多次分割-补料法对玫瑰醋发酵过程与产品品质的影响
时间：2023-06-12 08:30:23 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
汪洪，张林祥，黄炳文，冯纬，陈笑钗，蒋予箭*
1(浙江五味和食品有限公司，浙江 杭州，313213)2(浙江工商大学 食品与生物工程学院，浙江 杭州，310018)
浙江玫瑰醋是我国传统食醋工艺保留较为完整的一种发酵产品，以其独具特色的玫瑰色泽以及酸味柔和鲜甜，醋香纯正的呈味特点深受江南人民的喜爱。浙江玫瑰醋发酵工艺包括浸米蒸饭、发花、冲缸放水、静态表面发酵，在发酵过程中只利用空气及草缸盖上的菌种掉落在米饭上自然繁殖进行发酵[1]。浙江玫瑰醋在生产过程中多应用人工操作，产品质量多凭员工的实际经验控制，存在劳动强度大、生产品质难以控制等问题，因此迫切需要应用新型发酵技术，改进其生产工艺，实现浙江玫瑰醋生产现代化。
补料发酵又称半连续发酵，是工业化生产中重要的生化培养模式，通过周期性地放出部分含有产物的发酵液，同时再补加相同体积的新鲜培养基，可以减少有害代谢产物的累积，在保证质量的同时还提高了产量[2]。目前在食醋酿造领域补料分割技术相关研究及应用报道较少，主要应用于深层液态发酵醋。QI等[3]在细菌发酵动力学基础上，优化了半连续食醋发酵的工艺，得出最佳的出/入料比为工作容积的34%，在此条件下，醋的滴度达到(93.09±0.24)g/L，平均乙酰化率提高到(1.83±0.01)g/(L·h)，醋的化学计量产率提高到(93.97±0.16)%，为进行大规模、高强度的食醋发酵提供了宝贵的参考。在之前的研究中，本课题组也将补料发酵技术应用于玫瑰醋醋酸发酵过程中，利用响应面法优化得到玫瑰醋最佳补料发酵工艺参数为：补料时刻为底液初始酸度达到2.85 g/dL时，补料体积为33%，控制发酵温度为32 ℃，补料分割1次。利用该工艺参数生产得到的玫瑰醋，酸度比传统发酵玫瑰醋高10%以上，且在有机酸组成及感官评价上与传统玫瑰醋没有显著差异[2]。
本研究在1次分割补料生产玫瑰醋的基础上，尝试用多次补料分割发酵方式生产玫瑰醋，跟踪对比传统发酵、1次分割1次补料以及3次分割3次补料发酵过程中发酵曲线、产品色泽、风味以及得率变化，从而为浙江玫瑰醋半连续生产发酵的可行性提供可靠借鉴。
1.1 材料与试剂
籼米：碳水化合物含量75%左右，蛋白质含量7%～8%，脂肪含量1.3%～1.8%，产地安徽。黄酒醪，由机械化大罐生产的黄酒发酵醪，酒精度7.2% (体积分数)，还原糖含量1%，酸度0.5～0.6 g/dL，发酵时间长达15 d。葡萄糖、酚酞、无水乙醇、CuSO4、NH4H2PO4、H3PO4等均为分析纯,上海麦克林试剂有限公司；
草酸、L-酒石酸、丙酮酸、苹果酸，乳酸、乙酸、焦谷氨酸、琥珀酸、甲醇、2-乙基丁酸等，均为色谱纯，Aladdin试剂有限公司。
1.2 仪器与设备
酒精计，武强县华洋仪表厂；
PHS-3C酸度计，上海雷磁仪器厂；
85 μm PA型SPME fiber assembly，美国Supelco公司；
LC-2010AHT高效液相色谱仪，日本岛津仪器公司；
SHB-IIIA循环水式多用真空泵，郑州长城工贸有限公司；
7890A-5975C气相色谱-质谱联用仪，美国Agilent公司。
1.3 试验方法
1.3.1 工艺流程及操作要点
玫瑰醋多次分割补料发酵过程见图1。
图1 玫瑰醋多次分割-补料发酵过程示意图Fig.1 Schematic diagram of the fermentation process of rosy vinegar with multiple divisions and feeding
