基于電子舌探究超聲催陳對木棗果醋品質的影響

王倩,尹玉茜,馮政華,劉銀蘭,尹勝楠,任迪峰*

1(北京林業大學 生物科學與技術學院,林木資源高效生產全國重點實驗室,林業食品加工與安全北京市 重點實驗室,北京,100083)2(山西臨歌棗釀紅棗樹生物科技有限公司,山西 呂梁,030000)

木棗(ZiziphusjujubaMill.),又稱呂梁木棗,是鼠李科(Rhamnaceae)棗屬植物棗樹的成熟果實[1],主要分布于中國山西、陜西交界的黃河沿岸地區,在我國有悠久的歷史。木棗食用價值與營養價值較高,木棗具有健脾養胃、強身滋補之效,是將藥、食、補三大功能集于一體的保健食品,素有“日食三棗,長生不老”之說[2],一直以來廣受大眾喜愛。其果肉中富含多種營養物質和活性成分,如糖類、氨基酸、有機酸、環磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate, cAMP)、多酚、黃酮、微量元素、維生素等[3]。cAMP是紅棗中最為突出和最具特色的生物活性物質[4],研究表明,cAMP在山西木棗中的含量最高[5]。但木棗開發利用普遍停留在初級階段,產品主要為干制品(如干棗),附加值低深加工不夠。木棗資源未得到充分利用,制約了棗類產業的發展。因此對木棗進行深加工,研發特色新食品對木棗產業化發展具有重要意義。

果醋是經酒精和醋酸發酵后得到的一種酸甜可口、營養豐富的酸性調味品[6],具有抗癌、抗氧化、抗菌等多種有益于健康的作用,其市場前景廣闊。木棗富含糖類物質是制醋的優質原料,以木棗制果醋不僅可以有效保存各種活性成分并且可使各活性物質更好的起作用,如發酵可增加木棗中cAMP含量,同時顯著提高其溶解性和吸收率[7]。果醋剛結束發酵時,需要經過陳釀來改善果醋品質如氣味刺激、成分不穩定等。但自然催陳的周期長、過程難以控制,且需花費大量的人力物力,經濟效益低下。物理人工催陳技術可以顯著縮短陳釀時間,提高果醋品質,增加經濟效益[8]。超聲波是一種低頻高能量的技術,常用于食品加工的各個領域,如提取、殺菌、氧化。超聲波處理產生的強烈空化作用利于醋體中各種成分活化從而促進物化反應的進行,使醋的品質在短時間內有明顯提升,風味更加協調清香。隨著非熱加工技術的進步和發展,除了超聲技術許多其他技術都被應用到發酵產品的催陳中。例如:超高壓催陳、微波催陳及紅外催陳等。DEL FRESNO等[9]采用超聲處理葡萄酒后發現酒中多糖含量增加并加快了陳釀過程。SUN等[10]研究發現,葡萄酒經超高壓處理后,葡萄酒的外觀、香氣和口感得到改善,外觀評分明顯提高。黃文韜等[11]對食醋進行微波處理,發現醋的品質在短時間內有明顯提升,其風味更加協調清香,證明了微波處理能促進食醋的后熟。

本研究通過研究超聲時間、超聲功率及乙醇添加量3方面因素與果醋中總酯含量的關系應用正交試驗方法對超聲催陳木棗果醋的工藝進行優化,確定最佳超聲催陳工藝,以求獲得高效的木棗果醋超聲催陳方法,為木棗產業發展提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

干制木棗(山西)、葡萄糖、殼聚糖、纖維素酶、果膠酶(均為食品級),國藥集團化學試劑有限公司;酚酞、NaOH、濃H2SO4、NaHCO3,北京化工廠;釀酒酵母,安琪酵母股份有限公司;巴氏醋酸桿菌CGMCC 1.41,中國微生物菌種保藏中心。

1.2 儀器與設備

QMZ-PBJ-01型打漿機,巧美滋電器有限公司;FA61001C型電子分析天平,上海精科天美有限公司;Biofuge Primo R型冷凍離心機,賽默飛世爾科技有限公司;4802UV型紫外分光光度計,北京德泉興業商貿有限公司;PHS-3C型精密pH計,梅特勒-托利多國際貿易有限公司;YXQ-SG46-280S型蒸汽滅菌鍋,上海博迅實業有限公司;SCGZ-1102C型光照恒溫搖床,上海誦誠實業發展有限公司;LC-2A型高效液相色譜儀,島津企業管理有限公司;TS-500Z型電子舌,北京市盛盈恒泰科技有限責任公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 棗醋的制備方法

