黄芪枸杞啤酒的酿制及工艺优化

朱其顺,颜守保,王新宇,颜佳妮,胡家源

1.淮南师范学院生物工程学院,安徽淮南,232038;2.资源与环境生物技术安徽省普通高校重点实验室,安徽淮南,232038

黄芪为一种豆科植物,在我国东北、华北、西北等地均有栽植,也是常见中药材,以内蒙古黄芪品质较为突出[1]。其主要含有黄芪多糖、黄芪皂苷、黄酮类化合物,还含有绿原酸、氨基酸、咖啡酸、维生素D、叶酸、微量元素等多种成分[2],具有减轻疲劳、延迟衰老、防辐射、抗癌症、调节血糖和免疫力等功效[3-7]。黄芪多糖是一种重要的天然活性成分[8-9],也是黄芪药效中最重要的大分子物质[10-12]。黄芪作为药食同源类中药,可被开发成一些功能性食品,如田雨等[13]综述了黄芪等药食同源类中药功能性成分与肠道菌群的相互作用。目前已有将黄芪用于保健酒类的应用,如胡彦营[14]进行黄芪保健啤酒的研制;王静等[15]研制一种黄芪红景天银杏发酵型功能性复合饮料;刘全亮等[16]开发燕麦黄芪酒;冯子瑶等[17]开发苹果渣、板栗渣、黄芪配制酒;赖敏辉等[18]进行了黄芪黍米黄酒酿造工艺的研究;柴智等[19]对发酵蒸馏型黄芪酒的最优酿制工艺进行了筛选等。

枸杞为茄科植物,药食同源,历史久远,主要栽植于我国西北地区[20]。枸杞色泽暗红、味甘肉润, 临床试验证明,枸杞富含具有多种药理功效成分和微量元素[21],具有增强机体免疫细胞的活性,护肝滋肾,润肺明目,滋润皮肤,延缓衰老等作用[22-27]。而添加枸杞进行啤酒酿造也有相关研究,如赵春杰[28]、贺小贤等[29]研究制定出保健型枸杞纯生啤酒酿造工艺等。

综上,黄芪、枸杞相搭具有抗衰老[30]、降血糖[31]、抗氧化[32]、调节免疫[33]等保健功效,目前国内已有开发枸杞黄芪茶[34]、黄芪枸杞复合饮料[35-36]等,但二者配伍进行啤酒的酿造,目前尚未查到相关研究报告。本课题在精酿啤酒的工艺中,以不同比例的黄芪汁和枸杞汁作为辅料添加,酿制一种特色功能啤酒,为精酿啤酒的新产品开发和提高中草药的经济附加值提供思路和参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

实验材料与试剂:大麦芽(优级,郑州龙海)、浅色焦香麦芽(郑州)、内蒙古黄芪、宁夏枸杞、白砂糖(优级)、啤酒苦花(马格努门,德国)、啤酒香花(布鲁克,德国)、S-189型啤酒干酵母;碘液、邻苯二胺(分析纯)、盐酸(4 mol/L)、消泡剂、苯酚(5%)、葡萄糖溶液(0.1 mg/mL)、浓硫酸(95.5%)等。

实验仪器与设备:麦芽破碎机、小型啤酒酿造设备(CG-100,山东中德)、分析天平(FA1104N,上海民桥)、水浴锅(SC-30,上海汉诺)、附温密度瓶(50 mL,天长千玻)、可见分光光度计(DU-730,贝克曼库尔特)、双乙酰定氮蒸馏装置(530×400 mm)、pH计(PB-10,Sartorius)、圆底酒精蒸馏器(500 mL,四川蜀牛)等。

1.2 实验方法

1.2.1 工艺流程

黄芪枸杞啤酒酿制工艺流程如图1所示。

图1 黄芪枸杞啤酒酿制工艺流程图

1.2.2 操作要点

(1)枸杞汁和黄芪汁的制备。 取适量干枸杞和黄芪片,分别清洗烘干后打碎,称取适量黄芪粉,加碱水(CaO水溶液,60 ℃)回流提取2次,每次1 h,过滤得到澄清黄芪汁;称取适量枸杞粉,热水(60 ℃)保温浸提,渣汁分离后得到澄清枸杞汁。

