王孝榮,羅佳麗,潘年龍,蔣和體*
(西南大學食品科學學院,重慶 400716)
草莓果酒釀造工藝的優(yōu)化及其香氣成分分析
王孝榮,羅佳麗,潘年龍,蔣和體*
(西南大學食品科學學院,重慶 400716)
以草莓為原料,采用單因素試驗和Box-Behnken試驗設計研究SO2添加量、酵母添加量及發(fā)酵溫度對果酒發(fā)酵的影響,建立各影響因素的回歸方程,并通過響應面分析法優(yōu)化,得到草莓果酒的最佳工藝條件:SO2添加量為81 mg/L、酵母添加量為1 g/L、發(fā)酵溫度為20 ℃。然后采用頂空固相微萃取法,利用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)對草莓果酒香氣成分進行分析與鑒定,結(jié)果表明:從草莓果酒中共鑒定出香氣物質(zhì)85種,占總峰面積的99.55%;其主體香氣物 質(zhì)主要是異戊醇、乙酸異戊酯、己酸乙酯及辛酸乙酯。
草莓果酒;工藝;優(yōu)化;香氣成分
草莓(strawberry)是薔薇科草本漿果類紅色水果[1],其富含花色苷、VC、葉酸及酚類成分[2-3],具有抗氧化[4-5]、抗癌及預防心血管疾病[6-7]、消化不良等功效[8]。果酒是以水果為原料,經(jīng)果酒酵母發(fā)酵而成,其營養(yǎng)豐富,適量飲用有益身體健康[9]。草莓果酒是以草莓為原料經(jīng)發(fā)酵而成的低度酒,其營養(yǎng)物質(zhì)豐富、低酒精度、低糖,符合現(xiàn)代人健康、天然、綠色的觀念,同時也解決了草莓不耐貯藏的問題,具有廣闊的開發(fā)前景。
目前,果酒的品種逐漸增多,對各種果酒的探究引起了不少研究者的興趣,如菠蘿酒的工藝研究[10]、獼猴桃酒的工藝研究[11]、新疆哈密紅棗酒的工藝研究[12]、西瓜酒的工藝研究[13]等,而草莓,則主要以生食和加工果汁、果漿為主,國內(nèi)很少將其釀造成果酒,對草莓果酒釀造工藝參數(shù)的研究甚少。本實驗使用響應面法對草莓果酒發(fā)酵條件進行優(yōu)化,確定草莓果酒最佳的發(fā)酵工藝條件,并通過氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(gas chromatography-mass spectrometry,GC-MS)分析鑒定了草莓果酒中香氣成分的種類和相對含量,為工業(yè)化生產(chǎn)草莓果酒、改善草莓果酒的風味,提高草莓果酒的品質(zhì)提供理論依據(jù)。
1.1 材料與試劑
草莓,購于重慶市北碚區(qū)永輝超市,主要成分含量(g/L):總酸6.21、還原糖23.4、VC 1.07、總酚1.15、總糖39.6、果膠4.8、總花色苷0.19。
葡萄酒、果酒專業(yè)酵母 安琪酵母股份有限公司;葡萄酒酵母F33 浪淘沙自釀會所;酒用干酵母 廣東省馬利酵母有限公司;果膠酶(2 000 U/g) 諾維信生物技術(shù)有限公司;白砂糖(食品級)。
1.2 儀器與設備
UV-2450紫外-可見分光光度計、QP2010氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀 日本島津公司;FA2004A 電子天平 上海精天電子儀器廠;酒精計 河北省武強縣同輝儀表廠;手動固相微萃取進樣器 美國珀金-埃爾默公司;100 μm PDMS萃取頭 美國Supelco公司。
1.3 方法
1.3.1 草莓果酒釀造工藝流程[14]
草莓→挑選、清洗→摘果柄、萼葉→破碎榨汁→果膠酶處理(添加果膠酶0.25 g/L,40 ℃作用2 h)→過濾→草莓汁(調(diào)整糖分至質(zhì)量分數(shù)為20%)→添加SO2→加釀酒酵母→發(fā)酵7 d→過濾→殺菌→草莓果酒
1.3.2 菌種的活化[15]
取1 g干酵母粉,加入到20 g含糖5%的糖水中,在38 ℃條件下,攪拌活化約15~30 min,當糖水中出現(xiàn)大量的小氣泡即可。
1.3.3 草莓果酒發(fā)酵條件的單因素試驗設計
1.3.3.1 酵母菌的選擇
