李水玲,趙紅倩,王文秀,馬倩云,劉亞瓊,吳晶晶,孫劍鋒,3,*
(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院,河北保定 071000;2.張家口弘基農(nóng)業(yè)科技開發(fā)有限責(zé)任公司,河北張家口 075000;3.河北省馬鈴薯加工技術(shù)創(chuàng)新中心,河北張家口 076550)
我國(guó)是馬鈴薯種植面積和產(chǎn)量的第一大國(guó)。馬鈴薯(Solanum tuberosumL.)原產(chǎn)于南美洲[1],紫色馬鈴薯是馬鈴薯當(dāng)中一類特殊的品種,有它特有的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[2]。紫色馬鈴薯中含有普通馬鈴薯中的全部營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),除此之外還含有水溶性的天然花青素[3]。紫色馬鈴薯中的花青苷為酰基花色苷[4?5],所以其抗氧化性較為穩(wěn)定[6?7],具有增強(qiáng)免疫、降血脂、保護(hù)視力和延緩衰老等多種保健功能[8?11]。目前紫色馬鈴薯主要以鮮食為主,少數(shù)用于加工,綜合經(jīng)濟(jì)效益較低。為了順應(yīng)馬鈴薯主食戰(zhàn)略,必須大力發(fā)展馬鈴薯產(chǎn)品深加工產(chǎn)業(yè),豐富產(chǎn)品品種,從而提高馬鈴薯的經(jīng)濟(jì)附加值[12]。
紫色馬鈴薯價(jià)格低廉、淀粉含量豐富,具有一定保健功能,是良好的釀酒原料。陳杰華[13]以紫色馬鈴薯為原料,通過淋飯和喂飯相結(jié)合的方法確定了紫色馬鈴薯米酒的制備工藝。張蕊等[14]在紫馬鈴薯水解液中,分別接種不同的商業(yè)酵母XR、VR5、QA23 進(jìn)行發(fā)酵,比較分析香氣組分構(gòu)成。結(jié)果表明采用QA23 酵母作為菌種釀酒,產(chǎn)生的酯類類型較另兩種商業(yè)酵母多。目前馬鈴薯酒存在酒體味道單一的問題,而面粉價(jià)格低廉且蛋白質(zhì)含量豐富,在發(fā)酵過程中添加面粉其蛋白質(zhì)分解成氨基酸進(jìn)而形成高級(jí)醇,從而提高酒的香氣[15?16]。
因此,本實(shí)驗(yàn)以面粉為輔料,添加酒曲進(jìn)行液態(tài)發(fā)酵,研制出紫色馬鈴薯酒,并研究主發(fā)酵過程中的花青素、色度、色調(diào)、褐變指數(shù)、聚合色度的動(dòng)態(tài)變化,以期為工業(yè)化生產(chǎn)提供簡(jiǎn)便的發(fā)酵工藝及理論指導(dǎo),豐富紫色馬鈴薯的產(chǎn)品種類,促進(jìn)大眾健康。
黑金剛馬鈴薯 張家口弘基農(nóng)業(yè)科技開發(fā)有限責(zé)任公司;面粉 金龍魚多用途麥芯粉;高溫α-淀粉酶(酶活力30000 U/g) 北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司;安琪釀酒曲 安琪酵母股份有限公司。
DK-98-11 電熱恒溫水浴鍋 天津市泰斯特儀器有限公司;NDP-9082 恒溫培養(yǎng)箱 寧波江南儀器廠;15R 高速冷凍離心機(jī) 力康生物醫(yī)療科技控股有限公司;752 紫外分光光度計(jì) 上海菁華科技儀器有限公司;分析天平(CP214) 上海奧豪斯儀器有限公司;PIBI2 電磁爐 奔騰電器(上海)有限公司;MJ-BL25B2美的攪拌機(jī) 廣東美的生活電器制造有限公司。
1.2.1 紫色馬鈴薯酒的釀造工藝 工藝流程:紫色馬鈴薯清洗→切塊、蒸熟→加水打漿→添加面粉→添加α-淀粉酶→添加酒曲→發(fā)酵→過濾→滅菌→成品
操作要點(diǎn):
原料預(yù)處理:挑選無(wú)霉斑、無(wú)芽的紫色馬鈴薯進(jìn)行清洗。
蒸熟、打漿:新鮮紫色馬鈴薯切片1 cm 厚,常壓蒸至無(wú)硬心,出鍋后加水,以料水比1:1 (g/mL)打漿,加入面粉攪拌均勻。
液化:添加8.5 U/gα-淀粉酶,于90 ℃液化50 min。
發(fā)酵:酒曲用5~10 倍的35 ℃溫水活化15 min,加入發(fā)酵液攪拌均勻后倒入500 mL 三角瓶中(約瓶子的三分之二)蓋上帶軟管的膠塞,于28 ℃下發(fā)酵。