(2)麦芽破碎。 大麦芽均匀润水后粉碎,控制粗细粒比约为2.5∶1,浅焦麦芽直接破碎添加。

(3)糖化和过滤。 采用二段式升温浸出糖化法[37],将大麦芽粉和焦香麦芽粉投入70±1 ℃热水中,投料量和热水量的比约为2∶1搅匀,控制温度为55±1 ℃,保温时间60 min,此过程为一段糖化;再加入90±1 ℃热水,热水量约投料量的2倍,控制温度为70±1 ℃搅匀,保温时间60 min,此过程为二段糖化。碘检合格后,糖化过程结束。控制麦汁流量,过滤收集得到清亮麦汁,测定糖化终了麦汁浓度如表1所示。

表1 麦汁浓度测定结果

(4)煮沸。 对过滤后的麦汁进行煮沸,分别同时添加枸杞和黄芪浸提汁,煮沸时间70～80 min;啤酒香花和苦花比例为1∶2,采用3次添加法[37],酒花添加量为麦汁总量的0.1%。控制麦汁pH值在5.6以下,以减少高级醇的生成,煮沸过程主要工艺参数见表2。

表2 煮沸过程工艺参数

(5)冷却。 煮沸结束后回旋沉淀约20 min,排出凝固沉淀物,快速冷却至发酵温度,添加高活性啤酒酵母液,从下方打入发酵罐,充氧约10 min,促使酵母均匀分布在麦汁中待发酵。

(6)发酵。 控制主发酵温度为10±0.5 ℃,微压发酵(罐压0.04 MPa)。当发酵液残糖为4.4±0.1 BX时,控制罐压为0.15±0.01 MPa,保压3～5 d,升温至13±0.5 ℃,进行后发酵。当发酵液残糖为3.6±0.1 BX时,降温到5 ℃保持24 h,再降温至2 ℃排杂,0～2 ℃贮酒。

1.2.3 多糖的测定方法

采用苯酚-硫酸法[38]进行测定,方法如下:

(1)分别吸取0 mL、0.2 mL、0.4 mL、0.6 mL、0.8 mL、1.0 mL葡萄糖溶液(0.1 mg/mL)于试管中补水至1.0 mL,分别加入5 %苯酚溶液1 mL和浓硫酸5 mL,混匀,室温放置10 min以纯水对照,测定490 nm处光密度,得到标准曲线。

(2)取黄芪粉5.0 g,加CaO水溶液50 mL,60 ℃提取2次(60 min/次)过滤,取滤液0.2 mL至100 mL量瓶中,纯水定容,即为供试品溶液。

(3)取枸杞粉5.0 g,加入适量水搅匀后,60 ℃水浴锅保温浸提2次(60 min/次),离心分离取上清液。减压蒸发制得枸杞多糖提取浓缩液,适当稀释后为待测溶液。

(4)按照葡萄糖标准曲线法测定,由公式(1)计算多糖提取量,再由公式(2)计算多糖提取率。

多糖量(g)= (c×v×n)/1 000

(1)

其中,c:糖浓度,mg/mL;v:提取液体积,mL;n:稀释倍数。

(2)

1.2.4 单因素试验探究黄芪最佳浸提条件[38]

(1)黄芪与水比例的确定。 设定浸提时间90 min,浸提温度60 ℃,黄芪与水的料液比为1∶20、1∶25、1∶30、1∶35和1∶40 g/mL这5个梯度进行试验,以黄芪多糖提取率为评判标准。

(2)浸提时间的确定。 以1.2.4(1)最佳比例,浸提温度为60 ℃,分别以浸提时间为70 min、80 min、90 min、100 min和110 min进行试验,以黄芪多糖提取率为评判标准。

(3)浸提温度的确定。 以1.2.4(1)最佳比例和1.2.4(2)最佳浸提时间,分别以浸提温度为50 ℃、55 ℃、60 ℃、65 ℃和 70 ℃进行试验,以黄芪多糖提取率为评判标准。为减少误差,重复3次平行实验,然后结果取平均值。

支出标准体系建设初见成效。在山东省各级财政评审机构的共同努力下，项目支出预算编制规范和项目支出标准渐成体系，在全面规范财政预算管理、提高财政资金分配效益等方面发挥了重要作用。如，省财政出台了办公业务用房维修改造支出标准，制定了政务信息化软件开发项目支出评审标准，着手开展政务信息化项目运行维护费用支出预算标准制定。

