草莓果酒酿造工艺的优化及其香气成分分析 王孝荣,罗佳丽,潘年龙,蒋和体* (西南大学食品科学学院,重庆 400716)
摘 要:以草莓为原料,采用单因素试验和Box-Behnken试验设计研究SO2添加量、酵母添加量及发酵温度对果酒发酵的影响,建立各影响因素的回归方程,并通过响应面分析法优化,得到草莓果酒的最佳工艺条件:SO2添加量为81 mg/L、酵母添加量为1 g/L、发酵温度为20 ℃。然后采用顶空固相微萃取法,利用气相色谱-质谱联用技术对草莓果酒香气成分进行分析与鉴定,结果表明:从草莓果酒中共鉴定出香气物质85种,占总峰面积的99.55%;其主体香气物质主要是异戊醇、乙酸异戊酯、己酸乙酯及辛酸乙酯。 关键词:草莓果酒;工艺;优化;香气成分
Optimization of Fermentation Process for Strawberry Wine and Analysis of Aroma Components
WANG Xiao-rong, LUO Jia-li, PAN Nian-long, JIANG He-ti* (College of Food Science, Southwest University, Chongqing 400716, China)
Abstract: The fermentation of strawberry wine was investigated with respect to SO2 concentration, yeast inoculum amount and fermentation temperature. A quadratic regression model was built with the three independent variables (fermentation conditions) by Box-Behnken experimental design. The optimum fermentation conditions for strawberry wine were determined by response surface analysis as 81 mg/L of SO2 concentration, 1 g/L of inoculum (active dry yeast) amount and 20 ℃ of fermentation temperature. The aroma components of strawberry wine were extracted by solid-phase microextraction (HS-SPME) and identified by gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS). Eighty-five aroma components were identified from strawberry wine, together accounting for 99.55% of the total peak area. The major aroma compounds were isoamyl alcohol, isoamyl acetate, ethyl hexanoate and ethyl octanoate. Key words: strawberry wine; process; optimization; aroma components 中图分类号:TS262.7 文献标志码:A 文章编号:1002-6630(2014)07-0196-06 doi:10.7506/spkx1002-6630-201407039 草莓(strawberry)是蔷薇科草本浆果类红色水果[1],其富含花色苷、VC、叶酸及酚类成分[2-3],具有抗氧化[4-5]、抗癌及预防心血管疾病[6-7]、消化不良等功效[8]。果酒是以水果为原料,经果酒酵母发酵而成,其营养丰富,适量饮用有益身体健康[9]。草莓果酒是以草莓为原料经发酵而成的低度酒,其营养物质丰富、低酒精度、低糖,符合现代人健康、天然、绿色的观念,同时也解决了草莓不耐贮藏的问题,具有广阔的开发前景。 目前,果酒的品种逐渐增多,对各种果酒的探究引起了不少研究者的兴趣,如菠萝酒的工艺研究[10]、猕猴桃酒的工艺研究[11]、新疆哈密红枣酒的工艺研究[12]、西瓜酒的工艺研究[13]等,而草莓,则主要以生食和加工果汁、果浆为主,国内很少将其酿造成果酒,对草莓果酒酿造工艺参数的研究甚少。本实验使用响应面法对草莓果酒发酵条件进行优化,确定草莓果酒最佳的发酵工艺条件,并通过气相色谱-质谱联用技术(gas chromatography-mass spectrometry,GC-MS)分析鉴定了草莓果酒中香气成分的种类和相对含量,为工业化生产草莓果酒、改善草莓果酒的风味,提高草莓果酒的品质提供理论依据。 