天麻(Gastrodia elata)是兰科植物天麻的块茎,是中国、韩国、日本等东方国家的传统药食两用植物[1]。天麻中的活性物质(如天麻素、对羟基苯甲醇、对羟基苯甲醛和巴利森苷),具有改善癫痫、失眠、神经衰弱、心血管疾病等作用[2]。2019年,国家卫生健康委将天麻纳入药食同源目录。然而,天麻,略似马尿的独特气味,被称之为“马尿臭”,多数人很难接受。

天麻的加工是确保其质量和功效的关键技术,适当的加工能够充分发挥其作用,展现出更好的风味。炮制是天麻传统加工方法,距今已有两千年的历史。早期有关天麻加工记载的文献是《吴普本草》,对于天麻的炮制十分简单,即采收后直接日照晒干[3]。近代对天麻的加工多采用蒸制和水煮的方法,可以起到“杀酶保苷”的作用[4]。如今,生物炮制逐渐流行,其主要优势是基于微生物发酵保护活性成分、增强生理功能、降低不良反应等[5]。目前我国对于天麻的研究更多集中在功效方面,比如降血压、抗惊厥等临床研究[2],还有少部分是对天麻活性成分的研究,比如天麻素和多糖的提取、天麻加工对药效的影响等方面[6],对于天麻经过不同加工处理后,其食用营养价值和生物活性成分变化影响的研究较少,对于减少天麻异味物质的研究更是鲜有报道。因此,本研究探讨了蒸制、水煮和发酵3种不同处理方式对天麻营养成分、活性成分、有机酸、游离氨基酸、抗氧化活性以及风味物质的影响,以期为天麻加工提供科学依据,为改善天麻“马尿臭”味提供研究基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

试验材料:2021年10月至12月,从中国重庆市奉节县长安土家乡五坝村采集乌红杂交鲜天麻,经洗涤、清洁、擦干后于-20 ℃保存以备进一步使用。

菌种来源:嗜酸乳杆菌N2来源于西南大学食品科学学院保藏菌种。

天麻素、对羟基苯甲醇、巴利森苷A、巴利森苷B、巴利森苷C、巴利森苷E,上海源叶生物技术有限公司,质量分数大于98.0%;芦丁标准品、抗坏血酸标准品、没食子酸标准品、福林酚,索莱宝生物科技有限公司;Bradford蛋白浓度测定试剂盒,碧云天生物技术有限公司;纤维素(cellulose,CLL)含量测试盒,苏州梦犀生物医药科技有限公司。

1.2 仪器与设备

L-8800全自动氨基酸分析仪,日本日立公司;固相微萃取(solid phase micro extraction,SPME)装置(100 μm PDMS),美国Supleco公司;GCMS-2010气相色谱质谱联用仪、LC-20高效液相色谱仪,日本岛津公司。

1.3 实验方法

1.3.1 不同加工方式处理天麻

1.3.1.1 蒸制处理

取300 g左右鲜天麻,放入蒸锅隔层中在100 ℃饱和蒸汽下蒸熟至透心,冷却后与天麻块茎纵向平行切片,每片厚度为5 mm,称重记录,并放置于食品袋中于-20 ℃冰箱用于后续分析。

1.3.1.2 水煮处理

取300 g左右鲜天麻,待水烧开后,将天麻直接放入锅中煮熟至透心,冷却后与天麻块茎纵向平行切片,每片厚度为5 mm,称重记录,并放置于食品袋中于-20 ℃冰箱用于后续分析。

1.3.1.3 乳酸菌发酵处理

取300 g左右鲜天麻按质量比1∶1加入饮用水打浆,放入高压灭菌锅中,121 ℃灭菌15 min,备用。此外,将N2菌株接种于MRS肉汤培养基中,在37 ℃下培养活化3次,用生理盐水调整三代菌液浓度3×108 CFU/mL,按照2%(体积比)的接种量接种于灭菌后的天麻浆中,在30 ℃下静置发酵3 d,将样品置于-20 ℃冰箱用于后续分析。