1.2.5 单因素试验探究枸杞最佳浸提条件[39-40]

(1)枸杞与水比例的确定。 设定浸提时间为30 min,浸提温度为50 ℃,枸杞与水的料液比为1∶3、1∶4、1∶5、1∶6和1∶7 g/mL这5个梯度进行试验,以枸杞多糖提取率为评判标准。

(2)浸提时间的确定。 以1.2.5(1)最佳比例,浸提温度为50 ℃,设置浸提时间为20 min、25 min、30 min、35 min和40 min进行试验,以枸杞多糖提取率为评判标准。

(3)浸提温度的确定。以1.2.5(1)最佳比例和1.2.5(2)最佳浸提时间,分别以浸提温度为40 ℃、45 ℃、50 ℃、55 ℃和60 ℃进行试验,以枸杞多糖提取率为评判标准。为减少误差,重复3次平行实验,然后结果取平均值。

1.2.6 单因素试验确定辅料添加量

(1)黄芪汁添加量。 在其他因素不变的情况下,以感官评价为指标,探讨黄芪汁添加量分别为1%、2%、3%时对啤酒品质的影响。

(2)枸杞汁添加量。 在1.2.6(1)最佳条件下,以感官评价为指标,探讨枸杞汁添加量分别为1%、2%、3%时对啤酒品质的影响。

1.2.7 响应面优化生产工艺

根据Box-Behnken组合原理,以感官评分为评价指标,选取黄芪汁添加量、枸杞汁添加量和白砂糖添加量这3个因素做响应面分析试验,用Design-expert软件进行数据处理,表3为试验因素及水平编码。

表3 试验因素与水平编码

1.2.8 质量评价方法

邀请经过专业培训的食品感官评定人员(男、女学生各5名)进行打分,评分标准见表4。

产品质量标准参照《GB/T 4927-2008 啤酒》要求,总酸按《GB 12456-2021 食品安全国家标准》测定,双乙酰按《GB/T 4928-2008 啤酒分析方法》测定,酒精度按照《GB 5009.225-2016 食品安全国家标准 酒中乙醇浓度的测定》测定,甲醛含量按《GB/T 5009.49-2008 发酵酒及其配制酒卫生标准的分析方法》测定。

主要卫生指标测定方法:大肠菌群按照《GB 4789.3-2016 食品微生物检验 大肠菌群计数》中的MPN计数法测定,金黄色葡萄球菌依照《GB 4789.10-2016 食品微生物检验 金黄色葡萄球菌检验》MPN计数法测定,沙门氏菌按照《GB 4789.4-2016 食品微生物学检验 沙门氏菌检验》方法检测。

1.2.9 数据分析

运用Design-expert、Excel和SPSS等软件进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 单因素试验探究最佳浸提条件

令梯度i=1、2、3、4、5;ai、bi、ci分别表示在1.2.4(1)—(3)条件下黄芪多糖的提取率,用以表达单因素条件作用下的因素水平。结合多糖提取率作图,见图2。可知浸提条件对多糖提取率的影响都表现为先上升后下降。其中当黄芪与水的比例为1∶30,浸提时间为100 min,浸提温度为60 ℃时,黄芪多糖提取率分别达到最高值9.7%、10.4%、11.2%。各单因素在不同水平的黄芪多糖提取率的方差统计,可以看出平均值大小依次为:aibi>ci。

图2 单因素条件对黄芪多糖提取率的影响

同理,另设ai、bi、ci分别表示在1.2.4(1)—(3)条件下枸杞多糖的提取率,用以表达单因素条件作用下的因素水平。结合多糖提取率作图,见图3。可得出,当与水的比例为1∶5、浸提时间30 min、浸提温度55 ℃时,枸杞多糖提取率达最高值分别为7.6%、8.3%和8.9%。各单因素在不同水平的枸杞多糖提取率的方差统计可以看出,平均值大小依次为:aj

2.2 单因素试验最佳添加量

由图4可知,随黄芪汁添加量的增加感官总分先增加后降低,当黄芪汁添加量为2%时,感官总分最大为87.6;枸杞汁添加量为2%时,感官总分最大为93.2分;白砂糖添加量为0.5%时,感官总分最大为94.1分。

