李璐琦,葛含靜,蘭永麗,李志西
( 1.西北農林科技大學 食品科學與工程學院,陜西楊凌 712100,2. 陜西學前師范學院, 西安 710100)
紅棗(Ziziphusjujuba)是鼠李科(Rhamnaceae)棗屬(Ziziphus)植物棗樹的成熟果實。紅棗營養(yǎng)價值高,含有豐富的糖類、有機酸、脂肪、氨基酸、多種維生素和礦質元素以及環(huán)磷酸腺苷、萜類化合物、黃酮類、酚類和膳食纖維等多種保健成分,性溫味甘,具有補中益氣、安中養(yǎng)脾、養(yǎng)血安神、保護肝臟以及增強人體免疫力等醫(yī)療保健功能[1]。黑米是特種稻米,營養(yǎng)豐富, 被認為是滋補佳品, 有“開胃益中, 健脾暖肝, 明目活血, 滑澀補精”等作用,歷來深受東亞地區(qū)人民的喜愛。研究證實, 黑米所表現(xiàn)出的生理保健作用主要與黑米皮中富含的花色苷色素有關[2-3]。市面上紅棗飲料和黑米飲料都有相關的產品,但有關黑米和紅棗乳酸菌發(fā)酵飲料的研究鮮見報道。李君蘭等[3]曾對發(fā)酵性黑米紅棗飲料工藝進行初步研究,并未對飲料品質做詳細分析。本研究擬結合黑米和紅棗的感官優(yōu)勢和功能優(yōu)勢,利用益生菌微生態(tài)發(fā)酵技術研發(fā)新型黑米紅棗乳酸菌發(fā)酵飲料,并對其風味及功能品質進行分析。以期為黑米和紅棗資源高效利用及其乳酸飲料的研發(fā)與生產提供參考。
黑米:商品黑米,購自陜西楊凌好又多超市。
紅棗:陜北佳縣油棗,購自佳縣木頭峪鎮(zhèn)王寧山村。
發(fā)酵制劑:試驗所用菌種是一種微生態(tài)乳酸菌發(fā)酵劑,富含10多種乳酸菌,其中優(yōu)勢菌為干酪乳桿菌和鼠李糖乳桿菌,由西北農林科技大學發(fā)酵技術創(chuàng)新實驗室培育和保藏[4]。
試劑:氯化鈣、α-淀粉酶、糖化酶、亞硝酸鈉、硝酸鋁均為分析純,購自天津市科密歐化學試劑有限公司;沒食子酸、蘆丁、福林酚均購自美國Sigma公司。
儀器:PEN3便攜式電子鼻系統(tǒng),德國Airsense公司;Astree 型電子舌系統(tǒng),法國Alpha公司;UV-1700型紫外分光光度計,日本島津公司;50/30 μm DVB/CAR/PDMS萃取頭、20 mL頂空樣品瓶,美國Supelco公司;GC-MSQP2010聯(lián)用儀,日本島津公司;DB-17MS型色譜柱,美國Agilent公司;150A型恒溫培養(yǎng)箱,江蘇常州;H2050R高速冷凍離心機,湘儀離心儀器有限公司。
1.2.1 紅棗乳酸發(fā)酵飲料(JLAF)的制備 工藝流程:紅棗→清洗→蒸煮→破碎→乳酸發(fā)酵→分離過濾→調配→澄清→裝罐→殺菌→成品。
操作要點:紅棗蒸20 min后破碎,接種φ=4%菌種液,30 ℃發(fā)酵20 h后,制備紅棗乳酸發(fā)酵飲料。
1.2.2 黑米紅棗乳酸發(fā)酵飲料(BJLAF)的制備
液化與糖化:黑米粉與水按1∶8(質量比體積, g/mL)比例混合,置于自控溫加熱桶中,升溫至65 ℃時添加占總量1/3的α-淀粉酶和氯化鈣(0.2%),不斷攪拌,升溫至90 ℃時添加其余2/3的α-淀粉酶(α-淀粉酶總量以8 U/g計),保溫10 min后,升溫至100 ℃持續(xù)2 min酶滅活。然后降溫至62 ℃加糖化酶,在60~62 ℃不斷攪拌條件下保溫4~6 h即得糖化醪。
原料處理與發(fā)酵:紅棗蒸制20 min后破碎,按1∶8(質量比體積, g/mL)比例與黑米糖化醪混合,接種φ=4%菌種液,30 ℃發(fā)酵20 h后,制備黑米紅棗乳酸發(fā)酵飲料。
pH用pH計測定;可溶性固形物含量(TSS)用手持糖度計測定;酸度的測定采用NaOH滴定法。