1.3.2 检测方法

1.3.2.1 营养成分测定

水分测定参考GB 5009.3—2016《食品安全国家标准 食品中水分的测定》,总灰分测定参考GB 5009.4—2016《食品安全国家标准 食品中灰分的测定》,浸出物含量测定参考段桂媛等[7]的方法进行测定,淀粉含量根据GB 5009.9—2016《食品安全国家标准 食品中淀粉的测定》中第二法酸水解法测定,水溶性蛋白和粗纤维素分别使用Bradford蛋白浓度测定试剂盒和纤维素(cellulose,CLL)含量测试盒测定。多糖含量采用苯酚-硫酸法测定[8]。

1.3.2.2 活性成分测定

天麻素、对羟基苯甲醇、巴利森苷A、巴利森苷B、巴利森苷C、巴利森苷E的含量测定参照段桂媛等[7]方法进行。

1.3.2.3 有机酸含量测定

有机酸的测定参照张曼等[9]方法并做适当修改。称取5.00 g样品,加入30 mL蒸馏水于25 ℃超声波30 min,冷却后定容至50 mL,过滤。向滤液中分别加入1 mL 30%(体积分数)ZnSO4溶液和10.6%(体积分数)亚铁氰化钾溶液,混匀后静置30 min,离心取上清液经0.22 μm微孔滤膜过滤。

色谱条件:色谱柱:Thermo Fisher-C18(4.6 mm×250 mm,5 μm);流动相:V(甲醇)∶V(0.01 mol/L KH2PO4)=3∶97,磷酸调pH值至2.8;进样量:20 μL;流速:0.8 mL/min;柱温:30 ℃;检测波长:210 nm。

1.3.2.4 游离氨基酸含量测定

称取1.00 g样品于离心管中,加入9 mL质量分数为4%的磺基水杨酸溶液,混匀,6 500 r/min离心8 min,取上清液经0.22 μm微孔滤膜过滤[10]。采用氨基酸自动分析仪测定不同加工方式处理天麻后游离氨基酸的组成及含量。

1.3.2.5 挥发性成分测定

采用顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用(headspace solid-phase microextraction-gas chromatography-mass spectrometry,HS-SPME-GC-MS)测定不同加工方式处理天麻后的挥发性成分,并用2-辛醇(10 μL,质量浓度为300 mg/L)对每种化合物进行定量[7]。

GC条件:DB-5MS毛细管柱(30 m×0.25 mm,0.25 μm);40 ℃保持3 min,以10 ℃/min速度升温到100 ℃,保持2 min,再以3 ℃/min速度升温到160 ℃,保持5 min,最后以10 ℃/min速度升温到250 ℃;不分流进样;高纯N2流速为1 mL/min。

MS条件:离子源温度250 ℃,电子能量70 eV,接口温度250 ℃,四极杆质量分析器,质量扫描范围为40～400 m/z。

1.3.2.6 香气活力值分析

采用香气活力值(odor activity value,OAV)评估天麻挥发性物质的主体风味贡献,通常认为OAV>1的香气化合物是对整体香气的主要贡献者,当OAV>10,被认为是重要的香气化合物。OAV的计算如公式(1)所示:

(1)

式中:Ci,挥发性成分的相对含量,μg/kg;Ti,挥发性成分的阈值,μg/kg。

1.3.2.7 感官评价

感官评价小组由经过培训的8名志愿者组成,结合感官小组意见,最终选择4种气味属性描述词,分别为马尿臭(天麻独特的气味)、青香味(新鲜青草、叶子香气)、酸腥味(海水、水产等的气味)和泥土味(湿的泥土味、新鲜蘑菇气味),在0～5分间进行定量打分评价,0表示无嗅闻到该气味,3表示气味强度中等,5表示气味强度很大[11]。

