香蕉果醋連續(xù)固定化發(fā)酵過程中揮發(fā)性香氣成分含量變化

韋 璐 孫欽菊 楊昌鵬 杜麗娟 黃 杰 凌敏敏

(廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530007)

香蕉是典型的熱帶及亞熱帶水果，與荔枝、菠蘿和木瓜并稱“嶺南四大名果”[1-2]，是繼水稻、小麥及玉米之后的全球第四大重要農(nóng)作物[3]。香蕉果實香甜柔軟，肉質(zhì)細(xì)膩軟滑，具有較高的營養(yǎng)價值和獨(dú)特的風(fēng)味[4]，除鮮食外，香蕉還能加工成其他產(chǎn)品，如香蕉果醬、香蕉汁、香蕉酸乳等[2，5]。其含糖量高，富含鉀和多種維生素、氨基酸及礦物質(zhì)元素，可以促進(jìn)腸胃蠕動，潤腸通便，對治療心血管、消化道系統(tǒng)等病癥有輔助作用，是一種較好的保健食品[6-7]。香蕉中含有的5-羥色胺可以使人心情愉快、舒暢，對緩解悲傷、煩躁等低落情緒有良好的功效[8]。香蕉是一種典型的躍變型果實，會產(chǎn)生乙烯等催熟類物質(zhì)，在流通過程中易造成大量損耗，嚴(yán)重時影響采后香蕉的貯運(yùn)保鮮及可售性[9]。

果醋兼有水果和食醋的營養(yǎng)價值[10]，不僅延續(xù)了食醋的保健功能，還增添了食醋不具備的獨(dú)特香氣及某些營養(yǎng)元素[11-12]。用香蕉作為原料生產(chǎn)香蕉果醋，既可以豐富果醋品種，又能兼顧香蕉不耐貯藏的問題。由優(yōu)質(zhì)香蕉發(fā)酵所得的香蕉果醋，果香濃郁，酸甜柔和，鉀含量高，富含維他命、礦物質(zhì)及酵素，具有促進(jìn)新陳代謝、調(diào)節(jié)酸堿平衡、消除疲勞、清腸胃、治便秘和降血脂等功效[4]。

影響果醋風(fēng)味品質(zhì)的因素較多，其中揮發(fā)性香氣成分是評價果醋品質(zhì)的指標(biāo)之一。果醋中的揮發(fā)性成分有的來自水果本身，有的來自發(fā)酵過程中的微生物反應(yīng)，它們共同作用構(gòu)成了果醋的獨(dú)特風(fēng)味特征[13-14]，目前常采用頂空固相微萃取法[15](HS-SPME)結(jié)合氣相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用(GC-MS)技術(shù)分析鑒定易揮發(fā)性成分，而有關(guān)香蕉果醋中的揮發(fā)性香氣成分及其在發(fā)酵過程中的變化規(guī)律研究鮮有報道。溫海祥等[16]從香蕉果酒中定性確定香氣成分38種，主要為酯類物質(zhì)(27種，70.31%)和醇類物質(zhì)(8種，22.83%)。郭先霞等[17]從三華李香蕉果酒中鑒定出13種香氣物質(zhì)，包括酯類物質(zhì)(9種，56.93%)、醇類物質(zhì)(3種)和烷烴類物質(zhì)(1種)。固定化發(fā)酵技術(shù)[18]是利用微生物的生物轉(zhuǎn)化作用，使底物原料變?yōu)樗璁a(chǎn)品，其效率高、產(chǎn)品轉(zhuǎn)化快，易于實現(xiàn)連續(xù)化、自動化生產(chǎn)[19]。試驗擬通過連續(xù)固定化發(fā)酵法生產(chǎn)香蕉果醋，采用HS-SPME-GC-MS 技術(shù)[20-21]分析鑒定香蕉果醋不同發(fā)酵階段的易揮發(fā)性成分，并研究其主要香氣物質(zhì)含量的動態(tài)變化，為香蕉果醋香氣特征確定及品質(zhì)形成提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

