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(1.西華大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，食品生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都 610039; 2.理縣塔斯酒莊有限公司,四川阿壩藏族羌族自治州 623100; 3.日本國(guó)際農(nóng)業(yè)科學(xué)研究中心,日本筑波 30528686)

冰酒是采用結(jié)冰的葡萄經(jīng)過(guò)壓榨、低溫發(fā)酵而釀造的葡萄酒,其酒體呈金黃色透明狀,果香濃郁,風(fēng)味獨(dú)特,具有美容、養(yǎng)顏、保健等功效[1-2]。目前,全球冰酒產(chǎn)地有德國(guó)、奧地利、瑞士、加拿大和中國(guó),而川藏高原是我國(guó)冰酒的主要產(chǎn)區(qū)之一[3],具有“海拔高、日照強(qiáng)、溫差大”等氣候優(yōu)勢(shì)。在冰酒的釀造過(guò)程中,酵母菌種的選擇至關(guān)重要,影響酒的品質(zhì)和香氣。市售釀酒酵母菌劑大多為葡萄酒通用酵母,若用于釀造冰酒,所得產(chǎn)品將喪失冰酒特有風(fēng)味[4],所以冰酒釀造專用菌劑的研發(fā)就顯得尤為重要。將冰葡萄中分離純化獲得的酵母菌種所生產(chǎn)菌劑用于釀造冰酒,不僅發(fā)酵過(guò)程得以精準(zhǔn)控制[5],還能保持冰酒獨(dú)特的風(fēng)味,釀出高品質(zhì)的冰酒。

目前,國(guó)內(nèi)外菌劑制備的主要方式為真空冷凍干燥法和噴霧干燥法,真空冷凍干燥法制得的菌劑活菌率高,但干燥時(shí)間長(zhǎng),成本高,干燥物料為塊狀[6],噴霧干燥法生產(chǎn)菌劑雖時(shí)間短,但產(chǎn)品活菌率較低。本研究采用真空冷凍噴霧干燥法制備川藏高原冰酒專用發(fā)酵菌劑,所需干燥時(shí)間短,生產(chǎn)成本低,干燥物料為粉末狀,復(fù)水性強(qiáng),保持了產(chǎn)品的生物活性[7-10]。實(shí)驗(yàn)優(yōu)化了冰酒發(fā)酵菌劑的保護(hù)劑配方,并對(duì)最優(yōu)配方下所制備的菌劑進(jìn)行性能分析,為川藏高原冰酒發(fā)酵菌劑標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)提供參考。

1　材料與方法

1.1　材料與儀器

釀酒酵母(Saccharomycescerevisiae)從冰葡萄渣中分離得到[11],編號(hào)為JH2,保存于四川省微生物資源平臺(tái)菌種保藏中心(SSIC);酵母浸出粉胨葡萄糖培養(yǎng)基(YPD)北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司;葡萄糖無(wú)水,成都科龍化工試劑廠;甘油、蔗糖、麥芽糊精(食品級(jí))康達(dá)食品工程有限公司;脫脂乳粉完達(dá)山乳業(yè)股份有限公司。

BKD-126M實(shí)驗(yàn)室噴霧冷凍干燥機(jī)上海雅程儀器設(shè)備有限公司;SRK-14D電熱恒溫隔水式培養(yǎng)箱黃石市恒豐醫(yī)療器械有限公司;SW-CJ-2F型雙人雙面凈化工作臺(tái)蘇州凈化設(shè)備有限公司;ZWY-1102C恒溫培養(yǎng)振蕩器上海智域分析儀器制造有限公司;LDZX-75KB立式壓力蒸汽滅菌器上海申安醫(yī)療器械廠;JSM-7500F電子顯微鏡日本電子株式會(huì)社;IMP-Apollo熱重分析儀Shimadzu Kyoto Japan。

1.2　實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1菌種活化、富集活化:取保存的釀酒酵母甘油管一支,吸取1 mL加入裝有10 mL無(wú)菌 YPD培養(yǎng)基的試管中,放于28 ℃搖床培養(yǎng)48 h。用接種環(huán)蘸取上述活化后的菌懸液,在虎紅瓊脂上劃線,28 ℃恒溫培養(yǎng)2～3 d,待用。

