紫甘薯酒發(fā)酵條件優(yōu)化及成分分析

張建萍，巫永華，蔣力源，劉恩岐

（徐州工程學院江蘇省食品資源開發(fā)與質量安全重點建設實驗室，江蘇徐州221111）

紫甘薯系旋花科番薯屬植物，是一種高色素紫皮紫心甘薯新品種。紫甘薯塊根含有普通甘薯的所有營養(yǎng)物質[1]，貯藏有豐富的碳水化合物（主要是淀粉），且富含花色苷等生物活性成分[2]，色澤棕紅鮮艷并具有一定的保健功能，因此紫甘薯是一種釀制營養(yǎng)保健型發(fā)酵酒的良好原料[3]。據Suda I等[4]報道，日本利用紫甘薯釀成的發(fā)酵酒已成功走向市場。Saigusa等[5]研究發(fā)現(xiàn)，紫甘薯制作的酒精發(fā)酵飲料清除DPPH自由基的能力較強，具有抗氧化、抗疲勞等作用。國內韓曉鵬等[6]、張曉蓮等[7]、李甜等[8]、胡惠茗[9]研究探討了紫甘薯酒釀制的發(fā)酵條件及品質特征，紫甘薯色素在釀酒過程中保留在酒液中，形成漂亮的紫紅色，研制出的紫甘薯酒色澤鮮艷，酒香突出，口感醇正，營養(yǎng)豐富，為紫甘薯的加工利用提供了理論技術依據。本試驗以高花青素型紫甘薯為原料，經蒸煮打漿、液化糖化、酒精發(fā)酵和巴氏殺菌制備紫甘薯酒，通過紫甘薯酒釀造過程中主要成分及品質的變化分析，采用單因素和正交試驗優(yōu)化紫甘薯酒主發(fā)酵的工藝條件，并對其后發(fā)酵條件進行初步探討，以期為紫甘薯酒釀造的工業(yè)化生產提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

紫甘薯：徐紫薯8號（高花青素型品種），花青素含量達90 mg/100 g鮮薯，干物質率31.8%，可溶性糖6%以上，徐州市農業(yè)科學院提供；α-淀粉酶（4 000 u/g）、糖化酶（10 0000 u/g）：上海鼓臣生物技術有限公司；釀酒高活性干酵母：安琪酵母有限公司；沒食子酸（標品級）：上海源葉生物科技有限公司；福林酚試劑：國藥集團化學試劑有限公司。

DH3600AB型恒溫培養(yǎng)箱：天津泰斯特儀器有限公司；HH-4數顯恒溫水浴鍋：常州國華電器有限公司；JJ-2型組織破碎機：金壇市國旺試驗儀器廠；pHS-3C精密pH計：上海世義精密儀器有限公司；TU-1810紫外分光光度計：北京普析通用有限公司；WAY-2W阿貝折光儀：上海儀電物理光學儀器有限公司；LM79-J10酒精計：北京普特壓力溫度儀表廠。

1.2 試驗方法

1.2.1 紫甘薯酒釀制工藝

紫甘薯→清洗切塊→蒸煮糊化→打漿→液化→糖化→調整糖分→接種酵母→主發(fā)酵→過濾去渣→后發(fā)酵→澄清過濾→巴氏殺菌→裝瓶→成品酒

將新鮮紫甘薯洗凈，切成3 cm～5 cm大小的薯丁，加入3倍的純水后，于100℃條件下保溫20 min，隨后轉移至組織破碎機中打漿制成紫甘薯漿液。加入0.1%的α-淀粉酶，調節(jié)pH值至6.0，于85℃條件下，液化60 min，液化后淀粉水解程度DE值（葡萄糖值）為18%。液化后加入0.15%的糖化酶，調節(jié)pH值至4.5，于55℃條件下糖化150 min，最終淀粉水解程度DE值為70%。液化、糖化后的紫甘薯液中可溶性固形物含量為9.1%，總酚含量為508.2 mg/L，花色苷含量為302.6 mg/L。接種釀酒酵母，控制主發(fā)酵時間10 d，當發(fā)酵液中不再產生氣泡時終止發(fā)酵。過濾去渣，倒罐，進入后發(fā)酵，時間30 d。后發(fā)酵處理后澄清過濾，于60℃條件下巴氏殺菌30 min，裝瓶即為成品。

1.2.2 紫甘薯酒釀制主發(fā)酵單因素試驗

1.2.2.1 初始糖度的選擇

設定酵母接種量0.5%，發(fā)酵溫度24℃，初始pH值4.0，測定分析紫甘薯液初始糖度（可溶性固形物含量）為12%、16%、20%、24%對紫甘薯酒酒精度等主要成分及感官品質的影響。