1.1.1 原料與試劑

香蕉果酒：廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院香蕉果酒生產(chǎn)車間；

醋酸菌：陜西易騰達(dá)釀造科技有限公司；

焦亞硫酸鉀：食品級，煙臺帝伯仕自釀機(jī)有限公司；

氫氧化鈉：優(yōu)級純，西隴科學(xué)股份有限公司；

果膠酶：500 U/mg，南寧東恒華道生物科技有限責(zé)任公司。

1.1.2 儀器與設(shè)備

固定化細(xì)胞連續(xù)反應(yīng)器：YTD-200型，陜西易騰達(dá)釀造科技有限公司；

自動型手提滅菌器：YXQ-LS-18SI型，上海博訊醫(yī)療生物儀器股份有限公司；

固相微萃取裝置：57330-U型，美國Supelco公司；

氣相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用儀：TRACE DSQ型，美國Finnigan公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 工藝流程

香蕉果酒

↓

固定化載體→醋酸菌活化→固定化發(fā)酵→過濾→香蕉果醋

1.2.2 過程要點(diǎn)

(1) 固定化載體：選用無黑芯、無異味、不發(fā)霉的玉米芯作固定化載體，滅菌后加入固定化反應(yīng)器中，玉米芯填滿反應(yīng)器的2/3以上。

(2) 醋酸菌活化：按0.1%～0.5%(以發(fā)酵液質(zhì)量計)的添加量計算醋酸菌添加量，將醋酸菌均勻地撒在玉米芯上，開啟物料泵將香蕉果酒泵入發(fā)酵罐，開啟發(fā)酵罐循環(huán)泵，當(dāng)醋床溫度升溫至35 ℃左右并保持不變時，活化完畢。

(3) 固定化發(fā)酵：設(shè)定冷卻泵啟動溫度36.5 ℃，冷卻泵停止溫度35.5 ℃。將酒精度為5%～6%香蕉果酒分批泵入固定化反應(yīng)器中發(fā)酵，檢測發(fā)酵過程中的酒精度和酸度值，當(dāng)酒精度降為0%時完成一批果醋發(fā)酵階段，將果醋泵入儲罐。

1.2.3 香氣成分分析 參照文獻(xiàn)[22]，采用HS-SPEM-GC-MS技術(shù)進(jìn)行分析鑒定。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理 試驗數(shù)據(jù)處理及繪圖采用Origin 2019軟件，數(shù)據(jù)圖表的修飾采用Adobe Illustrator CS5軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 香氣成分組成分析

通過檢測香蕉果醋不同階段發(fā)酵液的香氣成分，研究香蕉果醋發(fā)酵過程中主要香氣成分含量的變化規(guī)律，各樣品總離子流色譜圖見圖1，分析鑒定結(jié)果見表1。

圖1 發(fā)酵液GC-MS總離子流圖Figure 1 Total ion chromatogram of fermentation broth by GC-MS

表1 發(fā)酵液香氣成分及含量?

續(xù)表1

續(xù)表1

由表2可知，香蕉果醋發(fā)酵過程中的香氣成分主要為酯類、醇類和酸類物質(zhì)。前期階段，發(fā)酵液中的香氣物質(zhì)為66種，酯類、醇類、酸類、羰基類、烷烴類、酚類物質(zhì)相對含量分別為45.986%(26種)，35.417%(18種)，5.544%(5種)，5.097%(6種)，0.973%(7種)，2.248%(4種)。中期階段，發(fā)酵液中醇類占比逐漸減小，酯類和酸類物質(zhì)相對含量增加，其他物質(zhì)變化不明顯，香氣物質(zhì)增加至70種，其中酯類、醇類、酸類、羰基類、烷烴類、酚類物質(zhì)相對含量分別為46.218%(33種)，30.817%(15種)，8.674%(6種)，4.897%(7種)，0.662%(5種)，2.160%(4種)。發(fā)酵末期，果醋中酯類物質(zhì)占比低于前兩種發(fā)酵樣品，與發(fā)酵中期相比，醇類和酸類物質(zhì)相對含量減少，羰基類、烷烴類和酚類物質(zhì)占比增加，果醋香氣物質(zhì)達(dá)79種，其中酯類、醇類、酸類、羰基類、烷烴類、酚類物質(zhì)相對含量分別為41.069%(30種)，30.467%(15種)，6.383%(6種)，9.428%(13種)，1.927%(11種)，2.867%(4種)。

發(fā)酵過程中，醇類物質(zhì)含量逐漸減少，而酯類和酸類占比先增加后減少，總體呈下降趨勢，成品香蕉果醋的羰基類、烷烴類和酚類物質(zhì)含量相對香蕉果酒有明顯增加，化合物種類增多，由香蕉果酒的66種變成79種。