1 材料与方法 1.1 材料与试剂 草莓,购于重庆市北碚区永辉超市,主要成分含量(g/L):总酸6.21、还原糖23.4、VC 1.07、总酚1.15、总糖39.6、果胶4.8、总花色苷0.19。 葡萄酒、果酒专业酵母 安琪酵母股份有限公司;葡萄酒酵母F33 浪淘沙自酿会所;酒用干酵母 广东省马利酵母有限公司;果胶酶(2000U/g) 诺维信生物技术有限公司;白砂糖(食品级)。 1.2 仪器与设备 UV-2450紫外-可见分光光度计、QP2010气相色谱-质谱联用仪 日本岛津公司;FA2004A 电子天平 上海精天电子仪器厂;酒精计 河北省武强县同辉仪表厂;手动固相微萃取进样器 美国珀金-埃尔默公司;100µm PDMS萃取头 美国Supelco公司。 1.3 方法 1.3.1 草莓果酒酿造工艺流程[14] 草莓→挑选、清洗→摘果柄、萼叶→破碎榨汁→果胶酶处理(添加果胶酶0.25 g/L,40 ℃作用2h)→过滤→草莓汁(调整糖分至质量分数为20%)→添加SO2→加酿酒酵母→发酵7d→过滤→杀菌→草莓果酒 1.3.2 菌种的活化[15] 取1g干酵母粉,加入到20g含糖5%的糖水中,在38 ℃条件下,搅拌活化约15~30 min,当糖水中出现大量的小气泡即可。 1.3.3 草莓果酒发酵条件的单因素试验设计 1.3.3.1 酵母菌的选择 草莓汁经果胶酶酶解,添加SO2 80 mg/L,然后分别接入已活化的葡萄酒酵母F33、葡萄酒、果酒专用酵母及酒用干酵母,其添加量为1 g/L,在20 ℃条件下,发酵7d,比较其酒精度和花色苷的含量。 1.3.3.2 料液中SO2添加量的确定 草莓汁经果胶酶酶解,分别添加SO2 40、80、120、160、200 mg/L,然后添加1 g/L已活化的葡萄酒、果酒专用酵母,在20 ℃条件下发酵7d后,比较其酒精度和花色苷的含量。 1.3.3.3 料液中酵母菌添加量的确定 草莓汁经果胶酶酶解,添加SO2 80 mg/L,分别添加0.5、1、1.5、2、2.5 g/L已活化的葡萄酒、果酒专用酵母,在温度为 20 ℃的条件下发酵7d后,比较其酒精度和花色苷的含量。 1.3.3.4 发酵温度的确定 草莓汁经果胶酶酶解,添加SO2 80 mg/L,添加1 g/L已活化的葡萄酒、果酒专用酵母,分别在16、20、24、28、32 ℃温度条件下,发酵7d后,比较其酒精度和花色苷的含量。 1.3.4 响应面试验设计 通过单因素试验,在其分析结果的基础上,采用三因素三水平的Box-Behnken响应面设计方法[16-18],选择SO2添加量、酵母菌添加量和发酵温度这3个影响较大的因素进行响应面试验,以酒精度为响应值进行优化,所有试验均重复3次。 1.3.5 草莓果酒香气物质的萃取实验[19] 采用顶空固相微萃取法(head space solid-phase micro-extractions,HS-SPME)。取酒样6mL于20mL萃取瓶中,加1g NaCl,插入经老化的萃取头(250 ℃老化1h),45 ℃条件下顶空萃取30 min,将萃取头插入GC-MS进样口,解析6 min。 1.4 指标测定 1.4.1 酒精度 参照GB/T15038—2006《葡萄酒、果酒通用分析方法》测定。 1.4.2 花色苷含量 pH示差法[20]测定。 1.4.3 草莓果酒香气成分的GC-MS分析[21] 1.4.3.1 色谱条件 色谱柱DB-5MS(30m×0.25mm,0.25µm),进样口温度250 ℃;升温程序:35 ℃保持3 min,以10 ℃/min 1.4.3.2 质谱条件 电子轰击(EI)离子源;电子能量:70eV;离子源温度:230 ℃;ACQ方式:Scan;质量扫描范围 1.4.3.3 香气成分分析 分析结果运用计算机谱库(NIST/WILEY)进行初步检索及资料分析,并结合已有的相关文献进行定性分析。 2 结果与分析 2.1 酵母菌的确定
图 1 不同酵母菌对草莓酒酒精度和花色苷含量的影响 Fig.1 Effect of yeast type on alcohol and anthocyanin contents of strawberry wine 用不同果酒酵母在相同条件下进行发酵,测定最终发酵液的酒精度及花色苷含量,结果如图1所示。利用葡萄酒、果酒专用酵母发酵制得的草莓果酒酒精度及花色苷含量相对较高。 2.2 草莓果酒发酵条件的单因素试验 2.2.1 SO2添加量对草莓果酒酒精度及花色苷含量的影响
