紫山药低醇饮料发酵工艺优化及成分分析

李素芬,张红雨,宋曙辉,刘建福,*

(1.天津商业大学生物技术与食品科学学院,天津 300134;2.北京市农林科学院蔬菜研究中心,北京 100097)



紫山药低醇饮料发酵工艺优化及成分分析

李素芬1,张红雨1,宋曙辉2,刘建福1,*

(1.天津商业大学生物技术与食品科学学院,天津 300134;2.北京市农林科学院蔬菜研究中心,北京 100097)

以紫山药为原料,研究发酵条件对紫山药饮料酒精度及感官品质的影响;通过响应面实验优化紫山药低醇饮料的发酵工艺条件,确定紫山药低醇饮料发酵的优化工艺参数,分析了低醇饮料的主要成分。结果表明:液化、糖化后的紫山药浆液,发酵初始pH为3.70,添加0.15%的活性果酒TSY干酵母,温度20 ℃条件下发酵48 h,即可得紫山药低醇饮料;该饮料富含天然维生素及花青素、黄酮、酚类、尿囊素等生理活性物质。在优化的发酵条件下加工的紫山药低醇饮料含糖量3.50%、pH3.70、酒精度2.52%、感官质量评分84.17分。此饮料澄清透明,色泽紫红,果香和醇香浓郁。

紫山药,发酵,低醇饮料,感官特性,响应面分析

紫山药又名紫淮山、大薯、参薯、脚板薯、佛掌薯等,人称“紫人参”,块根呈紫红色。目前主要分布在我国南方温暖的地带如广州、广西、福建、云南、台湾等地以及非洲和印度尼西亚诸岛等地[1]。紫山药营养丰富,是一种药食兼用的植物,每100 g干样紫山药中约含碳水化合物44.77 g、淀粉15.93 g、粗纤维25.13 g、蛋白质13.82 g、脂肪1.0 g、矿物质1.32 g[2];另外,紫山药中还含有花青素、黏蛋白,尿囊素、薯蓣皂苷、胆碱、多酚等多种生理活性物质,具有降血脂、降血糖、抗氧化、抗突变、抗衰老等生理功效[3-4]。

近年来,紫山药种植面积和产量逐渐增加,但由于紫山药存在区域性和成熟季节性等特点,人们在不断改变传统的食用途径和模式,因此以紫山药为原料加工的产品越来越受到人们的关注。目前市场上紫山药产品比较单一,主要以鲜食或加工成紫山药粉为主。低醇饮料是一种营养丰富的低酒精度发酵饮料,目前美国、加拿大、欧洲等发达国家对植物来源的无醇及低醇饮料表现出浓厚兴趣[5-6],并积极研制生产这类产品,但我国在以果蔬为原料发酵生产低醇饮料相对较少,而且国内外关于紫山药低醇饮料开发和研究的文献尚未见报道。实验以新鲜紫山药为原料,研究紫山药低醇饮料发酵工艺并优化其参数,为紫山药深加工产品的开发提供理论依据。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

紫山药(黄岩紫山药)北京市农林科学院蔬菜中心提供;果酒TSY干酵母课题组筛选保藏;α-淀粉酶(酶活6000 u/g)、糖化酶(酶活100000 u/g)北京博奥拓达科技有限公司;柠檬酸、碳酸氢钠等均为分析纯西陇化工股份有限公司。

PHS-3C型PH计上海理达仪器厂;RXZ智能型恒温培养箱宁波江南仪器厂;HZ050R离心机长沙湘仪离心机仪器有限公司;JYL-C020打浆机九阳股份有限公司;RXZ智能型发酵罐宁波江南仪器厂;阿贝折光仪上海虹益仪器有限公司。

1.2实验方法

1.2.1紫山药低醇饮料制作的工艺流程紫山药挑选→清洗、蒸煮糊化→打浆→α-淀粉酶液化→糖化酶糖化→过滤→调节pH→接种→发酵→离心、过滤→调配→精滤→灌装→杀菌→成品

1.2.2操作要点原料清洗、去皮、蒸煮50～60 min后,按料水质量比1∶3加入饮用水,用料理机打浆得到紫山药浆料;在浆料中加入0.15%α-淀粉酶(根据前期实验确定淀粉酶、糖化酶的添加量),70 ℃条件下液化60 min后,升温至100 ℃,保温10 min,使α-淀粉酶失活,然后迅速冷却至50 ℃,用0.5%柠檬酸将浆料的pH调节至5.0,添加0.15%的糖化酶于50 ℃条件下糖化1.5 h。调节糖化液pH,添加活化的菌种,搅拌均匀后倒入发酵罐中于不同的温度下发酵。发酵结束后立即将发酵液于4000 r/min的转速下低温离心10 min,在上清液中加入蔗糖进行调配,使糖度达3.5%,将上清液用0.45 μm滤膜微滤后测定其酒精度,灌装、杀菌(100 ℃,20 min)、封口得紫山药低醇饮料。

