果胶酶低温处理山楂鲜果浆制备山楂酒工艺优化

2017-10-19武美

食品工业科技 2017年19期

, ,2,3，*,,2,3,,2,3, ,2,3,武美

(1.江南大学粮食发酵工艺与技术国家工程实验室,江南大学食品学院,江南大学食品安全与营养协同创新中心,江苏无锡 214122;2.国家黄酒工程技术研究中心,浙江绍兴 312000;3.江南大学(如皋)食品生物技术研究所,江苏如皋 226500；4.江苏沐兰食品股份有限公司,江苏镇江 212125)

张铎1,毛健1,2,3，*,刘双平1,2,3,周志磊1,2,3,韩笑1,2,3,武健美4

由于山楂中存在大量果胶,制作山楂酒需对山楂果浆进行澄清处理。现有工艺多采用高温浸提或高温酶解的方式,两种处理方式温度较高,对山楂风味及营养都有不利影响。本研究通过优化果胶酶的处理温度、添加量、处理时间等条件,开发新型低温酶解工艺处理山楂鲜果浆,进而制备发酵山楂酒。本研究发现在35 ℃条件下添加0.15 mL/L果胶酶处理4 h后,山楂鲜果浆的透光率可高达93%。同时该工艺相比未添加果胶酶处理的山楂果浆,还原糖含量由8.2 g/L上升至14.2 g/L,总酸含量从5.5 g/L上升至7 g/L,对还原糖和总酸的提取效果较好。测定35 ℃处理山楂果浆主要风味指标优于果胶酶55 ℃酶解处理发酵的山楂酒。

果胶酶,优化,山楂果浆,透光率,山楂酒

山楂(CrataeguspinnatifidaBunge)是一种我国的传统水果,属于蔷薇科山楂属,是我国北方地区重要的栽培水果[1]。传统发酵山楂酒制作工艺为对山楂进行热浸提制备山楂汁进而发酵制备。如有报道采用先在-35 ℃温度冷冻6 h后85 ℃高温浸提山楂果20 h,再使用果胶酶酶解浸提液制作山楂酒[2]。该方法采用高温浸提易导致山楂营养成分及风味物质被破坏,并且整果浸提时山楂果破坏不完全,营养物质不能充分溶解,同时高温下易发生美拉德反应,影响山楂酒的风味口感,因此有必要探究低温条件下处理山楂鲜果的可行性。

鲜果浆发酵山楂酒是先将山楂粉碎打浆,进行果胶酶处理后直接发酵,发酵结束后进行离心过膜罐装。鲜果浆发酵山楂酒由于其低温工艺避免了高温处理山楂造成的风味营养损失,同时山楂果经过打浆破坏完全。山楂果中丰富的果胶含量导致酒体浑浊透光率低[3],粘度大口感差,因此需要对山楂果浆进行果胶酶处理,降低粘度提升透光率。果胶是一种杂多糖,主要由D-半乳糖醛酸通过α-(1,4)糖苷键连接成的直链高分子化合物[4]。果胶酶是能分解果胶质的多种酶的总称,包括果胶聚半乳糖醛酸酶、聚甲基半乳糖醛酸酶、果胶甲酯水解酶、原果胶酶等[5]。

目前,国内外关于果胶酶处理果汁已有部分报道。有研究发现香蕉汁悬浮颗粒主要是由蛋白质与碳水化合物组成,在酸性条件下,带正电荷的蛋白质被带负电荷的果胶包裹形成稳定的混浊体系,香蕉原汁中悬浮颗粒的平均粒径小而稳定,经过Pectinex SMASH处理后表面果胶被分解,内部蛋白质相互吸引聚集增大,最终形成聚合物而凝沉使果汁澄清[6]。由此可见,果胶酶可以酶解果胶,显著提升透光率,但目前果胶酶处理的温度普遍较高。有报道发现果胶酶处理山楂汁的最优条件为1.36 U/mL,50 ℃处理1.7 h[7]。可见探究的重点集中在果胶酶最适温度50～55 ℃条件下果胶酶的添加量。因该温度下仍会对山楂果浆风味营养品质产生不良影响[8],有必要探究优化更低温度下果胶酶处理的最佳条件。相关文献表明透光率达到90%～95%可认为果汁基本澄清[7]。