總酚質量濃度采用福林酚比色法測定[4],以沒食子酸為標準物;黃酮質量濃度采用分光光度法測定[5],以蘆丁為標準物;DPPH自由基清除能力參考吳瓊英等[6]的方法測定;ABTS自由基清除能力參考Re等[7]的方法測定。
色度值用CR-310手持色差儀測定[8]。色差儀測定的結果可以定量表示對色知覺的差異,L*值表示亮度,a*表示紅值,a*為負數(shù)表示偏綠,b*表示黃值,b*為負數(shù)表示偏藍。
電子鼻分析:量取10 mL樣品置于30 mL樣品瓶中,用瓶蓋封住瓶口在室溫下富集5 min后進行電子鼻分析,采用頂空進樣法,直接將進樣針頭插入樣品瓶,完成一次檢測后系統(tǒng)進行清零和標準化,然后再進行第2次頂空采樣,每組試驗重復3次。預進樣時間5 s,采樣時間60 s,清洗時間300 s,內部流量300 mL/min,進樣流量300 mL/min[9]。
電子舌分析:電子舌傳感器陣列由7個交互敏感化學選擇性區(qū)域效應味覺傳感器和1個Ag/AgCl 參比電極組成。分析時,傳感器陣列與樣品溶液接觸,傳感器每秒采樣1次,自動記錄響應數(shù)據(jù)。每采樣1次,傳感器進入清洗溶液清洗1次,避免對下一個樣品響應信號產生影響[10]。
SPME-GC-MS分析:準確移取5.0 mL樣品置于20 mL頂空瓶中,加入0.75 g NaCl,然后用帶有聚四氟乙烯隔墊的瓶蓋密封。45 ℃平衡20 min,用已活化好的DVB/CAR/PDMS 50/30 μm萃取頭頂空吸附50 min后,將萃取頭插入GC進樣口,解吸5 min。
色譜條件:DB-17MS毛細管柱(60 m×0.25 mm,0.25 μm);進樣口溫度250 ℃;升溫程序:柱溫40 ℃,保持3 min;4 ℃/min升至120 ℃;6 ℃/min 升至210 ℃,保持9 min;最終以25 ℃/min 升至240 ℃,保持3 min。
質譜條件:電子轟擊離子源;電子能量70 eV;離子源溫度230 ℃;質量掃描范圍m/z為35~500。
采用SPSS.V 20.0和Minitab 15對數(shù)據(jù)進行分析處理。電子鼻數(shù)據(jù)結合Winmuster進行分析,電子舌數(shù)據(jù)結合AlphaSoft.V 12.0進行分析。
由表1可知,與紅棗乳酸發(fā)酵飲料相比,黑米紅棗復配發(fā)酵飲料的酸度、可溶性固形物均有所增大,表明經黑米復配可有效改變紅棗乳酸發(fā)酵飲料的糖酸水平及比例,使開發(fā)的新型黑米紅棗乳酸飲料具有更加豐富的功能成分及風味特征。色澤是影響消費者對產品接受性最重要的因素之一。黑米紅棗乳酸飲料的a*值(27.15)極顯著高于紅棗乳酸飲料(1.34),表明黑米紅棗乳酸飲料的紅色度更高;同時黑米紅棗乳酸飲料的b*值顯著低于紅棗乳酸飲料,說明前者的黃色度較低。這表明黑米與紅棗復合發(fā)酵大大增加了紅棗乳酸飲料的紅色色調。而黑米紅棗乳酸飲料的L*值顯著低于紅棗乳酸飲料,這是由于黑米的加入使得飲料的顏色更飽滿。綜合而言,黑米紅棗乳酸飲料在色澤上優(yōu)于紅棗乳酸飲料。
表1 乳酸發(fā)酵飲料的基礎理化指標Table 1 Basic physicochemical indexes of lactic acid fermentation beverages
注: 字母a、b表示在a=0.05水平上差異顯著;字母A、B表示在a=0.01水平上差異顯著。
Notes:Letter a, b in the columns of chromatic values indicate significant difference at the level ofa=0.05,letter A,B indicate significant difference at the level ofa=0.01.