棗醋的制備工藝如下:

干制木棗→預煮去核→打漿酶解→調整pH→離心殺菌→酒精發酵→醋酸發酵→澄清離心→分瓶灌裝→殺菌處理→陳釀處理→木棗果醋

稱取干制木棗洗凈預煮去核后打漿,調整棗漿糖度至16%,加入纖維素酶及果膠酶進行1 h的酶解處理。將pH值調整為4.5的棗漿離心取上清液并進行殺菌處理(100 ℃,10 min),防止雜菌過多影響發酵效果。滅菌后的澄清棗汁先后接入0.4%的酵母菌,在37 ℃下厭氧發酵5 d進行酒精發酵。酒精發酵結束后將紅棗酒的酒精含量調整到8%后向棗酒中接入10%的巴氏醋酸桿菌,在30 ℃下有氧發酵7 d,測定發酵結束后果醋的總酸總酯含量并進行催陳處理。

1.3.2 單因素試驗優化超聲催陳工藝

取30 mL醋酸發酵剛結束的木棗果醋于100 mL的錐形瓶中,采用超聲波細胞破碎儀進行超聲處理[12]。以果醋中總酯含量為指標,探究超聲功率、超聲時間以及乙醇添加量對果醋品質的影響。

1.3.3 正交試驗優化超聲催陳工藝

在超聲工藝單因素試驗基礎上以木棗果醋中總酯的含量作為評價指標,對超聲功率(W)、超聲時間(min)、乙醇添加量(%)進行三因素三水平正交優化試驗(表1),并進行驗證實驗。

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

1.3.4 棗醋理化指標檢測

分別取適量新發酵未經過陳釀的果醋(新醋)、經過自然陳釀30 d的棗醋(自然催陳果醋)、超聲催陳果醋于燒杯中,采用pH計對不同棗醋的pH值進行測定;各木棗醋的黏度采用黏度計進行測量;木棗果醋的色澤變化采用手持色度儀進行測定[13]。色差值的計算如公式(1)所示:

(1)

式中:ΔE,棗醋樣品色差值;L0、a0、b0,分別為棗醋的亮度值、紅綠值、黃藍值;Ln、an、bn,不同方式催陳后棗醋的亮度值、紅綠值、黃藍值。

1.3.5 棗醋中維生素C含量測定

準確稱取維生素C標品10 mg配制成質量濃度梯度為2、4、6、8、10、12、14 μg/mL的維生素C溶液,測定其吸光值,繪制標準曲線。取新醋、自然催陳果醋、超聲催陳果醋各取5.00 mL置于25 mL的容量瓶中,再加入1.00 mL鹽酸溶液(10%),定容。蒸餾水為空白對照組,于265 nm處測定新醋、自然催陳、超聲催陳果醋的吸光值[14]。

1.3.6 棗醋中cAMP含量的檢測

參照文獻[15]的方法,采用HPLC法測定。

1.3.7 棗醋中多酚黃酮含量測定

以沒食子為酸標品,采用Folin-Ciocalteu法測定木棗果醋中的多酚含量[16];繪制蘆丁標準曲線,采用NaNO2-Al(NO3)3分光光度法測定木棗果醋中的黃酮含量[17]。

1.3.8 棗醋中總酸總酯含量測定

通過不同陳釀方式所得到的木棗果醋的總酸總酯含量測定采用酸堿滴定法[18]。

1.3.9 不同陳釀方式果醋風味的分析

采用電子舌對不同陳釀方式處理得到的果醋進行風味分析。

1.3.10 數據處理

每個實驗至少重復3次,計算平均值和標準差。數據采用Excel 2016處理,采用SPSS 22進行顯著性分析,作圖使用Origin 2019。

2 結果與分析

2.1 木棗果醋的釀制

在1.3.1節的工藝條件下釀制木棗果醋,最終得到總酸含量為(5.1±0.13) g/100 mL總酯含量為(3.42±0.41) g/L的果醋。

2.2 超聲催陳處理單因素試驗

2.2.1 不同乙醇添加量對棗醋中總酯含量的影響

在超聲功率300 W、超聲時間30 min的條件下,分別添加體積分數為0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%的乙醇進行超聲處理,測定不同乙醇添加量對棗醋中總酯含量的影響,結果如圖1所示。

圖1 乙醇添加量對棗醋中總酯含量的影響Fig.1 Effect of ethanol addition on the content of total esters in jujube vinegar

