响应面法优化沙枣果酒发酵工艺的研究

 于翔，程卫东，单春会*

 石河子大学食品学院(石河子832000)

摘要沙枣含糖量为43%~ 52%,富含多种营养物质，可以作为原料酿造保健型果酒；为了充分地利用沙枣资源，优化其加工工艺参数，以沙枣汁为原料，在初糖浓度、酵母接种量、发酵温度和初始pH 4个单因素试验基础上，应用Design-Expert v 8.0.6软件中Box-Behnken试验设计建立回归模型，对沙枣果酒的发酵工艺条件进行响应面分析优化结果表明：沙枣果酒发酵的最佳工艺条件为：初糖浓度为24%、酵母接种量0.28%、发酵温度为27.78℃、初始pH

4.37。此优化条件下，沙枣果酒酒精度达到14.37%vol，果香和酒香协调，风味独特，绵延柔和。

关键词  响应面法；沙枣；酿造工艺；果酒

 沙枣是胡颓子属植物，在我国西北干旱地区生长面积较大。沙枣原产于西亚，现在在新疆、宁夏、甘肃、河北分布比较广泛，主要生长于盐碱沙地、山地、沙漠和荒地。其果实富含糖类、黄酮、单宁、矿物质及微量元素等多种成分，具有止泻、利尿、降血脂、降血压、降血糖等生理功能，在民间医药中广泛应用；沙枣树作为天然野生植物，其果实不受化肥、农药和工业污染物的污染。沙枣果实浸出物有抗炎作用，对于肠炎、腹泻等常见疾病有一定功效，因此将沙枣应用于食用保健饮品有较为广阔的前景。

 新疆拥有十分丰富的沙枣资源，然而目前主要以初级加工和鲜食为主，由于技术上的缺陷成为了沙枣深加工产品研发的一大屏障，在注重拓展沙枣深加工渠道的同时，研发出更多品种的高价值沙枣产品。

 当前，我国对沙枣的开发利用还不够充分，其药用、食用价值尚有很大的提升空间，产品的生产附加值还有待提高。同时由于技术层面问题致使无法工业化大批量生产，以及沙枣的产品形态单一，深加工利用产品品种空白，以上原因成为了沙枣推向全国的壁垒。试验采用响应面法优化沙枣果酒发酵工艺的最佳条件，响应面分析法是通过试验数据建立回归模型

方程来表示因素与响应值之间的函数关系，是一种优化试验设计与工艺参数的基本有效方法；以沙枣原汁为材料，进行带皮渣发酵，创造了口感协调、风味独特、果香浓郁、原果营养和药用价值均损失较少的一种新型保健果酒；为沙枣果酒产业化提供更经济、更适合规模化生产的工艺参数，进而拓宽沙枣资源综合利用的新领域。

1  材料与方法

1.1材料与试剂

 沙枣：采摘于新疆沙湾地区；安琪酿酒高活性干酵母：安琪酵母股份有限公司；白砂糖：市售一级白砂糖；柠檬酸：天津市北方天医化学试剂厂；硅藻土：北京房山陶瓷绘料厂；葡萄糖：天津市盛奥化学试剂有限公司。

1.2仪器设备

 数显不锈钢电热培养箱：上海博讯实业有限公司医疗设备厂；电热恒温水浴锅：常州国华电器有限公司；电子万用炉：北京市光明医疗仪器有限公司；JJ-2型组织捣碎机：江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司；电子天平：北京赛多利斯天平有限公司；TH2-98台式恒温振荡器：太仓市华美生化仪器厂；手持折光仪：成都泰华光学公司；酒精计：河北省沧州地区医药公司；台式高速冷冻离心机：力康发展有限公司。

1.3试验方法

1.3.1  工艺流程

1.3.2操作要点

 1)沙枣质量要求：酿造果酒的果实品质直接影响到果酒的优劣，沙枣要求新鲜、无霉烂、无虫蛀，成熟的沙枣蛋白质含量为6.5%~7.5%，总糖占43%~52%，氨基酸总量为3.5%~4.0%。

 2)调整成分：沙枣原液中初始糖度为6%～8%，为达到所需发酵糖度，通过酒精度换算得出所需白砂糖含量。

 3)接种发酵：在接种前先将酵母活化，活化条件：将干酵母加入到0.5 %的蔗糖水溶液中，摇床以转速为120 r/min活化30 min左右，将活化后酵母接入沙枣原液中，选择不同的条件进行发酵试验，发酵时间为6 d左右。

