模拟老泡菜水的蔬菜汁发酵液制备工艺优化及其风味分析

李 婧1,张 敏2,杨金美1,宋小焱2,任静怡1,黄欣悦2,万倚卓1,王 雯1,胡凯弟1,刘书亮1*

(1.四川农业大学 食品学院,四川 雅安 625014;2.成都圣恩生物科技股份有限公司,四川 成都 611130)

摘 要为模拟老泡菜水,该研究以白萝卜、黄瓜、番茄为原料,以植物乳植杆菌(Lactiplantibacillus plantarum)P158、LYA31和戊糖片球菌(Pediococcus pentosaceus)PP为发酵菌株制备蔬菜汁发酵液。采用单因素试验及正交试验优化其发酵条件,并采用顶空固相微萃取(HS-SPME)结合气相色谱-质谱联用技术(GC-MS)对其挥发性风味化合物进行分析,结合气味活度值(OAV)确定关键挥发性风味化合物(OAV≥1)。结果表明,蔬菜汁发酵液的最佳发酵条件为:葡萄糖添加量2%、食盐添加量2%、料液比1.5∶1.0(g∶mL)、发酵温度37 ℃。在此优化条件下,蔬菜汁发酵液总酸含量为0.81 g/100 mL,pH值为3.20,乳酸菌数为8.59 lg(CFU/mL)。蔬菜汁发酵液中共检出26种挥发性风味化合物,包括酸类2种、酯类1种、醇类9种、醛类5种、酮类4种、烃类2种以及其他类3种,其中乙醇、二甲基二硫含量较高,分别为58.13 μg/kg和41.15 μg/kg。关键挥发性风味物质为正己醇、芳樟醇、巴豆醛、反-2-辛烯醛、二甲基二硫、二甲基三硫。

关键词蔬菜汁发酵液;乳酸菌;老泡菜水;发酵工艺优化;挥发性风味物质

泡菜是以多种新鲜蔬菜为原料,将其浸入一定浓度食盐水中,利用乳酸菌等益生菌发酵形成的一类具有独特风味的蔬菜制品[1]。传统泡菜制作多采用自然发酵法,由于没有对蔬菜原料进行杀菌[2],蔬菜自身的微生物、环境中杂菌种类多、对环境的耐受性差异大,导致产品风味及品质不稳定。为解决产品质量不稳定、发酵周期长等问题,可通过人工接种乳酸菌方式发酵泡菜,如植物乳植杆菌(Lactobacillus plantarum)和戊糖片球菌(Pediococcus pentosaceus)能够快速启动发酵,对促进泡菜成熟、减少亚硝酸盐和风味的形成至关重要[3]。泡菜水是经过不断取出泡菜和投加蔬菜及辅料进行泡制而成的卤水,经过多轮(至少三轮)循环发酵形成了老泡菜水生态系统[4-5]。循环发酵的泡菜一般具有高于自然发酵泡菜的酸度(0.8~1.2 g/100 g),相对稳定的微生物菌群结构与数量,以及有机酸、氨基酸、醛类、酯类等丰富的风味物质[6-9],但老泡菜水的这种生产方式周期长、产量小,不利于工业化生产。

蔬菜汁是将各种蔬菜榨汁得到的汁液,可为乳酸菌的生长提供碳源、氮源、生长因子和无机盐等物质,与传统MRS培养基相比,蔬菜汁可食用、营养丰富、成本更低[10-11]。姜晔[12]将番茄汁、胡萝卜汁等添加到基础培养基中进行增殖培养,培养7~8 h后乳酸菌活菌数可以达到9 lg(CFU/mL),而普通脱脂乳培养基仅能达到7 lg(CFU/mL)。蔬菜汁发酵液还含有各种乳酸菌代谢产物,包括有机酸、氨基酸和各种酶类,这与老泡菜水成分相似[13-14]。蔬菜汁发酵液具有一定酸度,能为泡菜提供预酸化环境,促使乳酸菌生长,还有利于风味的形成和缩短发酵周期,董帅等[15]在泡菜发酵液中添加5%的蔬菜汁后,总酸含量达1.794 g/100 g,泡菜特征风味物质有无机氯化物、萜类化合物、醇类和醛酮类、芳香成分和有机硫化物等。由于蔬菜汁本身具有的品质,使得泡菜整体代谢产物和风味更加丰富。