酯類物質的提升對食醋品質口感有很大影響, 為了促進食醋中的酯化反應, 在食醋中添加適量的無水乙醇可與食醋中的有機酸反應生成酯類物質[19]。由圖1可知,乙醇添加量在低于0.4%和高于0.4%時,超聲處理后木棗果醋中的總酯含量都有明顯降低,說明超聲催陳時乙醇添加含量過高或過低都會影響棗醋中酯類的形成,所以在超聲催陳的功率與時間確定的條件下,乙醇添加量為0.4%時最利于棗醋中總酯的積累。

2.2.2 不同超聲功率對棗醋中總酯含量的確定

在乙醇添加量為0.4%、超聲處理時間為30 min的固定條件下,分別在超聲功率為100、200、300、400、500 W條件下對棗醋進行催陳處理,探究不同超聲功率對棗醋中總酯含量的影響,結果如圖2所示。

圖2 超聲功率對棗醋中總酯含量的影響Fig.2 Effect of ultrasonic power on the content of total esters in jujube vinegar

由圖2可知,當超聲功率在100～300 W時,隨著超聲功率的提高木棗果醋中的總酯含量隨之增加,超聲功率在300～500 W時,隨著超聲功率的增大,棗醋中總酯含量呈下降趨勢,說明超聲功率過高或過低都不利于棗醋中酯類的生成,所以超聲催陳處理棗醋的超聲功率確定為300 W。

2.2.3 不同超聲處理時間對棗醋中給總酯含量的影響

在乙醇添加量為0.4%和超聲功率為300 W的固定條件下,分別超聲處理15、30、45、60、75 min,探究超聲處理時間對棗醋中酯類形成的影響。結果如圖3所示。

圖3 超聲時間對棗醋中總酯含量的影響Fig.3 Effect of ultrasonic time on the content of total esters in jujube vinegar

由圖3可知,木棗果醋中的總酯含量在超聲處理45 min時最高,超過45 min后隨著超聲處理時間的加長,棗醋中總酯含量呈下降趨勢,這可能是因為空化作用、機械振動作用以及熱效應致使酯類的結構遭到破壞,同時酯化反應的逆反應速度超過了正向反應速度。由超聲催陳棗醋時間單因素試驗確定最佳催陳時間為45 min。

2.3 正交優化超聲催陳木棗果醋

以超聲處理后棗醋中酯類積累的總量為指標得出(正交試驗結果表略):3個因素的影響程度為超聲功率>超聲時間>乙醇添加量。因此最佳的超聲催陳方案為超聲處理功率為300 W、超聲處理時間為45 min、乙醇添加量為0.4%。

按照正交最優試驗方案進行3次平行驗證實驗,測得的果醋中的總酯含量為(4.63±0.09) g/L,證明正交試驗結果可靠。

2.4 超聲處理對棗醋理化指標的影響

通過檢測醋酸發酵剛結束的木棗果醋新醋、超聲處理催陳后的木棗果醋、自然陳釀30 d的木棗果醋的pH值、黏度值以及色澤變化等指標,探究超聲催陳對木棗果醋理化性質的影響,結果如表2所示。

表2 不同催陳處理木棗果醋pH、黏度、色差的影響Table 2 Effects of different aging treatments on pH, viscosity, and color difference of vinegar

由表2可知,不論是經超聲催陳的木棗果醋還是自然陳釀30 d的木棗果醋相對于新醋來說pH都有所上升,這是因為果醋中酯化反應的發生使酸類物質減少,但并沒有顯著性差異。

黏度可以反應液體的流變學特性,將催陳后的果醋和新醋的黏度跟水的黏度對比,可以發現3種果醋的黏度與水的黏度差別不大,同時3種果醋之間的黏度也幾乎沒有差別,這說明超聲處理不改變果醋的流變學特性。

在色差方面,ΔE值越大,表示果醋顏色變化越大[20]。超聲過后的果醋的顏色變化趨勢與自然陳釀30 d果醋顏色變化趨勢相同。同時由表中的L、a、b值可以看出超聲處理后果醋的亮度提升且總體顏色向紅、黃方向發展,這對果醋色澤變化是有利的,這也與ZHANG等[21]在采用不同超聲功率加速酒的陳釀的研究中酒的色澤變化的實驗結果相同,其原因可能是因為超聲處理使得木棗果醋體系發生了各種物理化學反應,如分解、氧化以及美拉德反應等。

