藜麦格瓦斯发酵工艺优化及挥发性风味物质分析

孙子羽，满都拉，郝 欢，温 慧，刘 婷，陈忠军*

（内蒙古农业大学 食品科学与工程学院，内蒙古 呼和浩特 010018）

藜麦（Chenopodium quinoaWilld.）又称藜谷、南美藜、昆诺阿藜等，是藜属的一年生双子叶植物，起源于南美洲安第斯山区，是该地区最早栽培的植物之一[1-2]。藜麦具有比大多数谷类作物蛋白质含量更高、氨基酸比例更加均衡的优点，且藜麦不含麸质，适于对麸质过敏的人群食用[3]。藜麦的维生素含量也很丰富（如维生素E、维生素C和B族维生素），还富含类胡萝卜素、叶黄素和玉米素，这些物质含量均高于常规谷物[4]。值得关注的是，藜麦中还含有丰富的黄酮、多酚和不饱和脂肪酸等营养功能因子，具有抗氧化、降血脂、增强免疫等生理功效，从而能够降低一些慢性疾病的发生风险[5]。

格瓦斯是一种以谷物或面包为原料，由乳酸菌和酵母菌发酵而成的含酒精饮料[6]，与加利亚布扎、德国啤酒、美国可乐一同被誉为“世界四大民族饮品”[7-9]。格瓦斯口感醇香带甜，具有开胃、健脾、增进人体消化功能等多种功效[10]，是可代酒助兴的良好保健饮料。目前，对格瓦斯的研究主要集中在新品格瓦斯的开发上，方法主要是在原料中加入谷物、果蔬、花卉等[11-14]，而以藜麦为原料的格瓦斯鲜有报道。

本研究以大麦芽、焦香麦芽、藜麦为原料制备格瓦斯饮料，通过单因素试验和正交试验对格瓦斯发酵原料的配比及工艺进行优化，并利用顶空固相微萃取-气质联用（head space solid phase micro-extraction-gas chromatography-mass spectrometry，HS-SPME-GC-MS）法鉴定藜麦格瓦斯挥发性风味成分，以期为藜麦杞格瓦斯中香味物质的认识和藜麦相关产品的开发提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

藜麦、大麦芽、焦香麦芽：市售；酒花：新疆方睿啤酒原料制品有限责任公司；啤酒酵母、α-淀粉酶（40000U/g）：安琪酵母股份有限公司；乳酸菌：本实验室分离筛选保存的嗜热链球菌（Streptococcus thermophilus）；糖化酶（50 000 U/g）：山东朴正生物科技有限公司。

1.2 仪器与设备

PB-10精密电子pH计：赛多利斯科学仪器（北京）有限公司；PAL-1糖度仪：日本ATAGO（爱拓）公司；HWS-12电热恒温水浴锅：上海一恒科学仪器有限公司；SPME装置：上海安谱实验科技股份有限公司；Trace1300-ISQ型GC-MS联用仪：美国赛默飞世尔科技公司。

1.3 方法

1.3.1 藜麦格瓦斯生产工艺流程及操作要点

粉碎：将大麦芽、焦香麦芽、藜麦粉碎过40目筛备用。

液化：在混合好的麦芽中按料水比（1∶12）加入纯净水，然后加入0.5%的淀粉酶，85～95℃蒸煮1 h。

糖化：将液化好的麦芽汁降温至65℃，添加4%的糖化酶，60℃水浴保温1 h。

过滤：用双层纱布过滤。

灭酶：将过滤后的麦芽汁装入敞口的发酵瓶中，置于水浴锅中煮沸90 min，在煮沸10 min时加入酒花。

菌株活化：采用啤酒活性干酵母及实验室保存的嗜热链球菌进行发酵。将嗜热链球菌接种到MRS培养基中，按2%（V/V）接种量活化三代至活菌浓度为3×107CFU/mL。啤酒活性干酵母按料水比为1∶10（W/V），加入2%蔗糖，置于35℃水浴锅中活化30 min至大量起泡即酵母活化完成。

接种：在超净台中完成，以防止污染。

发酵：发酵瓶用带有单向阀的瓶盖密封，置于恒温培养箱中。

贮存熟化：将发酵液密封置于4℃冷藏柜7 d。

巴氏杀菌：65～70℃杀菌12～15 min。

1.3.2 藜麦格瓦斯发酵工艺优化单因素试验

固定初始麦芽添加总量30 g，酒花添加量0.4%，藜麦添加量8%，接种量3%，接种比（酵母菌∶乳酸菌）2∶1，发酵温度25℃，发酵时间16 h。分别改变大麦芽与焦香麦芽的比例（9∶1、8∶2、7∶3、6∶4、5∶5）、藜麦添加量（0、4%、8%、12%、16%）、接种量（1%、2%、3%、4%、5%）、接种比（3∶1、5∶2、2∶1、3∶2、1∶1）、发酵时间（8 h、12 h、16 h、20 h、24 h）、发酵温度（30.0℃、27.5℃、25.0℃、22.5℃、20.0℃），对格瓦斯粗品进行感官评定以确定每个因素的最佳水平。

