不同酿酒酵母发酵对橘子酒芳香特性和感官品质的影响

柑橘(Citrus reticulata)作为世界范围内广泛栽培的经济作物,因其丰富的营养成分和独特风味深受消费者喜爱,我国作为柑橘主要生产国,年产量巨大[1]。然而,柑橘采收期集中、易腐烂,导致鲜果滞销问题突出,将其深加工为果酒是延长产业链、提升附加值的有效途径[2,3]。宜昌蜜橘作为优质柑橘品种,含糖量高、果肉细腻多汁,且富含维生素、黄酮等营养成分,是酿造橘子酒的理想原料,但其发酵产品常存在酸涩刺舌、苦味明显、香气不足等品质缺陷,限制了产业发展。

酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)是果酒发酵的核心微生物,其代谢活动不仅驱动糖分转化为乙醇,更通过合成醇类、酯类、萜烯类等挥发性成分塑造风味轮廓[4,5]。不同酿酒酵母菌株因遗传背景和酶系差异,在风味物质合成上表现显著不同。酯类物质作为赋予酒体花果香的关键成分,如辛酸乙酯能带来果香,乙酸异戊酯具有香蕉般的香气,其合成依赖于酵母的醇酰基转移酶的催化,而不同菌株的这种酶活性差异明显,直接导致酯类物质产量悬殊,进而影响橘子酒香气的丰富度[6-7]。萜烯类物质如D-柠檬烯是橘子酒的特征香气成分,产糖苷酶的酵母菌株能够促进萜烯化合物从无味的糖苷结合态转变为带有特征香气的游离态,增强橘子酒的典型性[8-9]。酵母经过丙酮酸合成代谢途径(Harris途径)或氨基酸分解代谢途径(Ehrlich 途径)合成的高级醇也会影响酒体的香气层次,当其含量过高时容易带来异味,且在饮用后易产生头痛、头晕的症状[10-11]。除此之外,酵母在代谢过程产生的琥珀酸、丙酮酸等有机酸是引起橘子酒酸度变化的关键因素[12]。选择合适的酿酒酵母具有改善橘子酒芳香特性和感官品质的潜力。目前,果酒研究多聚焦于葡萄、苹果等传统原料,针对橘子酒的酿酒酵母筛选及风味调控研究虽有涉及,但多数研究仅通过单一的化学检测或人工感官评价手段分析风味品质,难以精准、客观地揭示感官品质与酵母菌株的关联。

因此,本研究选取6种酿酒酵母(AU、BA、EC1118、RC212、Fermol Blanc、Fresco),系统分析其发酵橘子酒过程中理化指标(总糖、乙醇、总酸度)动态变化,结合顶空固相微萃取-气质联用(headspace solid phase micro extraction-gas chromatography-mass spectrometer, HS-SPME-GC-MS)技术解析挥发性成分差异,通过气味活性值(odorant activity value,OAV)和主成分分析(principal component analysis,PCA)评估特征香气贡献,采用电子舌对苦味、酸味等味觉特征进行客观量化评价,以及人工感官评价对整体风味协调性进行综合考量,实现从化学组成、味觉特征到整体感官体验的多维度解析,系统探究不同酿酒酵母菌株对橘子酒品质的影响机制,旨在筛选出适配橘子酒发酵、兼具特征风味与口感平衡的优势菌株,为提升橘子酒品质提供理论依据,推动柑橘深加工产业多元化发展。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

蜜橘,原产于湖北省宜昌市夷陵区。酿酒酵母EC1118、酿酒酵母RC212,法国拉曼公司;酿酒酵母AU、酿酒酵母BA,法国OENOFRANCE品牌代理商;酿酒酵母Fermol Blanc,意大利AEB公司;酿酒酵母Fresco,安琪酵母股份有限公司。酿酒酵母经分离纯化后,甘油管保存至-80 ℃冰箱中。

葡萄糖、NaOH,国药集团化学试剂有限公司;蛋白胨、酵母浸粉,北京双旋微生物培养基制品厂;3,5-二硝基水杨酸(3,5-dinitrosalicylic acid,DNS)、2-辛醇(色谱纯)、芦丁、没食子酸,麦克林生化技术有限公司;食品级焦亚硫酸钾、食品级柠檬酸,佳禾旭日食品有限公司;食品级白砂糖,星冠园食品有限公司。

酵母浸出粉胨葡萄糖(yeast extract peptone dextrose,YPD)培养基(g/L):葡萄糖20,蛋白胨 20,酵母浸粉10,pH自然,115 ℃高压蒸汽灭菌20 min。