按照传统玫瑰醋酿造工艺进行发花，籼米冲洗后倒入缸中并加水，常温浸泡7 d，常压蒸饭(控制出饭率在220%)。米饭冷却后转入缸中，中间搭窝，进行发花。
发花结束后按米和水质量比约1∶3冲缸放水，进行表面静态发酵，定期搅拌。当发酵液酸度达到2.5 g/dL时，开始进行分割补料，分割体积设置为缸的1/3，用酒精度为7%的黄酒醪补满，与发酵缸中的剩余玫瑰醋发酵液混匀，继续发酵至酸度2.5 g/dL，重复3次，每次分割出来的发酵液分别装入另外设置的分割缸中，控制发酵温度为29～33 ℃，发酵周期120 d左右。
当酸度不再上升时，添加质量分数3%左右食盐后熟，常温后熟1个月。
1.3.2 理化指标试验方法
还原糖含量参照国家标准GB/T 50097—2003斐林试剂滴定法测定；
酒精度参照国家标准GB/T 13662—2008蒸馏法测定；
总酸含量参照国家标准GB/T 1256—2008酸碱滴定法测定。
1.3.3 玫瑰醋样品得率测定
将发酵结束的玫瑰醋按4 g/dL进行稀释换算，计算各组玫瑰醋得率(得率为4 g/dL的玫瑰醋质量：消耗大米质量)。
1.3.4 玫瑰醋中有机酸的测定
有机酸标准曲线的绘制：根据样品中的有机酸含量稀释标准液，配成草酸、酒石酸、丙酮酸、苹果酸、乳酸、乙酸、焦谷氨酸、琥珀酸不同浓度的混合标样。以不同混标浓度为横坐标，检测到的峰面积为纵坐标，通过线性回归，从而得到各有机酸对应的回归方程与相关系数，其中草酸：f(x1)=4 732.3x1+743.92(R2=0.999 5)；
酒石酸：f(x2)=925.15x2+426.43(R2=0.998 7)；
丙酮酸:f(x3)=3 979.7x3+1 132.3(R2=0.999 8)；
苹果酸:f(x4)=466.32x4+226.63 (R2=0.998 3)；
乳酸f(x5)=237.75x5+994.24(R2=0.999 6)；
乙酸:f(x6)=306.47x6+1 489.2 (R2=0.997 6)；
焦谷氨酸:f(x7)=4 143.6x7+1 188.8(R2=0.998 3)；
琥珀酸:f(x8)=282.41x8+390 (R2=0.998 7)。
HPLC条件：色谱柱：Spursil C18-EP (4.6 mm×250 mm, 25 μm)；
流动相为5%甲醇-95% 6 g/L NH4H2PO4(用磷酸调至pH 2.60)；
流速0.8 mL/min；
进样体积5 μL；
UV检测器；
检测波长210 nm。以混合标样中各有机酸的浓度为横坐标，峰面积为纵坐标，采用峰面积外标法进行定量[4]。
1.3.5 玫瑰醋中挥发性成分的测定
样品预处理：取样品12.5 mL置于20 mL顶空瓶中，用带有硅橡胶隔垫的瓶盖密封。先将顶空瓶放入50 ℃恒温水浴锅平衡30 min，然后将萃取头插入顶空瓶中距离液面1 cm处，50 ℃吸附30 min。之后抽回纤维头，从顶空瓶中拔出萃取头，取出后将萃取头量程调为4 cm，插入GC-MS仪的气相色谱进样口，推出纤维头，240 ℃解析2 min，进行GC-MS分析。
色谱条件：色谱柱：DB-WAX(60 m×0.25 mm×0.5 μm)；
进样口温度240 ℃，不分流进样，载气He，恒流模式，柱流速1 mL/min；
柱温30 ℃保持6 min，以2 ℃/min升到140 ℃，然后以4 ℃/min升到220 ℃，保持10 min。
质谱条件：EI离子源，离子源温度230 ℃，四级杆温度150 ℃，质量数扫描范围33～500 amu。数据分析：质谱谱库检索使用NIST14数据库。
GC-MS检测结果通过计算机NIST14谱库和人工检索处理，选出匹配度≥80%的化合物并对其定性[5]；
同时用内标法对各组分进行半定量分析[6]，以2-乙基丁酸为内标物，根据被测成分与内标物的峰面积之比，计算被测物质的相对于内标的质量浓度。