草莓汁經(jīng)果膠酶酶解,添加SO280 mg/L,然后分別接入已活化的葡萄酒酵母F33、葡萄酒、果酒專用酵母及酒用干酵母,其添加量為1 g/L,在20 ℃條件下,發(fā)酵7 d,比較其酒精度和花色苷的含量。
1.3.3.2 料液中SO2添加量的確定
草莓汁經(jīng)果膠酶酶解,分別添加SO240、80、120、160、200 mg/L,然后添加1 g/L已活化的葡萄酒、果酒專用酵母,在20 ℃條件下發(fā)酵7 d后,比較其酒精度和花色苷的含量。
1.3.3.3 料液中酵母菌添加量的確定
草莓汁經(jīng)果膠酶酶解,添加SO280 mg/L,分別添加0.5、1、1.5、2、2.5 g/L已活化的葡萄酒、果酒專用酵母,在溫度為 20 ℃的條件下發(fā)酵7 d后,比較其酒精度和花色苷的含量。
1.3.3.4 發(fā)酵溫度的確定
草莓汁經(jīng)果膠酶酶解,添加SO280 mg/L,添加1 g/L已活化的葡萄酒、果酒專用酵母,分別在16、20、24、28、32 ℃溫度條件下,發(fā)酵7 d后,比較其酒精度和花色苷的含量。
1.3.4 響應面試驗設計
通過單因素試驗,在其分析結(jié)果的基礎上,采用三因素三水平的Box-Behnken響應面設計方法[16-18],選擇SO2添加量、酵母菌添加量和發(fā)酵溫度這3個影響較大的因素進行響應面試驗,以酒精度為響應值進行優(yōu)化,所有試驗均重復3次。
1.3.5 草莓果酒香氣物質(zhì)的萃取實驗[19]
采用頂空固相微萃取法(head space solid-phase micro-extractions,HS-SPME)。取酒樣6 mL于20 mL萃取瓶中,加1 g NaCl,插入經(jīng)老化的萃取頭(250 ℃老化1 h),45 ℃條件下頂空萃取30 min,將萃取頭插入GC-MS進樣口,解析6 min。
1.4 指標測定
1.4.1 酒精度
參照GB/T15038—2006《葡萄酒、果酒通用分析方法》測定。
1.4.2 花色苷含量
pH示差法[20]測定。
1.4.3 草莓果酒香氣成分的GC-MS分析[21]
1.4.3.1 色譜條件
色譜柱DB-5MS(30 m×0.25 mm,0.25 μm),進樣口溫度250 ℃;升溫程序:35 ℃保持3 min,以10 ℃/min升至110 ℃,保持3 min,以8 ℃/min升至150 ℃,保持2 min,以15 ℃/min升至230 ℃,保持4 min;載氣(He):流量1.00 mL/min,壓力53.5 kPa,進樣口的溫度250 ℃,進樣量0.5 μL;采用不分流方式進樣。
1.4.3.2 質(zhì)譜條件
電子轟擊(EI)離子源;電子能量:70 eV;離子源溫度:230 ℃;ACQ方式:Scan;質(zhì)量掃描范圍m/z 35~500;掃描速率:769 s-1。
1.4.3.3 香氣成分分析
分析結(jié)果運用計算機譜庫(NIST/WILEY)進行初步檢索及資料分析,并結(jié)合已有的相關(guān)文獻進行定性分析。
2.1 酵母菌的確定
圖1 不同酵母菌對草莓酒酒精度和花色苷含量的影響Fig.1 Effect of yeast type on alcohol and anthocyanin contents of strawberry wine
用不同果酒酵母在相同條件下進行發(fā)酵,測定最終發(fā)酵液的酒精度及花色苷含量,結(jié)果如圖1所示。利用葡萄酒、果酒專用酵母發(fā)酵制得的草莓果酒酒精度及花色苷含量相對較高。
2.2 草莓果酒發(fā)酵條件的單因素試驗
2.2.1 SO2添加量對草莓果酒酒精度及花色苷含量的影響
圖2 SO 2 SO2添加量對草莓果酒酒精度和花色苷含量的影響Fig.2 Effect of SO2concentration on alcohol and anthocyanin contents of strawberry wine