1.2 仪器与设备

PTX-FA210S电子天平,华志(福建)电子科技有限公司;SW-CJ-1D单人净化工作台,苏州净化设备有限公司;PB-10酸度计,赛多利斯科学仪器(北京)有限公司;Heraeus Fresco 21低温高速离心机,赛默飞世尔科技(中国)有限公司;手持糖度计,日本京都电子公司;SBA-40X三通道生物传感器分析仪,济南柏盛生物科技有限公司;7890A-5975C气相色谱-质谱联用,美国Agilent公司;TS-5000Z智能味觉分析系统,日本Insent公司;PEN 3.5型电子鼻,德国AIRSENSE公司。

1.3 实验方法

1.3.1 酵母活化与橘子酒发酵

分别取甘油管保藏的6种酿酒酵母菌液接入50 mL YPD液体培养基中,于30 ℃、转速180 r/min培养箱中摇瓶培养24 h。酵母活化后,将菌液4 ℃,8 000 r/min 离心10 min,收集菌体。用质量分数0.9%的无菌生理盐水重悬菌体,洗涤3次。

挑选新鲜、品质优良的宜昌蜜橘剥去外果皮后,榨汁。根据参考文献[13]中的方法并略作修改,加入白砂糖,使初始的可溶性固形物含量为20 Brix。随后加入焦亚硫酸钾(70 mg/L)以防止褐变。然后,将活化后的菌体分别加入成分调整后的橘子汁中,初始酿酒酵母细胞计数都设置为1×107 CFU/mL。橘子酒发酵在2 L无菌玻璃瓶中进行,每瓶发酵的体积为1 L,在26 ℃恒温条件下,静置发酵7 d。每24 h采集一次样品,测量总糖、总酸、酒精含量、生物量等关键参数。发酵结束后,将橘子酒样品在4 ℃,8 000 r/min条件下离心15 min,得到澄清橘子酒样品,随后保存在-20 ℃的冰箱中。

1.3.2 理化指标测定

可溶性固形物含量采用手持糖度计测定。参考XU等[14]的方法,采用DNS法测定橘子酒中总糖含量,总糖含量以葡萄糖等量(g/L)表示。根据GB 12456—2021《食品安全国家标准食品中总酸的测定(含第1号修改单)》,测定橘子酒的总酸度(以柠檬酸计,g/L)。根据参考文献[15],采用SBA-40X3通道生物传感器分析仪测定橘子酒的酒精含量。

1.3.3 挥发性成分测定

采用HS-SPME-GC-MS对橘子酒中挥发性成分进行分析[16]。样品处理:取5 mL的橘子酒样品于20 mL的顶空瓶中,再加入1.5 g NaCl和10 μL的2-辛醇(20 mg/L,内标物),在45 ℃条件下,恒温孵育15分钟。随后,将老化后的SPME纤维(2 cm,50/30 μm DVB/CAR/PDMS,Supelco,PA)插入顶空瓶中,在45 ℃条件下,顶空萃取30 min。

样品分析:分析使用气相色谱-质谱联用仪,HP-5MS石英毛细管色谱柱(30 m×0.25 mm,0.25 μm)。采用He作为载气,流速1.0 mL/min。升温程序:在40 ℃保持3分钟,然后以4 ℃/min的速率升温至160 ℃,160 ℃保持1分钟,再以10 ℃/min的速率升温至240 ℃,240 ℃保持5分钟。进样口温度230 ℃。质谱分析在扫描模式下进行,利用70 eV的电子冲击电离,扫描频率4.58 次/s,扫描范围30.00～500.00 amu。离子源和四极杆的温度分别保持在230 ℃和150 ℃。参考NIST 14.L数据库,采用保留指数对挥发性化合物进行定性分析,采用内标法对该物质进行半定量,按公式(1)计算[14]:

式中:Ci,任一组分的相对浓度,μg/L;Cis,内标物浓度,μg/L;Ai,是任一组分的峰面积;Ais,内标物的峰面积。

OAV用于评价每种挥发性风味化合物的贡献,按公式(2)计算[17]:

式中:Ci,任一组分的相对浓度,μg/L;OTi,该挥发性成分的气味阈值,μg/L。

由训练有素的20名专业评估人员(10名女性和10名男性,年龄在20至55岁)进行感官评鉴[18-19]。将20 mL样品倒入样品瓶中,随机排列,在20 ℃室温下保存。使用10个指标来描述橘子酒的感官特性,包括整体印象、外观、香气强度、香气品质、柑橘香、花香、草本植物香、酸度、甜度、苦味、涩味和余味。在测试过程中,提供饮用水漱口。评分成员对这10个指标的强度进行打分,打分区间为0～10分(0分感官强度最弱,10分最强)。

