雙孢蘑菇干制技術研究進展

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(1.中國農業大學食品科學與營養工程學院,北京 100083;2.北京市食品營養與人類健康高精尖創新中心,北京 100193;3.中國農業大學工學院,北京 100083)

雙孢蘑菇(Agaricusbisporus),因其擔子上通常著生2個擔孢子而得名,在分類上隸屬真菌門,擔子菌綱,無隔擔子菌亞綱,傘菌目,蘑菇科,蘑菇屬[1],在世界范圍內廣泛種植[2],是目前世界種植面積和消費量最大的食用菌之一[3]。由于雙孢蘑菇不耐貯藏、容易在運輸途中受損,對其進行加工以保持商品價值一直是雙孢蘑菇相關研究的重點。目前常用的加工方式有干制、罐藏兩種。干制雙孢蘑菇體積小、重量輕,便于運輸貯藏,但色澤易褐變;罐藏雙孢蘑菇色澤明亮,口感與新鮮蘑菇更為接近,但運輸成本較高。

雙孢蘑菇具有較高的營養價值和一定的生理活性,被認為是一種蛋白質含量較高的優質食用菌[4];此外,雙孢蘑菇還含有豐富的膳食纖維、維生素、多酚類物質[5]及礦物質[6]。研究發現,食用雙孢蘑菇可降低小鼠血清中總膽固醇水平[7]、降低血糖和血脂[5]、預防非酒精性脂肪肝[8]的作用。雙孢蘑菇多糖也被認為具備良好的抗氧化[9]、免疫調節和抗腫瘤的特性[10]。然而新鮮雙孢蘑菇容易失水、受機械傷、衰老,商品價值極易受損。因此,干制作為一種有效的延長雙孢蘑菇貯藏期的處理方式,受到國內外研究學者的廣泛研究。研究表明,雙孢蘑菇干制的預處理有利于提高干燥速率及干制品品質[11]。熱風干制操作簡便,但產品品質較差[12];冷凍干制產品品質特性如復水性、色澤等最好,但運轉成本較高[13];微波干制產品品質好、高效且節能,但由于散熱問題而大規模推廣應用困難[14];聯合干制的產品品質明顯優于熱風干制、真空干制,同時可以顯著縮短干制時間[15],是未來干制方法的重要研究方向。

本文對雙孢蘑菇的生產情況、傳統干制方法存在的問題進行了介紹,重點探討了預處理對雙孢蘑菇干制的影響、聯合干制等干制方法的研究進展,為雙孢蘑菇干制技術的研究提供理論參考。

1 我國雙孢蘑菇的生產與加工概況

我國的雙孢蘑菇栽培始于1953年,從日本引進雙孢蘑菇菌種并試種,但由于技術條件不成熟等原因,種植面積不大且產量較低[16]。自2003年以來,隨著栽培技術的逐步提高,我國雙孢蘑菇的栽培面積迅速擴大,年產量和出口量均位于世界前列,并遠銷美國、加拿大、南美等國家和地區[17]。根據中國食用菌協會的統計,2016年,全國食用菌總產量為3596.66萬噸,產值為2741.78億元,其中雙孢蘑菇產值排在第四位,僅山西省當年雙孢蘑菇即增產7千噸。此外,雙孢蘑菇的出口市場廣泛,其干品類出口主要集中在日本、德國、意大利,且有向東南亞地區分散的趨勢[18]。然而,隨著海外市場對食品衛生標準的逐步嚴格,含雙孢蘑菇在內的食用菌出口面臨著巨大的挑戰,因此,需要從采后保鮮、加工處理[19]、商品品質統一以及行業標準完善等多方面重新審視和考慮,保障食用菌的穩步出口。

雙孢蘑菇表皮薄而多孔,呼吸率高,即使是無損傷的蘑菇也會在采收后幾天內由于衰老、失水、腐蝕、褐變等原因而失去商業價值[20]。常溫下,雙孢蘑菇子實體的貨架期為3 d[21];在2 ℃冷藏條件下貯存7 d后,雙孢蘑菇菌蓋出現收縮、表面呈現出斑駁的褐變[22]。此外,雙孢蘑菇中含有較多的酪氨酸酶和酚類物質也使其容易發生酶促褐變[23],從而對雙孢蘑菇的品質和商品價值有著明顯的不良影響。而干制作為一類常用的食品貯藏方法,可減小食品體積、減輕食品重量,進而降低運輸、加工與包裝的成本。因此,為了有效延長貨架期、保障產品品質、降低物流損耗所引起的損失,將干制技術有效應用于雙孢蘑菇的貯藏與加工,對于雙孢蘑菇生產效率的提高與商品經濟價值的提升有著重要的意義。

