柠檬果酒两步法快速降酸工艺研究

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(西华大学微生物研究所,食品生物技术四川省高校重点实验室,四川成都 610039)

柠檬果酒两步法快速降酸工艺研究

邓奥宇,关统伟*,王鹏昊,向慧平,赵顺先,张习超,尚红光,张家旭

(西华大学微生物研究所,食品生物技术四川省高校重点实验室,四川成都 610039)

研究了7种离子交换树脂结合乳酸菌发酵作用于柠檬果酒的降酸效果。采用离子交换树脂对柠檬果酒进行吸附及乳酸菌发酵对果酒进行降酸处理。最终筛选出的树脂为弱碱性阴离子交换树脂D311,条件为常温下流速为4 BV/h;肠膜明串珠菌为发酵菌株,接种量106CFU/mL。得到的果酒酸度下降至2.18 g/L,异戊醇、乙酸乙酯、乳酸乙酯等风味物质含量增加。因此,经过离子交换树脂和乳酸菌发酵后的柠檬果酒,减少了酒体中酸涩感和粗糙感,使得酒质变得柔和、圆润。

柠檬果酒,降酸,离子交换树脂,乳酸菌发酵

柠檬营养丰富,每100 mL柠檬果汁含维生素C 50～65 mg,还富含VA、VB、VP和柠烯以及Ca、P、Fe、Zn、Mg等多种微量元素[1]。目前,我国柠檬加工量大约占全球总产量的21%,主要集中在柠檬浓缩果汁、原果汁、柠檬香精油以及从柠檬皮渣中提取的果胶和膳食纤维等产品的加工[2]。由于柠檬的高酸味,导致柠檬果酒产品相对缺乏。因此,降低柠檬果酒酸度含量是柠檬果酒加工亟待解决的关键问题[3]。

当前,果汁降酸的方法主要有:物理降酸法、化学降酸法、生物降酸法。化学降酸法因添加钙等金属盐类从而对果酒品质破坏很大,导致口感变差,保质期缩短,不适于柠檬果酒生产的要求;离子交换法作为一种物理降酸方法,能有效地降低果酒中的有机酸,具有选择性、易实现大规模商业化生产的特点,但是该方法只能吸附果酒中的物质,并不能有效改变果酒中的酸涩味和粗糙感;生物降酸法通过乳酸菌发酵不仅可以降低果酒的酸涩味和粗糙感,起到改善口感和风味的作用,同时还能增加果汁或果酒的香气、提高其品质、延长贮藏期,是生产高品质果酒的关键技术,但不能有效吸附柠檬果酒中含有的大量有机酸[4-8]。因此,本研究拟通过离子交换结合生物降酸用于柠檬果酒的降酸研究,以期达到改善果酒酒体酸涩、粗糙感的问题;并探索其降酸工艺条件,为柠檬果酒工业化降酸提供依据。

1 材料与方法

1.1材料与仪器

柠檬果酒 西华大学实验室制备；凝胶强碱性阴离子交换树脂201×7 天津南开大学化工厂;D201型强碱性阴离子交换树脂、D301、D311、A451弱碱性阴离子交换树脂 陕西蓝深特种树脂有限公司;D315、D318大孔弱碱性阴离子交换树脂 安徽皖东化工有限公司；肠膜明串珠菌(Leuconostocmesenteroides)、植物乳杆菌(Lactobacillusplantarum)、酒酒球菌(Oenococcusoeni) 中国工业微生物菌种保藏管理中心。

WFJ7200分光光度计 上海尤尼柯仪器有限公司;WYT手持糖度计 成都光学仪器厂;DBS酒精度测量计 烟台帝伯仕啤酒技术有限公司;Agilent 1100高效液相色谱仪 美国安捷伦公司;QP2010气相色谱-质谱联用仪 美国Agilent公司。

1.2实验方法

1.2.1 树脂预处理 分别称取不同类型树脂各10.0 g,用100%的NaCl溶液浸泡2 h,然后用蒸馏水浸泡5 h后冲洗至出水清亮,再分别用3～5倍浓度为4%～6%的HCl溶液和NaOH溶液在树脂柱中依次交替浸泡3～6 h,让树脂能处在酸碱之间冲洗,洗至流出的水呈中性为止,交替处理以“酸-水-碱-水”为一个循环,以这样的方法循环两次。最后一次用1 mol/L的NaOH溶液以1滴/s的速度进行离子交换树脂转型,待出口碱液浓度不再变化时,停止进碱液。用蒸馏水将树脂洗至中性备用。

