紫山藥低醇飲料發酵工藝優化及成分分析

李素芬,張紅雨,宋曙輝,劉建福,*

(1.天津商業大學生物技術與食品科學學院,天津 300134;2.北京市農林科學院蔬菜研究中心,北京 100097)

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紫山藥低醇飲料發酵工藝優化及成分分析

李素芬1,張紅雨1,宋曙輝2,劉建福1,*

(1.天津商業大學生物技術與食品科學學院,天津 300134;2.北京市農林科學院蔬菜研究中心,北京 100097)

以紫山藥為原料,研究發酵條件對紫山藥飲料酒精度及感官品質的影響;通過響應面實驗優化紫山藥低醇飲料的發酵工藝條件,確定紫山藥低醇飲料發酵的優化工藝參數,分析了低醇飲料的主要成分。結果表明:液化、糖化后的紫山藥漿液,發酵初始pH為3.70,添加0.15%的活性果酒TSY干酵母,溫度20 ℃條件下發酵48 h,即可得紫山藥低醇飲料;該飲料富含天然維生素及花青素、黃酮、酚類、尿囊素等生理活性物質。在優化的發酵條件下加工的紫山藥低醇飲料含糖量3.50%、pH3.70、酒精度2.52%、感官質量評分84.17分。此飲料澄清透明,色澤紫紅,果香和醇香濃郁。

紫山藥,發酵,低醇飲料,感官特性,響應面分析

紫山藥又名紫淮山、大薯、參薯、腳板薯、佛掌薯等,人稱“紫人參”,塊根呈紫紅色。目前主要分布在我國南方溫暖的地帶如廣州、廣西、福建、云南、臺灣等地以及非洲和印度尼西亞諸島等地[1]。紫山藥營養豐富,是一種藥食兼用的植物,每100 g干樣紫山藥中約含碳水化合物44.77 g、淀粉15.93 g、粗纖維25.13 g、蛋白質13.82 g、脂肪1.0 g、礦物質1.32 g[2];另外,紫山藥中還含有花青素、黏蛋白,尿囊素、薯蕷皂苷、膽堿、多酚等多種生理活性物質,具有降血脂、降血糖、抗氧化、抗突變、抗衰老等生理功效[3-4]。

近年來,紫山藥種植面積和產量逐漸增加,但由于紫山藥存在區域性和成熟季節性等特點,人們在不斷改變傳統的食用途徑和模式,因此以紫山藥為原料加工的產品越來越受到人們的關注。目前市場上紫山藥產品比較單一,主要以鮮食或加工成紫山藥粉為主。低醇飲料是一種營養豐富的低酒精度發酵飲料,目前美國、加拿大、歐洲等發達國家對植物來源的無醇及低醇飲料表現出濃厚興趣[5-6],并積極研制生產這類產品,但我國在以果蔬為原料發酵生產低醇飲料相對較少,而且國內外關于紫山藥低醇飲料開發和研究的文獻尚未見報道。實驗以新鮮紫山藥為原料,研究紫山藥低醇飲料發酵工藝并優化其參數,為紫山藥深加工產品的開發提供理論依據。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

紫山藥(黃巖紫山藥)北京市農林科學院蔬菜中心提供;果酒TSY干酵母課題組篩選保藏;α-淀粉酶(酶活6000 u/g)、糖化酶(酶活100000 u/g)北京博奧拓達科技有限公司;檸檬酸、碳酸氫鈉等均為分析純西隴化工股份有限公司。

PHS-3C型PH計上海理達儀器廠;RXZ智能型恒溫培養箱寧波江南儀器廠;HZ050R離心機長沙湘儀離心機儀器有限公司;JYL-C020打漿機九陽股份有限公司;RXZ智能型發酵罐寧波江南儀器廠;阿貝折光儀上海虹益儀器有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1紫山藥低醇飲料制作的工藝流程紫山藥挑選→清洗、蒸煮糊化→打漿→α-淀粉酶液化→糖化酶糖化→過濾→調節pH→接種→發酵→離心、過濾→調配→精濾→灌裝→殺菌→成品

1.2.2操作要點原料清洗、去皮、蒸煮50～60 min后,按料水質量比1∶3加入飲用水,用料理機打漿得到紫山藥漿料;在漿料中加入0.15%α-淀粉酶(根據前期實驗確定淀粉酶、糖化酶的添加量),70 ℃條件下液化60 min后,升溫至100 ℃,保溫10 min,使α-淀粉酶失活,然后迅速冷卻至50 ℃,用0.5%檸檬酸將漿料的pH調節至5.0,添加0.15%的糖化酶于50 ℃條件下糖化1.5 h。調節糖化液pH,添加活化的菌種,攪拌均勻后倒入發酵罐中于不同的溫度下發酵。發酵結束后立即將發酵液于4000 r/min的轉速下低溫離心10 min,在上清液中加入蔗糖進行調配,使糖度達3.5%,將上清液用0.45 μm濾膜微濾后測定其酒精度,灌裝、殺菌(100 ℃,20 min)、封口得紫山藥低醇飲料。