過濾、滅菌:經(jīng)14 d 發(fā)酵結(jié)束后,過濾、滅菌制得紫色馬鈴薯酒。
1.2.2 紫色馬鈴薯酒釀造工藝優(yōu)化
1.2.2.1 單因素實(shí)驗(yàn) a.面粉添加量的確定:以酒精度為指標(biāo),考察紫色馬鈴薯與面粉的添加量的質(zhì)量比分別為1:0、1:0.1、1:0.2、1:0.3、1:0.4、1:0.5、1:0.6,料液比為1:1.25 (g/mL),添加α-淀粉酶8 U/g,添加酒曲0.4%,于28 ℃發(fā)酵7 d,對(duì)發(fā)酵液酒精度的影響。酒精度的影響。
b.料液比的確定:以酒精度和花青素含量為指標(biāo),考察紫色馬鈴薯與面粉的添加量的質(zhì)量比為1:0.6,料液比分別為1:0.75、1:1、1:1.25、1:1.5、1:1.75 (g/mL),α-淀粉酶添加量8 U/g,酒曲添加量0.4%,于28 ℃發(fā)酵7 d,對(duì)發(fā)酵液酒精度和花青素的影響。
c.α-淀粉酶添加量的確定:以酒精度和花青素含量為指標(biāo),考察紫色馬鈴薯與面粉的添加量的質(zhì)量比為1:0.6,料液比分別為1:1 (g/mL),α-淀粉酶添加量分別為4、6、8、10、12 U/g,酒曲添加量0.4%,于28 ℃發(fā)酵7 d,對(duì)發(fā)酵液酒精度和花青素的影響。
d.酒曲添加量的確定:以酒精度和花青素含量為指標(biāo),考察紫色馬鈴薯與面粉的添加量的質(zhì)量比1:0.6,料液比1:1 (g/mL),α-淀粉酶添加量8 U/g,酒曲添加量分別為0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%,于28 ℃發(fā)酵7 d,對(duì)發(fā)酵液酒精度和花青素的影響。
1.2.2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì) 根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果,運(yùn)用軟件Design-Expert 7.0,分別以料水比(A)、α-淀粉酶添加量(B)、酒曲添加量(C)為響應(yīng)變量,以花青素含量為響應(yīng)值(Y),通過三因素三水平的Box-Behnken 響應(yīng)面設(shè)計(jì)方法進(jìn)行試驗(yàn),優(yōu)化出最佳的發(fā)酵工藝。各組試驗(yàn)的編碼水平與取值見表1。
表1 Box-Behnken 響應(yīng)面設(shè)計(jì)因素水平及編碼Table 1 Box-behnken response surface design factor level and coding
1.2.2.3 紫色馬鈴薯酒感官評(píng)定方法 參考張文等[17]和李剛鳳等[18]方法,感官評(píng)定分別從色澤、香氣、口感、組織狀態(tài)4 個(gè)方面進(jìn)行評(píng)分,請(qǐng)10 名食品科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生,對(duì)樣品進(jìn)行綜合感官評(píng)分。評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)見表2。
表2 感官評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Sensory scoring criteria
1.3.1 酒精度測(cè)定 根據(jù)GB 5009.225-2016《酒中乙醇濃度的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)定。
1.3.2 花青素含量測(cè)定 采用pH 示差法[19]測(cè)定花青素含量,并略有改動(dòng),取1 mL 發(fā)酵酒液分別用pH1.0 緩沖溶液和pH4.5 的緩沖溶液定容至10 mL,置于暗處平衡2 h,以空白樣作對(duì)照,用分光光度計(jì)測(cè)定兩種溶液520 nm 和700 nm 波長(zhǎng)處的吸光度(A),按以下公式計(jì)算得出花青素含量(C)。
