经乳酸菌发酵后的食品会被赋予独特的风味,提高营养价值,并具备一定的保健作用,如促进消化,调节肠道菌群,降低胆固醇等[1]。其中备受消费者喜爱的发酵食品——酸菜,在中国已有数百年的历史。CISKA等[2]发现酸菜贮藏过程中部分营养物质会不断发生变化,酸菜的口感和风味也会不断发生改变,因此酸菜产品普遍存在保质期短、质量和风味不稳定以及包装贮运消耗较大等问题。

干燥技术是大规模食品保鲜处理不可缺少的技术之一。但是,相较于其他原料,用于食品的干燥方法不仅要高效和经济,而且应最大程度的保留原材料的风味、营养、色泽和质地[3-4]。微波真空冷冻干燥技术[5](microwave vacuum freeze-drying,MFD)这一新型干燥技术在食品干燥领域有着突出表现。研究表明经微波真空冷冻干燥处理后的物料在风味方面也能更好地保存,如姜唯唯等[6]将芒果通过不同方式干燥后得出微波真空冷冻干燥技术在风味、色泽、口感等方面均优于传统干燥技术;HUANG等[7]通过对比真空冷冻干燥和微波真空冷冻干燥对秋葵干制品品质的影响得出后者更能保障干制品的品质;FERENCZI等[8]通过对比热风干燥和微波真空冷冻干燥技术对苹果品质的影响,同样证实了微波真空冷冻干燥技术能耗更低、对苹果营养物质保留率更高,是一种更优秀的干燥技术。易军鹏等[9]的研究发现,经微波真空冷冻干燥处理后的酸菜中微生物活性明显降低,经干燥处理后的酸菜不仅可以降低贮运成本,同时更方便于将酸菜加工成调味粉,为酸菜的进一步深加工提供了方向。而微波真空冷冻干燥技术对酸菜的风味影响尚不明确。

因此本文以酸菜为原料,采用微波真空冷冻干燥技术对新鲜酸菜进行脱水处理,研究不同的干燥条件(微波功率和真空度)对酸菜风味成分的影响,旨在为生产高品质的酸菜干制品提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

酸菜,北大荒亲民有机食品有限公司;乳酸、乙酸、苹果酸、柠檬酸、焦谷氨酸、富马酸、5′-胞苷酸(5′-CMP)、5′-鸟苷酸(5′- GMP)、5′-肌苷酸(5′-IMP)、5′-腺苷酸(5′-AMP)标准品,上海源叶生物有限公司;氨基酸标准品,德国曼默博尔公司;其余试剂均为分析纯,国产。

1.2 仪器与设备

微波真空冷冻干燥机如图1所示,实验室自行设计[10];1260型高效液相色谱仪,美国安捷伦科技有限公司;A300型氨基酸自动分析仪,德国曼默博尔有限公司;H1850R型高速冷冻离心机,湖南湘仪离心机有限公司;KQ-500DE型超声波清洗机,昆山市超声仪器有限公司;JJ223BC型电子天平,常熟市双杰测试仪器厂。

1.3 酸菜微波真空冷冻干燥特性

1.3.1 干燥方法

参考易军鹏等[9]的干燥方法,并稍加修改。将酸菜沥干切丝(5 mm×2 mm)平铺于物料盘内,铺料厚度为5 mm,每盘酸菜装载量为100 g。待微波真空冷冻干燥机冷阱温度下降到-40 ℃后,设置微波功率(1～4 W/g)和真空度(100～400 Pa),将物料盘放入干燥箱开始干燥。干燥过程中,每隔30 min记录物料重量,直至酸菜质量稳定不变时认为达到干燥终点,结束干燥,将酸菜取出后密封保存。每组干燥试验平行操作3次,干燥数据取平均值。

1.3.2 微波冷冻干燥工艺条件对酸菜风味影响的单因素试验

(1)微波功率:固定真空度250 Pa,微波功率分别设置为1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 W/g。

(2)真空度:固定微波功率2.5 W/g,真空度分别设置为100、150、200、300、350、400 Pa。

1.4 有机酸含量测定

参考XIONG等[11]的检测方法,取酸菜0.5 g(以干重计)放入烧杯,加10 mL超纯水,经打浆处理,漩涡振荡30 s后,在300 W, 40 kHz的条件下超声处理15 min,结束后静置10 min。在4 ℃ 8 000 r/min的条件下离心20 min,收集上清液,沉淀再次离心取上清液,合并两次上清液并用超纯水定容至20 mL,用超纯水稀释至适宜浓度,经0.22 μm滤膜过滤后置入进样瓶。