2 國內外雙孢蘑菇干制技術的研究與發展

干制的原理是通過不同方式使食用菌的含水量減少到微生物生長受到抑制的程度,從而達到延長貯藏期的目的。傳統的食用菌干制方法主要有自然干制和機械干制兩種[23]。

自然干制是指以太陽光為熱源,自然風為輔助的一種干制方式。其做法通常是將菌體互不重疊地平鋪在竹簾等具有透氣性的平面上,擺放在露天的場地對菌體進行干制。研究發現,相對于機械干制,自然干制的雙孢蘑菇成本低廉,但其制品品質受天氣影響較大,且干制過程中易受到污染[24],具有比較明顯的局限性。

機械干制是指用熱風、微波等熱源烘烤菌體,使其達到脫水干制的方法。機械干制根據熱源的不同,又分為熱風干制、微波干制、冷凍干制等干制方式。其中,熱風干制的效率低、時間長、能耗高,物料烘干后品質較差;微波干制和冷凍干制效率高、耗時較短,干制后的蘑菇色澤、風味和收縮等方面優于熱風干制的蘑菇。

2.1 雙孢蘑菇干制的預處理

預處理指在加工前用切片、燙漂、溶劑浸泡、微波等手段處理果蔬原料,達到滅酶、護色、促進干燥進程等目的的單元操作。

預處理可以減少雙孢蘑菇褐變。雙孢蘑菇體內的多酚氧化酶(PPO)在有氧條件下可促進酚類物質氧化褐變,造成雙孢蘑菇的商業價值降低。PPO的活性受到加熱、二氧化硫、pH等外部因素的抑制。因此研究者在干制前常采用燙漂、亞硫酸鹽溶液浸泡、微波等預處理,以殺滅導致褐變的PPO,得到色澤較白的干制品。Deshpande等[25]對草菇(Volvariellavolvacea)進行研究發現沸水燙漂3 min可以有效降低菌體中多酚氧化酶活性。Lespinard等[26]對雙孢蘑菇在50～90 ℃水浴燙漂后色澤和PPO活性進行了研究發現,在菌體縮水率18%作為燙漂終點的情況下,表征褐變的a*、b*值隨燙漂溫度上升而上升,即褐變程度隨漂燙溫度上升而減小;60 ℃燙漂37 min、70 ℃燙漂23 min、80 ℃燙漂12 min或90 ℃燙漂7 min后菌體內PPO將完全失活,而50 ℃燙漂35.84 min僅可降低50%酶活性。燙漂預處理雖可以有效避免PPO引起的酶促褐變,但也容易造成菌體內抗壞血酸的嚴重損失[27],因此也有研究人員對其他預處理方法進行了研究。Devece等[28]發現使用微波聯合燙漂作為一種新的預處理方法可以有效縮短處理時間。李清明等[29]使用0.30%亞硫酸鹽、0.80%的氯化鈉和0.50%的異抗壞血酸鈉溶液作為護色液浸泡雙孢蘑菇10 min后沸水燙漂4 min,可以有效鈍化PPO。劉麗娜等[30]探討了抗壞血酸、檸檬酸、氯化鈣、氯化鈉對雙孢蘑菇的護色效果,結果表明,非硫復合護色劑的最佳組合為:抗壞血酸0.04 g/100 mL,檸檬酸0.3 g/100 mL,氯化鈉0.3 g/100 mL。Jiang等[31]發現熱超聲預處理不經可以減輕雙孢蘑菇片的褐變,而且節省能耗。

預處理有助于縮短雙孢蘑菇干燥時間,提高干燥速率。Singh等[32]研究證明雙孢蘑菇切片越薄,同樣參數下干燥時間越短。Walde等[33]研究了多種預處理方式對雙孢蘑菇干制速率的影響,結果表明,燙漂后浸泡凝乳或發酵乳清的雙孢蘑菇,其干制速率高于采用其他預處理方式的樣品。由于介電性能決定了能量的傳遞與分布,Jiang等[11]則比較了熱水燙漂和微波兩種預處理對雙孢蘑菇在微波真空干制前后的介電性能和微觀結構的影響,研究發現當雙孢蘑菇切片水分含量高于2.27(db)時,微波比熱水燙漂更有助于改善微波真空干制的效果。

