云南咖啡果發酵型果酒的釀造

劉 靜,傅 冰,劉蘇瑤,屈海盼,羅浩然,袁 唯

(云南農業大學食品科技學院,云南昆明 650000)

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云南咖啡果發酵型果酒的釀造

劉 靜,傅 冰,劉蘇瑤,屈海盼,羅浩然,袁 唯*

(云南農業大學食品科技學院,云南昆明 650000)

以新鮮咖啡果肉為原料,通過正交實驗及響應面分析,對其果酒釀造過程的前處理工藝及發酵工藝進行優化。結果表明:前處理最優條件:纖維素酶添加量0.1%,35 ℃酶解3 h,此時可溶性固形物含量變化可達1.7%;咖啡果果酒釀造最優工藝條件為:酵母接種量7.5%,發酵溫度29 ℃,初始糖度22%,發酵7 d,在此條件下酒精度可達10.8%。釀制的咖啡果果酒呈深琥珀色,咖啡果香濃郁,滋味純正且咖啡因的含量為34.3 mg/L。

咖啡果肉,酶解,釀造,果酒

咖啡是目前世界上消費量最大的飲料之一,其與茶、可可并稱為世界三大飲料[1-3]。國內咖啡種植分布于云南、海南、廣西和廣東等省,其中云南咖啡在中國占主導地位[4-6]。據報道,2015年云南小粒咖啡的種植面積已經超過180萬畝,產量達13萬噸,但每加工1000 kg鮮咖啡果,就有500 kg左右的咖啡果肉副產品被當成垃圾廢棄物處理[7]。雖然國內外已有將咖啡果肉加工成飼料,但其木質素含量很高,所以牛等反芻動物對咖啡果肉的消化力不強,且未實現規模化生產[8-9]。作為咖啡果實的一部分,咖啡果肉含有多酚類化合物和生物堿類物質,營養成分較為豐富,且含有天然咖啡因。其中咖啡因對神經系統、消化系統及偏頭痛等具有一定的積極作用[10-13]。另外,有研究表明，云南小粒種咖啡果皮粗提物樣品中的花青素主要為矢車菊素-3-葡萄糖苷和矢車菊素-3-蕓香糖苷,它們的含量分別為0.034 mg/g和0.112 mg/g,并且咖啡果皮的粗提物具有抗氧化效果[14]。為提高咖啡果肉的利用率及解決資源浪費問題,本實驗以新鮮咖啡果果肉為原料,探討果酒釀造工藝條件,為規模化生產提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

小粒種咖啡(卡蒂莫) 云南省普洱市南島河咖啡種植基地;烘干咖啡果粉、凍干咖啡果粉 自制;白砂糖 A級,市售;安琪果酒酵母 安琪酵母股份有限公司;纖維素酶(5萬U/g) 寧夏和氏璧生物技術有限公司;咖啡因標準品 分析純,貴州迪大生物;其余試劑 均為分析純。

BS210S型分析天平 北京奧多利斯天平有限公司;打漿機 飛利浦(中國)投資有限公司;LH-T10手持糖度計 杭州陸恒;721型紫外可見分光光度計 北京普析通用儀器有限公司;DELTA-320數顯pH計 杭州奧利龍儀器有限公司。

1.2 咖啡果肉的營養成分測定

測定新鮮咖啡果的水分、灰分、粗蛋白等基本營養成分,方法如下:

水分[15]:直接干燥法;灰分[16]:GB 5009.4-2010;粗蛋白[17]:GB 5009.5-2010;粗纖維[18]:GB/T 5009.10-2003;粗脂肪[19]:酸水解法。

1.3 咖啡果肉的水解

取適量的咖啡果肉,榨汁,加入一定量的纖維素酶,在適當的溫度下水解一定時間,測定水解后咖啡果肉可溶性固形物的含量變化。在水解的過程中需調節咖啡果肉汁液的pH至纖維素酶的最適pH5.0左右。

1.4 果酒的釀造工藝流程

調整咖啡果肉汁液的糖度之后,取原料量0.2%的干酵母加入100 mL的溫水(35～40 ℃)中活化,攪拌至溶解,保持20 min左右[20]。將活化好的酵母倒入發酵罐中,進行控溫酒精發酵,裝罐量為80%。發酵前期給予充足的氧氣促進酵母的繁殖,中后期密閉發酵罐。發酵過程中每天攪動2～3次,注意避免雜菌的污染。酒精發酵結束后經渣滓分離,轉入另一個罐內進行后發酵。后發酵過程中,酵母繼續利用殘糖,后發酵12～15 d。完成后發酵后在室溫下陳釀約3個月。