检测方法:色谱柱为Venusil MP C18(2)(4.6 mm×250 mm×5 μm);流动相为0.01 mol/L磷酸二氢钾(A)(用1 mol/L磷酸调至pH=2.8)和甲醇(B),等度洗脱[V(A)∶V(B)=90∶10],洗脱时间20 min;流速为0.8 mL/min;柱温25 ℃;进样量10 μL;采用紫外检测器,检测波长为210 nm。采用外标法进行定量分析,通过与乳酸、乙酸、柠檬酸、苹果酸、焦谷氨酸和富马酸标准品制备的标准曲线对照,计算出样品中有机酸的含量,结果以干基计。

1.5 核苷酸含量测定

参考陈丽花等[12]的核苷酸提取方法,取酸菜0.5 g(以干重计)放入烧杯,加15 mL超纯水,煮沸。冷却至室温后,在300 W 40 kHz的条件下超声15 min,在4 ℃ 8 000 r/min条件下离心10 min,收集上清液,沉淀再次离心取上清液,合并2次上清液并用超纯水定容至20 mL。用超纯水稀释至适宜浓度,经0.22 μm滤膜过滤后置入进样瓶。

检测方法:色谱柱为Ultimate XB-C18 (5 mm×4.6 mm×250 μm);流动相:甲醇水溶液(含0.04 %磷酸及0.7 %三乙胺);等度洗脱,洗脱时间25 min,流速0.8 mL/min;柱温35 ℃;进样量10 μL;采用紫外检测器,检测波长255 nm。分别检测5′-GMP、5′-AMP、5′-CMP和 5′-IMP标准品的出峰时间及峰面积,绘制标准曲线计算样品中相应物质含量。结果以干基计。

1.6 游离氨基酸含量测定

参考卢晓烁等[13]的方法并稍加改动,称取样品0.5 g(以干重计),加入质量浓度为10 g/L磺基水杨酸4 mL和质量浓度为10 g/L的EDTA-2Na 2 mL,混合后漩涡振荡20 s,静置10 min后超声30 min,静置过夜后打浆,将酸菜浆在12 000 r/min的条件下离心20 min,取上清液,用0.02 mol/L盐酸溶液定容至25 mL,经0.45 μm滤膜过滤后待测。

1.7 滋味活性值(taste activity value,TAV)的计算

TAV是指样品中呈味物质的浓度与其阈值浓度的比值,TAV高则表明该呈味物质对滋味贡献率大,反之则小[14]。通过测得的不同干燥条件下所得酸菜样品中有机酸、核苷酸和游离氨基酸含量计算TAV,找出对酸菜滋味有显著贡献的成分。计算如公式(1)所示:

滋味活性值

(1)

式中:C1为呈味物质的含量,mg/g;C2为呈味阈值,mg/g。

1.8 等鲜浓度(equivalent umami concentration,EUC)值的计算

EUC值又称味精当量,EUC值通过鲜味氨基酸(Asp,Glu)和5′-核苷酸计算得到。计算如公式(2)所示:

Y=∑aibi+1 218(∑aibi)(∑ajbj)

(2)

式中:Y为样品的EUC值,g MSG/100 g;ai为每个鲜味氨基酸的浓度,g/100 g,干重计;bi为各鲜味氨基酸相对于味精的鲜味浓度(Asp=0.077,Glu=1);aj为每个鲜味5′-核苷酸,如鸟苷酸(5′-GMP)、肌苷酸(5′-IMP)、黄苷酸(5′-XMP)或腺苷酸(5′-AMP)的浓度,g/100 g,干重计;bj为各鲜味5′-核苷酸相对于IMP的RUC值(5′-IMP=1,5′-GMP=2.3,5′-XMP=0.61,5′-AMP=0.18),1 218为基于单位g/100 g的协同常数[15]。

1.9 数据处理

利用Excel软件对试验数据进行处理,采用Origin 2022 b软件进行图形绘制,采用SPSS软件进行方差分析和显著性检验,显著水平为P<0.05,以不同字母代表其显著性。