为模拟老泡菜水,本研究以白萝卜、黄瓜、番茄为原料,以植物乳植杆菌(Lactiplantibacillus plantarum)P158、LYA31和戊糖片球菌(Pediococcus pentosaceus)PP为发酵菌株制备蔬菜汁发酵液,采用单因素试验及正交试验优化其发酵条件,并采用顶空固相微萃取(headspace solid-phase microextraction,HS-SPME)结合气相色谱-质谱联用技术(gas chromatography-mass spectrometer,GC-MS)对其挥发性风味化合物进行分析。以期解决泡菜产品品质波动大、发酵工艺周期长等问题,为泡菜产品工业化生产提供新思路。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

1.1.1 原料与菌种

白萝卜、黄瓜、番茄、食盐、生姜、大蒜、干辣椒(朝天椒)、食盐等:市售;分离筛选自泡菜的植物乳植杆菌(Lactobacillus plantarum)P158和戊糖片球菌(Pediococcus pentosaceus)PP、分离筛选自醪糟的植物乳植杆菌(Lactobacillus plantarum)LYA31:保存于四川农业大学食品微生物实验室。

1.1.2 试剂

氢氧化钠、酚酞、邻苯二甲酸氢钾、氯化钠、庚酸甲酯、葡萄糖、酵母提取物、大豆蛋白粉:成都浩博优科技有限公司。所用试剂均为分析纯或生化试剂。

1.1.3 培养基

MRS培养基:青岛海博生物技术有限公司。

1.2 仪器与设备

PHSJ-3F型pH计:上海仪电科学仪器股份有限公司;6890N-5975C GC-MS联用仪、HP-5MS毛细管色谱柱(30 m×250 μm×0.25 μm):美国Agilent Technologies有限公司;DVB/CAR/PDMS三极萃取纤维头(50/30 μm):美国Supelco公司;SHZ-B电热恒温水浴锅:常州诺基仪器有限公司;LRH-150F生化培养箱:上海浦东荣丰科学仪器有限公司;JA1203B精密电子天平:上海越平科学仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 蔬菜汁发酵液的制备

将新鲜白萝、黄瓜和番茄清水清洗,白萝卜和黄瓜去除头部和尾梢、西红柿去除根蒂后切成小块,各蔬菜按质量比7∶2∶1混合,添加0.05%生姜、0.01%小米辣和0.01%大蒜,以料液比(1∶1)加水进行打浆,经纱布过滤,添加2%食盐、2%葡萄糖、1%酵母提取物、1%大豆蛋白粉,采用巴氏灭菌(65 ℃、30 min)后按7.0 lg(CFU/mL)接种活化后的乳酸菌(将3株乳酸菌冻干菌粉按质量比1∶1∶1于5%葡萄糖水溶液中,30 ℃条件下活化30 min),在37 ℃下培养3 d得到蔬菜汁发酵液。

1.3.2 蔬菜汁发酵工艺优化

单因素试验:在方法1.3.1的基础上,分别考察蔬菜:水料液比(1∶0、1.5∶1.0、1.0∶1.0、1.0∶1.5、1.0∶2.0(g∶mL))、葡萄糖添加量(1%、2%、3%、4%、5%)、食盐添加量(1%、2%、3%、4%、5%)及发酵温度(25 ℃、30 ℃、35 ℃、37 ℃、40 ℃)对蔬菜汁发酵液pH、总酸含量的影响[16]

正交试验:基于单因素试验结果,选取食盐添加量(A)、发酵温度(B)、料液比(C)3个因素作为影响因素,以总酸含量为评价指标,进行3因素3水平的L9(33)正交试验优化蔬菜汁发酵工艺条件,试验因素与水平见表1。

表1 蔬菜汁发酵液发酵工艺优化正交试验因素与水平
Table 1 Factors and levels of orthogonal experiments for fermentation process optimization of vegetable juice fermentation broth

