酸菜是我国东北地区最为常见的传统风味食品,将新鲜大白菜在低浓度食盐溶液浸泡下经乳酸菌发酵而成的贮藏型蔬菜，深受消费者喜爱。酸菜营养丰富,除含有维生素C、膳食纤维、氨基酸等营养物质外,还富含益生菌、乳酸菌等功能微生物[1-2]。然而酸菜含水量大,在运输和保藏期间可能会出现胀袋、过度酸化、变色等现象,导致口感变差、储藏和运输困难、产品货架期缩短,不利于酸菜产业的发展[3],且市面上的酸菜真空包装产品添加防腐剂现象极为普遍,加工产品花样也较为单一。
酸菜中乳酸菌的生长温度范围是5～55 ℃,最适生长温度为30～40 ℃[4],温度过高会使乳酸菌灭活,因此热风、热泵等干燥方式不利于酸菜的干制加工。微波真空冷冻干燥作为真空冷冻干燥的一种新型升级技术,近年来广泛受到国内外学者的关注。经微波真空冷冻干燥处理的果蔬不仅在升温速度、干燥时间、干燥效率和整体能耗方面都有较大提升,还能最大限度地保持物料原有的品质、风味和营养成分,且复水性能较高[5-6],能够满足消费者对市场上高端果蔬产品的需求,提高了产品竞争力。目前,国内外对酸菜加工的研究多为发酵工艺优化、菌种筛选等,而关于酸菜深加工产品的研究极少[7],因此很有必要探究酸菜微波真空冷冻干燥的制备工艺。朱彩平等[8]研究发现微波-真空冷冻联合干燥处理的平菇干制品具有色泽好、品质佳、营养成分保留较高等优点。HUANG等[9]研究不同干燥对复合薯片的影响,分析得出微波冷冻干燥的产品质量最好,干燥时间最短,最受消费者喜爱。汤梦情等[10]采用微波真空和真空冷冻干燥组合技术对芦笋进行干燥处理,对提高芦笋干燥品质,减少营养成分损失和芦笋工业化深加工提供了理论依据。
本文以新鲜酸菜为研究对象,采用微波真空冷冻干燥技术对新鲜酸菜进行脱水处理,研究微波功率、真空度和铺料层厚度对酸菜干燥品质和微生物活性的影响,并建立相应干燥数学模型,旨在筛选最为合适的酸菜微波真空冷冻干燥参数,以期为实现高效、高品质干燥酸菜产品提供理论支持。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
酸菜,沈阳榆园食品有限公司；NaOH,分析纯,天津市德恩化学试剂有限公司；琼脂粉,生物试剂,上海蓝季科技发展有限公司；葡萄糖,分析纯,天津市科密欧化学试剂有限公司；NaCl,分析纯,国药集团化学试剂有限公司；MRS、孟加拉红、胰蛋白胨、酵母浸膏,均为生物试剂,北京奥博星生物技术有限责任公司；抗坏血酸,江苏强盛功能化学股份有限公司；盐酸,天津渤化化学试剂有限公司。
1.2 仪器与设备
CS-001X快速水分测定仪,深圳市冠亚技术科技有限公司；JJ223BC电子天平,常熟市双杰测试仪器厂；D-110色差仪,美国爱色丽公司；PHS-3CpH计,上海仪电科学仪器股份有限公司；TM3030台式电镜,日本电子株式会社；H-2050R高速冷冻离心机,湖南湘仪离心机仪器有限公司；UV-2600紫外-可见分光光度计,上海龙尼柯仪器有限公司；YXQ-LS-18SI高压蒸汽灭菌锅,上海博讯医疗生物仪器股份有限公司；BBS-V800超净工作台,济南鑫贝西生物技术有限公司；HSP-250B恒温恒湿培养箱,上海坤天实验室仪器有限公司。微波真空冷冻干燥机,DUAN等[11]设计,南京亚泰微波能研究所。
1.3 试验方法
1.3.1 预处理
将酸菜去掉包装,挤出多余水分,切丝(6.0 mm×1.0 mm),初始湿基含水率约为92.94%。
1.3.2 干燥试验设计
将酸菜丝平铺于干燥箱物料盘内,每盘放入50 g。将微波真空冷冻干燥机冷阱温度设定为-40 ℃,进行单因素干燥试验。干燥过程中,每隔30 min将物料盘取出称质量,记录数据后迅速放回继续干燥,直至酸菜含水率降至安全储藏条件(干基含水率35%)以下时,结束干燥。每组干燥试验平行操作3次,取平均值。