2 结果与分析

2.1 不同干燥条件对酸菜干燥特性影响

酸菜干燥曲线有2个明显不同的阶段:含水率快速下降阶段和含水率下降平缓阶段。干燥初期,酸菜处于较低温度,去除水分子的主要方式是升华,并且干燥初期酸菜中水分含量较高,对微波的吸收率高,水分子摩擦更为剧烈,能更快的升华脱除[16]。DUAN等[17]在对比双胞菇不同升华干燥时发现,采用微波冷冻干燥对双胞菇进行处理时,双胞菇中约为55%的水分子通过升华去除,之后水分子的去除方式逐渐转变为蒸发为主,升华为辅,且内部液态水分蒸发需经历由内部到表面迁移的过程,致使干燥速率降低。由干燥速率曲线可知,在对酸菜进行干燥时,同样是当水分去除约55%后干燥速率停止增长并逐渐减缓。该结果与DUAN等[17]和赵梦月等[18]研究双胞菇和山茱萸微波真空冷冻干燥的结果相近。

由图2的干燥曲线可知,在同一干燥真空度下,随微波功率的升高,酸菜的干基含水率下降速度加快。微波功率为4 W/g时,酸菜干燥速率的最大值为7.72 g/(g·min),干燥所需时间为150 min。与微波功率1 W/g相比,干燥时间缩短了16.7%(180 min),干燥速率最大值增大了23.3%[6.26 g/(g·min)]。由图3可知,在相同微波功率下,干燥腔内压强降低对干燥进程同样有加速作用。真空度为100 Pa的条件下,酸菜干燥速率的最大值为7.5 g/(g·min),至干燥终点所需要的时间为160 min。与真空度400 Pa相比,干燥时间缩短了11.1%(180 min),干燥速率最大值增大了17.9%[6.36 g/(g·min)]。综上所述,在不考虑干燥能耗及对酸菜中营养物质损耗的前提下,提高微波功率和真空度均可缩短干燥时间。

2.2 干燥条件对酸菜有机酸的影响

有机酸是乳酸菌发酵过程中产生的主要代谢产物,也是酸菜独特风味的主要来源[19],同时还可以反映酸菜的稳定性和新鲜度[20]。如表1、表2所示,酸菜中的有机酸以乳酸(76.61 mg/g干重)、乙酸(60.25 mg/g干重)和柠檬酸(30.88 mg/g干重)为主。这与马艺荧等[20]对发酵120 d的酸菜的检测结果一致,但其报道的含量数值远低于本研究,原因在于两者计算有机酸含量的基准不同,本研究以干重表示有机酸含量,而对比研究将有机酸含量表示为湿重。以湿重计算,本研究所得乳酸含量为5.47 mg/g,仅为马艺荧等[20]报道的乳酸含量的1/3,而乙酸(4.30 mg/g)和柠檬酸(2.21 mg/g)含量与其报道一致。这种差异是发酵时间和发酵菌种不同的作用结果。乳酸含量较低,乙酸占比较高,会使得酸菜的尖酸味突出[20]。

经微波真空冷冻干燥处理后,酸菜的有机酸总量、乳酸、柠檬酸和焦谷氨酸含量均显著增高。LI等[21]研究表明,冷冻干燥和微波干燥均可有效促进有机酸的释放,使杏鲍菇中的总酸量和柠檬酸含量显著增加。RODRIGUEZ-CAMPOS 等[22]也指出日晒干燥1 d后,发酵可可中的乳酸、柠檬酸和苹果酸含量均有所增加。如表1、表2所示,经微波真空冷冻干燥处理后,乙酸的含量显著降低,并随微波功率的升高,干制酸菜中的乙酸含量逐降低。这与微波真空干燥后斑玉蕈的风味表现一致,其乙酸含量仅为新鲜样品的48.9%,这可能是由于微波辐射导致有机酸结构破坏[23]。经微波真空冷冻干燥处理后,酸菜中的乳酸与乙酸含量较新鲜酸菜约提升2倍,这使得酸菜的尖酸味大大降低,柔和酸感增加,而苹果酸和柠檬酸含量的增高,丰富了酸菜的柔和酸感,提升了酸菜的口感[20]。综上所述,微波真空冷冻干燥可以提升酸菜的特征性酸味,有机酸的总含量随着微波功率的提升呈现先提升后减少的趋势,且在3 W/g时有机酸含量最高,而随着真空度的升高则不断提升。

