孫時(shí)光,左勇,徐佳,易媛,郭紅莉
1(四川輕化工大學(xué),四川 自貢,643000) 2(四川省五糧液集團(tuán)有限公司,四川 宜賓,644000) 3(四川師范大學(xué),四川 成都,610000)
桑椹果酒是以桑椹汁為原料經(jīng)酵母發(fā)酵而成的一種低酒精度飲料[1],不僅含有豐富的花青素、有機(jī)酸和類黃酮等營養(yǎng)物質(zhì),還具有補(bǔ)肝益腎、強(qiáng)身補(bǔ)血、抗衰老、抗氧化、降糖降脂等藥理作用[2-5],被稱為果酒中的極品。桑椹果酒中含有多種風(fēng)味物質(zhì),其中含量較為豐富的是其發(fā)酵副產(chǎn)物——高級(jí)醇。高級(jí)醇是具有3個(gè)及3個(gè)以上碳原子一元醇的總稱,在桑椹果酒中主要發(fā)揮呈香呈味的作用,對桑椹果酒的香氣與味道有重要的影響[6-7]。但高級(jí)醇含量過高則會(huì)使人的神經(jīng)系統(tǒng)充血,引發(fā)頭疼,并且高級(jí)醇的毒性會(huì)因其含量的升高而增大[7-8]。因此,控制好桑椹果酒中高級(jí)醇的含量對提高桑椹果酒的品質(zhì)具有重要意義。
目前,桑椹果酒高級(jí)醇研究主要集中在低產(chǎn)高級(jí)醇桑椹果酒專用酵母的選育、優(yōu)化桑椹果酒低產(chǎn)高級(jí)醇的發(fā)酵條件和桑椹自身的果渣含量對桑椹果酒中高級(jí)醇含量的影響等方面,如孫時(shí)光等[1]從桑椹自然發(fā)酵醪中篩選出了可以取代葡萄酒酵母的低產(chǎn)高級(jí)醇桑椹果酒專用酵母;羅惠波等[9]通過響應(yīng)面法優(yōu)化了桑椹果酒的發(fā)酵工藝,降低了桑椹果酒中高級(jí)醇的含量;周青等[10]探究了不同果渣添加量對桑椹果酒中高級(jí)醇濃度的影響,確定了果渣的最佳添加量。但以外源添加物來控制桑椹果酒高級(jí)醇含量卻鮮有報(bào)道,本次實(shí)驗(yàn)擬向桑椹汁和處于發(fā)酵期的桑椹果酒中添加酶制劑(果膠酶、糖化酶、纖維素酶)、金屬離子(Mg2+、Ca2+、K+)和可同化氮源(谷氨酸、精氨酸、丙氨酸、磷酸氫二胺),分析其對桑椹果酒高級(jí)醇含量的影響,并通過響應(yīng)面法得到最優(yōu)的復(fù)配比,以期為控制桑椹果酒高級(jí)醇含量提供理論依據(jù)。
S-2桑椹果酒專用酵母(本實(shí)驗(yàn)室選育)[1];桑椹(品種為無籽大十),自貢市場;白砂糖,市售一級(jí)白砂糖;果膠酶、糖化酶、纖維素酶、MgCl2(分析純)、NaCl(分析純)、KCl(分析純)、(NH4)2HPO4(分析純)、L-谷氨酸(生化試劑)、L-精氨酸(生化試劑)、L-丙氨酸(生化試劑),上海源葉生物科技有限公司;正丙醇(分析純)、異丁醇(分析純)、異戊醇(分析純)、乙酸丁酯,上海阿拉丁生化科技股份有限公司。
Agilent 6890N-5975B氣相色譜儀,美國Agilent公司;T6新世紀(jì)紫外可見光分光光度計(jì),北京普析通用儀器有限責(zé)任公司;GZ-250-HSⅡ恒溫恒濕培養(yǎng)箱,韶關(guān)廣智科技設(shè)備公司;HWS-122電熱恒溫水浴鍋,北京中興偉業(yè)儀器有限公司;YXQ-LS-75SII立式壓力蒸汽滅菌器,上海博訊實(shí)業(yè)有限公司。
1.3.1 桑椹果酒發(fā)酵流程[1, 4,11]
操作要點(diǎn):A:焦亞硫酸鉀加入量以桑椹汁中SO2的終濃度達(dá)到50 mg/L為準(zhǔn);B:加白砂糖調(diào)整糖度至21 Brix。C:接種酵母為預(yù)先活化的菌種,接種量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%,在25 ℃發(fā)酵7 d。
1.3.2 酶制劑添加時(shí)間對桑椹果酒高級(jí)醇含量的影響
以0.2 g/L的添加量[12]將果膠酶、糖化酶和纖維素酶分別在桑椹果酒發(fā)酵0、1、2、3、4、5、6 d的時(shí)候加入到發(fā)酵液中,并在第7天發(fā)酵完成后檢測桑椹果酒中高級(jí)醇含量,選出酶制劑的最佳添加時(shí)間