(1)微波功率：固定真空度200 Pa,铺料层厚度2 mm,改变微波功率分别为50、200、350、500 W。
(2)真空度：固定微波功率350 W,铺料层厚度2 mm,改变真空度为100、200、300、400 Pa。
(3)铺料层厚度：固定微波功率350 W,真空度200 Pa,改变铺料层厚度2、4、6、8 mm。
1.4 指标测试
1.4.1 色泽的测定
根据公式(1)计算ΔE色泽[12]。每个样品选3个不同位置进行检测,且重复3次。
(1)
式中：L*,明暗度；a*,红绿色；b*,黄蓝色；L0,初始明暗度；a0,初始红绿色;b0,初始黄蓝色;ΔE,色差值。
1.4.2 微观结构观察
参考许洋等[13]的方法。将干燥后的酸菜叶(避开主叶脉)直接切取4.0 mm×1.0 mm左右大小的叶片,固定在样品架上,取样过程需轻柔避免所取叶片碎裂。经过离子溅射镀膜仪溅射喷10 nm厚度,使用扫描电镜观察,采集图像。工作电压为4.0 kV,放大倍数分别为500与800倍。
1.4.3 pH测定
准确称取干燥后的酸菜0.7 g放入研钵中,加入少量蒸馏水并研磨成匀浆,接着用滤纸过滤至30 mL小烧杯中,pH计校准后将电极浸泡在酸菜滤液中待数值稳定后记录,每组滤液测量3次取平均值。
1.4.4 总酸的测定
酸菜中总酸的测定参照国标GB/T 12456—2008《食品中总酸的测定》中的酸度计法,以0.05 mol/L NaOH标准溶液进行滴定,以乳酸计。
1.4.5 维生素C含量的测定
参考马宏飞等[14]的方法测定。
1.4.6 感官评定
参考GB 2714—2015《食品安全国家标准 腌渍菜》与DBS22/025—2014《食品安全地方标准 酸菜》中酸菜的感官要求,制定不同干燥方式下复水酸菜的感官评分细则。评定小组由20名21～27岁食品相关专业、有感官评定经验的研究生组成,从色泽、气味、外观、口感几个方面对复水酸菜进行感官评分,以100分制计。感官评分参考标准见表1。
表1 酸菜复水品感官评价表
Table 1 Sensory evaluation standard for sauerkraut rehydration product
项目评定标准得分色泽淡黄色、有光泽、接近新鲜酸菜17～25浅黄褐色、略有光泽9～16深黄褐色、无光泽0～8气味具有特定的酸香气、无焦味、易被接受17～25酸香气较淡、微焦味、可以接受9～16酸香味丧失、有明显焦味、难以接受0～8外观颜色透亮、组织致密完整、接近新鲜酸菜17～25颜色较暗、组织较疏松9～16颜色深暗、组织疏松破碎0～8口感口感脆嫩鲜香、容易咀嚼17～25口感微硬淡香、较易咀嚼9～16口感较硬有焦味、咀嚼困难0～8
1.4.7 微生物指标测试
乳酸菌菌落总数的测定参照GB 4789.35—2016《食品微生物学检验 乳酸菌检验》；酵母菌菌落总数的测定参照GB 4789.15—2016《食品微生物学检验霉菌和酵母菌计数》；菌落总数的测定参照GB 4789.2—2016《食品微生物学检验 菌落总数测定》。
1.4.8 数据处理
本试验采用Origin 2018和DPS7.0软件对试验数据进行相关处理、数据分析和作图,每组试验重复3次,结果取平均值。
2 试验结果与分析
2.1 干燥条件对酸菜色泽的影响