1.2.3菌種的活化準確稱取10 g果酒TSY干酵母,加入200 mL濃度為2%的蔗糖溶液中并攪拌均勻,于35 ℃活化20～30 min,直到蔗糖溶液中產生許多小氣泡為止。

1.2.4紫甘薯酒發酵條件的單因素實驗設計

1.2.4.1酵母接種量對紫山藥發酵液酒精度和感官品質的影響用檸檬酸將經液化、糖化的紫山藥漿料的pH調節至4.5,分別添加0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%的活化后的果酒TSY酵母,在20 ℃下恒溫發酵48 h,將酵液離心、調配、微濾后,測定紫山藥發酵飲料的酒精度,并進行感官評定。

1.2.4.2發酵初始pH對紫山藥發酵液酒精度和感官品質的影響用檸檬酸分別將經液化、糖化后的紫山藥漿液的pH分別調節至3.0、3.5、4.0、4.5、5.0,添加0.15%經活化后的果酒酵母TSY菌種,在20 ℃恒溫發酵48 h,將酵液離心、調配、微濾后,測定紫山藥發酵飲料的酒精度,并進行感官評定。

1.2.4.3發酵溫度對紫山藥發酵液酒精度和感官品質的影響用檸檬酸將經液化、糖化的紫山藥漿料的pH調節至4.0,添加0.15%活化的果酒酵母TSY菌種,分別在溫度16、20、24、28 ℃(根據前期實驗在溫度大于24 ℃時,溫度對其酒精度變化影響不大)下發酵48 h,將酵液離心、調配、微濾后,測定紫山藥發酵飲料的酒精度,并進行感官評定。

1.2.4.4發酵時間對紫山藥發酵液酒精度和感官品質的影響用檸檬酸將經液化、糖化的紫山藥漿料的pH調節至4.0,添加0.15%經活化后的果酒酵母TSY菌種,在20 ℃恒溫下分別發酵24、36、48、60、72 h,將酵液離心、調配、微濾后,測定紫山藥發酵飲料的酒精度,并進行感官評定。

1.2.5響應面實驗設計選取發酵起始pH、發酵溫度和發酵時間三個因素,以感官評定為響應值進行Box-Behnken響應面實驗設計與分析,實驗設計見表1。

表1　Box-Behnken響應面實驗設計因素水平Table 1　Corresponding real values of the fermentation conditions test in Box-Behnken experimental design

1.2.6感官評定方法選取中法合營王朝葡萄酒有限公司專業評酒員和生物工程專業學生共10人,參考發酵酒相關標準[7-8],結合紫山藥特性,對產品進行感官評定,評價標準見表2,結果取平均值。

表2　紫山藥低醇飲料感官評定標準Table 2　Sensory evaluation standard for low alcohol purple yam beverage

1.2.7紫山藥低醇飲料成分的測定方法取一定量經糖化、液化的紫山藥漿液,添加0.15%果酒TSY干酵母,在初始pH3.70、溫度20 ℃下發酵48 h,按1.2.2中的操作要點將發酵液調配、過濾、灌裝、殺菌后進行指標的測定。pH、還原糖、酒精度的測定分別采用pH計法,高效液相色譜法和比重計法;可滴定酸、可溶性糖分別參照GB/T12456-2008和GB6194-1986進行測定;蛋白質、脂肪、粗纖維、維生素C、灰分的測定方法分別參照GB/T5009.5-2010、GB/T5009.6-2010、GB/T5009.10-2010、GB 6195-1986和GB/T5009.4-2010;總黃酮測定采用鋁離子顯色法(以蘆丁為標準)[9],總酚測定采用Folin-Ciocalteu法[10],花青素測定采用示差法[11],尿囊素測定采用高效液相色譜法[11]。微生物指標測定參照GB/T4789-2003。

1.2.8數據處理與分析采用Microsoft Excel 2003和Design Expert 6.0軟件對數據進行處理和作圖。

2　結果與分析

2.1紫山藥發酵條件的單因素實驗研究

2.1.1酵母接種量對紫山藥低醇飲料的影響酵母接種量對紫山藥低醇飲料乙醇生成量和感官評定得分的影響見圖1。

圖1　酵母接種量對紫山藥低醇飲料中 酒精度和感官評定的影響Fig.1　Effect of yeast amount on alcohol contents and sensory evaluation for low alcohol purple yam beverage