1.2.2.2 酵母接種量的選擇

設定初始糖度20%，發(fā)酵溫度24℃，初始pH值4.0，測定分析酵母接種量為0.1%、0.3%、0.5%、0.7%對紫甘薯酒酒精度等主要成分及感官品質的影響。

1.2.2.3 發(fā)酵溫度的選擇

設定初始糖度20%，酵母接種量0.5%，初始pH值 4.0，測定分析發(fā)酵溫度為 16、20、24、28 ℃對紫甘薯酒酒精度等主要成分及感官品質的影響。

1.2.2.4 初始pH值的選擇

設定初始糖度20%，酵母接種量0.5%，發(fā)酵溫度24℃，測定分析紫甘薯液初始pH值為3.2、3.6、4.0、4.4對紫甘薯酒酒精度等主要成分及感官品質的影響。

1.2.3 紫甘薯酒釀制主發(fā)酵正交設計試驗

根據單因素試驗結果，以酒精度為指標，采用L9（34）正交表按表1進行正交試驗，對紫甘薯酒釀制主發(fā)酵工藝條件進行優(yōu)化。

表1 紫甘薯酒主發(fā)酵正交試驗因素與水平表Table 1 The factors and level of orthogonal test

1.2.4 紫甘薯酒釀制后發(fā)酵試驗

按正交試驗優(yōu)化確定的主發(fā)酵最佳工藝條件釀制的紫甘薯原酒，在12、15、18℃條件下后發(fā)酵30 d，測定分析不同后發(fā)酵溫度對紫甘薯酒酒精度等主要成分及感官品質的影響。

1.2.5 指標測定方法

1.2.5.1 紫薯液化、糖化處理淀粉水解程度DE值和可溶性固形物的測定

采用GB 5009.7-2016《食品安全國家標準食品中還原糖的測定》直接滴定法測定還原糖含量，按紫甘薯液化液、糖化液中的還原糖含量（以葡萄糖計）占紫甘薯液中淀粉干物質的百分率計算葡萄糖值（DE值）[10]。采用GB/T12143-2008《飲料通用分析方法》（折光計法）測定液化、糖化處理后紫甘薯液中可溶性固形物的含量（%）[11]。

1.2.5.2 紫甘薯酒理化指標的測定和感官評價

采用GB/T15038-2006《葡萄酒、果酒通用的分析方法》[12]測定紫甘薯酒的酒精度（以體積分數“%vol”表示）、總酸、揮發(fā)酸、總糖和干浸出物，參照NY/T1508-2017《綠色食品果酒》[13]和劉靜娜等[14]報道的標準進行紫甘薯酒的感官評定。

1.2.5.3 紫甘薯酒總酚與花色苷含量的測定

采用改進的福林酚（Folin-Ciocalteu）試劑比色法測定總酚含量[15-16]。稱取1.0 mg的沒食子酸標準品，用蒸餾水溶解定容至100 mL，得到濃度為0.01 mg/mL的沒食子酸標準液，分別吸取 0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mL置于 10 mL 的容量瓶中，分別加入 1.0、0.9、0.8、0.7、0.6、0.5 mL的蒸餾水，搖勻；加入0.5 mL福林試劑，充分搖勻，在1 min后加入20%的Na2CO3溶液1.5 mL，混勻后用蒸餾水定容至10.0 mL，70℃水浴加熱10 min，冷卻后于765 nm條件下測定吸光度（OD值）。以沒食子酸標準品濃度為橫坐標、吸光度值為縱坐標，繪制的標準曲線見圖1。

圖1 總酚標準曲線Fig.1 The standard curve of gallic acid

擬合的回歸方程為y=104.23x+0.003 8，相關系數R2=0.999 7。將樣品按上述方法處理測得吸光度代入標準曲線方程，計算紫甘薯酒發(fā)酵及貯存后熟過程中的總酚含量。結果表示為g沒食子酸/L紫甘薯酒。

采用pH示差法測定花色苷含量[17]。當緩沖液pH值為1.0時，花色苷在520 nm處有最大光吸收，當緩沖液pH值為4.5時，花色苷轉變?yōu)闊o色查爾酮形式，在520 nm處無吸收。取1.0 mL樣液兩份，分別用pH1.0和pH4.5的緩沖液稀釋定容至10 mL，分別在520 nm和700 nm處測吸光度，按式（1）計算吸光度，按式（2）計算花色苷含量。

式中：A520為pH 1.0時520 nm處測得的吸光值；A700為pH 1.0時700 nm處測得的吸光值；A′520為pH 4.5時520nm處測得的吸光值；A′700為pH4.5時700nm處測得的吸光值。

式中：MW為矢車菊素-3-葡萄糖苷的摩爾分子質量，449.2mg/mmol；10為樣液稀釋倍數；ε為矢車菊素-3-葡萄糖苷的摩爾消光系數，26 900 mL/（mmol·cm）；1為光程的厘米數，cm；V為樣液的體積，mL。

