陳江魁,殷春燕,張獻忠,楊明建
(邯鄲學院生命科學與工程學院,河北 邯鄲 056005)
我國梨的產(chǎn)量位居世界第一位,是僅次于柑橘、蘋果的第三大水果[1]。除作為食用水果外,梨也是果酒的原料之一,目前已有多款梨酒產(chǎn)品投入市場,但與葡萄酒、蘋果酒等相比,梨酒因香味不足等問題導致消費者的認可度不高[2]?;使诶鏋橹性缡炱贩N,產(chǎn)量高、品質(zhì)好,是我國種植的主要梨品種之一,除鮮食外由于缺乏適當?shù)漠a(chǎn)業(yè)加工而難以延長產(chǎn)業(yè)鏈,皇冠梨雖有成為梨酒的潛力,但其產(chǎn)品仍有口味清淡、品質(zhì)不佳的缺點[3]。
多酚是果酒重要物質(zhì)之一,賦予果酒多樣的口感特征。梨酒中的熊果苷、綠原酸、兒茶素等主要多酚類物質(zhì)對產(chǎn)品的感官質(zhì)量,特別是風味、顏色、苦澀感有較大影響;此外多酚的化學結(jié)構(gòu)使它們具有特定的生物活性,一些研究[4]顯示梨多酚具有諸如抗氧化、抑菌、抗動脈硬化等功能。有機酸是梨酒中另一重要組分,其大多來源于梨果本身,也有一些產(chǎn)生于發(fā)酵過程,酒精飲料中的有機酸含量對風味的平衡也有很大影響,另外有機酸可充當多酚的增效劑,有助于口感的收殮性。果酒的風味還與酵母等微生物有密切聯(lián)系[5]。酵母包括釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae,Sc)和非釀酒酵母,后者常用于改善產(chǎn)品的風味、提升果酒綜合品質(zhì)。釀酒酵母與非釀酒酵母共同發(fā)酵可以顯著改善果酒的品質(zhì),例如有研究表明貝酵母(S.bayanus)[6]通過改善風味化合物(如乙酸酯、高級醇等)的組成提高了蘋果酒的感官特性;非釀酒酵母發(fā)酵可以改變果酒的有機酸及酚類譜圖[7];最近有研究,德爾布有孢圓酵母(Torulaspora delbrueckii,Td)有助于提高己酸乙酯等的含量,對果酒質(zhì)量產(chǎn)生積極的影響[8-9]。
因此,本研究選用市場常用的Sc與Td混合發(fā)酵皇冠梨酒,以Sc單菌發(fā)酵作為對照,分別對發(fā)酵過程中的有機酸、酚類物質(zhì)、抗氧化活性和揮發(fā)性化合物進行檢測,探究混合酵母發(fā)酵對產(chǎn)品質(zhì)的影響,期望提升皇冠梨酒中乙酸酯類、乙酯類及高級醇等的含量,進而豐富梨酒風味,解決口味清淡問題,為增加皇冠梨的產(chǎn)品附加值提供支持。
皇冠梨采摘于河北魏縣。
Sc、焦亞硫酸鉀 法國SOFRALAB公司;Td(CICC 33295)北京生物保藏中心;1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl,DPPH)北京諾博萊德科技有限公司;福林-酚、硝酸鋁、甲醇、乙腈(均為分析純)上海麥克林生化科技股份有限公司;有機酸標準物草酸、酒石酸、奎寧酸、蘋果酸、乳酸、乙酸、檸檬酸 阿拉丁生化科技公司;酚類標準物沒食子酸、阿魏酸、原兒茶酸、綠原酸、兒茶素、表兒茶素、蘆丁、熊果苷 美國Sigma-Aldrich公司。
BioFlo/CelliGen 115型3 L發(fā)酵罐 德國Eppendorf公司;T6紫外-可見分光光度計 北京普析通用公司;e2695高效液相色譜儀、2489紫外-可見光檢測器 美國Waters公司;Clarus 680-Clarus SQ 8T型氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀、Elite Wax氣相色譜柱(30 m×0.25 mm,0.25 μm)美國珀金埃爾默公司;65 μm PDMS/DVB固相微萃取頭、固相微萃取手柄 美國Supelco公司。