預處理有利于提高雙孢蘑菇干制品的品質特性。Fang等[34]研究了預處理對雙孢蘑菇切片的品質和復水性的影響,發現經過沸水燙漂預處理的雙孢蘑菇干制品復水后顏色較淺。B.Dutta等[35]研究了高壓脈沖電場和微波兩種預處理方式對冷凍干制雙孢蘑菇的影響,發現高壓脈沖電場(43002 kV/m,1502 min)預處理的蘑菇干制品形狀收縮更少且復水率更高。Kar等[14]研究發現,沸水燙漂3 min后,再將雙孢蘑菇浸入0.1%亞硫酸氫鈉、0.2%檸檬酸、6%蔗糖及3%氯化鈉混合溶液15 min,微波強度400 W干制45 min后,雙孢蘑菇的復水性和感官品質較好,且干制過程符合Page模型。

綜上所述,需根據不同的干制方式采取相應的預處理。恰當的預處理可以促進雙孢菇干燥速率提升,縮短干制時間,使干制品的色澤、復水性和感官品質良好。

2.2 雙孢蘑菇不同干制方法及干燥特性的研究

2.2.1 熱風干制 熱風干制也稱為熱空氣干制、對流干制,即以熱空氣為加熱介質,使用對流傳導等方式進行加熱,脫除物料內水分的一種干制方式。

熱風干制雙孢蘑菇的研究主要集中于干制方式對物料特性的影響與干制動力學數學模型的擬合。Ahmed等[36]在45～64 ℃條件下對雙孢蘑菇和平菇切片進行了熱風干制的處理,發現干制過程中干燥速率持續降低,其干制動力學很好的符合了Page模型,并由此計算了雙孢蘑菇的干制活化能為19.79 kJ/mol。Giri等[15]對雙孢蘑菇片進行了熱風干制處理,發現干制實驗的結果與Page模型有良好的擬合;此外,還對干制后的雙孢蘑菇片進行了復水試驗,結果顯示熱風干制的物料復水性相對較差。Manolopoulou等[37]則對完整的雙孢蘑菇子實體進行了熱風干制處理,發現雙孢蘑菇子實體的干制曲線與對數模型有良好的擬合度。

此外,國內外研究學者還對熱風干制雙孢蘑菇的品質變化進行了研究。王則金等[38]采用CO2、N2作為熱風干制介質,研究了氣調干制對雙孢蘑菇產品品質的影響,結果表明以N2為介質的干制雙孢蘑菇片的抗壞血酸保存率較高,褐變度較低,纖維化進程慢,風味更接近鮮菇。劉麗娜等[30]探討了梯度升溫、恒溫連續、梯度降溫三種熱風干制方式對干制雙孢蘑菇品質的影響。結果表明三種熱風干制方式中,采用梯度升溫干制的雙孢蘑菇褐變程度最小、復水性最好,優于恒溫連續干制和梯度降溫干制。一些學者也對熱風干燥雙孢蘑菇的抗褐變進行了研究,Xia[39]研究了谷胱甘肽對雙孢蘑菇熱風干燥過程中褐變的影響發現,與對照組相比,使用谷胱甘肽處理過的蘑菇切片沒有在干燥過程中褐變。

傳統的熱風干制操作簡便,過程易于控制,但其缺點在于產品品質較低,熱敏性營養成分損失嚴重。采用熱風干制聯合微波干制、真空干制或氣調干制等聯合干制以及梯度升溫等方法,則有利于提升干制速率,提高產品品質。

2.2.2 冷凍干制 冷凍干制是一種通過對鮮物料預先凍結,并在凍結狀態下將物料水分從固態直接升華為氣態,達到去除水分目的的干制方式。冷凍干制一般可分為預凍、升華、解析3個過程,其中升華和解析過程是在真空條件下進行的。

雙孢蘑菇在冷凍干制過程中的品質轉變是學者們研究的熱點。Shi等[40]對冷凍干制過程中雙孢蘑菇的玻璃化轉變進行了研究,建立了以Clausius-Clapeyron模型擬合的冷凍曲線和Gordon-Taylor模型擬合的玻璃化轉變線組成的狀態圖,為預測雙孢蘑菇的耐貯性提供了理論支持。