1.3.3 藜麦格瓦斯发酵工艺优化正交试验

表1 藜麦格瓦斯发酵条件优化正交试验因素与水平Table 1 Factors and levels of orthogonal experiments for fermentation process optimization of quinoa kvass

在单因素试验的基础上，设计4因素3水平正交试验，考察发酵温度、接种量、接种比和发酵时间对格瓦斯感官品质的影响，正交试验因素与水平见表1。

1.3.4 测定方法

感官评价：根据国家标准GB/T 16861—1997《感官分析通过多元分析方法鉴定和选择用于建立感官剖面的描述词》，选择描述词，根据GB/T 10220—2012《感官分析方法学总论》建立感官评分标准，见表2。选定20人（男女各10人），根据表2标准主要围绕色泽、气泡、口感风味和组织状态对藜麦格瓦斯进行感官评定。

表2 藜麦格瓦斯感官评分标准Table 2 Standard of sensory evaluation of quinoa kvass

藜麦格瓦斯中挥发性风味物质分析采用气质联用法，其前处理：精密量取8.0 mL藜麦格瓦斯放入20 mLSPME样品瓶中，将老化后的萃取头插入样品瓶顶空部分进行萃取，在60℃水浴条件下平衡10 min，萃取头顶空吸附30 min后，在GC进样口释放1 min。

挥发性风味成分的气相色谱-质谱条件为DB-5毛细色谱柱（30 m×0.25 mm，0.25 μm）；载气为氦气（He）；载气流速1.0 mL/min；离子源温度230℃；进样口温度250℃；升温程序：初始温度50℃保持1 min，以2℃/min升温至100℃保持3 min，再以4℃/min升温至220℃保持10 min，不分流进样；质量扫描范围（m/z）50～550；溶剂延迟1 min。

2 结果与分析

2.1 藜麦格瓦斯发酵条件优化单因素试验

2.1.1 大麦芽与焦香麦芽比例的确定

由图1可知，在固定初始主原料配比和发酵条件下，藜麦格瓦斯感官评分随大麦芽和焦香麦芽的比例升高呈现先升高后下降趋势。在大麦芽和焦香麦芽的比例为7∶3时感官评分达到最大值85.3分，此时藜麦格瓦斯呈深黄色，且焦香味较好，故大麦芽与焦香麦芽最佳比例确定为7∶3。

图1 大麦芽与焦香麦芽比例对藜麦格瓦斯感官评分的影响Fig.1 Effect of barley malt to burnt malt ratio on sensory evaluation score of quinoa kvass

2.1.2 藜麦添加量的确定

由图2可知，在其他条件不变情况下，藜麦格瓦斯感官评分随藜麦添加量的增加呈现先升高后下降的趋势。在无藜麦添加时，格瓦斯口感虽均衡，但无特征风味，在藜麦添加量为12%时，感官评分达到最大值86.4分，此时藜麦特有的香味丰富，酸甜平衡，故藜麦最优添加量确定为12%。

图2 藜麦添加量对藜麦格瓦斯感官评分的影响Fig.2 Effect of quinoa addition on sensory evaluation score of quinoa kvass

2.1.3 接种量的确定

图3 接种量对藜麦格瓦斯感官评分的影响Fig.3 Effect of inoculum on sensory evaluation score of quinoa kvass

由图3可知，在其他条件固定情况下，藜麦格瓦斯感官评分随接种量的增加整体呈现先升高后下降的趋势。在接种量为3%时，感官评分达到最大值87.4分，此时藜麦格瓦斯含气丰富，口感平衡，故最佳接种量确定为3%。

2.1.4 接种比的确定

由图4可知，在其他条件不变情况下，藜麦格瓦斯感官评分随酵母菌和乳酸菌的比例减小呈现先升高后下降趋势。在酵母菌与乳酸菌比例为2∶1时，感官评分达到最大值87.5分，此时藜麦格瓦斯口感均匀，气味协调，故酵母菌与乳酸菌最佳接种比确定为2∶1。

图4 接种比对藜麦格瓦斯感官评分的影响Fig.4 Effect of inoculation proportion on sensory evaluation score of quinoa kvass

2.1.5 发酵时间的确定

由图5可知，在其他条件不变情况下，发酵时间对藜麦格瓦斯感官评分的影响类似于接种比对其的影响。在发酵16 h时，感官评分达到最大值87.0分，此时藜麦格瓦斯酸甜适口。随发酵时间延长，发酵液糖度和酸度下降明显使黎麦格瓦斯口感较酸，故最佳发酵时间确定为16 h。

