菠萝酒酿造工艺与香气成分研究进展

2018-05-14 14:44蔡坤周媚林雪
热带作物学报 2018年6期

蔡坤 周媚 林雪

摘 要 菠萝酒是以菠萝为原料,经发酵制成的低酒精度饮料酒,不仅具有菠萝的风味特色,而且保持了其果实中的部分营养成分,具有保健功效。本文对菠萝酒酿造过程中酵母的筛选、工艺的优化、稳定性的改善和菠萝混合果酒的开发,以及菠萝酒中香气成分的来源、提取、分析方法和不同酵母对菠萝酒香气的影响进行综述,并简要概括了目前菠萝酒酿造中存在的主要问题,以期为菠萝酒酿造和品质深入研究提供参考。

关键词 菠萝酒;酿造工艺;香气成分

中图分类号 TS261.4 文献标识码 A

Research Progress on Fermentation Technology and Aroma Components of Pineapple Wine

CAI Kun, ZHOU Mei, LIN Xue*

College of Food Science and Technology, Hainan University, Haikou, Hainan 570228, China

Abstract Pineapple wine is a kind of low-alcohol beverage produced from pineapple. It not only has the characteristic flavor of pineapple fruits,but also maintains the nutrition and health effects of the fruit. In this paper,the yeast selection,process optimization,stability improvement and mixed pineapple wine developing were reviewed. The origin,extraction and analysis of aroma components in pineapple wine,and the effect of yeast were introduced. Moreover,the problems in pineapple wine making were concisely summarized. This paper could provide on the aromas of pineapple coine a useful reference for pineapple wine making and wine quality research.

Key words pineapple wine; brewing techniques; aroma components

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2018.06.031

菠蘿(Ananas comosus L. Merr.)俗称凤梨、草菠萝,是著名热带、亚热带特色水果之一。菠萝糖酸含量协调、香气浓郁、风味独特、汁液丰富且营养价值高,是加工酒类产品的良好原料[1-2]。菠萝酒是以菠萝为原料,经发酵酿制而成的低酒精度饮料酒,不仅具有菠萝独特的香气和风味,还保留了菠萝果实中部分营养成分,具有保健功效。菠萝酒的品质取决于其酒精度、糖和酸浓度以及挥发性香气物质等的种类和含量。挥发性香气成分是影响菠萝酒品质和典型性的重要因素,包括高级醇、酯、酸、醛和酮类等。菠萝果实中含有这些香气物质,部分是酒精发酵过程中酵母的代谢产物[3-4]。我国菠萝年生产量大,但菠萝生产季节性强,成熟收获期较为集中,且果实含水量高,不耐储存。受保藏条件和深加工能力等因素的制约,菠萝采后无法销售而造成的经济损失巨大。开发菠萝酒不仅是菠萝深加工的重要方向,可解决菠萝浪费严重的问题,还能扩展果酒市场,满足不同消费者对果酒市场的需求[5]。目前我国对菠萝酒的开发还处于初步阶段,因此对菠萝酒的酿造工艺及香气成分的研究情况进行综述,对菠萝酒酿造和品质深入研究具有重要参考价值。

1 菠萝酒的酿造工艺

1.1 酵母的筛选

筛选优良菌种进行纯种发酵,可以提高果酒的生产效率与品质[6-8]。优质酵母菌不仅对发酵环境抗逆性强,还能产生大量有益副产物,有效保留原果香。为此,国内外大量研究者对适于菠萝酒酿造的酵母菌的选育进行了探讨。

适用于果酒发酵的酵母通常分为两大类:酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)和非酿酒酵母(non-Saccharomyces cerevisiae)。酿酒酵母产酒精能力强,但所得产品香气单一,风味不足;非酿酒酵母产香能力强,但发酵能力相对较弱。因此,选育产香能力和发酵能力同样强的菠萝酒酵母极其重要。

