超高压、微波和超声波处理对黄芪配制酒品质的影响分析

孔祥锦,陈春霞,梁玉浩,崔媛媛,蒋玉梅

(甘肃农业大学 食品科学与工程学院,甘肃省葡萄与葡萄酒工程学重点实验室,甘肃省葡萄与葡萄酒产业技术中心,甘肃 兰州,730070)

配制酒是以蒸馏酒和(或)食用酒精为酒基,加入可食用辅料或食品添加剂调配、混合加工制成的饮料酒(GB 2757—2012《食品安全国家标准 蒸馏酒及其配制酒》)。配制酒无需发酵、生产周期短、原料多样、口味丰富,市场广阔,但多存在酒精感突出、香气不协调等缺陷,需要通过陈酿改善[1]。近年来,应用超高压[2]、微波[3]或超声波[4]等高新技术催陈配制酒,改善配制酒品质已成为该领域的研究热点之一。

葡萄酒微波催陈研究显示[5],酒样吸收微波产生热效应,乙醇和水分子群被切成单个分子或小块分子群,分子间的有效碰撞频率大大增加,从而加速了乙醇和水分子的缔合,分子活度下降,酒精刺激性随之减小,口感趋于醇和。超声波的高频振动和空化效应可使酒样处于短暂的高温高压状态[6],组分活化能增加,极性分子亲和力提高,促进了醇类等物质的酯化和缩合,进而形成陈酿香,酒样口感和色泽被改善[7]。超高压(high hydrostatic pressure,HHP,≥100 MPa)[8]处理可破坏分子间非共价键,增加分子间的亲和性和表面张力,水和乙醇分子结合加速,酒香被平衡[9];同时超高压不会破坏分子共价键[10],酒样的色泽和营养价值得以较好保存。超高压还能激活酯酶活性,促进醇和酸酯化,提升酒的香气品质[11]。

黄芪[Astragalusmembranaceus(Fisch.)Bunge]、沙棘(HippophaerhamnoidesLinn)和蜂蜜均为药食同源食品原料。黄芪富含多糖、皂苷、黄酮、氨基酸、黄芪碱等多种植物化学素[12],具有抗氧化和提高机体免疫力功效[13]。目前的黄芪产品主要以饮片和酒为主,然而,仅用黄芪制酒,药草味突出,酒体平衡感差。沙棘果实富含有机酸、类胡萝卜素和黄酮多酚[14]等活性组分,色泽金黄,黄芪配制酒中加入沙棘可有效改善酒的色泽、口感,柔和黄芪的药草味,增加酒的健康性。蜂蜜富含矿物质、维生素、酶以及芳香化合物等物质,是一种具有较高营养价值的天然糖源[15],蜂蜜调糖,在改善黄芪配制酒口感的同时,还可增加酒样的活性组分和香气。目前以沙棘和蜂蜜与黄芪为原料的配制酒还未见上市和研究报道。

试验以黄芪、沙棘、蜂蜜和食用酒精为原料配制黄芪酒,比较分析陈酿、超高压、微波和超声波处理酒样的酒精度、pH、总黄酮、总酚、抗氧化性、色泽和香气成分,探讨超高压、微波和超声波处理酒样与陈酿酒样的品质差异,分析超高压、微波和超声波处理提升黄芪配制酒品质的可行性,以期为黄芪食品和黄芪酒的生产提供科学数据参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

黄芪(验收标准BZ-006-01,黄芪甲苷含量0.053%),北京同仁堂参茸中药制品有限公司;油菜蜜[还原糖含量(751.00±41) g/L,pH 3.97±0.01],四川成都平原;沙棘原浆[还原糖含量(68.5±0.41)g/L,pH 2.84±0.01],甘肃陇源红生物科技有限公司;食用酒精(GB 31640—2016,优级,95%),河南鑫河阳酒精有限公司。

1.2 仪器与设备

L2-600/1超高压设备,天津华泰森淼生物工程技术股份有限公司;SCIENTZ-IIDM微波光波超声波萃取仪,宁波新芝生物科技股份有限公司;PAL-2型数显手持折光仪,日本爱宕ATAGO公司;TU-810紫外可见分光光度计,北京普析通用仪器有限责任公司;Thermo Scientific 265079 GC-MS,DB-WAX色谱柱(60 m×2.5 mm×0.25 m),美国Thermo Scientific公司;固相微萃取头,DVB/CAR/PDMS(50/30 μm),美国Surpelco公司。

