沙棘紅曲酒發酵工藝的優化

鄧夢婕,李 麗,劉 慶,李雨芹

(四川理工學院生物工程學院,四川自貢 643000)

沙棘果是胡頹子科沙棘屬的植物沙棘的成熟果實,又名醋柳果、酸刺果,被稱為維生素的寶庫[1]。沙棘果大小如黃豆,具有很高的營養價值,富含維生素C、維生素E、維生素B類以及葉酸和胡蘿卜素,脂肪、蛋白質、鹽類和糖類,還含有沙棘黃酮、超氧化物歧化酶和ω6多不飽和脂肪酸等對人體的健康具有保健功能的生物活性物質[25]。

將沙棘果加工成為各種食品、藥品和保健品,不但可以滿足消費者對于健康養生的需求,還能夠進一步促進沙棘種植的大力發展。因此,對于沙棘的研制和開發不但具有很高的經濟效益,而且具有極大的社會效益[610]。就目前看來,市場上的沙棘果制品大都工藝較為簡單,技術含量較低,沒有形成相應的規模,沙棘的利用率較低;沙棘果酒幾乎都是直接將沙棘果在白酒中浸泡而成,所制得的此種沙棘果酒的風味和口感并不好,營養物質的浸出率比較低,以及沙棘果中的脂質溶出影響酒質,因而這種酒并不被大眾所喜愛[11]。

我國作為水果生產大國,水果種類眾多,在果酒行業自然有著較為廣闊的市場前景[1213]。大力投資果酒行業,可以降低糧食消耗,改善酒類消費結構,滿足消費者的多元化需求,提高水果產業的附加值,增加果農戶收入。根據國際果酒市場的發展前景,酒類消費的模式逐漸改變,特別是發達國家正逐步減少攝入酒精量,從而追求更加天然,含糖量較低的健康型果酒,并能進一步促進飲料酒的品種結構的改變[14]。紅曲中的紅曲色素可作為優良的著色劑,使果酒呈現出晶亮透明的寶石紅迷人色澤,紅曲中的代謝產物可提高沙棘果酒的功能性作用[1517]。本研究通過單因素、正交實驗,將沙棘純汁與紅曲共同發酵,賦予了酒體獨特的香味和功效,與目前市場上的浸泡沙棘酒相比,具有較大的市場前景。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新鮮沙棘果 山西呂梁山;紅曲霉QH 千禾味業有限公司;大米 超市購買;酵母菌 安琪酵母股份有限公司;葡萄糖、氫氧化鈉、無水亞硫酸鈉、硅藻土 成都科龍化工試劑公司。

HWS260A型恒溫恒濕培養箱 黃州綠博儀器有限公司有限公司;LSB50L型立式壓力蒸汽滅菌器 上海博迅實業有限公司醫療設備廠;T6型新世紀紫外可見光分光光度計 北京普析通用儀器有限責任公司;RJTDL50A型冷凍離心機 無錫市瑞江分析儀器有限公司;FA2204N型電子天平 常州市衡正電子儀器有限公司;7890A型安捷倫氣相色譜質譜聯用儀 美國安捷倫科技公司;SWCJ1F型單人雙面凈化工作臺 蘇州凈化設備有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 紅曲的制備

1.2.1.1 紅曲的制備工藝流程 大米→洗米→浸泡→瀝干→紗布包裹蒸煮→冷卻→分裝→接種→培養→干燥→紅曲[18]。

1.2.1.2 紅曲的制備要點 洗米:將大米用自來水清洗,去除雜質;浸泡:清洗好的大米浸泡30 min;蒸煮:將浸泡好的大米瀝干后放入蒸鍋中蒸至米粒無白心;冷卻:將蒸好的米飯放入無菌操作臺,待米飯冷卻后接種紅曲霉;分裝:將冷卻好的米飯分裝到錐形瓶中;接種:將培養好的紅曲霉種子液接入蒸好的米飯,搖勻;培養:將接種好的米飯放入溫度為35 ℃濕度為80%的恒溫恒濕培養箱中培養3 d后將溫度調至33 ℃培養4 d;干燥:將培養完成的紅曲放入40 ℃的烘箱中通風干燥至含水量為15%左右,制得紅曲。