本文对果胶酶Novozymes Pectinex Yield MASH处理山楂鲜果浆的最优条件进行了探究,从山楂鲜果浆的果胶酶处理到制作发酵山楂酒都维持在较低温度,避免高温条件对山楂果浆风味营养的破坏,为山楂鲜果浆低温处理进而发酵山楂酒的工艺提供了指导。

1 材料与方法

1.1材料与仪器

五棱山楂购自山东省枣庄市;Novozymes Pectinex Yield MASH果胶酶(30000 U/mL) 诺维信生物技术有限公司;RV171商业安琪酿酒酵母安琪酵母股份有限公司;其他试剂为国产分析纯。

DFY-300型摇摆式高速万能粉碎机温岭市林大机械有限公司;FE-20型pH计梅特勒-托利多公司;7230G型分光光度计上海佑科仪器有限公司;EL3002型电子天平梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司;RJ-LDL-50G型台式低速大容量离心机无锡瑞江分析仪器有限公司;AR-1000型流变仪美国TA仪器公司(英国分公司);Thermo Fisher Trace气相色谱质谱联用仪美国Thermo公司;Sy-2型错流膜过滤器绍兴海纳膜技术有限公司。

1.2实验方法

1.2.1 制备山楂鲜果浆将山楂洗净去核,使用粉碎机粉碎,按1∶4的料水比(以质量计)加入打浆机中打浆,制得山楂果浆。

1.2.2 果浆发酵山楂酒的制备将山楂果浆进行果胶酶处理,处理3 L山楂果浆装入5 L烧杯中,补糖200 g/L,按添加量2 g/L活化6 g安琪商业酵母菌并加入烧杯中,放入22 ℃恒温培养箱中静置发酵,每天监测理化指标,当残糖低于10 g/L时视为发酵结束,用低速大容量离心机离心处理,取上清液于干净烧杯中,再过微滤膜装入容器得到果浆发酵山楂酒[2]。

1.2.3 果胶酶处理温度对山楂果浆澄清效果的影响添加0.2 mL/L果胶酶在不同温度下处理5 h观察山楂果浆澄清效果。设置如下温度梯度:20、25、30、35、40、50 ℃,每组3个平行。处理结束后离心,离心条件:转速5000 r/min,离心时间10 min。取上清液测定如下指标判断处理效果:透光率、pH、总酸、还原糖、粘度。

1.2.4 果胶酶添加量对山楂果浆澄清效果的影响在35 ℃条件下分别加入0、0.01、0.02、0.05、0.08、0.1、0.15、0.2、0.3、0.5 mL/L的果胶酶处理山楂果浆5 h,每组3个平行,处理结束后离心,离心条件:转速5000 r/min,离心时间10 min。取上清液测定如下指标判断处理效果:透光率、pH、总酸、还原糖、粘度。

1.2.5 果胶酶处理时间对山楂果浆澄清效果的影响添加0.15 mL/L果胶酶在35 ℃条件下比较不同处理时间对山楂果浆澄清效果的影响。在35 ℃条件下分别处理0、1、2、3、4、5 h,每组3个平行,处理结束后离心,离心条件:转速5000 r/min,离心时间10 min。取上清液测定如下指标判断处理效果:透光率、pH、总酸、还原糖、粘度。

1.2.6 相关理化指标测定方法透光率:取离心后的上清液,以蒸馏水作为对照,使用分光光度计在670 nm处测定透光率T[8-9];粘度:使用质构流变仪测定样品的粘度;总酸:采用电位滴定法[10];还原糖:使用DNS法测定[11];pH:使用pH计法[10];酒度:采用蒸馏法测定[10]。

