响应面法优化啤酒酵母抽提工艺条件的研究

CHINACONDIMENT2007年11月

No.11

Nov.2007

响应面法优化啤酒酵母抽提工艺条件的研究

邵伟,乐超银,涂志英

(三峡大学化学与生命科学学院,江西宜昌　443001)

摘要:以啤酒酵母为原料,通过单因素试验在自溶时间、温度、pH值及助溶剂等因素中确定对酵母自溶影响最为关键的因素,然后根据Box-Benhnken的中心组合试验设计原则,选取对

酵母抽提影响较大的3个因素:自溶时间、自溶温度和pH值进行实验和响应面分析,得出啤酒酵母抽提的最佳工艺条件:在NaCl添加量为3%的条件下,自溶时间18.5h、自溶温度56.8℃和pH6.03,在此条件下酵母抽提液中氨基氮含量可达0.44g/100mL。关键词:响应面分析法;啤酒酵母;酵母抽提物;工艺;优化中图分类号:TS261111　　　文献标识码:B　　　文章编号:100029973(2007)1120032204

StudyonoptimizationforcraftofbeeryeastextractwithRSM

SHAOWei,YUEChao2yin,TUZhi2ying

(CollegeofChemistryandLifeScience,ThreeGorgesUniversity,Yichang443001,China)Abstract:Usingbeeryeastasarawmaterial,theimportanteffectfactorsamongtime,tem2perature,pHvalueandadditivewereconfirmedbythesinglefactortestsprimarily,thenac2cordingtotheBox-Benhnkencenterunitedexperimentaldesignprinciples,the3importanteffectfactors-time,temperatureandpHvaluewerestudiedandanalyzedwithRSM,theoptimumconditionswereobtainedasfollows,time18.5h,temperature56.8℃,pHvalue6.03andadditiveNaClwas3%,andundertheseconditions,thecontentofamido-nitrogenwouldreached0.44g/100mL.

Keywords:responsesurfacemethodlogy(RSM);beeryeast;yeastextract;craft;optimization

　　从啤酒废酵母中提取的内含物主要为经胞内蛋白质降解的氨基酸和经核酸降解的核苷酸IMP和GMP,它具有呈味性好、着色性佳,可以用于替代味精、酱油等调味制品[1,2]。目前,欧美和日本等国在利用废酵母生产酵母抽提物方面已形成了较大的规模(欧洲年总产量为4.5万吨,日本为0.6万吨)。我国虽是啤酒生产大国,每年大约可产生4.5万吨啤酒废酵母,但这些酵母泥除部分作种子或作为饲料外,较大部分都直接排放了,严重地污染了环境[3]。国内也只有少数企业利用啤酒废酵母生产酵母抽提物,且产能不足,得率较低。其主要原因是我国酵母抽提物的生产技

收稿日期:2007-07-05

术工艺与国外存在一定的差距。因此,优化与改进现有工艺条件就显得尤为重要,而目前应用响应面分析法(RSM)优化酵母抽提物工艺的研究还未见报道。为此,我们采用响应面分析法,以氨基酸态氮含量和抽提物得率为指标,对影响酵母抽提的一些关键因素进行了研究,为啤酒酵母的利用和啤酒酿造的清洁生产提供参考。

1　材料和方法

111　材料

新鲜啤酒酵母:由河南南街村集团南德啤酒厂提供。

作者简介:邵伟(1966-),男,汉族,高级实验师,目前主要从事微生物的教学与研究工作。

第11期　　　　　　　　　试验研究　响应面法优化啤酒酵母抽提工艺条件的研究　　所用试剂均为分析纯。112　仪器设备

33

18h左右两者均达到最大值,且有相同的趋势。

电子天平、电热恒温水浴锅、离心机、显微镜、喷雾干燥塔等。1.3　方法1.3.1　试验设计[4]

随后氨基氮含量呈现缓慢下降的趋势,而抽提

物得率则基本上维持在最高水平,但自溶时间超过20h后,自溶液的口感开始出现一些苦味,这主要是由于酵母自溶时所产生的苦味肽和苦味氨基酸大量积累所致,因此,初步确定自溶时间为18h。

