紅甜菜格瓦斯發(fā)酵工藝優(yōu)化及揮發(fā)性風味物質(zhì)分析

孫子羽，劉婷，溫慧，陳忠軍，滿都拉

內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學食品科學與工程學院（呼和浩特 010018）

格瓦斯是一種傳統(tǒng)低度酒精飲料，主要流行于俄羅斯、烏克蘭等東歐國家[1]。顏色為金黃色并且透明，具有口感酸甜、清爽自然、營養(yǎng)豐富等特點[2]，主要原料為谷物、啤酒花、白砂糖，再經(jīng)酵母菌與乳酸菌混合發(fā)酵釀制成[3]，發(fā)酵后，可以改變飲料中的原有物質(zhì)，豐富飲料風味，產(chǎn)生許多對人體有益物質(zhì)。除此之外還會將原料分解為更小的物質(zhì)有利于人體的吸收[4-6]。格瓦斯中含有豐富的有機物，如蛋白質(zhì)、氨基酸、維生素、有機酸和糖類等[7-8]。格瓦斯?jié)庥舸枷悖兜廓毺兀仙俳砸恕?/p>

紅甜菜屬黎科甜菜屬，起源于史前時期的北非，生長于亞洲或歐洲的海岸地區(qū)，形似心里美蘿卜，葉子與葉脈顏色分別為紅色和紫紅色，葉片為長橢圓形、較小。食用部分為根部，顏色為紅色或者粉色，色澤鮮美，食用時口感發(fā)甜肉質(zhì)脆嫩[9]，可用做生食、做湯、沙拉、配菜、雕刻、上色等[10]。紅甜菜富含多種有機酸、氨基酸、水溶性維生素和多種礦物質(zhì)，有抗癌癥、降低血壓血脂血糖、抗疲勞、提高人體免疫力、健胃消食、刺激腸道蠕動、止咳化痰、順氣利尿、消熱解毒等功效[11-13]。世界衛(wèi)生組織對涉及人們?nèi)粘ｏ嬍车母鞣N食物進行分析研究，紅甜菜是最佳蔬菜，它也被美國防癌協(xié)會列為30種抗癌水果蔬菜之一[14-17]。

隨著社會的發(fā)展，健康生活越來越受到注重，在當今飲料市場中，保健型飲料越來越受消費者歡迎，而格瓦斯正是一種健康飲料[18]。采用具有極高的食用價值、醫(yī)用價值和其他價值的紅甜菜，與格瓦斯結(jié)合發(fā)酵，可包含紅甜菜和格瓦斯所有營養(yǎng)。市售的格瓦斯飲料存在口味單一的問題，會導致消費者很快對該飲料失去購買欲望，所以在格瓦斯原有工藝中加入紅甜菜，不僅可以改善其口味問題[19-20]，還通過增加對紅甜菜的研究豐富格瓦斯種類，拓展兩者的市場，為格瓦斯和紅甜菜帶來廣闊的應用前景。

試驗以大麥芽、焦香麥芽、紅甜菜為原料制備格瓦斯飲料，通過單因素試驗和正交試驗對格瓦斯發(fā)酵原料的配比及工藝進行優(yōu)化，并利用SPME-GC-MS鑒定格瓦斯揮發(fā)性風味成分，以期了解格瓦斯中香味物質(zhì)和為紅甜菜相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

乳酸菌（實驗室分離篩選保存的嗜熱鏈球菌ST）；啤酒活性干酵母（安琪酵母股份有限公司）；酒花粒（精釀股份有限公司）；糖化酶（安琪酵母股份有限公司）；碘液（天津市風船化學試劑有限公司）；紅甜菜（江蘇徐州有機紅甜菜根）。

1.2 儀器與設(shè)備

HWS12電熱恒溫水浴鍋（上海福瑪科技有限公司）；AL204電子天平（上海菁海儀器有限公司）；HPX-9082數(shù)顯電熱培養(yǎng)箱（上海博訊實業(yè)有限公司）；PAL-1手持糖度計（杭州標度環(huán)保技術(shù)有限公司）；FA-104N分析天平（上海力辰儀器有限公司）；PH-3C精密電子pH計（上海精密科學儀器有限公司）；SW-CJ-ZFD雙人單面垂直凈化工作臺（上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司）；HC-3018離心機（安徽中科中佳科學儀器有限公司）；LDZS-30KBS立式壓力蒸汽滅菌器（上海申安醫(yī)療器械廠）。