1.4 数据分析与处理

实验结果表示为3次独立重复实验的平均值±标准差。使用Origin 2021作图,SPSS 25.0进行统计学分析。

2 结果与分析

2.1 营养成分分析

为了探究不同处理方式对天麻营养成分的变化,对未处理和处理组的天麻水分、灰分、浸出物、淀粉、粗多糖、水溶性蛋白等指标进行了测定。由表1可知,在处理组和未处理组之间,天麻水分含量在71.41%～87.81%内,组间差异显著(P<0.05)。4组样品中总灰分含量均小于4.5%,符合《中国药典》2020年版规定标准。与CK组相比,处理组样品浸出物含量和淀粉含量均显著降低(P<0.05),且N2组淀粉含量最低,为235.23 mg/g。ZZ、SZ组可能是因为天麻经过高温处理后淀粉发生糊化反应,浆液的黏度增大,不利于淀粉游离出来,从而导致天麻淀粉提取率下降,含量降低[12]。而N2组在发酵过程中,天麻中的淀粉为乳酸菌生长提供营养而含量下降。天麻经过乳酸菌发酵后多糖含量最高,为419.13 mg/g,可能是因为乳酸菌在发酵过程中产生了胞外多糖[13]。ZZ处理后天麻多糖含量显著高于SZ处理(P<0.05),可能是因为多糖易溶于水,在水煮过程中造成天麻多糖损失,这与李刚凤等[14]研究结果一致。ZZ、SZ组水溶性蛋白含量均显著降低(P<0.05),而N2组显著增加(P<0.05),这是因为乳酸菌大量繁殖,将非氮物质分解和利用,经过代谢转化为蛋白类物质,从而提高了天麻水溶性蛋白含量[15]。与新鲜天麻相比,N2组对天麻粗纤维没有显著影响(P>0.05),而ZZ组、SZ组显著降低。综上,发酵处理天麻能更好的保留天麻的营养成分,并能提高多糖和水溶性蛋白的含量。

2.2 活性成分分析

天麻中含有天麻素、巴利森苷、对羟基苯甲醇等活性成分。天麻素作为天麻的主要活性成分,具有镇静、催眠、抗惊厥、改善学习记忆、保护神经元、抗抑郁等作用[2],是天麻质量控制的标志[16]。由表2可知,天麻经过蒸制、水煮、发酵处理后天麻素、巴利森苷B、巴利森苷E含量显著升高(P<0.05),而对羟基苯甲醇、巴利森苷A、巴利森苷C含量显著降低(P<0.05)。天麻中天麻素通过β-糖苷酶水解生成对羟基苯甲醇,而对羟基苯甲醇在没有酶参与的情况下缩合成天麻素。加热使天麻中心温度升高,β-糖苷酶活性逐渐降低,抑制了酶解反应,但缩合反应不受影响,对羟基苯甲醇通过缩合反应生成天麻素,导致天麻素含量增加,对羟基苯甲醇含量降低,以此达到“杀酶保苷”的效果[17]。N2组天麻素含量最大,为1.75 mg/g,约是未处理天麻的4倍,可能是乳酸菌生长代谢过程中产生的一系列酶能够将天麻中的大分子活性物质转化为易于吸收利用的小分子活性物质,从而提高天麻的生物活性[18]。

2.3 有机酸含量分析

有机酸在天麻的风味品质中起着至关重要的作用。如表3所示,与未处理组相比,处理后天麻的有机酸组成和含量显著降低(P<0.05),其中N2组保留了更多的有机酸。良好的亲水性是有机酸的一大特征,在水煮和蒸制过程中会导致分子量较低的有机酸大量流失[19]。苹果酸只在N2组中有检出。在ZZ、SZ组中乳酸含量显著性减少,而在N2组中乳酸含量大幅增加,这可能是由于乳酸是乳酸菌发酵代谢的产物之一,乳酸的积累可创造对病原体增殖不利的环境,抑制其他细菌或真菌生长,从而提高发酵食品的防腐性和安全性[20]。经过发酵处理后柠檬酸含量下降,这可能是柠檬酸进入乳酸菌生长代谢的三羧酸循环被代谢为其他下游有机酸。