1.3 试验方法

1.3.1 黄芪酒配制

黄芪酒配制工艺流程如下:

黄芪→挑选、清洗→粉碎→食用酒精→浸渍(水、果胶酶、纤维素酶)→调味(蜂蜜、沙棘)→离心、过滤→陈酿/微波/超高压/超声波处理→成品

工艺要点:无虫害、霉斑黄芪100 g,粉碎、过40目筛,黄芪粉按5 g/L加入11%(体积分数)的食用酒精中,加0.3%的果胶酶与纤维素酶,20 ℃浸渍20 h,过滤获得黄芪浸渍液,风味调配为V(黄芪浸渍液)∶V(蜂蜜)∶V(沙棘原浆)=25∶1.9∶1。

1.3.2 试验设计

超高压处理400 MPa,18 min;微波处理640 W,180 s;超声波处理150 W,600 s;陈酿:酒窖陈酿6个月(15±1) ℃;新鲜配制酒为对照,设3组技术平行。

1.4 检测方法

1.4.1 理化指标

可溶性固形物采用手持糖度仪测定,酒精度、pH、总酸测定参照GB/T 15038—2006《葡萄酒、果酒通用分析方法》测定。NaNO2-AlCl3比色法测定总黄酮[16],结果以芦丁等价值表示(mg/L)。福林-肖卡法[17]测定总酚,结果以没食子酸等价值表示(mg/L);紫外-可见分光光度计法[18]测定色泽指标,计算CIELAB颜色参数L*(亮度)、a*(红/绿色度)、b*(黄/蓝色度)、色度、色调;羟自由基清除率和铁氰化钾还原能力参照张立攀等[19]方法测定,试剂盒(上海优选生物科有限公司)测定总抗氧化能力。

1.4.2 香气成分的分析

参照鲁榕榕等[20]方法。6 mL酒样于20 mL顶空瓶中,加1 g NaCl、磁力搅拌转子、混合内标(59.64 μg/L 2-辛醇、19.88 μg/L 1-辛烯-3-酮和596.42 μg/L 3-羟基己酸乙酯各10 μL),密封、40 ℃搅拌恒温30 min,活化固相微萃取头40 ℃萃取30 min,色谱进样口230 ℃解析10 min,GC-MS分析。

GC-MS:不分流进样,50 ℃(10 min),3.0 ℃/min升至180 ℃(6 min);载气(高纯He)1 mL/min。电子冲击电压70 eV;连接杆温度180 ℃;四极杆温度150 ℃,离子源温度250 ℃;质谱扫描范围为50～350m/z。

定性:NIST谱库检索结合相对保留指数(retention index,RI)定性。RI依据组分保留时间以及正构烷烃(C6～C21)在相同色谱条件下的保留时间计算,与NIST、Wiley质谱库RI对比,差值绝对值小于100的组分可定性为该化合物。

定量:混合内标半定量,香气活性值(odor activity value,OAV)为香气组分含量除以组分在乙醇溶液中的阈值。

1.5 数据处理

Microsoft Excel 2019软件统计数据,SPSS Statistics 25.0进行数据显著性分析,Origin 2018作图,Simca 14.4软件进行主成分分析。

2 结果与分析

2.1 酒精度、pH值、可溶性固形物和总酸的比较分析

比较分析酒样的酒精度、pH值、可溶性固形物和总酸含量,结果显示(表1),陈酿、超高压、微波和超声波处理对酒样的酒精度影响较小,与对照差异不显著。陈酿和3种技术处理均可降低酒样总酸含量,提高pH,四者pH差异不显著;超高压处理总酸含量最低(3.62 g/L),与陈酿和微波处理酒样差异不显著,但显著低于对照和超声波处理酒样。陈酿和超高压处理酒样的可溶性固形物含量与对照相比显著提高;微波处理可溶性固形物含量最低(5.74%),低于对照(1.71%)。