1.3.1 皇冠梨酒發(fā)酵工藝
根據(jù)實驗室前期的工作基礎(chǔ)及參考袁曉龍等[10]混合酵母發(fā)酵鴨梨的優(yōu)化條件,確定工藝條件。
工藝流程:新鮮皇冠梨→浸泡、清洗→去梗、去芯、切塊→榨汁→滅菌護色→調(diào)糖、調(diào)pH值→接種發(fā)酵→轉(zhuǎn)罐→澄清。
操作要點:1)Sc活化:活性干酵母直接加入10 倍體積的梨汁中,30 ℃靜置25 min;Td活化:接種至5 °Bé麥芽汁液體培養(yǎng)基中活化24 h;然后在不同梨汁含量的液體培養(yǎng)基依次轉(zhuǎn)接進行馴化,以1%接種量依次轉(zhuǎn)接至30%梨汁+70%麥芽汁液體培養(yǎng)基、70%梨汁+30%麥芽汁液體培養(yǎng)基、100%梨汁中,分別于28 ℃、120 r/min條件下培養(yǎng)24 h,活菌數(shù)達到1×108CFU/mL以上時備用。2)滅菌護色采用巴氏法,新鮮榨取的梨汁2 L,使用市售蔗糖調(diào)節(jié)初始可溶性固形物為22 °Bx,轉(zhuǎn)至滅菌后的發(fā)酵罐中在80 ℃條件下保持5 min;接種活化后的Td2%,24 ℃培養(yǎng)24 h后再接種活化后的Sc2%。發(fā)酵時間共6 d,此工藝下,發(fā)酵所得梨酒乙醇體積分數(shù)11.2%,可溶性固形物含量為4.5 °Bx,酒體果香淡雅,感官評分高。
以Sc和Td混合發(fā)酵梨酒為Sc+Td組,Sc單菌發(fā)酵梨酒為Sc組,不接種發(fā)酵梨汁為空白。
1.3.2 乙醇體積分數(shù)和可溶性固形物的測定
乙醇體積分數(shù)測定參考GB 5009.225—2016《酒中乙醇濃度的測定》;可溶性固形物含量測定參考NY/T 2637—2014《水果和蔬菜可溶性固形物含量的測定 折射儀法》。
1.3.3 皇冠梨酒測試樣品準備
發(fā)酵期內(nèi)間隔1 d取樣,發(fā)酵液經(jīng)6000 r/min離心10 min后,收集上清液20 mL,按照1∶1的比例用乙酸乙酯提取3 次,混合有機相于真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中35 ℃蒸至近干,干燥物溶于20 mL乙醇中,作為分析用測定樣品。
1.3.4 酚類物質(zhì)總量測定
1.3.41 總酚(total polyphenols,TP)含量測定
采用福林-酚法[11]。以沒食子酸為標準物質(zhì),用1000 mg/L的母液分別配制0、5.0、10.0、15.0、20.0、25.0 mg/L沒食子酸標準溶液。分別吸取1 mL標準溶液,加入1 mL福林-酚試劑、2 mL 12% Na2CO3溶液,用蒸餾水定容至10 mL,混合物隨后在黑暗中溫育1 h,在765 nm波長處測定吸光度,得到標準曲線和回歸方程。以測定樣品代替沒食子酸標準溶液,根據(jù)吸光度計算梨酒發(fā)酵液中TP 質(zhì)量濃度,結(jié)果以沒食子酸當量(mg/L)表示。
1.3.42 總黃酮(total flavonoids,TF)含量測定
使用亞硝酸鈉-硝酸鋁比色法,參考Pu Yunfeng等[12]的方法并稍作修改。以蘆丁為標準物質(zhì),配制200 μg/mL標準貯備液,分別吸取0、0.2、0.4、0.8、1.2、1.6、2.0 mL標準貯備液于10 mL具塞試管中,加入60%乙醇溶液補足至5 mL,然后加5%亞硝酸鈉溶液0.3 mL,靜置6 min;再加入10%硝酸鋁溶液0.3 mL,靜置6 min;最后加入4%氫氧化鈉溶液4 mL,并用60%乙醇溶液定容至刻度,靜置12 min,在510 nm波長處測定吸光度。以測定樣品代替標準溶液,根據(jù)回歸方程計算TF質(zhì)量濃度,結(jié)果以蘆丁當量(mg/L)表示。
