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文献精读|食品发酵相关的理化检测应用
2026-08-24
本研究利用基于质谱(MS)的技术和多变量分析,阐明了红花-燕麦醋发酵过程中理化性质、生物活性成分和风味化合物的动态变化。发酵过程中,pH值降至3.25,而总酸度升至55.65g/L。总糖和还原糖分别降至1.64g/100mL和0.95g/100mL,同时醋的颜色逐渐加深。总酚和总黄酮含量先下降后上升,最终分别达到26.48mg/100mL和14.02mg/100mL,这有助于其展现出较强的抗氧化活性(DPPH清除率:93.84%)。发酵终点的总游离氨基酸含量达到903.48μg/mL,其中甜味氨基酸占主导地位(273.89μg/mL)。主要的有机酸为乙酸(55.69mg/mL)和乳酸(2.82mg/mL)。在红花-燕麦醋发酵过程中共鉴定出115种挥发性化合物,最终阶段的特征性化合物以酯类(645.65μg/L)、酸类(370.20μg/L)和醇类(558.60μg/L)为主。特别是,乙酸异戊酯、苯乙醇、乙酸苯乙酯和苯甲醛在发酵后期富集,这些化合物赋予果香、花香和杏仁般的香气。这些发现填补了关于红花-燕麦醋发酵系统性知识的空白,为功能性醋的产品创新和质量评价提供了参考。


红花-燕麦醋发酵过程中理化性质、生物活性成分及风味相关化合物的演变

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英文题目:Evolution of physicochemical properties, bioactive components, and flavor-related compounds during the fermentation of safflower-oat vinegar

中文题目:红花-燕麦醋发酵过程中理化性质、生物活性成分及风味相关化合物的演变

发表期刊LWT-Food Science and Technology

影响因子:7.1

DOI:https://doi.org/10.1016/j.lwt.2026.119343

研究路线

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研究背景

食醋作为一种历史悠久的传统发酵调味品,不仅在日常饮食中扮演着增味提鲜的角色,还因含有氨基酸、有机酸、多酚等多种生物活性成分而具备抗氧化、抗菌及调节代谢等健康功能。近年来,随着功能性食品需求的增长,利用药食同源原料开发新型功能性食醋已成为研究热点。红花和燕麦作为两种典型的药食同源作物,前者富含黄酮类及天然色素等活性物质,具有抗炎、抗氧化等药理作用,但其复杂成分可能影响发酵微生物的代谢活性;后者富含β-葡聚糖、多酚及优质蛋白质,其水解产物不仅是酒精发酵和醋酸发酵的关键底物,也是挥发性风味化合物的重要前体。尽管两者在功能性食品领域已有较多研究,但将红花与燕麦组合应用于食醋发酵尚未得到系统探讨,特别是红花源活性成分的释放与转化规律、其对微生物代谢的调控机制、以及生物活性物质与风味成分之间的协同演变关系等方面均缺乏深入认识。基于上述研究空白,本研究系统追踪了红花-燕麦醋在酒精发酵和醋酸发酵全过程中的理化参数、颜色指标、总酚总黄酮含量、抗氧化活性、游离氨基酸组成、有机酸谱及挥发性风味化合物等指标的动态变化,旨在全面阐明其品质形成规律,为以药食同源植物为原料的功能性食醋的工艺优化和产品开发提供科学依据。

样本处理

本研究以红花和燕麦为原料,先将红花粉碎后按料液比1:10加蒸馏水,调pH至4.8并添加0.2%纤维素酶,在50℃下辅以160W超声处理50min制得酶解液;同时将燕麦粉碎过筛后按料液比1:4.5加水,经70℃糊化30min,随后依次加入4%α-淀粉酶(pH5.5,90℃,50min)和8%糖化酶(pH5.0,60℃,150min)完成液化糖化;将两者按3:7比例混合并调整初始糖度至22°Brix后,接种0.3%活性干酿酒酵母于30℃静态酒精发酵7天,结束后将酒精度调至8%,再接种7%醋酸菌于30℃、150r/min并通气(7.0L/h)醋酸发酵8天;分别于未发酵混合液(Z-0)、酒精发酵第3天(J-1)和第7天(J-2)、醋酸发酵第2天(C-1)、第4天(C-2)、第6天(C-3)和第8天(C-4)采集样品,离心后于4℃保存待测,所有实验均设三次重复。