式中A=(A520?A700)pH1.0-(A520?A700)pH4.5,MW-矢車菊花素-3-葡萄糖苷的分子摩爾質(zhì)量,449.2 g/mol;DF-稀釋因子;ε-矢車菊花素-3-葡萄糖苷的消光系數(shù),26900;L-比色皿光程,1 cm。
1.3.3 色度、色調(diào)測(cè)定 發(fā)酵液經(jīng)4500 r/min 離心10 min,取上清液經(jīng)0.45 μm 濾膜過濾,用去離子水調(diào)零,分別于420 、520 nm 及620 nm 波長(zhǎng)處測(cè)定吸光度A,用去離子水做空白對(duì)照[20]。
1.3.4 聚合色度、褐變指數(shù)測(cè)定 取2 mL 經(jīng)離心、0.45 μm 膜過濾后的酒樣,加10 mg NaHSO3,靜置1 min,以去離子水為參比,測(cè)定其在420 nm 和520 nm波長(zhǎng)下的吸光度[21],褐變指數(shù)和聚合色度按以下公式計(jì)算[22]。
采用Design-Expert V 8.0.6 設(shè)計(jì)響應(yīng)面進(jìn)行優(yōu)化與分析試驗(yàn),SPSS 17.0 用于數(shù)據(jù)方差分析,Origin 2018 作圖,每組試驗(yàn)重復(fù)測(cè)量3 次。
2.1.1 面粉添加量的確定 表3 為面粉添加量對(duì)紫色馬鈴薯酒發(fā)酵的影響。由表3 可知,隨著面粉添加量的增加,酒精度呈上升趨勢(shì),面粉中淀粉含量多,α-淀粉酶水解淀粉轉(zhuǎn)化成酵母菌生長(zhǎng)和繁殖需要的還原糖及總糖,酒精度逐漸增大。一般來說,酒精度在10% vol 以上時(shí),微生物難以滋生,有利于酒的儲(chǔ)存,但面粉添加過多時(shí)會(huì)掩蓋紫色馬鈴薯酒的特征風(fēng)味。雖然在紫色馬鈴薯與面粉比為1:0.5 時(shí)酒精度也超過10% vol,但出于更易儲(chǔ)存的角度,最終選擇紫色馬鈴薯與面粉1:0.6 的比例,進(jìn)行下一步的試驗(yàn)。
表3 面粉添加量對(duì)紫色馬鈴薯酒發(fā)酵的影響Table 3 Effect of flour addition on the fermentation of purple potato wine
2.1.2 料水比對(duì)酒精度和花青素的影響 圖1 為料水比對(duì)酒精度和花青素的影響。由圖1 可知,料水比在1:1 (g/mL)時(shí)酒精度達(dá)到最大值13.3%vol,1:1~1:1.75 (g/mL)時(shí)酒精度逐漸下降,可知當(dāng)料水比為1:1 (g/mL)時(shí)能使α-淀粉酶充分發(fā)揮作用,將淀粉進(jìn)行酶解。酒精度低時(shí),不利于花青素的溶出[23]。料水比為1:1~1:1.75(g/mL)時(shí),隨著料水比的增大花青素的含量逐漸下降。綜合考慮選取料水比1:0.75、1:1、1:1.25 (g/mL),進(jìn)行下一步的響應(yīng)面試驗(yàn)。
圖1 料水比對(duì)紫色馬鈴薯酒發(fā)酵的影響Fig.1 Effect of material-water ratio on purple potato wine fermentation
2.1.3α-淀粉酶添加量對(duì)酒精度和花青素的影響圖2 為α-淀粉酶添加量對(duì)酒精度和花青素的影響。由圖2 可知,添加α-淀粉酶可以使紫色馬鈴薯發(fā)酵液黏度下降[24],利于花青素的溶出,提高花青素含量[25]。α-淀粉酶添加量為4~8 U/g 時(shí),隨著α-淀粉酶添加量的增多酒精度及花青素的含量均呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì),8 U/g 后酒精度及花色苷的含量趨于平緩。因此,選取淀粉酶添加量為6 、8 、10 U/g,進(jìn)行下一步的響應(yīng)面試驗(yàn)。
圖2 α-淀粉酶添加量對(duì)酒精度和花青素的影響Fig.2 Effect of alpha-amylase on alcohol content and anthocyanins
