醬油的主要成分冷凍分配規律

鄭爽,朱新貴,曾小波

冷凍法濃縮技術是低溫常壓加工工藝,可減少物質中揮發性芳香成分的損失和酶、色素等熱敏性成分的變化。在日本和西方國家,對冷凍濃縮的研究比較多,有用冷凍濃縮工藝制作速溶咖啡、橙汁的應用報道,濃縮咖啡時有效成分損失小于 1%[1]。在法國的一些葡萄酒廠,也用冷凍濃縮工藝提純濃縮葡萄酒,以保護酒內的維生素及活性物質[2]。

國內張春婭等通過對葡萄酒進行冷凍分離試驗,發現乙醇和還原糖易于通過冷凍法在液相中濃縮分離,可改善干白葡萄酒的品質[3]。詹曉北介紹了冷凍濃縮技術在啤酒工業中的應用,表明該技術可在除去冰晶的同時除去形成混濁的多酚、丹寧酸等物質,從而減少啤酒的貯存容積等[4]。隨著社會對高檔產品的需求量增加以及制冷設備可靠性提高和價格下降,冷凍工藝有著越來越廣泛的應用。本試驗主要研究在低溫冷凍狀態下醬油各項組分在冰相和液相的分配規律,為醬油成品的綜合利用提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

精濾一級頭抽,李錦記 (新會)食品有限公司。高低溫試驗箱,東莞市高天試驗設備有限公司;數顯雙溫度計 (HC-03),杭州洪昌科技有限公司 ;紫外可見分光光度儀(UV-1100),北京萊伯泰科有限公司;氨基酸自動滴定儀 (702S M),瑞士萬通中國有限公司;氨基酸自動分析儀 (日立 855-350),天美科技有限公司;電導率儀 (DDSJ-308a),上海精密科學儀器有限公司;自動差示掃描量熱儀 (DSC-60),島津國際貿易 (上海)有限公司。

1.2 方法

1.2.1 醬油冷凍曲線的繪制

調節高低溫試驗箱于一定的溫度,待溫度恒定將1 000 g可溶性固形物為 35%,初溫為 25℃的醬油置入其中。同時插雙溫度計探針于醬油幾何中心處,每隔 1 min記錄 1次溫度。根據所得溫度與時間數據繪出相應凍結曲線。由凍結曲線可確定樣品的冰點,完全凍結溫度與時間。

1.2.2 醬油各主要成分與物理特性的測定

將樣品分別置于 -20.5,-22.5,-24.5,-26.5,-28.5℃冷凍 48 h后,把所得的冰和液相迅速分離并測定兩相中各主要成分。

1.2.2.1 氨基酸態氮,總酸

自動電位滴定法測定。

1.2.2.2 還原糖

亞鐵氰化鉀快速法[5]。

1.2.2.3 鹽分

AgNO3滴定法[5]。

1.2.2.4 氨基酸組成分析

準確稱取 1 g樣品定容至 100 mL,取樣品稀釋液 2 mL加入 2 mL磺基水楊酸和 1 mL,0.02 mol/L鹽酸,沉淀 1h后離心取上清液進行氨基酸自動分析檢測。

檢測條件:日立 855-350型色譜柱;柱溫:57℃;反應柱溫:134℃;流速 0.1 mL/min。

1.2.2.5 冰點

電導率法測定。

1.2.2.6 低共熔點

自動差式熱量掃描儀測定。

2 結果與分析

2.1 醬油溫度與凍結率的關系

根據各冷凍溫度下,冷凍 48h時所得到的醬油冰液相體積比,計算出凍結率并繪制溫度與凍結率關系曲線,結果見圖1。從圖1可知,醬油在 -20.5℃時凍結率為 2.18%,隨著溫度的降低,凍結率逐漸增大,溫度為 -29.5℃時,凍結率達到 95.3%。當溫度降至 -30℃時,醬油完全凍結。

