藜麥格瓦斯發酵工藝優化及揮發性風味物質分析

孫子羽，滿都拉，郝 歡，溫 慧，劉 婷，陳忠軍*

（內蒙古農業大學 食品科學與工程學院，內蒙古 呼和浩特 010018）

藜麥（Chenopodium quinoaWilld.）又稱藜谷、南美藜、昆諾阿藜等，是藜屬的一年生雙子葉植物，起源于南美洲安第斯山區，是該地區最早栽培的植物之一[1-2]。藜麥具有比大多數谷類作物蛋白質含量更高、氨基酸比例更加均衡的優點，且藜麥不含麩質，適于對麩質過敏的人群食用[3]。藜麥的維生素含量也很豐富（如維生素E、維生素C和B族維生素），還富含類胡蘿卜素、葉黃素和玉米素，這些物質含量均高于常規谷物[4]。值得關注的是，藜麥中還含有豐富的黃酮、多酚和不飽和脂肪酸等營養功能因子，具有抗氧化、降血脂、增強免疫等生理功效，從而能夠降低一些慢性疾病的發生風險[5]。

格瓦斯是一種以谷物或面包為原料，由乳酸菌和酵母菌發酵而成的含酒精飲料[6]，與加利亞布扎、德國啤酒、美國可樂一同被譽為“世界四大民族飲品”[7-9]。格瓦斯口感醇香帶甜，具有開胃、健脾、增進人體消化功能等多種功效[10]，是可代酒助興的良好保健飲料。目前，對格瓦斯的研究主要集中在新品格瓦斯的開發上，方法主要是在原料中加入谷物、果蔬、花卉等[11-14]，而以藜麥為原料的格瓦斯鮮有報道。

本研究以大麥芽、焦香麥芽、藜麥為原料制備格瓦斯飲料，通過單因素試驗和正交試驗對格瓦斯發酵原料的配比及工藝進行優化，并利用頂空固相微萃取-氣質聯用（head space solid phase micro-extraction-gas chromatography-mass spectrometry，HS-SPME-GC-MS）法鑒定藜麥格瓦斯揮發性風味成分，以期為藜麥杞格瓦斯中香味物質的認識和藜麥相關產品的開發提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

藜麥、大麥芽、焦香麥芽：市售；酒花：新疆方睿啤酒原料制品有限責任公司；啤酒酵母、α-淀粉酶（40000U/g）：安琪酵母股份有限公司；乳酸菌：本實驗室分離篩選保存的嗜熱鏈球菌（Streptococcus thermophilus）；糖化酶（50 000 U/g）：山東樸正生物科技有限公司。

1.2 儀器與設備

PB-10精密電子pH計：賽多利斯科學儀器（北京）有限公司；PAL-1糖度儀：日本ATAGO（愛拓）公司；HWS-12電熱恒溫水浴鍋：上海一恒科學儀器有限公司；SPME裝置：上海安譜實驗科技股份有限公司；Trace1300-ISQ型GC-MS聯用儀：美國賽默飛世爾科技公司。

1.3 方法

1.3.1 藜麥格瓦斯生產工藝流程及操作要點

粉碎：將大麥芽、焦香麥芽、藜麥粉碎過40目篩備用。

液化：在混合好的麥芽中按料水比（1∶12）加入純凈水，然后加入0.5%的淀粉酶，85～95℃蒸煮1 h。

糖化：將液化好的麥芽汁降溫至65℃，添加4%的糖化酶，60℃水浴保溫1 h。

過濾：用雙層紗布過濾。

滅酶：將過濾后的麥芽汁裝入敞口的發酵瓶中，置于水浴鍋中煮沸90 min，在煮沸10 min時加入酒花。

菌株活化：采用啤酒活性干酵母及實驗室保存的嗜熱鏈球菌進行發酵。將嗜熱鏈球菌接種到MRS培養基中，按2%（V/V）接種量活化三代至活菌濃度為3×107CFU/mL。啤酒活性干酵母按料水比為1∶10（W/V），加入2%蔗糖，置于35℃水浴鍋中活化30 min至大量起泡即酵母活化完成。

接種：在超凈臺中完成，以防止污染。

發酵：發酵瓶用帶有單向閥的瓶蓋密封，置于恒溫培養箱中。

貯存熟化：將發酵液密封置于4℃冷藏柜7 d。

巴氏殺菌：65～70℃殺菌12～15 min。

1.3.2 藜麥格瓦斯發酵工藝優化單因素試驗

固定初始麥芽添加總量30 g，酒花添加量0.4%，藜麥添加量8%，接種量3%，接種比（酵母菌∶乳酸菌）2∶1，發酵溫度25℃，發酵時間16 h。分別改變大麥芽與焦香麥芽的比例（9∶1、8∶2、7∶3、6∶4、5∶5）、藜麥添加量（0、4%、8%、12%、16%）、接種量（1%、2%、3%、4%、5%）、接種比（3∶1、5∶2、2∶1、3∶2、1∶1）、發酵時間（8 h、12 h、16 h、20 h、24 h）、發酵溫度（30.0℃、27.5℃、25.0℃、22.5℃、20.0℃），對格瓦斯粗品進行感官評定以確定每個因素的最佳水平。