1.2.2 沙棘果汁的處理工藝

1.2.2.1 沙棘果的挑選 篩選果實飽滿、無破皮的沙棘果進行榨汁。

1.2.2.2 沙棘汁的處理 沙棘果→破碎出汁→沙棘果漿→離心脫脂(6000 r/min,10 min)→沙棘果原汁→果膠酶澄清處理[1920]→二次離心脫脂(6000 r/min,10 min)→澄清沙棘果汁[2122]。

1.2.3 沙棘紅曲酒制備工藝

1.2.3.1 加工工藝 澄清沙棘果汁→降酸→5 ℃結晶→離心→巴氏滅菌→冷卻→加無菌水→調糖度→接種入酵母和紅曲→添加SO2→添加氯化銨/氯化鈣→恒溫發酵→過濾→巴氏滅菌→脫苦→降酸[8]。

1.2.3.2 發酵工藝要點 降酸:添加1.5%碳酸鈣,降低一定的酸度,并使pH3.5左右;結晶:將沙棘果原汁置于5 ℃下結晶24 h,紗布過濾后對沙棘果汁進行巴氏滅菌;調糖:根據所需糖度添加蔗糖,攪拌至蔗糖全部溶解后使用糖度計測果汁的糖度,然后繼續添加蔗糖至所需值;接種:將沙棘果汁調整糖度后接入所需接種量的活化后的酵母,一定量的紅曲和偏重亞硫酸鉀(90 mg/L);過濾:將發酵結束的沙棘紅曲酒先用四層紗布進行初濾,然后硅藻土過濾即可得到澄清透明的沙棘紅曲酒;脫苦:向過濾后的澄清的沙棘紅曲酒中添加0.15%～0.2%的β環糊精,使之全部溶解。

1.2.4 沙棘紅曲果酒發酵優化實驗

1.2.4.1 發酵初始溫度的確定 將20%的紅曲,10%的酵母,210 mL的沙棘果汁(糖度為20%),料水比為1∶2,90 mg/L偏重亞硫酸鉀于恒溫箱中發酵,設定溫度為22、25、28、31、34 ℃。發酵結束后,測定發酵醪液的酒精濃度,并以發酵溫度為橫坐標,以酒精度為縱坐標進行作圖,探究不同發酵溫度對沙棘紅曲酒酒精度、總糖、總酸的影響。

1.2.4.2 發酵初始糖度的確定 將20%的紅曲,10%的酵母(活化后的酵母比例),料水比為1∶2,90 mg/L偏重亞硫酸鉀,210 mL沙棘果汁(糖度分別為16%、18%、20%、22%、24%)于28 ℃恒溫箱中發酵。發酵結束后,其它操作同1.2.4.1并觀察其對酒體的影響。

1.2.4.3 紅曲添加量的確定 分別添加16%、20%、24%、28%、32%的紅曲,再添加10%的酵母(活化后的酵母比例)和210 mL的沙棘果汁(糖度為20%),料水比為1∶2,90 mg/L偏重亞硫酸鉀于28 ℃恒溫箱中發酵,發酵結束后,其它操作同1.2.4.1。

1.2.4.4 酵母添加量的確定 分別添加6%、8%、10%、12%、14%的酵母(活化后的酵母比例),20%的紅曲,210 mL的沙棘果汁(糖度為20%),料水比為1∶2,90 mg/L偏重亞硫酸鉀于28 ℃恒溫箱中發酵,發酵結束后,其它操作同1.2.4.1。

1.2.4.5 正交實驗優化沙棘紅曲酒的發酵條件 在單因素實驗基礎上,設溫度(A)、初始糖度(B)、紅曲添加量(C)、酵母添加量(D)四個因子,每個因子設3個水平進行發酵實驗,通過正交實驗,以酒精度為考察指標,確定沙棘紅曲果酒的最佳工藝條件,正交因素水平表見表1。

表1 正交試驗因素水平Table 1 Factors and levels of orthogonal experiment

1.2.5 分析方法 酒精度:參見文獻[23];pH測定:采用pH計測定;還原糖和總糖:參見文獻[24];酸度:參見文獻[25];色度:參見文獻[26];揮發性物質的測定:頂空固相微萃取法和氣相色譜質譜聯用儀。

GCMS分析條件:色譜條件為色譜柱DBWAX 60 m,0.25 mm,0.25 μL(122～7062);載氣He的總流速為19 mL/min;進樣口溫度為230 ℃,柱溫箱的起始溫度為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,最后運行31 min。質譜條件為電離方式EI,電子能量70 ev,離子源溫度為230 ℃,連接桿溫度150 ℃。