1.3.6 色泽比较
对发酵结束的各组玫瑰醋进行色泽测定。将样品稀释至原来的50%，5 000 r/min离心20 min，离心后的样品选择610 nm波长进行吸光值A610的测定，每个样品做3组平行，结果取平均值。色率按公式(1)计算[7]：
色率=20×A610/0.076
(1)
1.3.7 感官评定
选取10名具有玫瑰醋感官评价经验的评分人员，评分前经专业训练。以食醋的色泽、透明度、酯香、醋香、焦香、酸味、甜味、鲜味、涩味这9个指标对样品打分，每个指标的分值按感官刺激作用的强弱给出0～5分，每个样品重复评价3次，最后取平均值，作出感官定量分析雷达图。
1.3.8 数据处理
每组实验平行测定3次，结果以平均值±标准差表示。采用Excel和Origin 9.0对数据进行统计分析，采用SPSS 22.0进行显著性分析。
2.1 多次补料分割发酵玫瑰醋发酵过程曲线
如图2所示，补料分割发酵对玫瑰醋发酵过程中的还原糖、酒精度和总酸含量均有较明显的影响。传统玫瑰醋在发酵前一周左右的还原糖含量下降明显，主要因为该阶段酵母菌大量繁殖，分解还原糖产生酒精，酒精度最高可达到6%～7%vol[8]。另外，玫瑰醋还原糖含量随补料分割的次数增多而降低，可能与补加的黄酒醪中无还原糖有关。由于黄酒醪中酒精含量较高，补料后的玫瑰醋中酒精含量在短时间内突增，反应物的增加促进反应速率，3次分割补料发酵缸中酒精消耗速率高于传统对照组的0.055%vol/d，可达0.074%vol/d。酒精减少的同时，醋液中的酸度也会不断上升，尤其在补料后，3次分割补料发酵缸中的总酸生成速率最高，可达到0.13 g/(dL·d)。并且，补料分割提高了玫瑰醋发酵中的总酒精含量，使得补料分割发酵缸的酸度比传统对照组上升更快，其中3次分割补料发酵缸最高酸度为5.89 g/dL，高于传统对照组的5.17 g/dL。1次分割补料补料量少，补加的酒精含量也相对较少，最终发酵酸度与传统对照保持一致。
a-还原糖；
b-酒精度；
c-总酸图2 玫瑰醋分割补料发酵过程中还原糖、酒精度和总酸含量的变化Fig.2 Changes of the content of reducing sugar, alcohol, and total acid in rosy vinegar during multiple divisions and feeding fermentation
2.2 多次补料分割发酵玫瑰醋有机酸含量比较
利用HPLC测定了玫瑰醋中乙酸、乳酸、琥珀酸、苹果酸、焦谷氨酸、酒石丙酮酸、草酸8种有机酸，结果如表1所示。相较于传统发酵的玫瑰醋，分割补料发酵得到的玫瑰醋有机酸含量更高。
表1 传统与分割补料发酵样品有机酸含量 单位：g/LTable 1 Contents of organic acids in different samples
乙酸在玫瑰醋有机酸中占比在65%以上，是食醋酸味的主要来源。乳酸和琥珀酸也是有机酸的重要组成成分。玫瑰醋发酵前的浸米过程中，乳杆菌为主要微生物产生大量乳酸，同时“发花”培养的根霉、红曲霉等霉菌也会生成乳酸[9]。相比传统对照，分割补料发酵的玫瑰醋中乳酸含量有所提高，主要来源于补加的黄酒醪[10]，3次分割补料由于补料量最多，乳酸含量最高，达到(14.88±0.24)g/L。乳酸不仅能够改善玫瑰醋的口感，还能缓解由乙酸带来的刺激性[11]，在山西老陈醋、镇江香醋、四川保宁醋等固态发酵醋中，乳酸含量均高于浙江玫瑰醋[12]，因此通过分割补料发酵工艺有望改善传统玫瑰醋风味。其他5种有机酸的总量占比低于1%。琥珀酸具有入口绵软和酸而不涩的口感[13]，通过分割补料发酵可促进琥珀酸的累积，从而改善风味。其他5种有机酸的总量低于1%，也都能在山西老陈醋、镇江香醋和四川保宁醋等名醋中检测到[14]，这类有机酸多数是三羧酸循环过程的中间产物，也是参与其他代谢途径的反应物。
