芒果胡蘿卜復合果酒發酵工藝的研究

孟金明,樊愛萍,李全麗,曾麗萍

(紅河學院理學院,云南蒙自 661199)

芒果是熱帶水果中非常具有代表性的一種水果,肉質豐厚、汁多味甜、果香濃郁,深受廣大群眾的喜愛[1]。芒果營養豐富,其中富含維生素C和β-胡蘿卜素,有助于改善壞血癥、夜盲癥,提高抵抗力[2]。此外,芒果中還存在著一種特殊的成分—芒果苷,有抗氧化的功能,可以降低過氧化脂質對大腦神經元的傷害[3]。胡蘿卜又稱紅蘿卜,可食用部位為其肉質根,質地細膩,口感清爽脆嫩,味道微甜,是一種老少皆宜的家常疏菜。胡蘿卜中存在多種不同的類胡蘿卜素,含有維生素、花青素、膳食纖維、木質素及礦物質等多種營養成分[4]。食用胡蘿卜可以有效預防夜盲癥,促進胃腸蠕動改善便秘,同時還能降低血壓、血糖,防治血管硬化及心臟病等疾病[5]。

目前,市面上主流的果酒主要是葡萄酒,其品種單一,不能滿足消費者的多元化需要,而復合果酒作為近年來發展起來的一種健康飲品,具有品種多樣、類型繁多、口味豐富且含有多種功能性成分等特點,逐漸受到人們的喜愛[6-7]。譚雯文等[8]以楊桃和芒果為原材料研制復合果酒,通過單因素試驗和正交試驗,得出其最佳發酵條件為:桃汁和芒果汁的配比為1∶4,發酵溫度為22 ℃,發酵時間13d。曾朝珍等[9]以蘋果和樹莓為原材料,通過單因素實驗和正交試驗得出蘋果樹莓果酒的最佳發酵工藝條件為:發酵溫度28 ℃、糖添加量4%、接種量5%。雖然當前有多種類型的復合果酒研究及應用,但是目前尚未有芒果胡蘿卜復合果酒的相關研究報道。

在大健康產業形勢的帶動下,消費者對于健康產品的要求逐漸增高。芒果與胡蘿卜不僅營養價值高,還具有一定的保健成分,將其制成果酒可以較好地保持營養成分[10-11]。本文以芒果與胡蘿卜為原料,采用單因素實驗和Box-Behnken 試驗設計,運用響應面法優化發酵工藝參數,以期制作出適宜酒精度、色澤橙黃、果香味濃郁的復合果酒,提高果蔬的附加價值,豐富果酒品種,滿足不同消費者對果酒的需求,促進水果產業的發展,為復合果酒市場化發展提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

供試材料為新鮮的芒果和胡蘿卜 購自蒙自水果蔬菜批發市場;纖維素酶(80000 U/g)、果膠酶(80000 U/g)、焦亞硫酸鉀、檸檬酸 友誼食品添加劑公司;安琪果酒酵母 安琪酵母有限公司;色譜純甲醇、乙醇 天津化學試劑三廠;鹽酸、氫氧化鈉、葡萄糖、次甲基藍、酒石酸鉀鈉、硫酸銅、硫酸、酚酞 均為分析純(AR),國藥集團化學試劑有限公司;實驗用水 均使用實驗室自制蒸餾水。

GC-2010型氣相色譜儀 日本島津有限責任公司;GSP-9160MBE型隔水式恒溫培養箱 上海博訊實業有限公司;CP224C型電子天平 上海奧豪斯儀器有限公司;DHG-9070A型電熱恒溫鼓風干燥箱 上海齊欣科學儀器有限公司;PHS-3C型pH計 上海雷磁-上海儀電科學儀器股份有限公司;JYL-Y15型九陽高速破壁調理機 九陽股份有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 芒果胡蘿卜復合果酒的發酵工藝流程 芒果原料挑選→清洗→去皮、去核→切分→破碎→打漿;

