香蕉果醋连续固定化发酵过程中挥发性香气成分含量变化

韦 璐 孙钦菊 杨昌鹏 杜丽娟 黄 杰 凌敏敏

(广西农业职业技术学院，广西 南宁 530007)

香蕉是典型的热带及亚热带水果，与荔枝、菠萝和木瓜并称“岭南四大名果”[1-2]，是继水稻、小麦及玉米之后的全球第四大重要农作物[3]。香蕉果实香甜柔软，肉质细腻软滑，具有较高的营养价值和独特的风味[4]，除鲜食外，香蕉还能加工成其他产品，如香蕉果酱、香蕉汁、香蕉酸乳等[2，5]。其含糖量高，富含钾和多种维生素、氨基酸及矿物质元素，可以促进肠胃蠕动，润肠通便，对治疗心血管、消化道系统等病症有辅助作用，是一种较好的保健食品[6-7]。香蕉中含有的5-羟色胺可以使人心情愉快、舒畅，对缓解悲伤、烦躁等低落情绪有良好的功效[8]。香蕉是一种典型的跃变型果实，会产生乙烯等催熟类物质，在流通过程中易造成大量损耗，严重时影响采后香蕉的贮运保鲜及可售性[9]。

果醋兼有水果和食醋的营养价值[10]，不仅延续了食醋的保健功能，还增添了食醋不具备的独特香气及某些营养元素[11-12]。用香蕉作为原料生产香蕉果醋，既可以丰富果醋品种，又能兼顾香蕉不耐贮藏的问题。由优质香蕉发酵所得的香蕉果醋，果香浓郁，酸甜柔和，钾含量高，富含维他命、矿物质及酵素，具有促进新陈代谢、调节酸碱平衡、消除疲劳、清肠胃、治便秘和降血脂等功效[4]。

影响果醋风味品质的因素较多，其中挥发性香气成分是评价果醋品质的指标之一。果醋中的挥发性成分有的来自水果本身，有的来自发酵过程中的微生物反应，它们共同作用构成了果醋的独特风味特征[13-14]，目前常采用顶空固相微萃取法[15](HS-SPME)结合气相色谱—质谱联用(GC-MS)技术分析鉴定易挥发性成分，而有关香蕉果醋中的挥发性香气成分及其在发酵过程中的变化规律研究鲜有报道。温海祥等[16]从香蕉果酒中定性确定香气成分38种，主要为酯类物质(27种，70.31%)和醇类物质(8种，22.83%)。郭先霞等[17]从三华李香蕉果酒中鉴定出13种香气物质，包括酯类物质(9种，56.93%)、醇类物质(3种)和烷烃类物质(1种)。固定化发酵技术[18]是利用微生物的生物转化作用，使底物原料变为所需产品，其效率高、产品转化快，易于实现连续化、自动化生产[19]。试验拟通过连续固定化发酵法生产香蕉果醋，采用HS-SPME-GC-MS 技术[20-21]分析鉴定香蕉果醋不同发酵阶段的易挥发性成分，并研究其主要香气物质含量的动态变化，为香蕉果醋香气特征确定及品质形成提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

1.1.1 原料与试剂

香蕉果酒：广西农业职业技术学院香蕉果酒生产车间；

醋酸菌：陕西易腾达酿造科技有限公司；

焦亚硫酸钾：食品级，烟台帝伯仕自酿机有限公司；

氢氧化钠：优级纯，西陇科学股份有限公司；

果胶酶：500 U/mg，南宁东恒华道生物科技有限责任公司。

1.1.2 仪器与设备

固定化细胞连续反应器：YTD-200型，陕西易腾达酿造科技有限公司；

自动型手提灭菌器：YXQ-LS-18SI型，上海博讯医疗生物仪器股份有限公司；

固相微萃取装置：57330-U型，美国Supelco公司；

气相色谱—质谱联用仪：TRACE DSQ型，美国Finnigan公司。

1.2 试验方法

1.2.1 工艺流程

香蕉果酒

↓

固定化载体→醋酸菌活化→固定化发酵→过滤→香蕉果醋

1.2.2 过程要点

(1) 固定化载体：选用无黑芯、无异味、不发霉的玉米芯作固定化载体，灭菌后加入固定化反应器中，玉米芯填满反应器的2/3以上。

(2) 醋酸菌活化：按0.1%～0.5%(以发酵液质量计)的添加量计算醋酸菌添加量，将醋酸菌均匀地撒在玉米芯上，开启物料泵将香蕉果酒泵入发酵罐，开启发酵罐循环泵，当醋床温度升温至35 ℃左右并保持不变时，活化完毕。

(3) 固定化发酵：设定冷却泵启动温度36.5 ℃，冷却泵停止温度35.5 ℃。将酒精度为5%～6%香蕉果酒分批泵入固定化反应器中发酵，检测发酵过程中的酒精度和酸度值，当酒精度降为0%时完成一批果醋发酵阶段，将果醋泵入储罐。