由圖1可知,隨著酵母接種量的增加,飲料中的酒精含量也隨著增加,當酵母的接種量大于0.15%時,酒精含量增加的趨勢變化不大。因為在果酒TSY干酵母接種量較低時,發酵液中可發酵糖不能完全被酵母利用轉化為乙醇,導致發酵飲料的醇香味不足,影響口感;若接種量過高時,可發酵糖會被酵母消耗用于自身的生長,因而乙醇的產量也不會增加;同時由于酵母的生長和酵母自身的氣味,也會影響發酵飲料的風味。由圖1可知,酵母接種量為0.15%時,其感官評定得分最高,因此酵母的接種量選擇0.15%左右為好。

2.1.2發酵pH對紫山藥低醇飲料的影響發酵初始pH對紫山藥低醇飲料乙醇生成量和感官評定得分的影響見圖2。

圖2　發酵初始pH對紫山藥低醇飲料中 酒精度和感官評定的影響Fig.2　Effect of fermentation pH on alcohol contents and sensory evaluation for low alcohol purple yam beverage

由圖2可知,在pH<4.0時,隨著pH的升高,低醇飲料的酒精度不斷增加;當pH>4.0時,酒精度隨pH增加而趨于穩定。由于低酸性環境下會抑制酵母菌的代謝,從而影響乙醇的生成量;另外,過低的pH也會促進乙酸乙酯的水解生成揮發性酸,影響飲料的口感;而較高的發酵初始pH,不利于細菌等雜菌的抑制,會產生不良異味[12],導致感官評分降低。因此選擇發酵pH為4.0時為好。

2.1.3發酵溫度對紫山藥低醇飲料的影響發酵溫度對紫山藥低醇飲料中乙醇生成量和感官評定得分的影響見圖3。

圖3　發酵溫度對紫山藥低醇飲料中 酒精度和感官評定的影響Fig.3　Effect of fermentation temperature on alcohol contents and sensory evaluation for low alcohol purple yam beverage

由圖3可知,隨著發酵溫度的升高,飲料酒精的生成量增加。當發酵溫度高于24 ℃時,乙醇含量趨于穩定狀態。這是由于發酵過程中酵母菌將大部分可發酵糖轉化為乙醇,溫度越高酵母的代謝速度越快,產酸量越多,風味物質形成較少;溫度過低會延長發酵的時間,使產品的醇香味變淡[13]。紫山藥低醇飲料的發酵溫度控制在20 ℃時,產品的風味、口感、色澤較好。

2.1.4發酵時間對紫山藥低醇飲料的影響發酵時間對紫山藥低醇飲料的乙醇生成量和感官評定得分的影響見圖4。

圖4　發酵時間對紫山藥低醇飲料中 酒精度和感官評定的影響Fig.4　Effect of fermentation time on alcohol contents and sensory evaluation for low alcohol purple yam beverage

由圖4可知,當發酵時間低于48 h時,飲料中酒精的生成量隨著發酵時間的增加而大幅度的增加;而發酵時間超過48 h后,酒精量的增長幅度變小。由于發酵時間過短,酵母自身生長繁殖、代謝產物較少,產生乙醇量低,進而醇香味不足;發酵時間長,紫山藥中的風味物質會損失,果香味減弱,同時酸性物質也會增加,影響產品的風味。發酵48 h時,飲料風味、口感均較好,且酒精含量適宜。

2.2響應面法優化紫山藥低醇飲料的發酵工藝

2.2.1紫薯酒酵母發酵條件的響應面設計及結果根據單因素實驗結果,選取對發酵工藝影響較大的初始pH(A)、溫度(B)、時間(C)3種因素,進行響應面設計實驗,以感官評定得分為響應值,結果見表3。

通過軟件對表3的數據進行分析,得到優化后響應值的動態參數方程:Y=83.84-2.17A+0.91B-1.21C-1.67A2-5.05B2-2.39C2+0.17AB-1.93AC-1.60BC。

表3　響應面實驗設計與結果Table 3　Box-Behnken experimental design and results for optimizing fermentation congditions

2.2.2回歸分析響應面實驗結果的方差分析見表4。

表4　回歸模型的方差分析Table 4　Variance analysis for the fitted regression with sensory evalution as a function of various fermentation conditions

注:**表明在0.01水平極顯著,*表明在0.05水平顯著。

由方差分析可知,F=21.14,其p=0.0003<0.01,表明該模型極其顯著;失擬項的F值為2.98,p=0.1593>0.05。該方程系數R2=0.9645,校正R2=0.9189,說明模型的擬合度較好,可以利用該回歸方程確定最佳配方。