1.3 試驗方法

1.3.1 紅甜菜格瓦斯生產(chǎn)工藝流程及操作要點

1.3.1.1 工藝流程

1.3.1.2 操作要點

原料選擇：選擇新鮮、無霉變、無病害的大麥芽、焦香麥芽與紅甜菜。

麥芽汁制備：將大麥芽與焦香麥芽分別粉碎3次，每次10 s，要求麥芽破而不碎。稱取適量麥芽粉，加入6倍質(zhì)量的水，于100 ℃糊化1 h。

紅甜菜汁制備：將紅甜菜塊根洗凈，去皮，切成紅甜菜丁，料液比1∶3榨汁4 min，過濾得到紅甜菜汁。

菌種活化：在超凈臺中接種乳酸菌1代，活化3代后使用；將活性干酵母按料水比1∶10（g/mL）配制，加入2%蔗糖，置于35 ℃水浴鍋中活化30 min至大量起泡即可。

接種發(fā)酵：將酵母菌和乳酸菌按比例和用量加入到麥芽汁中，裝好單向閥放置到恒溫培養(yǎng)箱中發(fā)酵。

1.3.2 紅甜菜格瓦斯發(fā)酵工藝優(yōu)化單因素試驗

固定原料體積比6∶4，發(fā)酵劑接種比例（酵母菌∶乳酸菌）3∶2，發(fā)酵溫度25 ℃，分別改變紅甜菜汁添加量（6%，8%，10%，12%和14%）、發(fā)酵劑接種量（1.0%，1.5%，2.0%，2.5%和3.0%）和發(fā)酵時間（16，18，20，22和24 h），對格瓦斯粗品進行感官評定以確定紅甜菜汁添加量、發(fā)酵劑接種量和發(fā)酵時間的最佳水平。

1.3.3 紅甜菜格瓦斯發(fā)酵工藝優(yōu)化正交試驗

在單因素試驗基礎(chǔ)上，設(shè)計三因素三水平正交試驗，考察紅甜菜汁添加量（A）、接種量（B）和發(fā)酵時間（C）對紅甜菜格瓦斯感官品質(zhì)的影響，正交試驗因素與水平見表1。

1.3.4 測定方法

1.3.4.1 感官評價

根據(jù)GB/T 16861—1997《感官分析通過多元分析方法鑒定和選擇用于建立感官剖面的描述詞》，選擇描述詞，根據(jù)GB/T 10220—2012《感官分析方法學總論》建立感官評分標準，滿分100分，見表2。選定20人（男、女各10人），根據(jù)表2標準主要圍繞色澤、香氣、口感和組織狀態(tài)對紅甜菜格瓦斯進行感官評定。

表2 紅甜菜格瓦斯感官評分標準

1.3.4.2 紅甜菜格瓦斯揮發(fā)性風味物質(zhì)檢測

量取8.0 mL紅甜菜格瓦斯放入20 mL SPME樣品瓶中，將老化后的萃取頭插入樣品瓶頂空部分進行萃取，在60 ℃水浴條件下平衡10 min，萃取頭頂空吸附30 min后，在GC進樣口釋放1 min。

氣相色譜-質(zhì)譜條件：DB-5毛細色譜柱（30 m× 0.25 mm，0.25 μm）；載氣為氦氣（He）；載氣流速1.0 mL/min；離子源溫度230 ℃；進樣口溫度250 ℃。升溫程序：初始溫度50 ℃保持1 min，以2 ℃/min升溫至100 ℃保持3 min，以4 ℃/min升溫至220 ℃保持10 min，不分流進樣。質(zhì)量掃描范圍50～550m/z；溶劑延遲時間1 min[21-23]。

2 結(jié)果與分析

2.1 紅甜菜格瓦斯發(fā)酵條件優(yōu)化單因素試驗結(jié)果

2.1.1 紅甜菜汁添加量的確定

由圖1可知，感官評分隨著紅甜菜汁添加量增加呈現(xiàn)先升高后降低變化趨勢。添加量8%時，發(fā)酵所得的格瓦斯感官評分最高，為89.2分。此時的格瓦斯顏色呈亮紅色，液體清澈透亮，酸甜適度。因此，確定最適紅甜菜汁添加量為8%。

圖1 紅甜菜汁添加量對格瓦斯品質(zhì)及感官評分的影響

2.1.2 接種量的確定

由圖2可知，感官評分隨著發(fā)酵劑接種量增加而呈現(xiàn)先升高后降低變化趨勢。接種量2.0%時，發(fā)酵所得的格瓦斯感官評分達到最高，為85.6分，此時的格瓦斯酸甜適中，色澤透亮。接種量大于或小于2.0%時，格瓦斯會因發(fā)酵過度或發(fā)酵不完全而呈現(xiàn)口感偏甜或偏酸。因此，確定最適接種量為2%。