图 2 SO2添加量对草莓果酒酒精度和花色苷含量的影响 Fig.2 Effect of SO2 concentration on alcohol and anthocyanin contents of strawberry wine 由图2可知,随着SO2添加量的增加,酒精度先增后减,花色苷含量逐渐下降。当SO2添加量为80 mg/L时,酒精度达到最大,主要原因是SO2质量浓度过低,杂菌易污染耗糖并与酵母增长形成竞争作用,SO2质量浓度过高,则会对酵母产生严重的抑制作用,导致发酵力下降;当SO2质量浓度为120 mg/L时,花色苷含量急剧下降,当SO2质量浓度为200 mg/L 时,花色苷几乎消失,其主要原因是草莓中的花色苷单体与SO2化合形成亚硫酸氢盐加成物,花色苷红色消失。综合考虑,SO2添加量为80 mg/L 时效果最好。 2.2.2 酵母添加量对草莓果酒酒精度及花色苷含量的影响
图 3 酵母添加量对草莓果酒的酒精度和花色苷含量的影响 Fig.3 Effect of yeast inoculum amount on alcohol and anthocyanin contents of strawberry wine 由图3可知,当料液中酵母添加量为1 g/L时,草莓果酒的酒精度最高,主要原因是当酵母添加量比较少时,料液中的糖不能完全被酵母利用转化为酒精,添加量过大时,会消耗料液中的糖用于酵母自身的生长,则用于生成酒精的底物量就会减少;而酵母添加量对草莓果酒中花色苷的含量影响不明显(含量在8.263~8.274mg/100mL之间变化)。综合考虑,酵母添加量为1 g/L时效果最好。 2.2.3 发酵温度对草莓果酒酒精度及花色苷含量的影响 由图4可知,当发酵温度为20 ℃时,草莓果酒的酒精度与花色苷的含量均为最高;其主要原因是温度会影响酵母菌的生长,温度升高,发酵速度加快,发酵剧烈,酵母菌衰老过快,最终生成的酒度偏低,并且酒体粗糙,有显著的辛辣味;温度升高的同时,加快氧化反应作用,草莓中的花色苷易被破坏。综合考虑,发酵温度为20 ℃时效果最好。
图 4 发酵温度对草莓果酒的酒精度和花色苷含量的影响 Fig.4 Effect of fermentation temperature on alcohol and anthocyanin contents of strawberry wine 2.3 草莓果酒发酵条件的响应面优化试验 2.3.1 响应面设计及结果 根据Box-Behnken的中心组合试验设计原理,在单因素试验结果的基础上,进行响应面分析试验,试验设计与试验结果见表1。 表 1 响应面设计与试验结果 Table 1 Experimental design and results of response surface design
利用Design-Expert软件对表数据进行整理分析,确立如下回归模型:Y=11+0.088A+0.28B+0.36C+ 2.3.2 回归分析 F检验反映的是回归模型的有效性,包括失拟性检验和回归方程显著性检验[15]。t检验是对回归模型的系数进行显著性检验。模型P<0.0001,表明该二次方程模型显著,而失拟项P=0.5741>0.05,失拟项不显著,表示单因素试验结果可以和数学模型拟合良好,即可以使用数学模型推测试验结果;同时该方程决定系数R2=0.9920,模型的拟合程度相对较好。 表 2 方差分析表 Table 2 Analysis of variance for the regression model
注:*.P<0.05,表示差异显著;**.P<0.01,表示差异极显著。
由表2可知,因素B、C对草莓果酒影响极显著 2.3.3 因素间交互作用分析
图 5 SO2和酵母添加量的交互作用对草莓果酒酒精度影响的 Fig.5 Response surface and contour plots showing the interactive effects of SO2 concentration and yeast inoculum amount on alcohol content of strawberry wine
图 6 SO2添加量和发酵温度的交互作用对草莓果酒酒精度影响的 Fig.6 Response surface and contour plots showing the interactive effects of SO2 concentration and fermentation temperature on alcohol content of strawberry wine
图 7 酵母添加量和发酵温度的交互作用对草莓果酒酒精度 Fig.7 Response surface and contour plots showing the interactive effects of yeast inoculum and fermentation temperature on alcohol content of strawberry wine 响应值受交互作用的影响可以从图中直接反映出来,等高线的形状反映了交互作用的强弱,椭圆代表交互作用显著,圆形代表交互作用不显著[22]。由图5~7可知,在交互作用对草莓果酒的酒精度的影响中,酵母添加量和发酵温度的交互作用较为显著。 2.3.4 回归模型的验证实验 经软件Design Expert 7.0优化,分析得到试验的最佳工艺参数:SO2添加量为81.78 mg/L、酵母添加量为1.1 g/L、 2.4 草莓果酒香气物质的GC-MS分析 表 3 草莓果酒香气成分的鉴定结果 Table 3 Identification of aromatic components in strawberry wine
