箱：南京恒裕电子仪器厂；LDZX-50KBS立体式高压灭菌器：上海申安医疗器械厂；RE-2000A旋转蒸发器：西安乔普生物科技有限公司；VMA-cc高速剪切分散乳化机：北京东联哈尔仪器制造有限公司；KQ-700TDV声波清洗器：北京林子大科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 黄精水解工艺流程

1.3.2 黄精原料高速剪切水解工艺优化

单因素试验设计：分别选取剪切时间（10 min、20 min、30 min、40 min、50 min、60 min），剪切速率（10 000 r/min、11 000 r/min、12 000 r/min、13 000 r/min、14 000 r/min、15 000 r/min），pH（2、3、4、5、6、7、8），料液比（1∶20、1∶30、1∶40、1∶50、1∶60、1∶70，g∶mL）进行单因素试验，分别测定黄精多糖溶出率，考察剪切时间、剪切速率、pH值、料液比对黄精原料水解的影响。

正交试验设计：根据单因素试验结果，确定剪切速率为14 000 r/min，选料剪切时间（A）、剪切pH（B）、料液比（C）为自变量，黄精多糖溶出率为因变量进行正交试验，正交试验因素与水平见表1。

表1 黄精原料高速剪切条件优化正交试验因素与水平Table 1 Factors and levels of orthogonal experiments for high-speed shear conditions optimization of Polygonatum sibiricum

1.3.3 黄精滤渣超声酶解工艺优化

单因素试验设计：分别选取纤维素酶添加量（1.0%、2.0%、3.0%、4.0%、5.0%、6.0%），超声功率（100 W、150 W、200 W、250 W、300 W、350 W），料液比（1∶5、1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30，g∶mL），超声时间（30 min、40 min、50 min、60 min、70 min、80 min）进行单因素试验，分别测定黄精多糖溶出率，考察纤维素酶添加量、超声功率、料液比、超声时间对黄精滤渣水解的影响。

正交试验设计：根据单因素试验结果，以纤维素酶添加量（A）、超声功率（B）、料液比（C）、超声时间（D）为自变量，黄精多糖溶出率为因变量进行正交试验，因素与水平见表2。

表2 黄精滤渣超声酶解条件优化正交试验因素与水平Table 2 Factors and levels of orthogonal experiments for ultrasonic hydrolysis condition optimization of Polygonatum sibiricum filter residue

1.3.4 新型黄精黄酒酿制工艺流程及操作要点

（1）在传统黄精黄酒工艺技术的基础上，仅对黄精水解液发酵比例进行研究；糯米蒸煮后冷却至常温，添加0.6%酒曲30 ℃糖化24 h后，接种2%酿酒酵母，28 ℃进行主发酵6 d，结束后温度降至15 ℃进入后发酵。

（2）将黄精水解液蒸发浓缩，调节pH近中性，备用。分别选择黄精水解液占酿造水比例为15%、30%、45%、60%、75%、90%、100%，探究其对发酵的影响并确定最佳比例。

1.3.5 测定方法

感官评价：参照GB/T 13662—2018《黄酒》中感官指标要求，制定感官评分标准见表3。

表3 黄精黄酒感官评分标准Table 3 Sensory evaluation standards of Polygonatum sibiricum Huangjiu

续表

由经过训练的5人组成的产品感官评定小组，按感官评分标准对酒体的外观、香气、口感、风格分别进行综合评分，满分100分，取平均分作为感官评分。

黄精多糖溶出率：采用苯酚硫酸法测定黄精多糖含量[8]，葡萄糖标准曲线回归方程为：y=0.008 2x+0.028 3，R2=0.999 1。将水解液真空抽滤，收集滤液，蒸发浓缩，加入无水乙醇至体积分数为80%，醇沉2 h，7 000 r/min离心8 min得到粗多糖。按下列公式计算黄精多糖溶出率。

