黃芪枸杞啤酒的釀制及工藝優化

朱其順,顏守保,王新宇,顏佳妮,胡家源

1.淮南師范學院生物工程學院,安徽淮南,232038;2.資源與環境生物技術安徽省普通高校重點實驗室,安徽淮南,232038

黃芪為一種豆科植物,在我國東北、華北、西北等地均有栽植,也是常見中藥材,以內蒙古黃芪品質較為突出[1]。其主要含有黃芪多糖、黃芪皂苷、黃酮類化合物,還含有綠原酸、氨基酸、咖啡酸、維生素D、葉酸、微量元素等多種成分[2],具有減輕疲勞、延遲衰老、防輻射、抗癌癥、調節血糖和免疫力等功效[3-7]。黃芪多糖是一種重要的天然活性成分[8-9],也是黃芪藥效中最重要的大分子物質[10-12]。黃芪作為藥食同源類中藥,可被開發成一些功能性食品,如田雨等[13]綜述了黃芪等藥食同源類中藥功能性成分與腸道菌群的相互作用。目前已有將黃芪用于保健酒類的應用,如胡彥營[14]進行黃芪保健啤酒的研制;王靜等[15]研制一種黃芪紅景天銀杏發酵型功能性復合飲料;劉全亮等[16]開發燕麥黃芪酒;馮子瑤等[17]開發蘋果渣、板栗渣、黃芪配制酒;賴敏輝等[18]進行了黃芪黍米黃酒釀造工藝的研究;柴智等[19]對發酵蒸餾型黃芪酒的最優釀制工藝進行了篩選等。

枸杞為茄科植物,藥食同源,歷史久遠,主要栽植于我國西北地區[20]。枸杞色澤暗紅、味甘肉潤, 臨床試驗證明,枸杞富含具有多種藥理功效成分和微量元素[21],具有增強機體免疫細胞的活性,護肝滋腎,潤肺明目,滋潤皮膚,延緩衰老等作用[22-27]。而添加枸杞進行啤酒釀造也有相關研究,如趙春杰[28]、賀小賢等[29]研究制定出保健型枸杞純生啤酒釀造工藝等。

綜上,黃芪、枸杞相搭具有抗衰老[30]、降血糖[31]、抗氧化[32]、調節免疫[33]等保健功效,目前國內已有開發枸杞黃芪茶[34]、黃芪枸杞復合飲料[35-36]等,但二者配伍進行啤酒的釀造,目前尚未查到相關研究報告。本課題在精釀啤酒的工藝中,以不同比例的黃芪汁和枸杞汁作為輔料添加,釀制一種特色功能啤酒,為精釀啤酒的新產品開發和提高中草藥的經濟附加值提供思路和參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

實驗材料與試劑:大麥芽(優級,鄭州龍海)、淺色焦香麥芽(鄭州)、內蒙古黃芪、寧夏枸杞、白砂糖(優級)、啤酒苦花(馬格努門,德國)、啤酒香花(布魯克,德國)、S-189型啤酒干酵母;碘液、鄰苯二胺(分析純)、鹽酸(4 mol/L)、消泡劑、苯酚(5%)、葡萄糖溶液(0.1 mg/mL)、濃硫酸(95.5%)等。

實驗儀器與設備:麥芽破碎機、小型啤酒釀造設備(CG-100,山東中德)、分析天平(FA1104N,上海民橋)、水浴鍋(SC-30,上海漢諾)、附溫密度瓶(50 mL,天長千玻)、可見分光光度計(DU-730,貝克曼庫爾特)、雙乙酰定氮蒸餾裝置(530×400 mm)、pH計(PB-10,Sartorius)、圓底酒精蒸餾器(500 mL,四川蜀牛)等。

1.2 實驗方法

1.2.1 工藝流程

黃芪枸杞啤酒釀制工藝流程如圖1所示。

圖1 黃芪枸杞啤酒釀制工藝流程圖

1.2.2 操作要點

(1)枸杞汁和黃芪汁的制備。 取適量干枸杞和黃芪片,分別清洗烘干后打碎,稱取適量黃芪粉,加堿水(CaO水溶液,60 ℃)回流提取2次,每次1 h,過濾得到澄清黃芪汁;稱取適量枸杞粉,熱水(60 ℃)保溫浸提,渣汁分離后得到澄清枸杞汁。

