红曲霉菌的筛选及其在液态食醋酿造中的应用

2024-03-25 07:35杜琳琳赵祥颖刘丽萍黄艳红王新文李梦真刘建军
中国调味品 2024年1期
关键词:米醋

杜琳琳 赵祥颖 刘丽萍 黄艳红 王新文 李梦真 刘建军

摘要:以大米糖化能力為指标,从红曲米醋传统发酵剂乌衣红曲中分离获得一株红曲霉ZSM1,研究优化了其液态培养产酶条件和酶特性。以大米为主要原料,酒精发酵采用酿酒酵母SFH-JM12,研究了以红曲霉ZSM1发酵液作为糖化剂对液态米醋风味品质的影响,以传统液态米醋酿造糖化剂为对照组,研究比较了发酵米醋中游离氨基酸、有机酸、风味化合物等组成与含量,并进行了感官品评。结果表明,以红曲霉ZSM1作为糖化剂,提高了产品中有机酸含量,乳酸含量达到1.11 g/dL,琥珀酸含量达到1.81 g/dL;具有鲜味的谷氨酸含量显著提高,浓度最高达115.97 mg/g,比对照组提高了16.45倍。甜味氨基酸如丝氨酸含量由4.23 mg/g增加到140.17 mg/g,苏氨酸含量由37.98 mg/g增加到382.34 mg/g;显著提高了产品中甲酸-2-甲基丁酯、乙酸丙酯、2,3-戊二酮等芳香化合物的含量,且产品酸而不涩,刺激性气味显著减弱,香气浓郁,具有典型的醋香,红曲霉ZSM1菌株的应用改善提升了液态米醋的风味品质。

关键词:红曲霉;乌衣红曲;米醋;风味物质

中图分类号:TS201.3文献标志码:A 文章编号:1000-9973(2024)01-0033-07

Screening of Monascus Strain and Its Application in Liquid Vinegar Brewing

DU Lin-lin1,2, ZHAO Xiang-ying1,2,3, LIU Li-ping1,2, HUANG Yan-hong1,2,

WANG Xin-wen3, LI Meng-zhen1,2, LIU Jian-jun1,2*

Abstract: With rice saccharification ability as the index, a strain of Monascus ZSM1 is isolated from the traditional starter Wuyi Monascus of red koji rice vinegar, and its liquid culture enzyme production conditions and enzyme characteristics are optimized. Rice is used as the main raw material, and Saccharomyces cerevisiae SFH-JM12 is used for alcohol fermentation. The effect of Monascus ZSM1 fermentation broth as the saccharifying agent on the flavor and quality of liquid rice vinegar is studied. With saccharifying agent of the brewing of traditional liquid rice vinegar as the control group, the composition and content of free amino acids, organic acids and flavor compounds in fermented rice vinegar are studied and compared, and sensory evaluation is carried out. The results show that the content of organic acids in the product increases when using Monascus ZSM1 as the saccharifying agent, the content of lactic acids reaches 1.11 g/dL and the content of succinic acid reaches 1.81 g/dL. The  content of glutamic  acids with umami significantly increases, and the highest concentration is 115.97 mg/g, which is 16.45 times higher than that of the control group. In terms of sweet amino acids, serine content increases from 4.23 mg/g to 140.17 mg/g, and threonine content increases from 37.98 mg/g to 382.34 mg/g; the content of aromatic compounds such as 2-methylbutyl formate, propyl acetate and 2,3-pentanedione in the product significantly increases, and the product is sour but not astringent, the irritant odor is significantly weakened, the aroma is strong, and it has typical vinegar aroma. The application of Monascus ZSM1 strain has improved the flavor and quality of liquid rice vinegar.

