沙棘红曲酒发酵工艺的优化

邓梦婕,李 丽,刘 庆,李雨芹

(四川理工学院生物工程学院,四川自贡 643000)

沙棘果是胡颓子科沙棘属的植物沙棘的成熟果实,又名醋柳果、酸刺果,被称为维生素的宝库[1]。沙棘果大小如黄豆,具有很高的营养价值,富含维生素C、维生素E、维生素B类以及叶酸和胡萝卜素,脂肪、蛋白质、盐类和糖类,还含有沙棘黄酮、超氧化物歧化酶和ω6多不饱和脂肪酸等对人体的健康具有保健功能的生物活性物质[25]。

将沙棘果加工成为各种食品、药品和保健品,不但可以满足消费者对于健康养生的需求,还能够进一步促进沙棘种植的大力发展。因此,对于沙棘的研制和开发不但具有很高的经济效益,而且具有极大的社会效益[610]。就目前看来,市场上的沙棘果制品大都工艺较为简单,技术含量较低,没有形成相应的规模,沙棘的利用率较低;沙棘果酒几乎都是直接将沙棘果在白酒中浸泡而成,所制得的此种沙棘果酒的风味和口感并不好,营养物质的浸出率比较低,以及沙棘果中的脂质溶出影响酒质,因而这种酒并不被大众所喜爱[11]。

我国作为水果生产大国,水果种类众多,在果酒行业自然有着较为广阔的市场前景[1213]。大力投资果酒行业,可以降低粮食消耗,改善酒类消费结构,满足消费者的多元化需求,提高水果产业的附加值,增加果农户收入。根据国际果酒市场的发展前景,酒类消费的模式逐渐改变,特别是发达国家正逐步减少摄入酒精量,从而追求更加天然,含糖量较低的健康型果酒,并能进一步促进饮料酒的品种结构的改变[14]。红曲中的红曲色素可作为优良的着色剂,使果酒呈现出晶亮透明的宝石红迷人色泽,红曲中的代谢产物可提高沙棘果酒的功能性作用[1517]。本研究通过单因素、正交实验,将沙棘纯汁与红曲共同发酵,赋予了酒体独特的香味和功效,与目前市场上的浸泡沙棘酒相比,具有较大的市场前景。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

新鲜沙棘果 山西吕梁山;红曲霉QH 千禾味业有限公司;大米 超市购买;酵母菌 安琪酵母股份有限公司;葡萄糖、氢氧化钠、无水亚硫酸钠、硅藻土 成都科龙化工试剂公司。

HWS260A型恒温恒湿培养箱 黄州绿博仪器有限公司有限公司;LSB50L型立式压力蒸汽灭菌器 上海博迅实业有限公司医疗设备厂;T6型新世纪紫外可见光分光光度计 北京普析通用仪器有限责任公司;RJTDL50A型冷冻离心机 无锡市瑞江分析仪器有限公司;FA2204N型电子天平 常州市衡正电子仪器有限公司;7890A型安捷伦气相色谱质谱联用仪 美国安捷伦科技公司;SWCJ1F型单人双面净化工作台 苏州净化设备有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 红曲的制备

1.2.1.1 红曲的制备工艺流程 大米→洗米→浸泡→沥干→纱布包裹蒸煮→冷却→分装→接种→培养→干燥→红曲[18]。

1.2.1.2 红曲的制备要点 洗米:将大米用自来水清洗,去除杂质;浸泡:清洗好的大米浸泡30 min;蒸煮:将浸泡好的大米沥干后放入蒸锅中蒸至米粒无白心;冷却:将蒸好的米饭放入无菌操作台,待米饭冷却后接种红曲霉;分装:将冷却好的米饭分装到锥形瓶中;接种:将培养好的红曲霉种子液接入蒸好的米饭,摇匀;培养:将接种好的米饭放入温度为35 ℃湿度为80%的恒温恒湿培养箱中培养3 d后将温度调至33 ℃培养4 d;干燥:将培养完成的红曲放入40 ℃的烘箱中通风干燥至含水量为15%左右,制得红曲。