由圖2可知,隨著SO2添加量的增加,酒精度先增后減,花色苷含量逐漸下降。當SO2添加量為80 mg/L時,酒精度達到最大,主要原因是SO2質(zhì)量濃度過低,雜菌易污染耗糖并與酵母增長形成競爭作用,SO2質(zhì)量濃度過高,則會對酵母產(chǎn)生嚴重的抑制作用,導致發(fā)酵力下降;當SO2質(zhì)量濃度為120 mg/L時,花色苷含量急劇下降,當SO2質(zhì)量濃度為200 mg/L 時,花色苷幾乎消失,其主要原因是草莓中的花色苷單體與SO2化合形成亞硫酸氫鹽加成物,花色苷紅色消失。綜合考慮,SO2添加量為80 mg/L 時效果最好。
2.2.2 酵母添加量對草莓果酒酒精度及花色苷含量的影響
圖3 酵母添加量對草莓果酒的酒精度和花色苷含量的影響Fig.3 Effect of yeast inoculum amount on alcohol and anthocyanin contents of strawberry wine
由圖3可知,當料液中酵母添加量為1 g/L時,草莓果酒的酒精度最高,主要原因是當酵母添加量比較少時,料液中的糖不能完全被酵母利用轉(zhuǎn)化為酒精,添加量過大時,會消耗料液中的糖用于酵母自身的生長,則用于生成酒精的底物量就會減少;而酵母添加量對草莓果酒中花色苷的含量影響不明顯(含量在8.263~8.274 mg/100 mL之間變化)。綜合考慮,酵母添加量為1 g/L時效果最好。
2.2.3 發(fā)酵溫度對草莓果酒酒精度及花色苷含量的影響由圖4可知,當發(fā)酵溫度為20 ℃時,草莓果酒的酒精度與花色苷的含量均為最高;其主要原因是溫度會影響酵母菌的生長,溫度升高,發(fā)酵速度加快,發(fā)酵劇烈,酵母菌衰老過快,最終生成的酒度偏低,并且酒體粗糙,有顯著的辛辣味;溫度升高的同時,加快氧化反應作用,草莓中的花色苷易被破壞。綜合考慮,發(fā)酵溫度為20 ℃時效果最好。
圖4 發(fā)酵溫度對草莓果酒的酒精度和花色苷含量的影響Fig.4 Effect of fermentation temperature on alcohol and anthocyanin contents of strawberry wine
2.3 草莓果酒發(fā)酵條件的響應面優(yōu)化試驗
2.3.1 響應面設計及結(jié)果
根據(jù)Box-Behnken的中心組合試驗設計原理,在單因素試驗結(jié)果的基礎上,進行響應面分析試驗,試驗設計與試驗結(jié)果見表1。
表1 響應面設計與試驗結(jié)果Table 1 Experimental design and results of response surface design
利用Design-Expert軟件對表數(shù)據(jù)進行整理分析,確立如下回歸模型:Y=11+0.088A+0.28B+0.36C+0.20AB+0.23AC+0.35BC-1.63A2-1.36B2-1.43C2。
2.3.2 回歸分析
F檢驗反映的是回歸模型的有效性,包括失擬性檢驗和回歸方程顯著性檢驗[15]。t檢驗是對回歸模型的系數(shù)進行顯著性檢驗。模型P<0.000 1,表明該二次方程模型顯著,而失擬項P=0.574 1>0.05,失擬項不顯著,表示單因素試驗結(jié)果可以和數(shù)學模型擬合良好,即可以使用數(shù)學模型推測試驗結(jié)果;同時該方程決定系數(shù)R2= 0.992 0,模型的擬合程度相對較好。
表2 方差分析表Table 2 Analysis of variance for the regression model
由表2可知,因素B、C對草莓果酒影響極顯著(P<0.01),因素A對其影響不顯著(P>0.05);A2、B2、C2對其影響極顯著(P<0.01);BC 交互作用對其影響極顯著(P<0.01);AB、AC交互作用對其影響不顯著(P>0.05)。
2.3.3 因素間交互作用分析
圖5 SO 5 SO2和酵母添加量的交互作用對草莓果酒酒精度影響的響應面與等高線圖Fig.5 Response surface and contour plots showing the interactive effects of SO2concentration and yeast inoculum amount on alcohol content of strawberry wine