1.3.5 有機酸與酚類物質(zhì)測定
采用高效液相色譜法測定梨酒發(fā)酵過程中有機酸和酚類物質(zhì)的含量,外標法定量。
測定條件:測定樣品用0.45 μm極性濾膜過濾到1 mL的進樣瓶中,在反相C18色譜柱(4.6 mm×250 mm,5 μm)上分離,進樣量10 μL,用紫外檢測器在210 nm波長處測定有機酸含量[13],流動相為0.01 mol/L KH2PO4-H3PO4(pH 2.7)(A)和甲醇(B),溶劑A與B的比例為97∶3,流速為0.6 mL/min。用紫外檢測器在280 nm波長處測定酚類化合物含量[14],1%甲酸(A)和100%乙腈(B)的梯度分別為:0~5 min,95% A、5% B;5~25 min,88%~70% A、12%~30% B;25~40 min,70%~55% A、30%~45% B;40~50min,55%~95% A、45%~5% B;50~60 min,95% A、5% B;60 min后,溶劑B降至2%,流速1.0 mL/min。
1.3.6 抗氧化活性測定
參考GB/T 39100—2020《多肽抗氧化性測定 DPPH和ABTS法》,以DPPH自由基清除率評價梨酒的抗氧化活性。
實驗組:3.0 mL DPPH自由基溶液和1.0 mL測定樣品;對照組:3.0 mL無水乙醇和1.0 mL測定樣品;空白組:3.0 mL DPPH自由基溶液和1.0 mL乙醇。各組分混勻后,避光反應30 min,于波長517 nm處測定其吸光度。
式中:A1為實驗組的吸光度;A2為對照組的吸光度;A3為空白組的吸光度。
1.3.7 揮發(fā)性風味物質(zhì)分析
采用氣相色譜-質(zhì)譜對梨酒的風味揮發(fā)物進行測定[15]。將10 mL梨酒(4500 r/min離心10 min后取上清液)和1 g NaCl加入到25 mL玻璃瓶中,插入萃取頭對揮發(fā)性風味物質(zhì)進行萃取,50 ℃吸附平衡15 min。GC進樣解吸1.5 min,載氣為氦氣,流速為1 mL/min。以2-辛醇為內(nèi)標,采用半定量法計算各揮發(fā)性組分的含量。
如圖1所示,隨著發(fā)酵進行,兩組發(fā)酵的可溶性固形物在1~5 d呈快速下降趨勢,此階段酵母發(fā)酵旺盛,營養(yǎng)物質(zhì)消耗較快;5 d后趨于平緩,到6 d已由原來的22 °B x 分別降至(4.3±0.4)°B x(S c)和(4.5±0.4)°Bx(Sc+Td)。發(fā)酵液的乙醇體積分數(shù)在2~5 d上升明顯,5 d后平緩。結(jié)合乙醇的生成、可溶性固形物消耗情況,主發(fā)酵為6 d較好,此時Sc單菌發(fā)酵的乙醇體積分數(shù)為(11.5±0.5)%,Sc+Td混合發(fā)酵的乙醇體積分數(shù)為(11.2±0.6)%,香氣濃郁。
圖1 發(fā)酵過程中乙醇體積分數(shù)和可溶性固形物含量的變化Fig.1 Changes in alcohol concentration and soluble solid contents during fermentation
發(fā)酵前梨汁中TP質(zhì)量濃度為(278.8±4.0)mg/L,如圖2a所示,兩組發(fā)酵過程中TP含量先上升后下降。具體地,TP質(zhì)量濃度Sc+Td發(fā)酵第3天(302.0±3.3)mg/L、Sc發(fā)酵第2天(314.9±3.1)mg/L達到峰值。TF含量的變化(圖2b)與TP類似,TF質(zhì)量濃度Sc+Td發(fā)酵第3天達到高峰(129.0±1.3)mg/L,Sc發(fā)酵第2天達到最大值(135.6±1.9)mg/L。發(fā)酵結(jié)束后,Sc+Td組TP含量增加至(290.4±2.5)mg/L,而TF減少至(104.3±2.6)mg/L,Sc組TP和TF含量都減少(分別為(249.2±2.7)、(90.0±2.3)mg/L)。Sc+Td組的TP、TF含量分別比Sc組高16.5%和15.9%。