1.2.3 香气成分分析 参照文献[22]，采用HS-SPEM-GC-MS技术进行分析鉴定。

1.2.4 数据处理 试验数据处理及绘图采用Origin 2019软件，数据图表的修饰采用Adobe Illustrator CS5软件。

2 结果与分析

2.1 香气成分组成分析

通过检测香蕉果醋不同阶段发酵液的香气成分，研究香蕉果醋发酵过程中主要香气成分含量的变化规律，各样品总离子流色谱图见图1，分析鉴定结果见表1。

图1 发酵液GC-MS总离子流图Figure 1 Total ion chromatogram of fermentation broth by GC-MS

表1 发酵液香气成分及含量†

续表1

续表1

由表2可知，香蕉果醋发酵过程中的香气成分主要为酯类、醇类和酸类物质。前期阶段，发酵液中的香气物质为66种，酯类、醇类、酸类、羰基类、烷烃类、酚类物质相对含量分别为45.986%(26种)，35.417%(18种)，5.544%(5种)，5.097%(6种)，0.973%(7种)，2.248%(4种)。中期阶段，发酵液中醇类占比逐渐减小，酯类和酸类物质相对含量增加，其他物质变化不明显，香气物质增加至70种，其中酯类、醇类、酸类、羰基类、烷烃类、酚类物质相对含量分别为46.218%(33种)，30.817%(15种)，8.674%(6种)，4.897%(7种)，0.662%(5种)，2.160%(4种)。发酵末期，果醋中酯类物质占比低于前两种发酵样品，与发酵中期相比，醇类和酸类物质相对含量减少，羰基类、烷烃类和酚类物质占比增加，果醋香气物质达79种，其中酯类、醇类、酸类、羰基类、烷烃类、酚类物质相对含量分别为41.069%(30种)，30.467%(15种)，6.383%(6种)，9.428%(13种)，1.927%(11种)，2.867%(4种)。

发酵过程中，醇类物质含量逐渐减少，而酯类和酸类占比先增加后减少，总体呈下降趋势，成品香蕉果醋的羰基类、烷烃类和酚类物质含量相对香蕉果酒有明显增加，化合物种类增多，由香蕉果酒的66种变成79种。

2.2 香气成分种类分析

2.2.1 酯类物质 果醋香气中，酯类物质具有花香和果香等特性，可作为评价果醋的重要指标[23]。图2为香蕉果醋发酵液中酯类物质相对含量的变化，其中乙酸乙酯是最常见的酯类，具有强烈的似梨果香及菠萝香味[1，24]，在前期阶段(15.040%)、中期阶段(18.266%)和末期阶段(18.267%)中占比均较高，对香蕉果醋的香气特征贡献较大；香蕉果酒中仍保留有成熟香蕉果肉的典型香气成分——乙酸异戊酯(2.650%)[25]，而在发酵中期和末期果醋中均未检测到，乙酸异戊酯具有强烈的果香味并带有梨的酸甜味[26]；末期阶段果醋中检测到异戊酸异戊酯(0.206%)和乙酸芳樟酯(0.111%)，发酵前期和中期果醋中均未发现，异戊酸异戊酯具有苹果样香气，可用作果香型香精的调合香料；乙酸芳樟酯具有令人愉悦的薰衣草花香及柠檬果香。发酵末期，果醋辛酸乙酯相对含量(5.209%)仅次于乙酸乙酯，赋予果醋白兰地香型香气；此外，其他相对含量较低的香气物质对提升果醋香气品质有辅助作用，如己酸乙酯(1.331%)具有苹果、草莓味果香及茴香味[23]；苯甲酸乙酯(0.603%)赋予橘子、橙花香味[22]；苯乙酸乙酯(0.515%)赋予香甜的蜂蜜香、玫瑰花香和果香气味[27]；癸酸乙酯(0.118%)赋予椰子香型香气；壬酸乙酯(0.087%)赋予浓郁的葡萄香气。

表2 香蕉果醋发酵过程中各阶段样品香气成分比例及种类数量

图2 酯类物质相对含量在发酵过程中的变化Figure 2 Changes of esters in banana fruit vinegar during fermentation

2.2.2 醇类物质 由图3可知，果醋中醇类物质相对含量仅次于酯类，香蕉果醋发酵过程中，醇类物质经醋酸菌转化为酸类物质，相对含量逐渐减少。末期阶段乙醇相对含量最高(18.840%)，是酵母酒精发酵的主要产物，具有特殊香味；其次是1-戊醇(4.990%)，乙醇和1-戊醇是香蕉果醋中主要的醇类物质。此外，苯乙醇(0.852%)具有独特的香味，赋予浓郁的玫瑰花香、茉莉花香、紫罗兰香等多种花香和果香及蜂蜜味；异丁醇(0.402%)赋予果醋杂醇油香味；α-松油醇(0.029%)呈薰衣草香味，这些醇类物质不仅提升了香蕉果醋的口感，也影响其香气特征的形成。