1.2.2 沙棘果汁的处理工艺

1.2.2.1 沙棘果的挑选 筛选果实饱满、无破皮的沙棘果进行榨汁。

1.2.2.2 沙棘汁的处理 沙棘果→破碎出汁→沙棘果浆→离心脱脂(6000 r/min,10 min)→沙棘果原汁→果胶酶澄清处理[1920]→二次离心脱脂(6000 r/min,10 min)→澄清沙棘果汁[2122]。

1.2.3 沙棘红曲酒制备工艺

1.2.3.1 加工工艺 澄清沙棘果汁→降酸→5 ℃结晶→离心→巴氏灭菌→冷却→加无菌水→调糖度→接种入酵母和红曲→添加SO2→添加氯化铵/氯化钙→恒温发酵→过滤→巴氏灭菌→脱苦→降酸[8]。

1.2.3.2 发酵工艺要点 降酸:添加1.5%碳酸钙,降低一定的酸度,并使pH3.5左右;结晶:将沙棘果原汁置于5 ℃下结晶24 h,纱布过滤后对沙棘果汁进行巴氏灭菌;调糖:根据所需糖度添加蔗糖,搅拌至蔗糖全部溶解后使用糖度计测果汁的糖度,然后继续添加蔗糖至所需值;接种:将沙棘果汁调整糖度后接入所需接种量的活化后的酵母,一定量的红曲和偏重亚硫酸钾(90 mg/L);过滤:将发酵结束的沙棘红曲酒先用四层纱布进行初滤,然后硅藻土过滤即可得到澄清透明的沙棘红曲酒;脱苦:向过滤后的澄清的沙棘红曲酒中添加0.15%～0.2%的β环糊精,使之全部溶解。

1.2.4 沙棘红曲果酒发酵优化实验

1.2.4.1 发酵初始温度的确定 将20%的红曲,10%的酵母,210 mL的沙棘果汁(糖度为20%),料水比为1∶2,90 mg/L偏重亚硫酸钾于恒温箱中发酵,设定温度为22、25、28、31、34 ℃。发酵结束后,测定发酵醪液的酒精浓度,并以发酵温度为横坐标,以酒精度为纵坐标进行作图,探究不同发酵温度对沙棘红曲酒酒精度、总糖、总酸的影响。

1.2.4.2 发酵初始糖度的确定 将20%的红曲,10%的酵母(活化后的酵母比例),料水比为1∶2,90 mg/L偏重亚硫酸钾,210 mL沙棘果汁(糖度分别为16%、18%、20%、22%、24%)于28 ℃恒温箱中发酵。发酵结束后,其它操作同1.2.4.1并观察其对酒体的影响。

1.2.4.3 红曲添加量的确定 分别添加16%、20%、24%、28%、32%的红曲,再添加10%的酵母(活化后的酵母比例)和210 mL的沙棘果汁(糖度为20%),料水比为1∶2,90 mg/L偏重亚硫酸钾于28 ℃恒温箱中发酵,发酵结束后,其它操作同1.2.4.1。

1.2.4.4 酵母添加量的确定 分别添加6%、8%、10%、12%、14%的酵母(活化后的酵母比例),20%的红曲,210 mL的沙棘果汁(糖度为20%),料水比为1∶2,90 mg/L偏重亚硫酸钾于28 ℃恒温箱中发酵,发酵结束后,其它操作同1.2.4.1。

1.2.4.5 正交实验优化沙棘红曲酒的发酵条件 在单因素实验基础上,设温度(A)、初始糖度(B)、红曲添加量(C)、酵母添加量(D)四个因子,每个因子设3个水平进行发酵实验,通过正交实验,以酒精度为考察指标,确定沙棘红曲果酒的最佳工艺条件,正交因素水平表见表1。

表1 正交试验因素水平Table 1 Factors and levels of orthogonal experiment

1.2.5 分析方法 酒精度:参见文献[23];pH测定:采用pH计测定;还原糖和总糖:参见文献[24];酸度:参见文献[25];色度:参见文献[26];挥发性物质的测定:顶空固相微萃取法和气相色谱质谱联用仪。

GCMS分析条件:色谱条件为色谱柱DBWAX 60 m,0.25 mm,0.25 μL(122～7062);载气He的总流速为19 mL/min;进样口温度为230 ℃,柱温箱的起始温度为60 ℃,保持2 min,然后5 ℃/min升至160 ℃保持1 min,然后以10 ℃/min升至230 ℃保持1 min,最后运行31 min。质谱条件为电离方式EI,电子能量70 ev,离子源温度为230 ℃,连接杆温度150 ℃。