1.3.3 酶制劑、金屬離子和可同化氮源的添加量對桑椹果酒高級(jí)醇含量的影響
酶制劑添加量:按照酶制劑的最佳添加時(shí)間,在桑椹果酒發(fā)酵過程中分別添加0.025、0.05、0.1、0.2、0.3 g/L的果膠酶、糖化酶、纖維素酶,在發(fā)酵完成后檢測桑椹果酒高級(jí)醇含量,探究酶制劑添加量對桑椹果酒酒精度、總酸和高級(jí)醇的影響。
金屬離子添加量[13-14]:在1.3.1的成分調(diào)整階段分別添加10、20、30、40、50 mg/L的MgCl2、CaCl2、KCl,在發(fā)酵完成后檢測桑椹果酒高級(jí)醇含量,探究金屬離子添加量對桑椹果酒酒精度、總酸和高級(jí)醇的影響。
可同化氮源添加量[8,13, 15]:在1.3.1的成分調(diào)整階段分別添加20、40、60、80、100 mg/L的谷氨酸、丙氨酸、精氨酸、(NH4)2HPO4,在發(fā)酵完成后檢測桑椹果酒中高級(jí)醇含量,探究可同化氮源添加量對桑椹果酒酒精度、總酸和高級(jí)醇的影響。
1.3.4 采用響應(yīng)面法優(yōu)化外源添加物的種類和含量
在1.3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上,采用Box-Behnken響應(yīng)面設(shè)計(jì)法[16],以桑椹果酒高級(jí)醇含量為響應(yīng)值,選擇對桑椹果酒高級(jí)醇含量影響較強(qiáng)的3個(gè)外源添加物進(jìn)行三因素三水平的響應(yīng)面實(shí)驗(yàn),以獲得最佳降醇效果。
1.3.5 理化分析
乙醇體積分?jǐn)?shù)的測定:采用分光光度計(jì)法[17];總酸含量的測定:參照GB/T 15038—2006 葡萄酒、果酒通用分析方法[18]。
1.3.6 氣相色譜法測定高級(jí)醇
色譜條件:毛細(xì)管柱J&W 122-7062DB-WAX 60.0 m×0.25 mm×0.25 μm;進(jìn)樣口溫度230 ℃,起始溫度45 ℃,保留2 min,以4 ℃/min升至120 ℃,保留2 min,以10 ℃/min升至230 ℃,保留3 min;載氣He,檢測器溫度230 ℃,恒流1.0 mL/min;進(jìn)樣量1 μL。
樣品處理:取內(nèi)標(biāo)液(乙酸正丁酯)100 μL置于10 mL容量瓶中,用待測酒樣定容,然后用孔徑0.22 μm的濾膜過濾。取1 mL樣液加入到自動(dòng)進(jìn)樣瓶中,上機(jī),進(jìn)行氣相分析[19]。
應(yīng)用Origin 9.0軟件[20]對實(shí)驗(yàn)中的柱狀圖進(jìn)行繪制;應(yīng)用SPSS 22軟件[21]對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性和顯著性分析;應(yīng)用Design expert 8.0軟件[22]進(jìn)行Box-Behnken響應(yīng)面設(shè)計(jì)。每組實(shí)驗(yàn)設(shè)3次平行。
桑椹果酒中的高級(jí)醇一般是由蛋白質(zhì)與糖類物質(zhì)的代謝產(chǎn)物轉(zhuǎn)化而成[23],酶在其形成過程中起到關(guān)鍵性作用。本實(shí)驗(yàn)從桑椹果酒發(fā)酵0 d開始直到發(fā)酵結(jié)束,每天依次向正在發(fā)酵的發(fā)酵液中加入酶制劑,探究不同酶制劑的添加時(shí)間對桑椹果酒高級(jí)醇含量的影響,結(jié)果見圖1~3。
圖1 糖化酶添加時(shí)間對桑椹果酒高級(jí)醇含量、酒精度與總酸含量的影響Fig.1 Effect of adding time of saccharification enzyme on the content of higher alcohols, alcohol and total acid in mulberry wine注:小寫英文字母、大寫英文字母和小寫希臘字母分別表示總高級(jí)醇含量、酒精度和總酸的差異顯著性;相同字母表示差異不顯著(P>0.05),不同字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。