圖2 接種量對格瓦斯品質(zhì)及感官評分的影響

2.1.3 發(fā)酵時間的確定

由圖3可知，感官評分隨著發(fā)酵時間增加呈現(xiàn)先升高后降低變化趨勢，發(fā)酵時間18 h時，格瓦斯的感官評分達到最高，為86.7分，此時的格瓦斯色澤鮮艷，液體清澈，口感柔和。而后隨著發(fā)酵時間的增加，感官評分迅速降低，且口感偏酸微苦，顏色寡淡。因此，確定最適發(fā)酵時間為18 h。

圖3 發(fā)酵時間對格瓦斯品質(zhì)及感官評分的影響

2.2 紅甜菜格瓦斯發(fā)酵條件優(yōu)化正交試驗結(jié)果

在單因素試驗基礎(chǔ)上，以紅甜菜汁添加量、接種量和發(fā)酵時間為評價因素，以感官評分為評價指標，進行正交試驗，結(jié)果與分析見表3和表4。

表3 紅甜菜格瓦斯發(fā)酵條件優(yōu)化正交試驗結(jié)果與分析

表4 正交試驗方差分析表

由表3和表4可知：紅甜菜汁添加量（A）、接種量（B）和發(fā)酵時間（C）3個影響紅甜菜格瓦斯感官評分的因素中，顯著影響因素是接種量（B）；其次是紅甜菜汁添加量（A）；最后是發(fā)酵時間（C）。正交試驗結(jié)果分析表明，紅甜菜格瓦斯的最佳發(fā)酵工藝條件組合為A3B3C2，即紅甜菜汁添加量9%、發(fā)酵劑接種量2.2%、發(fā)酵時間18 h，在此條件下發(fā)酵所得的格瓦斯感官評分達到90.1分。

2.3 紅甜菜格瓦斯揮發(fā)性風味物質(zhì)分析

采用HS-SPME結(jié)合GCC-MS萃取分離鑒定紅甜菜格瓦斯中的揮發(fā)性成分，通過美國國家標準與技術(shù)研究院（national institute of standards and technology，NIST）數(shù)據(jù)庫課檢索，紅甜菜格瓦斯的揮發(fā)性風味物質(zhì)組成見表5。

表5 揮發(fā)性風味物質(zhì)組成

由表5可知：在獲得的紅甜菜格瓦斯中共鑒定出80種揮發(fā)性風味物質(zhì)，其中醇類化合物有22種，所占比例最大，占總揮發(fā)性風味物質(zhì)的54.75%，異戊醇在醇類化合物中含量最高，占總揮發(fā)性風味物質(zhì)的17.09%，賦予格瓦斯柔和、愉快而持久的花果香氣；占比僅次于醇類的是酯類化合物，共15種，占總風味物質(zhì)的15.93%，賦予格瓦斯?jié)庥舻膱怨銡夂皖愃瓢滋m地的酒香。其他酸類、醛類、酮類和雜環(huán)類化合物共占比29.32%。這些物質(zhì)混合共同構(gòu)成紅甜菜格瓦斯獨特的風味和口感。

3 結(jié)論與討論

采用單因素試驗及正交試驗對以大麥芽和焦香麥芽為原料、紅甜菜汁為輔料的格瓦斯發(fā)酵工藝進行優(yōu)化。結(jié)果表明，紅甜菜格瓦斯最優(yōu)發(fā)酵條件為大麥芽∶焦香麥芽6∶4（V/V）、紅甜菜汁9%、發(fā)酵劑（酵母菌與乳酸菌）接種量2.2%、接種比例（酵母菌∶乳酸菌）3∶2、發(fā)酵時間18 h。此條件下所得的紅甜菜格瓦斯色澤透亮、口感柔和、風味濃郁，感官評分為90.1分。

利用頂空固相萃取-氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)分析紅甜菜格瓦斯揮發(fā)性風味成分，共鑒定出80種揮發(fā)性風味物質(zhì)，其中包括醇類22種（含量54.75%），酯類15種（含量15.93%），酸類15種（含量9.15%），醛類15種（含量5.45%），酮類2種（含量0.46%），雜環(huán)類及其衍生物11種（含量14.26%）。紅甜菜格瓦斯中的主要風味物質(zhì)為醇類和酯類，主要風味化合物為異戊醇（17.09%）、苯乙醇（9.43%）和L-2-甲基丁醇（7.76%）。