2.1.4 酒曲添加量對(duì)酒精度和花青素的影響 圖3為酒曲添加量對(duì)酒精度和花青素的影響。由圖3 可知,酒曲添加量在0.2%~0.4%時(shí),酒精度和花青素含量均呈上升的趨勢(shì)。酒曲中有曲霉和酵母,酒曲添加量增大會(huì)使發(fā)酵液中酵母含量增多,可促使發(fā)酵液中葡萄糖轉(zhuǎn)換為酒精[26]。隨著發(fā)酵的進(jìn)行葡萄糖含量逐漸減少,在酒曲添加量為0.4%后酒精度趨于平緩,而花青素含量0.5%開始下降。所以為了盡可能提高花青素的含量。選取酒曲添加量為0.4%、0.5%、0.6%,進(jìn)行下一步的響應(yīng)面試驗(yàn)。
圖3 酒曲添加量對(duì)酒精度和花青素的影響Fig.3 Effect of koji addition on alcohol content and anthocyanin
2.2.1 模型的建立及方差分析 表4 為Box-Behnken設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案及結(jié)果。如表4 方差分析結(jié)果可知,該模型P=0.0002(P<0.01),說明該二次模型方程極顯著?;貧w方程失擬項(xiàng)P=0.5049 不顯著,表明該方程對(duì)試驗(yàn)擬合程度較好,因此可以用回歸方程對(duì)紫色馬鈴薯酒發(fā)酵后的花青素進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析?;貧w方程中的α-淀粉酶添加量(B)、酒曲添加量(C)以及二次項(xiàng)A2、B2、C2和交互項(xiàng)α-淀粉酶添加量與酒曲添加量(BC)均達(dá)到極顯著水平(P<0.01),料液比(A)達(dá)到顯著水平[26]。各因素對(duì)紫色馬鈴薯酒花青素的影響的大小順序?yàn)椋害?淀粉酶的添加量>料水比>酒曲添加量。
表4 Box-Behnken 設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案及結(jié)果Table 4 Design and results of Box-Behnken experiments
2.2.2 交互作用分析 根據(jù)回歸方程繪制關(guān)于紫色馬鈴薯酒花青素含量的三維響應(yīng)面圖。圖4 為交互項(xiàng)對(duì)于紫色馬鈴薯酒花青素顯著的響應(yīng)面圖。由圖4的三維響應(yīng)曲面圖可看出3 個(gè)因素變量及其交互作用對(duì)紫色馬鈴薯酒花青素含量的影響,響應(yīng)曲面越陡峭,說明兩者交互作用越顯著。從表5 中可以看出,交互項(xiàng)AB 和AC 的交互作用不顯著,交互項(xiàng)BC 的交互作用極顯著。
圖4 交互項(xiàng)對(duì)于紫色馬鈴薯酒花青素顯著的響應(yīng)面圖Fig.4 Response surface diagram of interaction terms to anthocyanins in purple potato
表5 回歸模型方差分析Table 5 Analysis of variance in regression models
2.2.3 響應(yīng)面最優(yōu)條件及其驗(yàn)證 經(jīng)單因素試驗(yàn)與模型方程預(yù)測(cè)相結(jié)合得到最佳發(fā)酵參數(shù)料液比為1:1.05、淀粉酶添加量8.47 U/g、酒曲添加量0.45%,為了方便實(shí)際生產(chǎn)選取料液比1:1 (g/mL)、淀粉酶添加量8.5 U/g、酒曲添加量0.45%,經(jīng)驗(yàn)證發(fā)酵所得花青素含量為179.22 mg/L,與預(yù)測(cè)值184.75 mg/L相近,且在此條件下紫色馬鈴薯酒的酒精度為13.5%vol、綜合感官評(píng)定得分90 分,說明該模型可靠,可用于預(yù)測(cè)花青素與發(fā)酵條件的關(guān)系。
2.3.1 主發(fā)酵期花青素含量的變化 圖5 為主發(fā)酵過程中花青素含量的變化。由圖5 可知,隨著發(fā)酵時(shí)間的增加,發(fā)酵液中花青素的含量呈先增加后降低的趨勢(shì)。在發(fā)酵的0~5 d,酒精度逐漸增大,隨著酒精度增加,提高了花青素的浸出率[27],所以酒體中花青素含量也隨之增加,在第5 d 達(dá)到最大值。隨后,花青素的含量隨發(fā)酵時(shí)間的增加逐漸降低。由于花青素分子結(jié)構(gòu)的特殊性,會(huì)受發(fā)酵體系中pH、殘?zhí)橇俊⒕凭鹊纫恍┮蛩氐挠绊?,花青素的形態(tài)發(fā)生一系列變化甚至降解,所以隨著發(fā)酵的進(jìn)行,花青素含量在達(dá)到最大值后開始下降。