图5 发酵时间对藜麦格瓦斯感官评分的影响Fig.5 Effect of fermentation time on sensory evaluation score of quinoa kvass

2.1.6 发酵温度的确定

由图6可知，在其他条件都确定的情况下，发酵温度对藜麦格瓦斯感官评分的影响表现为先升高后下降。在25.0℃时，感官评分达到最大值84.4分，此时藜麦格瓦斯杀口感均匀，且稍有啤酒的香味，因此，确定最佳发酵温度为25.0℃。

图6 发酵温度对藜麦格瓦斯感官评分的影响Fig.6 Effect of fermentation temperature on sensory evaluation score of quinoa kvass

2.2 藜麦格瓦斯发酵条件优化正交试验

表3 藜麦格瓦斯发酵条件优化正交试验结果与分析Table 3 Results and analysis of orthogonal experiments for fermentation conditions optimization of quinoa kvass

由表3可知，影响藜麦格瓦斯感官评分的因素主次顺序为接种量（B）＞接种比（C）＞发酵温度（A）＞发酵时间（D），最优工艺组合为A1B1C1D1，即发酵温度23℃、接种量2.5%、接种比1.8∶1.0、发酵时间16 h时，在此优化条件下所得藜麦格瓦斯的感官评分为87.4分。

2.3 藜麦格瓦斯的挥发性风味物质分析

采用HS-SPME结合GC-MS萃取分离鉴定藜麦格瓦斯中的挥发性成分，通过美国国家标准与技术研究院（national institute of standards and technology，NIST）数据库检索，藜麦格瓦斯的挥发性风味物质组成见表4。

表4 藜麦格瓦斯中挥发性成分的GC-MS分析结果Table 4 Analysis results of volatile flavor substances in quinoa kvass by GC-MS

由表4可知，在检测到的挥发性风味物质中，醇类化合物所占的比例最大，占全部挥发性风味物质的65.82%，共有13种，其中苯乙醇含量最高，占总挥发性物质的25.74%，其次是异戊醇，占18.68%。苯乙醇具有柔和、愉快而持久的玫瑰香味[15]，异戊醇有苹果白兰地香气和辛辣味[16]，这两种物质在形成藜麦格瓦斯整体风味中具有重要作用。

酯类物质所占比例仅次于醇类物质，占检出总量的23.09%。共有16种，排在前三的分别为辛酸乙酯、癸酸乙酯和正己酸乙酯，各自占总挥发性物质的7.78%、3.52%和3.15%。辛酸乙酯具有梨子香味[17]，癸酸乙酯具有椰子香味[18]，正己酸乙酯具有水果香味，能够起到很好的香气修饰效果[19]。酯类物质整体提供了怡人的果香香气，可使藜麦格瓦斯变得清甜醇香[20]。

酸类物质共检测到9种，占检出总量的6.79%，其中正癸酸和辛酸含量较高，分别为2.65%和2.05%。适量的酸可对格瓦斯起缓冲作用，协调、烘托格瓦斯的主体香。醛类物质共检测到6种，分别是3,5-二甲基苯甲醛、苯乙醛、异戊醛、椰子醛、壬醛和2-甲基十一醛，其中苯乙醛具有甜香味、壬醛具有玫瑰花香，椰子醛具有苦杏仁或桃花香[21]。另外，还检测到2种酮类物质、1种烃类物质和1种酚类物质，其中甲基庚烯酮和2-壬酮都具有具有水果香气，2-甲氧基-4-甲基苯酚具有香辛料、丁香、香兰素和烟熏香气。这些物质共同组成了藜麦格瓦斯独特的风味。

3 结论

采用单因素及正交试验对以大麦芽、焦香麦芽、藜麦为原料的格瓦斯发酵工艺进行优化，结果表明，藜麦格瓦斯最佳发酵工艺为大麦芽∶焦香麦芽7∶3、藜麦添加量12%、接种量2.5%（V/V）、接种比例（酵母菌∶乳酸菌）1.8∶1.0、发酵温度23℃、发酵时间16 h。在此工艺条件下，得到藜麦格瓦斯饮料颜色呈深黄色、酸甜爽口、风味良好，感官评分为87.4分。

利用顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用（HSSPME-GC-MS）技术分析藜麦格瓦斯挥发性风味成分，共鉴定出48种挥发性风味物质，其中包括醇类13种（含量65.82%）、酯类16种（含量23.09%）、酸类9种（含量6.79%）、醛类6种（含量1.36%）、烃类1种（含量0.86%）、酚类1种（含量1.57%）、酮类2种（含量0.51%）。藜麦格瓦斯中主要风味物质为醇类、酯类和酸类。主要风味化合物为苯乙醇（25.74%）和异戊醇（18.68%）等。