1.2.2 阴离子交换树脂的筛选 准确量取预处理且抽滤过的树脂5 mL,转移到250 mL的三角瓶中,再加入柠檬酒200 mL于20 ℃恒温以54 r/min的转速振荡24 h,测定交换吸附前后柠檬酒的总酸、总糖、吸光度、透光率、酒精度、pH及VC含量等理化指标,计算各种离子交换树脂对总酸的表观交换吸附量,选择吸附效果最好的树脂,实验重复3次,取平均值进行统计分析。离子交换树脂表观交换吸附量按下式计算:

q=(C0-C)V/M

式(1)

式(1)中,q为离子交换树脂的表观交换吸附量,g/g;C0为吸附前柠檬果酒中的总酸含量,g/L;C为吸附后柠檬果酒中的总酸含量,g/L;V为处理柠檬果酒的体积,L;M为树脂的用量,g[9]。

1.2.3 温度、流速对树脂吸附的影响 选用φ 30 mm×450 mm 离子交换柱,选取20.0 g离子交换树脂处理600 mL柠檬果酒,流速固定为4 BV/h时,温度分别设置为22、27、32、37 ℃;以及温度固定为27 ℃时,流速分别为3、4、5、6 BV/h,每隔50 mL收集流出液,测定其总酸含量,弃去前50 mL。计算漏出率,以漏出率对流出液体积作图,得到不同流速下离子交换树脂的动态动力学曲线。漏出率按下式计算:

LR(%)=(C/C0)×100

式(2)

式(2)中,LR为漏出率,%;C、C0同式(1)中。同时,计算流出液的累积总酸含量,对流出液体积作图,确定二者之间的关系。因为,在实际生产中,是将收集到的各部分酒液混合,测定其酸度,从而判断降酸效果[9]。

1.2.4 乳酸菌的筛选 在自然条件下能发生果酒乳酸菌发酵的种属一般有酒球菌属、明串珠菌属和乳杆菌属[10]。将经过树脂处理后的柠檬果酒在常温下分别添加5%,1×106CFU/mL的肠膜明串珠菌液、植物乳杆菌液、酒酒球菌液。每隔一定时间取样检测总酸,以柠檬果酒的酸度降到最低值为发酵终点。

1.2.5 菌悬液浓度对降酸的影响 将经过1.2.3处理后的柠檬果酒在常温下添加肠膜明串珠菌液,接种量分别为5%,菌悬液浓度分别为5×105、5×106、5×107CFU/mL的条件下进行发酵[11]。每隔一定时间取样检测活菌数和总酸,以柠檬果酒的酸度降到最低值为发酵终点。

1.2.6 指标的测定

1.2.6.1 酒精度测定 酒精计法;参照GB/T 15038-2006。

1.2.6.2 总糖测定 斐林试剂测定;参照GB/T 15038-2006。

1.2.6.3 总酸测定 酸碱滴定法;参照GB/T 15038-2006。

1.2.6.4 透光率、吸光度测定 分光光度法,以蒸馏水作空白,分别在680、420 nm 下测定透光率T(%)、吸光度。所有实验数据重复测定3次,所得结果为平均值。

1.2.6.5 风味物质测定 采用GC/MS技术测定柠檬果酒中的风味物质,参照文献方法测量[12-14]。

1.2.6.6 有机酸 采用高效液相色谱法,参照文献方法测量[15-17]。

1.3数据处理

实验数据重复测定3次,所得结果为平均值。发酵条件优化的实验数据采用SPSSl 6.0统计软件进行单因素方差分析和差异显著性分析,显著性水平取α=0.05。

2 结果与分析

2.1柠檬果酒离子交换树脂的筛选

考虑到用离子交换树脂对柠檬果酒进行工业化降酸的成本问题,该实验选用了201×7、D201、D301、D311、A451、D315、D318这7种国产阴离子交换树脂用于柠檬果酒的降酸实验。树脂在柠檬果酒降酸过程中对果酒品质影响最大的是可滴定酸和果酒的色泽,因此将可滴定酸和果酒的色泽作为选择树脂的主要依据。

图1表明强碱性阴离子交换树脂201×7、D201对总酸的吸附量最小,而弱碱性阴离子交换树脂吸附性较强,故选择弱碱性阴离子交换树脂用于柠檬果酒的降酸实验。其他5种弱碱性阴离子交换树脂对有机酸均有较高的吸附能力,表观交换吸附量从大到小的顺序为D311>D318>A451>D315>D301,其中树脂D311表观交换吸附量最大,达到0.156 g/g。