圖2 果膠酶添加時(shí)間對桑椹果酒高級(jí)醇含量、酒精度與總酸含量的影響Fig.2 Effect of adding time of pectinase on the content of higher alcohols, alcohol and total acid in mulberry wine
圖3 纖維素酶添加時(shí)間對桑椹果酒高級(jí)醇含量、酒精度與總酸含量的影響Fig.3 Effect of adding time of cellulase on the content of higher alcohols, alcohol and total acid in mulberry wine
由圖1~3可以看出,不同時(shí)間添加的糖化酶,果膠酶和纖維素酶對桑椹果酒的總酸含量并無顯著影響,對酒精度雖有影響但酒精度均處于11% vol以上,屬于正常范圍。而酶制劑的不同添加時(shí)間對桑椹果酒高級(jí)醇含量產(chǎn)生了較大影響,在桑椹果酒發(fā)酵第1天后加入的3種酶制劑,均能顯著降低桑椹果酒高級(jí)醇的含量,阻礙高級(jí)醇的形成。故而選擇發(fā)酵第1天作為3種酶制劑的最佳添加時(shí)間。
2.2.1 酶制劑添加量對桑椹果酒高級(jí)醇含量的影響
酶制劑不但可以提高桑椹果酒的出汁率,加速桑椹果酒澄清,提高桑椹果酒發(fā)酵速率,而且可以在桑椹果酒發(fā)酵過程中控制高級(jí)醇的生成量,如糖化酶和纖維素酶可以提高桑椹果酒中被酵母直接利用的葡萄糖濃度,加速對糖分的代謝,減少對氨基酸的降解代謝,從而降低高級(jí)醇的生成量[24-25];果膠酶不僅可以促進(jìn)桑椹果酒澄清,還能控制高級(jí)醇的生成[26]。本次實(shí)驗(yàn)探究了不同酶制劑的含量對桑椹果酒高級(jí)醇的影響。
由圖4可知,糖化酶添加量對總酸含量無顯著影響,酒精度隨著糖化酶添加量的增加而顯著升高,高級(jí)醇含量隨著糖化酶添加量的不斷增加呈現(xiàn)先下降后回升的趨勢,且糖化酶添加量為0.2 g/L時(shí)桑椹果酒高級(jí)醇含量最低,為310.53 mg/L,與未添加糖化酶相比高級(jí)醇降低了5.95%。這是因?yàn)樘腔缚梢詫⒌矸坜D(zhuǎn)化為酵母可以直接利用的葡萄糖,使酵母對糖分進(jìn)行代謝從而減少對氨基酸的分解代謝,從而升高酒精度,降低高級(jí)醇含量。然而隨著糖化酶添加量的不斷增加,酵母可利用的糖分超過一定濃度后會(huì)通過糖合成代謝途徑合成異丁醇等高級(jí)醇,使總高級(jí)醇含量上升。
圖4 糖化酶添加量對桑椹果酒高級(jí)醇含量、酒精度與總酸含量的影響Fig.4 Effect of adding amount of saccharifying enzyme on the content of higher alcohols, alcohol and total acid in mulberry wine
由圖5可知,果膠酶添加量對桑椹果酒的酒精度與總酸含量無顯著影響,但添加果膠酶可以降低桑椹果酒高級(jí)醇含量,且呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。當(dāng)添加量為0.05~0.2 g/L時(shí)可以有效降低桑椹果酒高級(jí)醇的含量,高級(jí)醇含量最低為303.55 mg/L,與未添加果膠酶相比,高級(jí)醇降低了6.74%,這可能是由于適量的果膠酶可以促進(jìn)桑椹中糖浸提,促進(jìn)酵母對糖的利用,減少氨基酸的降解,從而阻礙高級(jí)醇生成。然而果膠酶超過一定量會(huì)造成桑椹果酒中蛋白質(zhì)含量增加,在發(fā)酵后期轉(zhuǎn)化為氨基酸,通過氨基酸降解途徑生成高級(jí)醇,使高級(jí)醇含量增加。
圖5 果膠酶添加量對桑椹果酒高級(jí)醇含量、酒精度與總酸含量的影響Fig.5 Effect of adding amount of pectinase on the content of higher alcohols, alcohol and total acid in mulberry wine