表1 不同处理对酒样酒样酒精度、pH值、可溶性固形物含量和总酸含量的影响

胡诗琪等[21]采用微波催陈白酒发现,微波处理显著降低了酒样的总酸含量,与本试验结果一致。试验中超高压处理酒样pH值升高,其原因在于超高压处理可加剧酸与醇的酯化[22],导致总酸降低、pH升高。超高压处理与陈酿酒样的酒精度、pH值、可溶性固形物和总酸含量没有显著差异。超高压能够在短时间内快速均匀的将能量传递到整个酒体,促使了分子间的氢键断裂、能量释放,增加分子反应活化能[23],从而使酒体理化品质改善效果接近陈酿。由此可见超高压处理可替代陈酿改善酒样理化品质。

2.2 色泽品质的比较分析

试验酒样CIELab分析和颜色在线转化(https://www.colortell.com/labto)(图1)结果显示(表2),陈酿、超高压、微波和超声波处理酒样的L*(亮度)值与对照相比均显著提高,超声波处理酒样L*值最高(91.27),高出对照20.73%。超高压处理和陈酿酒样的L*值为84～85,差异不显著。微波处理提高了酒样的a*值(11.02),超声波处理降低了酒样的a*值(3.43),对照、陈酿和超高压处理酒样的a*值没有显著差异。酒样b*值为18.33～44.22,主体色调为黄色。各处理比较显示,超高压处理酒样b*值显著高于对照、陈酿、微波和超声波处理,黄色度增加,微波和超声波处理酒样显著低于对照(41.82),黄色调减弱,陈酿与对照之间没有显著差异。色度比较可知超高压处理与陈酿酒样显著高于对照、微波和超声波处理酒样,微波和超声波处理酒样显著低于对照,超声波处理酒样最低,比对照低66.42%,颜色最浅。陈酿、超高压、微波和超声波处理均提高了酒样的总色调值,和对照差异显著,其中,超声波处理酒样色调最高(1.28),陈酿、微波和超高压处理之间差异不显著,为1.21～1.23。

图1 酒样处理组颜色表征

表2 黄芪配制酒的色泽指标

超声波处理酒样a*、b*值和色度降低,颜色最浅(图1),超高压处理酒样饱和度和色度较高,颜色呈沙黄色(图1),光泽较高。超高压处理酒样b*值最高,黄色调明显上升,可能是物料中聚合态类胡萝卜素裂解溶出的结果,超高压会增加类胡萝卜素分子间的碰撞,导致π -轨道电子断裂[24],细胞壁和胞间细胞器中的聚合态类胡萝卜素更易被释放溶出[25]。超高压处理酒样除b*值显著高于陈酿酒样外,其余CIELab指标二者差异不显著,说明超高压处理酒样的色泽品质接近陈酿,且超高压处理更有利于酒样类胡萝卜素的溶出和保留。

2.3 总黄酮和总酚含量的比较分析

总酚和总黄酮含量比较可知(图2),陈酿、超高压、微波和超声波处理均可显著提高酒样总黄酮和总酚含量。超高压处理效果较明显,分别比对照酒样的总黄酮和总酚含量高188.84%和51.49%,比陈酿酒样高3.44%和11.31%,说明超高压相比陈酿更有利于对酒样总酚和总黄酮的浸出和保留。超高压处理酒样总酚和总黄酮含量显著增加的原因可能在于超高压能够破坏结合态多酚和黄酮类物质与生物大分子间化学键的连接[26],增加了酒样的游离态多酚和黄酮类化合物。

图2 黄芪配制酒中总黄酮和总酚含量

2.4 抗氧化能力的比较分析

抗氧化能力分析显示(表3),陈酿、超高压、微波和超声波处理均显著提升了酒样的铁氰化钾还原力、羟自由基清除率和总抗氧化能力。微波提升酒样抗氧化性的效果最好,其次为超高压、陈酿、超声波和对照酒样,微波处理酒样的铁氰化钾还原力、羟自由基清除率和总抗氧化能力较对照增加了74.04%、118.57%和18.30%。与陈酿相比,微波处理的铁氰化钾还原力高于陈酿,而超高压处理酒样的铁氰化钾还原力与陈酿相比没有显著差异。酒样的抗氧化能力与其多酚和黄酮含量相关。