醋酸杆菌属能利用醋酸盐及乳酸盐使其氧化为CO2，因此发酵结束时需及时添加质量分数3%左右的食盐结束发酵。加食盐后，醋酸菌、乳酸菌等微生物的代谢作用迅速减弱，在相同条件下，苹果酸、柠檬酸、琥珀酸等代谢中间产物的积累跟添加食盐前的发酵周期密切相关。传统对照组发酵周期是传统的90 d发酵+30 d后熟；
1次补料分割发酵过程有补料使酸度降低→酸度回升的额外阶段，发酵周期约延长1周，各种有机酸类代谢产物呈增加趋势；
3次补料分割发酵过程有补料使酸度降低→酸度回升的3个额外阶段，发酵周期约延长3周，苹果酸、柠檬酸、琥珀酸等代谢中间产物得到进一步积累。
2.3 多次分割补料玫瑰醋挥发性成分比较
利用GC-MS方法分离鉴定玫瑰醋中挥发性成分，共检测出57种化合物，包括酯类(32种)、醇类(9种)、酸类(7种)、酮类(5种)、醛类(4种)，各类成分含量如表2所示。
由图3可以看出，分割补料对玫瑰醋中酯类物质含量影响最明显。酯类是食醋中重要的呈香物质[15]，相比传统发酵，3次分割补料中发酵缸中酯类积累最多，总量在3 605.74 mg/L。黄酒醪中富含氨基酸，而特定的氨基酸可以形成特定的高级醇，进而与酸生成酯[16]。其中乙酸乙酯、乙酸丙酯、乙酸异戊酯和乙酸苯乙酯作为玫瑰醋主要酯类物质，使其带有水果香的风味[17]。表2表明，3次分割补料中发酵缸中乙酸异戊酯、乙酸苯乙酯含量分别提高了3倍和6倍以上。
表2 浙江玫瑰醋分割补料发酵结束挥发性成分含量 单位：mg/LTable 2 The volatile component content of rosy vinegar after multiple divisions and feeding fermentation
续表2
由图3可知，除醇类和酸类外，玫瑰醋中第三大主要成分为醇类。醇类可以缓解乙酸带来的刺激性。醇类中含量较高的为苯乙醇、异戊醇和乙醇。异戊醇具有水果香、酒精香和焦糖味[18]，是在支链氨基酸亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸分解代谢或者在生物合成过程中形成[19]，为玫瑰醋提供特殊风味。相比于传统玫瑰醋，异戊醇含量在3次分割补料中发酵缸中提高1倍以上，结果表明，乙醇和异戊醇作为黄酒中主要醇类[20]，通过补加黄酒醪可在一定程度上提高2种醇的含量。
图3 传统与分割补料发酵样品的挥发性物质含量Fig.3 Content of volatile component in rosy vinegar under multiple divisions and feeding fermentation
发酵方式对玫瑰醋中酮类、醛类以及酚类物质含量影响不大，但较低的阈值对玫瑰醋特殊香气的形成仍有一定贡献[21]。其中，苯甲醛能增添玫瑰醋的甜味和香气，3次分割补料中发酵缸中的苯甲醛含量是传统对照组的3倍以上，这表明分割补料发酵在一定程度上能提高玫瑰醋的香气。另外，2-甲氧基-4-甲基苯酚具有辛香、药香、丁香、香荚兰香气，仅在传统玫瑰醋和3次分割补料的发酵缸中检测到，且含量较多。
2.4 多次补料分割发酵玫瑰醋得率色泽和感官比较
按4 g/dL标准对发酵结束的玫瑰醋进行稀释换算，计算玫瑰醋得率。由表3可知，补料分割发酵玫瑰醋得率高于传统发酵，且随着分割次数的增多，得率越大。这是由于补料可以起到缓解产物抑制和避免代谢副产物积累的作用, 改善了微生物的培养环境, 有助于保持菌体活力的稳定[22]。