2.2 香氣成分種類分析

2.2.1 酯類物質(zhì) 果醋香氣中，酯類物質(zhì)具有花香和果香等特性，可作為評價果醋的重要指標(biāo)[23]。圖2為香蕉果醋發(fā)酵液中酯類物質(zhì)相對含量的變化，其中乙酸乙酯是最常見的酯類，具有強(qiáng)烈的似梨果香及菠蘿香味[1，24]，在前期階段(15.040%)、中期階段(18.266%)和末期階段(18.267%)中占比均較高，對香蕉果醋的香氣特征貢獻(xiàn)較大；香蕉果酒中仍保留有成熟香蕉果肉的典型香氣成分——乙酸異戊酯(2.650%)[25]，而在發(fā)酵中期和末期果醋中均未檢測到，乙酸異戊酯具有強(qiáng)烈的果香味并帶有梨的酸甜味[26]；末期階段果醋中檢測到異戊酸異戊酯(0.206%)和乙酸芳樟酯(0.111%)，發(fā)酵前期和中期果醋中均未發(fā)現(xiàn)，異戊酸異戊酯具有蘋果樣香氣，可用作果香型香精的調(diào)合香料；乙酸芳樟酯具有令人愉悅的薰衣草花香及檸檬果香。發(fā)酵末期，果醋辛酸乙酯相對含量(5.209%)僅次于乙酸乙酯，賦予果醋白蘭地香型香氣；此外，其他相對含量較低的香氣物質(zhì)對提升果醋香氣品質(zhì)有輔助作用，如己酸乙酯(1.331%)具有蘋果、草莓味果香及茴香味[23]；苯甲酸乙酯(0.603%)賦予橘子、橙花香味[22]；苯乙酸乙酯(0.515%)賦予香甜的蜂蜜香、玫瑰花香和果香氣味[27]；癸酸乙酯(0.118%)賦予椰子香型香氣；壬酸乙酯(0.087%)賦予濃郁的葡萄香氣。

表2 香蕉果醋發(fā)酵過程中各階段樣品香氣成分比例及種類數(shù)量

圖2 酯類物質(zhì)相對含量在發(fā)酵過程中的變化Figure 2 Changes of esters in banana fruit vinegar during fermentation

2.2.2 醇類物質(zhì) 由圖3可知，果醋中醇類物質(zhì)相對含量僅次于酯類，香蕉果醋發(fā)酵過程中，醇類物質(zhì)經(jīng)醋酸菌轉(zhuǎn)化為酸類物質(zhì)，相對含量逐漸減少。末期階段乙醇相對含量最高(18.840%)，是酵母酒精發(fā)酵的主要產(chǎn)物，具有特殊香味；其次是1-戊醇(4.990%)，乙醇和1-戊醇是香蕉果醋中主要的醇類物質(zhì)。此外，苯乙醇(0.852%)具有獨(dú)特的香味，賦予濃郁的玫瑰花香、茉莉花香、紫羅蘭香等多種花香和果香及蜂蜜味；異丁醇(0.402%)賦予果醋雜醇油香味；α-松油醇(0.029%)呈薰衣草香味，這些醇類物質(zhì)不僅提升了香蕉果醋的口感，也影響其香氣特征的形成。

圖3 醇類物質(zhì)相對含量在發(fā)酵過程中的變化Figure 3 Changes of alcohol in banana fruit vinegar during fermentation

2.2.3 酸類物質(zhì) 香蕉果醋發(fā)酵液中酸類物質(zhì)的相對含量變化見圖4，酸類物質(zhì)是影響果醋口感最直接的成分，對果醋的風(fēng)味有實質(zhì)性貢獻(xiàn)，發(fā)酵中期階段，在醋酸菌作用下乙醇轉(zhuǎn)化為乙酸，酸類物質(zhì)增多，而末期階段，果醋中酸類物質(zhì)有所下降，但高于前期果醋。選取對果醋香氣貢獻(xiàn)較大的幾種成分進(jìn)行詳細(xì)分析，其中末期果醋乙酸(5.374%)占比最高，具有濃郁的醋香味，是香蕉果醋的主要呈味及呈香物質(zhì)。此外，己酸(0.466%)、辛酸(0.120%)相對含量較小，己酸具有干酪味、羊膻味及輕微酸臭味；低濃度辛酸有水果香氣。酸類物質(zhì)呈味性較強(qiáng)，口感刺激，濃度較低時香味清新、令人愉悅，濃度過高則會產(chǎn)生相反的效果[23]。