富集:將上述活化后的釀酒酵母,按4%接種量加到Y(jié)PD培養(yǎng)基中,28 ℃搖床培養(yǎng)48 h后,4500 r/min、4 ℃離心20 min,收集沉淀,即為所富集菌體[12]。

1.2.2冰酒發(fā)酵菌劑真空冷凍噴霧干燥制備工藝在預(yù)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,實(shí)驗(yàn)優(yōu)化得到4種保護(hù)劑,通過(guò)單因素和正交實(shí)驗(yàn)來(lái)優(yōu)化保護(hù)劑配方,提高菌劑活菌率。將富集菌體和各種濃度的保護(hù)劑按1∶4的體積比混合后,磁力攪拌30 min,混合均勻,同時(shí)打開(kāi)真空冷凍噴霧干燥機(jī)進(jìn)行預(yù)冷,待當(dāng)前物料溫度為-40 ℃時(shí),將混合溶液噴成小冰晶狀進(jìn)入真空冷凍噴霧干燥機(jī),進(jìn)行升華干燥,干燥后即為粉末狀的菌劑[13-14]。

1.2.3復(fù)合保護(hù)劑單因素實(shí)驗(yàn)本實(shí)驗(yàn)中選取甘油、蔗糖、脫脂乳粉和麥芽糊精4種保護(hù)劑作為菌劑的保護(hù)劑,固定甘油的實(shí)驗(yàn)水平為4%,蔗糖實(shí)驗(yàn)水平為6%,脫脂乳粉實(shí)驗(yàn)水平為10%,麥芽糊精實(shí)驗(yàn)水平為14%。分別改變甘油添加量(2%、4%、6%、8%、10%)、蔗糖添加量(2%、4%、6%、8%、10%)、脫脂乳粉添加量(4%、6%、8%、10%、12%)、麥芽糊精添加量(10%、12%、14%、16%、18%),經(jīng)過(guò)真空冷凍噴霧干燥制成菌劑,以菌劑的活菌率為評(píng)價(jià)指標(biāo),確定各保護(hù)劑的較優(yōu)濃度。

1.2.4正交實(shí)驗(yàn)根據(jù)孟憲軍[15]、張帆[16]的相關(guān)研究,復(fù)合保護(hù)劑的效果優(yōu)于單一保護(hù)劑。結(jié)合單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果,對(duì)甘油、蔗糖、脫脂乳粉和麥芽糊精4種保護(hù)劑進(jìn)行L9(34)正交實(shí)驗(yàn),以活菌率為評(píng)價(jià)指標(biāo),優(yōu)化復(fù)合保護(hù)劑配方,正交實(shí)驗(yàn)因素和水平見(jiàn)表1。

表1　正交實(shí)驗(yàn)因素和水平Table 1　Experimental factor and level of orthogonal test

1.2.5菌劑活菌率測(cè)定參考張帆[15]等的方法,并作一定的改進(jìn),冰酒發(fā)酵菌劑的活菌率計(jì)算公式為:

活菌數(shù)測(cè)定:參照GB 4789.15-2010進(jìn)行測(cè)定[17]。

1.2.6菌劑性能分析在最優(yōu)復(fù)合保護(hù)劑配方下,對(duì)冰酒發(fā)酵菌劑進(jìn)行性能分析。

1.2.6.1微觀形態(tài)分析用掃描電鏡來(lái)觀察發(fā)酵菌劑的微觀形態(tài)[18]。在掃描電子顯微鏡樣品臺(tái)上貼上雙面膠,將菌劑樣品粘貼在雙面膠上,然后鍍膜觀察;電壓為15 kV,放大倍數(shù)為100和1000。

1.2.6.2熱失重分析將菌劑樣品放置在剛玉坩堝中,進(jìn)行熱失重分析,升溫速度為10 ℃/min,初溫30 ℃,終溫400 ℃,記錄熱失重曲線[19]。

1.2.6.3熱穩(wěn)定性分析稱取0.1 g菌劑產(chǎn)品至9.9 mL無(wú)菌蒸餾水中,分別置于40、50、60 ℃水浴鍋中水浴20 min,每10 min進(jìn)行一次活菌計(jì)數(shù)。

