李敏杰,熊 亞*
(1.攀枝花學院 生物與化學工程學院,四川 攀枝花 617000;2.攀枝花市干熱河谷特色生物資源工程技術(shù)中心,四川 攀枝花 617000)
柚子(Citrus maxima)又名文旦、香欒、朱欒、內(nèi)紫等[1]。柚子含多種糖類、有機酸、維生素和各種無機鹽,對人體十分有益[2-3],可以在常溫條件下放置幾個月都不產(chǎn)生霉爛等變化,因此,人們稱其為“天然水果罐頭”[4]。從《本草綱目》可知,柚子對于化痰止咳、食欲不振、消化不良等均有療效,且長時間吃柚子還可以美容養(yǎng)顏;柚子果肉及皮還含有生物活性物質(zhì)生物苷[5],可以降低血液黏稠度,減少血栓形成,對腦血管疾病如腦血栓、腦卒等也有較好的預防作用[6-8]。
柚子除了直接吃以外,還可以加工成生鮮面[9]、復合果汁[10]、果醬[11]、果脯[12]、果醋[13]和果酒[14]等,其果皮還可用來生產(chǎn)茶飲料[15]等。近年來,我國的柚子種植發(fā)展十分迅速,鮮果市場逐漸趨于飽和或過飽和狀態(tài),對其進行深加工尋求新途徑以擴大柚果的產(chǎn)業(yè)鏈已成為亟待解決的問題[16]。
目前關(guān)于柚子釀酒、柚子酒發(fā)酵工藝條件優(yōu)化的報道較少,因此,本研究以柚子為原料,在單因素試驗的基礎(chǔ)上,以酒精度為響應(yīng)值,對柚子酒的發(fā)酵條件進行優(yōu)化。為柚子酒的大規(guī)模生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)。
坪山柚:沃爾瑪超市;安琪高活性酵母:湖北宜昌安琪酵母股份有限公司;果膠酶(30萬U/g):江蘇銳陽生物科技有限公司;亞硫酸、檸檬酸、硝酸鋁、氫氧化鈉、FeSO4·7H2O、水楊酸、碳酸鈉(均為分析純)、雙氧水(30%):成都科龍化工試劑廠。
FA2204B型電子天平:上海越平科學儀器有限公司;Q/GHSC型精密pH計:上海森信試驗儀器有限公司;WYT-J型手持式糖度儀:成都豪創(chuàng)光電儀器有限公司;D2KW-4型電熱恒溫水浴鍋:北京中興偉業(yè)儀器有限公司;0-40型酒精計:國營河北省武強縣儀表廠;722型可見光分光光度計:上海菁華科技儀器有限公司。
1.3.1 柚子酒工藝流程與操作要點
原料預處理:柚子洗凈,去皮、去籽,將去籽柚子果肉放入榨汁機破碎。
酶解:在用榨汁機破碎后的柚子果肉漿中加入50 mg/L SO2以防止雜菌污染,加入40 mg/L果膠酶酶解24 h。
過濾:用滅過菌的三層紗布進行過濾,以除去大顆粒的果肉或粗纖維等。
成分調(diào)整:加入白砂糖調(diào)節(jié)糖度為220 g/L,加入檸檬酸調(diào)節(jié)酸度為4.5 g/L。
發(fā)酵:接入酵母菌0.08%,在一定溫度的恒溫培養(yǎng)箱中發(fā)酵14 d。
陳釀:在15℃條件下進行陳釀。
澄清過濾:按照0.1 g/100 mL果酒的添加量稱取皂土,將皂土在60℃的水中浸泡4 h,將浸泡后的皂土加入果酒中,澄清1 h,之后用硅藻土進行過濾,即得柚子酒成品。
1.3.2 柚子酒發(fā)酵條件優(yōu)化單因素試驗
在其他條件不變的情況下,分別考察水∶柚子汁(3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3(V/V))、SO2添加量(30 mg/L、40 mg/L、50 mg/L、60 mg/L、70 mg/L)、酵母菌接種量(0.04%、0.06%、0.08%、0.10%、0.12%)、發(fā)酵溫度(20℃、24℃、28℃、32℃、36℃)對柚子酒酒精度的影響。
1.3.3 柚子酒發(fā)酵條件優(yōu)化響應(yīng)面試驗
在單因素試驗的基礎(chǔ)上,根據(jù)Design-Expert軟件中Box-Benhnken的設(shè)計原理,進行4因素3水平的響應(yīng)面分析,以水∶柚子汁(X1)、SO2添加量(X2)、酵母菌接種量(X3)及發(fā)酵溫度(X4)為自變量,以酒精度(Y)為響應(yīng)值,確定各因素對響應(yīng)值的影響,確定發(fā)酵的最佳條件。響應(yīng)面試驗因素與水平見表1。
