槟榔部分用于药用和鲜食,更多地用于加工槟榔嚼块[1]。咀嚼槟榔可以带来欣快感,有提神醒脑[2]的作用。中国不仅槟榔产量大,且消费者众多[3-4]。中国的槟榔加工主要集中在湖南、海南等地,改革开放之后槟榔才大量由小作坊式生产转变为企业生产[5],因此很多槟榔加工企业往往是按照传统经验进行加工。目前针对槟榔的研究中大部分集中于槟榔对人体的有害性[6-7]以及槟榔中活性物质的提取[8-9];在食用槟榔加工方面的研究中针对食用槟榔加工前预处理及成品的品质特性[10]研究较多,例如针对新采摘的槟榔干燥[11]、灭菌[12]、储藏方法[13]的研究以及食用槟榔成品品质,如感观评估[14]、卤水改进[15-16]等,也有一些探究槟榔加工过程中生物碱的含量变化情况[17],而对于槟榔在加工过程中发生的理化特性变化未见报道。
长期大量咀嚼槟榔会引起口腔黏膜的氧化损伤并引起强直性坏死[18],更重要的是槟榔纤维磨损口腔组织黏膜造成多次创伤,槟榔碱以及其他添加物扩散进入黏膜下组织,长时间持续刺激口腔黏膜导致纤维化和其他病变[19-20]。因此,在槟榔食品加工过程中设计更合理的工艺流程和参数,对槟榔纤维进行前处理,减少槟榔纤维对口腔的磨损以减少咀嚼槟榔对人体带来的伤害,将会是槟榔产业健康发展的重要方向。而探究槟榔在加工过程和储藏过程中发生的理化性质变化及其规律,对指导槟榔加工工艺的优化,提升槟榔质量以期减少咀嚼槟榔对人体造成伤害等方面具有重要意义。
1 材料与方法
1.1 试验材料
1.1.1 原料与试剂
槟榔、中性纤维素酶(300 U/mL)、木聚糖酶(50 000 U/mL)、甘露聚糖酶(40 000 U/mL)、单宁酶(40 000 U/mL)、漆酶(10 000 U/mL),湖南伍子醉实业集团有限公司。NaCl、Na2CO3、无水乙醚(分析纯),国药集团化学试剂有限公司
1.1.2 仪器与设备
SCIONSQ-456-GC型GC-MS分析仪,美国布鲁克公司;TA.XTPlus型物性分析仪,英国MSM公司;MB25ZH型快速水分测定仪,奥豪斯仪器有限公司;GZX-9240MBE型电热鼓风干燥箱,上海博讯医疗生物仪器股份有限公司;HH-4J型电热恒温水浴锅,绍兴上虞祥达仪器制造有限公司;JSM-840型冷场发射扫描电子显微镜,日本电子株式会社。
1.2 试验方法
1.2.1 槟榔的加工
按照国内某槟榔加工企业的基本加工方法进行,与黄群等[13]采用的工艺一致。具体工艺流程如下:
干果→浸泡→蒸汽爆破→酶解→发制→灭酶(烘干)→闷香→切半→去核→点卤
试验指标测定均为随机挑选同一批次中不同3粒混合作为样品进行测定,作3次平行,取平均值。
在进行酶解前先通过蒸汽爆破操作使槟榔纤维适当分散。将槟榔浸泡一段时间,适当增加槟榔水分同时清洗除杂。容器压强迅速升高,保持1 min后快速泄压。酶液按照1∶20(g∶mL)加入去离子水混匀,于50 ℃水浴中活化15 min后加入经过蒸汽爆破的槟榔中,50 ℃水浴酶解60 h。
鼓风恒温干燥箱设定温度60 ℃,干燥至槟榔纤维水分含量一定。闷香工序是将香精香料用少量水溶解后加入经过干燥的槟榔中,于50 ℃水浴中进行闷制,定时翻转,时间48 h。
1.2.2 槟榔水分含量测定
将槟榔用剪刀顺纤维剪成单根细丝,再将细丝剪成约2 mm的细段纤维。取约1.0 g细段纤维置于水分测定仪中,135 ℃测定水分含量。
1.2.3 槟榔酶解方法
目前槟榔生产广泛使用的复配酶中主要成分包括木聚糖酶、甘露聚糖酶、漆酶、纤维素酶等,为探究纤维素酶在复配酶中所起作用,分别利用纤维素单酶、复合酶1(不含纤维素酶的复合软化酶,木聚糖酶∶甘露聚糖酶∶单宁酶∶漆酶=1∶1∶1∶1)和复合酶2(含纤维素的复合软化酶,木聚糖酶∶甘露聚糖酶∶单宁酶∶漆酶∶纤维素酶=1∶1∶1∶1∶1)进行酶解。
1.2.4 槟榔质构性质测定
槟榔顺纤维切分去核,取一半置于物性分析仪的载物台上,选择探头为柱状探头TA/36R。设定加载程序测试前速度1.00 mm/s,测试速度1.00 mm/s,触发值5.0 g,测试形变量40%,实施二次挤压试验,对槟榔的硬度、咀嚼性和胶黏性进行测定。每一样品取同批次3粒作平行。
1.2.5 槟榔纤维持水性测定
同批次半成品切开去核后,用粉碎机粉碎后过150 μm筛,进行持水性测定[21]:取2.5 g槟榔粉,按1∶100(g∶mL)比例加入0.2 g/L的NaCl溶液250 mL,充分混匀,室温静置1 h后,3 000 r/min离心15 min,弃上清液,记录沉淀重量,按公式(1)计算:
持水性/(g/g)=(m2-m1)/m1
(1)
式中:m1,槟榔粉末质量,g;m2,沉淀物质量,g。
1.2.6 槟榔微观结构观测
将槟榔去核后切块,制成大小为2 mm×2 mm×2 mm颗粒,表面喷金后利用扫描电镜观察槟榔的横向切面纤维状况。
1.2.7 槟榔特征风味物质测定
槟榔粉碎后过100 μm筛,称取1.0 g于可密封的试管中,加入20 mL无水乙醚密封,150 r/min、28 ℃振荡2 h,每隔30 min手动振摇一次,提取结束后取2 mL样品离心后进行GC-MS分析。色谱条件:采用DB-Wax (30 m×0.25 mm×0.25 μm)毛细管柱;载气:He(9 999%),不分流,进样口温度250 ℃,流速1.00 mL/min;升温程序:初始温度40 ℃保持3 min,以5 ℃/min的速率升到100 ℃无保留,以10 ℃/min的速率升到230 ℃,保持6 min。质谱条件:EI离子源;电子能量70 eV;离子源温度200 ℃;接口温度250 ℃。主要风味化合物确定:把系列正构烷烃换算保留指数与质谱数据库的保留指数进行对比,确定主要风味化合物。
1.3 数据处理
数据均有3次平行,采用Excel 2016软件对数据进行统计,并进行图形绘制;采用SPSS 20.0软件进行单因素方差分析,并对差异显著性进行分析。
2 结果与分析
2.1 加工工序对槟榔质构的影响
2.1.1 不同加工工序对槟榔质构的影响
如图1所示,槟榔在浸泡、蒸汽爆破、香料发制后烤籽及闷香过程中,质构指标硬度、胶黏性和咀嚼性表现出相似的变化规律性,呈现降低、升高和再降低的趋势。硬度直接反映软硬口感,在质构检测过程中表现为第1次下压需要的最大力量值,从图中可以看出槟榔经过浸泡和汽爆硬度大幅下降从41 422.94 g到7 218.45 g,酶解之后小幅上升,在烤干时达到18 923.53 g,最终闷香完毕时降至12 392.8 g,为最终成品硬度;胶黏性表现为经过咀嚼之后可恢复凝聚的情况,胶黏性与弹性的复合表征咀嚼性,即咀嚼槟榔时所需要的能量,从图1可见胶黏性和咀嚼性变化情况完全一致。经过浸泡、蒸汽爆破后槟榔结构松散,硬度、胶黏性和咀嚼性都大幅下降;利用复合纤维软化酶对槟榔进行酶解后,坚硬程度有所上升,而胶黏性和咀嚼性继续下降,表明其适口性变好;烤籽工艺对质构影响较大,水分散失导致纤维缩聚结合,导致其质构坚硬程度再次上升,以至于成品槟榔的硬度不能恢复到汽爆时的值。
图1 加工过程槟榔质构变化
Fig.1 Texture change of betel nut during processing
2.1.2 不同酶解方式对槟榔质构与水分的影响
如图2所示,纤维素酶酶解对槟榔质构改善情况不及与其他酶复合使用,水分含量最低;不添加纤维素酶的复合酶1酶解的槟榔水分含量最高,但其质构指标都处于较高水平;质构特性表现最好的含纤维素酶的复合酶2酶解的槟榔,硬度、胶黏性与咀嚼性数值最低,水分含量处于中等水平。
图2 不同酶解方式对质构和水分的影响
Fig.2 Effect of different enzymolysis methods on texture and water content
酶解软化过程纤维素酶的使用对于质构的影响是至关重要的,槟榔中纤维素占一半以上,其次为半纤维素和木质素[22-23],纤维素可维持良好的强度和稳定性[24],酶解过程不添加纤维素酶会导致其软化效果不理想,而仅使用纤维素酶进行酶解又会使水分无法维持。因而在后续的酶解方式研究中应该更多关注于纤维素酶的使用量以及如何适度降解除纤维素外其他主要成分来使槟榔的食用品质得以提升。
2.2 加工工序对槟榔纤维持水性的影响
由表1可知,槟榔经过加工纤维持水性显著增大。在加工过程中,经过蒸汽爆破槟榔纤维的持水性相较于原果纤维持水量提升不显著,这是因为通过高压快速释放的方式使槟榔纤维内部结构破坏,疏松结构后纤维的内部容纳空间可以被水分填充。而经过酶解后,槟榔纤维持水量上升至(4.11±0.37) g/g,主要原因在于酶解后的槟榔由于纤维结构被破坏,内部孔隙增多,持水性得到进一步提升。烤干后的半成品纤维持水量达到(4.79±0.35) g/g是由于烘干工序导致纤维本身质量的下降,相同质量下槟榔粉末的体积相较于其他组更大,因而其持水量最高。经过一系列加工之后,槟榔成品的持水性再度恢复到与酶解后相近,这说明酶解后槟榔纤维的持水性达到最大,烤干工序对槟榔持水性的影响不大,最终产品的持水性与酶解后相近。槟榔纤维的持水性对槟榔的食用品质和储藏性能起着决定性的作用,主要表现为会在一定程度上影响质构性质,在持水性方面加工过程中,烤干后的槟榔纤维持水性最高,但最终产品的持水量与酶解结束时纤维的持水量接近。