由于酵母酶解自溶程度的大小主要受自溶时间、温度、pH值及助溶剂等因素的影响,并且其自溶程度对产品质量的影响极大。因此,先通过单因素试验在自溶温度、时间、pH值及助溶剂等因素中确定对酵母自溶影响最为关键的因素,并利用Design-Expert6.0.10软件对实验进行设计和数据处理,以确立最佳自溶工艺。1.3.2　测定计算方法氨基酸态氮的测定:甲醛滴定法[5]酵母抽提物得率=(上清液总重×上清液固形物含量-外加物干重)/自溶酵母干重×100%[6]

图1　自溶时间对氨基氮含量、抽提物

得率的影响

312　酵母自溶温度对氨基氮含量、抽提物得率的

影响

温度对酵母的生长代谢有着直接的影响,在

pH6.0、自溶18h的条件下,观察其对酵母自溶的影响情况,结果见图2。

2　工艺流程

根据啤酒酵母细胞自身的特点,本工艺对啤酒酵母采用预处理与提取处理分段进行的的方式,使每一阶段通过不同的工艺操作以达到不同的目的,从而提高酵母的脱苦效果和酵母抽提物的得率。211　啤酒废酵母预处理工艺

212　脱苦酵母抽提处理工艺

脱苦酵母泥→自溶(55℃,pH6.0)→离心分

图2　温度对酵母自溶的影响

离→浓缩→干燥→包装

3　结果与讨论

3.1　酵母自溶时间对氨基氮含量、抽提物得率的

由图2可知,温度在55℃左右时酵母抽提液

的氨基氮含量和抽提物得率均达到最大值,故初步确定自溶温度为55℃。313　pH值对酵母自溶氨基氮含量、抽提物得率的影响

酵母的自溶是在其体内酶的作用下进行的,而环境的pH值将直接影响其体内酶的活性。酵母在55℃,不同pH值条件下,自溶18h后,其抽提液中氨基氮含量和抽提物得率的变化影响情况见图3。

由图3可知,当pH为6.0时,酵母抽提液中

影响

将酵母乳的温度控制在55℃、pH6.0的条件下进行自溶,随着酵母的自溶,其氨基氮含量、抽提物得率及品质都随时间而发生变化,结果见图1。

由图1可知,自溶开始以后,自溶液中的氨基氮含量和抽提物得率随时间不断升高,在

34　　　　　　　　　　　　　　　　中国调味品

标,各因子及水平编码见表1。

表1　试验因素水平及编码

自变量

代码

-1

总第345期

氨基氮含量和抽提物得率均有最大值,因此,初步确定酵母自溶的pH值为6.0。

编码水平

018556.0

120606.5

自溶时间(h)

)自溶温度(℃

X1X2X3

16505.5

自溶pH值

　　试验安排及结果见表2。表2　试验安排及结果图3　pH值对酵母自溶的影响

时间(h)21

1

314　NaCl添加量对酵母自溶氨基氮含量的影响试验号12345678910111213

温度(℃)2121

110000

pH值0000

氨基氮含量

(g/100mL)

0.3220.3740.3720.4050.3030.3730.3720.3760.3050.3910.3560.3820.4330.4310.4350.4330.431

在酵母自溶过程中,添加自溶促进剂可加速酵母的自溶、提高抽提物的溶出率。从降低生产成本和食品安全性考虑,生产中多选用NaCl作为酵母自溶促进剂。在55℃、pH6.0的条件下,NaCl添加量对酵母自溶的影响结果见图4。

21

1

21

1

2121

11

21

1000000000

21

1

2121

1100000

21

100000

图4　NaCl添加量对酵母自溶的影响

14151617

由图4可知,在酵母自溶过程中,当NaCl添

加量为1%时,它的促进作用不明显;当NaCl添加量为3%时,它的促进作用十分明显;而当NaCl添加量为5%时,促进作用也十分明显,但由于酵母抽提物中NaCl含量较高,直接影响了酵母抽提物的口感和品质。因此,确定NaCl添加量为3%。315　酵母抽提工艺条件的优化3.5.1　试验因素水平编码与试验结果