由圖6可知,纖維素酶添加量對桑椹果酒的酒精度與總酸含量無顯著影響。當(dāng)纖維素酶添加量為0.2 g/L時(shí)降低桑椹果酒高級(jí)醇效果最佳,為296.14 mg/L,與未添加纖維素酶的對照組相比,高級(jí)醇含量降低了9.01%。纖維素酶降低桑椹果酒高級(jí)醇的機(jī)理與糖化酶類似,都是通過增加酵母可利用的糖濃度和減少氨基酸的降解代謝。且與糖化酶與果膠酶相比,纖維素酶對于桑椹果酒高級(jí)醇的抑制效果最好。
圖6 纖維素酶添加量對桑椹果酒高級(jí)醇含量、酒精度與總酸含量的影響Fig.6 Effect of adding amount of cellulase on the content of higher alcohols, alcohol and total acid in mulberry wine
2.2.2 金屬離子添加量對桑椹果酒高級(jí)醇含量的影響
金屬離子在桑椹果酒發(fā)酵過程中可以起到促進(jìn)氧化、酯化、水解等作用,一定量的金屬離子可以提升桑椹果酒的品質(zhì)。不同的金屬離子對桑椹果酒的作用也不同,如Mg2+是糖酵解途徑重要的輔助因子,是微生物體內(nèi)多種酶的激活劑[27];K+可以維持細(xì)胞內(nèi)外滲透壓[28];Ca2+對保護(hù)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和功能完整,穩(wěn)定細(xì)胞壁結(jié)構(gòu),調(diào)節(jié)酶的活性等方面有著重要作用[29]。
圖7 Mg2+添加量對桑椹果酒高級(jí)醇含量、酒精度與總酸含量的影響Fig.7 Effect of adding amount of Mg2+on the content of higher alcohols, alcohol and total acid in mulberry wine
由圖7可知,隨著Mg2+含量的增加,總酸含量呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢,高級(jí)醇含量呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢,而酒精度呈現(xiàn)了先升高再降低的趨勢。這說明較低的Mg2+濃度對桑椹果酒中酒精的生成有一定的促進(jìn)作用,但卻阻礙了高級(jí)醇的生成,當(dāng)Mg2+濃度為20 mg/L時(shí)高級(jí)醇含量最低,為292.37 mg/L,與對照組相比高級(jí)醇降低了10.17%,隨著Mg2+濃度的上升,高級(jí)醇含量也會(huì)增加,這可能是由于適量濃度的Mg2+能激活糖酵解途徑相關(guān)酶活性,促進(jìn)酵母代謝的正常進(jìn)行,而過量的Mg2+會(huì)抑制酵母生長,不利于正常發(fā)酵,導(dǎo)致發(fā)酵副產(chǎn)物含量升高。
由圖8可知,隨著K+含量的增加,總酸含量呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢,高級(jí)醇含量呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢,而酒精度呈現(xiàn)了先升高再降低的趨勢,這與Mg2+對3種指標(biāo)的影響相似。當(dāng)K+添加量在20 mg/L時(shí)高級(jí)醇含量最低,為297.3 mg/L,與對照組相比高級(jí)醇降低了8.66%,可見較低濃度的K+可以維持酵母細(xì)胞內(nèi)外的滲透壓,保證桑椹果酒正常發(fā)酵,而過高的K+濃度會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞滲透壓失衡,影響酵母正常的生長繁殖,從而使高級(jí)醇含量升高。