研究结果

01

红花-燕麦醋发酵过程中理化性质的动态分析

红花和燕麦粉作为功能性原料,含有多种生物活性物质,用于酿醋具有独特的营养优势和健康功效。通过关键理化参数监测了发酵过程(图1)。在整个发酵过程中,总酸度稳步上升,pH值持续下降(图1A)。值得注意的是,醋酸发酵阶段(C-1至C-4)虽总酸急剧上升,但pH下降速率减缓,这归因于乙酸的弱电离特性及乳酸、草酸等有机酸的缓冲作用,有助于形成温和口感。发酵终点pH和总酸度分别为3.25和55.65g/L,酸度高于液态发酵的李子醋,接近浙江玫瑰醋,但低于固态发酵的镇江香醋(7.5g/100mL),避免了过酸和涩感。

伴随产酸,总糖和还原糖在整个发酵过程中持续下降(图1B)。碳源消耗最快的阶段为酒精发酵初期(Z-0至J-1),由酵母糖酵解驱动;随后糖耗减慢。醋酸发酵开始后,醋杆菌优先氧化乙醇,糖浓度趋于稳定,终点残余总糖和还原糖分别稳定在1.64和0.95g/100mL。

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图1.红花-燕麦醋发酵过程中理化参数的动态变化:(A)pH和总酸度;(B)总糖和还原糖含量。

02

红花-燕麦醋发酵过程中颜色的变化

       颜色是醋的关键感官属性,也是影响消费者接受度的重要因素。表2显示了红花-燕麦醋在发酵过程中颜色的变化。在酒精发酵阶段颜色变浅,随后在醋酸发酵阶段颜色变深。在李子醋的发酵过程中也观察到了类似的趋势。据报道,花青素和深色多酚聚合物等成色化合物可在酒精发酵过程中被酵母代谢,导致颜色变浅。醋酸发酵过程中观察到的颜色加深可能归因于与开放式发酵相关的美拉德反应和褐变反应。这些反应导致发酵液颜色加深。在发酵过程中,a值由正转负,表示色调从红色向绿色转变。然而,相对较低的a值表明绿色组分几乎难以察觉。正的b*值表示黄色调,该值在整个发酵过程中波动,在J-1和C-4阶段观察到最高的黄色强度。醋的颜色与发酵过程中使用的原料密切相关。红花是天然的红黄色染料植物来源。它富含多种色素,包括红花苷、羟基红花黄色素A、脱水红花黄色素B和其他低分子量化合物。其中,红花花瓣中的黄色素具有高度水溶性,在食品工业中具有重要价值

表2红花-燕麦醋在不同发酵阶段的L(明度)、a(红绿值)和b*(黄蓝值)变化

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注:同列中不同字母表示差异显著(p<0.05)

03

红花-燕麦醋的总酚、总黄酮含量及抗氧化活性

与对照组相比(49对显著的性状关系),T1、T2和T3处理组的显著关系数分别减少至25、37和47对,所有增温处理组的网络边密度均低于对照组,而模块性、平均路径长度和直径均升高。具体而言,模块性从对照组的0.25分别增加到T1、T2和T3处理下的0.38、0.35和0.34,平均增加41%,表明增温加强了模块内部连接,增强了性状独立性,并降低了整体协同资源传递效率。此外,增温还改变了性状网络中的节点参数。19个性状的度和中心性在不同增温梯度间的变化基本一致,度和中心性排名前五的功能性状在四个温度梯度间基本相同,仅有顺序上的微小变化。但网络中心性发生了明显转移:与对照组相比,T1、T2和T3处理组分别将网络中心性从SS转移至MDA、RC和LDMC。在介数中心性方面,不同增温梯度的性状网络差异显著。对照组中介数排名前三的性状为RP、LS和SS,而在T1处理组中变为MDA、POD和SLA,在T2处理组中为LDMC、MDA和Chl,在T3处理组中则变为SS、RS和LDMC。在接近中心性方面,不同增温梯度间性状网络的差异相对较小。这些结果表明,不同的增温梯度选择了不同的植物功能性状作为网络连接的“中介者”