1.5 酶解條件優化

1.5.1 單因素實驗設計 加酶量單因素實驗:取10 g榨好的咖啡果肉4份,加水量均為100 mL,分別加入纖維素酶0.05%、0.1%、0.15%、0.2%,均在35 ℃酶解3 h,測可溶性固形物的變化。

酶解溫度單因素實驗:取10 g榨好的咖啡果肉4份,加水量均為100 mL,分別加入纖維素酶0.1%,在25、30、35、40 ℃下酶解3 h,測可溶性固形物的變化。

酶解時間單因素實驗:取10 g榨好的咖啡果肉4份,加水量均為100 mL,分別加入纖維素酶0.1%,溫度35 ℃,酶解時間分別為2.0、2.5、3.0、3.5 h,測可溶性固形物的變化[21]。

1.5.2 正交實驗設計 以單因素實驗所得到的各實驗參數為依據,采用 L9(33)正交實驗確定酶解咖啡果肉的最佳條件[22],因素水平表見表1。

1.6 發酵工藝的確定

1.6.1 單因素實驗設計

1.6.1.1 酵母接種量的確定 咖啡果肉汁液的糖度調整至22%,將活性干酵母經過復水、活化加入其中,將pH調至酸性,加入4%、6%、8%、10%的酵母,29 ℃發酵7 d后測定酒精度。

1.6.1.2 發酵溫度的確定 咖啡果肉汁液糖度調整至22%,pH調至酸性,選擇酵母添加量為8%,發酵溫度為27、28、29、30 ℃,發酵7 d后測定酒精度。

1.6.1.3 初始糖度的確定 咖啡果肉汁液的糖度調整至20%、21%、22%、23%,酵母添加量為8%,pH調至酸性,29 ℃發酵7 d后測定酒精度。

1.6.2 響應面實驗設計 在單因素實驗的基礎上,根據Box-Behnken的中心組合設計原理,選擇酵母接種量(A)、發酵溫度(B)、初始糖度(C)為自變量,以產品的酒精度為響應值,對咖啡果果酒發酵工藝條件進行優化[23-25],如表2所示。

表2 響應面實驗因素與水平表Table 2 Factors and levels table of response surface design

1.7 指標的測定

酒精度:蒸餾法[26];可溶性固形物含量:手持糖度儀測定;咖啡因含量的測定:參照GB 5009.139-2014食品安全國家標準;還原糖:斐林試劑法。

微生物指標:對果酒的菌落總數、大腸菌群及治病菌進行測定。

菌落總數采用GB/T 4789.2進行檢測,大腸菌群通過GB/T 4789.3,致病菌通過GB/T 4789.5(志賀氏菌檢驗)、GB/T 4789.10(葡萄球菌檢驗)。

1.8 數據處理

單因素實驗采用Origin8.5軟件處理數據,響應面采用Design Expert8.0軟件。

2 結果與分析

2.1 咖啡果肉成分的營養成分

從表3中可以看出咖啡果肉可溶性固形物的含量很高,可以發酵產生大量的乙醇,由此可降低糖的添加量。但新鮮的咖啡果肉中粗纖維含量較高,達3.58%。因此,在釀制咖啡果酒之前對果肉進行前處理。

表3 普洱市(卡蒂莫)咖啡果肉成分(%)Table 3 Pu’er(catimor)coffee pulp ingredients(%)

2.2 咖啡果肉前處理條件的優化

2.2.1 加酶量對果汁可溶性固形物的影響 咖啡果肉中的粗纖維可在纖維素酶的作用下降解。由圖1可知,隨著加酶量的增加,咖啡果肉的水解效率增加,但有一個最佳值。在加酶量為0.1%時,酶解作用迅速又充分,超過此值,酶解效果略有降低。因此實驗初步確定加酶量不超過0.1%咖啡果肉為宜。

圖1 加酶量對可溶性固形物含量變化的影響Fig.1 Effect of the volume of enzyme on the soluble solids content changes

2.2.2 酶解溫度對果汁可溶性固形物的影響 酶只有在最適溫度條件下才表現出最大活力,過低則會抑制酶的活性,過高則會使酶變性失活。由圖2可知,在溫度較低時,隨溫度的提高,酶解效果越好,當酶解溫度超過35 ℃時,酶解效率降低,可初步確定酶解溫度35 ℃較宜。