水平 A 食盐添加量/% B 发酵温度/℃ C 料液比(g∶mL)1 2 3 1 2 3 30 35 37 1.5∶1.0 1.0∶1.0 1.0∶2.0

1.3.3 理化及微生物指标的测定

pH值的测定:采用pH计;总酸的测定:参照GB 12456—2021《食品国家安全标准 食品中总酸的测定》的酸碱指示剂滴定法;乳酸菌数的测定:参照GB 4789.35—2016《食品安全国家标准食品微生物学检验乳酸菌检验》。

1.3.4 挥发性风味物质测定

参照WU R N等[17]的方法稍作改动,采用HS-SPMEGC-MS对蔬菜汁发酵液的挥发性风味物质进行测定。

HS-SPME条件:于4 mL蔬菜汁发酵液中加入1 g NaCl及10 μL质量浓度为0.1 mg/mL的庚酸甲酯(内标),43 ℃预热30 min后,将萃取纤维头插入GC-MS进样口43 ℃萃取30 min,于230 ℃热解吸5 min。

GC条件:HP-5MS毛细管色谱柱(30m×250μm,0.25μm);载气为超纯氦气(He);不分流模式;流速1 mL/min;辅助加热器温度为280 ℃;升温程序为初始温度35 ℃,保持3 min,以6 ℃/min升温至160 ℃,以10 ℃/min升温至250 ℃;进样口温度230 ℃。MS条件:电子能量70 eV,电子电离(electronic ionization,EI)源;四极杆温度150 ℃。

定性和定量分析:与美国国家标准技术研究所(national institute of standards and technology,NIST)11标准谱库检索,选择相似度>80的物质进行定性分析,采用内标法计算各挥发性风味物质含量,计算公式如下:

1.3.5 气味活度值计算

气味活度值(odor activity value,OAV)是衡量挥发性化合物对整体气味贡献的指标,表示该化合物的浓度与其嗅觉阈值的比值。OAV越大,说明该化合物对气味的贡献越大,定义OAV≥1的物质为关键挥发性风味化合物。

1.3.6 数据分析

采用Origin 2021以及SPSS 22.0对试验数据进行处理和分析。

2 结果与分析

2.1 发酵条件优化单因素试验结果

2.1.1 料液比的确定

白萝卜、黄瓜和番茄本身除了具有一些酸类物质,如草酸、柠檬酸、苹果酸,还具有维生素、蛋白质和矿物质等营养成分,能为乳酸菌提供碳氮源和辅助因子[18]。不同料液比对蔬菜汁发酵液总酸及pH值的影响见图1。由图1可知,随着料液比在1∶0~1.0∶2.0(g∶mL)范围内的增加,pH值变化不大,总酸含量呈先升高后下降的趋势,当料液比为1.5∶1.0、1.0∶1.0(g∶mL)时,总酸含量较高(0.81 g/100 mL、0.78 g/100 mL),且差异不明显,其pH值分别为3.21、3.23。因此,选择最佳料液比为1.0∶1.0(g∶mL)。

图1 不同料液比对蔬菜汁发酵液总酸含量及pH值的影响
Fig.1 Effect of different material liquid ratios on the total acid contents and pH values of vegetable juice fermentation broth

2.1.2 葡萄糖添加量的确定

葡萄糖是乳酸菌的重要碳源物质,能参与乳酸菌的生长代谢,形成酸类、有机酸等风味物质[19]。不同葡萄糖添加量对蔬菜汁发酵液总酸、pH值的影响见图2。由图2可知,当葡萄糖添加量为1%~2%时,总酸含量逐渐增加,pH值逐渐降低;当葡萄糖添加量为2%时,总酸含量达到最高值,pH值最低,分别为0.78 g/100 mL、3.20;当葡萄糖添加量>2%时,总酸含量逐渐下降,pH值逐渐上升。因此,选择最佳葡萄糖添加量为2%。

图2 不同葡萄糖添加量对蔬菜汁发酵液总酸含量和pH值的影响
Fig.2 Effect of different glucose addition on the total acid contents and pH values of vegetable juice fermentation broth

2.1.3 食盐添加量的确定

不同食盐添加量对蔬菜汁发酵液总酸、pH值的影响见图3。由图3可知,当食盐添加量为1%~2%时,总酸含量逐渐增加,pH值逐渐降低;当食盐添加量为2%时,总酸含量达到最高值,pH值最低,分别为0.78 g/100 mL、3.20;当食盐添加量>2%时,总酸含量逐渐下降,pH值逐渐上升。这与欧雪等[20]的研究结果一致。因此,选择最佳食盐添加量为2%。

