孟金明,樊爱萍,李全丽,曾丽萍

(红河学院理学院,云南蒙自 661199)

芒果是热带水果中非常具有代表性的一种水果,肉质丰厚、汁多味甜、果香浓郁,深受广大群众的喜爱[1]。芒果营养丰富,其中富含维生素C和β-胡萝卜素,有助于改善坏血症、夜盲症,提高抵抗力[2]。此外,芒果中还存在着一种特殊的成分—芒果苷,有抗氧化的功能,可以降低过氧化脂质对大脑神经元的伤害[3]。胡萝卜又称红萝卜,可食用部位为其肉质根,质地细腻,口感清爽脆嫩,味道微甜,是一种老少皆宜的家常疏菜。胡萝卜中存在多种不同的类胡萝卜素,含有维生素、花青素、膳食纤维、木质素及矿物质等多种营养成分[4]。食用胡萝卜可以有效预防夜盲症,促进胃肠蠕动改善便秘,同时还能降低血压、血糖,防治血管硬化及心脏病等疾病[5]。

目前,市面上主流的果酒主要是葡萄酒,其品种单一,不能满足消费者的多元化需要,而复合果酒作为近年来发展起来的一种健康饮品,具有品种多样、类型繁多、口味丰富且含有多种功能性成分等特点,逐渐受到人们的喜爱[6-7]。谭雯文等[8]以杨桃和芒果为原材料研制复合果酒,通过单因素试验和正交试验,得出其最佳发酵条件为:桃汁和芒果汁的配比为1∶4,发酵温度为22 ℃,发酵时间13d。曾朝珍等[9]以苹果和树莓为原材料,通过单因素实验和正交试验得出苹果树莓果酒的最佳发酵工艺条件为:发酵温度28 ℃、糖添加量4%、接种量5%。虽然当前有多种类型的复合果酒研究及应用,但是目前尚未有芒果胡萝卜复合果酒的相关研究报道。

在大健康产业形势的带动下,消费者对于健康产品的要求逐渐增高。芒果与胡萝卜不仅营养价值高,还具有一定的保健成分,将其制成果酒可以较好地保持营养成分[10-11]。本文以芒果与胡萝卜为原料,采用单因素实验和Box-Behnken 试验设计,运用响应面法优化发酵工艺参数,以期制作出适宜酒精度、色泽橙黄、果香味浓郁的复合果酒,提高果蔬的附加价值,丰富果酒品种,满足不同消费者对果酒的需求,促进水果产业的发展,为复合果酒市场化发展提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

供试材料为新鲜的芒果和胡萝卜 购自蒙自水果蔬菜批发市场;纤维素酶(80000 U/g)、果胶酶(80000 U/g)、焦亚硫酸钾、柠檬酸 友谊食品添加剂公司;安琪果酒酵母 安琪酵母有限公司;色谱纯甲醇、乙醇 天津化学试剂三厂;盐酸、氢氧化钠、葡萄糖、次甲基蓝、酒石酸钾钠、硫酸铜、硫酸、酚酞 均为分析纯(AR),国药集团化学试剂有限公司;实验用水 均使用实验室自制蒸馏水。

GC-2010型气相色谱仪 日本岛津有限责任公司;GSP-9160MBE型隔水式恒温培养箱 上海博讯实业有限公司;CP224C型电子天平 上海奥豪斯仪器有限公司;DHG-9070A型电热恒温鼓风干燥箱 上海齐欣科学仪器有限公司;PHS-3C型pH计 上海雷磁-上海仪电科学仪器股份有限公司;JYL-Y15型九阳高速破壁调理机 九阳股份有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 芒果胡萝卜复合果酒的发酵工艺流程 芒果原料挑选→清洗→去皮、去核→切分→破碎→打浆;

1.2.2 操作要点 预处理:挑选新鲜、无虫害、无机械损伤的八成熟芒果,清洗干净,去除果皮和果核,将果肉切分小块,按1∶1 (m/m)的比例加蒸馏水,破碎打浆。挑选成熟度一致的胡萝卜,洗净去皮,切成1 cm大小的方块,95 ℃热烫6 min,将水果与蒸馏水按1∶2 (m/m)的比例混合,破碎打浆。