不同酿酒酵母在不同基质中发酵性能也不同,因此要从现有葡萄酒酵母中挖掘具备菠萝酒酿造潜力的菌株。张爱红等[9]对5株葡萄酒用活性干酵母在菠萝汁中的酿造潜力进行比较分析,从中筛选出发酵能力强、所酿果酒质量最好的2#菌株。冼嘉雯等[10]通过研究4株酵母菌在菠萝汁中的生长特征以及分析菠萝酒的理化性质和感官特性,最终筛选出酿造菠萝果酒的优良菌株4号酵母菌(威尔)。本课题组前期对7株安琪商业酵母的菠萝酒酿造潜力进行分析,发现7株菌产酒能力相当,但产香能力差异较大,D254菌株产风味物质种类和总量最高, BV818菌株产特征风味物质种类最多,VIC菌株产酯比例最高。从环境中分离、筛选优良菌株是常用菠萝酒酵母选育方法。从菠萝自身及其生长或发酵环境入手,是选育菠萝酒酵母较佳条件[11-13]。然而利用其他基质进行菠萝酒酵母筛选,也是可行有效的方法。Chilaka等[14]比较分析了利用棕榈酒中分离出来的酿酒酵母(S. cerevisiae)、粟酒裂殖酵母(Schizosaccharomyces octoporus)、毕赤酵母(Pichia spp.)和奇异酵母(Saccharomyces paradoxus)发酵而成的菠萝酒,发现所得菠萝酒的理化性质有明显差异,其中Pichia spp.酿造的菠萝酒酒精度最低,S. octoporus酿造的菠萝酒酸度最低,而S. cerevisiae酿造的菠萝酒酒精度最高、酸度最高、挥发酸浓度最低。Baidya等[15]利用从天然棕榈汁中分离得到的酵母菌株Y4和Y7以及标准酿酒酵母MTCC170分别发酵菠萝酒,比较发现发酵过程固形物含量、总酸、pH、发酵率、菌体浓度和酒精度等变化差异明显,认为菌株Y7更适合做发酵剂。不同产区不同品种菠萝所适用的酵母菌株不同。Chanprasartsuk等[16]研究发现葡萄汁有孢汉逊酵母(Hanseniaspora uvarum)和季也蒙毕赤氏酵母(Pichia guilliermondii),是泰国和澳大利亚产区菠萝果汁发酵中的优势菌种,对菠萝酒的理化性质具有重要影响;从泰国菠萝中还分离出伊萨酵母属(Issatchenkia)酵母,该属酵母可以利用乙醇作为碳源,从而影响菠萝酒的酒精含量。Ezeronye[17]研究发现,棕榈酒酵母OW-11与其他葡萄酒酵母在营养利用和生长方面性能相当,且棕榈酒酵母发酵菠萝酒等热带果酒获得的认可度更高。

上述研究都是集中于菠萝酒单一酵母菌种的选育,而采用酿酒酵母与非酵母属酵母混合发酵,使不同的菌种“取长补短”是当前果酒发酵的一个研究热点。彭球生等[18]分别采用单一酵母菌种As2.346和混合菌种As2.346、As2.399发酵菠萝酒,发现混合酵母菌种酿造出的菠萝酒香气更突出;进一步通过优化发酵工艺,得到一款香气浓郁,品质极佳的菠萝酒。贾言言等[19]通过梅奇酵母(Metschnikowia agaves)与S. cerevisiae混合发酵,大大提升了菠萝酒风味特征。上述混菌发酵的方式在其他种类果酒的发酵中被应用的也愈加广泛。

因此,无论是选育菠萝酒酿造专用酵母还是采用混菌发酵,对改善菠萝酒理化性质,提高菠萝酒香气的典型性、复杂性,提升菠萝酒的品质而言都极为重要。梅奇酵母、热带假丝酵母、毕赤酵母等非酵母属酵母是饮料酒酿造呈香的主体,通过改变酿酒酵母和上述非酿酒酵母的接种顺序或接种比例,灵活调节菠萝酒理化特性和酒体风格,可从源头上保证菠萝酒发酵和满足品质要求。