(2)麥芽破碎。 大麥芽均勻潤水后粉碎,控制粗細粒比約為2.5∶1,淺焦麥芽直接破碎添加。

(3)糖化和過濾。 采用二段式升溫浸出糖化法[37],將大麥芽粉和焦香麥芽粉投入70±1 ℃熱水中,投料量和熱水量的比約為2∶1攪勻,控制溫度為55±1 ℃,保溫時間60 min,此過程為一段糖化;再加入90±1 ℃熱水,熱水量約投料量的2倍,控制溫度為70±1 ℃攪勻,保溫時間60 min,此過程為二段糖化。碘檢合格后,糖化過程結束?？刂汽溨髁?過濾收集得到清亮麥汁,測定糖化終了麥汁濃度如表1所示。

表1 麥汁濃度測定結果

(4)煮沸。 對過濾后的麥汁進行煮沸,分別同時添加枸杞和黃芪浸提汁,煮沸時間70～80 min;啤酒香花和苦花比例為1∶2,采用3次添加法[37],酒花添加量為麥汁總量的0.1%?？刂汽溨璸H值在5.6以下,以減少高級醇的生成,煮沸過程主要工藝參數見表2。

表2 煮沸過程工藝參數

(5)冷卻。 煮沸結束后回旋沉淀約20 min,排出凝固沉淀物,快速冷卻至發酵溫度,添加高活性啤酒酵母液,從下方打入發酵罐,充氧約10 min,促使酵母均勻分布在麥汁中待發酵。

(6)發酵。 控制主發酵溫度為10±0.5 ℃,微壓發酵(罐壓0.04 MPa)。當發酵液殘糖為4.4±0.1 BX時,控制罐壓為0.15±0.01 MPa,保壓3～5 d,升溫至13±0.5 ℃,進行后發酵。當發酵液殘糖為3.6±0.1 BX時,降溫到5 ℃保持24 h,再降溫至2 ℃排雜,0～2 ℃貯酒。

1.2.3 多糖的測定方法

采用苯酚-硫酸法[38]進行測定,方法如下:

(1)分別吸取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)于試管中補水至1.0 mL,分別加入5 %苯酚溶液1 mL和濃硫酸5 mL,混勻,室溫放置10 min以純水對照,測定490 nm處光密度,得到標準曲線。

(2)取黃芪粉5.0 g,加CaO水溶液50 mL,60 ℃提取2次(60 min/次)過濾,取濾液0.2 mL至100 mL量瓶中,純水定容,即為供試品溶液。

(3)取枸杞粉5.0 g,加入適量水攪勻后,60 ℃水浴鍋保溫浸提2次(60 min/次),離心分離取上清液。減壓蒸發制得枸杞多糖提取濃縮液,適當稀釋后為待測溶液。

(4)按照葡萄糖標準曲線法測定,由公式(1)計算多糖提取量,再由公式(2)計算多糖提取率。

多糖量(g)= (c×v×n)/1 000

(1)

其中,c:糖濃度,mg/mL;v:提取液體積,mL;n:稀釋倍數。

(2)

1.2.4 單因素試驗探究黃芪最佳浸提條件[38]

(1)黃芪與水比例的確定。 設定浸提時間90 min,浸提溫度60 ℃,黃芪與水的料液比為1∶20、1∶25、1∶30、1∶35和1∶40 g/mL這5個梯度進行試驗,以黃芪多糖提取率為評判標準。

(2)浸提時間的確定。 以1.2.4(1)最佳比例,浸提溫度為60 ℃,分別以浸提時間為70 min、80 min、90 min、100 min和110 min進行試驗,以黃芪多糖提取率為評判標準。

(3)浸提溫度的確定。 以1.2.4(1)最佳比例和1.2.4(2)最佳浸提時間,分別以浸提溫度為50 ℃、55 ℃、60 ℃、65 ℃和 70 ℃進行試驗,以黃芪多糖提取率為評判標準。為減少誤差,重復3次平行實驗,然后結果取平均值。

支出標準體系建設初見成效。在山東省各級財政評審機構的共同努力下，項目支出預算編制規范和項目支出標準漸成體系，在全面規范財政預算管理、提高財政資金分配效益等方面發揮了重要作用。如，省財政出臺了辦公業務用房維修改造支出標準，制定了政務信息化軟件開發項目支出評審標準，著手開展政務信息化項目運行維護費用支出預算標準制定。