1.2.2 操作要點 預處理:挑選新鮮、無蟲害、無機械損傷的八成熟芒果,清洗干凈,去除果皮和果核,將果肉切分小塊,按1∶1 (m/m)的比例加蒸餾水,破碎打漿。挑選成熟度一致的胡蘿卜,洗凈去皮,切成1 cm大小的方塊,95 ℃熱燙6 min,將水果與蒸餾水按1∶2 (m/m)的比例混合,破碎打漿。

酶解:將芒果漿和胡蘿卜漿按一定比例混合,按0.1 g/L的用量分別加入纖維素酶和果膠酶,50 ℃恒溫水浴攪拌3 h,酶解后迅速加熱至90 ℃滅酶5 min。

調配:添加適量偏重亞硫酸鉀,用白砂糖調節將果汁含糖量調至24%,用檸檬酸調果汁的pH至3.4。

酵母活化:稱取2 g的活性干酵母加入到30 mL 3%的葡萄糖水溶液中,37 ℃活化0.5 h。

主發酵:接種完之后,放入到恒溫培養箱中,26 ℃發酵8 d。

1.2.3 芒果胡蘿卜復合果酒發酵單因素實驗

1.2.3.1 原料配比對復合果酒發酵的影響 將破碎打漿后的芒果漿和胡蘿卜漿按分別按3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3的體積比進行混合,初始糖度22%,初始pH3.4,酵母接種量為0.10%,SO2添加量為40 mg/L,置于24 ℃的條件下發酵,通過感官評價篩選原料配比。

1.2.3.2 SO2添加量對復合果酒發酵的影響 將破碎打漿后的芒果漿和胡蘿卜漿按2∶1 (V/V)混合,初始糖度22%,初始pH3.4,酵母接種量為0.10%,SO2添加量分別為0、20、40、60和80 mg/L,混合均勻,置于24 ℃的條件下發酵8 d,測定發酵液的酒精度及殘糖含量。

1.2.3.3 初始糖度對復合果酒發酵的影響 將破碎打漿后的芒果漿和胡蘿卜漿按2∶1 (V/V)混合,初始糖度分別調節成18%、20%、22%、24%和26%,初始pH3.4,酵母接種量為0.10%,SO2添加量為60 mg/L,混合均勻,置于24 ℃的條件下發酵8 d,測定發酵液的酒精度及殘糖含量。

1.2.3.4 初始pH對復合果酒發酵的影響 將破碎打漿后的芒果漿和胡蘿卜漿按2∶1 (V/V)混合,初始糖度24%,初始pH分別為3.0、3.2、3.4、3.6和3.8,酵母接種量為0.10%,SO2添加量為60 mg/L,混合均勻,置于24 ℃的條件下發酵8 d,測定發酵液的酒精度及殘糖含量。

1.2.3.5 酵母接種量對復合果酒發酵的影響 將破碎打漿后的芒果漿和胡蘿卜漿按2∶1 (V/V)混合,初始糖度24%,初始pH3.4,酵母接種量分別為0.05%、0.10%、0.15%、0.20%和0.30%,SO2添加量為60 mg/L,混合均勻,置于24 ℃的條件下發酵8 d,測定發酵液的酒精度及殘糖含量。

1.2.4 芒果胡蘿卜復合果酒發酵工藝優化 在單因素實驗的基礎上,根據Box-Behnken的中心組合設計原理,選取選取SO2添加量(A)、初始pH(B)和酵母添加量(C)3個因素為自變量,以酒精度為響應值,根據Box-Behnken 實驗設計原理,采用三因素三水平的響應面分析方法,試驗因素水平設計見表1[12]。

表1 響應面分析試驗因素水平表Table 1 Factors and levels of response surface analysis experiment

1.2.5 指標測定方法

1.2.5.1 酒精度、總糖、總酸、揮發酸、干浸出物測定以及感官評價 酒精度測定:采用密度瓶法;總糖測定:采用直接滴定法;總酸和揮發酸測定:采用指示劑法;干浸出物及以上指標均參考GB 15038-2006[13]檢測。

表3 不同芒果漿與胡蘿卜漿混合比例所得酒樣的感官評價表Table 3 Sensory evaluation table of wine obtained by different mixing ratios of mango pulp and carrot pulp

