發酵型紅棗酒工藝條件的優化

張 潔,張大為*,閆 佳,裴志勝

(1.海南熱帶海洋學院 生命科學與生態學院,海南三亞 572022;2.海南省海洋食品工程技術研究中心,海南 三亞 572022)

紅棗(Zizyphus jujube Mill.)又名中華大棗、刺棗、膠棗,是棗樹的成熟果實獨具特色的優勢果品[1]。至今,紅棗已有3 000多年的栽培歷史[2]。紅棗富含碳水化合物、蛋白質、維生素、微量元素、黃酮類物質、有機酸、三萜類化合物等,具有很高的營養價值和藥用價值,被譽為“補品之王”。紅棗性溫、味甘,是集藥、食、補三大功能為一體的保健食品,對高血壓、心血管疾病、貧血、失眠等病人都非常有益,也是護膚美顏的佳品。紅棗營養保健價值很高,有“木本糧食,滋補佳品”之稱,還有“百果之王”、“天然維生素丸”的美譽[3]。發酵型果酒是酵母菌利用水果中的糖進行酒精發酵,成熟果實或果汁通過釀酒酵母的發酵作用,制成香氣怡人、口感清爽的低度酒飲料。大量研究證明,果酒含有酒精和各種對人體有益的營養物質,同時又具水果風味[4-9]。

近年來,國家提出的釀酒工業生產的“四個轉變”的要求,即從高度酒向低度酒轉變,蒸餾酒向釀造酒轉變,糧食酒向果類酒轉變,一般酒向優質酒轉變[10]。目前,對于紅棗酒的研究主要有3個方面:原料的處理方式、棗汁的浸提方法和制酒方法。紅棗酒的制酒工藝主要有兩種,一種是直接用酒精與棗汁調配成品酒,另一種是用釀酒酵母(Saccharomycescerevisiae)發酵制取棗酒。紅棗酒釀酒酵母的研究少,酵母菌一般采用葡萄酒釀制品種,缺乏專一性[11],棗酒加工生產規模小,而且棗酒加工廠往往采用發酵葡萄酒所用的發酵條件,而不是針對大棗本身的特點設計發酵條件,釀造出的棗酒質量不高[12-14],所以對于棗酒的生產工藝還有待進一步研究。

本研究以干制紅棗為原料,制備發酵型紅棗酒,采用單因素試驗和正交試驗對其酶解工藝、發酵工藝條件進行優化,為發酵型紅棗酒的大規模生產提供理論和技術支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新疆干棗:市售;安琪果酒專用酵母:安琪酵母股份有限公司;果膠酶(20000U/g):深圳恒生生物科技有限公司。

檸檬酸(分析純):億鑫生物科技有限公司;殼聚糖:河南萬邦實業有限公司;氫氧化鈉、葡萄糖、次甲基藍、酒石酸鉀鈉、鄰苯二甲酸氫鉀、乙酸鋅(均為分析純):勾玉田徑福晨化學試劑廠。

1.2 儀器與設備

BSP-400型生化培養箱:上海新苗醫療器械有限公司;SW-CJ-2F型超凈工作臺:蘇州蘇潔凈化設備廠;AUY-120型分析天平:日本島津公司;PB-10型pH計:北京賽多利斯儀器系統有限公司;YXQ-LS-75SII型立式壓力蒸汽滅菌器:上海博訊實業有限公司醫療設備廠;SZX10攝影顯微鏡:日本OLYMPUS公司;722N型可見分光光度計:上海儀電分析儀器有限公司;LB50T型糖度計:廣州市速為電子科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 發酵型紅棗酒加工工藝流程及操作要點

操作要點:

(1)挑選、清洗:挑選無腐爛變質的優質大棗,放入清水中浸泡5 min,用流動清水清洗掉紅棗表面的污物。

(2)浸泡、蒸煮、去核:加清水浸泡1 h,加熱至沸騰保持30 min(棗水比例為1∶5),然后冷卻去核。

(3)打漿:去核后的棗漿補加原料棗質量3倍的水,加至組織搗碎機中進行打漿破碎。然后將漿液過60目的濾布,過濾除去果渣,得到棗漿。

(4)酶解:添加一定量果膠酶在一定溫度下酶解一段時間。

(5)糖酸調節:將酶解后的棗漿用白砂糖調節含糖量至20%,用檸檬酸調節pH值為3.5。

(6)巴氏殺菌、冷卻:溫度68～70℃,時間為30 min。然后冷卻至室溫。

(7)添加亞硫酸氫鈉:冷卻后加入40 mg/L的亞硫酸氫鈉,常溫放置12 h。

(8)接種發酵:加入定量酵母后用干凈并經過消毒的紗布和保鮮膜封住瓶口,以防空氣中的雜菌進入,發酵過程中應適當放氣,以保證酵母正常發酵。

(9)過濾:用洗干凈并消毒烘干的雙層紗布過濾棗酒。(10)澄清:添加一定量的殼聚糖溶液澄清果酒。

(11)膜過濾:將澄清后的棗酒通過0.45μm的膜進行過濾,即得紅棗酒。

1.3.2 酶解工藝優化單因素試驗

稱取5份已經預處理過的棗漿,每份10.00 g,分別考察果膠酶添加量(0.15%、0.20%、0.25%、0.30%、0.35%)、酶解時間(1 h、2 h、3 h、4 h、5 h)和酶解溫度(20 ℃、30 ℃、40 ℃、50℃、60℃)對酶解效果的影響。每組實驗均作3組平行實驗。

1.3.3 酶解工藝優化正交試驗

稱取9份已經過預處理的棗漿,每份10.00 g,以酶解液糖度為評價指標,對果膠酶添加量(A),酶解時間(B),酶解溫度(C)三個因素進行正交試驗,確定最佳酶解工藝參數。酶解工藝優化正交試驗因素與水平見表1。

表1 酶解工藝優化正交試驗因素與水平Table1 Factors and levels of orthogonal experiments for enzymolysis technology optimization

1.3.4 發酵工藝優化單因素試驗

量取5份150mL酶解后的棗漿,分別在發酵溫度(19℃、22℃、25℃、28℃、31℃)、發酵時間(5 d、6 d、7 d、8 d、9 d)、酵母菌添加量(0.1g/L、0.2 g/L、0.3 g/L、0.4 g/L、0.5g/L)條件下發酵7 d,測定其酒精度含量。

1.3.5 發酵工藝優化正交試驗

在單因素試驗基礎上,以感官評價和酒精度為評價指標,對發酵溫度(A),發酵時間(B)酵母菌添加量(C)三個因素進行正交試驗,確定棗酒最佳發酵工藝參數。發酵工藝優化正交試驗因素與水平見表2。

表2 發酵工藝優化正交試驗因素與水平Table2 Factors and levels of orthogonal experiments for fermentation technology optimization

1.3.6 紅棗酒的澄清試驗[5]

取11份10mL經過濾后的棗酒,分別添加1%的殼聚糖溶液0、0.1 mL、0.2 mL、0.3 mL、0.4 mL、0.5 mL、0.6 mL、0.7 mL、0.8 mL、0.9mL、1.0 mL,在常溫狀態下靜置2 d,分別在波長680 nm條件下測定其透光率T(%),根據試驗結果選擇殼聚糖的最適添加量。

1.3.7 分析檢測

糖度測定采用手持式糖度計法;酒精度測定采用酒精計法[15];還原糖測定采用直接滴定法[16];酸度采用酸堿滴定法[17];pH值測定采用pH計法。發酵型紅棗果酒感官評價標準(滿分100分)[14],感官評價在參考文獻[14]基礎上,根據本產品特點進行改進,感官評價標準見表3。選擇10名食品專業人員對每個產品進行評分,取平均分作為每個產品的最終得分。

表3 發酵型紅棗果酒感官評定標準Table3 Sensory evaluation standards of fermented red jujube wine

2 結果與分析

2.1 紅棗酒酶解工藝優化

2.1.1 果膠酶添加量對酶解效果的影響

不同果膠酶添加量對糖度的影響結果見圖1。由圖1可知,隨著果膠酶添加量在0.15%～0.25%范圍內增加,棗漿的糖度含量也隨之上升,這是因為隨著果膠酶用量的增加,棗漿中有更多的果膠類物質和纖維素類物質被酶解,溶出更多的可溶性固形體,糖度也就隨之增加;當果膠酶添加量為0.25%時,糖度達到最大值14.1%;當果膠酶添加量＞0.25%之后,糖度值趨于下降。因此,最適果膠酶添加量為0.25%。