图3 醇类物质相对含量在发酵过程中的变化Figure 3 Changes of alcohol in banana fruit vinegar during fermentation

2.2.3 酸类物质 香蕉果醋发酵液中酸类物质的相对含量变化见图4，酸类物质是影响果醋口感最直接的成分，对果醋的风味有实质性贡献，发酵中期阶段，在醋酸菌作用下乙醇转化为乙酸，酸类物质增多，而末期阶段，果醋中酸类物质有所下降，但高于前期果醋。选取对果醋香气贡献较大的几种成分进行详细分析，其中末期果醋乙酸(5.374%)占比最高，具有浓郁的醋香味，是香蕉果醋的主要呈味及呈香物质。此外，己酸(0.466%)、辛酸(0.120%)相对含量较小，己酸具有干酪味、羊膻味及轻微酸臭味；低浓度辛酸有水果香气。酸类物质呈味性较强，口感刺激，浓度较低时香味清新、令人愉悦，浓度过高则会产生相反的效果[23]。

2.2.4 羰基类物质 香蕉果醋发酵液中羰基类物质的相对含量变化见图5，发酵液中羰基类物质独特的香气特征是构成香蕉果醋呈香体系不可或缺的部分，其中乙醛相对含量最高(3.500%)，具有辛辣、醚样气味，浓度较低时呈果香、咖啡香、酒香；其次为3-羟基-2-丁酮(2.940%)，是在醋酸发酵末期阶段产生的，具有奶香味、香甜的焦糖气味及果甜味，是酒类调香中一个极其重要的成分[23]；此外，其他物质相对含量较低，其中壬醛(0.514%)具有玫瑰、柑橘等香气[28]；2-庚酮(0.495%)具有似梨的水果香味；癸醛(0.329%)具有甜香、柑橘香、蜡香及花香；苯甲醛(0.113%)具有杏仁气味；2-呋喃甲醛(0.091%)具有谷物和咖啡香气[29]。

图4 酸类物质相对含量在发酵过程中的变化Figure 4 Changes of acid in banana fruit vinegar during fermentation

图5 羰基类物质相对含量在发酵过程中的变化Figure 5 Changes of carbonyls in banana fruit vinegar during fermentation

2.2.5 烷烃类和酚类物质 由图6和图7可知，烷烃类及酚类物质相对含量在发酵液中占比较低，主要是由果醋发酵末期阶段的Strecker降解反应和美拉德反应产生[30]，因此，与发酵前期果醋相比，末期果醋的烷烃类及酚类化合物相对含量明显增加，种类增多，其中烷烃类物质中R-柠檬烯(0.073%)仅在香蕉果酒中存在，具有柠檬味；发酵末期果醋中检测到1-戊烷(0.174%)，具有微弱的薄荷香味。酚类物质中丁香酚(0.119%)有强烈的丁香香气及温和的辛香香气；2-甲氧基-4-甲基苯酚(0.065%)具有辛香、药香、丁香、香荚兰香气；4-乙基-2-甲氧基苯酚(0.050%)具有特殊芳香气味，这些酚类物质相对含量较少，但具有明显的香气特征，对香蕉果醋的主体香气有较好的修饰作用。

3 结论

通过HS-SPEM-GC-MS技术对香蕉果醋不同阶段发酵液的易挥发性成分进行检测，并研究其主要香气物质含量的动态变化。结果表明：香蕉果醋中挥发性香气成分有79种，其中主要香气成分为乙酸乙酯、辛酸乙酯、己酸乙酯、苯乙酸乙酯、癸酸乙酯乙醇、苯乙醇、异丁醇、α-松油醇乙酸、己酸、辛酸3-羟基-2-丁酮、壬醛、2-庚酮、癸醛丁香酚和2-甲氧基-4-甲基苯酚。随着发酵过程的进行，醇类所占比例逐渐减少，而酯类和酸类占比则先增加后减少，总体呈下降趋势，成品香蕉果醋的羰基类、烷烃类和酚类物质含量相对香蕉果酒有明显增加，化合物种类增多，由香蕉果酒的66种变为香蕉果醋的79种，这些挥发性香气成分协同作用，形成了香蕉果醋的特色香味。研究分析了香蕉果醋的香气在发酵过程中的变化情况，并确定了香蕉果醋的特征成分，但针对发酵过程中香气成分的变化机理还需进一步研究。

图6 烷烃类物质相对含量在发酵过程中的变化Figure 6 Changes of alkanes in banana fruit vinegar during fermentation

图7 酚类物质相对含量在发酵过程中的变化Figure 7 Changes of phenols in banana fruit vinegar during fermentation