草莓果酒的分析鉴定结果见表3。经过计算机谱库(NIST/WILEY)进行初步检索,保留相似度≥85%的香气成分,结合相关文献可初步定性草莓果酒的香气物质有85种,占总峰面积的99.55%。其中,相对含量较高的香气物质为:异戊醇10.36%、乙酸异戊酯8.99%、苯乙烯4.44%、己酸乙酯8.53%、乙酸己酯3.92%、辛酸4.89%、辛酸乙酯8.35%、癸酸4.74%、癸酸乙酯13.66%、肉桂酸乙酯1.55%、丙位癸内酯2.12%、反-橙花叔醇3.49%、月桂酸乙酯7.70%、肉豆蔻酸乙酯1.18%等。 通过对草莓果酒的香气成分分析,其酯类有50种,醇类有14种,酮类有4种,酸类有4种,烯类有4种,醛类、酚类及醚类各1种,烷烃类5种,其他类1种。酯类的相对含量为64.85%;醇类的相对含量为16.82%;酮类相对含量为0.57%;酸类的相对含量为10.71%;烯类的相对含量为4.77%;醛类、酚类及醚类的相对含量分别为0.47%、0.4%和0.06%;烷烃类相对含量为0.51%;其他类相对含量为0.39%。 从香气分析结果可知,草莓果酒基本香气的形成过程中,异戊醇、乙酸异戊酯、己酸乙酯、辛酸乙酯、癸酸乙酯具有重要的作用。相关资料表明:发酵酒香气的主体香气物质为四大酯类(乙酸异戊酯、己酸乙酯、辛酸乙酯与乙酸乙酯)与两大醇类(异戊醇与异丁醇),其他挥发性化合物只是对主体香气物质起修饰和补充作用[23]。本实验中草莓果酒的香气成分异戊醇、乙酸异戊酯、己酸乙酯及辛酸乙酯均被检出。 3 结 论 3.1 通过单因素和Box-Behnken 响应面试验,利用统计学的方法建立了草莓果酒发酵条件的二次多项式模型:Y=11+0.088A+0.28B+0.36C+0.20AB+0.23AC+0.35BC-1.63A2-1.36B2-1.43C2。并且确定了草莓果酒最佳发酵工艺条件:SO2添加量为81 mg/L、酵母添加量为1 g/L、发酵温度为20 ℃,测得草莓果酒的酒精度为11.45%,与预测值(11.49%)接近,说明了该模型可以很好的预测草莓果酒的发酵条件与酒精度的关系。同时也证明了响应面法优化草莓果酒发酵工艺参数的可行性。 3.2 采用HS-SPME,通过GC-MS分析草莓果酒的香气成分,初步鉴定出85种香气成分,占总峰面积的99.55%,其中相对含量较高的香气物质为:异戊醇10.36%、乙酸异戊酯8.99%、苯乙烯4.44%、己酸乙酯8.53%、乙酸己酯3.92%、辛酸4.89%、辛酸乙酯8.35%、癸酸4.74%、癸酸乙酯13.66%、反-橙花叔醇3.49%、月桂酸乙酯7.70%等。 参考文献: [1] 李静燕, 李春阳, 杨玉玲. 草莓低醇饮料发酵工艺优化研究[J]. 南方农业学报, 2012, 43(2): 227-231. [2] 马子骏, 王阳光, 林瑛影. 草莓酒人工发酵过程中化学成分变化的研究[J]. 中国食品学报, 2004, 4(4): 55-58. [3] PROTEGGENTE A R, PANNALA A S, PAGANGA G, et al. The antioxidant activity of regularly consumed fruit and vegetables reflects their phenolic and vitamin C composition[J]. Free Radical Research, 2002, 36(2): 217-233. [4] FERREYRA R M, VINA S Z, AMUGRIDGE, et al. Growth and ripening season effects on antioxidant capacity of strawberry cultivar Selva[J]. Scientia Horticulturae, 2007, 112: 27-32. [5] CEREZO A B, CUEVAS E, WINTERHALTER P, et al. Isolation, identification, and antioxidant activity of anthocyanin compounds in Camarosa strawberry[J]. Food Chemistry, 2010, 123: 574-582. [6] GIAMPIERI F, TULIPAN