表3 多次补料分割及传统玫瑰醋得率比较Table 3 Yield of traditional rosy vinegar and multiple divisions and feeding fermentation
玫瑰醋色泽的形成主要来源于美拉德反应，由羰基化合物与氨基化合物相互作用，生成羟甲基糠醛等中间产物和焦糖化产物[23]。由图4可知，半连续发酵工艺对于玫瑰醋色率有一定影响。发酵结束的传统玫瑰醋色率可达到1.98×105，1次补料分割和3次补料分割色率分别为1.86×105和1.69×105，相比之下，分割次数越多，对于玫瑰醋色泽的影响越大。
图4 半连续发酵玫瑰醋的色率Fig.4 Color ratio of rosy vinegar under multiple divisions and feeding fermentation
玫瑰醋感官评分如图5所示，在大部分指标上补料分割发酵都略低于传统发酵，除了涩味和酯香度。根据各指标分数围成的面积作为各组玫瑰醋的最终总分：传统发酵(99.72)>1次分割补料(91.88)>3次补料分割(88.01)。可见，分割补料发酵玫瑰醋在感官上均略逊涩于传统玫瑰醋，相差度为7.86%和11.74%，存在较小差异。
图5 分割补料发酵玫瑰醋感官雷达图Fig.5 Sensory radar map of rosy vinegar under multiple divisions and feeding fermentation
2.5 不用发酵方式玫瑰醋挥发性成分正交偏最小二乘法判别分析(orthogonal partial least-squares discrimination analysis，OPLS-DA)
为进一步探究补料分割对玫瑰醋挥发性成分的影响，对传统发酵、1次补料分割、3次分割补料以及深层醋挥发性成分进行OPLS-DA结果如图6所示。
图6 不同发酵方式玫瑰醋OPLS-DAFig.6 OPLS-DA of rosy vinegar with different fermentation methods
OPLS-DA结果表明，分割补料操作会对玫瑰醋中挥发性成分造成一定影响，但差异较小。通过变量投影重要性(variable importance in projection，VIP)计算能够衡量发酵方式对浙江玫瑰醋发酵过程中的挥发性成分的影响强度和解释能力，通常以VIP值>1.0作为筛选标准。VIP值越大的挥发性成分，表明发酵方式对其含量差异影响越明显。由图7可以看出，VIP值>1的挥发性成分有乙酸异戊酯，乙酸苯乙酯、乙酸丙酯、乙酸乙酯、异戊醇、丙酸、乙酸、苯甲醛、乙酸异丁酯、苯乙醇、乙醇、3-羟基-2丁酮以及2-庚酮，表明分割补料发酵方式会对这些成分的含量造成较大影响。
图7 挥发性成分VIP得分图Fig.7 VIP values of volatile components注：横坐标编号同表2
本研究以黄酒醪对玫瑰醋进行多次分割补料，比较传统发酵、1次分割补料、3次分割补料发酵生产玫瑰醋的品质差异。结果显示，以酒精度为7%的黄酒发酵醪对玫瑰醋分别进行1次和3次补料分割发酵，发酵均顺利完成，且获得5.73%和6.08%的酸度，略高于对照组的5.71%。多次分割-补料发酵获得的玫瑰醋样品与传统玫瑰醋有机酸的组成基本一致，且3次补料分割发酵缸的非挥发性有机酸含量均高于传统玫瑰醋；
多次补料发酵获得的玫瑰醋样品中主要挥发性成分比对照组均有所提升。在色泽和感官方面跟对照组比有所下降(10%～15%)，但总体上可以接受。因此，多次补料分割对于扩大玫瑰醋产量有一定的实际意义。OPLS-DA结果表明补料分割发酵对玫瑰醋挥发性成分影响较小，乙酸异戊酯，乙酸苯乙酯、乙酸丙酯、乙酸乙酯、异戊醇、丙酸、乙酸、苯甲醛、乙酸异丁酯、苯乙醇、乙醇、3-羟基-2丁酮以及2-庚酮是主要差异成分物质。