Key words: Monascus; Wuyi Monascus; rice vinegar; flavor substances

红曲作为一种功能性食品添加劑,在我国常被用于生产红曲酒和红曲醋等发酵食品[1]。

红曲醋是中国最受欢迎的食醋之一,成品红曲醋呈现鲜红的颜色,澄清透亮有光泽,有特殊的甜香味[2]。传统红曲醋是由大米或糯米拌入红曲,通过传统液体循环工艺制成。工艺程序繁多、陈酿周期长、人工生产效率低阻碍了红曲醋产业的发展。液体深层发酵是一种先进的快速制醋工艺,采用酶制剂液化、糖化后,纯菌种发酵。该工艺生产效率高且产品质量稳定,但风味较差。技术改进后形成的利用红曲进行液体深层发酵制醋工艺简单、出品率高、生产成本低、食醋风味层次丰富。主要利用红曲中红曲霉(Monascus sp.)等微生物产生α-淀粉酶和淀粉葡萄糖苷酶等高活性水解酶,催化淀粉转化成糖,产生的糖进一步被酵母利用产酒精[3];另外,还分泌蛋白酶、酯化酶和其他风味代谢物,发酵的红曲醋颜色棕红透亮、风味独特[4]。

乌衣红曲属于红曲的一种,以大米为生产基质接种红曲霉和黑曲霉,通过长周期固态发酵制成红色米曲[5-6]。目前乌衣红曲大部分通过地面曲室制曲生产,基于人工经验在非无菌条件下自然发酵制成[7]。制曲中野生杂菌易多量生长繁殖,不同批次制曲质量会有所差异,发酵过程不可控,产品品质难以保证[8]。本研究从传统乌衣红曲中分离红曲霉菌株,将纯化后的红曲霉用作生产米醋糖化剂,探寻其在液态食醋酿造中的作用,有助于保证发酵过程可控、菌种可控以及产品质量可控的“三控”发酵,也有利于提升液态食醋的风味品质。

1 材料与方法

1.1 材料和试剂

乌衣红曲、黑曲霉:由山东玉兔食品有限公司提供;大米:购自七里堡农贸市场;氨基酸与有机酸标准品:购自上海麦克林生化科技有限公司;液化酶、糖化酶:购自中国诺维信生物技术有限公司;酿酒酵母SFH-JM12和醋酸杆菌SFC-YT19:由山东省食品发酵工业研究设计院筛选并保藏。

1.2 主要仪器与设备

立式压力蒸汽灭菌锅 致微(厦门)仪器有限公司;7200分光光度计 上海尤尼科仪器有限公司;Dionex UltiMate 3000高效液相色谱仪 赛默飞世尔科技公司;气相色谱-离子迁移谱联用仪 海能未来技术集团股份有限公司。

1.3 培养基

霉菌筛选培养基:PDA培养基:称取200.0 g马铃薯去皮、切块后加入蒸馏水,煮沸20~30 min,用双层纱布过滤,加入葡萄糖20.0 g,琼脂15.0~20.0 g,用蒸馏水定容至1 000 mL;YPD培养基:蛋白胨2%,酵母浸粉1%,葡萄糖2%;淀粉琼脂平板:可溶性淀粉2%,牛肉膏0.5%,蛋白胨1%,氯化钠0.5%,琼脂2%,水1 000 mL;牛奶琼脂平板:奶粉10%(115 ℃灭菌15 min),琼脂4%(118 ℃灭菌20 min),分开灭菌后混合;醋酸菌发酵培养基:酵母浸粉1%,葡萄糖1%,无水乙醇6%;大米培养基:称取5 g大米加入45 mL蒸馏水,在118 ℃条件下高温蒸煮20 min,制成米液。

斜面保存培养基:配方同以上培养基,118 ℃灭菌20 min后分装于试管中摆成斜面,于30 ℃恒温培养箱中培养24 h确认无杂菌,用于保存菌种使用。

以上培养基均采用118 ℃、20 min的灭菌条件。

1.4 霉菌的分离纯化

在无菌条件下将10 g固体乌衣红曲样品和玻璃珠加入装有90 mL 0.85% NaCl的锥形瓶中,在恒温振荡器上摇匀30 min,再用装有无菌棉的玻璃漏斗过滤,得到10-1稀释液,梯度稀释后取不同浓度稀释液100 μL涂布于含有0.05%去氧胆酸钠的PDA固体平板上,于30 ℃培养箱中培养3~4 d,挑取具有典型红曲霉菌形态特征的单菌落,进一步分离纯化。最后接种于斜面试管中,放置于4 ℃冰箱中保藏。