1.2 工艺的优化

大量研究表明,菌种接种量、初始糖度、酸度、SO2添加量、发酵温度和发酵时间等因素对果酒酿造过程和果酒品质均有不同程度的影响[20-22]。刘畅等[23]通过正交试验对菠萝酒的发酵工艺进行优化,确定了酵母接种量6%、糖含量240 g/L、SO2添加量80 mg/L、果胶酶用量120 mg/L、主发酵温度22 ℃和发酵时间6 d,在此条件下经后酵和陈酿得到香气浓郁、色泽亮艳、品质较佳的菠萝酒。李静等[24]同样探讨了不同发酵条件对菠萝酒发酵的影响,确定了菠萝酒酿造的最佳工艺条件,最终得到酒度8.5°、酒体呈金黄色、澄清透亮、口感细腻、具有典型的果酒风味的优质菠萝酒。王玲等[25]利用单因素试验结合二次回归旋转组合设计,确定了自制菠萝酒活性干酵母发酵菠萝酒的最佳发酵工艺,最终得到酒香纯正、果香丰满的优质菠萝酒。郑静[26]通过优化酵母用量、含糖量、发酵温度和发酵时间等因素,确定了营养丰富、典型性突出的低度菠萝酒的酿造工艺。钟姝霞等[27]确定了半干型菠萝酒发酵工艺条件,最终酿制得到酒精度达14%vol,含糖量7.4 g/L,澄清透亮,酒体丰满,口感醇厚,酸甜适中,具有浓郁的菠萝果香和独特的酒香的优质菠萝酒。此外,不同SO2供给方式和供给量对菠萝酒感官品质具有重要影响[28]。

20~22°Brix是果酒发酵较理想的初始糖度,在合适的发酵时间下,该初始糖度菠萝酒的酒精度和口感更易被大众所接受。本课题组研究发现,酵母接种量、氮源种类和添加量以及发酵温度的改变对菠萝酒挥发性风味物质的含量影响较大,从而改变了酒体中风味物质的比例;澄清剂的种类和添加量对菠萝酒外观影响较大,最终影响菠萝酒感官品质。因此控制0.3%左右的酵母接种量,22~25 曟的主发酵温度,选择适宜的氮源(如1.0 g/L磷酸氢二胺)和澄清剂(如60 mg/L果胶酶),可从过程上保证菠萝酒酿造高效的进行,对最终菠萝酒理化性质、香气种类和含量以及感官特性的呈现都有重要作用。

1.3 稳定性的改善

果酒的稳定状态是指在一定时间内,酒体不产生不理想的物理、化学和感官变化[29]。酒体的稳定性是判断果酒品质好坏的重要指标之一。果酒的稳定性被破坏,通常会产生以下变化:酒色破坏或呈褐色,酒体变浑浊甚至产生沉淀,气味和味觉改变等。影响果酒稳定性的因素主要分为生物性因素和非生物学因素[30-31]。

提高果酒生物稳定性的方法主要为装瓶前精滤,通过巴氏灭菌或灭菌过滤来控制微生物的生长繁殖[32]。菠萝酒过滤使用的机器设备需严格执行卫生操作标准,达到彻底灭菌。此外,工作人员应保证生产环境的卫生,及时清洗滤片、过滤膜和过滤设备,防止设备堵塞甚至击穿过滤膜。

提高果酒非生物稳定性的方法主要为净化处理,即去除果酒中的悬浮颗粒、胶体颗粒和不稳定的蛋白质或其他使果酒变质的聚合大分子物质,可使用冷冻处理和热稳处理,也可通过延长澄清透明的时间和添加澄清剂来提高果酒稳定性[33-35]。常用的澄清剂有单宁、皂土、琼脂、果胶酶、明胶和菠萝蛋白酶等。澄清剂的种类和添加量对菠萝酒澄清效果都不同,其中壳聚糖、果胶酶是较好的单一澄清剂,这两中澄清剂的添加还可以较好保持果酒的营养物质[36-37];果胶酶-皂土、明胶-丹宁是较好的符合澄清剂,对果酒外观、口感、香气方面均具有积极影响[38-40]。使用单一澄清剂很难达到对果酒的彻底澄清,应多研究混合澄清剂对菠萝酒的澄清效果,通过改变混合澄清剂组成和配比,进一步提升菠萝酒稳定性。

除使用澄清剂外,离心、过滤、超滤等机械澄清技术也被广泛运用。Wirote等[41]使用管状陶瓷膜对菠萝酒进行微滤处理,大大降低了菠萝酒的濁度,经过微滤后的酒体呈明亮黄色透明状。Cattaruzza等[42]认为超滤不仅能有效降低果酒总胶体含量,同时可除去果酒中的酚类物质。这些技术能够很好的弥补使用澄清剂效果的不足之处。因此,在实际运用时可结合果酒的特性及现实条件选择适合、方便而又高效的澄清方式。