注:同列數據中不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05),下同。芒果胡蘿卜復合果酒感官評價參照GB 15037-2006[14],請經果酒感官培訓的10位人員,對果酒色澤、透明度、香氣、滋味和典型性5項指標進行評價(表2),取平均值作為最終感官得分。

表2 感官評價表Table 2 Sensory evaluation

1.2.5.2 微生物指標的測定 菌落總數的測定:參考GB 4789.2-2016[15]檢測;大腸菌群計數的測定:參考GB 4789.3-2016[16]檢測。

1.2.5.3 甲醇的測定[17]甲醇標準溶液配制:將甲醇標準物質用乙醇配制成5000 mg/L的甲醇標準儲備液,再將其逐級稀釋成濃度分別為50、100、200、300、400 mg/L的甲醇標準工作溶液。將標準液過0.22 μm濾膜后進行氣相色譜分析。

樣品的制備:用100 mL容量瓶準確量取100 mL酒樣加100 mL水于500 mL蒸餾瓶中,加熱蒸餾出100 mL蒸餾液。采用0.22 μm濾膜過濾后進行氣相色譜分析。

色譜條件:RX-17(30 m×0.25 mm,0.25 μm);程序升溫模式為起始溫度 40 ℃,保持4 min,以4.5 ℃/min升溫至120 ℃,保持3 min,再以20 ℃/min升溫至200 ℃,保持5 min。檢測器溫度為 250 ℃;進樣口溫度為 250 ℃;載氣(N2)流速1.0 mL/min;進樣量1.0 μL;分流比為20∶1。

1.3 數據分析

2 結果與分析

2.1 芒果胡蘿卜復合果酒發酵條件的單因素試驗

2.1.1 原料混合比的確定 從表3中可以看出,芒果漿與胡蘿卜漿比例為2∶1所釀制的芒果胡蘿卜復合果酒感官評分為87.8,得分顯著高于其他組(P<0.05)。在此比例下,果酒顏色為橙黃色,口感較為柔和,同時含有二者的風味,并且芒果的香味還很好地掩蓋了胡蘿卜的藥腥味。因此,本次試驗后續均選用芒果漿與胡蘿卜漿的比例為2∶1釀造復合果酒。

2.1.2 SO2添加量對復合果酒發酵的影響 從圖1可以看出,隨著SO2添加量的逐漸加大,芒果胡蘿卜復合果酒的酒精度呈現出先升高后降低的趨勢,殘糖含量呈現出先降低后升高的趨勢。SO2在果酒發酵中有抑制雜菌生長的作用,SO2的添加量為0～60 mg/L范圍內,除酵母菌以外的其他雜菌生長受到了SO2的抑制,有利于酵母菌的生長和繁殖,復合果酒的酒精度升高,殘糖含量則逐漸下降[18-19]。在SO2添加量為60 mg/L時酒精度達到最高值為12.38%vol,殘糖含量達到最低值為4.13 g/L,通過顯著性分析發現,SO2添加量為60 mg/L時酒精度顯著高于40、80 mg/L(P<0.05);當SO2添加量超過60 mg/L時,開始抑制酵母菌的生長繁殖,復合果酒的酒精度降低,殘糖含量則隨之增加。因此,SO2添加量取60 mg/L。

圖1 SO2添加量對復合果酒發酵的影響Fig.1 Effect of SO2 addition on fermentation of compound fruit wine注:不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)；圖2～圖4同。

2.1.3 初始糖度對復合果酒發酵的影響 從圖2可以看出,在初始糖度為18%～24%之間時,隨著初始糖度逐漸增大,果酒的酒精度也隨著升高,這是因為糖濃度增大,酵母可以利用的營養物質越充足,生長繁殖速度加快,進而生成的酒精增多,在初始糖度為24%時,果酒酒精度達到最大值。當初始糖度大于24%后,果酒的酒精度變化不顯著(P>0.05)。隨初始糖度增加,殘糖含量則一直呈上升趨勢,且當初始糖度大于24%時,殘糖含量劇烈升高。可能是初始糖濃度過高造成發酵液滲透壓較高,對酵母菌的生長產生抑制,影響了酵母的酒精合成[20-21]。而且考慮到果酒不需要太高的酒精度,初始糖度過高還會導致生成的果酒甜味過重,因此選取初始糖度24%為適宜初始糖度。