2.2.3各因素交互作用的響應面圖圖5～圖7為Box-Behnken實驗設計各因子交互作用的響應面圖。從圖中看出,在所選范圍內存在極值點,即響應面的最高點,經軟件優化分析得到最佳的實驗條件是發酵pH為3.68、發酵溫度為20.33 ℃、發酵時間為47.68 h,紫山藥低醇飲料感官評定得分的預測值為84.58分。為了方便工藝操作,選取紫山藥發酵初始pH為3.70、發酵溫度為20 ℃、發酵時間為48 h,進行Box-Behnken實驗設計的驗證實驗,此條件下所得產品的酒精度為2.52%,感官評定得分為84.17分,與理論預測值84.58分基本相符,表明該模型可以很好的預測紫山藥低醇飲料的發酵條件和感官評定的關系,也證明了響應面法優化紫山藥低醇飲料發酵工藝參數的可行性。

圖5　pH和溫度的交互作用對感官評定的影響Fig.5　Response surface showing the interactive effects of pH and temperature on sensory evalution of low alcohol purple yambeverage

2.3紫山藥低醇發酵飲料的質量指標

2.3.1感官指標產品呈紫紅色,色澤鮮艷,透明、無沉淀現象;醇香濃郁,酸甜可口,具有紫山藥特有的果香和醇香味。

2.3.2理化指標紫山藥低醇發酵飲料的主要成分見表5。由表5可知,飲料中脂肪和粗纖維的含量較少,而活性成分總黃酮、總酚、花青素、尿囊素的含量較高。

表5　紫山藥低醇飲料主要成分Table 5　Components of low alcohol purple yam beverage

圖6　pH和發酵時間的交互作用對感官評定的影響Fig.6　Response surface showing the interactive effects of pH and time on sensory evalution of low alcohol purple yambeverage

圖7　溫度和時間的交互作用對感官評定的影響Fig.7　Response surface showing the interactive effects of temperature and time on sensory evalution of low alcohol purple yambeverage

2.3.3微生物指標細菌總數≤100 CFU/mL,大腸菌群≤3 MPN/mL,致病菌未檢出。

3　結論

紫山藥營養豐富,富含多種維生素、礦物質等營養物質以及黃酮、酚類、花青素、尿囊素等生理活性物質,具有營養保健作用。單因素和Box-Behnken響應面實驗發現紫山藥發酵過程中,發酵的初始pH、溫度、時間等因素顯著影響飲料中乙醇的含量。紫山藥經糖化、液化后的紫山藥漿液,在添加0.15%果酒TSY干酵母,在初始pH3.70、溫度20 ℃情況下,發酵48 h可得到酒精度為2.52%、糖度3.5%的紫山藥低醇飲料。此飲料色澤紫紅,澄清透明,醇香濃

郁,酸甜可口,具有紫山藥特有的果香和醇香。

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Optimization of fermentation conditions for purple yam low-alcohol beverage and its ingredients analysis

LI Su-fen1,ZHANG Hong-yu1,SONG Shu-hui2,LIU Jian-fu1,*

(1.School of Biotechnology and Food Science,Tianjin University of Commerce,Tianjin 300134,China;2.Beijing Vegetable Research Center of BAAFS,Beijing 100097,China)

The purpose of this study was to investigate the effect of the fermentaion conditions on the alcohol content and sensory properties of product of Purple yams.Then the fermentation conditions for purple yam low-alcohol beverage were optimized with response surface methodology. The results showed that the beverage was obtained after fermentation for 48 hours with 0.15% Angel wine strains SY dry yeast at 20 ℃ and pH3.70. The beverage was rich in active substances such as vitamins,anthocyanin,total flavonoids,total phenols,and allantoin. Under the optimal fermentation conditions,the purple yam low-alcohol drink contained sugar 3.50%,pH3.70,alcohol 2.52% and the score of sensory evaluation was 84.17. It was clear and transparent,deep red with strong aromas of purple yam and fermentation flavor.

purple yam;fermentation;low-alcohol beverage;sensory properties;response surface methodology

2016-02-17

李素芬(1970-)，女，本科，實驗師，研究方向：食品科學與工程，E-mail:lisf@tjcu.edu.cn。

劉建福(1967-)，男，博士，教授，研究方向：食品科學，E-mail:13920821756@163.com。

北京市農林科學院科技創新能力建設專項；國家十二五科技支撐計劃(2012BAD34B05-07)。

TS255.1

B

1002-0306(2016)15-0225-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.15.035