透光率測定:紫外可見分光光度計法,在紫外可見分光光度計上測定其透光率(T,%),取澄清的沙棘果酒液置于1 cm比色皿中,在波長為680 nm處,測定其透光率(T,%),用蒸餾水進行空白調零。

1.3 數據處理

采用Excel、Origin 8.5等軟件對單因素結果進行分析、作圖,單因素平行實驗進行3組,正交實驗采用平均值±標準差表示[27]。

2 結果與分析

2.1 發酵工藝單因素實驗結果與分析

2.1.1 最佳發酵溫度的確定 由圖1可以看出,隨著發酵溫度的升高,酒體酒精度有所增加,此時酵母生長較好,將物料中的糖轉化為酒精的速度與溫度呈線性關系;當溫度在28 ℃以上時酒精度開始下降,是因為溫度的升高導致酵母的代謝增快,促使酵母加快衰亡,導致主發酵的時間縮短。在發酵過程中,總酸的含量隨著溫度的升高略有上升的趨勢,總糖的含量隨著發酵溫度的升高逐漸下降。綜合沙棘紅曲酒的理化指標,當發酵溫度為28 ℃時紅曲沙棘酒酒精度、總糖、總酸含量相對適合,確定28 ℃為適宜發酵溫度。

圖1 發酵溫度對果酒品質的影響Fig.1 Effect of temperature on the fermentation quality of wine

2.1.2 最佳發酵初始糖度的確定 沙棘果汁的含糖量為3%左右,直接發酵,最終的酒精度遠達不到國標的標準,因此在發酵的初期添加蔗糖來改變果汁的初始糖度,以提高發酵完成后果酒的酒精度,然而蔗糖添加的過多或者過少都不能達到工藝的標準。不同初始糖度對沙棘紅曲酒發酵的影響,結果如圖2所示。

圖2 發酵初始糖度對果酒品質的影響Fig.2 Effect of initial sugar content on the fermentation quality of wine

由圖2實驗結果可知:隨著發酵初始糖度的增加,殘糖量先減小后增大,酒精度先增大后減小。初始糖度在20%～24%范圍內,酒精度的隨初始糖度的增加呈現先增加后下降的趨勢;當糖度達到22%時,酒精度達到最大值,以后酒精度略微下降。當糖度在20%以下時,總酸和總糖呈現出下降的趨勢,推測當糖度在20%以下時,由于沙棘本身帶的酸度影響了總酸、總糖的變化。糖度在20%～22%時,總酸、總糖隨之增加。從而確定初始糖度為22%。

2.1.3 最佳紅曲添加量的確定 紅曲的添加對果酒的風味和色澤會產生很大的影響,其中紅曲的代謝產物酶類、色素等會影響酒的口感。不同紅曲添加量對沙棘紅曲酒發酵的影響,結果如下圖3所示。

圖3 紅曲的添加量對果酒品質的影響Fig.3 Effect of addition of Monascus on the quality of wine

由圖3的實驗結果可知:紅曲的添加量對沙棘紅曲酒的品質有著很大的影響,隨著紅曲的添加量的逐漸增加,酒體的色價有明顯提高,酒精度也在呈現先上升后下降的趨勢;隨著紅曲的添加,總酸含量出現先下降后上升的趨勢;而總糖含量出現先上升后下降的趨勢。當添加量為20%時,總糖含量最高,總酸含量為最低。當添加量為24%時,酒精度最高,達到了11.1%,酸度繼續升高,總糖含量略微下降;當添加量為32%時,酒精度降低,酸度達到最高,這可能是由于計入了過多的紅曲,從而會抑制酵母的生長代謝。因此,適宜發酵的紅曲添加量為24%。

2.1.4 最佳酵母接種量的確定 釀酒酵母在發酵的過程中不僅能夠產生乙醇,還可以產生高級醇、醛、酯、酸等,這些酵母的代謝物質組成了酒中重要的香味物質。不同酵母添加量對沙棘紅曲酒發酵的影響,結果如下圖4所示。