4)澄清：采用硅藻土法，在沙枣酒中加入1%的硅藻土，在50℃～60 ℃的恒温水浴锅上酶解1h，在4 000 r/min转速下离心5 min，取上清液。

1.3.3指标测定方法

 糖度测定：手持折光仪；酸度测定：酸碱滴定法；酒精体积分数测定：酒精计法；pH测定：pH计法。

1.3.4沙枣果酒发酵单因素试验

1.3.4.1初始糖度的影响

 调整沙枣汁初始糖度分别为1 8，20，22，24和26 0Bx，按0.3%酵母接种量接入原液中，初始pH 4.0，置于28℃恒温培养箱，每隔24 h摇晃三角瓶1 min，使沉淀在三角形底部的酵母再次悬浮，发酵6 d，每天分别测定发酵液中的酒精度和残糖含量。

1.3.4.2酵母接种量的影响

 调整沙枣汁初始糖度为22 0Bx，酵母接种量分别为0.1%，0.2%，0.3%，0.4%和0.5%接入原液中，初始pH 4.0，置于28 ℃恒温培养箱，每隔24 h摇晃三角瓶1min，使沉淀在三角形底部的酵母再次悬浮，发酵6d，每天分别测定发酵液中的酒精度和残糖含量。

1.3.4.3发酵温度的影响

 调整沙枣汁初始糖度为22 0Bx，酵母接种量0.3%接入原液中，初始pH 4.0，分别置于22℃，25℃，28℃ , 31 ℃和33 ℃恒温培养箱，每隔24 h摇晃三角瓶1 min，使沉淀在三角形底部的酵母再次悬浮，发酵6 d，每天分别测定发酵液中的酒精度和残糖含量。

1.3.4.4初始pH的影响

 调整沙枣汁初始糖度为22 0Bx，酵母接种量分别0.3%接入原液中，初始pH分别为3.0，3.5，4.0，4.5和5.0，置于28 ℃恒温培养箱，每隔24 h摇晃三角瓶1 min，使沉淀在三角形底部的酵母再次悬浮，发酵6d，每天分别测定发酵液中的酒精度和残糖含量。

1.3.4.5响应面法优化沙枣果酒发酵条件

 在上述4个单因素试验结果的基础上，根据Box-Bbehnken中心组合设计原理，选取初糖浓度(A)、酵母接种量(B)、发酵温度(C)和初始pH(D)作为响应面优化影响因子，以发酵液中的酒精度作为响应值。采用Box-Behnken设计方法来优化沙枣果酒的加工工艺条件，设计结果见表1。

2结果与讨论

2.1沙枣果酒发酵的单因素试验结果

2.1.1初糖浓度对果酒发酵的影响

 如图1所示，随着初糖浓度的逐渐升高，酒精度呈先上升后下降的趋势；初糖浓度增至22%时，酒精度达到最高；当初始糖度高于22%后，酒精度呈现逐渐下降的趋势。当发酵液中糖类浓度大于24%时，酒精度降低十分明显；由于含糖量过高导致发酵液渗透压大，酵母的基质抑制作用较为明显，不利于酵母的正常生长和代谢，发酵缓慢，糖转化为酒精不完全，残糖量高。由以上分析可以得出推论：在一定范围内，随着发酵液中糖度增加，可利用的碳源增加，有助于酵母菌利用产生酒精。因此，为保证发酵液酒精浓度适宜，得出沙枣果酒初糖浓度为22%～24%。

2.1.2酵母接种量对果酒发酵的影响

  如图2所示，随着酵母接种量增大，最终酒精度呈现先增大后降低的趋势；在酵母接种量为0.3%时，酒精度达到最高；当酵母接种量高于0.3%时，酒精度呈明显下降趋势。相关文献表明由于酵母接种量过大时，发酵液中的糖更多的消耗在酵母菌的生长繁殖上，用于生成酒精的糖相应减少，并且因为营养物质的快速消耗和代谢产物的产生，使酵母菌发酵环境质量下降导致过早衰老并产生自溶，使果酒的酒精度降低。综上选择最佳酵母接种量为0.3%。

2.1.3发酵温度对果酒发酵的影响

  由图3所示，随着发酵温度的升高，酒精度呈现先升高后下降；发酵温度为28℃时，酒精度最高；当温度低于28℃时，酵母菌代谢活动较弱，不能快速大量生长繁殖，发酵缓慢，导致无法充分利用糖分，酒精度较低；同时发酵速度缓慢从而延长发酵时间，从而染菌机会增加；当温度超过28℃后，酒精度呈现逐渐下降趋势，温度高于31℃时，酒精度出现明显的降低，由于温度过高会导致酵母提前老化，酒精度低，严重时甚至不能完成发酵，直接影响了果酒色、香、风味等指标。因此，最终选取沙枣果酒发酵温度范围是28℃～31℃。

