山西老陈醋是以高梁、麸皮为主要酿造原料,稻壳和谷壳为辅,再以大麦、豌豆为原料经自然发酵生产的大曲为糖化发酵剂,通过液态酒精发酵、固态醋酸发酵、熏醅、淋醋、陈酿工艺酿造而成的食醋[1]。由于其具有悠久的历史文化、“酸、甜、香、醇、绵”的独特口感及抗氧化、降血脂、抗癌等生理保健功能,深受大众喜爱[2],目前,关于其微生物酿造机理、酿造工艺优化、现代技术创新及产业转型已成为研究热点。
与其他类型谷物醋相比,山西老陈醋最独特的酿造工艺环节为熏醅和陈酿。以往研究多集中在熏醅工艺过程中的理化成分及风味物质形成规律上,如陈涛等[3]对山西老陈醋熏蒸过程中淀粉、总糖、酒精度、总酸、有机酸和氨基酸等常规成分的变化规律进行了探讨,结果表明,熏蒸阶段水分、还原糖、氨基酸、总糖含量都有所下降,总酸含量增加但不明显,醋酸和乳酸的含量均有所升高;王旭苹[4]采用气相色谱-质谱联用技术(gas chromatography-mass spectrometer,GC-MS)研究山西老陈醋在传统熏醅过程中香气成分的变化规律,发现熏醅过程中香气物质的种类逐渐增多,然而随着熏醅时间的延长,酸类和酯类化合物总含量逐渐减小,熏醅5 d后总酯含量降低80%,总酸含量降低46%,因此确定4 d为最宜的熏醅工艺时间;许女等[5]采用GC-MS法研究山西老陈醋熏醅过程中香气成分的动态变化,结果表明,熏醅阶段的挥发作用使得酸类、醇类和酯类化合物的含量逐渐下降,醛类和酚类物质的含量显著提高,两种杂环类化合物糠醛和四甲基吡嗪的含量上升较快,分别从熏醅第1天的0%和1.04%上升至第5天的20.72%和10.83%。而关于压醅这一食醋陈酿前端的养醅成熟工艺却鲜有研究。
压醅后熟工艺是在醋酸发酵完成后将醋醅压实密封,创造厌氧环境,促使乳酸菌等厌氧菌大量增殖,使多种类型厌氧微生物通过复杂的代谢反应生成酯、不挥发性酸、吡嗪、氨基酸等风味物质的过程,这对提高不挥发性酸含量,改善食醋的风味品质形成非常重要。因此,本研究主要对压醅后熟过程中醋醅的基础理化指标、微生物指标、有机酸、风味物质及游离氨基酸的动态变化规律进行研究,以期为陈醋传统压醅后熟这一关键工艺的优化提升提供研究基础。
1.1.1 样品
醋醅:采集自山河醋业股份有限公司,分别于压醅后熟第0天、1天、2天、3天、4天、5天、6天采样,于-80 ℃保存。
1.1.2 试剂
氢氧化钠、甲醛、酒石酸钾钠(均为分析纯):天津天利化学试剂有限公司;硫酸铜、次甲基蓝、亚铁氢化钾、葡萄糖、磷酸二氢钾(均为分析纯):天津恒兴化学试剂有限公司;蛋白胨、琼脂粉、平板计数琼脂(plate count agar,PCA)培养基、马铃薯葡萄糖琼脂(potato dextrose agar,PDA)培养基、孟加拉红培养基(均为生化试剂):北京奥博星生物技术有限公司;草酸、丙酮酸、酒石酸、苹果酸、乳酸、乙酸、柠檬酸、琥珀酸(均为分析纯):天津光复精细化工研究所。
PB-21酸度计:北京赛多利斯天平有限公司;78-1磁力加热搅拌器:常州润华电器有限公司;DF205电热鼓风干燥箱:北京医疗设备工厂;TD-114分析天平:北京赛多利斯天平有限公司;U-3000高效液相色谱(high performance liquid chromatography,HPLC)仪、Trace-1300气相色谱(gas chromatography,GC)仪、TraceISQ质谱分析仪、Biochrom 30+氨基酸自动分析仪:赛默飞世尔科技(中国)有限公司。
1.3.1 基本理化指标的测定
水分、还原糖、氨基酸态氮和总酸含量:分别参照文献[6]中的恒重法、菲林滴定法、甲醛滴定法、氢氧化钠滴定法进行测定;总酯、可溶性固形物和不挥发酸:分别参照文献[7-9]中的回流皂法滴定、手持折光仪、单沸式蒸馏法进行测定。