样品总色差值是评判样品外观颜色变化程度的重要指标。以新鲜酸菜的色差数据(L0=48.22,a0=1.66,b0=15.34)为标样测量,不同微波功率下酸菜干样品的色差数据如表2所示。固定真空度与铺料层厚度,酸菜的L*值与b*值随着微波功率的增加先增加后减小,微波功率为200与350 W时,酸菜的L*值最大,颜色最亮,黄色度较高,其色差ΔE变化先减小后增大,在微波功率为350 W时最小,该条件下酸菜干制品颜色较亮、较黄,色泽最接近新鲜酸菜。这可能是因为微波功率较低时,干燥时间较长,酸菜体内累加的微波能量增多,同时酸菜长时间暴露在空气中使得酸菜发生褐变颜色变暗,色差较大。当微波功率过大时,单位质量酸菜叶吸收的微波能增多,分子产能增多,周围环境增温迅速导致对酸菜体内的色素和酶的破坏较大,因此L*值变小,色差增大。
表2 不同干燥条件对酸菜色泽变化的影响
Table 2 Effect of different drying conditions on the color change of sauerkraut
微波功率/WL∗a∗b∗ΔE5049.73±0.43a-0.46±0.13b5.52±1.23a10.00±1.2220053.81±1.44c-0.17±0.15bc7.78±3.36b9.52±1.3235052.30±0.63bc-0.68±0.18a9.15±0.77c7.48±1.0350051.42±1.33b0.08±0.02c6.89±44ab9.20±1.21真空度/PaL∗a∗b∗ΔE10052.72±1.31b-0.81±0.32b8.93±1.29ab7.88±0.9820052.30±0.63b-0.68±0.18a9.15±0.77a7.48±1.0630050.49±1.42b-0.72±0.17a7.61±0.87b8.11±0.8940049.13±0.98a-0.24±0.09b7.02±1.33c8.49±0.85铺料层厚度/mmL∗a∗b∗ΔE252.30±0.63c-0.68±0.18a9.15±0.77a7.48±0.96451.43±1.18bc-0.54±0.16a8.12±1.42a7.98±0.74649.21±1.16b-0.27±0.09b6.47±1.15b9.03±1.03846.63±0.94a-0.31±0.05b5.15±0.86b10.40±1.42
注：同列小写字母不同表示差异显著(P<0.05)
固定微波功率与铺料层厚度,酸菜的L*值随着系统压强的增大逐渐减小,真空度为100与200 Pa时,酸菜的L*值与b*值相对最大,其色差ΔE变化则先减小后增大,真空度为200 Pa时ΔE最小,此时酸菜的颜色最黄、较亮,最接近新鲜酸菜。这可能是因为系统压强越小,干燥腔内的氧气就越少,同时干燥周期越短,酸菜体内的色素与酶的氧化就越少,L*值就会越大,颜色就相对越亮越黄。
固定微波功率与真空度,酸菜的L*值与b*值随着铺料层厚度的增加逐渐减小,其色差ΔE变化逐渐增大,当铺料层厚度为2 mm(1层)时,酸菜的亮度和黄色度最大,色泽最好,最接近新鲜酸菜。这是因为铺料层厚度的增加使得物料过厚,微波达到酸菜内部的能量衰减,酸菜水分纵向扩散路径变长,增加了干燥时间,导致酸菜褐变程度较高,颜色较暗[15]。
2.2 干燥条件对酸菜微观结构的影响
由图1可知,固定真空度为200 Pa、铺料层厚度为2 mm,当微波功率为50和200 W时,此刻的微波功率较低,酸菜体内水分散失较慢,干燥时间较长,导致热量积累较多,酸菜叶的组织细胞结构遭到破坏、出现皱缩,排列松散,部分气孔张开；当微波功率为350 W时,酸菜细胞壁排列较整齐有序,组织细胞保存较完整,皱缩较小,部分气孔张开无褶皱；当微波功率为500 W时,此时功率较大,酸菜吸收的热量较多,水分脱除较快,气孔开口较多且轻微糊化,酸菜组织细胞壁破坏较大,皱缩最严重,排列无序,变形最大[16]。综上,当微波功率为350 W时,酸菜组织细胞保存相对较好、皱缩最小、结构较完整。