2.3 不同干燥条件对酸菜核苷酸的影响

5′-核苷酸对食品的鲜味呈现有重要作用。LEKSRISOMPONG等[24]的研究表明,5′-AMP可以产生甜味,并能抑制酸涩、苦味。当5′-核苷酸存在时,会与鲜味氨基酸之间存在相互作用,成倍放大鲜味[25]。如表3所示,新鲜酸菜中5′-核苷酸的含量为0.451 mg/g干重,与肖隽霏等[26]所检测的4种酸菜的5′-核苷酸含量值为同一数量级范围。由表3、表4可知,主要的呈鲜核苷酸5′-肌苷酸和5′-鸟苷酸在酸菜的4种5′-核苷酸中含量最高,对酸菜进行微波真空冷冻干燥后,5′-核苷酸的总量增高至0.565～0.719 mg/g干重。这一现象可能是因为干燥过程中酸菜温度升高引起的,酸菜经预冻后温度较低,随着干燥进程的进行温度会不断升高,酸菜中的5′-磷酸二酯酶及磷酸单酯酶的活性也逐渐升高,分解RNA并生成的5′-核苷酸[27]。因此,微波真空冷冻干燥可以提升酸菜中5′-核苷酸的含量,提升酸菜的鲜味。

2.4 不同干燥条件对酸菜氨基酸的影响

游离氨基酸(free amino acids,FAAs)是普遍存在于生物体中的重要有机物,氨基酸会参与机体的生理生化反应,包括新陈代谢和信号传递,同时也是重要的风味成分,在食品风味中起着至关重要的作用[28]。酸菜FAAs含量如表5、表6所示,新鲜酸菜中的FAAs总量为31.45 mg/g干重(湿重为2.246 mg/g),与肖隽霏等[26]测得的结果相近。其中,Asp含量(11.58 mg/g干重)最高,占总FAAs的36.8%。根据氨基酸所提供的口感特征不同,FAAs分为酸味、甜味、苦味、无味4种[29]。新鲜酸菜中酸味氨基酸含量最高,占总含量的40.19 %,苦味和甜味氨基酸次之,分别占总含量的31.60%和20.95%。

酸菜经干燥后FAAs总量较新鲜酸菜降低,且除Asp、Glu、Ser外,其余氨基酸含量均有所降低。Glu和Asp含量增加可能是酸菜中的谷氨酰胺酶和天冬酰胺酶水解Gln和Asn产生Glu和Asp所致,该过程为核苷酸的合成提供必需的氮,因此干燥中氨基酸的分解代谢也是5′-核苷酸含量增加的重要原因之一[30-31]。Asp和Glu均属于酸味氨基酸,酸菜经干燥后酸味氨基酸含量占比增高至FAAs总量的48.65%～51.86%,苦味和甜味氨基酸降至FAAs总量的25.07%～27.52%和18.02%～22.23%。综上所述,微波真空冷冻干燥处理可以提升酸菜的酸味氨基酸含量,而苦味和甜味氨基酸含量降低,使酸菜的特征性酸味更加突出。

2.5 微波真空冷冻干燥酸菜中呈味成分TAV分析

通常情况下当TAV>1时,认为该物质对酸菜的呈味有贡献,而TAV<1时,该物质将被视为对呈味仅起到了协调作用并没有直接贡献,由此可以确定酸菜中主要的呈味的物质[32]。

不同干燥条件处理后的酸菜干制品中呈味成分的TAV结果如表7、表8所示。有机酸对酸菜的风味贡献最大,其中乳酸和乙酸TAV最高,为酸菜风味作出贡献最大,柠檬酸、苹果酸、焦谷氨酸次之,而富马酸的TAV<1,对酸菜的风味仅有协调作用。5′-核苷酸的TAV值较低,但5′-核苷酸与鲜味氨基酸之间存在呈鲜作用,因此在酸菜风味中同样有明显贡献[25]。氨基酸中Asp、Glu、Ala、Phe、Arg、His的TAV>1,为酸菜的风味做出贡献,根据氨基酸所提供风味划分,呈酸味氨基酸对酸菜风味贡献最大,呈甜味氨基酸对风味贡献最小。

2.6 微波真空冷冻干燥酸菜EUC值分析

鲜味是衡量食品风味的重要标准之一[15],等鲜浓度对酸菜风味产品的评价和开发具有极其重要的研究意义。与新鲜酸菜EUC值(10.24)相比,不同干燥条件下,干燥酸菜的EUC值均升高,这是因为微波真空冷冻干燥导致酸菜中5′-核苷酸和Asp、Glu含量均有所升高,而Asp和Glu与5′-核苷酸具有呈鲜作用[25],从而导致酸菜的EUC值增高。卢晓烁等[13]通过对干燥香菇的EUC值的研究发现,提升解析干燥阶段的温度会使香菇的鲜味强度显著提升。酸菜经微波真空冷冻干燥处理后,鲜味强度的变化可能与干燥过程中的温度变化有关。由图4所示,在相同的真空度条件下,随着微波功率的增加,酸菜的EUC值呈先上升后下降趋势,而当微波功率保持不变,真空度逐渐增加时,酸菜的EUC则呈上升趋势。说明较高的微波功率会对酸菜的鲜味成分造成损害,使其保留更加困难;而较高的真空度则能够较好的保留酸菜的鲜味成分。综上所述,对酸菜进行微波真空冷冻干燥时,降低微波功率、提高真空度可以更好地保留酸菜的鲜味。