1.3.2 微生物指标的测定
参照文献[10]采用稀释涂布法进行计数,细菌总数用PCA培养基平板计数,酵母菌用PDA培养基平板计数、霉菌用孟加拉红培养基平板计数。
1.3.3 有机酸含量的测定
参照文献[11]中的高相液相色谱法测定。
1.3.4 挥发性风味物质的测定
参照文献[5]中的气相色谱质谱联用法测定。
1.3.5 氨基酸含量的测定
参照文献[12]中的氨基酸自动分析仪法测定。
山西老陈醋压醅后熟过程中醋醅基本理化指标的动态变化见图1。由图1a可知,整个压醅过程中,醋醅中的水分含量保持在62.53%~71.76%。压醅过程中的水分含量控制尤其重要,水分含量过低会影响厌氧微生物正常的生理代谢活动,水分含量过高则会使美拉德反应不完全,从而导致老陈醋的风味和色泽变差[13]。还原糖作为促进食醋风味和调节食醋酸味的碳水化合物[14],主要来自于淀粉的酶解,还参与美拉德反应影响食醋的风味,在食醋的生产过程中有重要作用。压醅过程中还原糖的含量呈现先上升后下降的趋势,还原糖含量的升高可能是由于压醅过程中水分的不断蒸发,而使还原糖的浓度提高。可溶性固形物主要包括糖、蛋白质和纤维素等,是评价老陈醋品质优劣的一项重要指标,醋醅在压醅过程中影响到食醋中可溶性固形物的含量,其含量呈上升趋势,第3天含量达到最高为(9.98±0.02)g/100 g。氨基酸态氮是原料中的蛋白质经多种酶的作用降解为氨基酸,氨基酸经过美拉德反应与还原糖反应生成的杂环类物质,为山西老陈醋提供特有的熏香味道,同时氨基酸态氮也为微生物的生长繁殖提供氮源。由图1b可知,在压醅过程中,氨基酸态氮含量呈上升趋势,压醅结束时含量达到(0.18±0.02)g/100 g,说明压醅工艺操作促进了醋醅中氨基酸的形成,分析原因可能是:压醅操作形成的高温促使蛋白质的受热降解[15];在压醅造成的厌氧环境下,部分高产蛋白酶乳酸菌菌株的增殖及耐热芽孢菌产生的蛋白酶对原料中蛋白质大分子的水解作用[16];压醅工艺形成的高温下的美拉德反应本身就是一个复杂的大分子物质形成和分解反应[17],具体的机制需要进一步研究。由图1b亦可知,总酯含量呈先升高后下降的趋势再升高的趋势,从压醅第1天的(4.45±0.13)g/100 g上升到压醅第2天的(5.13±0.12)g/100 g,而后下降到压醅末期的(4.45±0.11)g/100 g。由图1c可知,压醅过程中的总酸和不挥发酸含量呈上升趋势,含量分别由压醅第0天的(5.92±0.12)g/100 g和(1.47±0.05)g/100 g上升到压醅第6天的(7.44±0.03)g/100 g和(2.14±0.01)g/100 g,不挥发酸是山西老陈醋发酵过程中重要风味产物之一,可以减缓老陈醋总酸含量较高所导致的刺激性酸味口感,使其酸味更加柔和、醇厚,达到了压醅后熟目的。
图1 山西老陈醋压醅后熟过程中醋醅基本理化指标的动态变化
Fig.1 Dynamic changes of basic physical and chemical indexes during Yapei post-ripening process of Shanxi aged vinegar
山西老陈醋压醅过程中总细菌、酵母菌、霉菌数量动态变化见图2。醋醅中的细菌主要有乳酸菌、醋酸菌和芽孢菌。乳酸菌是食醋不挥发性酸的主要贡献菌群,并且产生的乳酸等有机酸与酵母菌代谢产生的醇类物质合成酯,丰富了食醋的酯香味[18];醋酸菌产生食醋主体风味物质—醋酸[19],醋醅中发现的醋酸菌主要包括巴氏醋杆菌、醋化醋杆菌、葡糖醋杆菌及恶臭醋杆菌等;另外,芽孢杆菌也是贯穿食醋整个发酵过程的重要菌群,其发挥着产酶、产酯、产酸、产细菌素及产多酚、乙偶姻等生物活性物质等重要功能,随着对食醋发酵机理、菌群功能解析的进一步深入研究,食醋来源的芽孢杆菌将具有巨大的研究开发前景。由图2a可知,压醅过程中细菌总数由压醅第0天的4.79lg(CFU/g)上升到压醅第2天的4.87lg(CFU/g),之后显著下降到压醅末期的4.35lg(CFU/g),分析原因可能是醋醅在压醅过程中氧气被消耗完,需氧型微生物生长受到抑制,导致细菌总数急剧下降。