圖8 K+添加量對桑椹果酒高級(jí)醇含量、酒精度與總酸含量的影響Fig.8 Effect of adding amount of K+ on the content of higher alcohols, alcohol and total acid in mulberry wine
由圖9可知,Ca2+添加量對桑椹果酒酒精度與總酸含量的影響較小,對高級(jí)醇含量的影響較為顯著,當(dāng)Ca2+添加量在40 mg/L時(shí)高級(jí)醇含量最低,為311.09 mg/L,與對照組相比高級(jí)醇降低了4.42%,但與其他2種金屬離子相比,其對桑椹果酒高級(jí)醇的降低效果并不明顯。原因可能是Ca2+可以改變高級(jí)醇代謝途徑中相關(guān)酶活性,使高級(jí)醇的生成量降低,但效果不如其他2種金屬離子。
圖9 Ca2+添加量對桑椹果酒高級(jí)醇含量、酒精度與總酸含量的影響Fig.9 Effect of adding amount of Ca2+on the content of higher alcohols, alcohol and total acid in mulberry wine
2.2.3 可同化氮源添加量對桑椹果酒高級(jí)醇含量的影響
高級(jí)醇通過2種途徑合成,其中一種為埃里希[30]途徑,主要是氨基酸在轉(zhuǎn)氨、脫羧、還原作用下形成相應(yīng)的高級(jí)醇[31]。李智慧等[32]研究表明,可同化氮源對桑椹果酒高級(jí)醇含量有重要的影響,故而本次實(shí)驗(yàn)通過添加(NH4)2HPO4、谷氨酸、丙氨酸和精氨酸等可同化氮源,探究其對桑椹果酒高級(jí)醇含量的影響。
由圖10~13可知,可同化氮源的添加量對桑椹果酒酒精度的影響不顯著,對總酸含量有影響但總酸含量處于正常水平,本次實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)研究高級(jí)醇含量,故主要討論可同化氮源對高級(jí)醇含量的影響。
圖10 (NH4)2HPO4添加量對桑椹果酒高級(jí)醇含量、酒精度與總酸含量的影響Fig.10 Effect of adding amount of diammonium hydrogen phosphate on the content of higher alcohols, alcohol and total acid in mulberry wine
添加谷氨酸對桑椹果酒高級(jí)醇含量并無顯著影響(圖11);添加磷酸二氫銨和丙氨酸對桑椹果酒高級(jí)醇含量有顯著性降低,但其添加量之間并無顯著性差異(圖10、圖13),高級(jí)醇含量與對照組相比分別降低了7.46%和6.73%;精氨酸添加量為40 mg/L,對桑椹果酒高級(jí)醇含量有顯著性降低,且與對照組相比降低了6.33%。其原因可能是高級(jí)醇可以通過氨基酸分解途徑合成,有些特定氨基酸(如天冬氨酸、亮氨酸)可以直接分解成為相應(yīng)的高級(jí)醇,而上述4種可同化氮源不能直接生成高級(jí)醇,且在發(fā)酵過程中會(huì)影響酵母對其他氨基酸的分解作用,從而阻礙高級(jí)醇的生成。此結(jié)果與李智慧等[30]研究不同種類可同化氮素對黃酒高級(jí)醇含量影響的結(jié)果一致。
圖11 谷氨酸添加量對桑椹果酒高級(jí)醇含量、酒精度與總酸含量的影響Fig.11 Effect of adding amount of glutamic acid on the content of higher alcohols, alcohol and total acid in mulberry wine
圖12 精氨酸添加量對桑椹果酒高級(jí)醇含量、酒精度與總酸含量的影響Fig.12 Effect of adding amount of arginine on the content of higher alcohols, alcohol and total acid in mulberry wine
圖13 丙氨酸添加量對桑椹果酒高級(jí)醇含量、酒精度與總酸含量的影響Fig.13 Effect of adding amount of alanine on the content of higher alcohols, alcohol and total acid in mulberry wine