1.5 红曲霉产酶特性分析

1.5.1 霉菌孢子菌悬液的制备

将保存的霉菌斜面用接种环刮取适量分生孢子,加入50 mL无菌生理盐水中,转入带有玻璃珠的无菌三角瓶中,振荡均匀,用脱脂棉过滤,去除菌丝制成霉菌孢子菌悬液,孢子浓度通过血球计数板计数为105~106spores/mL。

1.5.2 淀粉降解实验

取2 μL孢子菌悬液加入淀粉琼脂平板中,在30 ℃下培养4 d。用稀碘液淹没平板来观察菌落是否变色,判断菌株是否具有淀粉降解能力。根据淀粉遇碘变蓝的特性,若菌株可以降解淀粉,则菌落周围的淀粉被消耗会产生明显的透明圈。记录菌落直径(d1)与周围透明圈直径(D1)之比Ra(D1/d1),作为菌株产淀粉酶能力的考量指标。

1.5.3 蛋白质降解实验

将2 μL霉菌分生孢子菌悬液加入蛋白质牛奶琼脂平板中,在30 ℃培养箱中静置培养4 d。若菌株降解蛋白质,菌落周围的蛋白质被消耗,观察到周围有透明圈产生。菌落直径(d2)与周围透明圈直径(D2)之比Rb(D2/d2)被记录下来,作为菌株产蛋白酶能力的考量指标。

1.5.4 菌种鉴定

使用常规微生物鉴定方法[9]。

1.5.5 淀粉酶活性的测定[10]

吸取1 mL稀释好的粗酶液放入试管中,然后加入5 mL 2%可溶性淀粉溶液,在(40±0.2) ℃恒温水浴中保持5 min。取1 mL反应溶液,加入盐酸和稀碘液,摇匀,在660 nm处测定吸光度,换算为酶液浓度,使用盐酸溶液和稀碘液作为对照。淀粉酶活性计算公式如下:

X=N×n。

式中:X为淀粉酶活性(U/mL);N为测定酶液的浓度(U/mL或U/g);n为样品的稀释倍数。

1.5.6 蛋白酶活性的测定

根据李娜等[11]的方法测定蛋白酶活性。以吸光度为纵坐标,酪氨酸浓度为横坐标,绘制标准曲线,线性回归方程:y=0.010 5x+0.021 4。

1.6 曲霉液态培养

将曲霉分生孢子菌悬液接种到大米培养基中,发酵中的霉菌孢子总数为6.0×105个/mL菌悬液。在30 ℃下以180 r/min摇床培养。发酵12 h取样后,每6 h取样一次。发酵结束后米浆在8 000 r/min下离心5 min,取上清液进行酶活、pH和还原糖的测定,确定最佳发酵时间。

使用pH计直接插入样品悬浮液中测量样品的pH值;根据国标GB 5009.7-2016《食品安全国家标准 食品中还原糖的测定》中的直接滴定法测定样品中的还原糖含量[12]。

1.7 米醋酿造工艺流程

1.7.1 接种物的制备

曲霉糖化剂:将红曲霉ZSM1分生孢子菌悬液(5%)接种到冷却后的大米培养基中,红曲霉接种后在30 ℃下以180 r/min摇床培养40 h制成红曲发酵液;黑曲霉孢子菌悬液按2%的接种量接种到大米培养基中,培养24 h后制成黑曲发酵液;最后按4∶1(红曲霉∶黑曲霉)的比例混合组成大米糖化剂。

酵母种子液的制备:将酿酒酵母JM12活化后接种在YPD培养基中,30 ℃振荡培养24 h,取发酵液以5 000 r/min离心5 min,收集菌体,重悬于无菌生理盐水中,用血球计数板计数,调整细胞浓度约为1×108 cells/mL。

醋酸杆菌SFC-YT19接种物的制备:接入醋酸菌液体培养基中,在30 ℃下以200 r/min摇床培养24 h,5 000 r/min离心5 min,收集菌体,重悬于无菌生理盐水中,调整细胞浓度约为1×108 cells/mL。