酚類化合物不僅影響產品的顏色、收斂性和香味等感官特性[11],也是乳酸發(fā)酵飲料抗氧化功效最重要的來源之一。2種乳酸飲料的總酚、黃酮質量濃度及抗氧化特性如表2所示。由表2可以看出,黑米紅棗乳酸飲料的總酚、黃酮質量濃度顯著高于紅棗乳酸飲料(P<0.05)。黑米紅棗乳酸飲料的總酚質量濃度為(107.56±1.84 mg/100 mL),紅棗乳酸飲料的總酚質量濃度為(86.46±3.28 mg/100 mL)。表明黑米的加入顯著增加紅棗乳酸飲料的總酚和黃酮質量濃度,二者復合發(fā)酵使得紅棗乳酸飲料的功能及感官特性更加豐富。樣品抗氧化活性的高低與多酚和黃酮類化合物含量有關[12]。黑米紅棗乳酸飲料的DPPH和ABTS自由基清除率顯著(P<0.05)高于紅棗乳酸飲料。因此黑米紅棗乳酸飲料的保健功能性明顯高于紅棗乳酸飲料。與干燥紅棗片及果汁牛奶復合飲料相比[13-14],黑米紅棗乳酸飲料也具有較強的功能特性。
2.3.1 電子鼻分析 電子鼻是一個新穎的分析、識別和檢測復雜嗅味和揮發(fā)性成分的傳感器陣列形式的電化學傳感系統(tǒng)[15]。電子鼻對2種飲料成品芳香特征的響應及數(shù)據(jù)分析如圖1。圖1中每一條曲線代表著一個傳感器,曲線上的點代表著樣品的芳香成分通過傳感器通道時,相對電阻率(G/G0)隨檢測時間的變化情況。由圖1可知,2種飲料的變化趨勢相似,各傳感器響應值在0~10 s內比較低,隨揮發(fā)物在傳感器表面富集不斷增大,20 s后趨于平緩,達到一個穩(wěn)定的狀態(tài)。其中,傳感器W5S(氮氧化物)、W1W(硫化物)、W1S(甲基類)和W2S(醇類)較其他傳感器有更高的相對電阻率值,黑米紅棗乳酸飲料的相對電阻率值顯著高于紅棗乳酸飲料。結果表明電子鼻對黑米紅棗和紅棗乳酸飲料的芳香氣味有明顯的響應,且每個傳感器的響應各不相同,黑米的加入使得氮氧化物和硫化物響應強度顯著增加。黑米紅棗復配體系相比單一紅棗具有更為豐富的化學組成,含有的多種氨基酸、蛋白質、生物硫醇、有機酸和多酚等在微生態(tài)菌種的發(fā)酵代謝作用下產生了更多的氮氧化物、硫化物等組分,它們對黑米紅棗飲料的風味形成具有重要意義。
表2 乳酸發(fā)酵飲料的總酚、黃酮及抗氧化特性Table 2 Total phenols, flavonoid and antioxidant properties of lactic acid fermention beverages
W1C.芳香苯類 Aromatic benzenes;W5S.氮氧化物 Nitrous oxides;W3C.芳香胺類 Aromatic amines;W6S.氫化物 Hydride;W5C.烷烴 Alkane;W1S.甲基類 Methyl class;W1W.硫化物 Sulfide;W2S.醇類 Alcohols;W2W.硫化氫類 Hydrogen sulfides;W3S.芳香烷烴 Aromatic alkane
圖1電子鼻響應信號圖
Fig.1Responsecurvesofe-nose
主成分分析(PCA)是一種設法將原來指標重新組合成一組新的互相無關的幾個綜合指標來代替原來指標,同時根據(jù)實際需要可從中去除幾個較少的綜合指標,以盡可能多地反映原來指標,通過改變坐標軸來達到區(qū)分樣品的分析方法[16]。為進一步比較分析黑米紅棗乳酸發(fā)酵飲料與紅棗乳酸飲料整體風味差異,采用PCA法對這些氣味數(shù)據(jù)進行數(shù)理統(tǒng)計。由圖2可知,第1主成分PC1貢獻率為99.60%(第1主成分:苯類、氮氧化物、硫化物、芳香胺類等;第2主成分:氫化物、芳香烷烴),PC1和PC2貢獻率之和達到99.90%,能很好地反映原始高維矩陣數(shù)據(jù)的信息,說明黑米紅棗乳酸發(fā)酵飲料和紅棗乳酸發(fā)酵飲料風味具有明顯差別,利用黑米復配是改進紅棗感官特性的有效方法[17-18]。