圖6 SO 6 SO2添加量和發(fā)酵溫度的交互作用對草莓果酒酒精度影響的響應面與等高線圖Fig.6 Response surface and contour plots showing the interactive effects of SO2concentration and fermentation temperature on alcohol content of strawberry wine
圖7 酵母添加量和發(fā)酵溫度的交互作用對草莓果酒酒精度影響的響應面與等高線圖Fig.7 Response surface and contour plots showing the interactive effects of yeast inoculum and fermentation temperature on alcohol content of strawberry wine
響應值受交互作用的影響可以從圖中直接反映出來,等高線的形狀反映了交互作用的強弱,橢圓代表交互作用顯著,圓形代表交互作用不顯著[22]。由圖5~7可知,在交互作用對草莓果酒的酒精度的影響中,酵母添加量和發(fā)酵溫度的交互作用較為顯著。
2.3.4 回歸模型的驗證實驗
經(jīng)軟件Design Expert 7.0優(yōu)化,分析得到試驗的最佳工藝參數(shù):SO2添加量為81.78 mg/L、酵母添加量為1.1 g/L、發(fā)酵溫度為20.58 ℃。將此工藝條件進行適當調(diào)整:SO2添加量為81 mg/L、酵母添加量為1 g/L、發(fā)酵溫度為20 ℃,對該工藝進行3次重復性驗證實驗,測得草莓果酒的酒精度為 (11.41±0.06)%,與理論預測值11.49%相近,說明該模型能很好的預測草莓果酒發(fā)酵條件與酒精度的關(guān)系。
2.4 草莓果酒香氣物質(zhì)的GC-MS分析
表3 草莓果酒香氣成分的鑒定結(jié)果Table 3 Identification of aromatic components in strawberry wine
續(xù)表3
草莓果酒的分析鑒定結(jié)果見表3。經(jīng)過計算機譜庫(NIST/WILEY)進行初步檢索,保留相似度≥85%的香氣成分,結(jié)合相關(guān)文獻可初步定性草莓果酒的香氣物質(zhì)有85種,占總峰面積的99.55%。其中,相對含量較高的香氣物質(zhì)為:異戊醇10.36%、乙酸異戊酯8.99%、苯乙烯4.44%、己酸乙酯8.53%、乙酸己酯3.92%、辛酸4.89%、辛酸乙酯8.35%、癸酸4.74%、癸酸乙酯13.66%、肉桂酸乙酯1.55%、丙位癸內(nèi)酯2.12%、反-橙花叔醇3.49%、月桂酸乙酯7.70%、肉豆蔻酸乙酯1.18%等。
通過對草莓果酒的香氣成分分析,其酯類有50種,醇類有14種,酮類有4種,酸類有4種,烯類有4種,醛類、酚類及醚類各1種,烷烴類5種,其他類1種。酯類的相對含量為64.85%;醇類的相對含量為16.82%;酮類相對含量為0.57%;酸類的相對含量為10.71%;烯類的相對含量為4.77%;醛類、酚類及醚類的相對含量分別為0.47%、0.4%和0.06%;烷烴類相對含量為0.51%;其他類相對含量為0.39%。
從香氣分析結(jié)果可知,草莓果酒基本香氣的形成過程中,異戊醇、乙酸異戊酯、己酸乙酯、辛酸乙酯、癸酸乙酯具有重要的作用。相關(guān)資料表明:發(fā)酵酒香氣的主體香氣物質(zhì)為四大酯類(乙酸異戊酯、己酸乙酯、辛酸乙酯與乙酸乙酯)與兩大醇類(異戊醇與異丁醇),其他揮發(fā)性化合物只是對主體香氣物質(zhì)起修飾和補充作用[23]。本實驗中草莓果酒的香氣成分異戊醇、乙酸異戊酯、己酸乙酯及辛酸乙酯均被檢出。