图2 山西老陈醋压醅后熟过程中总细菌(a)、酵母菌(b)、霉菌(c)数量动态变化
Fig.2 Dynamic changes of total bacteria (a),yeast (b) and mold (c)number during Yapei post-ripening process of Shanxi aged vinegar
醋醅中的酵母菌有蒿草假丝酵母、酿酒酵母、假丝酵母、维克汉姆酵母、季也蒙毕赤酵母、隐球酵母等[20]。由图2b可知,酵母菌总数从压醅第0天的4.17lg(CFU/g)下降到第1天的3.94lg(CFU/g)后上升到压醅第3天的4.09lg(CFU/g)之后显著下降到压醅末期的3.82lg(CFU/g),酵母菌生长时需要氧气,压醅隔绝氧气后抑制酵母菌的生长繁殖,导致酵母菌在压醅初期有所下降,但酵母菌属于兼性厌氧菌,其适应无氧环境时稍有回升,压醅后期酸度升高,从而抑制酵母菌的生长,呈现下降趋势。
食醋酿造中的霉菌菌群主要负责产生糖化酶和蛋白酶等酶类物质,另外,霉菌也是重要的风味协调菌。山西老陈醋大曲和醋醅中发现的霉菌主要有根毛霉、根霉、毛霉、格孢霉和曲霉等[21],霉菌为需氧菌,在无氧条件下无法继续生长,由图2c可知,压醅过程中霉菌始终无法检出。
山西老陈醋压醅后熟过程中有机酸含量的动态变化见表1。由表1可知,压醅过程中,有机酸总量呈现先升高后下降的趋势,含量从压醅第0天的(6.22±0.15)g/100 g上升到压醅第3天的(9.30±0.13)g/100 g,再下降到压醅末期的(7.37±0.12)g/100 g。乙酸和乳酸为压醅过程中的主体有机酸,压醅过程中,二者含量占总有机酸含量的69%以上。乙酸含量由压醅第0天的(3.37±0.12)g/100 g降至第6天的(0.85±0.01)g/100 g,这是由于高温导致的挥发性的乙酸加速挥发及乙酸进一步合成酯等香气物质所致。乳酸含量由压醅第0天的(1.4±0.04)g/100 g升至第4天的(6.02±0.12)g/100 g,然后下降到压醅末期的(4.75±0.12)g/100 g,压醅造成的厌氧环境,促使以乳酸菌为主的厌氧菌在压醅过程中迅速繁殖,产生以乳酸为主的大量不挥发性酸,其可以缓冲食醋中乙酸产生的刺激性气味,对食醋的风味和保健功能具有重要的作用。
表1 山西老陈醋压醅后熟过程中有机酸含量的动态变化
Table 1 Dynamic changes of organic acids content during Yapei post-ripening process of Shanxi aged vinegar
另外,草酸、酒石酸、苹果酸在压醅过程中呈现上升趋势;丙酮酸呈现下降趋势;柠檬酸在压醅第3天最高,为(0.48±0.02)g/100 g,琥珀酸变化趋势不明显,这些不挥发性酸对食醋的风味起到重要的协调作用。
山西老陈醋压醅后熟过程中共检测出80种挥发性风味物质,包括39种酯类物质、13种醇类物质、13种酸类物质、7种醛类、6种酮类、吡嗪类和其他类各1种。选取压醅过程中共有的47种香气物质绘制热图,结果见图3。