圖2 初始糖度對復合果酒發酵的影響Fig.2 Effect of initial sugar content on fermentation of compound fruit wine

2.1.3 初始pH對復合果酒發酵的影響 從圖3可以看出,隨著初始pH增加,復合果酒的酒精度也隨其急劇增加,當初始pH達到3.4時,酒精度達到最高值,為12.41%vol,殘糖含量降到最低,為5.41 g/L;當初始pH繼續升高時,復合果酒的酒精度開始降低,殘糖含量開始升高。這主要是初始pH過高,對其他微生物的抑制作用減弱,使得酵母菌的生長繁殖受到影響,不利于果酒發酵[22-23]。雖然酵母菌的耐酸性比其他微生物好,但初始pH過低時,同樣也會對酵母菌的生長起到一定抑制作用,從而不利于糖轉化為酒精。同時,合適的初始pH能夠讓果酒形成較為良好的口感。通過顯著性分析發現,初始pH為3.4與初始pH為3.2、3.6的酒精度組間具有顯著性差異(P<0.05)。綜上,選擇適宜的初始pH為3.4。

圖3 初始pH對復合果酒發酵的影響Fig.3 Effect of initial pH on fermentation of compound fruit wine

2.1.4 酵母添加量對復合果酒發酵的影響 酵母在果酒的發酵中較為關鍵,但酵母的添加量卻并不是越多越好。從圖4可以看出,初始酵母添加量過低時,酵母生長繁殖效率不高,導致最終發酵液中酵母數較少,果汁不能充分發酵,此時所產生的酒精度最低,殘糖含量較高。酵母添加量為0.10%時,復合果酒的酒精度上升到最高值12.33%vol,此時酵母生長繁殖充分,發酵效率最高。酵母添加量高于0.10%之后,酒精度逐漸變低,殘糖含量繼續減少。這是由于酵母添加量過多,酵母生長繁殖消耗了發酵液中較多的糖,發酵成酒精的糖減少,導致產生的酒精度下降,殘余的糖也隨之降低[24]。綜上,選擇適宜的酵母接種量為0.10%。

圖4 酵母接種量對復合果酒發酵的影響Fig.4 Effect of inoculation amount of yeast on fermentation of compound fruit wine

2.2 響應面優化試驗

2.2.1 響應面試驗設計方案 參照單因素實驗結果,選擇SO2添加量(A)、初始pH(B)和酵母添加量(C)各因素的最優試驗范圍進行 Box-Behnken 中心組合試驗設計,以酒精度為響應值,響應面試驗結果如表4所示。

表4 Box-Behnken 試驗設計及結果 Table 4 Design and results of Box-Behnken experiment

利用軟件對表4中得到的響應面試驗結果進行多元線性回歸擬合,可以初步得到芒果胡蘿卜復合果酒的酒精度(Y)對應發酵工藝條件中SO2添加量(A)、初始pH(B)和酵母添加量(C)的回歸方程模型為:Y=13.47-0.39A+0.66B+0.50C-0.25AB-0.42AC-0.22BC-1.15A2-0.998B2-0.84C2,方程中Y為酒精度,A、B、C分別表示三個影響因素各自對應的編碼值[25]。

2.2.2 方差分析 從表5中可以看出,該試驗模型F值=86.96,并且P值<0.0001,差異極顯著。失擬項差異不顯著(P值為0.9388>0.05),模型誤差較小能夠很好地預測響應值。該模型中各個影響因素的決定系數R2=0.9750,該模型能夠對實際試驗中所選取的因素造成的97.50%的響應值變化進行合理解釋,僅有2.5%的響應值變化不能用該模型解釋,表明該模型擬合程度較高[26-27]。綜合以上幾方面的分析,證明該回歸方程模型可靠程度和準確程度均較高,可以用該模型對芒果胡蘿卜復合果酒的發酵工藝進行分析、優化及預測。

另外還可以看出,一次項A、B、C,二次項A2、B2、C2,交互項AC對響應值的影響均極顯著(P<0.01);交互項AB、BC的影響顯著(P<0.05);模型的交互效應影響均顯著[28-29]。通過比較F值的大小可知各發酵工藝因素對芒果胡蘿卜復合果酒的酒精度的影響大小分別為:初始pH(B)>酵母添加量(C)>SO2添加量(A)。