采用TS-5000Z智能味觉分析系统(电子舌)对不同橘子酒的口感进行客观评估。电子舌由5个化学传感器组成,每个传感器都校准以检测特定的味道:涩味(AE1)、咸味(CT0)、鲜味(AAE)、酸味(CA0)和苦味(C00)。此外,该系统还包含3个参考电极,以分析样品的苦味-余味(aftertaste-B)、涩味-余味(aftertaste-A)和丰富度(richness)。参考ZHANG等[20]的方法并略作修改,传感器在分析前进行了校准和测试。在每次测量之前,传感器用清洁溶液清洗90秒,然后用参比溶液冲洗120秒,采集时间为90秒。

1.3.6 数据处理与分析

数据分析使用SPSS 19.0,所有实验重复进行3次,结果以“平均数±标准差”表示。组间的差异采用单因素方差分析,采用邓肯多重范围检验进行多重比较。在置信水平为95%(P<0.05)时的统计学差异被认为是显著的。采用SIMCA 14.7进行PCA。使用在线工具(https://www.chiplot.online/)生成聚类热图,以分析不同酿酒酵母对橘子酒风味的影响。

2 结果与分析

2.1 不同酿酒酵母发酵对橘子酒理化指标的影响

2.1.1 不同酿酒酵母发酵橘子酒的总糖和乙醇变化

发酵过程中,6种酿酒酵母均表现出显著的糖分消耗(图1-a)与酒精生成(图1-b)。橘子酒发酵的初始总糖含量为(283.47±16.03) g/L,在发酵前3 d其大幅度降低,然后逐渐趋于平稳,糖基本被消耗完全;同时酒精度在发酵前期增长迅速,后期增速显著减缓并最终稳定于(9.30±0.01)～(10.70±0.14)%vol。糖耗与酒精生成的时序协同性表明了糖代谢驱动乙醇合成的核心路径[21]。6种酿酒酵母均能有效地利用糖分进行酒精发酵,生成乙醇,然而不同酿酒酵母在糖分消耗速率和最终产酒能力上存在显著差异。Fresco菌株表现出相对较快的早期糖耗速率,最终酒精度为(10.00±0.12)%vol,而RC212和BA菌株则展现出更高的最终酒精度,分别为(10.60±0.14)%vol和(10.70±0.14)%vol(P<0.05)。相比之下,AU 菌株在前期糖耗稍缓,且最终酒精度最低,为(9.30±0.01)%vol(P<0.05)。

2.1.2 不同酿酒酵母发酵橘子酒的总酸度变化

总酸度是衡量橘子酒发酵过程稳定性的一个重要指标[22]。对于橘子酒而言,适当的酸度能带来清爽的口感,使得酒体更加平衡。如果酸度过高,可能会使酒的味道过于尖锐或酸涩,失去其应有的果香[22]。发酵过程中总酸度的变化情况如图2 所示,在发酵前期(0～3 d),6种酵母菌株均呈现出总酸快速积累的趋势,增幅达到 3.64～5.57 g/L,并于第3天达到峰值。其中,AU和 BA菌株发酵产生的总酸度峰值最高,分别为(8.70±0.20) g/L和(8.99±0.12) g/L。此阶段总酸度的普遍升高可能与酵母糖酵解过程中有机酸(如琥珀酸、丙酮酸等)的中间产物积累有关[12,22],SONG等[23]和LEE等[24]研究表明在发酵过程中可滴定酸度增加的最大部分的有机酸是琥珀酸[23],同时酵母在酒精发酵过程中,丙酮酸脱氢酶活性会受到一定抑制,丙酮酸向乙酰辅酶 A 的转化受阻,导致丙酮酸积累[25]。随后这些有机酸经历了进一步的代谢过程,最终含量保持稳定。由图2可知,不同酿酒酵母酿造橘子酒的总酸度有明显区别,BA型酵母发酵的橘子酒的最终总酸度最高(7.50±0.11) g/L,而Fermol Blanc型的最终总酸度最低(5.88±0.11) g/L,暗示菌株有机酸代谢路径差异可能会影响酒体的酸度平衡。EC1118、RC212、AU和Fresco型酵母发酵的橘子酒总酸度分别为(6.18±0.11)、(6.70±0.14)、(7.10±0.14) g/L和(6.35±0.07) g/L。