综合单因素试验结果,在NaCl添加量为3%的条件下,根据Box-Benhnken的中心组合试验设计原则,选择对酵母抽提影响较大的3个因素:自溶时间、自溶温度和pH值,分别以X1、X2和X3代表,每一个自变量按低、中、高3个水平分别以-1、0、1进行编码,并以氨基氮含量为评判指

31512　模型的建立与显著性检验

应用DesignExpert软件,对表2中的数据进行多元回归拟合,选择对响应值显著的各项,可得

)和pH值与酵母抽提自溶时间(h)、自溶温度(℃液中氨基氮含量(g/100mL)间的二次多项回归方程:

Y=0.433+0.020X1+0.024X2+0.014X3

-0.033X12-0.031X22-0.043X32-0.005X1X2-0.017X1X3-0.015X2X3

对回归方程进行方差分析和显著性检验,

结果见表3,得出结论是该模型回归显著(P<

第11期　　　　　　　　　试验研究　响应面法优化啤酒酵母抽提工艺条件的研究0.0001),方程的一次项、二次项的影响都是显

35

著的,且交互项X1X3、X2X3也显著,且该模型的R2=0.9914、RAdj2=0.9804,说明该模型与实验值拟合较好,可用于酵母抽提工艺的理论预测。

表3　回归方程系数及其显著性检验结果模型项系数估计标准差平方和均方

Intercept0.43260.0027X1X2X3X1

2

图6　交互项等高线图

P值

F值

<0.0001<0.0001<0.00010.0003<0.00010.01990.00220.00320.003290.080.02410.00220.00470.004785.430.01430.00220.00160.0016125.87通过该组图即可对任何两因素交互影响酵

母抽提液中氨基氮含量的效应进行分析与评价。对回归方程求一阶偏导数,当响应值Y有最大值时可求得各因素的水平:X1=0.26、X2=0.36、X3=0.05,转换后得到最佳抽提条件为:

20.03340.00300.00470.004743.91X22X32X1X2X1X3X2X3

20.03090.00300.00400.0040127.16<0.000120.04320.00300.00780.0078108.85<0.000120.00480.00300.00010.0001212.1720.01650.00300.00110.0011

2.44

0.16230.00100.0017

自溶时间18.5h、自溶温度56.8℃和pH6.03、NaCl添加量为3%的条件下,在此条件下理论预测酵母抽提液中氨基氮含量可达0.44g/100mL。

4　小结

实验中以氨基氮含量和抽提物得率为指标,通过考察酵母的自溶情况,对发酵工艺条件进行了初步摸索;并以氨基氮含量为评判指标,将响应面分析法应用于酵母抽提工艺上,通过对试验结果的分析比较,确定最佳工艺条件为:在NaCl添加量为3%的条件下,自溶时间18.5h、自溶温度56.8℃和pH6.03、在此条件下酵母抽提液中氨基氮含量可达0.44g/100mL。实践证明采用响应面分析法对酵母抽提工艺进行优化是非常有效的。

参考文献:

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20.01500.00300.00090.000929.44

3.5.3　模型的验证

为了验证酵母抽提模型的有效性,在自溶时

)和pH值的试验水平范围间(h)、自溶温度(℃

内,选择3个组合进行验证实验,结果见表4。

表4　模型验证结果

试

验号

123

时间(h)

202018

温度(℃)

555550

pH值5.56.55.5

氨基氮含量(g/100mL)试验值

0.3730.3760.305

预测值

0.3810.3800.312

　　由表4可知,模型预测值与实测值相吻合极

好,用此模型指导实践应具有非常好的效果。3.5.4　响应因素水平的优化由回归方程所作的响应曲面图及其等高线图,见图5、图6。

中国调味品,1999(8):51

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图5　交互项因素响应面图