图3 不同食盐添加量对蔬菜汁发酵液总酸含量和pH值的影响
Fig.3 Effect of different salt addition on the total acid contents and pH values of vegetable juice fermentation broth

2.1.4 发酵温度的确定

发酵温度是影响微生物生长的重要因素,温度通过影响乳酸菌生长代谢从而影响蔬菜汁总酸含量,30~37 ℃为乳酸菌最适生长温度[21]。不同发酵温度对蔬菜汁发酵液总酸、pH值的影响见图4。由图4可知,随着发酵温度在25~37 ℃范围内增加,总酸含量呈先升高后下降的趋势,而pH值的变化与之相反。当发酵温度为35 ℃、37 ℃时,总酸含量及pH均较高,且差异不大,总酸含量分别为0.77g/100mL、0.78g/100mL,pH值分别为3.21、3.20。因此,选择最佳发酵温度为35 ℃。

图4 不同发酵温度对蔬菜汁发酵液总酸和pH的影响
Fig.4 Effect of different fermentation temperature on the total acid and pH value of vegetable juice fermentation broth

2.2 正交试验结果

在单因素试验的结果的基础上,固定葡萄糖添加量为2%,选取食盐添加量(A)、发酵温度(B)、料液比(C)3个因素为影响因素,以总酸含量为评价指标,采用3因素3水平的L9(33)正交试验优化蔬菜汁发酵工艺条件,结果与分析见表2。

表2 蔬菜汁发酵液发酵工艺优化正交试验结果与分析
Table 2 Results and analysis of orthogonal experiments for fermentation process optimization of vegetable juice fermentation broth

试验号 A 食盐添加量/%B 发酵温度/℃C 料液比(g∶mL)总酸含量/(g·100 mL-1)1 2 3 4 5 6 7 8 9 K1 1 1 1 2 2 2 3 3 3 0.70 0.68 0.62 0.59 0.64 0.81 0.50 0.68 0.58 K2 K3 R 2.00 2.04 1.76 0.28 30 35 37 30 35 37 30 35 37 1.79 2.00 2.01 0.22 1.5:1.0 1.0:1.0 1.0:1.5 1.0:1.0 1.0:1.5 1.5:1.0 1.0:1.5 1.5:1.0 1.0:1.0 226.75 223.50 223.75 3.25

由表2可知,由极差R可知,影响总酸含量因素主次顺序为料液比(C)>食盐添加量(A)>发酵温度(B)。由K值可知,最优组合均为A2B3C1,即葡萄糖添加量2%、食盐添加量2%、发酵温度37 ℃、料液比1.5∶1.0(g∶mL)。在此条件下进行3次平行试验验证,总酸含量为0.81 g/100 mL,pH值为3.20,乳酸菌活菌数达到8.590 lg(CFU/mL)。

2.3 挥发性风味物质分析

主体风味成分不但受到挥发性物质相对含量的影响,而且与风味阈值密切相关[22]。蔬菜汁发酵液的挥发性风味物质含量及其OAV见表3。由表3可知,蔬菜汁发酵液共鉴定出26种挥发性风味成分,其中酸类2种、酯类1种、醇类9种、醛类5种、酮类4种、烃类2种以及其他类3种。检出的酸类物质为异丁酸和异戊酸,能为泡菜提供果香和甜香,但其阈值较高,对风味贡献不明显。硫代乙酸甲酯是蔬菜汁发酵液中检出的唯一一种酯类物质,其含量为1.71 μg/kg。醇类物质种类最丰富,其中乙醇、正己醇含量相对较高,分别为58.13 μg/kg和12.26 μg/kg,可能是乳酸菌的异型发酵使醇类积累[23],但乙醇香气阈值较高,其OAV低,对风味贡献不明显;正己醇OAV为2.19,为特征挥发性风味物质,能为泡菜提供果香和酒香味,芳樟醇含量虽较低(1.09 μg/kg),但其阈值较低,OAV为4.95,对泡菜中花香和甜香风味有重要贡献。醛类物质中,反-2-庚烯醛、反-2-辛烯醛、正己醛含量较高,分别为7.21 μg/kg、3.45 μg/kg、2.24 μg/kg,巴豆醛和反-2-辛烯醛阈值较低,OAV>1,具有果香、脂肪香。酮类物质中甲基庚烯酮含量较高,为5.92 μg/kg,其具有青草香,可能来源于不饱和脂肪酸的氧化作用[24],可以增强泡菜的风味层次。2种烃类物质均属于烯烃类,为莰烯、α-姜黄烯,其来源于生姜等植物原料自身成分。其他类化合物中硫化物为二甲基二硫和二甲基三硫,其含量分别为41.15 μg/kg和4.13 μg/kg,由于它们的香气阈值较低,OAV较高,分别为37.41和41.33,其可能来源于白萝卜,对风味形成至关重要。此外,2,4-二叔丁基苯酚含量较高,为22.80 μg/kg。