表1 不同型号阴离子交换树脂对柠檬果酒理化性能的影响

图1 6种离子交换树脂吸附总酸的表观交换吸附量

注:同行肩标小写字母不相同表示显著性差异(p<0.05)。

柠檬果酒经不同型号的离子交换树脂处理后,由表1可以看出,弱碱性阴离子交换树脂吸附性较强，总糖含量及酒精度变化不明显,说明对总糖、酒精的吸附作用不大;总酸的下降幅度最大,说明阴离子交换树脂能有效吸附果酒中的有机酸,随着酸度降低,pH均上升。透光率均升高,吸光度下降,酒的颜色不同程度地变浅,说明树脂吸附会影响柠檬果酒的色泽和澄清度等品质。将总酸含量、酒样色泽和pH的变化作为树脂筛选的主要依据,即树脂对总酸的吸附作用要尽可能大,而酒的吸光度值变化要尽可能小。另外,不同处理组的含量有较大的差异。其中强碱性阴离子交换树脂201×7、D201对比其他弱碱性阴离子交换树脂几乎都具有显著性差异(p<0.05),而其他弱碱性阴离子交换树脂两两相比不具有显著性。其中总酸含量D311最少,平均值为5.43 g/L。A451、D311吸光度较小分别为0.269、0.276。综合筛选出柠檬果酒离子交换树脂为D311弱碱性阴离子交换树脂。

2.2温度、流速对树脂吸附的影响

图2是D311弱碱性阴离子交换树脂在22、27、32、37 ℃下的静态表现交换吸附量曲线,由图2可见,温度越高,离子的交换速度略快,但是吸附量与温度较低的相比相差不大,并且各温度条件下树脂的静态动力学曲线基本相近,因此,通常在工业生产中,考虑到成本及果酒品质等因素,可以不对离子交换法降酸的温度做出硬性选择。一般选择常温作为离子交换树脂动态降酸的温度。

图2 温度对D311离子交换树脂静态动力学曲线的影响

图3 流速对D311离子交换树脂动态动力学曲线的影响

图3是D311弱碱性阴离子交换树脂在3、4、5和 6 BV/h 时的漏出曲线。由图3可见,流速为3、5和6 BV/h时漏点出现较快,当物料流速过快或过慢时,在相同的处理量上,漏出率均高于适宜流速,并且漏点都会提前出现,漏点出现时树脂吸附量趋于饱和,树脂吸附性能下降,工作周期缩短。4 BV/h时树脂对物料的处理量最大,说明树脂对物料中可滴定酸有最适宜的吸附速率。因此在实际生产过程中流速应适中,流速过快会使树脂的漏点交换量和工作交换量下降,流速过慢会影响实际生产的工作效率,确定4 BV/h为适宜的工作流速。

2.3乳酸菌的筛选

由图4可以看出,柠檬果酒发酵初始阶段,总酸含量几乎不变,可能由菌种在新环境需要适应能力决定的;肠膜明串珠菌总酸随之大幅下降,明显快于植物乳杆菌和酒酒球菌,发酵结束后肠膜明串珠菌总酸含量是其他两株菌的70%,因此,肠膜明串珠菌对柠檬果酒的降酸效果最佳。可能是由于柠檬果酒中以柠檬酸含量为主,肠膜明串珠菌的柠檬代谢能力强于其他种属,因此,在柠檬果酒降酸过程中乳酸菌选择肠膜明串珠菌。

图4 3株菌发酵中总酸含量的变化

2.4菌悬液浓度对降酸的影响

由图5可以看出,在柠檬果酒发酵过程中,肠膜明串珠菌菌悬液浓度为5×106CFU/mL的样品在10 h内,乳酸菌的降酸速率较缓慢;10 h之后,样品的降酸速率最快;发酵结束后,柠檬果酒的总酸含量从5.50 g/L下降至2.18 g/L,降酸率为60.36%,而菌悬液浓度为5×105CFU/mL 和5×107CFU/mL的样品,其降酸率分别为36.73%、41.10%。因此得出肠膜明串珠菌菌悬液浓度为5×106CFU/mL最适合柠檬果酒发酵降酸。

表2 发酵前后柠檬果酒体系中有机酸的变化(g/100 mL)

表3 果酒中主要香气成分分析(%)