2.1.4初始pH财果酒发酵的影响

  由图4所示，在pH处于3.0～4.0时，随着发酵液中pH的增加，酒精度逐渐升高；在pH为4.0时，酒精含量达到最高，此时酵母菌产酒精代谢活动达到最旺盛，酒精的发酵作用最强；当pH低于4.0时，抑制了酵母菌的繁殖，不利于发酵的正常进行，导致酒精含量较低；当pH高于4.0后，酿酒酵母生长和代谢酶系活性逐渐被抑制，酒精产量有所降低。因此，沙枣果酒发酵液初始pH以3.7～4.5为宜。

2.2沙枣果酒发酵的响应面试验结果

 根据Box-Behnken试验设计原理，在单因素试验的基础上，选取初糖浓度(A)、酵母接种量(B)、发酵温度(C)和初始pH (D)为四个影响因素，采用四因素三水平的响应曲面试验设计对果酒发酵的酒精度(Y)进行优化，试验设计与结果见表2。

2.3  回归模型的建立与方差分析

 通过统计软件Design-Expert V 8.0.6对响应面试验结果进行多元回归拟合，对表2的数据进行回归分析，得到沙枣果酒精发酵工艺参数初步回归模型

 为检验方程的可信性和精确度，对回归模型进行方差分析，结果见表3。

 由表3可知，模型p<0.01，表明回归模型极显著，失拟项p>0.05，表明不显著。相关系数R2=0.974 9，说明该模型能阐释97.49%响应值的变化，因而该模型的拟合度较好，可以利用此模型来分析和预测沙枣果酒在发酵过程中酒精度的变化。在各因素中，发酵温度和初始pH对酒精度的影响极显著，初糖浓度不显著。剔除掉不显著项后，得到优化后的方程：Y

 回归方程的各项方差分析结果表明，一次项和二次项都有显著性因素，因此各试验因素对沙枣果酒酒精度的影响不是简单的线性关系。所以，可以利用该回归方程确定最佳工艺条件。

 由方差分析结果可知，AB的交互作用，AC的交互作用，AD的交互作用，BC的交互作用，BD的交互作用，CD的交互作用；根据回归模型做出相应的响应曲面图分别见于图5～10。

 图5~10综合反映了各变量与响应值之间变量与变量之间的关系；图5显示了初糖浓度与酵母接种量对酒精度的影响，从响应曲面图可以看出曲面的坡度比较陡，这表明初始糖度与酵母接种量二者的交互作用较显著。随着初糖浓度的增大，酒精体积分数先增大后减小；且该酒精体积分数也随酵母接种量的升高先增大后减小。图6显示初糖浓度和发酵温度对酒精体积分数的交互作用，从相应曲面图可以看出曲面的坡度比较陡，这说明初始糖度与发酵温度二者的交互作用是较突出的。发酵温度对酒精度的影响，呈现出明显的升高或减少的趋势。图7显示初糖浓度和初始pH初始与酒精体积分数的交互影响，结果显示随着初糖浓度的升高，酒精度呈现出先升高后下降的趋势，但是随着初始pH的升高，酒精度变化较平稳。图8为酵母接种量与发酵温度对酒精度都显示出了交互作用，从响应曲面上可以看出曲面的坡度相对较陡，说明二者的交互作用特别明显。图9显示酵母接种量和初始pH对酒精体积分数的影响，结果表明母接种量和初始pH对酒精体积分数有交互影响。图10显示发酵温度和初始pH与酒精体积分数的交互作用，结果显示随着发酵温度升高，酒精度呈现先升高后下降的趋势，但是随着初始pH的升高，酒精度呈现出较稳定的趋势。  

通过统计软件Design-Expert．V 8.0.6对模型优化求解，得到沙枣酒发酵的最佳工艺条件为：初糖浓度为24%，酵母接种量为0.28%，发酵温度为27.78℃，初始pH为4.37，此条件下发酵后沙枣果酒酒精度为

14.37%vol。

  为验证试验结果的真实性，采用上述工艺条件进行发酵试验。根据实际生产的需要，发酵温度取27.8℃，实际测得果酒的酒精度14.23%vol，相对误差为0.97%。因此，试验采用响应面法优化得到的沙枣果酒发酵工艺条件参数准确可靠，具有参考价值。

3结论

  通过单因素试验和Box-Behnken设计试验，采用响应面分析法优化沙枣果酒发酵工艺条件，得出最佳优化工艺条件参数为：初糖浓度为24%，酵母接种量为0.28%，发酵温度为27.78℃，初始pH为4.37。此时发酵的果酒，果香和酒香协调，酒体澄清透明，颜色呈微黄色，风味独特，是一种具有丰富营养的保健型果酒，市场前景广阔。试验对于拓宽沙枣的深加工渠道，具有深远意义。