1.7.2 米醋的酿造

大米和水按照1∶3的比例混合,室温下浸泡16~18 h后打浆。混合米浆每瓶300 mL分装到锥形瓶中,118 ℃灭菌20 min。米醪冷却至60 ℃后,将红曲霉制备的糖化液以10%的接种量接种到米醪中,充分混合,糖化12 h,然后将酿酒酵母种子液以5%的接种量接种到糖化米醪中。所有样品在30 ℃下静置发酵8 d,制得米酒;对照组1(糖化酶糖化大米)在混合米浆中加入主料12 U/g的α-淀粉酶,在90~95 ℃液化30 min后于118 ℃灭菌,在无菌条件下加入150 U/g糖化酶,糖化2 h得到糖化米醪,接种酿酒酵母后静置发酵;对照组2(乌衣红曲糖化大米)取主料质量12%~15%的乌衣红曲按1∶5的比例在30 ℃下浸泡40~42 h,混合米浆中直接加入泡曲水于30 ℃静置发酵。

酒精发酵结束后,将发酵米酒醪过滤除掉大米残渣,上清液加适量的无菌水调整酒精度为6%~7%,按10%的接种量接入醋酸杆菌SFC-YT19种子液,在30 ℃下以200 r/min摇床培养,培养至酸度达到4~7 g/dL时,加入2% NaCl终止醋酸发酵。

1.8 分析方法

1.8.1 总酸的测定

总酸(可滴定酸度)参照GB 12456-2021《食品安全国家标准 食品中总酸的测定》中的酸碱指示剂滴定法测定。

1.8.2 游离氨基酸的测定[13]

使用ZORBAX SB-Aq C18色谱柱(250 mm×4.6 mm,5 μm)的高效液相色谱仪(HPLC)分析食醋中游离氨基酸。样品处理:取2 mL稀释后的样品分别加入异硫氰酸苯酯-乙腈溶液和三乙胺-乙腈溶液各1 mL,室温下放置1 h进行衍生反应,向上述衍生后的溶液中加入4 mL正己烷溶液,振荡1 min分层后,弃去上层溶液,经0.22 μm有机滤膜过滤,用于液相色谱测定。色谱条件:UltiMate 3000高效液相色谱仪(赛默飞世尔科技公司);流动相A(1.64 g无水乙酸钠溶解并加入0.5 mL三乙胺中,用水定容至1 L,用20%乙酸调节pH至6.2);流动相B(80%乙腈);线性梯度洗脱,流速为1.0 mL/min,柱温为40 ℃,进样体积为20 μL;采用UltiMateTM二极管阵列检测器,氨基酸衍生产物在254 nm处的紫外波长有强吸收峰。

1.8.3 有机酸分析[14]

有机酸采用HPLC分析,发酵醪液以6 000 r/min离心5 min后,取上清液稀释至合适的浓度,并通过0.22 μm微孔滤膜过滤去除细胞及不溶物。HPLC分析采用UltiMate 3000高效液相色谱仪(赛默飞世尔科技公司),配备HPX-87H色谱柱(美国BioRad公司),以0.05 mol/L H2SO4作为流动相。HPLC分析条件:进样量20 μL,流速0.6 mL/min。采用UV检测器(UltiMateTM 3000 VWD),检测波长为210 nm,检测温度为35 ℃。根据化学标准品使用峰面积计算每种化合物的量。

1.8.4 挥发性风味物质的测定[15]

GC-IMS分析在FlavourSpecGC-IMS设备(德国G.A.S.公司)上进行。取1 mL样品置于20 mL顶空瓶中,60 ℃孵育15 min,在85 ℃下将500 μL样品用氮气(纯度99.999%)泵入加热的进样器中。挥发性化合物首先通过MXT-5毛细管柱分离(15 mL×0.53 mm)。载气的初始流速为2 mL/min,持续2 min,随后在18 min內增加到100 mL/min。挥发性化合物的保留指数(RI)以C4~C9的n-酮为外部参考进行计算。通过RI和漂移时间与GC-IMS NIST 11谱库中的数据进行了比较,鉴定出挥发性化合物,化合物根据峰值强度进行定量。

1.8.5 感官评价

选取5位具有专业感官品评经验的人员对新品米醋进行味道和香气的评估。“味道”评估采用甜味(葡萄糖,20 g/L)、鲜味(谷氨酸钠,0.6 g/L)、咸味(氯化钠,2 g/L)、酸味(乳酸,1 g/L)和苦味(L-异亮氨酸,5 g/L)呈现。同时用醋酸(醋香)、乙醇(酒精味)、麦芽酚(焦香)、苯乙醇(花香)和乙酸乙酯(果香)评价“香气”[16]。每个维度使用0(非常差)~8(优秀)等级评分。