1.2.3菌种的活化准确称取10 g果酒TSY干酵母,加入200 mL浓度为2%的蔗糖溶液中并搅拌均匀,于35 ℃活化20～30 min,直到蔗糖溶液中产生许多小气泡为止。

1.2.4紫甘薯酒发酵条件的单因素实验设计

1.2.4.1酵母接种量对紫山药发酵液酒精度和感官品质的影响用柠檬酸将经液化、糖化的紫山药浆料的pH调节至4.5,分别添加0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%的活化后的果酒TSY酵母,在20 ℃下恒温发酵48 h,将酵液离心、调配、微滤后,测定紫山药发酵饮料的酒精度,并进行感官评定。

1.2.4.2发酵初始pH对紫山药发酵液酒精度和感官品质的影响用柠檬酸分别将经液化、糖化后的紫山药浆液的pH分别调节至3.0、3.5、4.0、4.5、5.0,添加0.15%经活化后的果酒酵母TSY菌种,在20 ℃恒温发酵48 h,将酵液离心、调配、微滤后,测定紫山药发酵饮料的酒精度,并进行感官评定。

1.2.4.3发酵温度对紫山药发酵液酒精度和感官品质的影响用柠檬酸将经液化、糖化的紫山药浆料的pH调节至4.0,添加0.15%活化的果酒酵母TSY菌种,分别在温度16、20、24、28 ℃(根据前期实验在温度大于24 ℃时,温度对其酒精度变化影响不大)下发酵48 h,将酵液离心、调配、微滤后,测定紫山药发酵饮料的酒精度,并进行感官评定。

1.2.4.4发酵时间对紫山药发酵液酒精度和感官品质的影响用柠檬酸将经液化、糖化的紫山药浆料的pH调节至4.0,添加0.15%经活化后的果酒酵母TSY菌种,在20 ℃恒温下分别发酵24、36、48、60、72 h,将酵液离心、调配、微滤后,测定紫山药发酵饮料的酒精度,并进行感官评定。

1.2.5响应面实验设计选取发酵起始pH、发酵温度和发酵时间三个因素,以感官评定为响应值进行Box-Behnken响应面实验设计与分析,实验设计见表1。

表1　Box-Behnken响应面实验设计因素水平Table 1　Corresponding real values of the fermentation conditions test in Box-Behnken experimental design

1.2.6感官评定方法选取中法合营王朝葡萄酒有限公司专业评酒员和生物工程专业学生共10人,参考发酵酒相关标准[7-8],结合紫山药特性,对产品进行感官评定,评价标准见表2,结果取平均值。

表2　紫山药低醇饮料感官评定标准Table 2　Sensory evaluation standard for low alcohol purple yam beverage

1.2.7紫山药低醇饮料成分的测定方法取一定量经糖化、液化的紫山药浆液,添加0.15%果酒TSY干酵母,在初始pH3.70、温度20 ℃下发酵48 h,按1.2.2中的操作要点将发酵液调配、过滤、灌装、杀菌后进行指标的测定。pH、还原糖、酒精度的测定分别采用pH计法,高效液相色谱法和比重计法;可滴定酸、可溶性糖分别参照GB/T12456-2008和GB6194-1986进行测定;蛋白质、脂肪、粗纤维、维生素C、灰分的测定方法分别参照GB/T5009.5-2010、GB/T5009.6-2010、GB/T5009.10-2010、GB 6195-1986和GB/T5009.4-2010;总黄酮测定采用铝离子显色法(以芦丁为标准)[9],总酚测定采用Folin-Ciocalteu法[10],花青素测定采用示差法[11],尿囊素测定采用高效液相色谱法[11]。微生物指标测定参照GB/T4789-2003。

1.2.8数据处理与分析采用Microsoft Excel 2003和Design Expert 6.0软件对数据进行处理和作图。

2　结果与分析

2.1紫山药发酵条件的单因素实验研究

2.1.1酵母接种量对紫山药低醇饮料的影响酵母接种量对紫山药低醇饮料乙醇生成量和感官评定得分的影响见图1。

图1　酵母接种量对紫山药低醇饮料中 酒精度和感官评定的影响Fig.1　Effect of yeast amount on alcohol contents and sensory evaluation for low alcohol purple yam beverage