酶解:将芒果浆和胡萝卜浆按一定比例混合,按0.1 g/L的用量分别加入纤维素酶和果胶酶,50 ℃恒温水浴搅拌3 h,酶解后迅速加热至90 ℃灭酶5 min。

调配:添加适量偏重亚硫酸钾,用白砂糖调节将果汁含糖量调至24%,用柠檬酸调果汁的pH至3.4。

酵母活化:称取2 g的活性干酵母加入到30 mL 3%的葡萄糖水溶液中,37 ℃活化0.5 h。

主发酵:接种完之后,放入到恒温培养箱中,26 ℃发酵8 d。

1.2.3 芒果胡萝卜复合果酒发酵单因素实验

1.2.3.1 原料配比对复合果酒发酵的影响 将破碎打浆后的芒果浆和胡萝卜浆按分别按3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3的体积比进行混合,初始糖度22%,初始pH3.4,酵母接种量为0.10%,SO2添加量为40 mg/L,置于24 ℃的条件下发酵,通过感官评价筛选原料配比。

1.2.3.2 SO2添加量对复合果酒发酵的影响 将破碎打浆后的芒果浆和胡萝卜浆按2∶1 (V/V)混合,初始糖度22%,初始pH3.4,酵母接种量为0.10%,SO2添加量分别为0、20、40、60和80 mg/L,混合均匀,置于24 ℃的条件下发酵8 d,测定发酵液的酒精度及残糖含量。

1.2.3.3 初始糖度对复合果酒发酵的影响 将破碎打浆后的芒果浆和胡萝卜浆按2∶1 (V/V)混合,初始糖度分别调节成18%、20%、22%、24%和26%,初始pH3.4,酵母接种量为0.10%,SO2添加量为60 mg/L,混合均匀,置于24 ℃的条件下发酵8 d,测定发酵液的酒精度及残糖含量。

1.2.3.4 初始pH对复合果酒发酵的影响 将破碎打浆后的芒果浆和胡萝卜浆按2∶1 (V/V)混合,初始糖度24%,初始pH分别为3.0、3.2、3.4、3.6和3.8,酵母接种量为0.10%,SO2添加量为60 mg/L,混合均匀,置于24 ℃的条件下发酵8 d,测定发酵液的酒精度及残糖含量。

1.2.3.5 酵母接种量对复合果酒发酵的影响 将破碎打浆后的芒果浆和胡萝卜浆按2∶1 (V/V)混合,初始糖度24%,初始pH3.4,酵母接种量分别为0.05%、0.10%、0.15%、0.20%和0.30%,SO2添加量为60 mg/L,混合均匀,置于24 ℃的条件下发酵8 d,测定发酵液的酒精度及残糖含量。

1.2.4 芒果胡萝卜复合果酒发酵工艺优化 在单因素实验的基础上,根据Box-Behnken的中心组合设计原理,选取选取SO2添加量(A)、初始pH(B)和酵母添加量(C)3个因素为自变量,以酒精度为响应值,根据Box-Behnken 实验设计原理,采用三因素三水平的响应面分析方法,试验因素水平设计见表1[12]。

表1 响应面分析试验因素水平表Table 1 Factors and levels of response surface analysis experiment

1.2.5 指标测定方法

1.2.5.1 酒精度、总糖、总酸、挥发酸、干浸出物测定以及感官评价 酒精度测定:采用密度瓶法;总糖测定:采用直接滴定法;总酸和挥发酸测定:采用指示剂法;干浸出物及以上指标均参考GB 15038-2006[13]检测。

表3 不同芒果浆与胡萝卜浆混合比例所得酒样的感官评价表Table 3 Sensory evaluation table of wine obtained by different mixing ratios of mango pulp and carrot pulp