2.2.4 羰基類物質(zhì) 香蕉果醋發(fā)酵液中羰基類物質(zhì)的相對含量變化見圖5，發(fā)酵液中羰基類物質(zhì)獨(dú)特的香氣特征是構(gòu)成香蕉果醋呈香體系不可或缺的部分，其中乙醛相對含量最高(3.500%)，具有辛辣、醚樣氣味，濃度較低時呈果香、咖啡香、酒香；其次為3-羥基-2-丁酮(2.940%)，是在醋酸發(fā)酵末期階段產(chǎn)生的，具有奶香味、香甜的焦糖氣味及果甜味，是酒類調(diào)香中一個極其重要的成分[23]；此外，其他物質(zhì)相對含量較低，其中壬醛(0.514%)具有玫瑰、柑橘等香氣[28]；2-庚酮(0.495%)具有似梨的水果香味；癸醛(0.329%)具有甜香、柑橘香、蠟香及花香；苯甲醛(0.113%)具有杏仁氣味；2-呋喃甲醛(0.091%)具有谷物和咖啡香氣[29]。

圖4 酸類物質(zhì)相對含量在發(fā)酵過程中的變化Figure 4 Changes of acid in banana fruit vinegar during fermentation

圖5 羰基類物質(zhì)相對含量在發(fā)酵過程中的變化Figure 5 Changes of carbonyls in banana fruit vinegar during fermentation

2.2.5 烷烴類和酚類物質(zhì) 由圖6和圖7可知，烷烴類及酚類物質(zhì)相對含量在發(fā)酵液中占比較低，主要是由果醋發(fā)酵末期階段的Strecker降解反應(yīng)和美拉德反應(yīng)產(chǎn)生[30]，因此，與發(fā)酵前期果醋相比，末期果醋的烷烴類及酚類化合物相對含量明顯增加，種類增多，其中烷烴類物質(zhì)中R-檸檬烯(0.073%)僅在香蕉果酒中存在，具有檸檬味；發(fā)酵末期果醋中檢測到1-戊烷(0.174%)，具有微弱的薄荷香味。酚類物質(zhì)中丁香酚(0.119%)有強(qiáng)烈的丁香香氣及溫和的辛香香氣；2-甲氧基-4-甲基苯酚(0.065%)具有辛香、藥香、丁香、香莢蘭香氣；4-乙基-2-甲氧基苯酚(0.050%)具有特殊芳香氣味，這些酚類物質(zhì)相對含量較少，但具有明顯的香氣特征，對香蕉果醋的主體香氣有較好的修飾作用。

3 結(jié)論

通過HS-SPEM-GC-MS技術(shù)對香蕉果醋不同階段發(fā)酵液的易揮發(fā)性成分進(jìn)行檢測，并研究其主要香氣物質(zhì)含量的動態(tài)變化。結(jié)果表明：香蕉果醋中揮發(fā)性香氣成分有79種，其中主要香氣成分為乙酸乙酯、辛酸乙酯、己酸乙酯、苯乙酸乙酯、癸酸乙酯乙醇、苯乙醇、異丁醇、α-松油醇乙酸、己酸、辛酸3-羥基-2-丁酮、壬醛、2-庚酮、癸醛丁香酚和2-甲氧基-4-甲基苯酚。隨著發(fā)酵過程的進(jìn)行，醇類所占比例逐漸減少，而酯類和酸類占比則先增加后減少，總體呈下降趨勢，成品香蕉果醋的羰基類、烷烴類和酚類物質(zhì)含量相對香蕉果酒有明顯增加，化合物種類增多，由香蕉果酒的66種變?yōu)橄憬豆椎?9種，這些揮發(fā)性香氣成分協(xié)同作用，形成了香蕉果醋的特色香味。研究分析了香蕉果醋的香氣在發(fā)酵過程中的變化情況，并確定了香蕉果醋的特征成分，但針對發(fā)酵過程中香氣成分的變化機(jī)理還需進(jìn)一步研究。

圖6 烷烴類物質(zhì)相對含量在發(fā)酵過程中的變化Figure 6 Changes of alkanes in banana fruit vinegar during fermentation

圖7 酚類物質(zhì)相對含量在發(fā)酵過程中的變化Figure 7 Changes of phenols in banana fruit vinegar during fermentation