3.1 通過單因素和Box-Behnken 響應面試驗,利用統(tǒng)計學的方法建立了草莓果酒發(fā)酵條件的二次多項式模型:Y=11+0.088A+0.28B+0.36C+0.20AB+0.23AC+0.35BC-1.63A2-1.36B2-1.43C2。并且確定了草莓果酒最佳發(fā)酵工藝條件:SO2添加量為81 mg/L、酵母添加量為1 g/L、發(fā)酵溫度為20 ℃,測得草莓果酒的酒精度為11.45%,與預測值(11.49%)接近,說明了該模型可以很好的預測草莓果酒的發(fā)酵條件與酒精度的關(guān)系。同時也證明了響應面法優(yōu)化草莓果酒發(fā)酵工藝參數(shù)的可行性。
3.2 采用HS-SPME,通過GC-MS分析草莓果酒的香氣成分,初步鑒定出85種香氣成分,占總峰面積的99.55%,其中相對含量較高的香氣物質(zhì)為:異戊醇10.36%、乙酸異戊酯8.99%、苯乙烯4.44%、己酸乙酯8.53%、乙酸己酯3.92%、辛酸4.89%、辛酸乙酯8.35%、癸酸4.74%、癸酸乙酯13.66%、反-橙花叔醇3.49%、月桂酸乙酯7.70%等。
[1] 李靜燕, 李春陽, 楊玉玲. 草莓低醇飲料發(fā)酵工藝優(yōu)化研究[J]. 南方農(nóng)業(yè)學報, 2012, 43(2): 227-231.
[2] 馬子駿, 王陽光, 林瑛影. 草莓酒人工發(fā)酵過程中化學成分變化的研究[J]. 中國食品學報, 2004, 4(4): 55-58.
[3] PROTEGGENTE A R, PANNALA A S, PAGANGA G, et al. The antioxidant activity of regularly consumed fruit and vegetables refl ects their phenolic and vitamin C composition[J]. Free Radical Research, 2002, 36(2): 217-233.
[4] FERREYRA R M, VINA S Z, AMUGRIDGE, et al. Growth and ripening season effects on antioxidant capacity of strawberry cultivar Selva[J]. Scientia Horticulturae, 2007, 112: 27-32.
[5] CEREZO A B, CUEVAS E, WINTERHALTER P, et al. Isolation, identifi cation, and antioxidant activity of anthocyanin compounds in Camarosa strawberry[J]. Food Chemistry, 2010, 123: 574-582.
[6] GIAMPIERI F, TULIPAN S, MEZZETTI B, et al. The strawberry: composition, nutritional quality, and impact on human health[J]. Nutrition, 2012, 28: 9-19.
[7] WANG L S, ARNOLD M, HUANG Y M, et al. Modulation of genetic and epigenetic biomarkers of colorectal cancer in humans by black raspberries: a phase I pilot study[J]. Clinical Cancer Res, 2011, 17: 598-610.
[8] 馬銀海, 彭永芳, 楊麗琳, 等. 草莓紅色素的提取及樹脂吸附[J]. 食品科學, 2005, 26(7): 56-58.
[9] 杜恣閑, 鄭建莉. 果酒的營養(yǎng)成分及其發(fā)展分析研究[J]. 江西化工, 2011(2): 23-26.
[10] 陳文學, 胡月英, 林俊芳, 等. 菠蘿酒釀造工藝研究[J]. 食品科學, 2010, 31(19): 259-262.