選取對降低桑椹果酒高級(jí)醇效果最好的纖維素酶、KCl、MgCl2及各自最優(yōu)添加量區(qū)間,進(jìn)行三因素三水平的響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)。響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示,用Design expert 8.0軟件對響應(yīng)面結(jié)果進(jìn)行分析,得到回歸模型方差分析見表2。
表1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 1 Experimental design and results for response surface analysis
表2 回歸模型方差分析Table 2 Analysis of variance of regression model
注: *(P<0.05)表示差異顯著; **(P<0.01)表示差異極顯著
軟件分析結(jié)果得到二次多項(xiàng)式回歸方程為:
由圖14可知,纖維素酶和MgCl2對桑椹果酒高級(jí)醇的影響并非簡單的線性關(guān)系,而是具有交互作用。由Design expert 8.0軟件分析得到有效降低桑椹果酒高級(jí)醇的外源添加物最佳配比為纖維素酶0.2 g/L、KCl 20.02 mg/L、MgCl220.17 mg/L,此時(shí)桑椹果酒高級(jí)醇含量理論值為286.64 mg/L。按此條件進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),得出桑椹果酒高級(jí)醇含量為282.34 mg/L,與理論值的相對誤差為1.5%,說明此模型可以較好地模擬和預(yù)測外源添加物對桑椹果酒高級(jí)醇含量的影響。通過對此次實(shí)驗(yàn)的桑椹果酒進(jìn)行理化分析和感官品評(píng)可知,此桑椹果酒酒精度為12.49±0.36% vol、還原糖為3±0.19 g/L、總酸含量為6.64±0.37 g/L,且顏色為紫紅色、光澤感強(qiáng)、果香適中、酒香馥郁、酒體豐滿、柔和爽口、風(fēng)味明顯、典型良好,是一款品質(zhì)優(yōu)良且高級(jí)醇較低的桑椹果酒。
a-纖維素酶和MgCl2交互作用對桑椹果酒高級(jí)醇含量影響的響應(yīng)面圖;b-纖維素酶和MgCl2交互作用對桑椹果酒高級(jí)醇含量影響的等高線圖圖14 纖維素酶和MgCl2交互作用對桑椹果酒高級(jí)醇含量影響的等高線和響應(yīng)面圖Fig.14 Contour and response surface of the effect of the interaction between cellulase and MgCl2 on the content of higher alcohols in mulberry wine
在桑椹果酒發(fā)酵1 d后加入酶制劑能顯著降低桑椹果酒高級(jí)醇含量,且酶制劑(糖化酶、果膠酶、纖維素酶)、金屬離子(Mg2+、Ca2+、K+)、可同化氮源(精氨酸、丙氨酸、(NH4)2HPO4)在一定添加量范圍內(nèi)均能顯著性降低桑椹果酒高級(jí)醇含量,谷氨酸對桑椹果酒高級(jí)醇的影響不大。對外源添加物的降醇效果進(jìn)行對比可知,纖維素酶、Mg2+和K+降低桑椹果酒高級(jí)醇的效果最佳,對其進(jìn)行響應(yīng)面實(shí)驗(yàn),得到最優(yōu)復(fù)配比為纖維素酶0.2 g/L、KCl 20.02 mg/L、MgCl220.17 mg/L,優(yōu)化后的桑椹果酒高級(jí)醇含量可降低到282.34 mg/L,高級(jí)醇的降低率為13.26%。并且對響應(yīng)面結(jié)果分析可知,纖維素酶和MgCl2對桑椹果酒高級(jí)醇的影響具有交互作用,兩者配合使用可以顯著降低桑椹果酒高級(jí)醇含量。