红甜菜格瓦斯发酵工艺优化及挥发性风味物质分析

孙子羽，刘婷，温慧，陈忠军，满都拉

内蒙古农业大学食品科学与工程学院（呼和浩特 010018）

格瓦斯是一种传统低度酒精饮料，主要流行于俄罗斯、乌克兰等东欧国家[1]。颜色为金黄色并且透明，具有口感酸甜、清爽自然、营养丰富等特点[2]，主要原料为谷物、啤酒花、白砂糖，再经酵母菌与乳酸菌混合发酵酿制成[3]，发酵后，可以改变饮料中的原有物质，丰富饮料风味，产生许多对人体有益物质。除此之外还会将原料分解为更小的物质有利于人体的吸收[4-6]。格瓦斯中含有丰富的有机物，如蛋白质、氨基酸、维生素、有机酸和糖类等[7-8]。格瓦斯浓郁醇香，味道独特，老少皆宜。

红甜菜属黎科甜菜属，起源于史前时期的北非，生长于亚洲或欧洲的海岸地区，形似心里美萝卜，叶子与叶脉颜色分别为红色和紫红色，叶片为长椭圆形、较小。食用部分为根部，颜色为红色或者粉色，色泽鲜美，食用时口感发甜肉质脆嫩[9]，可用做生食、做汤、沙拉、配菜、雕刻、上色等[10]。红甜菜富含多种有机酸、氨基酸、水溶性维生素和多种矿物质，有抗癌症、降低血压血脂血糖、抗疲劳、提高人体免疫力、健胃消食、刺激肠道蠕动、止咳化痰、顺气利尿、消热解毒等功效[11-13]。世界卫生组织对涉及人们日常饮食的各种食物进行分析研究，红甜菜是最佳蔬菜，它也被美国防癌协会列为30种抗癌水果蔬菜之一[14-17]。

随着社会的发展，健康生活越来越受到注重，在当今饮料市场中，保健型饮料越来越受消费者欢迎，而格瓦斯正是一种健康饮料[18]。采用具有极高的食用价值、医用价值和其他价值的红甜菜，与格瓦斯结合发酵，可包含红甜菜和格瓦斯所有营养。市售的格瓦斯饮料存在口味单一的问题，会导致消费者很快对该饮料失去购买欲望，所以在格瓦斯原有工艺中加入红甜菜，不仅可以改善其口味问题[19-20]，还通过增加对红甜菜的研究丰富格瓦斯种类，拓展两者的市场，为格瓦斯和红甜菜带来广阔的应用前景。

试验以大麦芽、焦香麦芽、红甜菜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SPME-GC-MS鉴定格瓦斯挥发性风味成分，以期了解格瓦斯中香味物质和为红甜菜相关产品的开发提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

乳酸菌（实验室分离筛选保存的嗜热链球菌ST）；啤酒活性干酵母（安琪酵母股份有限公司）；酒花粒（精酿股份有限公司）；糖化酶（安琪酵母股份有限公司）；碘液（天津市风船化学试剂有限公司）；红甜菜（江苏徐州有机红甜菜根）。

1.2 仪器与设备

HWS12电热恒温水浴锅（上海福玛科技有限公司）；AL204电子天平（上海菁海仪器有限公司）；HPX-9082数显电热培养箱（上海博讯实业有限公司）；PAL-1手持糖度计（杭州标度环保技术有限公司）；FA-104N分析天平（上海力辰仪器有限公司）；PH-3C精密电子pH计（上海精密科学仪器有限公司）；SW-CJ-ZFD双人单面垂直净化工作台（上海新苗医疗器械制造有限公司）；HC-3018离心机（安徽中科中佳科学仪器有限公司）；LDZS-30KBS立式压力蒸汽灭菌器（上海申安医疗器械厂）。

1.3 试验方法

1.3.1 红甜菜格瓦斯生产工艺流程及操作要点

1.3.1.1 工艺流程

1.3.1.2 操作要点

原料选择：选择新鲜、无霉变、无病害的大麦芽、焦香麦芽与红甜菜。

麦芽汁制备：将大麦芽与焦香麦芽分别粉碎3次，每次10 s，要求麦芽破而不碎。称取适量麦芽粉，加入6倍质量的水，于100 ℃糊化1 h。

红甜菜汁制备：将红甜菜块根洗净，去皮，切成红甜菜丁，料液比1∶3榨汁4 min，过滤得到红甜菜汁。

菌种活化：在超净台中接种乳酸菌1代，活化3代后使用；将活性干酵母按料水比1∶10（g/mL）配制，加入2%蔗糖，置于35 ℃水浴锅中活化30 min至大量起泡即可。

接种发酵：将酵母菌和乳酸菌按比例和用量加入到麦芽汁中，装好单向阀放置到恒温培养箱中发酵。

1.3.2 红甜菜格瓦斯发酵工艺优化单因素试验

固定原料体积比6∶4，发酵剂接种比例（酵母菌∶乳酸菌）3∶2，发酵温度25 ℃，分别改变红甜菜汁添加量（6%，8%，10%，12%和14%）、发酵剂接种量（1.0%，1.5%，2.0%，2.5%和3.0%）和发酵时间（16，18，20，22和24 h），对格瓦斯粗品进行感官评定以确定红甜菜汁添加量、发酵剂接种量和发酵时间的最佳水平。

