探究紅樹莓果酒發(fā)酵過程中揮發(fā)性物質(zhì)的變化

于潤美，姜燕 ，張海悅，翟碩

（長春工業(yè)大學(xué) 化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，吉林長春130012）

樹莓又稱“覆盆子”，薔薇科懸鉤子屬漿果植物，其性微溫，味甘酸，腎經(jīng)、歸肝，具有補(bǔ)肝益腎、明目之功效[1]。樹莓中含有豐富的糖、有機(jī)酸、VC及活性成分如鞣花酸、樹莓酮和黃酮等，具有抗氧化、降血脂、抗癌、提高免疫力等作用[2-4]。以紅樹莓為原料釀造果酒，可以促進(jìn)血液循環(huán)和新陳代謝，達(dá)到護(hù)肝、抗衰老的目的。

模糊數(shù)學(xué)感官評價法[5]考慮了各種評定因素，使評定結(jié)果更加客觀。劉安軍[6]等利用模糊數(shù)學(xué)對鵝肝醬進(jìn)行感官分析，準(zhǔn)確客觀地得到新型鵝肝醬的工藝配方。徐浩[7]等報道了應(yīng)用正交設(shè)計方案和模糊數(shù)學(xué)評價法研究不同配方對米糠酥性餅干感官品質(zhì)的影響，得到風(fēng)味良好的米糠酥性餅干配方。但目前還未見過將模糊數(shù)學(xué)法應(yīng)用在紅樹莓果酒風(fēng)味品評判別中的研究報道。

酒類產(chǎn)品氣味鑒定多依靠感官評定的方法，但人的感官系統(tǒng)容易受外界因素影響，尤其大量樣本更易造成感官疲勞。電子鼻[8-9]是一種能夠模擬人類嗅覺的儀器，可以更標(biāo)準(zhǔn)客觀的對酒的氣味進(jìn)行研究，由于此智能傳感器矩陣系統(tǒng)中含有不同氣味類型傳感器，使其能夠充分地模擬復(fù)雜的鼻子，并快速識別氣味[10-11]。與此同時可以通過電子鼻技術(shù)得到某個樣品身份證明（指紋圖）[12]，輔助專家系統(tǒng)地、科學(xué)地進(jìn)行氣味監(jiān)測、鑒別以及分析。電子鼻可以有效地鑒別魚、雞蛋等新鮮度[10-11]，也可用于檢測經(jīng)過不同處理過的蛋黃以及不同品種蘋果風(fēng)味、果酒風(fēng)味的變化等[12-20]。本文通過模糊數(shù)學(xué)法確定紅樹莓果酒發(fā)酵的最佳工藝條件，采用電子鼻技術(shù)對發(fā)酵過程中紅樹莓果酒揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行氣味分析，為今后探究果酒發(fā)酵過程中揮發(fā)性物質(zhì)與電子鼻響應(yīng)信號間的關(guān)系提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紅樹莓：吉林省白山市玖宏樹莓種植基地；安琪葡萄酒果酒專用酵母：湖北省宜昌市安琪酵母有限公司；白砂糖、檸檬酸：濰坊英軒實(shí)業(yè)公司。

1.2 主要儀器與設(shè)備

電子分析天平（FA2104A）：上海精密儀器有限公司；手持糖度計（ATC）：上海天壘儀器有限公司；INOSE電子鼻：上海昂申智能科技有限公司；WNY-01酒精計：河北滄州醫(yī)藥公司；PHS-3D型pH計：上海精密科學(xué)儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程

紅樹莓→原料分級→清洗→打漿→糖酸調(diào)節(jié)→接種果酒酵母→發(fā)酵→陳釀→澄清→二次調(diào)配→罐裝→殺菌→產(chǎn)品

1.3.2 正交試驗(yàn)設(shè)計方案

根據(jù)單因素結(jié)果，以紅樹莓果酒發(fā)酵溫度、酵母接種量、初始糖度3個因素進(jìn)行三因素三水平優(yōu)化正交試驗(yàn)設(shè)計，相應(yīng)的因素水平見表1。

1.3.3 感官評定方法

由10位品酒員組成品評小組，根據(jù)色澤、香氣、口味、風(fēng)格4個方面進(jìn)行，為提高品評判定的準(zhǔn)確度，要求感官品評人員在不許喝酒，不許吸煙，禁辛辣等刺激性食物前提下進(jìn)行評定，每評定一個樣品前需清水漱口，對樹莓酒樣品進(jìn)行品評，并填寫樹莓酒感官評定表見表2。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表Table 1 The orthogonal experiment factor level table