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图2.红花-燕麦醋发酵过程中总酚(A)和总黄酮含量(B)的变化。红花-燕麦醋与维生素C的抗氧化活性比较:DPPH自由基清除活性(C)、ABTS自由基清除活性(D)、超氧阴离子自由基清除活性(E)和铁离子还原能力(F)

04

红花-燕麦醋发酵过程中游离氨基酸含量的变化

游离氨基酸(FAAs)是鲜味和甜味的重要贡献者,也是挥发性香气化合物的关键前体。如图3所示,FAA的动态波动反映了微生物利用与蛋白水解释放之间的代谢平衡。酒精发酵阶段,总氨基酸显著下降,主要因酵母将其作为氮源同化,同时缬氨酸、亮氨酸等疏水性氨基酸经Ehrlich途径生成高级醇。醋酸发酵阶段,FAA含量显著回升,归因于耐酸微生物(可能为乳杆菌和醋杆菌)分泌蛋白酶,水解残留燕麦蛋白。终值与浙江玫瑰醋相当,但低于山西老陈醋;醋酸发酵后的显著增加表明营养价值和口感均有提升。

呈味氨基酸组成向甜味和鲜味转变(图3B、C)。谷氨酸(鲜味)、丙氨酸和脯氨酸(甜味)为主要氨基酸,谷氨酸积累尤为显著(122.45μg/mL),其浓度与后期温度和醋酸菌活性相关。丙氨酸的大幅增加可能源于耐酸乳杆菌的代谢。相比之下,原料中丰富的苦味氨基酸(亮氨酸、缬氨酸)显著减少,有利于改善感官品质。最终甜味和鲜味氨基酸明显优于苦味氨基酸,与镇江香醋等谷物醋的氨基酸谱一致,甜、苦、鲜的协同作用增强了整体风味感知。

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3.红花-燕麦醋发酵过程中游离氨基酸含量的变化(A),呈味活性氨基酸比例(B),及氨基酸分布热图(C)

05

红花-燕麦醋发酵过程中有机酸含量的变化

如表3所示,红花-燕麦醋的有机酸谱在发酵各阶段变化显著。初始(Z-0)未发酵基质中以原料来源的苹果酸、草酸和柠檬酸为主,未检出乙酸和乳酸。酒精发酵阶段(J-1至J-2),酵母糖酵解产乙醇并伴随乙酸生成,苹果酸急剧下降而乳酸出现,可能与乳酸菌的苹果酸-乳酸发酵有关。醋酸发酵阶段(C-1至C-4),乙酸含量迅速升高,由醋酸菌通过乙酰-CoA等途径主导代谢;乳酸积累减缓,其后期生成主要通过乳酸菌的D-乳酸脱氢酶催化丙酮酸途径。乳酸终浓度显著低于山西老陈醋等固态发酵醋。

与多数果醋相比,红花-燕麦醋有机酸谱更为复杂。除乙酸和乳酸外,还保留相当水平的柠檬酸和酒石酸。柠檬酸在J-2达峰后下降,可能作为TCA循环中间体被消耗;酒石酸在C-1达峰后下降,可能转化为草酰乙酸;草酸整体呈下降趋势。广泛的有机酸谱不仅赋予醋独特酸味,也为特征风味形成提供关键底物。

表3.红花-燕麦醋在不同发酵阶段的有机酸含量动态变化

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注:同列中不同字母表示差异显著(p<0.05),“-”表示未检出

06

红花-燕麦醋发酵过程中挥发性化合物的分析

采用HS-SPME-GC-MS非靶向代谢组学,在不同发酵阶段共鉴定出115种挥发性化合物,分为七类(图4A)。其组成从酒精发酵阶段的醇类为主,转变为醋酸发酵末期的酯类和酸类为主。酒精发酵阶段(J-1、J-2)的主要醇类为乙醇、3-甲基丁醇和苯乙醇,分别源于糖酵解及亮氨酸、缬氨酸、苯丙氨酸的Ehrlich途径代谢,燕麦丰富的蛋白质为此提供了前体。