2.3.2 電子舌分析 電子舌7個傳感器都對酸味呈味物質特別敏感,ZZ、BB、CA 3個傳感器對甜味呈味物質尤其敏感。圖3為電子舌傳感器對黑米紅棗乳酸發(fā)酵飲料和紅棗乳酸發(fā)酵飲料成品的特征響應曲線。由圖3可知,黑米紅棗乳酸發(fā)酵飲料的電子舌響應曲線與紅棗乳酸發(fā)酵飲料的特征響應曲線類似,但各傳感器響應值的大小有所不同。其響應信號在第30秒后逐漸趨于平衡,在第120秒時達到穩(wěn)態(tài)值。其中,傳感器JE、BB對2種飲料的響應值差異不大,傳感器HA、ZZ和GA對黑米紅棗乳酸發(fā)酵飲料的響應信號顯著高于紅棗乳酸發(fā)酵飲料,這與基礎指標結果一致,表明黑米紅棗乳酸發(fā)酵飲料的糖酸水平更高、滋味更豐富。
圖2 飲料電子鼻檢測的PCA圖Fig.2 PCA charts of beverages by e-nose
以各傳感器第120秒的響應信號為變量,進行主成分分析(圖4)。在PCA中第1主成分和第2主成分的貢獻率分別達到96.72%和2.87%,能夠很好地反映原始數(shù)據(jù)信息。表明主成分分析能將2種飲料樣品很好地區(qū)分開來,雖然每組樣品數(shù)據(jù)均有1~3個點距該組中心點較遠,這主要是因為電子舌傳感器在檢測樣品時,存在一個學習和適應新樣品滋味的過程,一般前1~3 個數(shù)據(jù)點存在較大的偏差,但并不影響試驗結果。
1.HA; 2.ZZ; 3.GA; 4.BB;5.JE; 6.JB; 7.CA
2.3.3 揮發(fā)性風味物質分析 揮發(fā)性化合物是影響飲料風味質量的重要因素。圖5為黑米紅棗乳酸發(fā)酵飲料和紅棗乳酸發(fā)酵飲料成品中揮發(fā)性風味成分的GC-MS總離子流圖。GC-MS檢測得到的質譜數(shù)據(jù)經計算機NIST標準譜庫檢索后,鑒定出的各峰保留時間及對應的風味物質、相對含量見表3。
由圖5可知,2種飲料的風味成分差異較大,黑米紅棗乳酸發(fā)酵飲料的風味成分較紅棗乳酸發(fā)酵飲料的更復雜,而紅棗乳酸發(fā)酵飲料的主要風味成分較集中。從表3可知,在黑米紅棗乳酸發(fā)酵飲料中鑒定出40種主要的風味成分,主要包括9種醛類、4種酮類、9種醇類、7種酯類、3種酸類和5種烴類化合物,其中相對含量較高的化合物分別是乙醇(16.7%)、3-甲基-1-丁醇(12.3%)、乙酸(10.09%)、2-甲基-1-丁醇(6.34%)、4-甲基苯甲酸環(huán)戊酯(5.77%)、乙酸乙酯(3.54%)、壬醛(3.85%)、己醛(3.38%)等化合物。在紅棗乳酸發(fā)酵飲料中鑒定出39種主要的風味成分,主要包括7種醛類、2種酮類、7種醇類、12種酯類、5種酸類和2種烴類化合物,其中相對含量較高的化合物分別是乙醇(36.42%)、3-甲基-1-丁醇(24.12%)、苯乙醇(13.18%)、乙酸乙酯(6.59%)、辛酸(2.44%)等化合物。而乙醇、3-甲基-1-丁醇和乙酸乙酯是2種飲料共同的主要揮發(fā)性物質。
圖4 飲料電子舌檢測的PCA圖Fig.4 PCA charts of beverages by e-tongue
圖5 飲料揮發(fā)性成分總離子流色譜圖Fig.5 Total ion current chromatogram of the volatile components of beverages