表1 不同加工半成品槟榔持水量
Table 1 Water holding capacity of different processed semi-finished betel nut
指标工艺流程原果蒸汽爆破酶解烤干成品持水量/(g/g)3.30±0.34e3.61±0.60de4.11±0.37c4.79±0.35a4.25±0.54b
注:字母不同表示差异显著(P<0.05)。
2.3 纤维素酶的使用对槟榔纤维微观结构的影响
通过对槟榔的质构特性进行分析可知(图1),槟榔籽经过浸泡、蒸汽爆破之后其质构特性会发生大幅改变,并且此时也是槟榔产品在加工过程中硬度最低,水分含量最高的时候。汽爆之后经不同种类的酶的酶解之后的槟榔微观结构如图3所示。槟榔籽经过蒸汽爆破处理后纤维结构适度松散,纤维束中单根纤维间孔隙变大。但未经酶解时槟榔纤维结构紧致,切面整体平整呈现紧密结合状态,而经过纤维素单酶处理,槟榔粗纤维整体结构被破坏呈现为片状分层叠加。复合酶处理对于槟榔纤维的改变较彻底,层状结构被解开,其中,添加了纤维素酶的复合酶1进行酶解的槟榔整体结构完全破坏,成为不规则碎渣状态。不添加纤维素酶的复合酶2进行酶解之后,槟榔纤维出现较均匀的孔隙状结构呈现网状,整体结构的维持较好。从消费者食用的角度而言,图3-b产品状态应为咀嚼时绵软度尚可,但难以保持嚼块的整体性。综合分析,复合酶2更适合。
a-未酶解;b-纤维素酶;c-复合酶1;d-复合酶2
图3 不同酶解方式对槟榔微观结构的影响
Fig.3 Effects of different enzymolysis methods on the microstructure of betel nut
2.4 储藏过程槟榔水分含量和风味物质变化
槟榔成品贮藏期间的水分含量及风味物质变化极大影响消费者的接受度。将槟榔用专用食品包装袋进行密封包装,实验室常温常湿储藏,分别在0、7、14、21 d取样,测定水分含量与主要风味成分的保留情况。由图4可见,在储藏过程中槟榔的主要风味成分物质的含量处于不断变动的情况,在储藏了21 d后,相较于0 d各组分含量均有下降,尤其是乙基麦芽酚、薄荷酮和异薄荷酮属于原本含量较高,很大程度上决定了槟榔风味中重要的香味和凉感[15],储藏21 d后其下降幅度最大,同时它们在储藏过程中含量波动也较明显。储藏过程中含量波动较明显的还有香兰素,先上升后下降,变化曲线看来香兰素在储藏过程中的含量变化趋势与乙基麦芽酚相似,而薄荷酮与异薄荷酮变化趋势相近。槟榔的水分含量在储藏过程中由于与空气湿度的交换会逐步下降,刚开始的7 d水分经历较大幅度下降,再过7 d时只有小幅下降,甚至到了21 d时水分有所回升,此时测定出的槟榔水分含量上升可能是因为槟榔外壳中的水分由于与外界的交换发生下降,到一定程度之后,由于槟榔纤维的吸湿性,一方面不再往外散失水分,另一方面从其中心的槟榔卤水中吸收一定的水分保留在纤维中[25]。不同的风味物质由于挥发性不同,损失程度有较大的差异。
图4 水分含量与主要风味成分变化
Fig.4 Changes of water content and main flavor components
3 结论与讨论
本文研究了槟榔加工过程中各工序结束后槟榔质构等发生的改变,在后续加工改良中可以进一步考虑对酶解和烤干的改进;研究发现槟榔纤维的持水性会在一定程度上影响质构,纤维素酶等的使用会破坏槟榔纤维的整体结构,此后研究中可以进一步探究酶解前后槟榔纤维主要成分的变化情况。槟榔包装和储藏条件对于水分含量的影响应该同时考虑到槟榔片籽在包装环境中的水分散失与本身纤维持水性能,以及与表面卤水之间的水分互相影响。如何控制槟榔在贮藏及货架期内的水分含量,以及不同的加工工艺得到的槟榔产品与口腔机械损伤等方面的相关性,都是可以进一步研究,从而更好地优化改良加工设备及加工工艺及参数。
[1] SALEHI B, KONOVALOV D A, FRU P, et al.Areca catechu-From farm to food and biomedical applications[J].Phytotherapy Research:PTR, 2020, 34(9):2140-2158.