固定微波功率为350 W、铺料层厚度为2 mm,当真空度为100、300和400 Pa时,微观结构下酸菜叶的组织结构相似,均呈现细胞壁遭到破坏,组织细胞皱缩,排列松散等现象；当真空度为200 Pa时,酸菜叶的组织细胞排列相对较整齐有序,保存较完整,皱缩最小。这可能是因为当真空度为100 Pa时,此时系统压强较小,水的沸点较低,使得酸菜体内水分脱除较快,导致组织细胞结构遭到破坏；当系统压强较大时,水分散失的速率相对较慢,干燥时间增加,同时干燥过程中所消耗的能量也会随之增加,最终使得酸菜的组织结构受到影响,有所破坏。
固定微波功率350 W、真空度200 Pa时,随着铺料层厚度的增加,微观结构下酸菜叶的组织细胞皱缩程度逐渐增加、细胞壁结构破坏逐渐严重、排列逐渐杂乱,当铺料层厚度为1层(2 mm)时,酸菜叶组织结构破坏最小,细胞壁排列较整齐,皱缩最小。这可能是因为随着铺料层厚度的增加,酸菜体内水分纵向散失通道变长,水分脱除速率减小,干燥周期增加,酸菜体内热量积累较多导致组织结构遭到破坏,皱缩严重。
a1～a4分别为微波功率50、200、350、500 W酸菜；b1～b4分别为真空度 100、200、300、400 Pa酸菜；c1～c4分别为铺料层厚度2、4、6、8 mm酸菜
图1 不同干燥条件对酸菜微观结构的影响
Fig.1 Effect of different drying conditions on the microstructure of sauerkraut
2.3 干燥条件对酸菜pH及总酸的影响
pH及总酸是反映酸菜风味与酸味的重要指标。如图2所示,这3种参数对酸菜、pH及总酸的影响都十分显著(P<0.05),固定真空度与铺料层厚度,酸菜的总酸度随着微波功率的增加逐渐减小,微波功率从50到350 W时,总酸度减小相对缓慢,仅减小了0.053 g/100 g,变化不大。当微波功率为500 W时,总酸度下降明显,与50 W相比减小了0.198 g/100 g。微波功率为50和350 W下的酸菜pH最小,在3.7～3.74,500 W下pH最大(3.93±0.013)。微波功率的增加会使酸菜体内的微波热能吸收过多,腔体温度过高,可能导致酸菜内的乳酸分解损失。
a-微波功率；b-真空度；c-铺料层厚度
图2 干燥条件对酸菜pH及总酸的影响
Fig.2 Effect of drying conditions on pH and total acid of sauerkraut
固定微波功率与铺料层厚度,酸菜的pH随着真空度的减小(即系统压强的增大)逐渐增大,总酸度逐渐减小。当真空度为100 Pa时,酸菜的pH最小,总酸度最大。真空度为200 Pa的总酸度略低于100 Pa时,pH也稍大于100 Pa时；当真空度为300 Pa时,酸菜的pH与总酸度变化明显,这可能是因为真空度过大时,酸菜干燥周期增长,导致体内乳酸损失。
固定微波功率与真空度,酸菜的pH随着铺料层厚度的增加逐渐增大,其总酸度逐渐减小。当铺料层厚度为2 mm(1层)时,酸菜的pH最小、总酸度最大,最接近新鲜酸菜。如图2-c所示,铺料层厚度对酸菜pH及乳酸的影响效果明显大于微波功率和真空度,这或许是因为铺料层厚度的增大,使得底层酸菜水分迁徙路径变长,水分散失能力减弱,大大增加了干燥周期,酸菜体内乳酸遭到破坏,分解损失较严重。
2.4 干燥条件对酸菜维生素C的影响