图5 菌悬液浓度对降酸的影响

2.5乳酸菌发酵中有机酸变化情况

由表2可以看出,树脂处理后的有机酸有所下降,但是没有乳酸和醋酸的生成,而柠檬果酒经过发酵后,苹果酸和柠檬酸含量有所下降,相应的乳酸和醋酸有所生成。其中发酵前总苹果酸含量为1.38 g/100 mL,发酵后总苹果酸含量较低为0.46 g/100 mL,其中L-苹果酸降解率达到58.11%,D-苹果酸降解率达到76.56%,总苹果酸降解率为66.67%;柠檬酸含量较高,降解率达到58.37%,乳酸和醋酸略有增加[18]。

2.6乳酸菌发酵中风味物质的变化

如图6中A、B所示,分别为乳酸菌发酵前和发酵后的风味成分图。

图6 乳酸菌发酵前(A)和发酵后(B)的果酒风味图

从表3中可以看到,树脂处理后的香气成分几乎不发生变化,经过乳酸菌发酵后柠檬果酒中异丁醇、异戊醇、乙酸苯乙酯、乳酸乙酯、辛酸乙酯、乙酸乙酯和己酸乙酯的浓度均增加,分别是原样的6.9、2.4、1.3、34.8、1.6、1.5、2.5倍,这些物质含量的变化对柠檬果酒风味的形成起着相当重要的作用,使柠檬果酒的香气更加饱满、圆润[19]。

3 结论

弱碱性阴离子交换树脂可以有效地降低柠檬果酒中的酸度,随着酸度降低,pH上升,透光率升高,吸光度下降,说明树脂吸附影响了柠檬果酒的色泽和澄清度等品质。D311弱碱性阴离子交换树脂是柠檬果酒的最适降酸树脂,其中表观交换吸附量最大为0.156 g/g,总酸含量最小为5.43 g/L,且对果酒的色泽影响也最小。D311树脂处理的优化吸附条件是室温,流速为4 BV/h,此时对口感、色泽的负面影响最小且工业生产中的成本也最小。

将离子交换法处理后的柠檬果酒继续进行乳酸菌发酵,筛选出最适的发酵菌株——肠膜明串珠菌,以5×106CFU/mL 的菌体生物量接入柠檬果酒发酵降酸率最好,高达60.36%;有效降低了柠檬果酒的酸度,并且柠檬果酒中有机酸的构成发生了明显变化。发酵前柠檬果酒中以柠檬酸和苹果酸为主,发酵后柠檬酸、苹果酸浓度有不同程度的下降,并伴随着乳酸和醋酸的生成。

通过离子交换和生物法联合对柠檬果酒进行降酸,取得了良好的效果,为柠檬果酒降酸提供了一种有效的解决思路,具有很好的工业化应用前景。

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Studyontwo-steprapidacidreducingoflemonwine

DENGAo-yu,GUANTong-wei*,WANGPeng-hao,XIANGHui-ping,ZHAOShun-xian,ZHANGXi-chao,SHANGHong-guang,ZHANGJia-xu

(Key Laboratory of Food Biotechnology in Colleges and Universitiesin Sichuan Province,Institute of Microbiology,Xihua University,Chengdu 610039,China)

The effect of 7 kinds of ion exchange resin combined with lactic acid bacteria on the leaching of lemon wine were studied. The lemon wine was adsorbed by ion exchange resin and lactic acid bacteria fementation for acid treatment. The final resin was weakly alkaline anion exchange resin D311 with the condition that flow rate was 4 BV/h at room temperature.Leuconostocmesenteroideswas a fermentative strain,and its inoculation amount was 106CFU/mL. The acidity of the wine was reduced to 2.18 g/L,and the content of flavor substances such as isoamyl alcohol,ethyl acetate and ethyl lactate were increased. After the ion exchange resin and lactic acid bacteria fermentation,reduced the sourness and roughness,and the wine quality became soft and mellow.

lemon wine;acid lowering;ion exchange resin;lactic acid bacteria fermentation

2017-01-09

邓奥宇(1992-)，女，硕士研究生，研究方向：微生物发酵，E-mail：363214722@qq.com。

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关统伟(1978-)，男，博士，副教授，研究方向：微生物系统学与食品发酵工程，E-mail：guantongweily@163.com。

食品生物技术四川省高校重点实验室(Szjj2013-045)；蜀之源酒业-西华大学产学研联合实验室(15205213，16205231)项目。

TS255.45

A

1002-0306(2017)22-0095-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.22.019