3 结论与讨论

微波真空冷冻干燥技术具备真空冷冻干燥有效保留产品风味和品质的优点,还能缩短干燥时间,提高干燥效率,因而近年来在食品干燥方面有着很好的表现。本研究将其应用于酸菜干燥,并通过改变干燥条件,对酸菜的主要呈味成分进行分析,得出以下结论。采用微波真空冷冻干燥对酸菜进行干燥加工同样体现出其高效的技术特点,微波功率的提升和降低干燥腔内压强均能提高酸菜的干燥效率;微波真空冷冻干燥对酸菜中非挥发性呈味成分,如有机酸、5′-核苷酸、FAAs的含量均有显著影响;干燥后酸菜中的有机酸和5′-核苷酸含量显著增加,且微波功率和真空度均起到了积极的作用;对酸菜FAAs分析结果显示,经干燥处理后酸菜中的FAAs含量低于新鲜酸菜,但对酸菜中的酸味氨基酸含量具有明显的提升作用,使酸菜的特征性酸味更加突出;对酸菜的TAV值和EUC值分析发现,较高的真空度对酸菜的口味丰富度和鲜味浓度均有积极影响,而过高的微波功率则会导致酸菜的鲜味浓度降低。因此,为保证酸菜干制品有较好的风味,可以采用降低微波功率并提升真空度的方法。

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Effect of microwave vacuum freeze-drying on flavor of Chinese sauerkraut

DONG Jingyin1,YI Junpeng1*,LI Xin 1,DUAN Xu1,2,REN Guangyue1,2,LI Linlin1,LI Luyao1,WANG Junling1,HAN Yuxin1,GAO Yan1

1(College of Food and Bioengineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471000, China) 2(Henan Collaborative Innovation Center for Grain Storage Security, Zhengzhou 450001, China)

ABSTRACT In this paper, microwave vacuum freeze-drying technology was used to treat Chinese sauerkraut. The changes in flavor components of Chinese sauerkraut under different microwave power and vacuum conditions were studied, and the taste activity value (TAV) and equivalent umami concentration (EUC) value of sauerkraut were analyzed. Results showed that the contents of organic acid and 5′-nucleotide increased after drying, and the contents of these two substances were increased by increasing microwave power and vacuum degree. The content of free amino acids (FAAs) in Chinese sauerkraut decreased during the drying process, but the content of sour amino acids including aspartic acid (Asp) and glutamic acid (Glu), which were the main components in FAAs, increased, and the content of bitter amino acids and sweet amino acids decreased, so the characteristic flavor of Chinese sauerkraut became more obvious during the drying process. The TAV and EUC value of Chinese sauerkraut increased significantly after drying treatment, and the EUC value increased first and then decreased with the increase of microwave power, and continued to increase with the increase of vacuum degree. Results showed that microwave vacuum freeze-drying had positive effects on the umami taste of Chinese sauerkraut under a higher vacuum degree. This study has a positive help to the promotion of sauerkraut, improve the added value of Chinese sauerkraut and expand the application scope of Chinese sauerkraut.

Key words Chinese sauerkraut; microwave vacuum freeze-drying; flavor; organic acids; 5′-nucleotides; free amino acids

DOI：10.13995/j.cnki.11-1802/ts.034144

引用格式：董晶寅,易军鹏,李欣,等.微波真空冷冻干燥对酸菜风味的影响[J].食品与发酵工业,2023,49(20):51-58.DONG Jingyin,YI Junpeng,LI Xin, et al.Effect of microwave vacuum freeze-drying on flavor of Chinese sauerkraut[J].Food and Fermentation Industries,2023,49(20):51-58.

第一作者：硕士研究生(易军鹏教授为通信作者,E-mail:yijunpeng@126.com)

基金项目：国家自然科学基金项目(32172352);河南省外国专家引智项目(HNGD2021040)

收稿日期：2022-10-29,改回日期:2022-11-30