圖1 不同冷凍溫度對凍結率的影響

2.2 醬油冷凍曲線的繪制

將高低溫試驗箱調至 -30℃待溫度恒定后,取1 000 g醬油同時將雙溫度計探針插入其幾何中心位置進行冷凍測試,觀察從室溫至 -30℃過程中醬油的液體中心溫度隨時間變化的規律,結果如圖2所示。

從圖2可看出,醬油的凍結曲線經過以下階段:(1)初始階段即從初溫到冰點 (A～C)。頭抽從初始溫度 20℃即A點開始降溫,達到其過冷點 B點,由于冰晶開始形成,釋放的相變潛熱使頭抽的溫度迅速回升到凍結溫度 C即頭抽的冰點 -20.3℃。這時放出的是顯熱,與全都放出的熱量比較,它的量很小。加之頭抽溫度與冷卻介質的溫差最大,故降溫快,曲線較陡。

(2)凍結階段 (C～D)。頭抽中絕大部分水分在這個階段結成冰,此階段由于水分的凍結,在冷凍過程中頭抽中的鹽分等其他成分濃度不斷提高,造成冰晶點降低,溶液溫度下降。曲線呈下降趨勢。此外凍結階段由于冰體析出系統放出凝固潛熱,這使得頭抽的降溫速度較之前變得緩慢。

(3)低共熔階段 (D～E)。頭抽于 D點達到低共熔溫度即 -26.7℃,此時冰體和溶質一同析出,且兩者具有固定的比列,溶液不僅與溶質平衡,而且與冰體也平衡。此后溶液的組成不再改變,故本階段曲線呈現平臺。

(4)終了階段 (E～F)。此階段頭抽絕大部分變為固體,以較快的速率降溫,達到最終溫度 -30℃即F點,此時頭抽全部為固體并與外界空氣同溫。并且可得頭抽完全凍結時間為 4.3 h。

2.3 醬油主要成分在不同冷凍溫度下的分配

試驗通過調節高低溫試驗箱的冷媒溫度為-20.5,-22.5,-24.5,-26.5,-28.5℃,將 1 000 g醬油置于各溫度下冷凍 48 h。冷凍結束后迅速將冰液進行分離,測定兩相中的主要成分濃度與質量 (圖3～圖6)。

圖3 醬油還原糖于不同溫度下在冰液相中分配

圖4 醬油總酸于不同溫度下在冰液相中分配

圖5 醬油鹽分于不同溫度下在冰液相中分配

圖6 醬油氨基酸態氮于不同溫度下在冰液相中分配

從圖3～圖6中可以看出,從醬油中各成分在兩相中的質量分配規律來說,總酸,鹽分于液相中的質量隨溫度降低呈直線下降趨勢,在冰相中則相反。并于 -27.5℃為轉折點冰相中 2成分的質量逐漸大于液相中質量;總酸,鹽分濃度隨著溫度降低而上升,-26.5℃時 2成分濃度在液相中達到最大值。

對于醬油中氨基酸態氮,還原糖成分在兩相中的質量分配規律來說,隨著溫度的降低在液相中兩者的質量迅速下降,在冰相中則相反。與總酸,鹽分不同的是,還原糖以 -26.5℃為轉折點在兩相中的質量變化平緩,而氨基酸態氮 -28.5℃時分配在兩相中的質量接近一致,最終 2成份在冰相中的質量小于液相中的質量。

從 2成分濃度變化規律來看,隨著溫度降低,氨基酸態氮,還原糖在兩相中濃度呈上升趨勢,并于-28.5℃時兩成分濃度在冰液相中均達到最大值。此時液相氨基酸態氮的濃度達到 1.168 m/100 mL,相比原樣增加了 31.59%,同時液相本身色澤紅亮,醬香濃郁,口感良好。

