榅桲果醋的制备工艺优化及风味成分分析

刘艳全,张甜,丁真真,王敏洁,夏娜

(喀什大学 生命与地理科学学院,新疆 喀什 844000)

榅桲(CydoniaoblongaMill.),别名木梨,属蔷薇科榅桲属落叶无刺乔木,主要在我国北方干旱地区及新疆种植,是一种古老的稀有珍贵果树[1-2]。榅桲的开发利用价值高,果实富含糖、有机酸、氨基酸、果胶和维生素类,可鲜食[3-5];同时含有鞣质、肉豆蔻、异油酸甘油酯、挥发油、黄酮、杏仁苷和单宁,使其具有安神、降血压、降血脂、抗血栓、清热解毒、健胃消食和散酒气等功效[6-10]。榅桲具有独特的芳香味和颜色,可用来制备调味料、调香和调色[11]。目前国内外对榅桲的研究主要集中在种植、种质资源、营养成分和提取物功能方面,对榅桲产品的研究及开发少。随着人们健康意识的增强,榅桲独特的活性成分和风味将越来越受到人们的关注,可将榅桲加工成糖浆、果酱、精华液、保健性榅桲果汁饮料等产品。

果醋是水果、蔬菜及其加工下脚料酶解后经酒精和醋酸发酵制备成的一种酸性调味品或饮料,兼具果蔬的营养、风味、食疗和保健功能,如促进身体新陈代谢、调节酸碱平衡、抗疲劳和抑制脂肪生成,广受年轻消费者喜爱,被称为“第四代饮料”[12-14]。目前国内对果醋已有研究,但相较于国外果醋产业,我国果醋产品单一、附加值低、原料利用率低,果醋市场不成熟,在产品品质研发和相关加工技术方面仍需要持续发力[15-16]。该研究以新疆喀什地区的榅桲为原料,结合果醋发酵工艺,制备一种兼具榅桲风味、营养及功能的果醋饮料,以促进榅桲深加工和丰富果醋品类。通过单因素试验和正交试验优化榅桲果醋发酵工艺,测定果醋发酵过程中的酸度变化,以感官评分为指标,确定最佳配方。使用顶空固相微萃取联合气相色谱-质谱法(HS-SPME-GC-MS)测定产品的挥发性风味成分,为后期进一步研究榅桲果醋风味改善及发酵工艺奠定了基础,推动了果醋饮品的创新和榅桲的开发利用。

1 材料和方法

1.1 材料

新鲜榅桲:沟纹榅桲,水分含量足,大小均匀,喀什市售;醋酸前发酵剂(高活性酵母)、醋酸菌(AS1.41、沪酿1.01):济宁祥园生物科技有限公司;白砂糖:市售。

1.2 试剂

果胶酶、L-抗坏血酸、柠檬酸(均为食品级):河南万邦化工科技有限公司;氢氧化钠、酚酞(均为分析纯):广州和为医药科技有限公司。

1.3 主要仪器与设备

JEA2001电子天平 上海浦春计量仪器有限公司;pH计 梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司;L18-P132榨汁机 九阳股份有限公司;HH-S4数显恒温水浴锅 江苏金怡仪器科技有限公司;PAL-1便携式数显糖度计(量程0%～93%) 日本爱拓公司;PEN 3电子鼻 德国AirSense公司;GCMS-QP2020 NX气相色谱-质谱联用仪 日本岛津公司;50/30 μm DVB/CAR/PDMS萃取头 美国Supelco公司;HWET磁力搅拌器 巩义市予华仪器有限责任公司。

1.4 方法

1.4.1 制备工艺流程[17]

榅桲→预处理(清洗、去核、削皮)→打浆→调节pH→酶解→调节糖度→巴氏杀菌→酒精发酵→过滤、杀菌→醋酸发酵→澄清、过滤→杀菌→灌装→榅桲果醋。

1.4.2 操作要点

1.4.2.1 榅桲汁和酶解

将榅桲果实表面冲洗干净,去除果核备用;将果肉与蒸馏水按配比1∶1打成浆,迅速加入0.2%抗坏血酸进行护色,65 ℃灭菌30 min,快速冷却后用NaOH溶液调节浆液pH至3.5,再加入0.3%果胶酶,45 ℃酶解2 h。