1.9 数据处理

数据分析由Origin 2023处理,实验结果用平均值±标准偏差的形式表示。

2 结果与分析

2.1 霉菌的分离和筛选

将筛选出的霉菌进行相关生理生化特性检测,基于菌落特征和菌体微观细胞形态进行形态学鉴定[17],菌株ZSM1外观为红色,其菌落菌体形态见图1。菌落生长速度较慢,前期生长白色菌丝体,菌落较大,质地疏松,呈现紧皱的蛛网状,不易挑取。培养2 d时孢子开始生长,产生红色孢子;在物镜(×40)的光学显微镜下观察红色霉菌菌丝有隔,呈现不规则的树枝状,具有分生孢子,孢子呈椭圆形。基于以上观察,确定菌株ZSM1为红曲霉属。红曲霉类真菌具有较高的酶活力,可以分解大米中高含量淀粉和蛋白质等其他营养成分,代谢产生各种风味化合物。分离纯化得到的红曲霉ZSM1表现出较好的淀粉降解能力(Ra=3.2)和蛋白降解能力(Rb=1.2)。

2.2 曲霉液态培养过程分析

所用大米中均含有7.55%的蛋白和77.99%的淀粉,丝状真菌能代谢产生各种水解酶,分解原料中大分子物质,其酶活力会随培养时间和培养环境的变化而有所不同。固态生产红曲过程中温度和湿度不可控,发酵周期不稳定,容易导致红曲产品批次间质量波动;而红曲液态法培养周期短,产酶稳定[18]。红曲霉是一种丝状真菌,通过液态振荡能更好促进其生长代谢,观察以大米为基质,红曲霉液态发酵3 d培养进程。开始米醪液非常黏稠,红曲霉在生长过程中分泌淀粉酶和蛋白酶,米醪的黏度逐渐下降,发酵过程中逐渐分泌红曲色素,液态培养超过40 h后,红曲色素开始得到大量积累。

由表1可知,随着发酵时间的延长,液态红曲霉中淀粉酶活呈现先上升后逐渐下降的趋势,在36~48 h之间酶活较高;红曲霉产蛋白酶活最高在48 h左右,且红曲霉代谢生产或消耗还原糖得到基本平衡。因此,选取40 h为红曲霉液态培养的最佳发酵时间。

由表2可知,黑曲霉在24 h左右酶活最高,淀粉酶活为281 U/mL,蛋白酶活为14.84 U/mL,且发酵24 h后黑曲霉液体培养米醪呈现较稀状态,无菌丝体出现。因此,选取此时间点作为黑曲霉液态培养发酵时间。

2.3 不同糖化工艺对米醋风味的影响

2.3.1 有机酸分析

有机酸是食醋中关键风味代谢物,对米醋的风味有较大影响[19]。分析了各样品的总酸以及醋酸、草酸、柠檬酸、苹果酸和乳酸等有机酸含量。总酸是评价食醋质量的关键指标,米醋醋酸发酵结束时,以红曲霉糖化后发酵的米醋(曲霉+JM12)总酸含量为4.62 g/dL;经糖化酶糖化后发酵的米醋(糖化酶+JM12)总酸含量为4.68 g/dL;传统固态乌衣红曲发酵的米醋总酸含量为4.98 g/dL,总酸度均>3.5 g/dL,符合国家生产标准。

由图2可知,相比于糖化酶糖化组,添加红曲霉糖化样品中琥珀酸和乳酸等有机酸含量相对较高(乳酸1.11 g/dL,琥珀酸1.81 g/dL),醋酸含量较低,为3.41 g/dL,可以缓和醋酸刺激性,使食醋的味道更柔和丰富。