表2 感官評定表Table 2 Sensory evaluation table

1.3.4 模糊數(shù)學(xué)法的建立

1.3.4.1 模糊矩陣的建立

品評因素集 U＝{U1，U2，U3，U4}，評價等級集 V＝{V1，V2，V3，V4}，則U×V 的模糊關(guān)系可以用模糊矩陣 R 來表示，采用模糊數(shù)學(xué)評價方法對感官評分結(jié)果進(jìn)行分析。評價因素集U是指產(chǎn)品的感官質(zhì)量構(gòu)成因素集合，本研究中 U＝{U1，U2，U3，U4}，其中 U1，U2，U3，U4分別表示色澤、香氣、口味、風(fēng)格。評價等級集V代表對每個因素的評價，本研究中 V＝{V1，V2，V3，V4}。

1.3.4.2 權(quán)重的確定

采用模糊數(shù)學(xué)法對食品的感官質(zhì)量進(jìn)行評定時，評價結(jié)果的正確性與權(quán)重分配方案是否正確有直接影響。本研究依據(jù)樹莓酒感官質(zhì)量指標(biāo)內(nèi)容和評價結(jié)果，色澤、香氣、口味、風(fēng)格的權(quán)重系數(shù)分別為0.15、0.25、0.4、0.2，總和為 1，即權(quán)重集X＝{0.15，0.25，0.4，0.2}。

1.3.4.3 模糊關(guān)系綜合評判集

綜合評判集Y是指進(jìn)行評價產(chǎn)品的集合，Y＝X×R，式中：Y為綜合評判集；X為權(quán)重集；R為模糊矩陣。

1.3.5 紅樹莓果酒理化指標(biāo)以及發(fā)酵過程中揮發(fā)性物質(zhì)的測定

1.3.5.1 糖度和酒精度的測定

糖度采用手持糖度計測定[21]。酒精度測定：100 mL發(fā)酵液、100 mL蒸餾水，混合后蒸餾，得100 mL蒸餾液，然后用酒精計進(jìn)行測量，校正溫度，求出讀數(shù)，即酒精度。一般要求生產(chǎn)果酒的酒精度范圍為5%vol～18%vol[21]。

1.3.5.2 電子鼻檢測方法

采用INOSE電子鼻，該電子鼻系統(tǒng)含有14個不同金屬氧化物傳感器見表3。

表3 傳感器敏感成份表Table 3 Sensitive ingredients list

量取10 mL發(fā)酵不同時間的果酒于電子鼻專用樣品瓶中，用封口膜封口，室溫放置10 min后，待揮發(fā)性香氣物質(zhì)達(dá)到平衡狀態(tài)后，用電子鼻測試一次，每組試驗(yàn)重復(fù)3次。采用動態(tài)頂空法采集氣體，測定條件：進(jìn)樣流量1 L/min，檢測時間60 s，等待進(jìn)樣時間為10 s，平行樣品間的清洗時間為60 s，不同樣品間的清洗時間為300 s。統(tǒng)計分析14個不同選擇性傳感器的相對電導(dǎo)率（G/G0值）。

1.3.6 數(shù)據(jù)處理

利用電子鼻Winmuster分析軟件對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采用主成分分析（principal component analysis，PCA）及線性判別分析（linear discriminant analysis，LDA）。

2 結(jié)果與分析

2.1 紅樹莓果酒發(fā)酵工藝的確定

2.1.1 建立數(shù)學(xué)模糊矩陣

選取10名品評員對正交9組試驗(yàn)中樹莓酒進(jìn)行感官品評，以發(fā)酵溫度22℃，酵母接種量0.4 g/L，初始糖度18°Bx為例，8人認(rèn)為色澤優(yōu)，2人認(rèn)為色澤良，則得到V色澤＝{0.8 0.2 0 0}，同理可得V香氣＝{0.6 0.4 0 0}，V 口味＝{0.5 0.5 0 0}，