[2] PREEDY V R.Neuropathology of drug addictions and substance misuse.Volume 3, General processes and mechanisms, prescription medicications, caffeine and Areca, polydrug misuse, emerging addictions and non-drug addictions[M].London:Academic Press, 2016.
[3] 吴娇, 孔丹宇, 万迎朗.浅析国际槟榔文化及各国管理政策[J].热带生物学报, 2020, 11(4):523-532. WU J, KONG D Y, WAN Y L.Analysis of international culture and policies in arecanut[J].Journal of Tropical Biology, 2020, 11(4):523-532.
[4] BUENTE W, DALISAY F, POKHREL P, et al.An instagram-based study to understand betel nut use culture in Micronesia:Exploratory content analysis[J].Journal of Medical Internet Research, 2020, 22(7):e13954.
[5] 张恩迅, 申玲玲.瘴气、瘟疫与成瘾:地方社会变迁中槟榔食俗的传播与重构[J].民俗研究, 2021(1):89-104, 158. ZHANG E X, SHEN L L.Malaria, plague and addiction:The spread and reconstruction of Areca custom in the change of local society[J].Folklore Studies, 2021(1):89-104;158.
[6] 李敏, 何宁, 张大龙, 等.槟榔多糖多酚对大鼠的亚慢性毒性研究[J].癌变·畸变·突变, 2022, 34(4):307-313, 317. LI M, HE N, ZHANG D L, et al.Study on subchronic toxicity of Areca catechu polysaccharide polyphenols in rats[J].Carcinogenesis, Teratogenesis &Mutagenesis, 2022, 34(4):307-313, 317.
[7] 高宇. 嚼服槟榔致严重食管损伤二例[J].临床内科杂志, 2022, 39(5):353-354. GAO Y.Two cases of severe esophageal injury caused by chewing betel nut[J].Journal of Clinical Internal Medicine, 2022, 39(5):353-354.
[8] 王燕, 刘书伟, 张田田, 等.槟榔多酚提取工艺的优化[J].海南热带海洋学院学报, 2022, 29(2):25-31. WANG Y, LIU S W, ZHANG T T, et al.Optimization of extraction technology of polyphenols from betel nut[J].Journal of Hainan Tropical Ocean University, 2022, 29(2):25-31.
[9] 尹明松, 潘飞兵, 郭建行, 等.槟榔化学成分及生物活性研究进展[J].食品研究与开发, 2021, 42(15):219-224. YIN M S, PAN F B, GUO J H, et al.Research into chemical constituents and pharmacological activities in Areca catechu L[J].Food Research and Development, 2021, 42(15):219-224. [10] 吴凯, 许纲, 简小朋.食用槟榔品质提升技术研究进展[J].食品工业, 2022, 43(7):232-237. WU K, XU G, JIAN X P.Research progress of edible betel nut quality improvement technology[J].The Food Industry, 2022, 43(7):232-237.