表1 柚子酒發(fā)酵條件優(yōu)化響應(yīng)面試驗因素與水平Table 1 Factors and levels of response surface methodology for pomelo wine fermentation conditions optimization
1.3.4 測定方法
可溶性固形物:用手持折光儀進行測定[17];pH值:用pH計進行測定;比重:用比重計進行測定[18];總酸:采用酸堿滴定法[19];酒精度:采用蒸餾法[20],用酒精計測量其酒精含量。
2.1.1 水與柚子汁體積比對柚子酒酒精度的影響
由圖1可知,柚子酒酒精度隨水與柚子汁體積比的變化呈先升高后降低的趨勢,在水∶柚子汁為1∶1(V/V)時,酒精度達到最高值,為13%vol??赡苁怯捎阼肿又械哪承┪镔|(zhì)的濃度會影響酵母菌的發(fā)酵,當濃度過低時使得發(fā)酵緩慢,而濃度過高時又會抑制酵母菌的生長代謝。因此,選擇水∶柚子汁為1∶1(V/V)。
圖1 水與柚子汁體積比對柚子酒酒精度的影響Fig.1 Effect of water to pomelo juice ratio on the alcohol content of pomelo wine
2.1.2 SO2添加量對柚子酒酒精度的影響
二氧化硫有殺菌、增酸、抗氧化等作用,可以使果酒變得澄清,并且使得果酒中色素和單寧物質(zhì)更容易溶解出來,優(yōu)化果酒的口感和風味。由圖2可知,隨著SO2添加量的增加,酒精度隨之增加,當SO2添加量為60 mg/L時,酒精度達到最大值,為12.0%vol,繼續(xù)增加SO2添加量,酒精度開始降低。因此,選擇SO2添加量60 mg/L。
圖2 SO2添加量對柚子酒酒精度的影響Fig.2 Effect of SO2addition on the alcohol content of pomelo wine
2.1.3 酵母菌接種量對柚子酒酒精度的影響
由圖3可知,隨著酵母菌接種量的增加,酒精度隨之增加,當接種量為0.08%時,酒精度達到最大值,為11.8%vol,當接種量>0.08%之后,酒精度反而開始降低??赡苁且驗榻湍妇臃N量較低時,發(fā)酵緩慢,酒精產(chǎn)生速率較低;隨著接種量的增加,發(fā)酵加快,此時酒精度迅速上升,當繼續(xù)增加接種量,酵母菌數(shù)量增加,酒中營養(yǎng)物質(zhì)被大量消耗,代謝物堆積,不利于酵母菌生長,使發(fā)酵減慢,產(chǎn)酒精的速率減慢,所以隨著酵母菌接種量的增加,反而會出現(xiàn)酒精度降低的情況。因此,選擇酵母接種量為0.08%。
圖3 酵母菌接種量對柚子酒酒精度的影響Fig.3 Effect of yeast inoculum on the alcohol content of pomelo wine
2.1.4 不同發(fā)酵溫度對柚子酒酒精度的影響
由圖4可知,酒精度隨著發(fā)酵溫度的升高而逐漸增加,當發(fā)酵溫度為28℃時,酒精度最高,為11.9%vol;當溫度超過28℃之后,酒精度隨溫度升高開始下降。溫度的高低會影響酵母菌的生理活性,溫度過低,酵母菌生長代謝緩慢,發(fā)酵緩慢,造成發(fā)酵時間的延長;溫度過高,不利于酵母菌的生長,影響發(fā)酵。因此,選擇發(fā)酵溫度為28℃。
圖4 發(fā)酵溫度對柚子酒酒精度的影響Fig.4 Effect of fermentation temperature on the alcohol content of pomelo wine
2.2.1 響應(yīng)面試驗結(jié)果與分析
表2 柚子酒發(fā)酵條件優(yōu)化響應(yīng)面試驗結(jié)果與分析Table 2 Results and analysis of response surface methodology for pomelo wine fermentation conditions optimization
續(xù)表