表3 蔬菜汁发酵液挥发性风味物质含量及其香气活度值
Table 3 Contents and odor activity values of volatile flavor substances in vegetable juice fermentation broth

注:“-”表示未查找到阈值或无法计算。

种类 保留时间/min 化合物 香气阈值/(mg·kg-1)[29-30] 含量/(μg·kg-1)OAV 气味描述[31]0酸类(2)0.01酯类(1)-0 0 0醇类(9)0.01 2.19 0.01 4.95果香、干酪香、甜香果香奶酪味、鸡蛋味强烈酒精味果香果香青草香果香、酒香4.85 7.14 3.37 1.30 3.10 4.08 5.22 7.83 13.55 14.28 16.16 16.61 1.88 5.78 10.40 13.18 14.39 11.21 13.41 16.50 3.62 10.02 23.17 4.21 10.62 23.75异丁酸异戊酸硫代乙酸甲酯乙醇1-戊烯-3-醇3-甲基-3-丁烯-1-醇异戊烯醇正己醇辛醇芳樟醇薄荷醇松油醇巴豆醛正己醛反-2-庚烯醛反-2-辛烯醛壬醛甲基庚烯酮5-甲基-1-苯基己烷-1-酮4-(1-甲基乙基)-环己烯-2-烯-1-酮乙偶姻莰烯α-姜黄烯二甲基二硫二甲基三硫2,4-二叔丁基苯酚6.550 5 0.49-950 0.358 1 0.547 125 0.25 0.005 6 0.125 8 0.000 22-1.2 0.000 3 0.005 0.04 0.003 0.001 1 0.068 4.13 4.45 1.71 58.13 3.90 0.87 1.33 12.26 1.43 1.09 6.98 1.61 0.96 2.24 7.21 3.45 0.78 5.92 0.39 1.91 1.77 1.13 0.83 41.15 4.13 22.80-0醛类(5)3.21 0.45 0.18 1.15 0.71 0.09柑橘、花香、甜香薄荷味清淡花香果香脂肪、青草、果味青草味脂肪、黄瓜、肉味橙花花香青草香、柑橘香酮类(4)——0.014 0.13烃类(2)——其他(3)0.001 1 0.000 1 0.5 37.41 41.33 0.05焦香、脂香柠檬香辛香刺激洋葱味肉香、洋葱香

蔬菜汁发酵液中关键挥发性风味化合物(OAV≥1)有正己醇、芳樟醇、巴豆醛、反-2-辛烯醛、二甲基二硫、二甲基三硫。研究表明,老盐水发酵的泡菜中二甲基二硫和二甲基三硫对风味影响较大[25],含硫化合物也是萝卜泡菜的重要风味化合物。成熟泡菜中通常还含有乙醇、芳樟醇、松油醇、己醇等醇类化合物[26],这些物质为泡菜提供了清新的水果和花香气味,壬醛、正己醛、反-2-辛烯醛等醛类能为泡菜提供清新的水果香。史梅莓等[5]的研究结果表明,将二甲基三硫、芳樟醇、松油醇、壬醛、乙偶姻等确定为多轮发酵泡菜的重要挥发性风味成分。CHEN A J等[27]在发酵6轮的萝卜泡菜中检出了二甲基二硫、二甲基三硫、芳樟醇、壬醛等物质成分;陈功等[25]将萝卜、白菜、辣椒循环发酵后,检出了二甲基硫醚、二甲基二硫、二甲基三硫、苧烯、乙醛、芳樟醇等物质;RAO Y等[28]在老盐水发酵的萝卜泡菜中检测出苯甲醛、哌啶-2-硫酮、四氢吡咯-2-硫酮二甲基三硫、1-十二醇等物质。综上研究表明蔬菜汁发酵液具备与老泡菜水相似的风味化合物。