2.4 游离氨基酸含量分析

如表4所示,对天麻进行不同处理后,游离氨基酸含量大幅降低,且必需氨基酸所占比例降低,这是由于植物浸泡在水中时游离氨基酸会有所损失,在加热的过程中也可能会发生分解现象[21]。苦味氨基酸含量减少了72.56%～87.51%,说明蒸制、水煮和乳酸菌发酵对降低天麻苦味物质有一定作用。N2组中甜味、鲜味和非呈味氨基酸相比于ZZ和SZ组保留得更多,可能是由于乳酸菌细胞中氨基酸溶出[10]。脯氨酸只在N2组检出,产生脯氨酸的原因可能是嗜酸乳杆菌N2利用谷氨酸对发酵途径进行改造,使其朝着有利于产生脯氨酸的方向进行[17]。综合来看,N2组在保留总氨基酸含量的同时又减少了苦味氨基酸含量。

2.5 挥发性成分分析

利用HS-SPME-GC-MS分析不同方式处理后天麻的挥发性化合物,共鉴定出77种,其中主要包括16种醛类、11种酯类、6种酸类、15种醇类、7种萜类、8种酮类、4种酚类、7种烷烃类和3种其他化合物,具体结果见图1。

ZZ和SZ组中醛类化合物种类和含量增多,其中ZZ组含量最多,为1 016.05 μg/kg,而N2组大部分醛类化合物未检出,可能是天麻在乳酸菌的作用下,醛类化合物被还原为醇类化合物或被氧化为酸类化合物[22]。酯类化合物种类和含量在处理后样品中均减少,且化合物组成发现较大变化,辛酸甲酯、2-甲基己二酸二甲酯、棕榈酸乙酯等大部分酯类化合物未检出;醇类化合物主要是通过氨基酸、脂肪、碳水化合物等代谢途径产生,大多数醇类化合物都具有令人愉快的花果香[23]。在处理后的天麻样品中新增了二乙二醇、二甘醇、2-丙基-1-戊醇、反式-2-壬烯-1-醇、三甘醇、三乙二醇和2,4-癸二烯-1-醇等化合物,丰富了天麻风味;酸类化合物在3组中都增多,其中N2组含量最高,为211.27 μg/kg,因为乳酸菌发酵产酸较多,从而使天麻气味更加丰富;萜类化合物种类和含量明显增多,萜类物质具有柑橘香、药草香、柠檬香、胡椒香、辛香、木香等香气[24];酮类化合物赋予独特的花香、青香和木质气味,SZ组中含量最高,为85.89 μg/kg,β-紫罗兰酮呈现出浓郁的木香花香;酚类化合物在所有样品中明显增加,其中含量最高的是对甲酚,对甲酚有焦香、烟熏香气[25];醚类化合物在处理后的天麻中均未检出,醚类化合物一般具有刺激性异味,可能是造成天麻异臭的原因。

2.6 OAV分析

为进一步确认处理后天麻的关键挥发性风味化合物,采用OAV法表征天麻各香气化合物对主体香气成分的贡献。如表5所示,天麻中共检出15种OAV>1的关键香气成分。苯乙醛是未处理天麻的特征香气成分。ZZ组和SZ组的重要香气成分主要是部分醛类物质和β-紫罗兰酮,表现出青草香、木质香。N2组的重要香气成分主要是癸醛和对甲酚,表现出脂肪香和烟草酚香。总之,不同处理方式的天麻,主要风味物质差异较大。

2.7 感官评价分析

由图2可知,ZZ组和SZ组的泥土味、酸腥味、青香味得分与CK组相比变化不大,但是马尿臭得分几乎降低了一半,可能是蒸制和水煮过程中部分异味挥发性物质的释放;N2组泥土味、马尿臭、青香味得分大幅降低,而酸腥味得分明显变高,可能是在发酵过程中某些物质被微生物代谢利用,结合GC-MS结果来看,酸类和醇类物质较为丰富,从而可能导致酸腥味更重。总之,经过蒸制、水煮和发酵处理后,天麻异臭均得到改善。