注:同列数据中不同小写字母表示差异显著(P<0.05),下同。芒果胡萝卜复合果酒感官评价参照GB 15037-2006[14],请经果酒感官培训的10位人员,对果酒色泽、透明度、香气、滋味和典型性5项指标进行评价(表2),取平均值作为最终感官得分。

表2 感官评价表Table 2 Sensory evaluation

1.2.5.2 微生物指标的测定 菌落总数的测定:参考GB 4789.2-2016[15]检测;大肠菌群计数的测定:参考GB 4789.3-2016[16]检测。

1.2.5.3 甲醇的测定[17]甲醇标准溶液配制:将甲醇标准物质用乙醇配制成5000 mg/L的甲醇标准储备液,再将其逐级稀释成浓度分别为50、100、200、300、400 mg/L的甲醇标准工作溶液。将标准液过0.22 μm滤膜后进行气相色谱分析。

样品的制备:用100 mL容量瓶准确量取100 mL酒样加100 mL水于500 mL蒸馏瓶中,加热蒸馏出100 mL蒸馏液。采用0.22 μm滤膜过滤后进行气相色谱分析。

色谱条件:RX-17(30 m×0.25 mm,0.25 μm);程序升温模式为起始温度 40 ℃,保持4 min,以4.5 ℃/min升温至120 ℃,保持3 min,再以20 ℃/min升温至200 ℃,保持5 min。检测器温度为 250 ℃;进样口温度为 250 ℃;载气(N2)流速1.0 mL/min;进样量1.0 μL;分流比为20∶1。

1.3 数据分析

2 结果与分析

2.1 芒果胡萝卜复合果酒发酵条件的单因素试验

2.1.1 原料混合比的确定 从表3中可以看出,芒果浆与胡萝卜浆比例为2∶1所酿制的芒果胡萝卜复合果酒感官评分为87.8,得分显著高于其他组(P<0.05)。在此比例下,果酒颜色为橙黄色,口感较为柔和,同时含有二者的风味,并且芒果的香味还很好地掩盖了胡萝卜的药腥味。因此,本次试验后续均选用芒果浆与胡萝卜浆的比例为2∶1酿造复合果酒。

2.1.2 SO2添加量对复合果酒发酵的影响 从图1可以看出,随着SO2添加量的逐渐加大,芒果胡萝卜复合果酒的酒精度呈现出先升高后降低的趋势,残糖含量呈现出先降低后升高的趋势。SO2在果酒发酵中有抑制杂菌生长的作用,SO2的添加量为0～60 mg/L范围内,除酵母菌以外的其他杂菌生长受到了SO2的抑制,有利于酵母菌的生长和繁殖,复合果酒的酒精度升高,残糖含量则逐渐下降[18-19]。在SO2添加量为60 mg/L时酒精度达到最高值为12.38%vol,残糖含量达到最低值为4.13 g/L,通过显著性分析发现,SO2添加量为60 mg/L时酒精度显著高于40、80 mg/L(P<0.05);当SO2添加量超过60 mg/L时,开始抑制酵母菌的生长繁殖,复合果酒的酒精度降低,残糖含量则随之增加。因此,SO2添加量取60 mg/L。

图1 SO2添加量对复合果酒发酵的影响Fig.1 Effect of SO2 addition on fermentation of compound fruit wine注:不同小写字母表示差异显著(P<0.05)；图2～图4同。

2.1.3 初始糖度对复合果酒发酵的影响 从图2可以看出,在初始糖度为18%～24%之间时,随着初始糖度逐渐增大,果酒的酒精度也随着升高,这是因为糖浓度增大,酵母可以利用的营养物质越充足,生长繁殖速度加快,进而生成的酒精增多,在初始糖度为24%时,果酒酒精度达到最大值。当初始糖度大于24%后,果酒的酒精度变化不显著(P>0.05)。随初始糖度增加,残糖含量则一直呈上升趋势,且当初始糖度大于24%时,残糖含量剧烈升高。可能是初始糖浓度过高造成发酵液渗透压较高,对酵母菌的生长产生抑制,影响了酵母的酒精合成[20-21]。而且考虑到果酒不需要太高的酒精度,初始糖度过高还会导致生成的果酒甜味过重,因此选取初始糖度24%为适宜初始糖度。