圖1 不同果膠酶添加量對糖度的影響Fig.1 Effect of different pectinase addition on sugar content

2.1.2 酶解時間對酶解效果的影響

不同酶解時間對糖度的影響結果見圖2。由圖2可知,酶解時間在1～2h糖度上升速率較快,酶解時間2～3 h上升緩慢;且在第3小時糖度達到最大值14.20%;酶解時間＞3 h之后,糖度呈緩慢下降趨勢。這是因為隨著酶解時間的延長,棗漿中的果膠類物質和纖維素類物質被酶解,糖會不斷溶出;但時間過長時空氣中的氧氣會氧化還原糖,導致糖度含量減少[5]。因此,最佳酶解時間為3 h。

圖2 不同酶解時間對糖度的影響Fig.2 Effect of different enzymatic hydrolysis time on sugar content

2.1.3 酶解溫度對酶解效果的影響

不同酶解溫度對糖度的影響結果見圖3。由圖3可知,酶解糖度隨著酶解溫度在20～40℃范圍內的增大而增大;并在酶解溫度40℃時,糖度達到最大值14.1%;酶解溫度＞40℃之后,隨著酶解溫度進一步增大糖度下降。由于隨著溫度的增加,果膠酶酶解棗漿中的果膠物質和纖維素物質的活力增強,從而糖度含量增加;但溫度過高時,果膠酶的活性減弱,溶出的糖濃度也隨之減少。因此,確定最佳酶解溫度為40℃。

圖3 不同酶解溫度對糖度的影響Fig.3 Effect of different enzymatic hydrolysis temperature on sugar content

2.1.4 紅棗酒酶解工藝優化正交試驗結果

以酶解液糖度為評價指標,對果膠酶添加量(A),酶解時間(B),酶解溫度(C)三個因素進行正交試驗,酶解工藝優化正交試驗結果與分析見表4。

由表4可知,由R值可以得出影響果膠酶解結果的因素主次順序為:酶解溫度(C)＞果膠酶添加量(A)＞酶解時間(B);酶解溫度對棗漿酶解的影響最大,果膠酶添加量的影響次之,酶解時間對棗漿酶解的影響最小。由均值初步確定優化糖化工藝條件組合為A2B1C2,即果膠酶添加量為0.25%,酶解時間為2 h,酶解溫度為40℃。在此優化條件下,酶解得到的棗漿糖度為14.2%。

表4 酶解工藝優化正交試驗結果與分析Table4 Results and analysis of orthogonal experiments for enzymatic hydrolysis optimization

2.2 紅棗酒發酵工藝優化

2.2.1 發酵溫度對發酵結果的影響

由圖4可知,酒精度隨著發酵溫度在19～25℃范圍內增加而呈直線上升趨勢,由于初期溫度過低時酵母繁殖和代謝受抑制,發酵緩慢;隨著溫度的增加,酵母繁殖和代謝速度越來越快,酵母菌利用糖產生較多的酒精,產酒率也就越來越高;當溫度達到25℃時酒精度達到最大值10%vol;隨后發酵溫度＞25℃之后,酒精度開始下降,這是由于發酵溫度再增加,酒中高級醇含量也相應增加,酵母菌發酵副產物生成也越來越多,影響發酵速率并且出現酵母疲勞現象而造成產酒率降低,當溫度過高時,酵母菌會喪失活力而死亡[18-19]。因此,確定酵母的最適發酵溫度為25℃。

圖4 不同發酵溫度對酒精度的影響Fig.4 Effect of different fermentation temperature on alcohol content

2.2.2 發酵時間對發酵結果的影響

由圖5可知,酒精度隨著發酵時間在5～7 d范圍內增加而增加;當發酵到第7天時,酒精度為10%vol;發酵時間＞7 d之后,酒精度稍有下降。因為發酵前期,隨著時間的增加酵母菌繁殖越來越多,更大的利用棗漿中的糖產生酒精,所以酒精度有顯著增加;發酵的后期,由于棗漿中的糖越來越少,而且酵母菌活性受到較高濃度酒精的抑制作用,所以酵母菌數量不再增加,早期生成的酵母由于碳源缺乏而活力下降,產酒精降低,無法繼續發酵產生酒精。因此,發酵最適時間為7 d。