圖2 酶解溫度對可溶性固形物含量變化的影響Fig.2 Effect of the enzymolysis temperature on the soluble solids content changes

2.2.3 酶解時間對果汁可溶性固形物的影響 由圖3可知,處理時間愈長,酶解作用愈充分對咖啡果肉的酶解效率越高,酶解3 h可溶性固形物含量變化為1.5%,超過3 h可溶性固形物含量不再變化,初步確定酶解時間3 h為宜。

圖3 酶解時間對可溶性固形物含量變化的影響Fig.3 Effect of the hydrolysis time on the soluble solids content changes

2.2.4 酶解咖啡果肉條件的正交實驗 由表4可知，三個因素的主次關系為:C>B>A。正交實驗最佳條件為A2B2C2,即加酶量0.1%,酶解溫度35 ℃,酶解時間3 h。驗證實驗證明,此條件下可溶性固形物含量的變化為1.7%。

表4 酶解咖啡果肉的正交實驗結果Table 4 Results of orthogonal test of enzyme treatment of the coffee pulp

圖4 酵母接種量對酒精度的影響Fig.4 Influence of the addition of yeast on degree of alcohol

2.3 果酒發酵單因素實驗

2.3.1 酵母接種量的確定 由圖4可知,酵母接種量8%時,酒精度為11.0%,且產品風味及口感較好;添加量為10%時酒精度為10.6%,且風味及口感都較差。說明接種量過高,酵母菌用于自身的生長繁殖消耗過多的糖分,酒精產量降低,不利于原酒風味的形成,所以酵母菌接種量以8%為宜。

2.3.2 發酵溫度的確定 由圖5可知,發酵溫度為29 ℃時酒精度達到最高9.8%,當溫度為30 ℃時酒度反而下降,可能是由于溫度過高抑制了酵母菌的生長繁殖,所以以29 ℃為宜。

圖5 發酵溫度對酒精度的影響Fig.5 Influence of the fermentation temperature on degree of alcohol

2.3.3 初始糖度的確定 由圖6可知,初始糖度越高,酒精度越高。當初始糖度為23%時,酒精度達到最大10.9%,但此時咖啡果酒口感不好,且僅與初始糖度22%相差0.1%。因此,應將咖啡果肉汁液的初始糖度調整為23%為宜。

圖6 初始糖度對酒精度的影響Fig.6 Influence of the initial sugar content on degree of alcohol

2.3.4 Box-Behnken實驗結果 實驗結果見表5。

2.3.5 模型的建立及顯著性實驗 利用Design Expert 8.0軟件中的ANOVA程序對表5所得的數據進行二次回歸分析可得:Y=10.72-0.43A-0.062B+0.037C+0.025AB+0.025AC+0.050BC-0.91A2-0.085B2-0.14C2。表6方差分析顯示,模型誤差顯著,失擬項誤差不顯著,模型決定系數R2為0.9401,說明建模成功。3個因素對指標值的影響次序為A>B>C。

表6 回歸統計分析結果Table 6 Regression analysis

注:*,差異顯著,p<0. 05;**,差異極顯著,p<0. 01。

表5 響應面分析方案與結果Table 5 The scheme and results of response surface

由圖7可知,響應面較陡峭,說明發酵溫度和酵母接種量的交互作用對咖啡果酒的酒精度影響較大。從等高線的形狀可以看出酵母的接種量對酒精度的影響大于發酵溫度。

圖7 酵母接種量和發酵溫度交互影響酒精度的曲面圖及其等高線圖Fig.7 Surface layer and contour of the mutual-affection of addition of yeast and fermentation temperature on degree of alcohol

由圖8可知,響應面較陡峭,說明酵母接種量和初始糖度的交互作用對酒精度的影響較大。從等高線的形狀可以看出,酵母的接種量對酒精度的影響大于初始糖度。

圖8 酵母接種量和初始糖度交互影響酒精度的曲面圖及其等高線圖Fig.8 Surface layer and contour of the mutual-affection of addition of yeast and initial sugar concentration on degree of alcohol

由圖9可知,初始糖度和發酵溫度的交互作用對咖啡果酒的酒精度有一定的影響。從等高線的形狀可知,發酵溫度對酒精度的影響大于初始糖度。

圖9 發酵溫度和初始糖度交互影響酒精度的曲面圖及其等高線圖Fig.9 Surface layer and contour of the mutual-affection of fermentation temperature and initial sugar concentration on degree of alcohol