式中：C为标准曲线上对应的葡萄糖含量，μg/mL；V为黄精多糖水溶液体积，mL；d为稀释倍数；M为样品干质量，g。

黄精水解率的计算公式如下：

式中：M为黄精原料质量，g；Mt为两步水解后黄精滤渣质量，g。

酒精度、总糖、总酸、氨基酸态氮、多糖：参照GB/T 13662—2018《黄酒》。

酒体中多糖含量计算公式：

式中：C为标准曲线上对应的葡萄糖含量，mg/mL；v为多糖水溶液体积，mL；d为稀释倍数；V为酒样体积，mL。

1.3.6 数据统计与分析

使用Excel 2010、SPSS 19.0、Origin 8.5对试验数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 黄精原料高速剪切水解单因素试验结果与分析

2.1.1 剪切时间对黄精原料水解的影响

由图1可知，黄精多糖溶出率随剪切时间的延长呈先增加后降低的趋势。剪切时间为50 min时，黄精多糖溶出率达到最高，为19.97%。高速剪切使黄精颗粒在定、转子狭窄的间隙中受到强烈的机械剪切、离心挤压、撞击撕裂和湍流等作用，在短时间内实现破壁，延长剪切时间破壁效果会更好，黄精多糖溶出率更高，但剪切时间过长会使溶剂温度升高，多糖因高温而分解[9]。因此，选择剪切时间50 min为宜。

图1 剪切时间对黄精原料水解的影响Fig.1 Effect of shear time on hydrolysis of Polygonatum sibiricum

2.1.2 剪切速率对黄精原料水解的影响

图2 剪切速率对黄精原料水解的影响Fig.2 Effect of shear rate on hydrolysis of Polygonatum sibiricum

由图2可知，黄精多糖溶出率随剪切速率的增加呈增加并缓慢稳定的趋势，即在剪切速率达到14 000 r/min时，黄精多糖溶出率为20.13%，之后增加缓慢并趋于稳定，是因为剪切速率增加到使物料间相互作用力达到某种平衡对多糖溶出影响不明显[10]。因此选择剪切速率14 000 r/min为宜。

2.1.3 剪切pH对黄精原料水解的影响

图3 剪切pH对黄精原料水解的影响Fig.3 Effect of shear pH on hydrolysis of Polygonatum sibiricum

由图3可知，黄精多糖溶出率随剪切pH的升高呈先增加后降低的趋势，剪切pH为3时达到最高，为25.74%。酸性溶剂有辅助分解植物细胞壁木质素及纤维素的作用，使黄精多糖溶出率增加，但pH太低的环境会破坏多糖的结构，使其降低；当pH＞3之后，溶剂中OH-增多，使细胞壁的纤维素、半纤维素的屈服强度增加、断裂键能增强，水解程度降低[11-12]。因此选择剪切pH3为宜。

2.1.4 料液比对黄精原料水解的影响

图4 料液比对黄精原料水解的影响Fig.4 Effect of material-liquid ratio on hydrolysis of Polygonatum sibiricum

由图4可知，黄精多糖溶出率随料液比变化呈先增加后减少的趋势。料液比为1∶50时黄精多糖溶出率达到最高，为25.55%。增加溶剂体积能使黄精颗粒扩散空间增加，与溶剂的有效接触面积增大，浸润破裂效果则更好，增加了黄精多糖在溶剂中的溶解量；但料液比过小时物料间相互的作用力太小使多糖溶出率降低，且过多的溶剂体积会对后续的处理造成困难，增加水解工艺成本[13]。因此选择料液比1∶50（g∶mL）为宜。

2.2 黄精原料高速剪切水解条件优化正交试验结果与分析

表4 黄精原料高速剪切水解条件优化正交试验结果与分析Table 4 Results and analysis of orthogonal experiments results for high-speed shear conditions optimization of Polygonatum sibiricum raw material

由表4可知，影响黄精原料水解效果的强弱顺序为剪切pH＞剪切时间＞料液比，最优方案为A2B1C2，即剪切时间50 min、剪切pH为2、料液比1∶50（g∶mL）。为了验证正交试验的可靠性，对最佳条件进行验证，试验进行3组平行，测得黄精多糖溶出率均值25.47%。

为了进一步验证其结果的准确性，对其进行方差分析，结果见表5。由表5可知，剪切时间、剪切pH、料液比对试验结果影响均显著（P＜0.05）。

表5 黄精原料高速剪切水解条件优化正交试验结果方差分析Table 5 Variance analysis of orthogonal experiments results for high-speed shear conditions optimization of Polygonatum sibiricum raw material