表3 回歸模型的方差分析Table 3 Variance analysis of regression model
由表3可知,回歸模型P<0.000 1,表明模型方程極其顯著,說明試驗方法可靠可行;失擬項P=0.067 8>0.05,不顯著,說明回歸方程擬合度很好,試驗誤差很小,模型選擇恰當,能較好地反映出發(fā)酵工藝中各個因素和酒精度(Y)之間的真實關(guān)系,可用回歸方程預測最佳的發(fā)酵參數(shù);模型的回歸決定系數(shù)R2=0.980 6,說明模型擬合程度很好,響應(yīng)值的變化有98.06%來源于所選因素的變化,只有1.94%的變異不能用本模型解釋。一次項X1、X3、X4對Y有極顯著影響(P<0.01),均為正效應(yīng);交互項X1X2對Y有極顯著影響(P<0.01),為正效應(yīng);二次項X12、X22、X42對Y的影響極顯著(P<0.01),均為負效應(yīng);X32對Y影響顯著(P<0.05);其余變量的影響均不顯著(P>0.05)。
經(jīng)回歸擬合后,得到回歸方程:
分別對二次回歸方程的X1、X2、X3、X4求導,得到柚子酒最優(yōu)發(fā)酵條件:水與柚子汁混合比例為1∶1.3386,SO2添加量為60.87mg/L,酵母菌接種量為0.093%,發(fā)酵溫度為28.36℃。在此優(yōu)化條件下,柚子酒酒精度理論值為13.45%vol。
2.2.2 柚子酒發(fā)酵工藝條件優(yōu)化的響應(yīng)面圖
由圖形的陡峭趨勢比較可得出各因素參數(shù)對響應(yīng)值影響的大小以及最優(yōu)參數(shù),圖形曲面越陡峭,則說明其對響應(yīng)值的影響越大。由圖5可知,當水與柚子汁體積比為1∶1、SO2添加量為60 mg/L時,酒精度最高,且水與柚汁混合比對響應(yīng)值的影響大于SO2添加量;當水與柚子汁體積比為1∶1、酵母菌接種量為0.08%時,酒精度最高,水與柚子汁混合比對響應(yīng)值的影響大于酵母菌接種量;當水與柚子汁體積比為1∶1、發(fā)酵溫度為28℃時,酒精度最高,可看出發(fā)酵溫度對響應(yīng)值的影響大于水與柚子汁體積比;當SO2添加量為60 mg/L、酵母菌接種量為0.08%時,酒精度最高,且SO2添加量對響應(yīng)值的影響大于酵母菌接種量;當SO2添加量為60 mg/L、發(fā)酵溫度為28℃時,酒精度最高,且發(fā)酵溫度對響應(yīng)值的影響大于SO2添加量;酵母菌接種量為0.08%、發(fā)酵溫度為28℃時,酒精度最高,且發(fā)酵溫度對響應(yīng)值的影響大于酵母菌接種量。
圖5 水與柚子汁體積比、SO2添加量、酵母菌接種量、發(fā)酵溫度交互作用對柚子酒酒精度影響的響應(yīng)曲面與等高線Fig.5 Response surface plots and contour line of effects of interactions between water to pomelo juice ratio,SO2addition,yeast inoculum and fermentation temperature on the alcohol content of pomelo wine
2.2.3 驗證試驗
為方便實際操作,修改發(fā)酵條件為水與柚子汁混合比例為1.0∶1.3,SO2添加量60.9 mg/L,酵母菌接種量為0.09%,發(fā)酵溫度為28℃。在上述最佳工藝條件下重復柚子酒發(fā)酵3次,測得的平均酒精度為13.4%vol,與二階模型預測值13.45%vol基本一致,相對誤差很小,可見模型可以較好地預測出實際柚子酒發(fā)酵完成后酒精度的情況,基于響應(yīng)面分析法優(yōu)化柚子酒發(fā)酵工藝條件參數(shù)是可靠的。
本試驗在單因素試驗的基礎(chǔ)上,以酒精度為響應(yīng)值,進行4因素3水平響應(yīng)面試驗,確定發(fā)酵的最佳條件為水與柚子汁體積比為1.0∶1.3,SO2添加量60.9 mg/L,酵母菌接種量為0.09%,發(fā)酵溫度為28℃,在此優(yōu)化條件下,柚子酒發(fā)酵酒精度為13.4%vol。