由图3可知,当微波功率与真空度一致时,酸菜维生素C含量随着铺料层厚度的增加逐渐减少,当铺料层厚度为1层(2 mm)时,含量最高为2.80 mg/100 g,比最小值大了约1.95 mg/100 g；当真空度与铺料层厚度一致时,酸菜的维生素C含量随着微波功率的增大呈现先增加后后降低的趋势,当微波功率为350 W时,达到最大值,约为2.80 mg/100 g,比最小值大了约1.12 mg/100 g；当微波功率与铺料层厚度一致时,酸菜维生素C含量随着真空度的减小既系统压强的增大也呈现出先增加后降低的趋势,当真空度为200 Pa时,达到其最大值2.80 mg/100 g,比最小值大了约1.42 mg/100 g。
图3 干燥条件对酸菜维生素C含量的影响
Fig.3 Effect of drying conditions on vitamin C content of sauerkraut
过高或过低的微波功率与真空度都会导致酸菜中维生素C的含量下降,真空度与铺料层厚度对酸菜维生素C含量的影响比微波功率的影响显著(P<0.05)。这可能是因为当酸菜处于微波功率大或真空度高的条件下时,其吸收的微波热量过多以至于表面温度高,同时过高的真空度使得系统压强低、水的沸点低,这些都会使酸菜体内水分散失过快,酶促褐变发生,维生素C有所氧化和降解。然而,当微波功率或真空度较小时,酸菜吸收的微波热量较少、系统压强稍大,导致酸菜体内的水分散失较慢,干燥周期长,其内部维生素C的含量遭到损耗。这与刘文超[17]在双孢菇微波冷冻干燥中维生素C保存率的研究结果相似。随着铺料层厚度的增加,酸菜体内水分散失的较慢,干燥周期变长,使得酸菜体内的维生素C的含量降解损失。
2.5 感官评定
由表3可知,铺料层厚度对酸菜的感官评分影响最大,真空度则对其影响最小。酸菜的感官评分都随着微波功率和系统压强的增大先增大后减小,在微波功率为350 W、真空度为200 Pa时得分最高。酸菜的感官评分随着铺料层厚度的增加而大幅度减小,在铺料层厚度为2 mm时得分最高,在铺料层厚度8 mm时得分最少,仅为53分。综上,当微波功率为350 W,真空度为200 Pa,铺料层厚度为2 mm时,酸菜的感官评分最高,为89分。
表3 干燥条件对酸菜感官得分的影响
Table 3 Effect of drying conditions on sensory score of sauerkraut
微波功率/W色泽气味外观口感总分502020192079200212121208335023212322895001819181873真空度/Pa色泽气味外观口感总分1002222212186200232123228930021202120824001919201977铺料层厚度/mm色泽气味外观口感总分22321232289420192018776161717166681314141253
2.6 干燥条件对酸菜微生物活菌总数的影响
如图4所示,确定真空度为200 Pa、铺料层厚度为2 mm(1层),酸菜干制品中乳酸菌、酵母菌和菌落总数都随着微波功率的增加先增加后降低,且在微波功率为350 W时活菌总数都达到了最高值,分别为1.4×105、4.7×103、8.6×104 CFU/g。当微波功率为500 W时这3种微生物的活菌总数都最低,分别为1.35×104、1.23×103、3.60×104 CFU/g。这可能是因为微波功率越低,微波所提供酸菜体内冰晶升华的能量就越低,酸菜吸收热量少、干燥周期长,且微波具有杀菌作用,微波功率越大或作用时间越长,微波对微生物的杀灭效果就越好[18],长时间暴露在空气中的微生物存活率就越低。而微波功率为350 W时,虽然微波功率略大,但是所释放的能量既很好地促进了水分升华脱除,大大缩短了干燥时间,同时不会造成酸菜温度过高,对微生物影响较小,保持了菌种的活性。虽然微波功率为500 W时酸菜干燥至终点时所用的时间最短,仅为100 min,但此时的微波功率较大,微波能的释放是瞬间完成的,酸菜干制过程中吸收的微波能过多,造成物料表面温度高,而多数微生物的生长温度不能高于55 ℃,因此500 W条件下大部分微生物活菌会大量失活,数量减少。故微波真空冷冻干燥过程中微波功率为350 W时对酸菜中微生物活菌总数影响较小,保留最多。