2.3 黄精滤渣超声酶解单因素试验结果与分析

2.3.1 纤维素酶添加量对黄精滤渣水解的影响

图5 纤维素酶添加量对黄精滤渣水解的影响Fig.5 Effect of cellulase content on hydrolysis of Polygonatum sibiricum filter residue

由图5可知，黄精滤渣多糖溶出率随纤维素酶添加量的增加呈增加并缓慢稳定的趋势。纤维素酶通过破坏细胞壁使黄精多糖溶出。随着酶添加量的增加，酶促反应速度加快，细胞壁破坏程度变严重，黄精多糖溶出增加[14]；当纤维素酶添加量为3%时，黄精多糖溶出率为22.41%，继续增加酶添加量，酶促反应达饱和状态，黄精多糖不再增加，趋于稳定。其次，酶过量不仅影响酒体口感，而且增加工艺成本。因此，选择纤维素酶添加量3%为宜。

2.3.2 超声功率对黄精滤渣水解的影响

由图6可知，黄精滤渣多糖溶出率随超声功率的增加呈先增加后降低的趋势。超声波具有机械效应、空化效应和热效应，通过大分子的运动速率，增大介质的穿透力[15]。随着超声功率的增大，超声波空化作用增强，对细胞的作用增强，细胞膜和细胞壁的通透性增大，从而黄精多糖溶出率增加；当超升功率为250 W时，黄精多糖溶出率达到最高，为24.75%；但随着超声功率的继续增加，过大的超声功率会破坏多糖结构，使多糖降解[16]。因此，选择超声功率250 W为宜。

图6 超声功率对黄精滤渣水解的影响Fig.6 Effect of ultrasonic power on the hydrolysis of Polygonatum sibiricum filter residue

2.3.3 料液比对黄精滤渣水解的影响

由图7可知，黄精滤渣多糖溶出率随料液比变化呈先增加后降低的趋势。料液比较高时溶液黏稠度大，超声波对细胞的空化作用较弱，加之细胞内外溶质的浓度差较小，不利于多糖的溶出；随着溶剂的增加，溶液黏稠度降低，细胞内外多糖的浓度差增大，有利于多糖向溶剂中扩散[17]。当料液比为1∶20时，黄精多糖溶出率最高，为24.82%；继续增加料液比，超声波所产生的能量被溶剂吸收，并且杂质溶出较多，多糖溶出率反而下降[18]。因此，选择料液比1∶20（g∶mL）为宜。

图7 料液比对黄精滤渣水解的影响Fig.7 Effect of material-liquid ratio on hydrolysis of Polygonatum sibiricum filter residue

2.3.4 超声时间对黄精滤渣水解的影响

由图8可知，随着超声时间的延长，黄精滤渣多糖溶出率呈先增加后降低的趋势。随着超声时间的推移，多糖溶出率不断提高，60 min时达到最高，为25.43%；而60 min之后，多糖溶出率开始下降，这是因为随着超声时间的延长，超声波的机械效应、空化效应和热效应使分子结构可能发生改变，水溶性变差，多糖溶出率下降[19]。因此，选择超声时间60 min为宜。

图8 超声时间对黄精滤渣水解的影响Fig.8 Effect of ultrasonic time on hydrolysis of Polygonatum sibiricum filter residue

2.4 黄精滤渣超声酶解工艺优化正交试验结果与分析

表6 黄精滤渣超声酶解条件优化正交试验结果与分析Table 6 Results and analysis of orthogonal experiments results for ultrasonic hydrolysis condition optimization of Polygonatum sibiricum filter residue

由表6可知，影响黄精滤渣水解效果的强弱顺序为纤维素酶添加量＞超声时间＞超声功率＞料液比；最优方案为A1B1C2D2，即纤维素酶添加量2%，超声功率200 W，料液比1∶20（g∶mL），超声时间60 min。为了验证正交试验的可靠性，对最佳条件进行验证，试验进行3组平行，测得黄精滤渣多糖溶出率均值为27.63%。