圖5 主發(fā)酵過程中花青素含量的變化Fig.5 The changes of anthocyanin content during main fermentation
2.3.2 主發(fā)酵期色度、色調(diào)變化 色度表示發(fā)酵液中的顏色,酒顏色越深色度值越大。色度的變化與酒樣中花青素、單寧等酚類物質(zhì)的變化有關(guān)[28]。圖6為主發(fā)酵過程色度、色調(diào)的變化。如圖6 所示,色度呈先下降后趨于平緩的趨勢(shì),在紫色馬鈴薯酒的發(fā)酵過程中,發(fā)酵液逐漸從濃稠到稀薄,即發(fā)酵液密度逐漸減少,花青素可溶于的溶液變大。當(dāng)花青素溶出率小于發(fā)酵液密度變小的速率時(shí),色度呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。
圖6 主發(fā)酵過程中色度的變化Fig.6 The change of chroma during main fermentation
色調(diào)表示發(fā)酵液中黃色與紅色的比例,即發(fā)酵液中黃色比例增加色調(diào)值增大,如圖7 所示,發(fā)酵液的色調(diào)呈快速上升后趨于平緩的趨勢(shì)??赡苁且?yàn)榛ㄇ嗨卦诎l(fā)酵過程中聚合反應(yīng)生成沉淀,使紅色比例降低黃色比例升高,呈現(xiàn)出相對(duì)穩(wěn)定的顏色,并逐漸向磚紅色轉(zhuǎn)變。
圖7 主發(fā)酵過程中色調(diào)的變化Fig.7 The change of Hue during main fermentation
2.3.3 主發(fā)酵期褐變指數(shù)、聚合色度變化 在發(fā)酵過程中花青素等酚類物質(zhì)的聚集,引起褐變指數(shù)與聚合色度的增大。褐變指數(shù)越低,褐變程度小,顏色好[29]。如圖8、圖9 所示在主發(fā)酵期間褐變指數(shù)與聚合色度均呈現(xiàn)逐步上升的趨勢(shì),且趨勢(shì)大致相同,與李甜等[30]的研究結(jié)果一致,由于前期發(fā)酵劇烈發(fā)酵液溶氧量增多,造成褐變指數(shù)和聚合色度增長(zhǎng)迅速,后期發(fā)酵穩(wěn)定,褐變指數(shù)和聚合色度平穩(wěn)增長(zhǎng)。
圖8 主發(fā)酵過程中聚合色度的變化Fig.8 The change of polymerization chroma during main fermentation
圖9 主發(fā)酵過程中褐變指數(shù)的變化Fig.9 The change of browning index during main fermentation
采用響應(yīng)面法優(yōu)化了紫色馬鈴薯酒的發(fā)酵工藝參數(shù),最終確定的工藝參數(shù)為:紫色馬鈴薯與面粉比為1:0.6、料水比1:1 (g/mL)、α-淀粉酶添加量為8.5 U/g、酒曲添加量為0.45%。此工藝在28 ℃發(fā)酵14 d。得到的紫色馬鈴薯酒酒精度13.5%vol,花青素含量166.34 mg/mL,綜合感官評(píng)定得分90 分。為該品種的開發(fā)應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。分析了主發(fā)酵過程中花青素和色澤的變化,在發(fā)酵過程中花青素的不穩(wěn)定,會(huì)隨著發(fā)酵的進(jìn)行先升高后降低,由此會(huì)造成紫色馬鈴薯酒的色澤變淺,飽和度下降、發(fā)生氧化褐變等。因此,需要進(jìn)一步控制在發(fā)酵過程中花青素含量的損失。
今后,可通過改變酒的發(fā)酵條件或添加花青素保護(hù)劑的方法,來調(diào)控花青素的降解和氧化褐變程度。從而提高紫色馬鈴薯酒中花青素的含量,使成品酒色澤達(dá)到理想的色澤,為紫色馬鈴薯為工業(yè)化生產(chǎn)紫色馬鈴薯酒提供理論基礎(chǔ)。