2 結果與分析

2.1 紫甘薯酒主發(fā)酵單因素試驗結果

2.1.1 初始糖度對紫甘薯酒主要成分及品質的影響

主發(fā)酵的初始糖度對紫甘薯酒主要成分及品質的影響試驗結果見表2所示。

由表2可知，隨著初始糖度的增加，酒精度和總糖相應增加，總酸變化較小，由于發(fā)酵過程中產生的酒精對酚類物質有促溶作用，總酚和花色苷也隨之增加，當初始糖度＞20%時，總酚和花色苷增加不明顯，當初始糖度＜20%時，紫甘薯酒酒味淡薄，口感不柔和，酒體不協(xié)調。因此，選擇初始糖度20%～24%進行下一步正交試驗。

表2 初始糖度對紫甘薯酒主要成分及品質的影響Table 2 Effects of initial sugar addition on main components and quality of purple sweet potato wine

2.1.2 酵母接種量對紫甘薯酒主要成分及品質的影響

主發(fā)酵的酵母接種量對紫甘薯酒主要成分及品質的影響試驗結果見表3所示。

由表3可知，當酵母接種量＜0.5%時，酒精度隨著接種量的增加逐漸上升且趨于穩(wěn)定，當接種量達0.7%時，由于過多的酵母菌消耗發(fā)酵液中的糖用于菌體自身的生長繁殖[18]，酒精度反而降低；隨著酵母接種量的增加，總糖逐漸降低，總酸逐漸上升，當接種量達0.7%時，總糖降低幅度和總酸上升幅度較大，酸味較重，這可能也是過多的酵母菌生長繁殖代謝的結果[19]；當酵母接種量為0.3%～0.5%時，酒精度、總酚和花色苷含量較高，紫甘薯酒酒味較醇厚，酸味較輕，酒體較協(xié)調。因此，選擇酵母接種量0.3%～0.5%進行下一步正交試驗。

表3 酵母接種量對紫甘薯酒主要成分及品質的影響Table 3 Effects of yeast inoculation on main components and quality of purple sweet potato wine

2.1.3 發(fā)酵溫度對紫甘薯酒主要成分及品質的影響

主發(fā)酵的發(fā)酵溫度對紫甘薯酒主要成分及品質的影響試驗結果見表4所示。

表4 發(fā)酵溫度對紫甘薯酒主要成分及品質的影響Table 4 Effects of fermentation temperature on main components and quality of purple sweet potato wine

由表4可知，當發(fā)酵溫度＜24℃時，酒精度隨著溫度的增加逐漸上升且趨于穩(wěn)定，當發(fā)酵溫度達28℃時，由于溫度過高、發(fā)酵劇烈，加快了酵母生長老化速度[20]，酒精度反而降低；隨著發(fā)酵溫度的升高，總糖逐漸降低，總酸逐漸上升，當溫度達28℃時，總糖降低幅度和總酸上升幅度較大，這可能也是過高的發(fā)酵溫度、酵母菌生長繁殖代謝加快的結果；當發(fā)酵溫度為20℃～24℃時，酒精度、總酚和花色苷含量較高，紫甘薯酒酒味較醇厚，酸味較輕，酒體較協(xié)調。因此，選擇發(fā)酵溫度20℃～24℃進行下一步正交試驗。

2.1.4 初始pH值對紫甘薯酒主要成分及品質的影響

主發(fā)酵的pH值對紫甘薯酒主要成分及品質的影響試驗結果見表5所示。

由表5可知，當紫甘薯液初始pH值＜4.0時，酒精度隨著pH值的升高明顯上升，當pH值達4.4時，酒精度明顯下降；pH值為3.6～4.0時，總糖和總酸變化很小，pH值為3.2或4.0時，總糖較高，總酸較低，這是由于pH值較低或較高時酵母菌生長代謝慢、消耗糖少且生成酸少；當pH值為3.6～4.0時，總酚和花色苷含量較高，pH4.4時，總酚和花色苷含量較低，這是因為酚類物質及花色苷在酸性條件下保留量較高，在中性及弱酸性條件下花色苷不穩(wěn)定[21]，pH3.2時，總酚和花色苷含量較低，這可能是由于酒精度較低造成酚類物質及花色苷的溶出率較低；綜合分析表明，pH值3.6～4.0時，紫甘薯酒酒精度、總酚和花色苷含量較高，酒味較醇厚，口感較柔和，酒體較協(xié)調。因此，選擇紫甘薯液初始pH值3.6～4.0進行下一步正交試驗。

表5 初始pH值對紫甘薯酒主要成分及品質的影響Table 5 Effects of initial pH value on main components and quality of purple sweet potato wine