2.2 不同酿酒酵母发酵对橘子酒风味的影响

2.2.1 橘子酒的主要挥发性成分分析

为了研究不同酿酒酵母发酵橘子酒的挥发性成分差异,采用HS-SPME-GC-MS技术对6种酵母发酵的橘子酒进行挥发性成分检测。本研究共检测出25种关键化合物,包括醇类(4种)、酯类(15种)、酸类(2种)和萜烯类(4种)。如图3所示,醇类(29.15%)和酯类(14.75%)是橘子酒的主要挥发性成分,在张弛等[26]的研究中也出现类似的结果。醇类物质赋予酒体柔和口感,酯类则带来浓郁果香,酸类与酒体风味平衡相关,各菌株的独特代谢路径决定了最终风味的多样性[6, 27]。图3中酵母与不同种类物质之间的弦线宽度代表对应酵母对该物质类别的贡献比例,弦线越宽,说明该酵母与这类物质的生成关系越紧密。EC1118菌株与高级醇的生成关系紧密,产生的醇类含量最高,而Fermol Blanc菌株发酵的橘子酒酸类成分含量较多。值得注意的是,Fresco菌株表现出更强的酯类物质生成能力,生成的总酯类物质含量占比高于其他酵母。萜烯类物质在总挥发性成分中占比较少,但是其阈值通常较低,具有典型的花果香[9]。与其他菌株相比,AU菌株发酵橘子酒中萜烯化合物含量更高。

根据不同橘子酒中主要挥发性成分的相对含量绘制聚类热图,结果如图4所示,Fresco菌株发酵的橘子酒在酯类成分上表现突出,其棕榈酸乙酯、癸酸乙酯、辛酸乙酯和己酸乙酯含量显著高于其他橘子酒样品。此外,Fresco菌株发酵的橘子酒中癸酸、辛酸相对含量明显较低,较低的挥发性酸含量有助于减少不愉快气味,提升整体风味。EC1118菌株发酵的橘子酒中异戊醇、异丁醇和苯乙醇含量较高,这些醇类物质增强了酒体的醇厚感,但是这类物质过量容易导致果酒致醉性强,产生不适感[10]。萜烯类化合物以其独特的香气结构对橘子酒的香气轮廓有显著影响,在很低的浓度下即可赋予酒体独特的花果香气,提升整体香气的复杂度和层次感[9]。与其他样品相比,AU菌株发酵的橘子酒中萜烯类化合物含量较高,尤其是D-柠檬烯和萜品烯。仅凭香气化合物的种类和相对含量,无法精确评估其对样品整体香气的贡献度,必须结合感官阈值计算OAV,才能进一步解析特征香气。

2.2.2 橘子酒中主要挥发性成分的OAV分析

OAV是一种衡量挥发性成分对食品整体风味贡献大小的方法,通过将挥发性成分的浓度与其嗅觉阈值相比得出,当该化合物的OAV>1时,表明它对果酒的香气起主要贡献作用[28]。由表1可知,异丁醇、异戊醇、乙酸异戊酯、辛酸乙酯、癸酸乙酯、9-癸烯酸乙酯、己酸乙酯、肉豆蔻酸乙酯的OAV>1,对橘子酒的整体风味有重要贡献作用。EC1118菌株发酵的橘子酒中异戊醇(OAV=4.56)、异丁醇(OAV=3.05)和苯乙醇(OAV=1.96)的OAV>1,存在高级醇含量过多,致醉性强的风险,实际生产中应对其发酵进行适当干涉[10]。Fresco菌株发酵的橘子酒中某些酯类成分的OAV远大于1且明显高于其他样品,尤其是癸酸乙酯(OAV=5.70)、辛酸乙酯(OAV=27.72)、丁酸乙酯(OAV=3.86)、己酸乙酯(OAV=5.75)。这些高OAV的酯类成分在该橘子酒风味中扮演关键角色,赋予其独特的果香和层次感,使得Fresco菌株发酵的橘子酒在香气上更为丰富多样。酯类物质主要是由酵母利用乙醇乙酰转移酶催化酰基辅酶 A 与乙醇反应生成[6]。Fresco优异的酯类合成能力可能与其乙醇酰基转移酶有关,未来仍需进一步验证。而AU菌株有效保留了柑橘类萜烯化合物——D-柠檬烯(柑橘香,OAV=1.53),是生产柑橘风味果酒的潜力菌株。