V 風(fēng)格＝{0.5 0.5 0 0}，建立色澤、香氣、口味、風(fēng)格4個單因素模糊矩陣，即為同理可得如下：

2.1.2 確定模糊關(guān)系綜合評判集

處理后Y1={0.57 0.43 0 0}同理得：

2.1.3 模糊評價結(jié)論

經(jīng)歸一化處理后得：Y1={0.57 0.43 0 0}；Y2={0.585 0.39 0.025 0}；Y3={0.33 0.385 0.285 0}；Y4={0 0.05 0.4 0.55}；Y5={0.705 0.295 0 0}；Y6={0.161 0.317 0.523 0}；Y7={0.635 0.365 0 0}；Y8={0.625 0.35 0.025 0}；Y9={0.595 0.365 0.04 0}；根據(jù)歸一化結(jié)果得綜合排序?yàn)閅5＞Y7＞Y8＞Y9＞Y2＞Y1＞Y3＞Y6＞Y4。

由以上分析得出紅樹莓果酒發(fā)酵工藝最佳組合為Y5：發(fā)酵溫度為24℃，酵母添加量為0.6/L，初始糖度為 22 °Bx。

2.2 電子鼻對發(fā)酵過程中揮發(fā)性物質(zhì)的響應(yīng)

對發(fā)酵不同時間的紅樹莓果酒進(jìn)行電子鼻檢測分析。測量紅樹莓果酒的揮發(fā)性物質(zhì)，獲取電子鼻14個傳感器對應(yīng)的響應(yīng)圖見圖1。

圖1 發(fā)酵中紅樹莓果酒傳感器響應(yīng)譜圖Fig.1 Sensory response spectrum of raspberry fruit wine in fermentation

圖中每一條曲線代表一個傳感器，曲線上的點(diǎn)代表紅樹莓果酒的揮發(fā)性物質(zhì)經(jīng)過傳感器通道時，電阻率比值（G/G0）隨著檢測時間的變化情況。由1圖可以看出，隨著揮發(fā)物在各個傳感器表面進(jìn)行富集，傳感器電阻比不斷地增大，逐漸平緩，最后趨于平穩(wěn)。另外，傳感器S8、S11（揮發(fā)性有機(jī)化合物烷類、芳烴類、烯類、鹵烴類、醛類、酮類）、S2（氮氧化合物，低分子胺類）、S5（生物合成萜類、酯類）、S1（芳香族化合物類：酚、酚醚、芳香醛）較其他傳感器有更高的相對電阻率值。通過電子鼻傳感器對芳香特征響應(yīng)值的實(shí)驗(yàn)，可以看出電子鼻不僅對紅樹莓果酒揮發(fā)性物質(zhì)有明顯的響應(yīng)，而且每一個傳感器響應(yīng)值各不相同。由此表明利用INOSE電子鼻系統(tǒng)地測量不同的發(fā)酵時間紅樹莓果酒揮發(fā)性物質(zhì)具有可行性。

2.2.1 電子鼻檢測

電子鼻檢測紅樹莓果酒發(fā)酵第1天和第8天的14個傳感器電導(dǎo)率比值隨時間變化的響應(yīng)曲線圖加圖2和圖3。

圖2 發(fā)酵1 d后紅樹莓果酒傳感器響應(yīng)譜圖Fig.2 Sensory response spectrum of raspberry fruit wine after 1 day

圖3 發(fā)酵8 d后紅樹莓果酒傳感器響應(yīng)譜圖Fig.3 Sensory response spectrum of raspberry fruit wine after 8 day

由圖2可見，電子鼻的S1傳感器響應(yīng)曲線首先急劇升高，而后趨于平穩(wěn)；S2、S5、S7、S8、S9、S10、S11、S12號傳感器逐漸升高并最終趨于平穩(wěn)，其他傳感器電阻率（G/G0）變化不明顯。響應(yīng)曲線在60 s之后較為平穩(wěn)，因此試驗(yàn)取60 s。從圖2、圖3中可以看出，在檢測60 s時果汁揮發(fā)性成分最明顯的是S1（芳香族化合物類：酚、酚醚、芳香醛），其次是S2（氮氧化合物，低分子胺類、S5（生物合成萜類、酯類）、S7（脂肪烴含氧衍生物類，小分子的醇、醛、酸、酯）、S12（硫化物）。

2.2.2 紅樹莓果酒發(fā)酵過程中主成分分析結(jié)果

主成分分析（PCA）圖上顯示兩種主要成分的兩維散點(diǎn)圖，較好地展示了樣品間的差異，可以提高分析效率[13]。是果酒在發(fā)酵期間揮發(fā)性成分的PCA主成分分析圖圖4。