图2 初始糖度对复合果酒发酵的影响Fig.2 Effect of initial sugar content on fermentation of compound fruit wine

2.1.3 初始pH对复合果酒发酵的影响 从图3可以看出,随着初始pH增加,复合果酒的酒精度也随其急剧增加,当初始pH达到3.4时,酒精度达到最高值,为12.41%vol,残糖含量降到最低,为5.41 g/L;当初始pH继续升高时,复合果酒的酒精度开始降低,残糖含量开始升高。这主要是初始pH过高,对其他微生物的抑制作用减弱,使得酵母菌的生长繁殖受到影响,不利于果酒发酵[22-23]。虽然酵母菌的耐酸性比其他微生物好,但初始pH过低时,同样也会对酵母菌的生长起到一定抑制作用,从而不利于糖转化为酒精。同时,合适的初始pH能够让果酒形成较为良好的口感。通过显著性分析发现,初始pH为3.4与初始pH为3.2、3.6的酒精度组间具有显著性差异(P<0.05)。综上,选择适宜的初始pH为3.4。

图3 初始pH对复合果酒发酵的影响Fig.3 Effect of initial pH on fermentation of compound fruit wine

2.1.4 酵母添加量对复合果酒发酵的影响 酵母在果酒的发酵中较为关键,但酵母的添加量却并不是越多越好。从图4可以看出,初始酵母添加量过低时,酵母生长繁殖效率不高,导致最终发酵液中酵母数较少,果汁不能充分发酵,此时所产生的酒精度最低,残糖含量较高。酵母添加量为0.10%时,复合果酒的酒精度上升到最高值12.33%vol,此时酵母生长繁殖充分,发酵效率最高。酵母添加量高于0.10%之后,酒精度逐渐变低,残糖含量继续减少。这是由于酵母添加量过多,酵母生长繁殖消耗了发酵液中较多的糖,发酵成酒精的糖减少,导致产生的酒精度下降,残余的糖也随之降低[24]。综上,选择适宜的酵母接种量为0.10%。

图4 酵母接种量对复合果酒发酵的影响Fig.4 Effect of inoculation amount of yeast on fermentation of compound fruit wine

2.2 响应面优化试验

2.2.1 响应面试验设计方案 参照单因素实验结果,选择SO2添加量(A)、初始pH(B)和酵母添加量(C)各因素的最优试验范围进行 Box-Behnken 中心组合试验设计,以酒精度为响应值,响应面试验结果如表4所示。

表4 Box-Behnken 试验设计及结果 Table 4 Design and results of Box-Behnken experiment

利用软件对表4中得到的响应面试验结果进行多元线性回归拟合,可以初步得到芒果胡萝卜复合果酒的酒精度(Y)对应发酵工艺条件中SO2添加量(A)、初始pH(B)和酵母添加量(C)的回归方程模型为:Y=13.47-0.39A+0.66B+0.50C-0.25AB-0.42AC-0.22BC-1.15A2-0.998B2-0.84C2,方程中Y为酒精度,A、B、C分别表示三个影响因素各自对应的编码值[25]。

2.2.2 方差分析 从表5中可以看出,该试验模型F值=86.96,并且P值<0.0001,差异极显著。失拟项差异不显著(P值为0.9388>0.05),模型误差较小能够很好地预测响应值。该模型中各个影响因素的决定系数R2=0.9750,该模型能够对实际试验中所选取的因素造成的97.50%的响应值变化进行合理解释,仅有2.5%的响应值变化不能用该模型解释,表明该模型拟合程度较高[26-27]。综合以上几方面的分析,证明该回归方程模型可靠程度和准确程度均较高,可以用该模型对芒果胡萝卜复合果酒的发酵工艺进行分析、优化及预测。

另外还可以看出,一次项A、B、C,二次项A2、B2、C2,交互项AC对响应值的影响均极显著(P<0.01);交互项AB、BC的影响显著(P<0.05);模型的交互效应影响均显著[28-29]。通过比较F值的大小可知各发酵工艺因素对芒果胡萝卜复合果酒的酒精度的影响大小分别为:初始pH(B)>酵母添加量(C)>SO2添加量(A)。