透光率测定:紫外可见分光光度计法,在紫外可见分光光度计上测定其透光率(T,%),取澄清的沙棘果酒液置于1 cm比色皿中,在波长为680 nm处,测定其透光率(T,%),用蒸馏水进行空白调零。

1.3 数据处理

采用Excel、Origin 8.5等软件对单因素结果进行分析、作图,单因素平行实验进行3组,正交实验采用平均值±标准差表示[27]。

2 结果与分析

2.1 发酵工艺单因素实验结果与分析

2.1.1 最佳发酵温度的确定 由图1可以看出,随着发酵温度的升高,酒体酒精度有所增加,此时酵母生长较好,将物料中的糖转化为酒精的速度与温度呈线性关系;当温度在28 ℃以上时酒精度开始下降,是因为温度的升高导致酵母的代谢增快,促使酵母加快衰亡,导致主发酵的时间缩短。在发酵过程中,总酸的含量随着温度的升高略有上升的趋势,总糖的含量随着发酵温度的升高逐渐下降。综合沙棘红曲酒的理化指标,当发酵温度为28 ℃时红曲沙棘酒酒精度、总糖、总酸含量相对适合,确定28 ℃为适宜发酵温度。

图1 发酵温度对果酒品质的影响Fig.1 Effect of temperature on the fermentation quality of wine

2.1.2 最佳发酵初始糖度的确定 沙棘果汁的含糖量为3%左右,直接发酵,最终的酒精度远达不到国标的标准,因此在发酵的初期添加蔗糖来改变果汁的初始糖度,以提高发酵完成后果酒的酒精度,然而蔗糖添加的过多或者过少都不能达到工艺的标准。不同初始糖度对沙棘红曲酒发酵的影响,结果如图2所示。

图2 发酵初始糖度对果酒品质的影响Fig.2 Effect of initial sugar content on the fermentation quality of wine

由图2实验结果可知:随着发酵初始糖度的增加,残糖量先减小后增大,酒精度先增大后减小。初始糖度在20%～24%范围内,酒精度的随初始糖度的增加呈现先增加后下降的趋势;当糖度达到22%时,酒精度达到最大值,以后酒精度略微下降。当糖度在20%以下时,总酸和总糖呈现出下降的趋势,推测当糖度在20%以下时,由于沙棘本身带的酸度影响了总酸、总糖的变化。糖度在20%～22%时,总酸、总糖随之增加。从而确定初始糖度为22%。

2.1.3 最佳红曲添加量的确定 红曲的添加对果酒的风味和色泽会产生很大的影响,其中红曲的代谢产物酶类、色素等会影响酒的口感。不同红曲添加量对沙棘红曲酒发酵的影响,结果如下图3所示。

图3 红曲的添加量对果酒品质的影响Fig.3 Effect of addition of Monascus on the quality of wine

由图3的实验结果可知:红曲的添加量对沙棘红曲酒的品质有着很大的影响,随着红曲的添加量的逐渐增加,酒体的色价有明显提高,酒精度也在呈现先上升后下降的趋势;随着红曲的添加,总酸含量出现先下降后上升的趋势;而总糖含量出现先上升后下降的趋势。当添加量为20%时,总糖含量最高,总酸含量为最低。当添加量为24%时,酒精度最高,达到了11.1%,酸度继续升高,总糖含量略微下降;当添加量为32%时,酒精度降低,酸度达到最高,这可能是由于计入了过多的红曲,从而会抑制酵母的生长代谢。因此,适宜发酵的红曲添加量为24%。

2.1.4 最佳酵母接种量的确定 酿酒酵母在发酵的过程中不仅能够产生乙醇,还可以产生高级醇、醛、酯、酸等,这些酵母的代谢物质组成了酒中重要的香味物质。不同酵母添加量对沙棘红曲酒发酵的影响,结果如下图4所示。