1.4 菠萝混合果酒的开发

菠萝是最适合果酒生产的单一基质之一。随着酿酒技术不断革新,按照消费者与市场的需求,研究者开发了具有丰富的独特风味的菠萝混合果酒。菠萝混合果酒是指用菠萝和其他水果等原料以不同比例混合,经共同发酵制成的新型果酒。菠萝混合果酒不仅能弥补单一菠萝酒在色、香、味上的欠缺,感官品质更佳,而且营养成分较单一菠萝酒更丰富,营养与保健价值更高。菠萝分别与甜瓜、草莓、猕猴桃、刺梨、苹果、香蕉、芒果、菠萝蜜等多种水果为原料的混合果酒酿造工艺均有报道,得到多款色香味俱佳、风格独特的菠萝混合果酒[15, 43-47]。此外,基于菠萝酒进一步开发了新型饮料龙眼-菠萝和枸杞-菠萝复合果酒,进一步提升了菠萝酒的营养和保健功效[48-49]。

菠萝混合果酒的开发丰富了果酒种类,新型果酒的开发为新课题提供研究方向。但是,注重果酒品种和风味的同时,更加要注重混合果酒的保健性与市场潜力,扩大混合果酒的消费市场,因此可依据消费者的性别、年龄、消费能力等,通过社会调研等有效途径,有针对性的开发混合果酒以满足不同消费者的需求。

2 菠萝酒的香气成分

2.1 菠萝酒香气来源

菠萝酒的香气主要来源于菠萝果实的果香、发酵过程产生的发酵香和陈酿过程产生的陈酿香。菠萝鲜果自身存在一些良好香气成分,赋予菠萝果实和果酒浓郁的香气和独特的风味[50-51]。菠萝果实中的香气成分主要是酯类[52],该类化合物具有嗅觉阈值低、香气值高的特点。菠萝鲜果中的主要香气物质包括2-甲基丁酸甲酯、2-甲基丁酸乙酯、辛酸乙酯、己酸乙酯、丁酸乙酯、2-甲基丙酸乙酯、2,5-二甲基-4-羟基-3(2H)呋喃酮[53]。海南菠萝果实不同部位的香气成分均以酯类为主,主要包括2-甲基丁酸甲酯、己酸甲酯、3-甲硫基丙酸甲酯等;在贮藏过程中,菠萝果实不同部位的香气成分含量和数量均随时间下降,同一贮藏时间的不同部位香气成分也不同,果肉中的香气成分数量和含量高于中柱[54]。不同品种、成熟度、产区和季节产的菠萝香气成分均有不同程度的差异[55-61]。

酵母在酒精发酵过程中,糖类除了转化为酒精与二氧化碳,还产生一系列浓度差异较大,在菠萝酒呈香中发挥重要作用的挥发性芳香物质,主要包括高级醇、酯类、有机酸、醛酮和呋喃类化合物[62]。高级醇是酒中主要呈香物质,主要来源于氨基酸分解和糖合成代谢途径,适量的高级醇能赋予菠萝酒特殊的香气和风味[63-64],如苯乙醇具有玫瑰香、茉莉花香,促使口感更加柔和、醇厚和协调。大部分酯来源于果实,能使菠萝酒形成愉悦香气[65]。适量的酸能促使菠萝酒口感更加醇厚、协调和适口[66],有机酸过量则会导致酒体粗糙,甚至出现混浊。挥发性醛酮赋予菠萝酒果香、坚果香和奶油香[67]。呋喃类化合物能够赋予果酒类似于焦糖的甜香味,使酒体香味更复杂、更浓郁[68]。菠萝果实中的挥发性香气成分在原料处理、发酵、酒体澄清等一系列加工过程中易散失,最终导致菠萝酒酒香单薄、味道不够醇厚,并且随着贮藏时间的延长香气损失加重。因此,菠萝酒酿造过程中保持果实原香、增香,对提高菠萝酒品质与加快菠萝酒上市,拓展果酒市场尤为重要。