類別CategoryBJLAF風味成分Flavuor component相對含量/%Relative contentJLAF風味成分Flavuor component相對含量/%Relative content醛類乙醛Acetaldehyde0.53庚醛Heptanal0.08Aldehydes2-甲基-丙醛Propanal, 2-methyl-0.69呋喃甲醛Furfural0.66己醛Hexanal3.382,5-二羥基苯甲醛2,5-Dihydroxybenzaldehyde0.33庚醛Heptanal0.71辛醛Octanal0.58呋喃甲醛Furfural2.43苯甲醛Benzaldehyde0.27(Z)-2-庚烯醛(Z)-2-Hptenal2.50壬醛Nonanal1.88辛醛Octanal1.77苯乙醛Benzeneacetaldehyde0.22壬醛Nonanal3.85(E)-2-癸烯醛(E)-2-Decanal1.58酮類2,3-丁二酮2,3-Butanedione3.22(E)-3-戊烯-2-酮(E)-3-Penten-2-one0.16Ketones2-庚酮2-Heptanone0.35(E)-1-(2,6,6-三甲基-1,3-環(huán)己二烯-1-基)-2-丁烯-1-酮(E)- 1-(2,6,6-Trimethyl-1,3-cyclohexadien-1-yl)- 2-buten-1-one 0.351-辛烯-3-酮1-Octen-3-one1.67二氫-5-戊基-2(3H)-呋喃2(3H)-Furanone, dihydro-5-pentyl-0.31醇類乙醇Ethanol16.70二甲基硅烷雙醇Dimethyl-silanediol0.73Alcohols3-甲基-1-丁醇3-Methyl-1-butanol12.30乙醇Ethanol36.422-甲基-1-丁醇2-Methyl-1-butanol6.343-甲基-1-丁醇3-Methyl-1-butanol24.12二甲基硅烷雙醇Dimethyl-silanediol4.362,3-丁二醇2,3-Butanediol0.531-己醇1-Hexanol0.561-辛醇1-Octanol0.151-辛烯-3-醇1-Octen-3-ol1.09芳樟醇Linalool0.101-辛醇1-Octanol0.29苯乙醇Phenylethyl alcohol13.18(E)-2-辛醇(E)-1-Octanol1.31苯乙醇Phenylethyl alcohol1.56酯類乙酸乙酯Ethyl acetate3.54乙酸乙酯Ethyl acetate6.59Esters4-甲基苯甲酸環(huán)戊基酯4-Ethylbenzoic acid, cyclopentyl ester5.77丙酸-2-羥基-乙酯Propanoic acid, 2-hydroxy-, ethyl ester0.14己酸乙酯Hexanoic acid, ethyl ester0.46丁酸-3-甲基-乙酯Butanoic acid, 3-methyl-, ethyl es-ter0.35辛酸乙酯Octanoic acid, ethyl ester0.99乙酸異戊酯1-Butanol, 3-methyl-, acetate0.63癸酸乙酯Decanoic acid, ethyl ester0.654-甲基苯甲酸環(huán)戊基酯4-Ethylbenzoic acid, cyclopen-tyl ester2.611,2-苯二甲酸雙(2-甲基丙基)酯1,2-Benzenedicarboxylic acid, bis(2-methylpropyl) ester0.47乳酸異戊酯Isoamyl lactate0.08鄰苯二甲酸二丁酯Dibutyl phthalate0.37二十二烷酸甲酯Docosanoic acid, ethyl ester0.14辛酸乙酯Octanoic acid, ethyl ester0.88琥珀酸-2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7-十二氟庚基乙基酯Succinic acid, 2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7-dodecaflu-oroheptyl ethyl ester0.76己酸-2-苯基乙基酯Hexanoic acid, 2-phenylethyl ester0.65癸酸乙酯Decanoic