表3 黄芪配制酒抗氧化能力

2.5 酒样指标综合评价

主成分分析探讨试验酒样基本理化、总酚、总黄酮和抗氧化等酒样指标的综合影响,14个指标中提取出特征值大于1的主成分3个,3个主成分的累积贡献率达到了98.30%,可以对酒样进行综合评价(图3)。主成分1中总酚和羟自由基有较高的正向量值,总酸有较高的负向量值,可以概括为抗氧化和味感指标(图3-a、图3-b);主成分2中酒样b*值跟色度有较高的正向量值,L*值与色调有较高的负向量值,可以概括为色泽指标(图3-a、图3-c);主成分3中可溶性固形物有较高的正向量值,可以概括为味感指标(图3-b、图3-c)。主成分分析的14个指标可较全面的反应黄芪配制酒的理化性质、色泽和口感。综合评分结果显示(表4),超高压>陈酿>微波>超声波>对照,说明超高压、微波和超声波处理与陈酿均可改善黄芪配制酒的品质,超高压处理酒样效果最好。

a-PC1与PC2主成分载荷对比图;b-PC1与PC3主成分载荷对比图;c-PC2与PC3主成分载荷对比图

表4 酒样指标主成分得分表

2.6 香气组成比较分析

2.6.1 香气种类和含量的比较分析

香气组成是反映酒样香气品质的重要指标。对照、超高压、微波、超声波处理和陈酿酒样香气分析共定性、定量145种香气化合物(图4),包括44种酯类、21种醇类、2种酸类、15种醛酮类,63种其他类物质。对照酒样共定性香气化合物46种,陈酿51种,微波52种,超高压50种,超声波43种,陈酿、微波、超高压和超声波与对照共有组分分别为15、29、19、22种。

图4 黄芪配制酒中香气物质种类、含量的变化

香气总含量由高到低依次为超高压>超声波>陈酿>微波>对照(图4),超高压处理酒样(13 028.47 μg/L)较对照(6 966.12 μg/L)增加了88.14%,较陈酿酒样(8 072.38 μg/L)增加了61.40%。其中含量最高单组分均为辛酸乙酯(1 818.61～4 885.26 μg/L),主要呈菠萝或苹果等水果香气,伴有白兰地香韵,阈值(2.14 μg/L)远远低于乙酸乙酯(500.00 μg/L)等酯类风味物质,仅次于己酸乙酯(1.00 μg/L),是酒体香气的重要贡献物质。陈酿(4 196.19 μg/L)、超高压(4 885.26 μg/L)、超声波(3 096.39 μg/L)酒样的辛酸乙酯含量均高于对照(1 818.61 μg/L),其中超高压与陈酿增加幅度最大,由此推断,超高压与陈酿酒样的菠萝或苹果等水果香和酒香较其他酒样更浓郁。

酒样酯类物质含量的变化趋势与总香气物质含量的变化趋势一致,超高压处理酒样最高。与对照相比,超高压、微波、超声波处理与陈酿均丰富了酒体的酯类物质,增加了酒体果香感。对照酒样未经处理,配制原料的香气没有融合、欠平衡,经过陈酿和技术处理后,酒样香气组分通过化学或生物反应,酯类物质增加,不同配制原料的香气组分逐渐融合、趋于平衡。同时,JIA等[27]研究报道酯类物质增加是中国白酒的陈酿特征之一,说明超高压、微波、超声波处理对黄芪配制酒具有催陈作用。与对照相比,陈酿、超高压、微波和超声波处理酒样均有新的醇类组分出现,包括异辛醇、4-萜烯醇、月桂醇、苯甲醇、2-乙基己醇、(-)-4-萜品醇、alpha-松油醇和糠醇,其感官表现以青香、果香和花香为主,说明处理可增加酒体香气的复杂性,改善酒体的饱满度和醇厚感。就醛酮类物质而言,陈酿、超高压、微波、超声波处理酒样的含量分别较对照减少了58.79%、74.22%、35.72%和52.56%,原因可能是处理和陈酿过程中酒样的醛酮类物质可氧化为酸,酸与醇经酯化可转变为酯,从而使酒体香气得以改善。