1.2.6.4低溫穩(wěn)定性分析稱取0.1 g菌劑產(chǎn)品至9.9 mL無(wú)菌蒸餾水中,分別放置在4 ℃和10 ℃中,保持12周,每4周進(jìn)行一次活菌計(jì)數(shù)[20];同時(shí),稱取0.1 g菌劑產(chǎn)品至9.9 mL無(wú)菌的YPD液體培養(yǎng)基中(事先放入杜氏小管),置于4 ℃和10 ℃培養(yǎng)14 d,每天觀察菌劑產(chǎn)氣情況并記錄結(jié)果。

1.2.6.5發(fā)酵性能挑選大小均一,無(wú)機(jī)械損傷的冰葡萄,破碎后取汁,將葡萄汁轉(zhuǎn)移到6個(gè)發(fā)酵罐中,每個(gè)發(fā)酵罐中500 mL。將冷凍噴霧干燥制得的冰酒發(fā)酵菌劑和市售安琪酵母菌劑按0.1 g的接種量分別接種到對(duì)應(yīng)發(fā)酵罐中,并加入發(fā)酵液總體積1.5%的蔗糖溶液,加蓋密封,3個(gè)平行為一組。將上述接種酵母后的發(fā)酵罐放入15 ℃的恒溫培養(yǎng)箱中進(jìn)行發(fā)酵,隔天定時(shí)測(cè)量其酒精度、總糖和總酸含量。

1.2.6.6冰酒品質(zhì)分析方法酒精度:采用酒精計(jì)直接測(cè)定[21];總糖:采用手持糖度儀測(cè)定[21];總酸:采用酸堿滴定法[22]。

1.3　數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析,采用SPSS 20.0進(jìn)行顯著性分析、Origin 9.0作圖。

2　結(jié)果與分析

2.1　單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1甘油添加量對(duì)菌劑活菌率的影響甘油又稱丙三醇,常用作防凍劑、保濕劑以及溶劑等[23],從圖1可知,在真空冷凍噴霧干燥時(shí),甘油在釀酒酵母微膠囊化中保護(hù)作用明顯,隨著添加量的增加,菌劑的活菌率逐漸升高,當(dāng)添加量超過(guò)4%時(shí),隨著添加量的增加活菌率反而下降。主要原因可能在于:當(dāng)甘油添加量小于4%時(shí),隨添加量的增加,菌懸液的黏性增強(qiáng),酵母菌細(xì)胞內(nèi)外的滲透壓相近,在升華干燥時(shí),減緩細(xì)胞失水的速度,從而起到保護(hù)作用,增加酵母存活率[24]。當(dāng)甘油添加量超過(guò)4%時(shí),菌懸液水分含量較高,黏度較大,難以干燥為粉末狀的微膠囊,而是黏稠狀,影響細(xì)胞的存活。因此,甘油添加量4%時(shí),微膠囊菌劑的活菌率為34.98%,達(dá)到最大值。

圖1　不同甘油添加量對(duì)菌劑活菌率的影響Fig.1　Effect of glycerol content on survival rate of yeast agents

2.1.2蔗糖添加量對(duì)菌劑活菌率的影響蔗糖除了作為甜味劑,還是一種冷凍結(jié)晶改良劑以及膨松劑,其玻璃化溫度較高,只能透過(guò)細(xì)胞壁,不能透過(guò)細(xì)胞膜,在微生物菌劑升華干燥過(guò)程中可保護(hù)細(xì)胞免受損傷,提高產(chǎn)品活菌數(shù)。如圖2,當(dāng)蔗糖添加量為6%時(shí),酵母菌劑活菌率顯著(p<0.05)高于其余各實(shí)驗(yàn)組;當(dāng)添加量小于6%時(shí),隨著蔗糖濃度增加,菌劑產(chǎn)品活菌率不斷增加;當(dāng)添加量大于6%時(shí),菌劑產(chǎn)品的活菌數(shù)隨著濃度增加反而下降。這可能由于:添加量增加,蔗糖融化后,菌懸液黏度增加,影響細(xì)胞壁的通透性,經(jīng)真空冷凍噴霧干燥后,不能使菌懸液完全干燥成粉末狀,所以發(fā)酵菌劑的活菌率反而下降[25]。