2.2.3 橘子酒中挥发性成分的主成分分析

橘子酒中挥发性成分复杂,采用PCA法,进一步分析不同酿酒酵母发酵橘子酒的挥发性成分差异。根据PCA结果,PC1贡献率为34.9%,PC2贡献率为21.5%,总贡献率为56.4%,大于50%,较好地概括了样本差异。由得分图(图5-a)可知,Fresco样本点分布与PC1的负半轴,而AU、BA、EC1118、RC212和Fermal Blanc的样本点分布于PC1的正半轴。这表明Fresco与其他样本之间在挥发性成分的分布中存在显著差异。根据载荷图(图5-b)分析可知,棕榈酸乙酯(温和的蜡状甜味、奶油味)、癸酸乙酯(水果,白兰地香气)、丁酸乙酯(酸甜味、果味)等物质在Fresco样本中贡献较大,反映了Fresco菌株优越的产酯能力;D-柠檬烯在AU样本中贡献最大为显著,彰显了AU菌株的原料柑橘特征保留能力;而月桂酸乙酯对RC212型样本贡献度最高。

2.3 不同酿酒酵母发酵橘子酒的电子舌分析

利用电子舌对不同的橘子酒样品进行客观的模拟味觉分析,根据电子舌响应值绘制雷达图,结果如图6所示。AU和BA型酵母发酵的橘子酒在酸味上显著高于其他菌株发酵的橘子酒。Fermol Blanc和RC212型酵母发酵的橘子酒呈有强苦味和涩味的特征。EC1118和Fresco型酵母发酵的酸味较为适中,其中Fresco型酵母发酵的橘子酒苦涩味较低。此外,在后苦方面,BA型酵母发酵的橘子酒后苦感最为突出,而Fresco型酵母发酵的橘子酒后苦感最弱。

2.4 不同酿酒酵母发酵橘子酒的感官分析

由图7所示,Fresco样本在香气强度(8.5±0.3)与整体印象(8.5±0.2)方面显著高于其他样本,带有明显的花香和果香,可能与其挥发性成分中辛酸乙酯(OAV=27.72)和癸酸乙酯(OAV=5.7)的梨/荔枝果香协同效应密切相关。此外,Fresco样本的酸味适中,苦涩感较弱,口感较为平衡。然而,AU和BA型酵母发酵的橘子酒在酸味上较强,且涩味较为显著。Fermol Blanc型酵母发酵的橘子酒酸味明显低于其他橘子酒,但是其苦涩味较为突出,影响了整体口感的平衡。EC1118型酵母发酵的橘子酒则在草本香和果香方面表现较好,但稍显苦味,整体口感较为复杂。

3 结论

本研究通过监测6种酿酒酵母发酵橘子酒的基础理化指标,采用HS-SPME-GC-MS测定橘子酒中关键挥发性成分,结合电子舌和感官评鉴,综合解析6株酿酒酵母发酵橘子酒的芳香特性与感官品质,探究了不同酿酒酵母对橘子酒风味和感官特性的影响。研究结果表明,6种酿酒酵母均能完成橘子酒发酵,在糖消耗、产酒精及酸度调控上存在显著差异。RC212和BA菌株产酒能力突出,Fresco菌株前期糖耗快,AU 菌株糖耗与产酒相对较弱;BA菌株发酵的橘子酒最终总酸度最高,Fermol Blanc菌株最低,反映出菌株有机酸代谢路径的差异。在风味方面,共检测出25种关键挥发性成分,包括醇、酯、酸、萜烯类,不同酵母代谢路径决定风味多样性。Fresco菌株酯类生成能力强,癸酸乙酯、辛酸乙酯等酯类OAV高,促进浓郁果香、花香的形成,在香气强度和整体印象感官评价中表现卓越;AU 菌株通过促进D-柠檬烯(OAV 1.53)的生成,保留原料柑橘特征,是柑橘风味果酒潜力菌株;EC1118 菌株高级醇含量高(异戊醇OAV=4.56),有过量致醉的潜在风险。电子舌与感官分析显示,Fresco菌株发酵的橘子酒酸味适中、苦涩感弱、口感平衡,综合品质优;AU 和 BA菌株发酵的酒酸味突出、涩味明显;Fermol Blanc菌株发酵的酒苦涩味影响口感平衡。因此,不同酿酒酵母显著改变橘子酒理风味与感官特性,Fresco菌株在酯类合成、感官体验上优势显著,可作为橘子酒发酵优选菌株。AU菌株因保留柑橘特征萜烯类,在柑橘风味果酒开发有潜力。本研究为橘子酒酿酒酵母筛选、风味定向调控提供了理论依据与实践参考,后续可深入探究酵母产酯关键酶基因及代谢调控机制,进一步优化发酵工艺。

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