[11] 王勵治, 蔣和體. 野生獼猴桃干酒釀造工藝[J]. 食品科學, 2010, 31(24): 484-487.
[12] 武運, 楊清龍, 艾克拜爾, 等. 新疆哈密紅棗酒釀造工藝研究[J]. 食品科學, 2009, 30(2): 283-285.
[13] 劉殿鋒, 張志軒, 軒文娟, 等. 西瓜酒釀造工藝研究[J]. 食品科學, 2009, 30(20): 478-481.
[14] 高兆建, 唐世榮, 邵潁. 低醇草莓果酒釀造工藝的研究[J]. 食品科學, 2008, 29(10): 157-162.
[15] 楊雅利, 闞建全, 沈海亮, 等. 紫甘薯酒發(fā)酵工藝條件的優(yōu)化[J]. 食品科學, 2012, 33(3): 157-162.
[16] WU Long, YICK K L, NG S P, et al. Application of the Box-Behnken design to the optimization of process parameters in foam cup molding[J]. Expert Systems with Applications, 2012, 39: 8059-8065.
[17] 趙翾, 李紅良, 張惠妹. 響應面法優(yōu)化火麻仁黃酮提取工藝[J]. 食品科學, 2011, 32(2): 127-131.
[18] CHOPRA S, MOTWANI S K, IGBAL Z, et al. Optimisation of polyherbal gels for vaginal drug delivery by Box-Behnken statistical design[J]. European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics, 2007, 67: 120-131.
[19] 蓋禹含, 辛秀蘭, 楊國偉, 等. 不同酵母發(fā)酵的藍莓酒香氣成分 GCMS 分析[J]. 食品科學, 2010, 31(4): 171-174.
[20] 王夢澤, 閻勤勞, 薛少平, 等. 草莓渾濁汁花色苷熱降解動力學[J].食品研究與開發(fā), 2010, 31(6): 50-52.
[21] 魏長賓, 邢姍姍, 劉勝輝, 等. 紫花芒果實香氣成分的GC-MS分析[J].食品科學, 2010, 31(2): 220-223.
[22] MURALIDHAR R V, CHIRUMAMILA R R, MARCHANT R, et al. A response surface approach for the comparison of lipase production by Candida cylindracea using two different carbon sources[J]. Biochemistry Engineering Journal, 2001, 9(1): 17-23.
[23] 楊雅利, 沈海亮, 闞建全. 紫色甘薯酒香氣成分分析和發(fā)酵規(guī)律[J].食品科學, 2012, 33(12): 242-246.
Optimization of Fermentation Process for Strawberry Wine and Analysis of Aroma Components
WANG Xiao-rong, LUO Jia-li, PAN Nian-long, JIANG He-ti*
(College of Food Science, Southwest University, Chongqing 400716, China)
The fermentation of strawberry wine was investigated with respect to SO2concentration, yeast inoculum amount and fermentation temperature. A quadratic regression model was built with the three independent variables (fermentation conditions) by Box-Behnken experimental design. The optimum fermentation conditions for strawberry wine were determined by response surface analysis as 81 mg/L of SO2concentration, 1 g/L of inoculum (active dry yeast) amount and 20 ℃ of fermentation temperature. The aroma components of strawberry wine were extracted by solid-phase microextraction (HS-SPME) and identified by gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS). Eighty-five aroma components were identifi ed from strawberry wine, together accounting for 99.55% of the total peak area. The major aroma compounds were isoamyl alcohol, isoamyl acetate, ethyl hexanoate and ethyl octanoate.
strawberry wine; process; optimization; aroma components
TS262.7
A
1002-6630(2014)07-0196-06
10.7506/spkx1002-6630-201407039
2013-03-18
王孝榮(1987—),男,碩士研究生,研究方向為現(xiàn)代食品加工理論與技術(shù)。E-mail:wxrongfighting@163.com
*通信作者:蔣和體(1963—),男,教授,博士,研究方向為農(nóng)產(chǎn)品加工。E-mail:jheti@126.com