1.3.3 藜麥格瓦斯發酵工藝優化正交試驗

表1 藜麥格瓦斯發酵條件優化正交試驗因素與水平Table 1 Factors and levels of orthogonal experiments for fermentation process optimization of quinoa kvass

在單因素試驗的基礎上，設計4因素3水平正交試驗，考察發酵溫度、接種量、接種比和發酵時間對格瓦斯感官品質的影響，正交試驗因素與水平見表1。

1.3.4 測定方法

感官評價：根據國家標準GB/T 16861—1997《感官分析通過多元分析方法鑒定和選擇用于建立感官剖面的描述詞》，選擇描述詞，根據GB/T 10220—2012《感官分析方法學總論》建立感官評分標準，見表2。選定20人（男女各10人），根據表2標準主要圍繞色澤、氣泡、口感風味和組織狀態對藜麥格瓦斯進行感官評定。

表2 藜麥格瓦斯感官評分標準Table 2 Standard of sensory evaluation of quinoa kvass

藜麥格瓦斯中揮發性風味物質分析采用氣質聯用法，其前處理：精密量取8.0 mL藜麥格瓦斯放入20 mLSPME樣品瓶中，將老化后的萃取頭插入樣品瓶頂空部分進行萃取，在60℃水浴條件下平衡10 min，萃取頭頂空吸附30 min后，在GC進樣口釋放1 min。

揮發性風味成分的氣相色譜-質譜條件為DB-5毛細色譜柱（30 m×0.25 mm，0.25 μm）；載氣為氦氣（He）；載氣流速1.0 mL/min；離子源溫度230℃；進樣口溫度250℃；升溫程序：初始溫度50℃保持1 min，以2℃/min升溫至100℃保持3 min，再以4℃/min升溫至220℃保持10 min，不分流進樣；質量掃描范圍（m/z）50～550；溶劑延遲1 min。

2 結果與分析

2.1 藜麥格瓦斯發酵條件優化單因素試驗

2.1.1 大麥芽與焦香麥芽比例的確定

由圖1可知，在固定初始主原料配比和發酵條件下，藜麥格瓦斯感官評分隨大麥芽和焦香麥芽的比例升高呈現先升高后下降趨勢。在大麥芽和焦香麥芽的比例為7∶3時感官評分達到最大值85.3分，此時藜麥格瓦斯呈深黃色，且焦香味較好，故大麥芽與焦香麥芽最佳比例確定為7∶3。

圖1 大麥芽與焦香麥芽比例對藜麥格瓦斯感官評分的影響Fig.1 Effect of barley malt to burnt malt ratio on sensory evaluation score of quinoa kvass

2.1.2 藜麥添加量的確定

由圖2可知，在其他條件不變情況下，藜麥格瓦斯感官評分隨藜麥添加量的增加呈現先升高后下降的趨勢。在無藜麥添加時，格瓦斯口感雖均衡，但無特征風味，在藜麥添加量為12%時，感官評分達到最大值86.4分，此時藜麥特有的香味豐富，酸甜平衡，故藜麥最優添加量確定為12%。

圖2 藜麥添加量對藜麥格瓦斯感官評分的影響Fig.2 Effect of quinoa addition on sensory evaluation score of quinoa kvass

2.1.3 接種量的確定

圖3 接種量對藜麥格瓦斯感官評分的影響Fig.3 Effect of inoculum on sensory evaluation score of quinoa kvass

由圖3可知，在其他條件固定情況下，藜麥格瓦斯感官評分隨接種量的增加整體呈現先升高后下降的趨勢。在接種量為3%時，感官評分達到最大值87.4分，此時藜麥格瓦斯含氣豐富，口感平衡，故最佳接種量確定為3%。

2.1.4 接種比的確定

由圖4可知，在其他條件不變情況下，藜麥格瓦斯感官評分隨酵母菌和乳酸菌的比例減小呈現先升高后下降趨勢。在酵母菌與乳酸菌比例為2∶1時，感官評分達到最大值87.5分，此時藜麥格瓦斯口感均勻，氣味協調，故酵母菌與乳酸菌最佳接種比確定為2∶1。

圖4 接種比對藜麥格瓦斯感官評分的影響Fig.4 Effect of inoculation proportion on sensory evaluation score of quinoa kvass

2.1.5 發酵時間的確定

由圖5可知，在其他條件不變情況下，發酵時間對藜麥格瓦斯感官評分的影響類似于接種比對其的影響。在發酵16 h時，感官評分達到最大值87.0分，此時藜麥格瓦斯酸甜適口。隨發酵時間延長，發酵液糖度和酸度下降明顯使黎麥格瓦斯口感較酸，故最佳發酵時間確定為16 h。