1.4.2.2 调配

酶解完成后,添加白砂糖调节可溶性固形物含量为17.0%,65 ℃巴氏灭菌30 min。

1.4.2.3 酒精发酵

取调配后的酶解液,加入2.0%醋酸前发酵剂,密封后于30 ℃进行酒精发酵,达到一定酒精度后停止,进行过滤和巴氏杀菌,备用。

1.4.2.4 醋酸发酵

接种醋酸菌,装罐量占容器的1/3,用保鲜膜密封后扎孔以保证其透气性,在设定温度下连续发酵,监测总酸度。

1.4.3 单因素试验

在其他条件不变的情况下,以总酸含量为指标,结合感官评分,分别考察醋酸菌接种量0.2%、0.6%、1.0%、1.4%、1.8%,初始酒精度2.0%、4.0%、6.0%、8.0%、10.0%,发酵温度22,26,30,34,38 ℃对榅桲果醋品质的影响。

1.4.4 正交试验

在单因素试验的基础上,采用正交试验进行三因素三水平优化组合试验。正交试验因素水平见表1。

表1 正交试验因素水平表

1.4.5 理化指标测定

pH值:采用pH计测定;可溶性固形物含量:采用便携式数显糖度计测定;酒精度:采用便携式酒精计测定;总酸:参照国标GB 12456-2021《食品安全国家标准 食品中总酸的测定》中的酸碱指示剂滴定法测定。

1.4.6 榅桲果醋感官评价标准

参考我国农业行业标准NY/T 2987-2016《绿色食品 果醋饮料》和苹果醋企业标准QBZ 0015 S-2021,以产品的色泽、香气、滋味、组织状态及杂质作为感官评价项目,满分100分,制定榅桲果醋的感官质量评定等级标准,见表2。

表2 感官分析评价表

1.4.7 GC-MS测定榅桲果醋挥发性风味物质[18]

采用顶空固相微萃取法(HS-SPME)萃取挥发性风味物质,萃取针老化条件为260 ℃,60 min。取榅桲发酵液5 mL放入顶空瓶中密封,50 ℃条件下预热10 min后平衡吸附40 min,进样,进样口解吸5 min,每次进样前萃取针老化条件为250 ℃,20 min。

GC条件:DB-5色谱柱(60 m×0.25 mm×0.25 μm);进样口温度250 ℃,柱箱初始温度50 ℃,载气为高纯氦气,流速1.0 mL/min,压力95 kPa,不分流;升温程序:50 ℃保持2 min,以5 ℃/min升温至230 ℃,保持5 min。

MS条件:EI离子源,进样口电离能70 eV,离子源温度230 ℃,接口温度260 ℃,质量扫描范围(m/z)30～500,溶剂延迟时间5 min。

1.4.8 数据处理

使用GCMS-QP2020配备的NIST数据库进行风味物质的检索和分析,Excel 2019进行风味物质的数据处理、作图。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 初始酒精度考察结果

果醋制备中液化和糖化是将大分子物质在酶的作用下降解成小分子物质,这些小分子物质在酵母菌代谢作用下进行酒精发酵,在醋酸菌作用下继续发酵转化成醇类、醛类、酮类、酯类等物质,形成果醋的酸甜口感和独特风味[19-20]。这个过程中酒精发酵后的产物,尤其是醇类物质含量不仅影响醋酸菌的生长繁殖,而且直接影响果醋的滋味、气味,因此考察不同初始酒精度对果醋酸度和感官评分的影响,结果见图1。

图1 不同初始酒精度对果醋醋酸发酵过程中总酸(a)和感官评分(b)的影响

由图1中a可知,随着发酵时间的延长,不同初始酒精度的果醋中总酸含量均呈现快速上升趋势,第4天后逐渐平稳,表明醋酸发酵基本在5 d左右完成。其中初始酒精度为2%和10%时,总酸产生速度较其他慢,总酸量也较低,可能是因为过高或过低的初始酒精度会抑制醋酸菌的正常生长和代谢[21-22]。初始酒精度为4.0%～8.0%时,酒精度越高,发酵速率越快,产酸量越大。由图1中b可知第5天时不同初始酒精度对果醋感官评分的影响,初始酒精度为6.0%和8.0%时感官评分较高。综合考虑,选择初始酒精度4.0%、6.0%、8.0%进行正交试验。

2.1.2 醋酸菌接种量考察结果

醋酸菌接种量会影响发酵周期和产酸速度,发酵时间不同,果醋的果味浓郁度、口味绵厚感、色泽也不同,因此要合理添加菌种量进行醋酸发酵[23]。不同醋酸菌接种量对榅桲果醋总酸和感官评分的影响见图2。