由图1可知,随着酵母接种量的增加,饮料中的酒精含量也随着增加,当酵母的接种量大于0.15%时,酒精含量增加的趋势变化不大。因为在果酒TSY干酵母接种量较低时,发酵液中可发酵糖不能完全被酵母利用转化为乙醇,导致发酵饮料的醇香味不足,影响口感;若接种量过高时,可发酵糖会被酵母消耗用于自身的生长,因而乙醇的产量也不会增加;同时由于酵母的生长和酵母自身的气味,也会影响发酵饮料的风味。由图1可知,酵母接种量为0.15%时,其感官评定得分最高,因此酵母的接种量选择0.15%左右为好。

2.1.2发酵pH对紫山药低醇饮料的影响发酵初始pH对紫山药低醇饮料乙醇生成量和感官评定得分的影响见图2。

图2　发酵初始pH对紫山药低醇饮料中 酒精度和感官评定的影响Fig.2　Effect of fermentation pH on alcohol contents and sensory evaluation for low alcohol purple yam beverage

由图2可知,在pH<4.0时,随着pH的升高,低醇饮料的酒精度不断增加;当pH>4.0时,酒精度随pH增加而趋于稳定。由于低酸性环境下会抑制酵母菌的代谢,从而影响乙醇的生成量;另外,过低的pH也会促进乙酸乙酯的水解生成挥发性酸,影响饮料的口感;而较高的发酵初始pH,不利于细菌等杂菌的抑制,会产生不良异味[12],导致感官评分降低。因此选择发酵pH为4.0时为好。

2.1.3发酵温度对紫山药低醇饮料的影响发酵温度对紫山药低醇饮料中乙醇生成量和感官评定得分的影响见图3。

图3　发酵温度对紫山药低醇饮料中 酒精度和感官评定的影响Fig.3　Effect of fermentation temperature on alcohol contents and sensory evaluation for low alcohol purple yam beverage

由图3可知,随着发酵温度的升高,饮料酒精的生成量增加。当发酵温度高于24 ℃时,乙醇含量趋于稳定状态。这是由于发酵过程中酵母菌将大部分可发酵糖转化为乙醇,温度越高酵母的代谢速度越快,产酸量越多,风味物质形成较少;温度过低会延长发酵的时间,使产品的醇香味变淡[13]。紫山药低醇饮料的发酵温度控制在20 ℃时,产品的风味、口感、色泽较好。

2.1.4发酵时间对紫山药低醇饮料的影响发酵时间对紫山药低醇饮料的乙醇生成量和感官评定得分的影响见图4。

图4　发酵时间对紫山药低醇饮料中 酒精度和感官评定的影响Fig.4　Effect of fermentation time on alcohol contents and sensory evaluation for low alcohol purple yam beverage

由图4可知,当发酵时间低于48 h时,饮料中酒精的生成量随着发酵时间的增加而大幅度的增加;而发酵时间超过48 h后,酒精量的增长幅度变小。由于发酵时间过短,酵母自身生长繁殖、代谢产物较少,产生乙醇量低,进而醇香味不足;发酵时间长,紫山药中的风味物质会损失,果香味减弱,同时酸性物质也会增加,影响产品的风味。发酵48 h时,饮料风味、口感均较好,且酒精含量适宜。

2.2响应面法优化紫山药低醇饮料的发酵工艺

2.2.1紫薯酒酵母发酵条件的响应面设计及结果根据单因素实验结果,选取对发酵工艺影响较大的初始pH(A)、温度(B)、时间(C)3种因素,进行响应面设计实验,以感官评定得分为响应值,结果见表3。

通过软件对表3的数据进行分析,得到优化后响应值的动态参数方程:Y=83.84-2.17A+0.91B-1.21C-1.67A2-5.05B2-2.39C2+0.17AB-1.93AC-1.60BC。

表3　响应面实验设计与结果Table 3　Box-Behnken experimental design and results for optimizing fermentation congditions

2.2.2回归分析响应面实验结果的方差分析见表4。

表4　回归模型的方差分析Table 4　Variance analysis for the fitted regression with sensory evalution as a function of various fermentation conditions

注:**表明在0.01水平极显著,*表明在0.05水平显著。

由方差分析可知,F=21.14,其p=0.0003<0.01,表明该模型极其显著;失拟项的F值为2.98,p=0.1593>0.05。该方程系数R2=0.9645,校正R2=0.9189,说明模型的拟合度较好,可以利用该回归方程确定最佳配方。