圖2　不同蔗糖添加量對(duì)菌劑活菌率的影響Fig.2　Effect of sucrose content on survival rate of yeast agents

2.1.3脫脂乳粉添加量對(duì)菌劑活菌率的影響脫脂乳粉是將鮮牛奶脫去脂肪后再干燥而成的粉末狀產(chǎn)品,蛋白質(zhì)是其主要成分,將其作為菌劑真空冷凍噴霧干燥時(shí)的保護(hù)劑,能使菌劑產(chǎn)品具有較優(yōu)的呈粉性和復(fù)水性[26],在釀酒酵母菌體周圍形成一層外壁,具有保護(hù)作用。從圖3可知,當(dāng)脫脂乳粉添加量小于10%時(shí),隨著其濃度增加,微膠囊產(chǎn)品中釀酒酵母的活菌率不斷上升;當(dāng)添加量超過(guò)10%后,菌劑產(chǎn)品的活菌率反而下降。因?yàn)?在脫脂乳粉添加量為10%時(shí),其對(duì)酵母菌的保護(hù)效果已經(jīng)達(dá)到最大值,菌劑活菌率顯著(p<0.05)高于其余各添加量,若繼續(xù)提高濃度,則干燥產(chǎn)品中脫脂乳粉所占比例將會(huì)增加,活菌率反而下降。所以從節(jié)約成本角度出發(fā),選擇10%為脫脂乳粉較優(yōu)添加量。

圖3　不同脫脂乳粉添加量對(duì)菌劑活菌率的影響Fig.3　Effect of skimmed milk powder content on survival rate of yeast agents

2.1.4麥芽糊精添加量對(duì)菌劑活菌率的影響麥芽糊精是以各類淀粉為原料經(jīng)酶解、提純和干燥制成,具有良好的溶解性,不易潮解,是微膠囊制備中的較好載體。從圖4可知,在麥芽糊精添加量低于14%時(shí),隨著其濃度增加,微膠囊產(chǎn)品中釀酒酵母的活菌率不斷上升;當(dāng)添加量超過(guò)14%后,菌劑產(chǎn)品的活菌率反呈下降趨勢(shì)。在麥芽糊精添加量為14%時(shí),其對(duì)酵母菌的保護(hù)效果差異顯著(p<0.05),活菌率達(dá)到最大值，所以,選取14%為麥芽糊精的較優(yōu)添加量。

圖4　不同麥芽糊精添加量對(duì)菌劑活菌率的影響Fig.4　Effect of maltodextrin content on survival rate of yeast agents

2.2　正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果,按表1的實(shí)驗(yàn)因素和水平進(jìn)行了L9(34)正交實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2、表3所示。

表3　方差分析Table 3　Variance analysis of orthogonal experiment results

注：“*”表示對(duì)菌劑產(chǎn)品活菌率影響顯著,p<0.05。

表2　發(fā)酵菌劑保護(hù)劑配方優(yōu)化正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2　Orthogonal array design and results for formula optimization of wall material

從表2和表3可知,4個(gè)因素對(duì)菌劑產(chǎn)品活菌率影響的主要順序?yàn)?脫脂乳粉>麥芽糊精>甘油>蔗糖,其中脫脂乳粉對(duì)產(chǎn)品活菌率的影響顯著(p<0.05)。從直觀分析來(lái)看,菌劑產(chǎn)品最佳保護(hù)劑組合為A3B1C3D2,極差分析而言,菌劑產(chǎn)品最佳保護(hù)劑組合為A3B3C3D3,通過(guò)多次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),組合A3B3C3D3的活菌率為78.25%,活菌數(shù)為10.34 CFU/g,高于組合A3B1C3D2。所以冰酒發(fā)酵菌劑復(fù)合保護(hù)劑的最優(yōu)配方為A3B3C3D3,即甘油5%,蔗糖7%,脫脂乳粉11%,麥芽糊精15%。

