苹果木瓜混酿白兰地工艺的优化

赵志军,袁倩倩,郭文慧,李 冰,刘延波,周平平,葛少华,孙秋丽,黄 海,孙西玉,潘春梅

(1.河南牧业经济学院 食品与生物工程学院(酒业学院),河南 郑州 450046; 2.河南省白酒风格工程技术研究中心, 河南 郑州 450046; 3.宝丰酒业有限公司,河南 平顶山 467500; 4.河南省宁陵县综合检验检测中心,河南 商丘 476700)

果酒酿造和白兰地生产是水果深加工的重要途径。苹果含糖量高、酸度低,是果酒酿造和白兰地生产的常用水果原料[1-3]。木瓜,又称皱皮木瓜、野生木瓜,是蔷薇科木瓜属多年生落叶灌木或小乔木的果实[4]。木瓜味酸性温,多做药材使用,具有平肝舒筋、和胃化湿、降压、降糖、软化血管、护肝降酶、养颜抗衰、防老年痴呆、促进血液循环、延年益寿和提高人体免疫力等功效[5]。

广义的白兰地是以水果为原料,经发酵、蒸馏及调配制成的饮料酒[6]。白兰地具有增强免疫、促进心脏健康、缓解喉咙痛等功效[7]。随着水果深加工研究的深入,复合果酒已经成为果酒研究的热点[8,9]。以苹果和木瓜为原料,经过破碎榨汁,混合发酵后蒸馏制成混酿白兰地,不仅协调糖酸平衡,有利于发酵的顺利进行,还可改善单一果酒白兰地在口感和香气上的不足[10]。

传统白兰地感官评价是通过视觉、嗅觉和味觉等感觉器官分析白兰地的质量[11],存在较多的主观性和局限性[12]。模糊数学以模糊变换原理为基础,通过模糊矩阵将评价信息数值化,削弱了传统感官评价的模糊性和主观性[13,14]。

本研究以木瓜和苹果为原料酿造白兰地产品,在建立苹果木瓜混酿白兰地模糊数学评价体系的基础上,设计单因素试验和响应面试验,优化苹果木瓜混酿白兰地工艺,获得最佳工艺条件。

1 材料与方法

1.1 材料

木瓜购自南阳道地金木瓜生物科技有限公司。苹果产自河南三门峡市陕州区。白砂糖购自湛江丰兴糖业有限公司。葡萄酒果酒专用酵母(酵母活细胞数≥150亿个/g)购自安琪酵母股份有限公司。果胶酶(酶活力为2 000 U/g)购自杭州科田生物科技有限公司。异维生素C钠(分析纯)、亚硫酸(分析纯)均购自嘉宇精细化工有限公司。

1.2 方法

1.2.1 工艺流程及操作要点

工艺流程:木瓜、苹果→清洗、去籽、破碎→果胶酶处理→果汁初始糖度测定→混合调配(加白砂糖)→加入亚硫酸、酵母→前发酵→果渣分离→后发酵→一次蒸馏→二次蒸馏→白兰地

操作要点:

将苹果清洗去核,放入破碎机中打浆。按照苹果质量的25%加入无菌纯净水,同时喷淋0.1%的质量浓度20%异VC钠溶液,防止苹果氧化褐变[15]。将木瓜清洗去籽,切成小块,按照木瓜与水1∶1质量比加水打浆。分别得到苹果浆液和木瓜浆液。

将苹果浆和木瓜浆按一定比例混合均匀,加入果胶酶酶解,加入白砂糖调整糖含量,添加亚硫酸抑制杂菌生长,加入活化酵母菌进行发酵[16]。混合果浆基础发酵条件为苹果浆与木瓜浆质量比1∶1、果胶酶添加量60 mg/L、亚硫酸添加量80 mL/L、活性干酵母接种量0.7 g/L、初始糖度22 °Bx、发酵温度22 ℃、发酵时间7 d。发酵过程中,每天搅拌一次,将漂浮的果渣压入果汁中,并取样监测发酵过程中糖度的变化。糖度测定采用手持式葡萄酒折光仪[17]。发酵结束后,过滤除去果渣。将过滤后清液存入后发酵罐,密封,在20 ℃条件下贮存3个月。

蒸馏采用二次蒸馏工艺。第一次蒸馏得到粗馏白兰地。再将粗馏白兰地进行二次蒸馏,按粗馏白兰地体积的1%截取酒头后,连续测定馏分酒精度,待酒精浓度达到25%时停止蒸馏。将蒸馏所得白兰地进行调配,得到酒精浓度为40%的苹果木瓜混酿白兰地。采用酒精浓度计测量酒精浓度[17]。

1.2.2 单因素试验设计

在混合果浆基础发酵条件下,分别将木瓜与苹果配比(3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3)、亚硫酸添加量(40、60、80、100、120 mL/L)、果胶酶添加量(20、40、60、80、100 mg/L)、酵母接种量(0.3、0.5、0.7、0.9、1.1 g/L)、初始糖度(18、20、22、24、26 °Bx)设定为单一变量,进行单因素试验。建立模糊数学感官综合评价模型,获得各变量条件下苹果木瓜混酿白兰地模糊数学感官综合评分。