3 结论

本文分析了蒸制、水煮和微生物发酵3种处理方式对天麻品质和风味的影响。3种加工处理方式,均显著降低(P<0.05)天麻淀粉含量,同时显著提高(P<0.05)粗多糖含量,其中微生物发酵处理后的多糖和水溶性蛋白含量最高。此外,3种加工处理均能显著提高天麻素含量(P<0.05),其中微生物发酵处理效果最佳。嗜酸乳杆菌N2发酵天麻可以有效提高天麻的营养成分和活性成分。天麻经3种加工处理后有机酸和游离氨基酸整体呈现下降趋势。蒸制和水煮后,醇类、酚类和萜类化合物含量大幅增加,微生物发酵后醛类化合物含量显著下降(P<0.05),而酸类和酚类化合物含量显著增加(P<0.05)。经OAV分析,发现醛类物质和β-紫罗兰酮是蒸制和水煮后天麻关键香味物质,而天麻发酵后关键香气成分是癸醛和对甲酚。结合感官评价,研究结果表明以上3种加工方式,可以改善天麻异臭,且微生物发酵处理效果最佳。然而本研究仅对天麻处理前后挥发性化合物进行了初步探究,未解析出天麻异臭的关键化合物,后期需对关键异嗅物质进行鉴定并在不影响天麻活性成分前提下对“马尿臭”异味进行削弱或去除研究。总之,微生物发酵的加工方式是提高天麻生物活性成分含量和功能的一种非常有前景的方法。

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Effect of steaming, boiling and fermentation treatments on the quality and flavour of Gastrodia elata

YANG Lili1,2,3, DUAN Guiyuan1, HUANG Luhan1,2,3, GUO Meiling1,2,3, YUE Yusen1,2,3, KAN Jianquan1,2,3, DU Muying1,2,3*

1(College of Food Sciences, Southwest University, Chongqing 400715, China)2(Chinese-Hungarian Cooperative Research Centre for Food Science, Chongqing 400715, China)3(Chongqing Key Laboratory of Speciality Food Co-Built by Sichuan and Chongqing, Chongqing 400715, China)

ABSTRACT Fresh Gastrodia elata used as raw material, the effect of different treatments (steaming, boiling and fermentation) on the quality and flavor of G. elata was compared and analyzed.The results showed that the starch content of G. elata decreased significantly whilst the crude polysaccharide content increased significantly after treatments (P<0.05).The content of polysaccharide and water-soluble protein in G. elata fermented by Lactobacillus acidophilus N2 was the highest (419.13 mg/g and 25.92 mg/g, respectively) and the gastrodin content was about 4 times higher than that of untreated G. elata.Moreover, the content of organic acids decreased significantly after treatment (P<0.05), and the content of bitter amino acids decreased by 72.56%-87.51%.The content of sweet amino acids and umami amino acids after fermentation was 4.48 times and 13.33 times higher than that of steaming, 5.21 times and 16.58 times higher than that of boiling, respectively.Additionally, the volatile components analysis indicates that the Gastrodia elata after steaming and fermentation has the highest aldehydes content (1 016.05 μg/kg) and acid content (211.27 μg/kg), respectively.Fifteen key aroma components (OAV>1) were identified by aroma activity value analysis.The results of sensory evaluation show that the odor of G. elata improves after steaming, boiling and fermentation, and the fermentation treatment exhibits the best sensory.

Key words Gastrodia elata;processing;nutrients;active ingredients;volatile components

DOI：10.13995/j.cnki.11-1802/ts.036531

引用格式：杨丽莉,段桂媛,黄璐晗,等.蒸制、水煮和发酵处理对天麻品质和风味的影响[J].食品与发酵工业,2024,50(11):301-307.YANG Lili, DUAN Guiyuan, HUANG Luhan, et al. Effect of steaming, boiling and fermentation treatments on the quality and flavour of Gastrodia elata[J].Food and Fermentation Industries,2024,50(11):301-307.

第一作者：硕士研究生(杜木英副教授为通信作者,E-mail:muyingdu@swu.edu,cn)

基金项目：科技部国家重点研发计划项目(2022YFE0120800);重庆市科技兴林重点项目(2021-5)

收稿日期：2023-06-20,改回日期:2023-07-17