2.6.2 香气的主成分分析

为明确香气化合物与处理方式的关系,以试验酒样的香气化合物含量为变量,进行主成分分析(principal component analysis,PCA),结果发现(图5、图6),对照酒样的香气组分与PC1、PC2正半轴相关,主要反应了Z15(己酸异丁酯),Z21(乙酸异戊酯)、C4(6-甲基-5-庚烯-2-醇),C5(1-壬醇)、C6(alpha-松油醇)、Q6(邻-异丙基苯)等呈热带水果香、玫瑰香和橙子香的物质信息。微波处理酒样的香气组分分布于PC1、PC3正半轴,主要反应了Z18(2-甲基丙酸乙酯)、Z20(异丁酸异丁酯)、Z23(2-甲基丁酸-2-二甲基丙酯)、Z24(异丁酸异戊酯)、T7(丁醛二乙缩醛)、T9(庚醛)等呈菠萝香、青香和坚果香的物质信息。超声波处理酒样的香气组分分布于PC1正半轴、PC2负半轴,主要反应了Z25(己酸丁酯)、Z26(异戊酸己酯)、Z27(苯甲酸乙酯)、C12(1-辛烯-3-醇)、C18(糠醇)、Q11(环庚三烯)、Q13(1,2,4-三甲基苯)、T15(β-环柠檬醛)等呈青香、苹果香以及焦糖香和面包香的组分信息。陈酿酒样香气组分主要位于PC1负半轴,PC2正半轴,Z39(辛酸甲酯)、Z41(丙烯酸异辛酯)、Z42(琥珀酸二乙酯)、Z44(月桂酸甲酯)、Z45(肉豆蔻酸乙酯)、Q16(2,6,10-三甲基十二烷)、Q17(4-苯基-1-环己烯)等物质贡献较大,主要呈水果香、花香和甜香;超高压处理酒样与PC2负半轴相关、PC3正半轴相关,Z32(苯甲酸异丁酯)、Z33(油酸乙酯)、Z34(棕榈酸乙酯)、Z35(9-十六碳烯酸乙酯)、Z36(2-甲基丁酸-3-甲基丁酯)、C14(2-乙基己醇)等物质贡献较大,主要是酯类带来的柑橘香、玫瑰香和甜香。

a-PC1与PC3主成分载荷对比图;b-PC2与PC3主成分载荷对比图

图6 不同处理酒样香气物质PCA聚类样品分布图

主成分分析确定酒样香气感官特性主要包括果香、花香、坚果香、甜香和青香5种香气类型。根据相关化合物OAV加成值绘制酒样香型雷达图(图7),结果显示,对照和处理酒样的果香和青香感较突出,其次为花香、甜香和坚果香。对照青香感最强,果香感强度由高到低依次为超高压、陈酿、微波、超声波和对照,综合分析显示超高压处理酒样的果香和青香感强于陈酿酒样,花香、甜香和坚果香与陈酿相似,说明超高压处理可替代陈酿改善酒样香气构成,且效果优于陈酿。酒体分子在超高压的挤压下,表面张力增加,分子间距离缩短[28],酒体分子结构改变,也可能是超高压处理酒样的香气风味较陈酿酒样更加突出的原因之一,具体机理还需进一步的试验研究。

图7 酒样香型雷达图

3 结论

试验比较分析了陈酿、超高压、微波、超声波处理对黄芪配制酒的品质影响。结果表明各处理均可改善黄芪配制酒的理化性质和香气品质,其中超高压处理可以显著提高酒样pH、可溶性固形物含量,酒样呈沙黄色,b*值、总黄酮含量最高,主成分分析表明超高压处理酒样品质最优。酒样香气分析发现,对照和处理酒样均以果香和青香为主,超高压处理酒样的香气总量和酯类物质含量最高,果香味最浓,青香感高于陈酿酒样,花香、甜香和坚果香与陈酿相似。综上可得,超高压技术具有替代陈酿的潜力,应用于黄芪配制酒的生产可改善酒样香气和理化品质。