acid, ethyl ester0.73苯丙酸乙酯Benzenepropanoic acid, ethyl ester0.25酸類乙酸Acetic acid10.09乙酸Acetic acid0.62Acids己酸Hexanoic acid2.53己酸Hexanoic acid0.85辛酸Octanoic acid0.67辛酸Octanoic acid2.44甲基2-羥基硬脂酸Methyl 2-hydroxystearate0.19壬酸Nonanoic acid0.63烴類辛烷Octane0.69順式-1,3-二甲基 -環(huán)己烷Cyclohexane, 1,3-dimeth-yl-, cis-0.07Alkanes十四烷Tetradecane0.57十四烷Tetradecane0.26十六烷Hexadecane0.814-甲基-十四烷4-Methyl-tetradecane0.313-甲基-十四烷3-Methyl-tetradecane0.24其他二氧化碳Carbon dioxide2.73二氧化碳Carbon dioxide0.62Others2-肼基-4,6-二甲基嘧啶2-Hydrazino-4,6-dim-ethylpyrimidine1.14(1,4-二甲基戊-2-烯基)苯(1,4-Dimethylpent-2-enyl)benzene0.285α-膽甾烷-2-酮,肟5α-Cholestan-2-one, oxime0.475α-膽甾烷-2-酮,肟5α-Cholestan-2-one, oxime0.302-(甲氧基甲基)-2-苯基 -1,3-二氧戊環(huán)1,3-Dioxolane, 2-(methoxymethyl)-2-phenyl-0.17
黑米紅棗乳酸飲料中醇類和醛類組分是主要的香氣成分,相對含量分別為44.51%和17.44%。這些成分有的氣味濃郁,有的氣味清淡,有的呈現(xiàn)花香,有的呈現(xiàn)青草香,只有把它們作為整體時,才具有黑米紅棗乳酸飲料的芳香特征。紅棗乳酸飲料中醇類和酯類組分是主要的香氣成分,相對含量分別為75.23%和13.81%。這些醇類主要由發(fā)酵過程中產生,都是呈香物質,其中苯乙醇具有怡人的玫瑰香和風信子香味[19],芳樟醇呈花香味。酯類對果蔬發(fā)酵飲料風味具有重要影響,尤其乙酸乙酯具有果香味,能夠使風味更加豐富[20]。壬醛和呋喃甲醛是2種飲料中共有重要風味成分,壬醛有橙子香味,呋喃甲醛賦予飲料杏仁和焦烤氣味[21]。
該研究利用微生態(tài)乳酸發(fā)酵生物技術開發(fā)黑米和紅棗復合乳酸發(fā)酵飲料,通過電子鼻、電子舌和SPME-GC-MS技術,對黑米紅棗乳酸飲料的品質進行系統(tǒng)研究。黑米紅棗乳酸飲料相比單一紅棗乳酸飲料其酸度、可溶性固形物含量、抗氧化品質等指標均有增加,色澤更為鮮亮、飽滿,這可能是源于黑米中豐富的多酚類物質。電子鼻和電子舌傳感器對黑米紅棗乳酸飲料響應值總體上大于紅棗乳酸飲料,2種飲料在氣味和滋味上具有明顯差異,能被很好地區(qū)分。采用SPME-GC-MS聯(lián)用確定飲料中主要的揮發(fā)性化合物,包括醛類、酮類、醇類、酯類、酸類及烴類等。黑米紅棗乳酸飲料中的主要香氣成分是醇類和醛類組分,其中相對含量較高的化合物分別是乙醇、3-甲基-1-丁醇、乙酸、2-甲基-1-丁醇、4-甲基苯甲酸環(huán)戊酯、乙酸乙酯、壬醛、己醛等化合物,與紅棗乳酸飲料(主要為乙醇、3-甲基-1-丁醇、苯乙醇、乙酸乙酯、辛酸等化合物)相比前者的風味物質更為豐富,這可能是由于復配發(fā)酵使得更多復雜的風味物質產生。該研究結果可為營養(yǎng)健康型黑米紅棗乳酸發(fā)酵飲料的開發(fā)提供一定理論依據(jù)和技術支持,同時也可為紅棗資源轉化及黑米、紅棗系列產品的開發(fā)提供參考。后期研究應集中于2種飲料的其他功能特性、產品穩(wěn)定性以及具體的功能性物質分析。