1.3.3 红甜菜格瓦斯发酵工艺优化正交试验

在单因素试验基础上，设计三因素三水平正交试验，考察红甜菜汁添加量（A）、接种量（B）和发酵时间（C）对红甜菜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

1.3.4.1 感官评价

根据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，满分100分，见表2。选定20人（男、女各10人），根据表2标准主要围绕色泽、香气、口感和组织状态对红甜菜格瓦斯进行感官评定。

表2 红甜菜格瓦斯感官评分标准

1.3.4.2 红甜菜格瓦斯挥发性风味物质检测

量取8.0 mL红甜菜格瓦斯放入20 mL SPME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。

气相色谱-质谱条件：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，以4 ℃/min升温至220 ℃保持10 min，不分流进样。质量扫描范围50～550m/z；溶剂延迟时间1 min[21-23]。

2 结果与分析

2.1 红甜菜格瓦斯发酵条件优化单因素试验结果

2.1.1 红甜菜汁添加量的确定

由图1可知，感官评分随着红甜菜汁添加量增加呈现先升高后降低变化趋势。添加量8%时，发酵所得的格瓦斯感官评分最高，为89.2分。此时的格瓦斯颜色呈亮红色，液体清澈透亮，酸甜适度。因此，确定最适红甜菜汁添加量为8%。

图1 红甜菜汁添加量对格瓦斯品质及感官评分的影响

2.1.2 接种量的确定

由图2可知，感官评分随着发酵剂接种量增加而呈现先升高后降低变化趋势。接种量2.0%时，发酵所得的格瓦斯感官评分达到最高，为85.6分，此时的格瓦斯酸甜适中，色泽透亮。接种量大于或小于2.0%时，格瓦斯会因发酵过度或发酵不完全而呈现口感偏甜或偏酸。因此，确定最适接种量为2%。

图2 接种量对格瓦斯品质及感官评分的影响

2.1.3 发酵时间的确定

由图3可知，感官评分随着发酵时间增加呈现先升高后降低变化趋势，发酵时间18 h时，格瓦斯的感官评分达到最高，为86.7分，此时的格瓦斯色泽鲜艳，液体清澈，口感柔和。而后随着发酵时间的增加，感官评分迅速降低，且口感偏酸微苦，颜色寡淡。因此，确定最适发酵时间为18 h。

图3 发酵时间对格瓦斯品质及感官评分的影响

2.2 红甜菜格瓦斯发酵条件优化正交试验结果

在单因素试验基础上，以红甜菜汁添加量、接种量和发酵时间为评价因素，以感官评分为评价指标，进行正交试验，结果与分析见表3和表4。

表3 红甜菜格瓦斯发酵条件优化正交试验结果与分析

表4 正交试验方差分析表

由表3和表4可知：红甜菜汁添加量（A）、接种量（B）和发酵时间（C）3个影响红甜菜格瓦斯感官评分的因素中，显著影响因素是接种量（B）；其次是红甜菜汁添加量（A）；最后是发酵时间（C）。正交试验结果分析表明，红甜菜格瓦斯的最佳发酵工艺条件组合为A3B3C2，即红甜菜汁添加量9%、发酵剂接种量2.2%、发酵时间18 h，在此条件下发酵所得的格瓦斯感官评分达到90.1分。

2.3 红甜菜格瓦斯挥发性风味物质分析

采用HS-SPME结合GCC-MS萃取分离鉴定红甜菜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）数据库课检索，红甜菜格瓦斯的挥发性风味物质组成见表5。

表5 挥发性风味物质组成

由表5可知：在获得的红甜菜格瓦斯中共鉴定出80种挥发性风味物质，其中醇类化合物有22种，所占比例最大，占总挥发性风味物质的54.75%，异戊醇在醇类化合物中含量最高，占总挥发性风味物质的17.09%，赋予格瓦斯柔和、愉快而持久的花果香气；占比仅次于醇类的是酯类化合物，共15种，占总风味物质的15.93%，赋予格瓦斯浓郁的坚果香气和类似白兰地的酒香。其他酸类、醛类、酮类和杂环类化合物共占比29.32%。这些物质混合共同构成红甜菜格瓦斯独特的风味和口感。

3 结论与讨论

采用单因素试验及正交试验对以大麦芽和焦香麦芽为原料、红甜菜汁为辅料的格瓦斯发酵工艺进行优化。结果表明，红甜菜格瓦斯最优发酵条件为大麦芽∶焦香麦芽6∶4（V/V）、红甜菜汁9%、发酵剂（酵母菌与乳酸菌）接种量2.2%、接种比例（酵母菌∶乳酸菌）3∶2、发酵时间18 h。此条件下所得的红甜菜格瓦斯色泽透亮、口感柔和、风味浓郁，感官评分为90.1分。

利用顶空固相萃取-气相色谱-质谱联用技术分析红甜菜格瓦斯挥发性风味成分，共鉴定出80种挥发性风味物质，其中包括醇类22种（含量54.75%），酯类15种（含量15.93%），酸类15种（含量9.15%），醛类15种（含量5.45%），酮类2种（含量0.46%），杂环类及其衍生物11种（含量14.26%）。红甜菜格瓦斯中的主要风味物质为醇类和酯类，主要风味化合物为异戊醇（17.09%）、苯乙醇（9.43%）和L-2-甲基丁醇（7.76%）。