2.3.1 醬油主要成分分配系數在不同溫度下變化規律

在冷凍濃縮過程中,為了更好的表達濃縮效果及各成分分配規律,通常引入表觀分配系數K,定義K其中cS,cL為特定時刻冰相和液相溶質的濃度,K=0～1,K值越小,冷凍濃縮過程的選擇性越大,冷凍時溶質分配在液相中的就越多,濃縮效果就越好。反之,選擇性越小。

圖7 各組分分配系數 (K)隨溫度變化規律

圖7 為醬油中主要組分還原糖,氨基酸態氮,鹽分,總酸在同一冷凍時間下K值隨溫度變化的曲線圖。從圖7可看出,各成分分配系數K隨溫度的降低呈上升趨勢。其中氨基酸態氮的K值相對比較小,說明其在液相中更易得到濃縮。

2.3.2 游離氨基酸在冰液中的分配

醬油中氨基酸態氮主要是由各種游離氨基酸組成,因此進一步研究在不同冷凍溫度下各游離氨基酸于冰液相中的分配。將原樣和 -24.5,-28.5℃下分離得到的液相和冰相 5個樣品經氨基酸自動分析儀進行定量檢測,同時計算各游離氨基酸在 -24.5,-28.5℃下,冷凍 48 h時K值。結果見表1所示。

從表1可看出,比較不同冷凍溫度下得到的冰液相中氨基酸總量,-28.5℃冰液相中氨基酸總量分別大于 -24.5℃下兩相中氨基酸總量。對于各游離氨基酸隨溫度變化的趨勢來看,各游離氨基酸除半胱氨酸外在兩相中的分配量均隨溫度的下降而上升,這一點跟氨基酸總量變化是一致的。

其次對比 2溫度下的各氨基酸K值,-28.5℃下的K值相對小,說明 -28.5℃下更有利于游離氨基酸的濃縮。進一步比較 -28.5℃下各游離氨基酸的K值,谷氨酸,天冬氨酸,亮氨酸相比其他氨基酸K值較小,更容易在液相中得到濃縮。

3 結論

(1)通過繪制醬油冷凍曲線及溫度與凍結率的關系曲線,分析得到初溫 25℃,質量為 1 000 g,可溶性固形物含量為 35%醬油冷凍模型:冰點為-20.3℃,完全凍結溫度為 -30℃,完全凍結時間為4.3 h。

表1 各樣品中氨基酸分配量 mg/g

(2)醬油冷凍濃縮時,在冷凍溫度 -20.5℃至 -28.5℃,冷凍時間為 48 h時,各主要成分在兩相中的濃度均隨著冷凍溫度降低而上升,而于兩相中的質量分配規律來說,在液相中呈線性下降,在冰相中則相反。

(3)醬油冷凍濃縮時,隨著冷凍溫度的降低,其主要質量衡量指標氨基酸態氮在液相中濃度有初始的 0.88 g/100 mL最終增加到 -28.5℃下 1.168 g/100 mL,相比原樣增加了 31.59%。并且其表觀分配系數K值相對小有利于在醬油中濃縮,進一步研究發現其組成游離氨基酸 Glu,Leu,Asp更容易得到濃縮。

[1] Thijissen H A C.Freeze concentration of liquid foods,freeze concentration of fruit juices[J]. Food Technol,1982,3(5):70-73.

[2] 劉凌 .冷凍濃縮技術的應用與研究簡介[J].化學工業與工程,1999,16(3):152-157.

[3] 張春婭.葡萄酒冷凍濃縮技術的研究及應用[J].釀酒科技,2007,2(2):55-61.

[4] 廖曉北.冷凍濃縮技術在啤酒工業中的應用[J].冷飲與速凍食品工業,1996,1(3):14-16.

[5] ZB X 66035-1987,釀造醬油原料、半成品、副產品檢驗方法,氯化物測定法[S].

[6] 劉凌,宮協長人,液體食品的漸進冷凍分離[J],食品與發酵工業,1999,25(4):31-34.