1.2.5 單因素試驗探究枸杞最佳浸提條件[39-40]

(1)枸杞與水比例的確定。 設定浸提時間為30 min,浸提溫度為50 ℃,枸杞與水的料液比為1∶3、1∶4、1∶5、1∶6和1∶7 g/mL這5個梯度進行試驗,以枸杞多糖提取率為評判標準。

(2)浸提時間的確定。 以1.2.5(1)最佳比例,浸提溫度為50 ℃,設置浸提時間為20 min、25 min、30 min、35 min和40 min進行試驗,以枸杞多糖提取率為評判標準。

(3)浸提溫度的確定。以1.2.5(1)最佳比例和1.2.5(2)最佳浸提時間,分別以浸提溫度為40 ℃、45 ℃、50 ℃、55 ℃和60 ℃進行試驗,以枸杞多糖提取率為評判標準。為減少誤差,重復3次平行實驗,然后結果取平均值。

1.2.6 單因素試驗確定輔料添加量

(1)黃芪汁添加量。 在其他因素不變的情況下,以感官評價為指標,探討黃芪汁添加量分別為1%、2%、3%時對啤酒品質的影響。

(2)枸杞汁添加量。 在1.2.6(1)最佳條件下,以感官評價為指標,探討枸杞汁添加量分別為1%、2%、3%時對啤酒品質的影響。

1.2.7 響應面優化生產工藝

根據Box-Behnken組合原理,以感官評分為評價指標,選取黃芪汁添加量、枸杞汁添加量和白砂糖添加量這3個因素做響應面分析試驗,用Design-expert軟件進行數據處理,表3為試驗因素及水平編碼。

表3 試驗因素與水平編碼

1.2.8 質量評價方法

邀請經過專業培訓的食品感官評定人員(男、女學生各5名)進行打分,評分標準見表4。

產品質量標準參照《GB/T 4927-2008 啤酒》要求,總酸按《GB 12456-2021 食品安全國家標準》測定,雙乙酰按《GB/T 4928-2008 啤酒分析方法》測定,酒精度按照《GB 5009.225-2016 食品安全國家標準 酒中乙醇濃度的測定》測定,甲醛含量按《GB/T 5009.49-2008 發酵酒及其配制酒衛生標準的分析方法》測定。

主要衛生指標測定方法:大腸菌群按照《GB 4789.3-2016 食品微生物檢驗 大腸菌群計數》中的MPN計數法測定,金黃色葡萄球菌依照《GB 4789.10-2016 食品微生物檢驗 金黃色葡萄球菌檢驗》MPN計數法測定,沙門氏菌按照《GB 4789.4-2016 食品微生物學檢驗 沙門氏菌檢驗》方法檢測。

1.2.9 數據分析

運用Design-expert、Excel和SPSS等軟件進行數據分析。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗探究最佳浸提條件

令梯度i=1、2、3、4、5;ai、bi、ci分別表示在1.2.4(1)—(3)條件下黃芪多糖的提取率,用以表達單因素條件作用下的因素水平。結合多糖提取率作圖,見圖2?？芍釛l件對多糖提取率的影響都表現為先上升后下降。其中當黃芪與水的比例為1∶30,浸提時間為100 min,浸提溫度為60 ℃時,黃芪多糖提取率分別達到最高值9.7%、10.4%、11.2%。各單因素在不同水平的黃芪多糖提取率的方差統計,可以看出平均值大小依次為:aibi>ci。

圖2 單因素條件對黃芪多糖提取率的影響

同理,另設ai、bi、ci分別表示在1.2.4(1)—(3)條件下枸杞多糖的提取率,用以表達單因素條件作用下的因素水平。結合多糖提取率作圖,見圖3?？傻贸?當與水的比例為1∶5、浸提時間30 min、浸提溫度55 ℃時,枸杞多糖提取率達最高值分別為7.6%、8.3%和8.9%。各單因素在不同水平的枸杞多糖提取率的方差統計可以看出,平均值大小依次為:aj

2.2 單因素試驗最佳添加量

由圖4可知,隨黃芪汁添加量的增加感官總分先增加后降低,當黃芪汁添加量為2%時,感官總分最大為87.6;枸杞汁添加量為2%時,感官總分最大為93.2分;白砂糖添加量為0.5%時,感官總分最大為94.1分。