图2 不同醋酸菌接种量对果醋醋酸发酵过程中总酸(a)和感官评分(b)的影响

由图2中a可知,随着醋酸发酵时间的延长,总酸含量逐渐增加,除0.2%接种量的果醋总酸含量一直增加外,其他均在第5天时总酸含量逐渐平稳。随着醋酸菌接种量的增加,总酸含量先升高后降低,1.0%时总酸含量最高。接种量为0.2%时产酸速度和产酸量都较低,原因可能是当醋酸菌接种量较少时,发酵速度慢,还可能被杂菌污染;接种量过大时,产酸速度很快,但产酸量会变少,可能是因为发酵液中的营养成分有限,醋酸菌生长太快发生菌体自溶或早衰,产生大量代谢废物[24]。由图2中b可知,果醋的感官评分随着接种量的增加先升高后下降又升高,可能是酸度太高影响果醋的滋味。综合考虑,选择醋酸菌接种量为0.8%、1.0%、1.2%进行正交试验。

2.1.3 不同发酵温度考察结果

醋酸菌对温度十分敏感,温度控制不当会影响醋酸菌的生长,从而影响榅桲果醋的发酵周期、总酸含量和其他代谢产物。不同发酵温度对榅桲果醋总酸和感官评分的影响见图3。

由图3中a可知,当发酵温度为22 ℃时,榅桲醋酸发酵液中总酸含量较低,这可能是因为温度较低时醋酸菌生长较慢,无法产生代谢物。当发酵温度为38 ℃时,虽然发酵前期产酸量很高,但是发酵后期由于温度过高,醋酸菌生长代谢旺盛,菌体快速老化和衰退,且高温使得发酵液中酸的挥发量变多,不利于产物的积累,醋酸含量减少[25]。当发酵温度在26,30,34 ℃时,随着发酵时间的增加,产酸量也随之增多,呈明显上升趋势。结合图3中b果醋的感官评分,选择发酵温度为26,30,34 ℃进行正交试验。

2.2 正交优化试验设计及结果分析

在单因素试验的基础上,按照L9(33)表进行正交优化试验,以感官评分为指标,确定最佳的发酵工艺参数,结果见表3。

表3 正交试验结果

由表3可知,醋酸发酵条件的最佳组合为A2B3C3,即醋酸菌接种量1.0%、初始酒精度8.0%、发酵温度34 ℃。比较极差R值的大小可知,3个因素对感官评分的影响大小是醋酸菌接种量>发酵温度>初始酒精度。在此最佳条件下进行3次平行验证试验,测得果醋总酸度为4.05 g/dL,感官评分均值为89.87,此时果醋酸甜适宜,榅桲风味浓郁,色泽澄清透亮,呈亮黄色。

2.3 风味物质测定结果及分析

采用HS-SPME-GC-MS分析榅桲果醋的挥发性成分,通过NIST标准数据库比对筛选出相似度大于70%的组分,共检测到41种物质,其中风味物质33种,见表4。

表4 榅桲果醋风味物质

由表4可知,榅桲果醋中共鉴定出33种挥发性风味物质,相对含量占总含量的71.54%。其中醇类物质6种,占总含量的21.47%;酚类物质3种,占总含量的5.04%;酮类物质2种,占总含量的3.21%;醛类物质3种,占总含量的4.43%;酸类物质5种,占总含量的8.30%;酯类物质11种,占总含量的27.99%;其他类物质3种,占总含量的1.10%。各类物质相对含量大小依次是酯类、醇类、酸类、酚类、醛类、酮类和其他类,说明酯类物质和醇类物质提供了主要的香气成分。风味化合物(相对含量大于2%)中己酸乙酯、苯乙醇和乙酸异戊酯相对含量较多,为果醋提供了发酵曲香、菠萝香、玫瑰香味和香蕉香味;2-壬炔-1-醇、己酸和乙酸提供了酸味;辛酸乙酯提供了白兰地酒味;异甲基-α-紫罗兰酮、4-乙基愈创木酚、苯甲醛和正己醇提供了紫罗兰、木香、杏仁和苹果香等,这些物质共同提供了榅桲醋香、酒香和花香独特风味。

3 结论

通过单因素试验和正交试验,以榅桲果醋中的总酸含量和感官评分作为发酵的衡量指标得到最佳酿造工艺参数,即醋酸菌接种量1.0%、初始酒精度8.0%、发酵温度34 ℃,在此条件下得到感官评分为89.87分的榅桲果醋,总酸含量为4.05 g/dL。风味是果醋品质中的重要指标之一,主要来自原料和发酵方法,果醋独特的风味能够区别于市场上其他饮料,未来果醋风味物质生成及代谢规律研究、活性成分及功能性研究迫在眉睫[26]。该研究通过HS-SPME-GC-MS对榅桲果醋进行挥发性风味成分检测,鉴定出33种风味成分,其中酯类和醇类物质相对含量较大,数量上酯类、醇类、酸类较多,这些物质共同构成了榅桲果醋的独特香气。该研究结果可为果醋发酵工艺与果醋风味物质的研究提供借鉴,促进新型果醋饮料的研发。