表5 回归方程模型的方差及显著性分析Table 5 Variance and significance analysis of regression equation model

注:**表示差异极显著(P<0.01);*表示差异显著(P<0.05)。

2.2.3 因素间交互作用分析 图5～图7为SO2添加量(A)、初始pH(B)、酵母添加量(C)因素间交互作用的响应面图和等高线图,根据图像可以更加直观地反映出三个因素之间的交互作用对芒果胡萝卜复合果酒的酒精度的影响情况。在响应面图中,曲面倾斜程度表示各因素对酒精度(响应值)的影响程度,二者成正比关系;等高线图的形状可以判断各因素之间交互作用的显著程度,椭圆形表示显著[28]。从图5～图7中可分析得出,影响酒精度的强弱程度分别是:初始pH(B)>酵母添加量(C)>SO2添加量(A)。比较三个等高线图趋向于椭圆形的程度,能够得出两两因素之间对酒精度的交互作用显著性程度为:AC>AB>BC,即SO2添加量与酵母添加量>SO2添加量与初始pH>初始pH与酵母添加量。响应面分析的结果均与表3中回归方程模型显著性分析的结果一致,说明该回归方程模型可信。

2.2.4 最佳工艺条件的预测与检验 利用软件继续对该模型优化求解,可以得出芒果胡萝卜复合果酒的最优发酵工艺条件是:SO2添加量为54.72 mg/L,初始pH为3.47,酵母添加量为0.12%;模型预测得到的酒精度为13.71%vol。在验证试验的实际操作中,结合单因素试验的结果,芒果胡萝卜复合果酒的最优发酵工艺条件确定为:芒果浆与胡萝卜浆的比例为2∶1,SO2添加量为55 mg/L,初始糖度为24%,初始pH为3.5,酵母添加量为0.12%,由此发酵复合果酒实测酒精度为13.62%vol。实测值跟模型的预测值只有较小差别,表明用此线性回归方程模型具有一定实际意义,可以用来优化芒果胡萝卜复合果酒的发酵工艺条件。

2.3 芒果胡萝卜复合果酒质量指标

图5 SO2添加量和初始pH交互影响酒精度的响应面图和等高线图Fig.5 Response surface graph and contour for the effects of SO2 addition and initial pH on the alcoholicity

图6 SO2添加量和酵母接种量交互影响酒精度的响应面图和等高线图Fig.6 Response surface graph and contour for the effects of SO2 addition and amount of yeast on the alcoholicity

图7 初始pH和酵母添加量交互影响酒精度的响应面图和等高线图Fig.7 Response surface graph and contour for the effects of initial pH and amount of yeast on the alcoholicity

2.3.1 感官评价 色泽:淡橙色,光泽度好,透明清亮,无沉淀物;香气:愉悦的酒香和芒果的清香,无异味;口味:酒体丰满,柔和适口,回味绵长;典型性:风味明显,典型性突出。

2.3.2 理化指标 由表6可知,芒果胡萝卜复合果酒理化指标符合GB/T 15037-2006《葡萄酒》国家标准的要求。

表6 芒果胡萝卜复合果酒理化指标Table 6 Physical and chemical indicators of mango-carrot compound wine

3 结论

通过采用单因素实验和响应面试验,确定了芒果和胡萝卜浆混合发酵生产复合果酒的工艺路线,优化得到最佳的发酵工艺条件为:芒果浆与胡萝卜浆的比例为2∶1,SO2添加量为55 mg/L,初始糖度为24%,初始pH为3.5,酵母添加量为0.12%。在此最优条件下得到的芒果胡萝卜复合果酒色泽橙黄饱满、有浓郁的果香和酒香、口感甘甜醇厚,酒精度为13.62%vol、残糖含量4.6 g/L、总酸8.8 g/L、干浸出物23.0 g/L、甲醇98 mg/L。