圖5 發酵時間對藜麥格瓦斯感官評分的影響Fig.5 Effect of fermentation time on sensory evaluation score of quinoa kvass

2.1.6 發酵溫度的確定

由圖6可知，在其他條件都確定的情況下，發酵溫度對藜麥格瓦斯感官評分的影響表現為先升高后下降。在25.0℃時，感官評分達到最大值84.4分，此時藜麥格瓦斯殺口感均勻，且稍有啤酒的香味，因此，確定最佳發酵溫度為25.0℃。

圖6 發酵溫度對藜麥格瓦斯感官評分的影響Fig.6 Effect of fermentation temperature on sensory evaluation score of quinoa kvass

2.2 藜麥格瓦斯發酵條件優化正交試驗

表3 藜麥格瓦斯發酵條件優化正交試驗結果與分析Table 3 Results and analysis of orthogonal experiments for fermentation conditions optimization of quinoa kvass

由表3可知，影響藜麥格瓦斯感官評分的因素主次順序為接種量（B）＞接種比（C）＞發酵溫度（A）＞發酵時間（D），最優工藝組合為A1B1C1D1，即發酵溫度23℃、接種量2.5%、接種比1.8∶1.0、發酵時間16 h時，在此優化條件下所得藜麥格瓦斯的感官評分為87.4分。

2.3 藜麥格瓦斯的揮發性風味物質分析

采用HS-SPME結合GC-MS萃取分離鑒定藜麥格瓦斯中的揮發性成分，通過美國國家標準與技術研究院（national institute of standards and technology，NIST）數據庫檢索，藜麥格瓦斯的揮發性風味物質組成見表4。

表4 藜麥格瓦斯中揮發性成分的GC-MS分析結果Table 4 Analysis results of volatile flavor substances in quinoa kvass by GC-MS

由表4可知，在檢測到的揮發性風味物質中，醇類化合物所占的比例最大，占全部揮發性風味物質的65.82%，共有13種，其中苯乙醇含量最高，占總揮發性物質的25.74%，其次是異戊醇，占18.68%。苯乙醇具有柔和、愉快而持久的玫瑰香味[15]，異戊醇有蘋果白蘭地香氣和辛辣味[16]，這兩種物質在形成藜麥格瓦斯整體風味中具有重要作用。

酯類物質所占比例僅次于醇類物質，占檢出總量的23.09%。共有16種，排在前三的分別為辛酸乙酯、癸酸乙酯和正己酸乙酯，各自占總揮發性物質的7.78%、3.52%和3.15%。辛酸乙酯具有梨子香味[17]，癸酸乙酯具有椰子香味[18]，正己酸乙酯具有水果香味，能夠起到很好的香氣修飾效果[19]。酯類物質整體提供了怡人的果香香氣，可使藜麥格瓦斯變得清甜醇香[20]。

酸類物質共檢測到9種，占檢出總量的6.79%，其中正癸酸和辛酸含量較高，分別為2.65%和2.05%。適量的酸可對格瓦斯起緩沖作用，協調、烘托格瓦斯的主體香。醛類物質共檢測到6種，分別是3,5-二甲基苯甲醛、苯乙醛、異戊醛、椰子醛、壬醛和2-甲基十一醛，其中苯乙醛具有甜香味、壬醛具有玫瑰花香，椰子醛具有苦杏仁或桃花香[21]。另外，還檢測到2種酮類物質、1種烴類物質和1種酚類物質，其中甲基庚烯酮和2-壬酮都具有具有水果香氣，2-甲氧基-4-甲基苯酚具有香辛料、丁香、香蘭素和煙熏香氣。這些物質共同組成了藜麥格瓦斯獨特的風味。

3 結論

采用單因素及正交試驗對以大麥芽、焦香麥芽、藜麥為原料的格瓦斯發酵工藝進行優化，結果表明，藜麥格瓦斯最佳發酵工藝為大麥芽∶焦香麥芽7∶3、藜麥添加量12%、接種量2.5%（V/V）、接種比例（酵母菌∶乳酸菌）1.8∶1.0、發酵溫度23℃、發酵時間16 h。在此工藝條件下，得到藜麥格瓦斯飲料顏色呈深黃色、酸甜爽口、風味良好，感官評分為87.4分。

利用頂空固相微萃取-氣相色譜-質譜聯用（HSSPME-GC-MS）技術分析藜麥格瓦斯揮發性風味成分，共鑒定出48種揮發性風味物質，其中包括醇類13種（含量65.82%）、酯類16種（含量23.09%）、酸類9種（含量6.79%）、醛類6種（含量1.36%）、烴類1種（含量0.86%）、酚類1種（含量1.57%）、酮類2種（含量0.51%）。藜麥格瓦斯中主要風味物質為醇類、酯類和酸類。主要風味化合物為苯乙醇（25.74%）和異戊醇（18.68%）等。