1.2.3 响应面优化试验

根据单因素试验结果,选出对苹果木瓜混酿白兰地感官评分影响最大的三个因素,依据Box-Behnken试验设计原理,进行响应面优化试验,得到苹果木瓜混酿白兰地发酵的最优条件。

1.2.4 苹果木瓜混酿白兰地感官评价

10名拥有国家品酒师职业资格证书的专业人士组成评定小组,对酒样的色泽、气味、风格和口感四个评价指标进行感官评分。苹果木瓜混酿白兰地感官评分标准如表1所示。

表1 苹果木瓜混酿白兰地感官评分标准

1.2.5 模糊数学评价方法

1.2.5.1 建立因素集和评语集

建立反映混酿白兰地感官评分的指标因素集,U=[u1,u2,u3,u4]=[色泽,气味,风格,口感]。建立评定小组成员反馈信息的评语集。以优、良、中、差为评语等级,分别赋值90、80、70、60,则评语集V=[v1,v2,v3,v4]=[90,80,70,60][18]。

1.2.5.2 感官评价因素权重集系数的确定

确定苹果木瓜混酿白兰地的色泽、气味、风格、口感权重系数分别为0.1、0.3、0.2、0.4,即建立苹果木瓜混酿白兰地的评价权重集K=[色泽、气味、风格、口感]=[0.1、0.3、0.2、0.4][19]。

1.2.5.3 建立模糊评价矩阵

感官评价小组对苹果木瓜混酿白兰地的四项感官因素进行一一评价,统计得到各项因素的票数,将各等级的票数与感官评价总人数之比折算成赞比率,得到模糊矩阵Rk。

式中k为样品编号(k=1,2,3,…),i为各项感官因素(i=1,2,3,4),j为各等级评语(j=1,2,3,4),Uij为第i个因素对应优、良、中、差等级所得票数折算得到的赞比率。

1.2.5.4 模糊变换及综合评分

采用矩阵乘法计算出综合评判集yi=K×Ri,式中yi为第i项因素的评判结果,K为评价权重集,Ri为第i号样品的综合评价模糊矩阵。最后将综合评判集yi乘以评语集V中所赋予的相应等级分值,进行加和后,得到该样品的综合得分Yi。

1.2.6 数据处理

每组均进行三次平行试验。使用MS Excel 2016进行绘图。采用SPSS 22.0软件进行显著性分析,显著水准为P<0.05。利用Design-Expert 13软件进行响应面试验设计与结果分析。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

在混合果浆基础发酵条件下,分别改变苹果浆与木瓜浆质量配比、亚硫酸添加量、果胶酶添加量、酵母菌添加量和初始糖度,对发酵蒸馏所得白兰地进行感官评价,结果见图1～图5。

图1 苹果木瓜配比对混酿白兰地感官评分的影响

由图1可知,随着苹果木瓜质量配比逐渐减小,感官评分增加,在苹果和木瓜的配比为2∶1时,感官评分达到最大值,此时得到的白兰地果香和酒香协调,而后随着苹果木瓜质量配比继续减小,感官评分逐步降低,各质量配比差异显著(P<0.05)。苹果和木瓜的成分和风味不同,苹果相对木瓜含糖量高,但香气不足;木瓜相对苹果香气好,但口感酸涩。以苹果为基础,在一定比例范围内,随着混合果浆中木瓜浆含量增加,所制得白兰地香气增加,感官评分相应增加,但超出一定比例范围后,随着混合果浆中木瓜浆含量增加,所制得白兰地口感酸涩味增加,感官评分相应减少。综合来看,应选择苹果与木瓜质量配比为2∶1。

由图2可知,当亚硫酸添加量逐渐增大时,感官评分先升高再下降,亚硫酸添加量对感官评分影响显著(P<0.05)。由于亚硫酸具有抑制杂菌生长的作用,有利于酵母菌的生长繁殖,当亚硫酸添加量较低时,添加亚硫酸有利于酵母菌繁殖代谢,使得混酿白兰地感官评分增加。当亚硫酸添加量为80 mg/L时,白兰地感官评分达到最大值83.1分,此时,蒸馏后的白兰地风味最佳。而随着亚硫酸添加量的进一步增加,会抑制酵母菌的正常代谢,同时亚硫酸会分解产生二氧化硫,影响白兰地的风味,致使白兰地感官评分逐渐降低。亚硫酸最佳添加量为80 mg/L。

图2 亚硫酸添加量对混酿白兰地感官评分的影响

果胶酶可以裂解果胶,降低果浆粘度,提高果汁出汁率[20]。由图3可知,随着果胶酶的添加,果汁出汁率也在逐渐增大。当果胶酶添加量达到60 mg/L时,色泽和口感最优,此时白兰地感官评分达到最大值。继续增加果胶酶添加量,对白兰地感官评分影响不大,考虑到生产成本,最佳的果胶酶添加量为60 mg/L。