圖2 梨酒發(fā)酵過程中TP(a)和TF(b)含量變化Fig.2 Changes of TP (a) and TF (b) contents during pear wine fermentation
已有研究表明酚類物質(zhì)含量與乙醇發(fā)酵過程中酵母菌的酶反應或代謝活動有關(guān)[16],共接種發(fā)酵可以增加葡萄酒中酚類物質(zhì)[17],所以上述現(xiàn)象的主要原因是皇冠梨汁在發(fā)酵前期,由于酵母菌作用,某些大分子聚合物逐漸被微生物分解為小分子酚類物質(zhì),使TP和TF質(zhì)量濃度不斷增加[18],酵母菌代謝產(chǎn)生的酶也可以分解植物組織細胞壁,釋放生物活性物質(zhì),隨著發(fā)酵過程的進行,TP和TF的減少是由于自身氧化或與其他物質(zhì)反應引起[19]。相比Sc單菌發(fā)酵,Sc+Td混合發(fā)酵的TP和TF含量有明顯提高。TP和TF含量的改變可能是梨酒抗氧化性能變化的原因,本實驗也進一步研究了酵母菌發(fā)酵前后梨汁中酚類物質(zhì)分布和抗氧化活性的變化。
2.3.1 有機酸含量的變化
有機酸是影響梨酒感官性能的一類重要物質(zhì),保證了其風味、口感和色澤的平衡。梨酒中的有機酸主要來源于梨果本身,也有一些是酵母菌發(fā)酵過程產(chǎn)生。
采用高效液相色譜測定了梨酒中7 種有機酸發(fā)酵前后變化,見表1,與梨汁相比,兩組發(fā)酵梨酒中蘋果酸、乳酸、乙酸含量增加,草酸、酒石酸、檸檬酸含量減少,總酸含量表現(xiàn)為增加。蘋果酸是梨汁中的主要有機酸,其初始質(zhì)量濃度最高,在發(fā)酵過程中,蘋果酸可以在酵母細胞中合成,也可以由酵母菌的三羧酸循環(huán),利用蘋果酸分解產(chǎn)生乙醇、異丁醇和乳酸等物質(zhì)[20]。乳酸是糖酵解的終產(chǎn)物,可以通過丙酮酸的還原或蘋果酸的轉(zhuǎn)化而合成的,其口感比蘋果酸柔和很多,表1顯示,在原梨汁中乳酸含量很少,發(fā)酵過程中形成了乳酸,在發(fā)酵后的梨酒中質(zhì)量濃度分別達到(47.58±1.15)(Sc發(fā)酵)、(51.17±2.20)mg/100 mL(Sc+Td發(fā)酵),Sc+Td組乳酸含量稍高。
表1 酵母菌發(fā)酵梨汁中有機酸質(zhì)量濃度Table 1 Concentrations of organic acids in pear juice and wine mg/100 mL
對比兩組發(fā)酵,Sc+Td組較Sc組梨酒的總酸含量低了10.05%(計53.00 mg/100 mL),尤其是蘋果酸降低了50.08 mg/100 mL,而乳酸增加了3.59 mg/100 mL,這對改善梨酒“酸味”、增加其柔和度有積極影響。原因可能是單酵母(Sc)發(fā)酵產(chǎn)酸能力較強,而混合酵母發(fā)酵的酯化性能高于單菌發(fā)酵,有效降低了有機酸而增加了酯類物質(zhì)含量。
2.3.2 單體酚化合物含量變化
果酒中的酚類化合物有一定的“骨架”作用,使果酒口感豐富,同時也是主要的抗氧化物質(zhì)。酚類化合物的化學結(jié)構(gòu)較多樣,根據(jù)已報到確定的梨中酚類化成分[21-23],測定了8 種主要的酚類化合物,即4 種酚酸(沒食子酸、原兒茶酸、阿魏酸、綠原酸)、3 種黃酮(兒茶素、表兒茶素、蘆?。? 種酚苷(熊果苷)在皇冠梨酒發(fā)酵過程中的變化。