1.2.7 不同果胶酶处理温度果浆发酵山楂酒风味物质检测分别在35 ℃和55 ℃条件下使用果胶酶处理山楂果浆,按1.2.2制备果浆发酵山楂酒,取样测定风味物质。样品处理:将山楂酒酒精度稀释至3%,取6 mL稀释后酒液,加到20 mL顶空瓶中,加1.5 g NaCl,30 μL内标(8800 μg/L 2-辛醇)。使用50/30 μm DVB/CAR/PDMS萃取头(使用前250 ℃老化30 min),50 ℃下吸附40 min,250 ℃解吸7 min,用于GC-MS测定。GC条件:色谱柱:TG-WAXMS(30 m×0.25 μm×0.25 mm);进样口温度:250 ℃;程序升温:40 ℃保持3 min;6 ℃/min升温至100 ℃;10 ℃/min升温至230 ℃,保持7 min;载气:高纯氦气(>99.999%),不分流,流速为1.0 mL/min。MS 条件:离子化方式:EI,发射电流:50 μA,电子能量:70 eV,离子源温度:230 ℃,传输线温度:250 ℃,扫描范围:33～400 amu[12]。

1.2.8 数据处理和分析方法利用Excel2013整理分析实验数据,使用Origin Pro 8.0绘制相关图表。

2 结果与分析

2.1果胶酶处理温度优化实验

热处理会对果汁品质产生不良影响,万鹏[13]等人研究发现热处理过程中抗坏血酸和总酚含量明显下降,同时热处理还会导致果汁风味香气成分和营养物质的热降解。因此有必要探究果胶酶能否在较低温度下处理山楂鲜果浆,使其离心过滤后透光率提升至90%以上。实验发现在果胶酶添加量为0.2 mL/L,处理时间5 h的条件下,果胶酶处理时温度变化对于山楂果浆的pH、总酸和还原糖影响较小,pH基本维持在3.12左右,总酸含量为6.9 g/L左右,而还原糖在14 g/L左右。

果胶酶活力受温度变化影响较大,50 ℃左右被认为是果胶酶处理的最适温度[14-15]。如图1所示,果胶酶处理时间为5 h,处理温度在25～30 ℃时,山楂果浆透光率很低为10%～30%。说明此温度下果胶酶活力很低,即使处理时间为5 h,果胶酶也不足以酶解山楂鲜果浆中的果胶。当处理温度达到35 ℃后山楂果浆的透光率可以达到90%。如图2所示粘度呈现先下降后不变的趋势,当处理温度达到35 ℃后粘度可以达到0.03 Pa·s以下。因此使用果胶酶处理山楂鲜果浆,处理温度必须达到35 ℃以上,果胶酶较好的处理效果。

图1 果胶酶处理温度对透光率影响Fig.1 Effect of pectinase treatmenttemperature on transmittance

图2 果胶酶处理温度对粘度影响Fig.2 Effect of pectinase treatment temperature on viscosity

2.2果胶酶添加量优化实验

处理山楂鲜果浆中果胶酶的添加量是影响生产成本的重要因素,因此在能够处理至满意效果的前提下,果胶酶的添加量越少越好[16],有必要对果胶酶的添加量进行优化,探究果胶酶在35 ℃条件下处理山楂鲜果浆5 h后离心处理得到的山楂果浆透光率在90%以上的最佳添加量。

2.2.1 果胶酶添加量对透光率的影响透光率是衡量果汁澄清度的指标,透光率越高表明果汁越澄清[7,17]。果胶酶添加量直接影响山楂果浆的透光率,果胶酶会酶解裹复在浑浊物颗粒表面以保护胶体形式存在的果胶。当果胶被酶解后,这些浑浊物失去了保护,浑浊物颗粒相互絮凝在果汁中沉淀[18],再经过离心过滤处理去除沉淀后山楂果浆的透光率上升。如图3所示,35 ℃条件下经果胶酶处理5 h的山楂果浆透光率随果胶酶添加量的增加呈先上升后不变的趋势,未进行果胶酶处理时,山楂果浆透光率仅为67%。在添加果胶酶处理后,山楂果浆的透光率在添加量0～0.15 mL/L时迅速升高,当果胶酶添加量达到0.15 mL/L后,山楂果浆的透光率基本不变,维持在93%～95%左右。此时透光率可达满意效果,因此从透光率考虑果胶酶的添加量应为0.15 mL/L。