醋酸发酵阶段(C-1至C-4),挥发性组成从醇类为主转向酯类为主,一方面因乙酸积累对酵母产生细胞毒性,抑制高级醇合成;另一方面,醋酸菌酯酶催化有机酸与醇类酯化,生成乙酸乙酯、乙酸异戊酯和乙酸苯乙酯等芳香酯类。这种酯类主导的谱图(图4C)将红花-燕麦醋与传统谷物醋区分开来——后者如镇江香醋的风味多受热反应产生的糠醛和杂环化合物影响,而红花-燕麦醋保留苯乙醇(玫瑰香)并积累乙酸酯,更接近柑橘醋的果香和花香特征。

PCA分析(图4B、C)证实了发酵阶段的代谢差异。PC1(29.3%)将初始底物和酒精发酵阶段(正轴)与醋酸发酵阶段(负轴)分离,驱动因素为酸类、醇类向酯类的转变;PC2(23.3%)捕捉各阶段内细微差异。样品分布呈顺时针轨迹,清晰呈现了从原料化合物(Z-0)到酵母代谢(J-1、J-2)、再到醋酸菌酯合成(C-1至C-4)的风味演变进程,与各阶段接种的微生物密切相关。

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图4.红花-燕麦醋在不同发酵阶段挥发性化合物的含量和数量(A)。红花-燕麦醋在不同发酵阶段挥发性化合物的主成分分析(PCA)得分图(B)和载荷图(C)。载荷图中相同化学类别的挥发性物质以颜色编码:醇类(亮蓝色)、酸类(红色)、醛类(蓝色)、酯类(粉色)、酮类(紫色)、烷烃(绿色)及其他(灰色)。

07

红花-燕麦醋发酵过程中关键风味化合物的分析

采用偏最小二乘判别分析(PLS-DA)区分发酵过程中的差异代谢物(图5A)。模型参数R2=0.936,R2Y=0.977,Q2=0.782,Hotelling's T2检验证实模型稳健。各阶段样品分布与PCA一致:Z-0和J-1、J-2分别位于第一、四象限,醋酸发酵阶段位于第三象限。通过VIP法共鉴定出13种VIP>1的关键差异挥发性物质(图5B、C),200次置换检验排除了过拟合风险(图5D),差异化合物总结于图6。

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图5.红花-燕麦醋中挥发性化合物的PLS-DA分析。(A)PLS-DA得分图,(B)VIP值图,(C)载荷图,(D)置换检验图。

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图6.红花-燕麦醋发酵过程中差异挥发性化合物的热图分析。

Z-0阶段的代表性化合物为油酸和D-柠檬烯。油酸主要来源于红花种子中的三酰甘油,具有脂肪样气味和调节血脂等功能特性;D-柠檬烯为环状单萜烯,具有柑橘香气特征,可通过酵母的甲羟戊酸途径生物合成。其浓度超过气味阈值,OAV>1,为香气活性化合物,赋予Z-0阶段柑橘、松木和甜橙香气。

酒精发酵阶段(J-1、J-2)的特征化合物为乙醇和3-甲基丁醇。乙醇由糖酵解产生,虽阈值较高但对风味发展起调节作用;3-甲基丁醇具有独特麦芽香气,OAV>1,源于缬氨酸、亮氨酸等支链氨基酸的Strecker降解及还原。燕麦富含蛋白质,经水解提供丰富氨基酸前体,酵母进一步代谢促进3-甲基丁醇积累,与该阶段亮氨酸含量的显著下降相一致。

醋酸发酵阶段(C-1至C-4)共鉴定出9种特征化合物,包括乙酸异戊酯、乙酸苯乙酯、甲酸异戊酯、乙酸、苯乙醇、苯甲醛等。酯类阈值低,可赋予果香、甜香并掩蔽不良气味。乙酸异戊酯(香蕉/梨香)浓度从C-1到C-4逐渐增加并超过阈值,源于3-甲基丁醇与乙酸的酯化;乙酸苯乙酯(蜂蜜/玫瑰香)持续增加,但阈值较高贡献有限;甲酸异戊酯(梨/李子香)含量较高,与燕麦原料相关。醇类中,乙醇和3-甲基-1-丁醇显著减少,而苯乙醇(玫瑰香)成为主要醇类,由苯丙氨酸经Ehrlich途径生成,与苯丙氨酸下降一致。