2.2 菠萝酒香气成分的提取与分析

果酒的香气构成十分复杂。在利用气相色谱-质谱(Gas Chromatography-Mass Spectrometer,GC-MS)等技术,对果酒中香气成分进行定性和定量分析前,首先要将香气成分提取出来。目前常用的提取方法包括溶剂萃取法、蒸馏萃取法、超临界CO2流体萃取法、吸附法、顶空固相微萃取等[69-70]。固相微萃取、蒸馏萃取法等是在高温下进行,可能导致果酒中热敏性香气物质的损失。

果酒的香气、风味特征由香气组分的种类、数量、感官阈值及它们之间的相互作用决定。王华等[71]采用CHCl2萃取结合GC-MS分析菠萝酒中的香气成分,共分离出53个峰,鉴定出42种化合物,其含量占挥发性成分的96.77%,其中主要成分为苯乙醇、丁二酸二乙酯、丁二酸乙酯、2-甲基-1-丁醇、1-戊醇、2-羟基-1,2,3-丙三羧酸三乙酯、3-甲硫基丙醇、羟基丁二酸二乙酯和4-羟基苯乙醇。张庆庆等[72]使用相同的方法分析红曲菠萝酒中香气成分,共鉴定出53种化合物,分别为醇类、酯类、酸类、酮类、烃类、萜烯类和芳香族类等,其中构成红曲菠萝酒香气特征的主要物质是醇类、酯类、酸类以及少量的酮类化合物。战宇等[73]研究发现所酿单一菠萝酒酒味较淡,利用GC-MS技术未检测到菠萝鲜果香气的主要成分-乙酸乙酯,推断这是由于乙酸乙酯的沸点低,易随CO2挥发引起。由菠萝、香蕉和芒果共同发酵的复合果酒中香气成分较丰富,如增加了甲酸异戊酯、乙酸异戊酯、1,3-二氯-2-丙醇等高沸点物质。Pino等[74]基于顶空固相微萃取(Headspace Solid-Phase Microextraction,HS-SPME)对样品制备方法进行优化,结合GC-MS分析,从菠萝酒中检测到18种化合物,包括13种酯、4种醇和1种酸。其中辛酸乙酯、乙酸乙酯、3-甲基-1-丁醇和癸酸乙酯是菠萝酒呈香的主要贡献者。Dellacassa等[75]利用GC技术以及吸附法结合GC-MS分析菠萝酒的香气成分,共检测到61种挥发性成分,其中有18种糖苷类香气化合物。该研究首次报道了菠萝酒中含有高浓度的内酯类、酮类、萜类、异戊二烯和挥发酚类物质。

以上分析结果为菠萝酒香气成分的确定与感官评价提供了科学参考,但特征香气组分的鉴定还需要有人体嗅觉感官分析。因此研究菠萝酒香气时,还可通过GC-MS与气相色谱-嗅觉测量法(GasChromatography-Olfactometry,GC-O)结合的方式对各种香气成分进行嗅辨分析[76-77],进一步确定菠萝酒的特征香气成分以及各化合物对菠萝酒主体香气的贡献率,深入了解酒香成分形成的实质,以便在生产中达到控制香气形成、改善菠萝酒品质的目的。

2.3 不同菌种对菠萝酒香气成分的影响

微生物的代谢活动主导菠萝酒发酵进程,从而影响酿造菠萝酒品质和风格。酿酒酵母是核心微生物,在酵母菌的作用下菠蘿原料中各种芳香物质充分释放和转化。因此,酵母对菠萝酒香气成分的形成具有重要作用。产香能力强的非酿酒酵母属酵母常用于与酿酒酵母混菌发酵果酒,从而大大提高酒体香气[78-79]。

吴惠婵等[80]研究发现,不同酵母菌酿出的菠萝酒香气物质种类差异明显,安琪酿酒酵母发酵的酒样中烷烃种类多,醛和酯种类少。法国经典酵母发酵的菠萝酒样中醛和酯种类丰富,能使菠萝酒中发酵香更完整,品质更佳。贾言言等[81]通过HS-SPME-GC-MS分析发现,非酵母属酵母梅奇酵母(Metschnikowia agaves)与S. cerevisiae发酵菠萝酒香气成分差异较大。如利用两者混合发酵的菠萝酒,会具有更典型的菠萝风味。改变M. agaves与S. cerevisiae接种顺序,会对菠萝酒香气组成和含量以及感官品质均有较大影响[19]。此外还发现,非酿酒酵母P3-3产酯能力、代谢柠檬酸和苹果酸的能力均强于非酿酒酵母P3-4,发酵的菠萝酒也较好的保留了菠萝原果香,并形成了许多带有菠萝果香的物质,如2-甲基丙醇和2-甲基丁醇。由此可见,通过采取酿酒酵母和非酿酒酵母混菌发酵确是提高菠萝酒感官品质的有效方式。