圖4 各因素對啤酒感官總分的影響

2.3 響應面優化工藝參數

2.3.1 模型建立及顯著性檢驗

為考察輔料添加量對啤酒品質的影響程度,創建目標函數感官總分(Y)與黃芪汁添加量(A)、枸杞汁添加量(B)和白糖添加量(C)的二次回歸模型,對實驗結果進行多元擬合,得到回歸方程如下:

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

模型的方差分析及顯著性檢驗,結果見表5。

表5 方差分析及顯著性檢驗結果

由表5可知,顯著性影響大小依次為:B>C>A,說明存在交互作用。其中B項為極顯著,A、C項為顯著;交互項AB為不顯著,BC為顯著,AC為極顯著。二次項B2為顯著,A2和C2為極顯著?？偢怕蔖=0.000 2<0.01,表明該模型為極顯著。而失擬項P=0.562 4>0.100 0,表示模型和正交試驗結果擬合良好。決定系數為R2=0.970 5,說明所選變量的97.05%和響應值(感官總分)變化有關系?；谏鲜龇治龅贸?用該回歸方程描述各因素與響應值之間的真實關系較為可靠。

2.3.2 響應面分析確定最優條件

圖5、圖6和圖7分別是模型的響應曲面及等高線圖。等高線的形狀可以反映交互作用的強弱,如近似圓形表示交互作用不顯著,越趨于橢圓形表示交互作用越顯著。由此分析得出,影響啤酒感官分值的高低分別是:枸杞汁添加量(B)>白砂糖添加量(C)>黃芪汁添加量(A)。兩因素對感官分值的交互作用顯著性程度為:AC>BC>AB,與表5顯著性影響分析的結果是一致的,說明該模型可信度較高。

圖6 黃芪汁添加量與白砂糖添加量的響應曲面及等高線圖

圖7 枸杞汁添加量與白砂糖添加量的響應曲面及等高線圖

根據模型響應面分析得出最優工藝條件為:黃芪汁添加量2.02%、枸杞汁添加量2.03%和白砂糖添加量0.51%,在此條件下黃芪枸杞啤酒的感官總分理論值可達96.8?？紤]到實際實驗情況,修正為黃芪汁添加量,枸杞汁添加量和白砂糖添加量分別為2%、2%和0.5%,在上述最佳條件下,3次平行驗證試驗的實測感官總分平均為96.3,與理論預測值較為接近,誤差約為0.42%,說明實際情況能用該模型真實反映,與2.2所得結論相符。

3 產品質量分析

對啤酒進行感官評定,酒體外觀清亮透明,呈淺紅色;泡沫潔白細膩,掛杯持久;具有協調的酒花香、麥芽香、黃芪和枸杞香氣;口感純正,殺口感強烈,酒體協調,苦味清爽宜口,主要感官指標皆為優級。對成品啤酒進行主要理化指標和衛生指標測定,結果見表6、表7,均符合國標《GB/T 4927-2008 啤酒》中對濃色優級啤酒的要求。

表6 產品主要理化指標

表7 產品主要衛生指標

4 結 論

采用黃芪、枸杞作為輔料進行啤酒釀造,釀制出一種有藥理作用的特色精釀原漿啤酒。單因素試驗結果得出最優浸提條件為:黃芪料水比1∶30 g/mL,浸提時間100 min和浸提溫度60 ℃;枸杞料水比1∶5 g/mL、浸提時間30 min和浸提溫度55 ℃;單因素試驗結合正交試驗和響應面分析的方法,以感官品評得分為標準,得出了最優發酵工藝條件為黃芪汁添加量2%、枸杞汁添加量2%和白砂糖添加量0.5%。所得啤酒色澤清亮、起泡好,有明顯的輔料(藥材)香氣,口感純正,酒體協調,主要理化指標和衛生指標符合國標《GB/T 4927-2008 啤酒》中對濃色優級啤酒的要求,具有優質啤酒的典型特征。

所研發產品的生產,不需要對已有釀造設備進行改造,工藝簡單,技術可行。產品在保持精釀啤酒原有風格基礎上,增加了輔料的特有風味和養生功能。該結果為特色功能啤酒釀造和應用推廣提供一定的基礎依據,同時提升中草藥的經濟附加值。