图3 果胶酶添加量对透光率的影响Fig.3 Effect of pectinase content on transmittance

2.2.2 果胶酶添加量对pH影响如图4所示,处理后的山楂果浆pH随果胶酶添加量的增加总体上呈反S型,果胶酶添加量较少时,即添加量为0～0.05 mL/L时,pH变化很小维持在3.18左右,当果胶酶添加量为0.05～0.1 mL/L时,山楂果浆pH下降较快从3.18降至3.07左右,果胶酶添加量达到0.1 mL/L后,随着果胶酶添加量的升高,pH基本不变。可能由于适量的果胶酶加入后酶解果胶,分解成为果胶酸和果胶酯酸[5,19],这些物质呈现弱酸性导致pH的降低,随着添加量继续增加果胶基本被酶解完全,不再继续酶解生成酸性物质,pH保持稳定。

图4 果胶酶添加量对pH的影响Fig.4 Effect of pectinase content on pH

2.2.3 果胶酶添加量对总酸影响处理后的山楂果浆总酸随果胶酶添加量的增加呈先上升后稳定的趋势,如图5所示,当果胶酶添加量为0～0.08 mL/L时,山楂酒的总酸上升较快,从5.5 g/L升至约7.0 g/L,当果胶酶添加量达到0.08 mL/L后,总酸基本稳定不变,维持在到7 g/L左右。果胶酶添加量对总酸的影响变化在0.05 mL/L后总体上和果胶酶对pH的变化图反应的内容保持一致。可能由于开始时果胶酶添加量较少,导致仅有少量果胶被酶解成果胶酸和果胶酯酸溶入果汁中,两种物质未电离完全,因此总酸虽然升高而pH却几乎不变[6]。随着果胶酶添加量的上升,果胶逐渐被全部酶解,生成的果胶酸和果胶酯酸电离完全[19],此时总酸和pH的变化趋势保持一致,即pH先降低后不变,总酸先升高后不变。

图5 果胶酶添加量对总酸的影响Fig.5 Effect of pectinase contenton total acids

2.2.4 果胶酶添加量对还原糖影响如图6所示,处理后的山楂果浆还原糖随果胶酶添加量的增加呈现先平稳后上升的趋势,当果胶酶的添加量从0～0.1 mL/L时,还原糖含量基本维持在8 g/L左右。当果胶酶添加量从0.1～0.3 mL/L时,还原糖含量升高较快,而后还原糖基本维持稳定。说明随着果胶酶使用量的提高,山楂中的各种成分越来越多地溶进山楂果浆中,由于果胶酶的作用,还原糖表面的果胶被解离,这部分还原糖导致山楂果浆中还原糖含量升高[20]。当果胶酶添加量在0.1～0.15 mL/L时,果胶酶添加量增加了0.05 mL/L,还原糖从8.3 g/L升至10.9 g/L,增加了2.6 g/L;当果胶酶添加量从0.15 mL/L到0.3 mL/L时,果胶酶添加量增加了0.15 mL/L,而还原糖含量仅从10.9 g/L升至14.2 g/L,增加了3 g/L。虽然还原糖都升高3.3 g/L,但果胶酶添加量前者仅为后者的1/2,说明前者的使用效率更高。因此从经济角度考虑,果胶酶添加量为0.15 mL/L较为合适。