3 结论

本研究通过单因素、正交试验得到蔬菜汁发酵液最优发酵条件为:葡萄糖添加量2%、食盐添加量2%、料液比1.5∶1.0(g∶mL)、发酵温度37 ℃。在此优化条件下,蔬菜汁发酵液的总酸含量达0.81 g/100 mL,pH值为3.20,乳酸菌活菌数达8.59 lg(CFU/mL)。蔬菜汁发酵液中共检出26种挥发性风味化合物,包括酸类2种、酯类1种、醇类9种、醛类5种、酮类4种、烃类2种以及其他类3种。关键挥发性风味物质(OAV≥1)有正己醇、芳樟醇、巴豆醛、反-2-辛烯醛、二甲基二硫、二甲基三硫6种。可将此发酵液应用于发酵泡菜,以期获得具有传统老泡菜水发酵风味的泡菜产品。

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Optimization of preparation process and flavor analysis of vegetable juice fermentation broth simulating aged brine

LI Jing1,ZHANG Min2,YANG Jinmei1,SONG Xiaoyan2,REN Jingyi1,HUANG Xinyue2,WAN Yizhuo1,WANG Wen1,HU Kaidi1,LIU Shuliang1*
(1.School of Food,Sichuan Agricultural University,Yaan 625014,China;2.Chengdu Sheng'en Biotechnology Co.,Ltd.,Chengdu 611130,China)

Abstract:In order to simulate aged brine, vegetable juice fermentation broth was prepared using radish, cucumber and tomato as raw materials and Lactobacillus plantarum P158,LYA31 and Pediococcus pentosaceus PP as fermentation strains.The fermentation conditions were optimized by singlefactor experiments and orthogonal experiments.The volatile flavor compounds were analyzed by headspace solid-phase microextraction(HS-SPME)combined with gas chromatography-mass spectrometry(GC-MS),and the key volatile flavor compounds(OAV≥1)were determined by the odor activity value(OAV).The results showed that the optimal fermentation conditions for vegetable juice fermentation broth were as follows:glucose addition 2%,salt addition 2%,solid-liquid ratio 1.5∶1.0(g∶ml),and fermentation temperature 37 ℃.Under this optimized condition,the total acid content of the vegetable juice fermentation broth was 0.81 g/100 ml,the pH value was 3.20,and the lactic acid bacteria counts were 8.59 lg(CFU/ml).A total of 26 volatile flavor compounds were detected in the vegetable juice fermentation broth,including 2 acids,1 ester,9 alcohols,5 aldehydes,4 ketones,2 hydrocarbons and 3 others.Among them,the contents of ethanol and dimethyl disulfide were relatively high,which were 58.13 μg/kg and 41.15 μg/kg,respectively.The key volatile flavor substances were n-hexanol,linalool,crotonaldehyde,trans-2-octenal,dimethyl disulfide and dimethyl trisulfide.

Key words:vegetable juice fermentation broth;lactic acid bacteria;aged brine;fermentation process optimization;volatile flavor compound

中图分类号TS255.54

文章编号:0254-5071(2025)06-0252-06

doi: 10.11882/j.issn.0254-5071.2025.06.036

引文格式李婧,张敏,杨金美,等.模拟老泡菜水的蔬菜汁发酵液制备工艺优化及其风味分析[J].中国酿造,2025,44(6):252-257.

收稿日期2024-09-20

修回日期:2024-12-20

基金项目调味品定制化原料开发与成果转化项目(2222319001)

作者简介李 婧(1999-),女,硕士研究生,研究方向为食品微生物与发酵。

*通讯作者刘书亮(1968-),男,教授,博士,研究方向为食品微生物发酵。