由图3可知,压醅过程聚为2支,说明压醅第0、1、2天挥发性风味物质含量和种类相似,压醅第3、4、5、6天挥发性风味物质含量和种类相似。山西老陈醋压醅初期(0~2 d),主要是由酸和醇酯化反应生成的酯类物质,如呈果香或花香的乙酸乙酯[22]、蕉香味的乙酸异戊酯[23]、乙酸异丁酯、2-甲基丁酸乙酯、辛酸乙酯等,由酵母菌经过酶促反应后生成的醇类物质如柔和令人愉悦的玫瑰香气的2,3-丁二醇和蘑菇和泥土香气的1-辛烯-3-醇等,由微生物代谢糖类而产生酸类物质如乙酸和异丁酸等,另外,为食醋提供奶香味的3-羟基-2-丁酮和2-正戊基呋喃等酮类物质含量较高。
图3 山西老陈醋压醅后熟过程中挥发性风味物质动态变化热图
Fig.3 Heat map of dynamic changes of volatile flavor components during Yapei post-ripening process of Shanxi aged vinegar
随着压醅过程的进行,压醅3~6 d,主要香气物质含量发生变化,呈果香味的月桂酸乙酯、奶油香的棕榈酸乙酯、椰香味的丙位壬内酯、甜蜜玫瑰花香的苯乙酸乙酯等酯类物质,乙醇和玫瑰香的苯乙醇等醇类物质,呈杏仁香和坚果香的苯乙醛和苯甲醛[24],呈坚果香的糠醛等醛类物质和烘焙香的四甲基吡嗪等物质大量生成,在压醅第6天其含量达到最高。在压醅过程中3-羟基-2-丁酮的含量呈降低趋势,这可能是由于它作为四甲基吡嗪的前体物质,发生降解后生成四甲基吡嗪。苯甲醛的增加可能是因为老陈醋高梁、大麦等原料中所含氨基酸成分进一步发生降解的原因,糠醛和四甲基吡嗪等杂环类化合物在压醅末期的大量生成,可能是由于美拉德反应经过氧化、缩合和脱羧化反应的原因,导致杂环化合物的含量增加。
山西老陈醋压醅后熟过程中挥发性风味物质种类及总量变化趋势见图4。由图4可知,大部分挥发性风味物质含量在压醅过程中呈现下降趋势,风味物质含量由高到低的时间排序为压醅第0天>压醅第1天>压醅第3天,压醅第4天>压醅第2天,压醅第5天>压醅第6天。压醅后熟过程中,酯类物质含量总体呈现下降趋势。压醅第0天样品中酯类挥发性风味物质含量最高,为47.55 mg/1 000 g,在第0~1天香气成分迅速下降,第2、3天含量稍有上升,之后继续下降至压醅末期的19.87 mg/1 000 g。并且酯类挥发性香气成分种类数量整体处于下降趋势,第4~5天下降趋势最明显。
图4 山西老陈醋压醅后熟过程中挥发性香气变化趋势
Fig.4 Change trend of volatile aroma compounds during Yapei post-ripening process of Shanxi aged vinegar
相似地,酮类物质含量总体也呈现下降趋势。压醅第0天样品中酮类挥发性香气成分含量最高,为5.44mg/1000g,压醅结束时为0.78 mg/1 000 g,且其种类数量除压醅第4天上升为4种外整体无变化。
酸类物质种类从第0天的4种上升到压醅末期的6种,这是由于厌氧乳酸菌的大量增殖导致的物种多样性增加,从而酸类代谢产物种类增加所致。压醅第0~1天样品中酸类物质含量最高为31.21 mg/1 000 g,在压醅第1~2天迅速下降至16.97 mg/1 000 g,之后变化不大,到压醅末期酸类物质含量为18.51 mg/1 000 g。
由于酵母菌的厌氧发酵,醇类物质含量在总体上呈现上升趋势。压醅第1天样品中醇类挥发性香气成分含量最低,为9.07 mg/1 000 g,压醅第3天含量趋于稳定。醇类物质种类呈先上升后下降再上升的趋势,从第0天的5种显著上升到第1天的10种之后下降到第5天的7种,在压醅末期又回升为10种。
醛类物质含量则在总体上呈现先升高后下降的趋势。压醅第0天样品中醛类物质含量最低,为0.15 mg/1 000 g,在第0~2天迅速上升至0.52 mg/1 000 g,到压醅末期含量为0.19 mg/1 000 g。吡嗪类挥发性香气成分含量呈现波动变化。压醅第1~3天含量下降较多,第3天吡嗪类挥发性香气成分含量最低,为0.03 mg/1 000 g。