S, MEZZETTI B, et al. The strawberry: composition, nutritional quality, and impact on human health[J]. Nutrition, 2012, 28: 9-19. [7] WANG L S, ARNOLD M, HUANG Y M, et al. Modulation of genetic and epigenetic biomarkers of colorectal cancer in humans by black raspberries: a phase I pilot study[J]. Clinical Cancer Res, 2011, 17: 598-610. [8] 马银海, 彭永芳, 杨丽琳, 等. 草莓红色素的提取及树脂吸附[J]. 食品科学, 2005, 26(7): 56-58. [9] 杜恣闲, 郑建莉. 果酒的营养成分及其发展分析研究[J]. 江西化工, 2011(2): 23-26. [10] 陈文学, 胡月英, 林俊芳, 等. 菠萝酒酿造工艺研究[J]. 食品科学, 2010, 31(19): 259-262. [11] 王励治, 蒋和体. 野生猕猴桃干酒酿造工艺[J]. 食品科学, 2010, 31(24): 484-487. [12] 武运, 杨清龙, 艾克拜尔, 等. 新疆哈密红枣酒酿造工艺研究[J]. 食品科学, 2009, 30(2): 283-285. [13] 刘殿锋, 张志轩, 轩文娟, 等. 西瓜酒酿造工艺研究[J]. 食品科学, 2009, 30(20): 478-481. [14] 高兆建, 唐世荣, 邵颍. 低醇草莓果酒酿造工艺的研究[J]. 食品科学, 2008, 29(10): 157-162. [15] 杨雅利, 阚建全, 沈海亮, 等. 紫甘薯酒发酵工艺条件的优化[J]. 食品科学, 2012, 33(3): 157-162. [16] WU Long, YICK K L, NG S P, et al. Application of the Box-Behnken design to the optimization of process parameters in foam cup molding[J]. Expert Systems with Applications, 2012, 39: 8059-8065. [17] 赵翾, 李红良, 张惠妹. 响应面法优化火麻仁黄酮提取工艺[J]. 食品科学, 2011, 32(2): 127-131. [18] CHOPRA S, MOTWANI S K, IGBAL Z, et al. Optimisation of polyherbal gels for vaginal drug delivery by Box-Behnken statistical design[J]. European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics, 2007, 67: 120-131. [19] 盖禹含, 辛秀兰, 杨国伟, 等. 不同酵母发酵的蓝莓酒香气成分 GC-MS 分析[J]. 食品科学, 2010, 31(4): 171-174. [20] 王梦泽, 阎勤劳, 薛少平, 等. 草莓浑浊汁花色苷热降解动力学[J]. 食品研究与开发, 2010, 31(6): 50-52. [21] 魏长宾, 邢姗姗, 刘胜辉, 等. 紫花芒果实香气成分的GC-MS分析[J]. 食品科学, 2010, 31(2): 220-223. [22] MURALIDHAR R V, CHIRUMAMILA R R, MARCHANT R, et al. A response surface approach for the comparison of lipase production by Candida cylindracea using two different carbon sources[J]. Biochemistry Engineering Journal, 2001, 9(1): 17-23. [23] 杨雅利, 沈海亮, 阚建全. 紫色甘薯酒香气成分分析和发酵规律[J]. 食品科学, 2012, 33(12): 242-246. 收稿日期:2013-03-18 作者简介:王孝荣(1987—),男,硕士研究生,研究方向为现代食品加工理论与技术。E-mail:wxrongfighting@163.com *通信作者:蒋和体(1963—),男,教授,博士,研究方向为农产品加工。E-mail:jheti@126.com |
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