一种发芽苦荞格瓦斯饮料制备工艺研究

陈春旭， 李海虹， 高红梅， 杜传来， 李先保， 郭元新

(1.安徽科技学院 食品工程学院，安徽 凤阳 233100；2.江苏科技大学 粮食学院，江苏 镇江 212004)

苦荞是一种营养丰富的粮食作物，是我国传统的小杂粮之一，也是唯一集7大营养素于一身的谷类作物[1]，其含有包括生物类黄酮、微量元素和矿物质、淀粉、维生素、纤维素、脂肪、蛋白质及其他作物没有的叶绿素[2]。相关研究表明，经过适当的萌发处理后，苦荞中黄酮和γ-氨基丁酸(GABA)的含量会大量增加。黄酮类物质是一种很强的抗氧化剂，可以有效清除体内自由基，对心脑血管疾病有一定的治疗和保健作用[3]。而GABA具有降血脂，改善脑机能，缓解疼痛等作用[3]。同时，萌发后苦荞中的胰蛋白酶抑制剂等抗营养因子会降低甚至消失，提高了其蛋白质和淀粉的消化率，并增加了某些限制性氨基酸和维生素等营养物的含量[3]，导致营养价值提高并形成独特的风味和口感[4]。此外，萌发处理还可以降低或消除其中有毒、有害或抗营养物质的含量，增加其药用功能[5]。

格瓦斯被认为是世界四大民族饮料之一，传统格瓦斯是以面包屑为原料，经过乳酸菌、酵母菌共同发酵制得，含有丰富的有益菌群、B族维生素以及人体所需的氨基酸[6]。同时，格瓦斯口感微甜，具有开胃健脾、降血压，消除疲劳等作用，是一款极佳的酒类、碳酸饮料的替代品[7]。但是传统的格瓦斯制作工艺复杂，生产成本高。虽然现代食品技术采用类似于啤酒发酵生产格瓦斯饮料的方法降低了成本，但也同时降低了饮料的口感和风味[8]。而以发芽苦荞为原料来制作格瓦斯饮品，槲皮素含量的降低导致苦味的降低，使其形成独特的风味和口感[9]。并且，苦荞在发芽后增加的黄酮类物质和GABA极大的丰富了格瓦斯饮料的营养成分，在降低生产成本促进区域经济发展的同时，满足了现代人越来越挑剔的味蕾和健康需求。

基于此，本实验旨在以发芽苦荞麦、大麦芽为原料，研发出一款经济实惠、口味独特的格瓦斯饮品。通过响应面法优化格瓦斯饮料的制备条件，获得发芽苦荞格瓦斯饮料的最佳生产工艺条件，为苦荞的开发利用及格瓦斯饮料健康化、多元化的发展提供进一步的认识。

1 材料与方法

1.1 供试材料

苦荞麦：四川凉山苦荞(市售)；大麦芽：顺和堂药业(市售)；乳酸菌、酵母菌、啤酒花均为市售；糖化酶(50 000-400 000 U/g)：北京鑫达食品添加剂有限公司；液化酶(>50 U/mg)：北京鑫达食品添加剂有限公司；柠檬酸，分析纯(上海中试化工总公司)。

1.2 仪器

YP3001N型电子天平(杭州万特衡器有限公司)；电热恒温水浴锅(金坛市金城国胜实验仪器厂)；101-3-5电热恒温鼓风干燥箱(上海森信实验仪器有限公司)；JJ-2组织捣碎机(常州华奥仪器制造有限公司)；YC-1600实验室喷雾制粒包衣机(上海雅程仪器设备有限公司)；KDC-20低速离心机(科大创新股份有限公司中佳分公司)。

1.3 试验方法

1.3.1 工艺流程 苦荞萌发——烘干——粉碎——发芽苦荞、麦芽混合粉——液化——糖化——蒸煮冷却——过滤——发酵——风味调配——过滤——巴氏杀菌——灌装——成品——质量评价(感官指标)。

1.3.2 操作要点 苦荞萌发苦荞种子，先用质量分数为1.0%的次氯酸钠消毒15 min后冲洗至pH为中性，在30 ℃条件下用去离子水浸泡2 h，接着在瓷盘上覆盖2张滤纸，将浸泡好的苦荞种子置于其中室温避光发芽。每8小时喷去离子水1次，培养4 d后取样。

液化与糖化在调配好的发芽苦荞、麦芽粉中加入一定量的蒸馏水，先在温度为35～37 ℃，pH为5.3～5.4的水浴锅中，水浴60 min；接着将水温调节至45～55 ℃水浴60 min；然后加入接种量为0.25%的α-淀粉酶，在温度为70～80 ℃，pH为5.5～5.6的条件下水浴60 min；将温度降为60～65 ℃，加入接种量为0.25%的β-淀粉酶水浴60 min；最后将温度上升为100 ℃，彻底液化。