2.2 紫甘薯酒主發(fā)酵正交試驗結果

根據單因素試驗結果，采用L9（34）正交表按表1進行3次重復正交試驗，以各組原酒的酒精度為指標，試驗結果及極差分析見表6。

表6 紫甘薯酒主發(fā)酵正交試驗結果Table 6 Results of orthogonal test

各因素作用的主次順序是發(fā)酵溫度（C）＞酵母接種量（B）＞初始 pH 值（D）＞初始糖度（A），紫甘薯酒主發(fā)酵的適宜工藝條件為A2B1C2D2。在此條件下進行驗證試驗，平行試驗3次，測得紫甘薯酒的酒精度為12.5%，高于正交試驗表中最佳組合第4號（12.1%），因此確定紫甘薯酒主發(fā)酵的最佳工藝參數為A2B1C2D2，即初始糖度22%、酵母接種量0.3%、發(fā)酵溫度22℃、初始pH值3.8。

2.3 紫甘薯酒后發(fā)酵試驗結果

試驗考查了12、15℃和18℃下，后發(fā)酵30 d內紫薯酒中總酚和花色苷的變化，試驗結果見圖2、圖3所示。

圖2 不同后酵溫度下紫甘薯酒中總酚的變化Fig.2 Evolution of total phenols in purple sweet potato wine at different post-fermentation temperatures

圖3 不同后酵溫度下紫甘薯酒中花色苷的變化Fig.3 Evolution of anthocyanins in purple sweet potato wine at different post-fermentation temperatures

由圖2和圖3可知，紫甘薯酒的總酚和花色苷在后發(fā)酵過程中呈明顯下降趨勢，12℃和15℃條件下發(fā)酵的紫甘薯酒的總酚和花色苷保留率相對較高且差別不大，而18℃條件下發(fā)酵的紫甘薯酒的總酚和花色苷保留率明顯減少，這可能是由于后酵溫度較高、酵母菌繁殖代謝快，釋放較多的次級代謝產物如丙酮酸、乙醛等，與花色苷等多酚類物質發(fā)生反應生成一些大分子衍生物而沉淀的原因[21]。

不同溫度下后發(fā)酵30 d對紫甘薯酒主要成分及品質的影響試驗結果見表7所示。

表7 后發(fā)酵對紫甘薯酒主要成分及品質的影響Table 7 Effects of post-fermentation on main components and quality of purple sweet potato wine

由表7可知，紫甘薯酒于12℃和15℃條件下經過30 d的后發(fā)酵，酒精度略有升高，總糖和總酸明顯下降，感官品質明顯改善，但18℃條件下后發(fā)酵的紫甘薯酒的總酸下降不太明顯，酒精味較重，有酸澀味，口感不圓潤，這可能是由于后酵溫度較高酵母菌生長代謝產酒精、產酸較多的原因。綜合分析比較表明，15℃條件下后發(fā)酵的降糖、降酸作用明顯，紫甘薯酒酒味醇厚，酸澀味較輕，口感柔和圓潤，酒體協(xié)調豐滿，且與12℃條件下后發(fā)酵紫甘薯酒的總酚和花色苷含量基本接近，總酚和花色苷保留率相對較高，分別為59.5%和49.4%。因此，選擇后發(fā)酵條件為：溫度15℃，時間30d。

2.4 紫甘薯酒產品感官評價和理化指標分析結果

參照NY/T1508-2017《綠色食品果酒》行業(yè)標準，對采用試驗優(yōu)化發(fā)酵條件下釀造的紫甘薯酒進行感官評價和理化指標分析，結果見表8和表9。

表8 紫甘薯酒感官指標評價結果Table 8 The results of sensory evaluation of purple sweet potato wine

表9 紫甘薯酒理化指標分析結果Table 9 The results of physicochemical indexes of purple sweet potato wine

通過感官評價和理化指標分析表明，按照試驗確定的發(fā)酵條件釀造的紫甘薯酒符合NY/T1508-2017果酒行業(yè)標準規(guī)定的感官和理化指標要求。

3 結論

以高花青素型紫甘薯為原料，經蒸煮打漿、液化糖化、酒精發(fā)酵和巴氏殺菌釀制紫甘薯酒，通過主發(fā)酵條件單因素和正交試驗及不同溫度后發(fā)酵試驗確定了紫甘薯酒釀造的最佳工藝條件：主發(fā)酵初始糖度22%、酵母接種量0.3%、發(fā)酵溫度22℃、初始pH值3.8、時間10 d，后發(fā)酵溫度15℃、時間30 d。采用該發(fā)酵工藝條件釀造的紫甘薯酒外觀呈鮮艷的紫紅色，酒液清亮，具有紫薯特有的香氣，酒味醇厚，酸味柔和，酒體協(xié)調，總酚和花色苷等生物活性成分保留率較高，分別為59.5%和49.4%，具有較好的工業(yè)化開發(fā)生產發(fā)展前景。