[11] 代文婷, 吉建邦, 康效宁, 等.槟榔干制技术研究进展[J].食品工业, 2021, 42(3):258-262. DAI W T, JI J B, KANG X N, et al.Research progress of Areca nuts drying technology[J].The Food Industry, 2021, 42(3):258-262.
[12] 马金爽, 吉建邦, 王世萍, 等.辐照杀菌对槟榔干果贮存期的影响[J].食品工业, 2021, 42(12):268-271. MA J S, JI J B, WANG S P, et al.The effect of irradiation sterilization on the storage period of dried Areca[J].The Food Industry, 2021, 42(12):268-271.
[13] 黄群, 高晓婷, 简小鹏.槟榔保鲜及深加工工艺研究进展[J].食品工业, 2021, 42(2):251-254. HUANG Q, GAO X T, JIAN X P.Research progress on preservation and deep processing technology of Areca nut[J].The Food Industry, 2021, 42(2):251-254.
[14] 匡凤军, 刘群, 曹倩蕾, 等.槟榔硬度及其质构相关性研究[J].食品安全导刊, 2019(36):61-63. KUANG F J, LIU Q, CAO Q L, et al.Study on hardness and texture correlation of betel nut[J].China Food Safety Magazine, 2019(36):61-63.
[15] 李良怡, 吴安琪, 马妍, 等.响应面优化食用槟榔卤水配方的研究[J].食品研究与开发, 2021, 42(20):71-78. LI L Y, WU A Q, MA Y, et al.Study on optimization of edible betel nut brine formulation using response surface methodology[J].Food Research and Development, 2021, 42(20):71-78.
[16] 李良怡, 钱鑫, 吴安琪, 等.食用槟榔卤水质地剖面分析及测试条件的优化[J].食品与发酵工业, 2022, 48(10):278-283. LI L Y, QIAN X, WU A Q, et al.Texture profile analysis of edible betel nut brine and the optimization of testing conditions[J].Food and Fermentation Industries, 2022, 48(10):278-283.
[17] 黄群, 刘康康, 陈坤, 等.加工工艺对槟榔产品中槟榔碱含量的影响[J].食品工业, 2021, 42(9):57-60. HUANG Q, LIU K K, CHEN K, et al.Effect of processing technology on the content of arecoline in Areca product[J].The Food Industry, 2021, 42(9):57-60.
[18] JI W T, LEE C I, CHEN J Y F, et al.Areca nut extract induces pyknotic necrosis in serum-starved oral cells via increasing reactive oxygen species and inhibiting GSK3β:An implication for cytopathic effects in betel quid chewers[J].PLoS One, 2013, 8(5):e63295.
[19] 栾剑, 郭迪, 周晓馥.槟榔致癌性和毒性的药理学研究进展[J].食品与机械, 2019, 35(2):185-189;236. LUAN J, GUO D, ZHOU X F.Advances of pharmacological research on carcinogenicity and toxicity of areca nut[J].Food &Machinery, 2019, 35(2):185-189;236.
[20] LIU S Y, FENG I, WU Y W, et al.Implication for second primary cancer from visible oral and oropharyngeal premalignant lesions in betel‐nut chewing related oral cancer[J].Head &Neck, 2017, 39:1428-1435.
[21] LECUMBERRI E, MATEOS R, IZQUIERDO-PULIDO M, et al.Dietary fibre composition, antioxidant capacity and physico-chemical properties of a fibre-rich product from cocoa (Theobroma cacao L.)[J].Food Chemistry, 2007, 104(3):948-954.
[22] LAI W L, MARIATTI M, JANI S M.The properties of woven kenaf and betel palm (Areca catechu) reinforced unsaturated polyester composites[J].Polymer-Plastics Technology and Engineering, 2008, 47(12):1193-1199.
[23] JOHN M J, ANANDJIWALA R D.Recent developments in chemical modification and characterization of natural fiber-reinforced composites[J].Polymer Composites, 2008, 29(2):187-207.
[24] ARUL MARCEL MOSHI A, RAVINDRAN D, SUNDARA BHARATHI S R, et al.Characterization of natural cellulosic fiber extracted from Grewia damine flowering plant’s stem[J].International Journal of Biological Macromolecules, 2020, 164:1246-1255.
[25] 李良怡, 潘飞兵, 周文化, 等.食用槟榔货架期内品质控制研究[J].食品与机械, 2021, 37(7):188-193;218. LI L Y, PAN F B, ZHOU W H, et al.Study on quality control of edible Areca during shelf life[J].Food &Machinery, 2021, 37(7):188-193;218.