2.3.6 最佳工藝條件的預測與檢驗 根據Box-Behnken設計模型分析得知,咖啡果果酒釀造最優條件為:酵母接種量7.52%,發酵溫度28.56 ℃,初始糖度22.04%。在此條件下,酒精度預測值為10.766%。為驗證該模型的可靠性,根據實際操作,將發酵工藝參數修正為酵母接種量7.5%,發酵溫度29 ℃,初始糖度22%,進行3次重復實驗,實際測得的酒精度的平均值為10.8%,實驗結果與模型符合較好。

2.4 咖啡果果酒發酵過程中糖度及酒精度的變化

從圖10中可以看出:在整個酒精發酵過程中,酒精度隨著發酵時間的延長呈上升趨勢,但發酵初期酒度變化趨勢緩慢,這是因為酵母菌處于有氧繁殖期,菌體繁殖快,但發酵緩慢;第2～4 d是發酵期,耗糖量最大,酒精含量迅速上升;第6～7 d發酵基本趨于平緩,酵母菌菌體及部分代謝產物沉淀,酒精含量累積到最大,這是由于高濃度的酒精對釀酒酵母的生長發酵活動有抑制作用,發酵作用減緩。酒精含量積累到最大達到10.8%,殘糖量最低為0.6%,氣體產生量較少。

圖10 酒精發酵過程中糖度和酒度的變化Fig.10 Changes of degree of alcohol and sugar content during alcohol fermentation

2.5 咖啡果果酒中咖啡因含量的測定

咖啡因含量的測定標準曲線方程為:y=0.46x-0.004,其標準差為0.998接近于1,說明根據標準方程所求值是可靠的。對凍干咖啡果粉、烘干咖啡果粉及咖啡果酒中咖啡因含量的測定,如圖11所示,從中可知咖啡果酒中咖啡因的含量為34.3 mg/L。

圖11 咖啡果肉及咖啡果酒中咖啡因測定結果Fig.11 Measurement results of caffeine in coffee pulp and the coffee pulp fruit wine

2.6 咖啡果果酒質量指標

2.6.1 感官指標 色澤:深琥珀色;香味:咖啡果香濃郁,氣味柔和;口味:無異味,滋味純正。

2.6.2 微生物指標 細菌總數≤50 cfu/mL,大腸菌群≤50 cfu/100 mL,致病菌:未檢出。

2.6.3 理化指標 酒精度:13%;還原糖的含量(以葡萄糖計)≤4 g/L。

以上指標都符合國家果酒質量標準。

3 結論

咖啡果果酒發酵的前處理工藝條件:纖維素酶添加量0.1%,酶解溫度35 ℃,酶解時間3 h,可溶性固形物含量的變化為1.7%。發酵最佳工藝條件為:酵母接種量7.5%,發酵溫度29 ℃,初始糖度22%,發酵7 d,此時酒精度可達10.8%。釀制的咖啡果果酒呈深琥珀色,咖啡果香濃郁,滋味純正且咖啡因的含量為34.3 mg/L。

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Study on the wine brewing technology of coffee pulp grown in Yunnan province

LIU Jing,FU Bing,LIU Su-yao,QU Hai-pan,LUO Hao-ran,YUAN Wei*

(College of Food Science and Technology,Yunnan Agricultural University,Kunming 650000,China)

Coffee pulp was used as material. Orthogonal test and response surface as an approach were to optimize the conditions of pretreatment and fermentation process. The results showed that:the optimum pretreatment conditions were as follows:additive amount of cellulase as 1%,enzymolysis temperature of 35 ℃,hydrolysis time of 3 h,and the content of soluble solids change the most of 1.7%.The optimized fermentation conditions were as follows:inoculums size of yeast 7.5%,the sugar degree of fermentation 22%,fermentation temperature 29 ℃,and the fermentation time for 7 d as well as the alcohol content about 10.8%. The coffee pulp fruit wine possessed amber,rich coffee flavor and clarity. The content of caffeine was 34.3 mg/L.

coffee pulp;enzyme hydrolysis;fermentation;wine

2016-11-01

劉靜(1991-)，女，碩士，研究方向：農產品加工及貯藏工程，E-mail:18213146702@163.com。

*通訊作者:袁唯(1957-)，男，碩士，教授，研究方向：園藝產品貯藏與加工原理與技術，E-mail:yuanwei779@163.com。

云南省建立農科教相結合新型農業社會服務化體系試點云咖啡項目(2014NG004)。

TS273

A

1002-0306(2017)10-0194-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.10.029