a-微波功率；b-真空度；c-铺料层厚度
图4 干燥条件对酸菜微生物活菌总数的影响
Fig.4 Effect of drying conditions on microorganism counts in sauerkraut
确定微波功率为350 W、铺料层厚度为2 mm(1层)时,酸菜干制品中乳酸菌、酵母菌的菌落总数都随着系统压强的增加逐渐减少,当真空度为100 Pa时,乳酸菌和酵母菌的活菌数最多,分别为1.67×105、6.97×103 CFU/g。当真空度为400 Pa时,乳酸菌和酵母菌的活菌数最低,分别为9.4×104、1.28×103 CFU/g。可能是由于随着系统压强的减小(即真空度的增加),水的沸点逐渐降低,酸菜体内水分蒸发加快,干燥速率增大,干燥周期减少,酸菜表面积累的微波热量较少,再加上系统压强的减小使得干燥腔内的空气与氧气越来越少,有利于厌氧菌和兼性厌氧菌的生存,因此酸菜中的乳酸菌和酵母菌活性较高。酸菜干制品中菌落总数随着系统压强的增大先增加后减少,在真空度为300 Pa时达到最大值,为9.72×104 CFU/g;在真空度为400 Pa时,降为最小值,为2.61×104 CFU/g。这可能是因为真空度为100和200 Pa时,低氧的环境抑制了一些好氧菌的生长,使得菌落总数减少。而当真空度为400 Pa时,此刻的系统压强较大,水的沸点相对较高,酸菜体内水分蒸发的速率较慢,导致干燥周期略长,微波作用时间较长,因此不利于一些微生物的生存,活性较低。同时由于酸菜液中的厌氧菌、营养要求特殊的细菌以及现有条件不能满足其生长等的细菌在培养过程中难以生长繁殖,因此致使酸菜中的菌落总数一直低于乳酸菌活菌总数。
确定微波功率为350 W、真空度为200 Pa时,酸菜干制品中乳酸菌、酵母菌和菌落总数都随着铺料层厚度的增加逐渐减少,当铺料层厚度为2 mm(1层)时,活菌总数都达到了最高值,分别为1.4×105、4.7×103、8.6×104 CFU/g。当微波功率为8 mm(4层)时,这3个指标最低,分别为4.83×104、9.8×102、1.95×104 CFU/g。这可能是由于随着铺料层厚度的增加,水分迁移途径变长,水分蒸发变慢,使得干燥时间变长,同时较长时间的干燥过程会使微波作用时间变长,酸菜积累的微波能增加,表面温度较高,对酸菜中的微生物影响较大,很大程度地降低了菌种活性。当铺料层厚度为2 mm时,酸菜内部水分向外迁移通道缩短,水分扩散能力增大加快了干燥速率增加,干燥时间最短,同时微波作用时间较短,物料表面温度较低,保持了酸菜中微生物的活性,乳酸菌、酵母菌和菌落总数较高。
3 结论
在微波真空冷冻干燥单因素试验中,当微波功率为350 W、真空度为200 Pa、铺料层厚度为1层(2 mm)时,酸菜的颜色最亮、色差最小、维生素C含量最高,pH较小、乳酸含量较高、感官评分最高,此时微观结构下酸菜的组织细胞皱缩最小、排列最整齐、结构保存最完整；微生物指标测试表明,当微波功率为350 W和铺料层厚度为1层(2 mm)时,对酸菜中的乳酸菌、酵母菌及菌落总数影响较小,活菌数最多。当真空度为100 Pa时,对酸菜中的乳酸菌和酵母菌的活性影响最小,活菌数最多。
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