图4 酵母接种量对果酒品质的影响Fig.4 Effect of yeast inoculums on the quality of wine

由图4的实验结果可知,酵母添加量会对酒体的质量产生一定的影响,随着酵母添加量的增大,酒精度的趋势呈先上升后下降的状态。随着酵母的添加,总酸和总糖的含量呈现先上升后下降的趋势;当酵母的接种量为8%时,酒精度达到11.2%vol,总酸达到13.6 g/L,总糖达到9.6%,因此酵母添加为8%时为最适宜。

2.2 发酵工艺参数正交实验结果与分析

按照表1所设计的正交实验进行实验,得到如下表2所示的正交实验结果。

表2 正交实验结果Table 2 Results of orthogonal test

根据表2极差分析可知:以酒精度为指标,按极差的大小列出各个因素对沙棘红曲酒品质的影响大小的顺序依次为:D>B>C>A,即酵母接种量是最主要的影响因素,紧接着依次是初始糖度、红曲添加量、发酵温度。由K值确定最佳的工艺参数为A3B2C2D2,即发酵温度为28 ℃,发酵初始糖度为22%,红曲添加量为24%,酵母接种量为8%。由此进行验证性实验,通过感官评价分析发现,理论最佳发酵方案发酵的果酒酸度适宜,口感微酸,后味干净。酒体色泽鲜亮、澄清;闻香具有舒适的果香,入口果香、酒香协调,具有沙棘曲型香味,酒精度在11.4%±0.5%vol。因此确定理论最佳工艺为最优工艺。

2.3 沙棘红曲酒香气成分分析

使用气相色谱质谱联用仪,采用固相微萃取法中的顶空萃取模式测定沙棘果酒和沙棘红曲酒中的挥发性物质,其中离子流图见下图5和图6,表3为沙棘果酒中香气成分组成,表4为沙棘红曲酒中香气组成成分。

图5 沙棘果酒中香气成分GCMS图Fig.5 The GCMS of favor components of Seabuckthorn wine

图6 沙棘红曲酒中香气成分GCMS图Fig.6 The GCMS of flavor components of Monascus seabuckthorn wine

表3 沙棘果酒中香气成分组成Table 3 Flavor contents of Seabuckthorn wine

表4 沙棘红曲酒中香气成分组成Table 4 Flavor contents of Monascus seabuckthorn wine

由上表3可以看出,通过顶空气相微萃取的鉴定,鉴定的物质中,沙棘果酒中的醇类化合物为4种,酸类化合物为4种,酯类化合物为3种。由上表4可以看出,沙棘红曲酒中的醇类化合物为6种,酸类化合物为3种,酯类化合物为3种。

比较可知,沙棘果酒中醇类化合物、酸类化合物的种类最多,酯类化合物其次,沙棘红曲酒中醇类化合物种类最多,酯类化合物和酸类化合物的种类次之。醇类化合物中的高级醇溶于酒精而不溶于水,酒的度数低时呈现为油状,适量的高级醇能改善果酒的风味,但含量过高时,会影响酒的风味,饮后还会引起上头反应,因此果酒中的高级醇的含量应加强控制;酯类化合物是红曲果酒在发酵的过程中由酵母产生的重要的香味物质;酸类化合物的含量是影响红曲果酒的一个重要的因素,如果含量过高会产生不良的气味且使口感不佳。

3 结论

通过单因素实验、正交实验得出沙棘红曲酒的最佳发酵工艺条件为:初始糖度为22%,初始温度为28 ℃,红曲添加量为24%,酵母添加量为8%,在此条件下沙棘红曲酒酸度适宜,色泽红亮,透明,酒精度在11%±0.5%vol,具有沙棘特有的果香,口感较好。利用微生物发酵技术,与市场上的高度浸泡果酒、调配勾兑果酒相比,本研究保证了产品原汁原味绿色生态,还能改善沙棘果酒酸、涩的口感。

本研究以添加一定量的碳酸钙起到降酸、抑菌的作用。其次是酒发酵结束之后需要添加一定量的β环糊精,可对发酵过程中产生的柠檬苦素进行包埋,降低沙棘果酒中的苦涩味。利用顶空固相微萃取和气相色谱质谱联用仪对沙棘红曲酒中挥发性物质进行分析,结果表明,添加红曲后,沙棘红曲果酒中的醇类化合物、酯类化合物和酸类化合物较沙棘果酒都有所变化,香气成分较沙棘果酒更丰富。

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