图4 各因素对啤酒感官总分的影响

2.3 响应面优化工艺参数

2.3.1 模型建立及显著性检验

为考察辅料添加量对啤酒品质的影响程度,创建目标函数感官总分(Y)与黄芪汁添加量(A)、枸杞汁添加量(B)和白糖添加量(C)的二次回归模型,对实验结果进行多元拟合,得到回归方程如下:

Y=91.64+1.61A+5.31B+1.73C-0.75AB+2.82AC-1.83BC-3.72A2-2.17B2-3.25C2

模型的方差分析及显著性检验,结果见表5。

表5 方差分析及显著性检验结果

由表5可知,显著性影响大小依次为:B>C>A,说明存在交互作用。其中B项为极显著,A、C项为显著;交互项AB为不显著,BC为显著,AC为极显著。二次项B2为显著,A2和C2为极显著。总概率P=0.000 2<0.01,表明该模型为极显著。而失拟项P=0.562 4>0.100 0,表示模型和正交试验结果拟合良好。决定系数为R2=0.970 5,说明所选变量的97.05%和响应值(感官总分)变化有关系。基于上述分析得出,用该回归方程描述各因素与响应值之间的真实关系较为可靠。

2.3.2 响应面分析确定最优条件

图5、图6和图7分别是模型的响应曲面及等高线图。等高线的形状可以反映交互作用的强弱,如近似圆形表示交互作用不显著,越趋于椭圆形表示交互作用越显著。由此分析得出,影响啤酒感官分值的高低分别是:枸杞汁添加量(B)>白砂糖添加量(C)>黄芪汁添加量(A)。两因素对感官分值的交互作用显著性程度为:AC>BC>AB,与表5显著性影响分析的结果是一致的,说明该模型可信度较高。

图6 黄芪汁添加量与白砂糖添加量的响应曲面及等高线图

图7 枸杞汁添加量与白砂糖添加量的响应曲面及等高线图

根据模型响应面分析得出最优工艺条件为:黄芪汁添加量2.02%、枸杞汁添加量2.03%和白砂糖添加量0.51%,在此条件下黄芪枸杞啤酒的感官总分理论值可达96.8。考虑到实际实验情况,修正为黄芪汁添加量,枸杞汁添加量和白砂糖添加量分别为2%、2%和0.5%,在上述最佳条件下,3次平行验证试验的实测感官总分平均为96.3,与理论预测值较为接近,误差约为0.42%,说明实际情况能用该模型真实反映,与2.2所得结论相符。

3 产品质量分析

对啤酒进行感官评定,酒体外观清亮透明,呈浅红色;泡沫洁白细腻,挂杯持久;具有协调的酒花香、麦芽香、黄芪和枸杞香气;口感纯正,杀口感强烈,酒体协调,苦味清爽宜口,主要感官指标皆为优级。对成品啤酒进行主要理化指标和卫生指标测定,结果见表6、表7,均符合国标《GB/T 4927-2008 啤酒》中对浓色优级啤酒的要求。

表6 产品主要理化指标

表7 产品主要卫生指标

4 结 论

采用黄芪、枸杞作为辅料进行啤酒酿造,酿制出一种有药理作用的特色精酿原浆啤酒。单因素试验结果得出最优浸提条件为:黄芪料水比1∶30 g/mL,浸提时间100 min和浸提温度60 ℃;枸杞料水比1∶5 g/mL、浸提时间30 min和浸提温度55 ℃;单因素试验结合正交试验和响应面分析的方法,以感官品评得分为标准,得出了最优发酵工艺条件为黄芪汁添加量2%、枸杞汁添加量2%和白砂糖添加量0.5%。所得啤酒色泽清亮、起泡好,有明显的辅料(药材)香气,口感纯正,酒体协调,主要理化指标和卫生指标符合国标《GB/T 4927-2008 啤酒》中对浓色优级啤酒的要求,具有优质啤酒的典型特征。

所研发产品的生产,不需要对已有酿造设备进行改造,工艺简单,技术可行。产品在保持精酿啤酒原有风格基础上,增加了辅料的特有风味和养生功能。该结果为特色功能啤酒酿造和应用推广提供一定的基础依据,同时提升中草药的经济附加值。