圖4 酵母接種量對果酒品質的影響Fig.4 Effect of yeast inoculums on the quality of wine

由圖4的實驗結果可知,酵母添加量會對酒體的質量產生一定的影響,隨著酵母添加量的增大,酒精度的趨勢呈先上升后下降的狀態。隨著酵母的添加,總酸和總糖的含量呈現先上升后下降的趨勢;當酵母的接種量為8%時,酒精度達到11.2%vol,總酸達到13.6 g/L,總糖達到9.6%,因此酵母添加為8%時為最適宜。

2.2 發酵工藝參數正交實驗結果與分析

按照表1所設計的正交實驗進行實驗,得到如下表2所示的正交實驗結果。

表2 正交實驗結果Table 2 Results of orthogonal test

根據表2極差分析可知:以酒精度為指標,按極差的大小列出各個因素對沙棘紅曲酒品質的影響大小的順序依次為:D>B>C>A,即酵母接種量是最主要的影響因素,緊接著依次是初始糖度、紅曲添加量、發酵溫度。由K值確定最佳的工藝參數為A3B2C2D2,即發酵溫度為28 ℃,發酵初始糖度為22%,紅曲添加量為24%,酵母接種量為8%。由此進行驗證性實驗,通過感官評價分析發現,理論最佳發酵方案發酵的果酒酸度適宜,口感微酸,后味干凈。酒體色澤鮮亮、澄清;聞香具有舒適的果香,入口果香、酒香協調,具有沙棘曲型香味,酒精度在11.4%±0.5%vol。因此確定理論最佳工藝為最優工藝。

2.3 沙棘紅曲酒香氣成分分析

使用氣相色譜質譜聯用儀,采用固相微萃取法中的頂空萃取模式測定沙棘果酒和沙棘紅曲酒中的揮發性物質,其中離子流圖見下圖5和圖6,表3為沙棘果酒中香氣成分組成,表4為沙棘紅曲酒中香氣組成成分。

圖5 沙棘果酒中香氣成分GCMS圖Fig.5 The GCMS of favor components of Seabuckthorn wine

圖6 沙棘紅曲酒中香氣成分GCMS圖Fig.6 The GCMS of flavor components of Monascus seabuckthorn wine

表3 沙棘果酒中香氣成分組成Table 3 Flavor contents of Seabuckthorn wine

表4 沙棘紅曲酒中香氣成分組成Table 4 Flavor contents of Monascus seabuckthorn wine

由上表3可以看出,通過頂空氣相微萃取的鑒定,鑒定的物質中,沙棘果酒中的醇類化合物為4種,酸類化合物為4種,酯類化合物為3種。由上表4可以看出,沙棘紅曲酒中的醇類化合物為6種,酸類化合物為3種,酯類化合物為3種。

比較可知,沙棘果酒中醇類化合物、酸類化合物的種類最多,酯類化合物其次,沙棘紅曲酒中醇類化合物種類最多,酯類化合物和酸類化合物的種類次之。醇類化合物中的高級醇溶于酒精而不溶于水,酒的度數低時呈現為油狀,適量的高級醇能改善果酒的風味,但含量過高時,會影響酒的風味,飲后還會引起上頭反應,因此果酒中的高級醇的含量應加強控制;酯類化合物是紅曲果酒在發酵的過程中由酵母產生的重要的香味物質;酸類化合物的含量是影響紅曲果酒的一個重要的因素,如果含量過高會產生不良的氣味且使口感不佳。

3 結論

通過單因素實驗、正交實驗得出沙棘紅曲酒的最佳發酵工藝條件為:初始糖度為22%,初始溫度為28 ℃,紅曲添加量為24%,酵母添加量為8%,在此條件下沙棘紅曲酒酸度適宜,色澤紅亮,透明,酒精度在11%±0.5%vol,具有沙棘特有的果香,口感較好。利用微生物發酵技術,與市場上的高度浸泡果酒、調配勾兌果酒相比,本研究保證了產品原汁原味綠色生態,還能改善沙棘果酒酸、澀的口感。

本研究以添加一定量的碳酸鈣起到降酸、抑菌的作用。其次是酒發酵結束之后需要添加一定量的β環糊精,可對發酵過程中產生的檸檬苦素進行包埋,降低沙棘果酒中的苦澀味。利用頂空固相微萃取和氣相色譜質譜聯用儀對沙棘紅曲酒中揮發性物質進行分析,結果表明,添加紅曲后,沙棘紅曲果酒中的醇類化合物、酯類化合物和酸類化合物較沙棘果酒都有所變化,香氣成分較沙棘果酒更豐富。

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