2.5 超聲處理對棗醋營養成分的影響

果醋中營養成分的含量是衡量果醋品質的重要標準,本文通過對比超聲催陳與自然陳釀后果醋中營養成分含量差異,探究超聲處理對木棗果醋營養品質的影響。由表3可知,超聲過后的果醋中總酸總酯的變化趨勢與自然陳釀后木棗果醋中的總酸總酯含量變化相對應,說明超聲處理可促進木棗果醋中的酸類物質發生酯化反應形成木棗果醋香氣的酯類物質。李巧鳳[22]在超聲和微波催陳甜柿果醋的研究中也證明了這一點,這可能是超聲使得木棗果醋中的分子內能增大,同時超聲產生的空化效應加速了分子運動和碰撞,從而加快了聚合、酯化等反應的發生。同時,自然陳釀30 d后的木棗果醋中的總酯為(4.71±0.05) g/L,經超聲處理后的木棗果醋總酯達(4.63±0.09) g/L,即超聲催陳處理后棗醋中的總酯總酸變化趨勢與自然催陳30 d的木棗果醋變化一致,這進一步說明超聲處理對木棗果醋催陳效果明顯。

表3 不同催陳處理木棗果醋維生素C、多酚、黃酮、 cAMP及總酸總酯含量的影響Table 3 Effects of different aging treatments on the contents of vitamin C, polyphenols, flavonoids, cAMP total acids, and total esters in jujube vinegar

超聲處理后的果醋中維生素C含量為(4.91±0.03) μg/mL,與新醋相比含量顯著下降,可能與超聲空化作用加速維生素C降解氧化有關。自然陳釀30 d后維生素C含量為(4.78±0.07) μg/mL,這可能是因為長時間放置使果醋中維生素C發生了氧化。但超聲處理后木棗果醋中的維生素C含量與自然催陳后果醋中的含量并沒有顯著差別。

經超聲處理的木棗果醋與自然陳釀30 d后的木棗果醋多酚黃酮含量較新醋相比都有所下降,這與史彬星[23]的研究結果相同,其原因可能是因為超聲的空化作用導致了多酚黃酮類物質部分降解,同時氧氣的存在使多酚黃酮發生氧化。

cAMP作是生物體內的“第二信使”,參與生命傳遞和新陳代謝。超聲處理和自然陳釀后的果醋中cAMP含量較于新醋都有顯著下降,同時超聲后其含量更少,可能是超聲波在介質中傳播時,其振動能量不斷被介質吸收轉變為熱量而使介質的溫度升高,因此當超聲波功率較高以及超聲波處理時間較長時,樣品的溫度會升高產生熱效應。熱效應使得大分子環狀物質發生降解,從而棗醋中cAMP含量下降,冀曉龍等[24]在不同殺菌方式對棗中cAMP含量影響的研究中也證明了熱效應會使cAMP降解。

2.6 超聲處理對棗醋風味的影響

圖4可以形象的展示新醋、超聲處理的木棗果醋以及自然催陳的木棗果醋在酸味、咸味、甜味、苦味及其回味、澀味及其回味、鮮味及其回味(豐富性)上的差異。

圖4 棗醋的滋味雷達圖Fig.4 Jujube vinegar taste radar map

從圖4中可知,新制備的果醋、超聲催陳后的果醋以及自然陳釀的果醋在苦味上差異最明顯,自然陳釀30 d的木棗果醋苦味值最小,新醋的苦味值最大,超聲催陳處理后的木棗果醋苦味值介于兩者之間,并且超聲處理后的木棗果醋在苦味的回味上也明顯區別于自然催陳的木棗果醋。其原因可能是超聲處理使果醋中的主要呈味物質——氨基酸發生了變化[25],超聲處理產生的空化作用導致的極端的高溫、高壓環境會使木棗果醋中產生大量羥自由基,羥自由基的強氧化性可能會使木棗果醋中的美拉德反應、蛋白質分解反應加快,使得木棗果醋中氨基酸的種類和含量發生變化,從而進一步影響木棗果醋的滋味。從整體滋味方面來看,超聲處理后的木棗果醋的整體滋味基本介于自然陳釀和新醋之間,表明超聲處理后的木棗果醋的苦澀感下降,滋味更加柔和,超聲催陳處理利于木棗果醋口感的提升,提高了果醋的感官品質。

3 結論

本文以木棗為原料制備木棗果醋并對超聲催陳工藝進行優化,得到超聲催陳的最佳工藝參數為處理功率300 W、處理時間45 min、乙醇添加量0.4%。在此工藝條件下探究了超聲處理對木棗果醋品質的影響,結果顯示超聲處理可以加速陳釀過程中的酯化反應,對棗醋有良好的催陳效果;采用電子舌傳感器技術對不同催陳處理后的木棗果醋進行滋味辨別,發現超聲處理可以使木棗果醋口感更加飽滿柔和。本研究為超聲在食醋催陳的應用方面提供了一定理論依據。