为了进一步验证其结果的准确性，对其进行方差分析。由表7可知，纤维素酶添加量、超声功率、超声时间对试验结果影响均显著（P＜0.05），料液比对试验结果影响不显著（P＞0.05）。

表7 黄精滤渣超声酶解条件优化正交试验结果方差分析Table 7 Variance analysis of orthogonal experiments results for hydrolysis conditions optimization of Polygonatum sibiricum filter residue

2.5 黄精多糖溶出率和水解率的结果与分析

图9 黄精多糖溶出率及水解率Fig.9 Dissolution rate and hydrolysis rate of Polygonatum sibiricum

由图9可知，黄精原料经过高速剪切，其滤渣再经超声波酶解的处理后黄精多糖溶出率达52.5%。再者黄精水解率达到81.3%，很大程度上改变了黄精原料的物理状态，这样能使其充分的利用和高价值开发。通过高速剪切、超声酶解两步处理黄精，不仅能提高新型黄精黄酒的营养价值，而且解决了原料在不经过蒸煮发酵时酸度高的情况，最大限度体现黄精应有的价值。

2.6 新型黄精黄酒酿制研究及酒体质量分析

表8 黄精水解液比例对新型黄精黄酒发酵的影响Table 8 Effect of Polygonatum sibiricum hydrolysate ratio on fermentation of new type Polygonatum sibiricum Huangjiu

在传统黄精黄酒工艺条件的基础上，以黄精水解液占酿造水比例进行发酵试验研究。由表8可知，在黄精水解液比例为75%，发酵7 d时，酒体感官评分为82.5分，酸甜适中，口感醇厚，具有浓郁的黄精独有的香味。故黄精水解液占酿造水的75%时最为适宜。

通过15 d发酵，得到新型黄精黄酒为淡黄色、清亮透明、酸甜适中，具有黄精中药原有的特殊香味，总糖11.15 g/L，总酸6.32 g/L，酒精度11.2%vol，pH值4.4，氨基酸肽氮含量0.39 g/L。感官评价、理化指标均符合GB/T 13662—2008《黄酒》中对一级干黄酒的要求。

2.7 新型黄精黄酒多糖含量的测定结果与分析

多糖是黄精最主要的功能性成分，黄精产品独特之处就是较传统产品多糖含量更多。由图10可知，传统黄酒、传统黄精黄酒、新型黄精黄酒中多糖含量分别为1.11 mg/mL、1.90 mg/mL、5.01 mg/mL。其中，新型黄精黄酒多糖含量是传统黄酒的4.51倍，传统黄酒中的多糖大部分是糯米发酵后残余的糊精类物质[20]，但黄精主要成分为多糖，而且其中还存在较多的非淀粉类中性多糖，在发酵过程中大部分被保留，从而使酒体中多糖含量增加；新型黄精黄酒多糖浓度远高于传统法酿造的黄精黄酒，是传统黄精黄酒的2.64倍，其发酵过程中直接添加的是黄精水解液，水解液中原有的多糖含量远高于传统酿造过程中黄精浸出来的多糖。黄精含有多种功能性成分，其主要功能性成分为黄精多糖，酒体中多糖含量的增加不仅改善了黄酒的品质，增加黄酒的种类，还提高了黄精的附加值。

图10 新型黄精黄酒多糖含量测定结果Fig.10 Determination results of polysaccharide content in the new Polygonatum sibiricum Huangjiu

3 结论

运用高速剪切、超声酶解两步对黄精进行水解，通过正交试验得出黄精原料高速剪切工艺参数为剪切时间50 min、剪切pH为2、剪切速率14 000 r/min、料液比1∶50（g∶mL）；黄精滤渣水解工艺参数为纤维素酶添加量2%、超声功率200 W、料液比1∶20（g∶mL）、超声时间60 min，经过这两步对黄精的处理黄精多糖溶出率达52.5%，水解率为81.3%。

黄精水解液与糯米结合发酵新型黄精黄酒，感官评价、理化指标符合GB/T 13662—2008《黄酒》中对一级干黄酒的要求；其中，经检测新型黄精黄酒多糖含量为5.01 mg/mL，远高于传统黄精黄酒、传统黄酒。说明新型黄酒即继承了传统黄酒的风格特点，也突显了自身的独特性。