2.2.3各因素交互作用的响应面图图5～图7为Box-Behnken实验设计各因子交互作用的响应面图。从图中看出,在所选范围内存在极值点,即响应面的最高点,经软件优化分析得到最佳的实验条件是发酵pH为3.68、发酵温度为20.33 ℃、发酵时间为47.68 h,紫山药低醇饮料感官评定得分的预测值为84.58分。为了方便工艺操作,选取紫山药发酵初始pH为3.70、发酵温度为20 ℃、发酵时间为48 h,进行Box-Behnken实验设计的验证实验,此条件下所得产品的酒精度为2.52%,感官评定得分为84.17分,与理论预测值84.58分基本相符,表明该模型可以很好的预测紫山药低醇饮料的发酵条件和感官评定的关系,也证明了响应面法优化紫山药低醇饮料发酵工艺参数的可行性。

图5　pH和温度的交互作用对感官评定的影响Fig.5　Response surface showing the interactive effects of pH and temperature on sensory evalution of low alcohol purple yambeverage

2.3紫山药低醇发酵饮料的质量指标

2.3.1感官指标产品呈紫红色,色泽鲜艳,透明、无沉淀现象;醇香浓郁,酸甜可口,具有紫山药特有的果香和醇香味。

2.3.2理化指标紫山药低醇发酵饮料的主要成分见表5。由表5可知,饮料中脂肪和粗纤维的含量较少,而活性成分总黄酮、总酚、花青素、尿囊素的含量较高。

表5　紫山药低醇饮料主要成分Table 5　Components of low alcohol purple yam beverage

图6　pH和发酵时间的交互作用对感官评定的影响Fig.6　Response surface showing the interactive effects of pH and time on sensory evalution of low alcohol purple yambeverage

图7　温度和时间的交互作用对感官评定的影响Fig.7　Response surface showing the interactive effects of temperature and time on sensory evalution of low alcohol purple yambeverage

2.3.3微生物指标细菌总数≤100 CFU/mL,大肠菌群≤3 MPN/mL,致病菌未检出。

3　结论

紫山药营养丰富,富含多种维生素、矿物质等营养物质以及黄酮、酚类、花青素、尿囊素等生理活性物质,具有营养保健作用。单因素和Box-Behnken响应面实验发现紫山药发酵过程中,发酵的初始pH、温度、时间等因素显著影响饮料中乙醇的含量。紫山药经糖化、液化后的紫山药浆液,在添加0.15%果酒TSY干酵母,在初始pH3.70、温度20 ℃情况下,发酵48 h可得到酒精度为2.52%、糖度3.5%的紫山药低醇饮料。此饮料色泽紫红,澄清透明,醇香浓

郁,酸甜可口,具有紫山药特有的果香和醇香。

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Optimization of fermentation conditions for purple yam low-alcohol beverage and its ingredients analysis

LI Su-fen1,ZHANG Hong-yu1,SONG Shu-hui2,LIU Jian-fu1,*

(1.School of Biotechnology and Food Science,Tianjin University of Commerce,Tianjin 300134,China;2.Beijing Vegetable Research Center of BAAFS,Beijing 100097,China)

The purpose of this study was to investigate the effect of the fermentaion conditions on the alcohol content and sensory properties of product of Purple yams.Then the fermentation conditions for purple yam low-alcohol beverage were optimized with response surface methodology. The results showed that the beverage was obtained after fermentation for 48 hours with 0.15% Angel wine strains SY dry yeast at 20 ℃ and pH3.70. The beverage was rich in active substances such as vitamins,anthocyanin,total flavonoids,total phenols,and allantoin. Under the optimal fermentation conditions,the purple yam low-alcohol drink contained sugar 3.50%,pH3.70,alcohol 2.52% and the score of sensory evaluation was 84.17. It was clear and transparent,deep red with strong aromas of purple yam and fermentation flavor.

purple yam;fermentation;low-alcohol beverage;sensory properties;response surface methodology

2016-02-17

李素芬(1970-)，女，本科，实验师，研究方向：食品科学与工程，E-mail:lisf@tjcu.edu.cn。

刘建福(1967-)，男，博士，教授，研究方向：食品科学，E-mail:13920821756@163.com。

北京市农林科学院科技创新能力建设专项；国家十二五科技支撑计划(2012BAD34B05-07)。

TS255.1

B

1002-0306(2016)15-0225-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.15.035