氨基酸对食醋的香味及口感有关键的影响[25]。对山西老陈醋压醅过程中游离氨基酸进行测定并制作热图进行分析,结果见图5。由图5可知,聚类结果表明压醅过程因氨基酸含量相似聚为压醅0~3 d和4~6 d两大支,在压醅第5天和压醅第6天各氨基酸含量较高。由表2可知,大部分氨基酸包括:苏氨酸、丝氨酸、甘氨酸、缬氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸、组氨酸、精氨酸、脯氨酸、天冬氨酸在压醅过程中呈现上升趋势;而胱氨酸在压醅第1天达到最高值((0.14±0.02)mg/g)后呈现下降趋势。与压醅第0天相比,压醅第5、6天氨基酸总量显著上升,氨基酸总量提高33.82%。其中,丙氨酸、谷氨酸、亮氨酸、缬氨酸为压醅过程中的主体氨基酸,约占氨基酸总量的42%以上。这与王宗敏[26]在对镇江香醋醋醅样本中游离氨基酸趋势和主要氨基酸占比相似,醋醅中氨基酸含量呈上升趋势,丙氨酸、谷氨酸、亮氨酸和缬氨酸在醋醅样品中最高,约占总含量50%。
表2 山西老陈醋压醅后熟过程中氨基酸含量动态变化
Table 2 Dynamic changes of amino acids content during Yapei post-ripening process of Shanxi aged vinegar
注:“*”表示为必需氨基酸。
图5 山西老陈醋压醅后熟过程中氨基酸动态变化热图
Fig.5 Heat map of dynamic changes of amino acids during Yapei post-ripening process of Shanxi aged vinegar
呈甜味的丙氨酸可以矫正酸味[27],含量由压醅第0天的(1.18±0.12)mg/g升至第6天的(1.44±0.01)mg/g。谷氨酸可以为食醋提供鲜味和酸味,含量由压醅第0天的(1.08±0.05)mg/g升至第6天的(1.51±0.04)mg/g。亮氨酸和缬氨酸主要呈苦味,可以协调、丰富食醋的风味[28],二者的含量分别由压醅第0天的(0.95±0.06)mg/g和(0.62±0.01)mg/g升至第6天的(1.26±0.03)mg/g和(0.82±0.01)mg/g。
本研究对山西老陈醋压醅过程(0~6 d)中醋醅的理化指标、微生物指标、有机酸、挥发性香气物质及氨基酸的动态变化规律进行了研究,结果表明,在压醅后熟过程中,醋醅中总酸、不挥发性酸、氨基酸态氮和可溶性固形物含量呈上升趋势,还原糖、水分和总酯含量呈先上升后下降的趋势;细菌总数呈先上升后下降的趋势,酵母菌呈先下降后上升再下降的趋势,霉菌为检出;有机酸总量呈现先增长后下降的趋势,压醅第3天含量达到最高值;共检测出80种挥发性香气物质,包括酯类39种、醇类13种、酸类13种、醛类7种、酮类6种、吡嗪类和其他类各1种,压醅过程中大部分香气物质呈下降趋势;相反,氨基酸含量则呈现上升趋势,与压醅第0天相比,压醅第5、6天氨基酸总量显著上升,最终氨基酸总量提高33.82%,其中丙氨酸、谷氨酸、亮氨酸、缬氨酸为压醅过程中的主体氨基酸。本实验为陈醋传统压醅后熟这一关键工艺的优化提供了基础研究指导,这对山西老陈醋的风味品质提升具有重要意义。
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Dynamic changes of microorganism and flavor substances of Shanxi aged vinegar during Yapei post-ripening process