圖5 不同發酵時間對酒精度的影響Fig.5 Effect of different fermentation time on alcohol content

2.2.3 酵母添加量對發酵結果的影響

由圖6可知,隨著酵母添加量在0.1～0.3 g/L范圍內的增加,酒精度逐漸增加,說明酵母添加量越多,棗漿中的還原糖轉化為酒精的能力就越大;當酵母添加量為0.3 g/L時,酒精度最大,為10%vol;但是當酵母添加量＞0.3 g/L之后,酒精度隨著酵母添加量的增加而呈現降低趨勢,這是因為酵母添加量過多時,酵母繁殖量也就相應增大,呼吸過于旺盛,棗漿中的糖分就較多的應用于維持酵母菌生長和呼吸,所以沒有被轉化為酒精。因此,酵母最適添加量為0.3 g/L。

圖6 不同酵母添加量對酒精度的影響Fig.6 Effect of different yeast inoculum on alcohol content

2.2.4 紅棗酒發酵工藝優化正交試驗結果

在單因素試驗基礎上,以感官評價和酒精度為評價指標,對發酵溫度(A),發酵時間(B)酵母菌添加量(C)進行正交試驗,確定棗酒最佳發酵工藝參數。發酵工藝優化正交試驗結果與分析見表5。

由表5可知,以酒精度為評價指標,各因素影響發酵結果的主次順序為酵母菌添加量(C)＞發酵溫度(A)＞發酵時間(B),由均值得到各因素最優水平的組合為A2B2C2;以感官評分為評價指標,各因素影響發酵結果的主次順序為發酵溫度(A)＞酵母菌添加量(C)＞發酵時間(B),由均值得到各因素最優水平的組合為A2B2C3。

表5 紅棗酒發酵工藝優化正交試驗結果與分析Table5 Results and analysis of orthogonal experiments for fermentation technology optimization of red jujube wine

綜合比較發酵最優組合為A2B2C3,即發酵溫度為25℃,發酵時間為7 d,酵母添加量為0.4 g/L。在此優化條件下,酒精度為9.9%vol,感官評分為91分。

2.3 紅棗酒澄清試驗結果

圖7 殼聚糖澄清試驗結果Fig.7 Results of chitosan clarification experiments

由圖7可知,當不加殼聚糖溶液時透光率為8.0%,棗酒澄清度低;隨著殼聚糖添加量從0.1～0.3 mL的增加透光率逐漸升高,當殼聚糖用量達到0.4 mL時透光率稍有下降趨勢隨后又開始緩慢增加,殼聚糖用量達到0.9 mL時透光率達到最大值75.8%并趨于穩定。因此,1%的殼聚糖溶液0.9 mL/10 mL棗酒澄清效果較為理想。

2.4 發酵型紅棗酒的成品質量指標檢測

感官指標:色澤清澈透亮;酒體均一;香味協調。

理化指標:酒精度為9.9%vol,總酸(以酒石酸計)為5.3 g/L,還原糖(以葡萄糖計)為3.72 g/L;透光率為75.8%,pH值為3.94,糖度為5.1%,檢測結果均符合國家標準GB/T 15038—2006《葡萄酒、果酒通用試驗方法》。

微生物指標:菌落總數42個/mL＜100個/mL,大腸桿菌(CFU/g)未檢出。

3 結論

通過單因素和正交試驗分析,得到了發酵型紅棗酒的最佳酶解工藝條件為果膠酶添加量0.25%,酶解時間2 h,酶解溫度40℃;最佳發酵工藝條件為發酵溫度為25℃,發酵時間為7 d,酵母添加量為0.4 g/L,殼聚糖最適宜添加量為1%的殼聚糖溶液0.9 mL/10 mL棗酒,在此條件下發酵型紅棗酒酒精度為9.9%vol,感官評分為91分,pH值3.94,糖度5.1%,透光度為75.8%。