從表2可以看出,在兩組發(fā)酵過程中,原兒茶酸的含量逐漸上升,兒茶素和阿魏酸的含量呈下降趨勢,沒食子酸在Sc組的含量逐漸降低,在Sc+Td組中的變化不顯著,其他酚類物質(zhì)含量在兩組發(fā)酵過程中呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢。發(fā)酵結(jié)束時,與梨汁相比,Sc發(fā)酵梨酒中原兒茶酸的含量高于梨汁中含量,蘆丁的含量無顯著差異,其他酚類低于梨汁中的含量;Sc+Td組中原兒茶酸、表兒茶素的含量顯著增加,蘆丁、沒食子酸的含量無顯著差異,其他物質(zhì)低于梨汁中的含量。相比于Sc單菌發(fā)酵,Sc+Td混合發(fā)酵顯著提高了7 種酚類物質(zhì)的含量(除原兒茶酸外)。
表2 Sc和Sc+Td發(fā)酵過程中單體酚含量的變化Table 2 Changes in individual phenol contents in pear wine during fermentation with Sc and Sc+Td
從含量上看,熊果苷和綠原酸是梨汁和梨酒中主要的酚類化合物。熊果苷在開始發(fā)酵時質(zhì)量濃度為(140.79±4.99)mg/L,發(fā)酵結(jié)束后減少至(105.48±5.77)mg/L(Sc發(fā)酵)和(132.72±3.40)mg/L(Sc+Td發(fā)酵);而綠原酸是發(fā)酵過程中變化最大酚酸,從開始發(fā)酵時的(26.44±1.94)mg/L,到發(fā)酵結(jié)束后其含量下降至(19.72±0.96)mg/L(Sc發(fā)酵)和(24.35±0.83)mg/L(Sc+Td發(fā)酵),綠原酸的降低多是由于多酚氧化酶存在引起的酸降解作用[24]。發(fā)酵過程中,兒茶素的含量減少,說明其在發(fā)酵過程中發(fā)生了氧化降解,另據(jù)報道,兒茶素可被代謝為原兒茶酸[25]而減少。阿魏酸是制造一些芳香族化合物的前體,發(fā)酵過程中可轉(zhuǎn)化成4-乙烯基愈創(chuàng)木酚、香蘭酸等,導致其含量下降[26]。Td生香酵母分泌的糖苷酶可逆向分解沒食子酸與六元糖醇反應形成的酯(糖苷形式),進而防止了混合發(fā)酵中沒食子酸的損失[27]。8 種酚類物質(zhì)總量在發(fā)酵過程中也呈現(xiàn)先上升后下降趨勢,與TP和TF的變化趨勢較為一致。
梨酒中的TP和TF是主要的抗氧化活性物質(zhì)。采用DPPH自由基清除率評價抗氧化活性在發(fā)酵過程中的變化。如圖3所示,DPPH自由基清除率呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢,與發(fā)酵過程中TP 和TF含量變化趨勢一致。
圖3 Sc和Sc+Td發(fā)酵梨汁過程中DPPH自由基清除率變化Fig.3 Changes in DPPH radical scavenging capacity in pear juice fermented by Sc or Sc+Td
發(fā)酵前梨汁的DPPH自由基清除率為65.8%,Sc+Td組在發(fā)酵3 d達到最大清除率74.5%,略低于Sc組在2 d達到的最大清除率77.1%;在發(fā)酵完成的梨酒中,Sc+Td組的自由基清除率為67.8%,大于Sc組的62.6%,也高于原梨汁的自由基清除率,這與TP 或TF含量不一致,表明在梨酒的發(fā)酵過程中酚類化合物的組成也對抗氧化活性產(chǎn)生影響。酚類物質(zhì)的抗氧化活性與其結(jié)構(gòu)有關(guān)[28],特有的酚羥基結(jié)構(gòu),通過提供較高活度的氫與自由基反應而具備抗氧化活性,羥基的位置(如鄰位結(jié)構(gòu))和羥基的數(shù)量也影響抗氧化能力[29-30]。