图3 果胶酶添加量对混酿白兰地感官评分的影响

由图4可知,酵母添加量对混酿白兰地的感官评分存在显著影响(P<0.05),当酵母添加量小于0.5 g/L时,随着酵母添加量增大,感官评分逐渐升高,主要原因是酵母菌有利于果汁发酵。当酵母添加量大于0.5 g/L时,随着酵母添加量增加,混酿白兰地的感官评分下降,这是因为过多的酵母菌消化较多的果汁营养,并且酵母细胞衰老自融影响白兰地的风味。酵母添加量为0.5 g/L。

图4 酵母添加量对混酿白兰地感官评分的影响

由图5可以看出,初始糖度对混酿白兰地的感官评分存在显著影响(P<0.05)。当混合果汁中初始糖度为18～22 °Bx时,混酿白兰地的感官评分不断提高,这是由于糖是酵母菌代谢所需物质和能量的来源,增加糖浓度可以提高乙醇和风味物质浓度。而后随着初始糖度的继续增加,导致残糖量高,过高的糖度对酵母繁殖和代谢都会产生抑制作用,进而影响混酿白兰地风味和口感,导致感官评分下降。选择22 °Bx作为最适初始糖度。

图5 初始糖度对混酿白兰地感官评分的影响

2.2 响应面试验结果

2.2.1 响应面试验

在单因素试验的基础上,选取苹果木瓜配比(A)、酵母添加量(B)和发酵初始糖度(C)为自变量,以混酿白兰地模糊数学感官评分为响应值(Y),根据Box-Benhnken设计原理,通过Design Expert 13软件设计三因素三水平的响应面试验,因素与水平见表2,试验结果见表3。

表2 Box-Behnken设计因子与水平

表3 响应面设计试验方案及结果

利用Design-expert 13软件对表3中数据进行多元回归拟合,得到三个因素与混酿白兰地模糊数学感官评分之间的二次多项回归方程:

Y=85.9-1.575A-1.375B+0.45C-0.175AB+0.475AC-

0.325BC-0.8625A2-6.7625B2-0.7125C2

表4 回归模型方差分析

图6为AB、AC、BC两两因素相互作用的三维空间曲面图,通过Design-Expert 13对二次多项回归方程进行最优求解,得到了苹果木瓜混酿白兰地最佳发酵工艺为苹果木瓜配比1.047∶1、酵母添加量0.476 g/L、初始糖度22.529°Bx,在此条件下酿造出的苹果木瓜混酿白兰地感官评分可达86.625分。考虑到试验的可操作性,将发酵条件修改为苹果木瓜配比1∶1、酵母添加量0.48 g/L、初始糖度22.5°Bx。在此条件下进行验证试验,经过三组平行试验,最终感官评分为86.51,与模型预测值相近,说明该模型预测准确,能反映苹果木瓜混酿白兰地感官品评情况。

2.2.2 模糊数学感官评定结果

2.2.2.1 模糊矩阵的建立结果

评价小组对17个苹果木瓜混酿白兰地样品进行感官评价,将评价结果收集汇总,并进行统计分析,得到苹果木瓜混酿白兰地的感官评价结果,见表5。

表5 混酿白兰地的感官评价结果

从表5可知,在对样品1的色泽进行评价中,评价小组中认为优秀的有4人,良好的有6人,认为中等和较差的均为0人,则U11=[0.4 0.6 0 0],同理,U12=[0.3 0.4 0.3 0],U13=[0.3 0.4 0.3 0],U14=[0.5 0.3 0.2 0],将上述四个因素的评价结果写成样品1的评判矩阵,即为R1。

同理可得样品2～17的评判矩阵R2～R17。

2.2.2.2 模糊变换综合评价结果

将权重集K乘以评判矩阵R进行模糊变换,即yi=KRi,可得到各个样品的模糊关系综合评价结果,该矩阵反应对样品进行感官评价时优、良、中、差的赞成比。最后将该矩阵评判结果根据感官评价时优、良、中、差所对应的分数进行加和,得到综合评分Yi。以样品1为例,其模糊变换综合评价结果如下:

[0.39 0.38 0.23 0]

Y1=y1×V= (0.39×90)+(0.38×80)+

(0.23×70)+(0×60)=81.6

同理可得Y2～Y17,结果见表3。

3 结论

各因素对苹果木瓜混酿白兰地感官评分影响由大到小依次为酵母添加量>苹果木瓜配比>初始糖度。经优化后的苹果木瓜混酿白兰地最佳发酵工艺条件为苹果木瓜配比1∶1、酵母添加量0.48 g/L、初始糖度22.5 °Bx,感官评分为86.51分。在此条件下发酵所得混酿白兰地,澄清透明、晶亮有光泽,具有和谐的果香和酒香,口感醇和丰满,具有典型的白兰地风格。