图6 果酶添加量对还原糖的影响Fig.6 Effect of pectinase content on reducing sugar

2.2.5 果胶酶添加量对粘度影响如图7所示,处理后的山楂果浆粘度随果胶酶添加量的增加呈先上升后下降最后基本不变的趋势。不添加果胶酶时山楂果浆粘度较低,随着果胶酶添加量从0上升至0.05 mL/L时,山楂果浆粘度迅速上升,从0.05 Pa·s升高至11.22 Pa·s,这可能是由于加入少量果胶酶后山楂中的果胶溶入水中,而果胶酶的添加量较少,不足以酶解大量果胶,因此导致山楂果浆粘度迅速升高,当果胶酶添加量为0.05～0.15 mL/L时,山楂果浆粘度迅速降低,从11.22 Pa·s降至0.02 Pa·s,此后随果胶酶添加量的增加,山楂果浆中影响粘度的主要成分果胶逐渐被果胶酶酶解,因此山楂果浆的粘度迅速降低,当果胶酶添加量达到0.15 mL/L后,粘度基本不变。

图7 果胶酶添加量对粘度的影响Fig.7 Effect of pectinase content on viscosity

结合前述图表可以看出,果胶酶添加量为0～0.05 mL/L时,山楂果浆中总酸等逐渐升高,粘度也随之升高,随着果胶酶添加量继续增加,山楂果浆中总酸继续升高,还原糖逐渐升高,粘度逐渐降低。透光率在添加量达到0.15 mL/L后可达93%。综合前述分析,结合产品质量、经济因素综合考虑,果胶酶在35 ℃条件下的最适添加量为0.15 mL/L。

2.3果胶酶处理时间优化实验

果胶酶处理时间也影响最终的处理效果,当果胶酶添加量一定时,处理温度升高时,所需的处理时间较少,当处理温度降低时,所需的处理时间有所增加。山楂鲜果浆的处理过程会与空气接触,其中的营养物质和风味成分会被氧化[21]。因此果胶酶处理需要静置、密封,尽量减少与空气的接触,同时在保证酶处理效果的前提下尽量减少处理时间。前述实验已确定果胶酶的添加量,降低了果胶酶的处理温度,现需要优化确定0.15 mL/L果胶酶35 ℃条件下处理山楂果浆至透光率达到90%以上的最少处理时间。

前期实验表明果胶酶处理时间变化对于pH、总酸及还原糖影响较小,pH维持在3.2左右,总酸约为6.8 g/L,还原糖约为11 g/L,但对于透光率的影响较为明显。从图8中可以看出,随着处理时间的增加,透光率整体呈现上升趋势,当处理时间达到4 h后透光率达到93%。从图9中可以看出,随着处理时间的增加,粘度总体呈下降趋势,处于较低水平。当处理时间达到4 h后,粘度降至0.03 Pa·s。因此确定0.15 mL/L果胶酶35 ℃条件下处理山楂鲜果浆的时间为4 h。此时山楂果浆经离心处理后的透光率粘度均能达到满意效果。

图8 果胶酶处理时间对透光率的影响Fig.8 Effect of pectinase processing time on transmittance

图9 果胶酶处理时间对粘度的影响Fig.9 Effect of pectinase processing time on viscosity

2.4山楂鲜果浆发酵山楂酒

2.4.1 发酵山楂酒理化指标按1.2.2制备果浆发酵山楂酒并测定理化指标,见表1。实验表明,果胶酶35 ℃条件下处理山楂果浆进而发酵制得的山楂酒理化指标均符合山楂酒行业标准:QB/T 1983-1994《山楂酒》。

表1 果浆发酵山楂酒理化指标Table 1 The physical and chemical index ofthe fermented hawthorn wine

2.4.2 发酵山楂酒风味指标对山楂果浆分别采用35 ℃和55 ℃进行果胶酶处理并制作果浆发酵山楂酒。果酒中的主要风味物质乙酸乙酯、乙酸异戊酯、异戊醇、辛酸乙酯、苯乙醇等[22],测定两种山楂酒的上述主要风味物质,具体含量见表2。

表2 果浆发酵山楂酒主要风味成分含量Table 2 The main flavor components content ofthe fermented hawthorn wine