醋酸发酵阶段的主要酸性化合物包括乙酸和2-吡啶丙烯酸,乙酸具有强烈的刺激性酸味,是发酵醋的定义性特征之一。此外,苯甲醛(苦杏仁味)浓度增加并超过阈值,2,4-二甲基-1,3-二氧戊环和肟-甲氧基-苯基-(蜡质气味)水平显著升高。这些化合物共同构成红花-燕麦醋的整体香气特征。

08

红花-燕麦醋的感官评价

为了进一步验证从化学分析中推断出的质量和风味特征,由15名trained评估员组成的评审小组根据中国国家标准GB18187-2000对最终产品进行了评估。该醋获得了89.73分(满分100分)的高分(图7)。具体而言,红花燕麦醋呈现明亮、均匀的黄色;具有醇厚的醋香和明显的花香与果香;酸味温和协调;体态清澈透明,无杂质。值得注意的是,香气成分得分17.3分(满分20分),评审员描述其具有“柔和的醋香,伴有浓郁的花香和果香”。这种“花香和果香”的感官知觉与代谢组学分析结果高度一致,后者鉴定出酯类(如乙酸异戊酯、乙酸苯乙酯)和醇类是相对丰度较高的关键生物标志物。

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图7.红花-燕麦醋色泽、香气、滋味和体态的感官评价。

09

研究局限性

尽管本研究对红花-燕麦醋发酵过程中的动态变化提供了全面的见解,但也承认存在一些局限性,这些局限性为未来的研究指明了方向。关于生物活性成分的评价,抗氧化能力以相对百分比表示,而非标准化单位(如Trolox当量),这限制了研究间的直接可比性。此外,虽然用于挥发性化合物分析的半定量方法有效地追踪了其演变趋势,但未来的研究应纳入外标进行绝对定量,以确保气味活性值(OAV)的计算更严谨。最后,本研究主要基于现有文献推断了驱动这些生化变化的微生物群落的特定代谢活动;未来的研究需要整合高通量测序和多组学方法,以提供更精确的数据进行验证。

讨论与总结

本研究系统考察了红花-燕麦醋生产过程中理化性质、颜色参数、生物活性化合物、有机酸、氨基酸及挥发性代谢物的动态变化规律。具体而言,发酵过程伴随着pH值的快速下降、酸度的持续上升,以及总糖和还原糖的不断消耗;同时,醋体颜色逐渐加深,红花来源的天然色素赋予其增强的黄色调。尽管总黄酮和多酚含量在整个发酵过程中总体呈下降趋势,但终产品仍保留了较强的抗氧化活性。在氨基酸组成方面,甜味氨基酸占主导地位,而鲜味氨基酸在醋酸发酵阶段显著增加。有机酸分析表明,乙酸和乳酸是主要贡献者,二者共同塑造了酸味中尖锐感与柔和感的平衡。挥发性风味谱从发酵前期的醇类主导,逐步演变为后期的酯类、酸类和醇类多元平衡;特别是异戊酸乙酯、苯乙醇、乙酸苯乙酯和苯甲醛在发酵后期显著积累,赋予产品浓郁的果香和花香特征,与感官评价结果高度吻合。

总体而言,红花与燕麦的复合应用显著提升了醋的营养价值与感官独特性,充分展现了其在功能性醋产品高值化开发和品类多样化方面的潜力。未来的研究应整合多组学策略与靶向定量分析技术,深入阐明微生物代谢调控机制,并进一步推动该新型醋的功能评价标准化。

参考文献
Jingyao Li, Jianxiong Hao, Hao Chen, Limin Guo, Xia Zhao, Dandan Zhao,Evolution of physicochemical properties, bioactive components, and flavor-related compounds during the fermentation of safflower-oat vinegar,LWT,Volume 247,2026,119343,ISSN 0023-6438,https://doi.org/10.1016/j.lwt.2026.119343.