2.3　性能分析

2.3.1微觀形態(tài)分析圖5為冰酒發(fā)酵菌劑在電子顯微鏡下的微觀形態(tài)。由圖可知,菌劑呈細(xì)小顆粒狀,無(wú)結(jié)塊現(xiàn)象發(fā)生;顆粒表面光滑且平整,保護(hù)效果較好,沒(méi)有高溫干燥而形成的微孔、褶皺。由此可見(jiàn),添加最佳配方的復(fù)合保護(hù)劑后,對(duì)菌劑的微觀形態(tài)起到了較好的保護(hù)作用。

圖5　菌劑的微觀結(jié)構(gòu)Fig.5　Microstructure of yeast agents注：A:100倍；B:1000倍。

2.3.2熱失重分析冰酒發(fā)酵菌劑的失重曲線如圖6所示。菌劑的熱失重分為三個(gè)階段:第一,菌劑預(yù)熱階段,質(zhì)量變化較平緩,溫度范圍為37～200 ℃,此時(shí)菌粉質(zhì)量損失較少,所供熱量主要用于菌粉的加熱;第二,菌劑中蔗糖、蛋白質(zhì)等物質(zhì)分解,大量揮發(fā)階段,質(zhì)量隨溫度和時(shí)間呈直線下降,溫度范圍為200～340 ℃,質(zhì)量分?jǐn)?shù)從89.14%下降到40.54%;第三,菌劑質(zhì)量穩(wěn)定階段,此時(shí)加熱溫度為350 ℃。整體看來(lái),菌劑在240 ℃時(shí)質(zhì)量分?jǐn)?shù)仍然大于70%,說(shuō)明制備的菌劑在240 ℃下是較穩(wěn)定的,質(zhì)量損失較少。

圖6　菌劑的TG曲線Fig.6　TG curve of yeast agents in optimum protective agents

2.3.3熱穩(wěn)定性分析菌劑周圍環(huán)境溫度過(guò)高可能會(huì)導(dǎo)致其含有的菌種失活,選擇適宜的保護(hù)劑可提高其對(duì)熱的抵抗能力,保持菌種活性。不同熱處理溫度下對(duì)菌劑活菌數(shù)的影響如圖7所示,在40、50、60 ℃下分別處理20 min后,菌劑中的活菌數(shù)從初始的10.51 CFU/g分別下降到了10.26、7.21、5.81 CFU/g。在40 ℃下,菌劑中活菌數(shù)下降了0.25 CFU/g,致死率僅為2.38%;50 ℃下,菌劑活菌數(shù)下降了3.30 CFU/g,致死率為31.39%。由此可見(jiàn),該菌劑產(chǎn)品在40～50 ℃的高溫下,其活菌數(shù)仍保持較高,致死率較低,對(duì)高溫環(huán)境的抵抗性較強(qiáng)。

圖7　不同熱處理溫度對(duì)菌劑活菌數(shù)的影響Fig.7　Effect of heat treatments on viable counts of yeast agents

表5　冰酒發(fā)酵菌劑與市售釀酒酵母發(fā)酵性能對(duì)比Table 5　Comparison of fermentation performance between ice wine fermentation agents and commercially available Saccharomyces cerevisiae

2.3.4低溫穩(wěn)定性分析冰酒是在10～15 ℃低溫發(fā)酵而來(lái)的,冰酒發(fā)酵菌劑應(yīng)能耐低溫,在低溫下仍能發(fā)酵,所以考察冰酒發(fā)酵菌劑的低溫穩(wěn)定是必要的。如圖8所示,在4 ℃和10 ℃下分別放置12周后,菌劑產(chǎn)品中的活菌數(shù)從初始的10.46 CFU/g分別下降到了6.99、8.92 CFU/g,致死率分別為33.17%和14.72%。從表4可知,菌劑中的釀酒酵母在10 ℃培養(yǎng)溫度下,第5 d時(shí)能開(kāi)始發(fā)酵;第7 d開(kāi)始大量發(fā)酵,所產(chǎn)生氣泡大于半管;第9 d時(shí),所產(chǎn)生的氣泡充滿整個(gè)杜氏小管。由此可見(jiàn),該發(fā)酵菌劑在10 ℃低溫下活菌數(shù)保持較高,且仍能發(fā)酵產(chǎn)氣,適用于釀造冰酒。