如圖4所示,DPPH自由基清除率與TP、熊果苷、表兒茶素含量有強正相關(guān)性(P<0.01),相關(guān)系數(shù)分別為0.91、0.91、0.9;與TF、綠原酸含量也呈正相關(guān)(P<0.01),相關(guān)系數(shù)分別為0.79、0.74。表兒茶素分子含有鄰位的羥基基團,熊果苷分子有4 個酚羥基基團,綠原酸分子結(jié)構(gòu)具有鄰二酚羥基,都具有較強的自由基清除能力。
圖4 酚類化合物和抗氧化活性的Pearson校正系數(shù)熱圖Fig.4 Heatmap of Pearson correction coefficients between phenolic profile and antioxidant activity
采用頂空固相微萃取和氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)對單菌發(fā)酵和混合發(fā)酵酒的皇冠梨酒揮發(fā)性物質(zhì)含量進行分析,選取主要的30 種成分進行比較(表3),其中酯類13 種、醇類11 種、酸類4 種、其他類2 種。
表3 Sc和Sc+Td發(fā)酵皇冠梨酒中主要揮發(fā)性風味成分比較Table 3 Comparison of the major volatile flavor compounds in crown pear wine fermented by Sc and Sc+Td
果酒中的酯類和醇類物質(zhì)是最重要的風味化合物,酯類帶來怡人的香氣,適量醇類物質(zhì)賦予果酒醇厚的口感,增加香氣的協(xié)調(diào)性。如表3所示,皇冠梨酒中酯類主要以乙酸酯類為主,具有草莓味、香蕉味、梨等果香和甜花香味,在Sc組和Sc+Td組中分別占總酯類含量的73.9%和79.6%,主要為乙酸乙酯、乙酸己酯、乙酸異丁酯、乙酸異戊酯和乙酸苯乙酯,在混合發(fā)酵中均高于單菌發(fā)酵,說明Td發(fā)酵可以產(chǎn)生更多的酯類物質(zhì)。
梨酒中的醇類物質(zhì)除來源于果實外,更多是由發(fā)酵產(chǎn)生。兩組發(fā)酵中的異戊醇、3-甲基-1-丁醇、苯乙醇含量較高,占醇類物質(zhì)的90%以上。相比單菌發(fā)酵,混合發(fā)酵增加了β-香茅醇,同時2-甲基-1-丁醇、3-甲基-1-丁醇、苯乙醇4 種高級醇含量有明顯提高,正丁醇、異戊醇、己醇、1-辛醇、芳樟醇含量下降,但醇類物質(zhì)整體增多,尤其是醇類含量較高的3-甲基-1-丁醇、苯乙醇。
混合發(fā)酵梨酒的酸類揮發(fā)性物質(zhì)質(zhì)量濃度顯著低于單菌發(fā)酵,這與前面有機酸的變化相一致。Sc+Td組梨酒中4-乙烯基愈創(chuàng)木酚含量高于Sc發(fā)酵,它具有獨特的發(fā)酵香氣,具有明顯的辨識度,是多種酒類產(chǎn)品的重要風味物質(zhì)[31]。
從風味化合物的組成和含量分析,Sc+Td發(fā)酵增加了皇冠梨酒整體風味豐度,說明非釀酒酵母Td的發(fā)酵改變了梨酒的風味譜系[32]。
研究了Sc與Td混合發(fā)酵皇冠梨酒過程中酚類物質(zhì)、抗氧化活性的變化及對梨酒風味化合物的影響。與Sc單酵母發(fā)酵相比,梨酒的總酸含量降低(尤其是蘋果酸),但乳酸含量有增加,可以提高梨酒的乳香和果香[33];混合發(fā)酵梨酒中TP和TF含量略有增加,對DPPH自由基清除率有一定積極作用,單體酚中與DPPH自由基清除率呈強正相關(guān)的熊果苷、表兒茶素含量都有提高。揮發(fā)性風味化合物在混合發(fā)酵中更為豐富,尤其是具有多種果香味的乙酸酯類物質(zhì),有利于改善梨酒的平淡風味。