蒸煮蒸煮时间不宜过长，时间控制在5 min左右，时间太长会影响其风味，太短颜色又太浅，不利于感官评价。

冷却当煮沸完要用冰水进行快速冷却。

发酵发酵前要进行菌种活化(干酵母按1∶20～1∶10的比例投放于36～38 ℃的温水中复水15～20 min)，复水用的为纯净水，发酵时菌种添加量为0.25%，添加发酵剂时要保证温度已经降到28 ℃以下，否则会产生酵母味道，也会影响感官评价。发酵过程是采用异步发酵法，先将乳酸菌接入到发酵液中发酵24 h，然后接入酵母菌发酵24 h，异步发酵效率高，所产生的格瓦斯质量也比较稳定。

风味调配以1%-5%的蔗糖(w/v)进行风味调配。

巴氏杀菌杀菌温度为65～75 ℃，热水中杀菌15～20 min即可。

1.3.3 单因素试验 称取5份3.00 g发芽苦荞粉，5.00 g麦芽粉(苦荞麦∶大麦芽=3∶5)，经过按比例混合、液化后，考察料液比(1∶4、1∶6、1∶8、1∶10、1∶12)；糖化温度(50、60、70、80、90 ℃)；糖化时间(40、60、80、100、120 min)；发酵温度(22、24、26、28、30 ℃)；蔗糖添加量(10、20、30、40、50 g/L)对发芽苦荞格瓦斯饮料感官评价的影响。

1.3.4 响应面优化试验 应用响应面分析软件设计试验因素和水平，最终获得发芽苦荞格瓦斯饮料优化的工艺条件参数(表1)。

表1 响应面试验因素水平

1.3.5 感官评定标准 每组处理以有经验的3人为感官评价小组，按照颜色20%、香气20%、组织状态20%、口感10%、特色10%的标准对最终产品进行感官评价，以平均值作为最终得分[10](表2)。

表2 感官评定方法

1.4 数据处理

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果分析

2.1.1 料液比对感官评分的影响 由图1可以看出，随着液料比的增加，感官评分呈现先上升后下降的趋势，液料比较低时，发酵液粘稠度比较高，导致发酵液发酵不完全，因此产品口感和香气的分数比较低。当液料比例达到8时，格瓦斯的颜色、香气以及口感等指标均达到最大，使其总分最高。随着液料比的继续增加，格瓦斯饮料发酵过滤后颜色则变浅，使感官分数下降。因此，综合考虑，选择液料比在6～8之间继续进行后续实验。

图1 液料比对感官评分的影响 图2 糖化温度对感官评分的影响

Fig.1 Effect of liquid ratio on sensory score Fig.2 Effect of saccharification temperature on sensory score

注：不同字母表示样品组间存在显著性差异(P<0.05)。下同。

2.1.2 糖化温度对感官评分的影响 从图2可知，糖化温度对格瓦斯感官评分的影响不是特别明显。大多数都在71、72分数范围波动。在图2中当糖化温度为60 ℃时，香气、组织状态，口感总的感官评分比较高，为69分，当糖化温度超过60 ℃，糖化酶活力下降。因此，综合考虑，选择糖化温度在50～70 ℃范围内比较好。

2.1.3 糖化时间对感官评分的影响 由图3可知，随着糖化时间不断延长，格瓦斯饮料的感官分数先上升后下降，糖化时间在80 min以前，感官评分的分数是上升趋势，这是由于苦荞中淀粉的含量比较高，在萌发过程中产生的淀粉酶使淀粉水解。但是发芽苦荞粉中还有一大部分的淀粉。当糖化时间逐渐增加时，淀粉慢慢转化为还原糖，当时间在80 min左右，发芽苦荞中大部分淀粉已经转化为葡萄糖，使格瓦斯的口感、，组织状态，颜色，香气等更恰当，所以感官评分更高。因此，综合考虑，选择糖化时间在60～100 min范围内比较好。

2.1.4 发酵温度对感官评分的影响 根据图4的堆积柱形图我们会发现，产品结果曲线先上升后下降，本研究是采用与生产啤酒相似的方法来生产格瓦斯饮料，所以酵母菌发酵的温度普遍偏低，但若是太低，也会对产品的口感产生影响。从图中看出，当发酵温度在24 ℃时，发芽苦荞格瓦斯饮料的感官评分最高，为70分，当温度大于24 ℃，到达28 ℃以上时，由于酵母活性受抑制，温度太高，酵母失活，在饮料中有酵母味道，使感官评定时口感的分数由18分下降到14分。因此，我们选择发酵温度在22～26 ℃范围内比较好。

图3 糖化时间对感官评价的影响 图4 发酵温度对感官评分的影响

Fig.3 Effect of saccharification time on sensory evaluation Fig.4 Effect of fermentation temperature on sensory score

2.1.5 蔗糖添加量对感官评分的影响 由图5可知，该图表感官评分曲线是先上升达到最高点后下降。饮料种类不同，最合适的糖度值也不一样，当饮料糖度过低时，口味较淡，糖度过高，喝起来又很粘腻。所以糖度的适宜性是感官评定口感很重要的指标。所以糖度过高或过低都会使感官评定时口感的评分分数较差。大多数饮料中糖浓度都不会高于10%，而该产品最适蔗糖添加量在10～30 g/L范围内进行比较分析。