2.3.2 游离氨基酸分析

样品中游离氨基酸主要来自微生物对原料中蛋白质的降解,不同氨基酸可以提供不同的风味,脯氨酸、缬氨酸、精氨酸和亮氨酸等被称为苦味氨基酸,谷氨酸和丙氨酸等可以提供甜味和鲜味[20]。氨基酸是米醋中主要的调味物质,由图3可知,通过高效液相色谱法检测米醋中含有的游离氨基酸,其中以糖化酶糖化后发酵的米醋(糖化酶+JM12)氨基酸种类和含量明显低于其他两组,测得发酵米醋的氨基酸总量为345.02 mg/g。相比之下,红曲霉糖化后发酵的米醋鲜味氨基酸如谷氨酸含量显著升高,浓度最高达115.97 mg/g,比对照组提高了16.45倍。甜味氨基酸如丝氨酸含量达140.17 mg/g,苏氨酸含量达382.34 mg/g,氨基酸总含量为2 597.68 mg/g;而与传统乌衣红曲发酵米醋相比,红曲霉糖化后发酵的米醋降低了苦味氨基酸的比重,赋予米醋更好的味道。

2.3.3 不同糖化剂对米醋挥发性物质的影响

采用GC-IMS分析了糖化阶段采用红曲霉液体培养物、糖化酶和乌衣红曲3种不同糖化剂发酵的米醋样品中挥发性物质组成,共检测出52种已知化合物。由表3可知,糖化阶段,使用红曲霉ZSM1液态培养物作为糖化物,可以产生更高的甲酸-2-甲基丁酯、乙酸丙酯、2-辛酮、2,3-戊二酮等芳香化合物,环己酮、甲酸丁酯、丙酸甲酯、丁酸乙酯、己醛、壬醛等在以糖化酶为糖化剂的米醋中含量最高,醛类和酮类物质占比较大。酯类物质是米醋中的主要风味成分,由酸和醇酯化后形成,通过分离得到的红曲霉进行糖化发酵的米醋酯类物质含量较高,呈现出花香和果香,可能与红曲霉自身分泌代谢的各种酯化酶和丰富的化合物有关。

由图4可以直观看出样品间挥发性化合物的差异,与传统乌衣红曲发酵米醋相比,采用红曲霉糖化的米醋风味化合物的种类和含量差异不大。由图5中PCA分析可以看出,3组样品之间有显著差异。糖化阶段采用糖化酶的样品组与红曲霉制备的糖化剂或乌衣红曲有显著分离。结果表明在米醋发酵过程中,红曲霉ZSM1不仅具有分解糖化大米淀粉的能力,而且能够利用原料中各种物质代谢风味化合物。

2.3.4 米醋感官评价

食醋的味道主要以酸味为主,其次为甜味和鲜味,带有微弱的咸味和苦味。由图6可以看出各种风味物质相互作用,协调了食醋的口感。较高的鲜味和甜味氨基酸的存在使米醋显示出更好的鲜味和甜味特征。糖化阶段采用红霉菌糖化的醋产品闻起来酸味纯正,无异味;尝起来无刺激感,无酸涩味,稍有甜味;看起來醋体澄清,呈现明亮的琥珀色。

3 结论

传统乌衣红曲中含有丰富的、直接影响米醋风味品质的功能微生物,本文通过传统微生物培养方法筛选出一株红曲霉ZSM1,评估了分离菌株的产酶特性,发现ZSM1显示出较好的α-淀粉酶和蛋白酶活性。红曲霉ZSM1液体发酵40 h时酶活力最高,且红曲色素产量最佳。后续将ZSM1与黑曲霉液态培养物制备糖化剂代替传统双酶法糖化,结果发现,可增加米醋中乳酸或琥珀酸等不挥发酸含量,消减食醋的刺激性。增加米醋中甜味、鲜味氨基酸的种类和含量,提升米醋中乙酸丙酯、2-辛酮和2,3-戊二酮等芳香化合物含量。相比于采用乌衣红曲发酵米醋,有利于提升米醋的工艺稳定性,确保不同批次产品质量稳定,为提高液态发酵米醋的风味品质提供了理论参考。

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收稿日期:2023-07-06

基金项目:山东省乡村振兴科技创新提振行动计划项目(2022TZXD0029);齐鲁工业大学(山东省科学院)科教产重大创新专项(2022JBZ01-08)

作者简介:杜琳琳(1998-),女,硕士,研究方向:微生物分离与发酵技术。

*通信作者:刘建军(1962-),男,教授,博士,研究方向:资源微生物与新型发酵制品的研究开发。

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