圖8　不同低溫處理對(duì)菌劑活菌數(shù)的影響Fig.8　Effect of low temperature on viable counts of yeast agents

表4　菌劑低溫穩(wěn)定性Table 4　Low temperature stability of yeast agents

注：“-”表示管內(nèi)無(wú)氣泡;“+”表示氣泡量小于半管;“++”表示氣泡量大于半管;“+++”表示氣泡滿管。

2.3.5發(fā)酵性能采用冰酒發(fā)酵菌劑釀造的冰酒與市售安琪酵母釀造而成的冰酒性能對(duì)比如表5所示,分別記錄冰酒在發(fā)酵過(guò)程中的酒精度、總糖和總酸。

酒精度、總糖和總酸是衡量果酒品質(zhì)的重要因素,酒精能抑制微生物生長(zhǎng),防止雜菌破壞酒的品質(zhì),酸度能賦予冰酒清新的品嘗感,給上顎一種煥然一新的感覺(jué)。從酒精度來(lái)看,發(fā)酵到第9 d時(shí),兩種酵母發(fā)酵的冰酒酒精度趨于穩(wěn)定,發(fā)酵結(jié)束時(shí),冰酒專用菌劑釀造的冰酒酒精度為(14.20±0.04)%v/v,與市售冰酒酒精度接近,而市售安琪酵母所釀造的冰酒酒精度為(15.12±0.03)%v/v,遠(yuǎn)高于市售冰酒酒精度,酒味過(guò)于濃烈;從總糖和總酸含量來(lái)看,接種冰酒發(fā)酵菌劑后,冰酒在釀造過(guò)程中總糖下降趨勢(shì)平緩,總酸含量上升和下降幅度較小,酸甜比例適宜,口感細(xì)膩,而接種安琪酵母后的冰酒總糖含量下降迅速,總酸含量變化較大,酸甜比略微失調(diào)。由此可見(jiàn),冰酒專用菌劑在釀造冰酒過(guò)程中其發(fā)酵效果優(yōu)于市售安琪酵母。

3　結(jié)論

以冰葡萄渣中分離的釀酒酵母為菌種,以甘油、蔗糖、脫脂乳粉和麥芽糊精為保護(hù)劑,運(yùn)用真空冷凍噴霧干燥法制備冰酒專用發(fā)酵菌劑。通過(guò)單因素和正交實(shí)驗(yàn),得到菌劑復(fù)合保護(hù)劑的最優(yōu)配方為:甘油5%,蔗糖7%,脫脂乳粉11%,麥芽糊精15%,在此工藝條件下,制得的冰酒發(fā)酵菌劑活菌數(shù)為10.34 CFU/g,活菌率達(dá)到78.25%。再將此工藝條件下的冰酒發(fā)酵菌劑從微觀形態(tài)、熱失重、熱穩(wěn)定性、低溫穩(wěn)定性和發(fā)酵性能五方面進(jìn)行性能分析,結(jié)果表明,該菌劑呈粉末狀,顆粒表面光滑平整,無(wú)褶皺、微孔出現(xiàn),保護(hù)效果較好;其熱失重也較穩(wěn)定,在240 ℃的高溫下,質(zhì)量損失小于30%;熱穩(wěn)定性和低溫穩(wěn)定性均較優(yōu),40 ℃下致死率僅為2.38%,在10 ℃的低溫下能進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)氣,活菌數(shù)為8.92 CFU/g;在釀造冰酒的過(guò)程中,其發(fā)酵性能優(yōu)于市售安琪酵母。由此看來(lái),添加最優(yōu)配方的復(fù)合保護(hù)劑后,經(jīng)真空冷凍噴霧干燥法制備出的冰酒專用發(fā)酵菌劑性能較優(yōu),適用于冰酒的釀造。

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