图5 蔗糖添加量对感官评价的影响

2.2 响应面试验结果分析

采用Design-Expert 8.05分析软件，利用Box-Behnken中心设计原理，以发芽苦荞格瓦斯饮料最终的感官评分作为响应值，以影响其感官评分的三个主要因素A(液料比)、B(糖化时间)、C(蔗糖添加量)为自变量，进行三因素三水平的Box-Behnken中心组合设计，结果如表3所示。

表3 响应面设计及试验结果

采用RSA软件程序对表3中试验数据进行多元回归拟合，得到产品的二次多项拟合方程：R=81.60+3.37A+2.37B+1.50C-7.00AB+1.25AC-1.75BC-4.05A2-5.55B2-2.30C2。对回归模拟进行方差分析如表4所示。

表4 响应面试验方差分析

由表4可以看出，模型中F=39.84，P<0.000 1，表明实验中所采用的二次模拟是极显著的，该模型具有统计学意义。在这种情况下其自变量一次项A、B、C，二次项AB、BC、A2、B2、C2是显著的。失拟项是用来评估方程可靠性的一个重要数据，如果显著表明方程拟合的不好，需要调整，如果不显著表明方程模拟的较好，可以很好的分析以后的数据[10]。它是表明实验数据与模拟相符的情况。失拟项中P=0.762 1，小于0.05，所以失拟项是不显著的。表明方程拟合的较好。因此可以用该模型代替实际工艺生产情况对试验结果进行分析[11]。

2.3 因素间的交互作用

根据单因素试验的结果，选择合适的试验范围，做出响应曲面，分析料液比(A)、糖化时间(B)、蔗糖添加量(C)对发芽苦荞格瓦斯饮料感官评价的影响情况，结果见图6～8。

图6 A与B对感官评分影响的响应面三维图和等高线

图7 A与C对感官评分影响的响应面三维图和等高线

图8 B与C对感官评分影响的响应面三维图和等高线

由图6～8中因素之间的等高线图和响应面图可知，响应曲线走势的坡度越陡，影响越显著；坡度越平滑，影响越小[11]。图的颜色从蓝色到红色的变化表示感官评分从少到多的变化，变化的越快，坡度越大[12]，试验结果的影响更显著。此外，等高线的形状可反映出交互作用的强弱，椭圆形表示两因素交互作用显著，在等高线中的椭圆中心点即是响应面的最高点，而圆形则相反，且在那条线上的所有方案都会得到相同的结果[12-13]。比较这3张图可以看出，AB和BC之间具有交互作用，且交互作用影响显著，AC之间不发生交互作用。

根据软件分析，得到该试验最佳工艺参数为料液比为1∶10、糖化时间：69.13 min、蔗糖添加量：28.05 g/L。在该条件下，发芽苦荞格瓦斯饮料的感官评分最高，为83.288 2。结合实际操作过程，将该工艺条件修改为料液比：1∶10、糖化时间：69 min、蔗糖添加量：28 g/L。

2.4 验证试验

对上述所得出结果进行平行实验，确定该方法的可靠性。试验工艺参数分别为料液比：1∶10、糖化时间：69 min、蔗糖添加量：28 g/L。进行3次平行实验，计算感官评分，结果见表5。3次验证结果平均分为83.283 4±0.103 5分，与预测值相近，说明优化结果可靠。

表5 验证试验结果

3 结论与讨论

本实验是以单因素筛选试验为基础，用Box-Behnken的试验设计的响应面法来研究发芽苦荞格瓦斯饮料的最优感官评价结果。结果表明，当料液比为1∶10、糖化时间：69.13 min、蔗糖添加量：28.05 g/L时，发芽苦荞格瓦斯饮料的感官评分最高，为83.288 2分。此外，研究结果还表明料液比、糖化时间、蔗糖添加量对格瓦斯饮料感官评价的影响不是简单的线性关系。目前正交试验设计法虽然已被广泛用于各种药用植物有效成分的提取工艺中，但只能处理离散水平值，在实际应用中还存在诸多局限性[14]。因此，本实验采用响应面设计法比正交设计在本类试验中更具优越性[15]。同时，苦荞在经过发酵工艺后，引起苦味的黄酮醇类物质显著降低，并且苦荞中的苯乙醇类物质可通过酵母的脱氨酶、脱羧酶、还原酶作用产生醇类和酯类等风味物质，进而对格瓦斯饮料的风味起到积极的调节作用，具体的风味物质变化还需要通过GC-MS等设备进一步分析。在未来，随着社会的发展，对发芽苦荞格瓦斯饮料的研究将不仅仅关注口感及营养价值方面，更多的是二者同时考虑。因此，本研究在探索适合发芽苦荞格瓦斯饮料工业化生产的工艺方法的同时，生产出一款既保持营养，又兼顾口感的产品，在提高西南地区苦荞的经济效益的同时，为苦荞麦的开发利用提供另一种思路和方法[16]。