除辛酸乙酯外,35 ℃果胶酶处理山楂鲜果浆发酵山楂酒的风味成分:乙酸乙酯、乙酸异戊酯、异戊醇、苯乙醇等含量均高于55 ℃果胶酶处理山楂果浆发酵山楂酒。说明果胶酶35 ℃低温处理山楂果浆后酿造的果浆发酵山楂酒的风味较好,可能由于山楂果浆未经高温处理,避免了高温条件破坏风味物质。

3 结论

果胶是导致山楂果浆及山楂酒粘度高口感差、透光率低较浑浊的主要原因。果胶酶处理山楂果浆可以降解果胶,降低粘度提升透光率。通过上述果胶酶优化实验表明果胶酶在较低温度35 ℃条件下可以较充分酶解果胶使果浆的透光率达到90%。进一步实验表明,果胶酶在较低温度下处理料液比为1∶4的山楂鲜果浆最佳条件为:果胶酶添加量0.15 mL/L,处理温度35 ℃,处理时间4 h,此时山楂鲜果浆经离心过滤操作后的得到的山楂果浆透光率为93%,相比未添加果胶酶处理的山楂果浆,pH从3.18降至3.07左右,还原糖含量由8.2 g/L上升至14.2 g/L,总酸含量从5.5 g/L上升至7 g/L,粘度降至0.02 Pa·s,对还原糖和总酸的提取效果较好且粘度较低。使用经处理的山楂鲜果浆发酵制得的山楂酒主要风味成分优于55 ℃酶解山楂果浆制得的山楂酒。实验表明在较低温度下使用果胶酶处理山楂鲜果浆具备可行性,并制作了山楂鲜果浆发酵山楂酒,为今后工业中低温处理山楂果浆进而发酵山楂酒提供了指导。

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Optimizationoflowtemperaturepectinasehydrolysistreatmentoffreshhawthornpulpforpreparationofhawthornwine

ZHANGDuo1,2,3,MAOJian1,2,3*,LIUShuang-ping1,2,3,ZHOUZhi-lei1,2,3,HANXiao1,2,3,WUJian-mei4

(1.National Engineering Laboratory for Cereal Fermentation Technology,Jiangnan University,School of Food Science and Technology,Jiangnan University,Synergetic Innovation Center ofFood Safety and Nutrition,Jiangnan University,Wuxi 214122,China;2.National Engineering Research Center of Chinese Rice Wine,Shaoxing 312000,China;3.Jiangnan University and Rugao Institute of Food Technology,Rugao 226500,China;4.Jiangsu Mulan Food Co.,Ltd.,Zhenjiang 212125,China)

Because there was a lot of pectin in thehawthorn,the hawthorn wine fermentation needed to clarify the hawthorn fruit pulp. The heat extracting and enzymatic hydrolysis were adapted to clarify the pulp,the two methods had negative effect on the flavor and nutrition because of the high treatment temperature. The research developed a new low temperature enzymatic hydrolysis process by optimizing the conditions such as pectinase addition,treatment temperature,processing time and so on.The treated pulp was used to make hawthorn wine.The transmittance of the pulp was 93% under the conditions:the temperature was 35 ℃,the addition of pectinase was 0.15 mL/L,the processing time was 4 h. Compared to the pulp without enzymatic hydrolysis,the reducing sugar risen from 8.2 g/L to 14.2 g/L,the total acids risen from 5.5 g/L to 7 g/L. The extraction effects of reducing sugar and total acid were better. The flavor component of the hawthorn wine was better than the wine which enzymatic hydrolysis was under 55 ℃.

pectinase;optimization;hawthorn pulp;transmittance;hawthorn wine

TS261.4

1002-0306(2017)19-0161-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.19.030

2017-03-06

张铎(1992-)，男，硕士研究生，主要从事食品生物技术研究，E-mail：zdphill@163.com。

*通讯作者:毛健(1970-)，男，博士，教授，主要从事食品生物技术研究，E-mail：maojian@jiangnan.edu.cn。

国家自然科学基金-面上项目(31571823)；江苏省自然科学基金-面上研究项目(K20161293)；2015年度区科技重点研发计划项目(NY2015009)。