表5 回歸方程模型的方差及顯著性分析Table 5 Variance and significance analysis of regression equation model

注:**表示差異極顯著(P<0.01);*表示差異顯著(P<0.05)。

2.2.3 因素間交互作用分析 圖5～圖7為SO2添加量(A)、初始pH(B)、酵母添加量(C)因素間交互作用的響應面圖和等高線圖,根據圖像可以更加直觀地反映出三個因素之間的交互作用對芒果胡蘿卜復合果酒的酒精度的影響情況。在響應面圖中,曲面傾斜程度表示各因素對酒精度(響應值)的影響程度,二者成正比關系;等高線圖的形狀可以判斷各因素之間交互作用的顯著程度,橢圓形表示顯著[28]。從圖5～圖7中可分析得出,影響酒精度的強弱程度分別是:初始pH(B)>酵母添加量(C)>SO2添加量(A)。比較三個等高線圖趨向于橢圓形的程度,能夠得出兩兩因素之間對酒精度的交互作用顯著性程度為:AC>AB>BC,即SO2添加量與酵母添加量>SO2添加量與初始pH>初始pH與酵母添加量。響應面分析的結果均與表3中回歸方程模型顯著性分析的結果一致,說明該回歸方程模型可信。

2.2.4 最佳工藝條件的預測與檢驗 利用軟件繼續對該模型優化求解,可以得出芒果胡蘿卜復合果酒的最優發酵工藝條件是:SO2添加量為54.72 mg/L,初始pH為3.47,酵母添加量為0.12%;模型預測得到的酒精度為13.71%vol。在驗證試驗的實際操作中,結合單因素試驗的結果,芒果胡蘿卜復合果酒的最優發酵工藝條件確定為:芒果漿與胡蘿卜漿的比例為2∶1,SO2添加量為55 mg/L,初始糖度為24%,初始pH為3.5,酵母添加量為0.12%,由此發酵復合果酒實測酒精度為13.62%vol。實測值跟模型的預測值只有較小差別,表明用此線性回歸方程模型具有一定實際意義,可以用來優化芒果胡蘿卜復合果酒的發酵工藝條件。

2.3 芒果胡蘿卜復合果酒質量指標

圖5 SO2添加量和初始pH交互影響酒精度的響應面圖和等高線圖Fig.5 Response surface graph and contour for the effects of SO2 addition and initial pH on the alcoholicity

圖6 SO2添加量和酵母接種量交互影響酒精度的響應面圖和等高線圖Fig.6 Response surface graph and contour for the effects of SO2 addition and amount of yeast on the alcoholicity

圖7 初始pH和酵母添加量交互影響酒精度的響應面圖和等高線圖Fig.7 Response surface graph and contour for the effects of initial pH and amount of yeast on the alcoholicity

2.3.1 感官評價 色澤:淡橙色,光澤度好,透明清亮,無沉淀物;香氣:愉悅的酒香和芒果的清香,無異味;口味:酒體豐滿,柔和適口,回味綿長;典型性:風味明顯,典型性突出。

2.3.2 理化指標 由表6可知,芒果胡蘿卜復合果酒理化指標符合GB/T 15037-2006《葡萄酒》國家標準的要求。

表6 芒果胡蘿卜復合果酒理化指標Table 6 Physical and chemical indicators of mango-carrot compound wine

3 結論

通過采用單因素實驗和響應面試驗,確定了芒果和胡蘿卜漿混合發酵生產復合果酒的工藝路線,優化得到最佳的發酵工藝條件為:芒果漿與胡蘿卜漿的比例為2∶1,SO2添加量為55 mg/L,初始糖度為24%,初始pH為3.5,酵母添加量為0.12%。在此最優條件下得到的芒果胡蘿卜復合果酒色澤橙黃飽滿、有濃郁的果香和酒香、口感甘甜醇厚,酒精度為13.62%vol、殘糖含量4.6 g/L、總酸8.8 g/L、干浸出物23.0 g/L、甲醇98 mg/L。