3 目前存在的问题

随着科技的发展与人们消费水平的提高,果酒逐渐出现在大众视野。但菠萝酒作为后起之秀,生产技术还不够完善。第一,缺乏针对菠萝酒酿造的专用酵母。一般使用的葡萄酒酵母虽然产酒精能力强,但产香能力弱。如酒体中乙基酯含量较少,而部分乙酸酯又在发酵过程中损失,易致使挥发性香气物质比例不和谐;酿酒酵母本身醇合成能力强,杂醇含量高是菠萝酒中普遍存在的一个问题。因此可利用传统的大范围筛选或工程育种的方式选育产醇酯比例和谐、能很好保留菠萝原有香气的酵母,为优质菠萝酒的生产奠定基础。第二,不同工艺参数与菠萝酒品质之间的关联性尚待深入研究。随着发酵条件的改变,酵母细胞代谢网络发生变化,致使代谢产物种类和含量随之改变,最终导致菠萝酒风味不同。因此,加强不同工艺参数对菠萝酒品质影响机制的研究,探明二者之间关联,可为不同风格酒的生产工艺设计提供参考。第三,果酒酿造中澄清剂的添加有利也有弊。使用澄清剂具有稳定性好、操作易、成本低的优点,但同时可造成果酒部分有益成分损失,并带入其他物质,影响最终菠萝酒感官性能。因此澄清剂(种类和含量)的选择要兼顾考虑对果酒外观和风味、营养成分的影响,不可顾此失彼。最后,菠萝酒香气成分难保持,在贮藏过程中会有部分损失,使菠萝酒失去典型香气和风味。解决上述问题,不仅需要从源头上选育优良酵母,还需要严格控制工艺条件,配以适当的机械方式和适合的操作设备。因此,后续研究应加强传统育种技术与先进生物学技术的结合,深入探索菠萝酒发酵工艺、澄清工艺及相关设备等与菠萝酒品质之间的关系,以期酿造优质菠萝酒。

4 展望

本文是对近年来菠萝酒酿造工艺中酵母菌筛选、工艺优化、稳定性改善、菠萝混合酒开发相关技术进行综述。对菠萝酒中香气成分的来源、提取、分析方法和不同菌种对菠萝酒香气成分的影响进行阐述,并简要概括了目前菠萝酒酿造中存在的主要问题。随着菠萝酒市场的开拓,菠萝酒酿造技术不断提高及品质不断提升,但是菠萝酒专用酵母匮乏,澄清等技术不成熟和香气难保持的问题依然突出。目前,国内外对优良果酒酵母的选育关注度高,相关文献报道较多,但对稳定性的改善以及香气持久度的增强方面的关注不足,相关研究较少。因此,加强上述两方面的研究,将对改善菠萝酒酿造工艺和提升菠萝酒品质具有重要意义。

随着经济与科技的迅猛发展,人们越来越追求高品质、绿色健康的生活方式。对酒类产品的消费观念逐步发生了转变,“健康饮酒”将深入人心。果酒的良好风味与保健价值会引起越来越多人关注,因为在酒业市场中果酒兼具低度数和高营养的特点。目前市面上的果酒主要以葡萄酒和苹果酒为主,我国对菠萝酒的研究与生产仍处于初级阶段。菠萝酒色泽金黄透亮、酒香馥郁、果香独特、酒精度低、酸甜可口且營养丰富,保健效果极佳,极具开发潜力。加大我国菠萝酒研发,不仅能够迎合现代人的饮食时尚,还可以提高菠萝的附加值,促进菠萝产品行业经济发展,从而带动我国农业经济发展。因此,对菠萝酒酿造工艺和品质进行深入探索,依然是今后研究的重要方向。

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