圖中每個區(qū)域代表紅樹莓果酒發(fā)酵不同時間的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)。發(fā)酵不同時間果酒在圖中分布在不同位置，通過PCA分析得出，第一主成分（揮發(fā)性有機(jī)化合物烷類、氮氧化合物、硫化物、甲烷類、有機(jī)芳香硫化物、醇類）區(qū)分貢獻(xiàn)率為90.95%，第二主成分區(qū)分貢獻(xiàn)率為9.04%，兩個主成分貢獻(xiàn)率之和為99.99%，已經(jīng)基本代表了樣品的主要信息特征。在發(fā)酵中第1天揮發(fā)性物質(zhì)區(qū)域與第2、3、4天揮發(fā)性物質(zhì)區(qū)域距離較遠(yuǎn)，第2、3、4天揮發(fā)性物質(zhì)區(qū)域與第5、6、7天揮發(fā)性物質(zhì)區(qū)域較遠(yuǎn)，說明揮發(fā)性物質(zhì)變化較大；第8天揮發(fā)性物質(zhì)分布區(qū)域反而與第4天揮發(fā)性物質(zhì)分布區(qū)域較近，其發(fā)酵揮發(fā)性物質(zhì)變化不太明顯。采用PCA進(jìn)行分析地兩個主成分基本代表紅樹莓果酒基本信息特征。

圖4 紅樹莓果酒發(fā)酵中揮發(fā)性成分PCA主成分分析圖Fig.4 The volatile components of principal component analysis during raspberry fruit wine fermentation

2.2.3 紅樹莓果酒發(fā)酵過程中線性判別分析結(jié)果

線性判別分析（LDA）是將信息數(shù)據(jù)進(jìn)行線性組合而重構(gòu)判別函數(shù)，能夠最大限度地區(qū)分不同類型樣本集[14]。不同發(fā)酵時間紅樹莓果酒的LDA分析圖見圖5。

圖5 紅樹莓果酒發(fā)酵過程中的LDA分析圖Fig.5 Linear discriminant analysis during raspberry fruit wine fermentation

按照線性判別分析方法，第一主成分（揮發(fā)性有機(jī)化合物烷類、氮氧化合物、硫化物、甲烷類、有機(jī)芳香硫化物、醇類）區(qū)分貢獻(xiàn)率為90.1%，第二主成分區(qū)分貢獻(xiàn)率為8.2%。第一、第二主成分總的區(qū)分貢獻(xiàn)率共98.3%，果酒在發(fā)酵的不同時間區(qū)域分布幾乎不重疊，說明LDA分析能很好地區(qū)分不同發(fā)酵時間紅樹莓果酒的揮發(fā)性物質(zhì)。

3 結(jié)論

本研究采用模糊數(shù)學(xué)法對紅樹莓果酒感官進(jìn)行評定，經(jīng)品評和建立模糊數(shù)學(xué)模型，得出紅樹莓果酒最佳的發(fā)酵工藝。在此條件下，采用電子鼻對其發(fā)酵過程中揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行分析，初步判斷果酒獨(dú)特的風(fēng)味組成及其變化。試驗(yàn)結(jié)果表明，傳感器 S8、S11、S2、S5、S1較其他傳感器有更高的相對電阻率值；通過傳感器優(yōu)化系統(tǒng)分析變化最明顯的是S1，其次分別是S2、S5、S7、S12，其他傳感器在發(fā)酵過程中變化不明顯；經(jīng)過PCA處理后的數(shù)據(jù)，第一、第二主成分貢獻(xiàn)率達(dá)99.99%，可代表發(fā)酵過程中的主要?dú)馕缎畔⑻卣?；?jīng)過LDA分析后的數(shù)據(jù)，第一、第二主成分總區(qū)分貢獻(xiàn)率達(dá)98.5%，可說明果酒在發(fā)酵的不同時間段區(qū)分明顯。因此，利用電子鼻技術(shù)檢測紅樹莓果酒揮發(fā)性物質(zhì)的變化是具有可行性，以后還需針對陳釀過程中紅樹莓果酒作進(jìn)一步探討，并結(jié)合傳感器的優(yōu)化和模式識別技術(shù)作深度研究。

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