冷凍干制雙孢蘑菇的品質是衡量干制效果的重要指標,其中復水性是關鍵的品質指標之一。Arumuganathan等[41]對冷凍干燥及日曬、流化床干燥等多種干燥方式的雙孢蘑菇的質地變化進行了研究發現,冷凍干燥雙孢蘑菇片的質地最柔軟。Pei等[42]對冷凍干制和冷凍干制聯合微波真空干制產品進行了復水性測試，發現兩種干制產品的復水情況符合Peleg模型,且復水能力無顯著性差異。趙雪等[13]以雙孢蘑菇菇柄切片為實驗材料,對比研究了熱風、真空、微波、冷凍干制后產品的感官性狀及復水率,結果表明熱風干制耗時最短,但產品的感官性狀和復水能力最差;而微波干燥耗時短的同時產品的感官性狀和復水能力優于熱風、真空干燥;冷凍干燥產品感官性狀及復水性最好,與上述Pei等的結論一致。

在色澤、質地、微觀結構及營養成分等方面,Giri等[43]比較研究了使用冷凍干燥、微波真空干燥、熱風干燥至相同水分含量的雙孢蘑菇干制品,發現冷凍干燥的產品無論復水性、L*或質地均處于最優。Pei等[12]對比了冷凍干制、冷凍干制聯合熱風干制、冷凍干制聯合真空干制、冷凍干制聯合微波真空干制四種處理方式對雙孢蘑菇的影響,結果表明非揮發性呈味成分的含量先隨著干制的升華作用升高,后隨著解吸作用而下降;與冷凍干制的產品相比,冷凍干制聯合微波真空干制的雙孢蘑菇片中可溶性糖和糖醇含量相對低,而總自由氨基酸含量接近新鮮蘑菇中的水平并顯著高于冷凍干制的產品(p<0.05);兩種干制后產品中谷氨酸鈉類鮮味成分與新鮮蘑菇無顯著性差異;在水分含量變化小于38%時,四種干制處理后的樣品品質差異不顯著;而冷凍干制聯合微波真空干制的干制時間比冷凍干制縮短了35.63%,營養保留度也較好[44]。Tarafdar等[45]研究了壓力、初始干制溫度及次級干制溫度三個因素對不同厚度的立方塊狀雙孢蘑菇冷凍干制產品品質的影響,發現次級干制溫度對蛋白質、抗氧化物含量的影響顯著(p<0.05),三個因素對抗壞血酸含量均有影響,且溫度比壓力的影響更為顯著。

綜上所述,冷凍干制產品的色澤、質地、復水性較好,營養成分保留率好,但其缺點在于冷凍干制設備投資和運轉費用較為高昂,能耗較大。采用冷凍干制聯合熱風干制、真空干制等其他干制方法,有助于提升產品品質,縮短加工時間,減少能耗。

2.2.3 微波干制 微波干制的機理是介質損耗原理,由于水的損耗因數比干物質大得多,因此電磁場釋放的絕大部分能量被物料中的水分子吸收,從而達到干制的目的。一般情況下,被干制物料中的水分子由于布朗運動,分子的排列雜亂無章并迅速變化,極性相互抵消,宏觀上不呈現極性。而被置于由微波發生器產生的電場中時,微波場以每秒幾億次的高速周期地改變外加電場的方向,使介質的極性水分子迅速擺動,產生顯著的熱效應,從而使物料內部和表面的溫度同時迅速升高。

Kar等[14]研究發現,雙孢蘑菇的微波干燥過程可以使用Page模型描述,電能利用效率約75%。傳統微波干制是一種相對節能,高效,環保,安全的干制方式,但是在大規模的生產中有效控制溫度,減小溫度對維生素等營養成分的損失,以及大功率微波源散熱等問題,阻礙了微波干制大規模推廣應用。

2.2.4 聯合干制 聯合干制是在物料干燥過程中,采用兩種及以上的干燥方式進行干燥的干燥方法,常見的有熱風-微波聯合干制、熱風-真空聯合干制、熱風-冷凍聯合干燥、冷凍-微波聯合干制、冷凍-微波真空聯合干制等。

一些學者對雙孢蘑菇聯合干制的干燥特性進行了研究。李順峰[46]等對廢棄雙孢蘑菇菇柄微波真空干燥特性及動力學模型進行了研究,發現其微波真空干燥過程符合Page方程。Giri等[15]對雙孢蘑菇片分別進行了微波-真空干制處理,發現實驗的結果也與Page模型有良好的擬合;此外,還對干制后的雙孢蘑菇片進行了色澤、質地、復水性及感官評價的實驗,結果顯示微波-真空干制物料的總體可接受性較好[47]。Bo等[48]研究了微波真空干制雙孢蘑菇片的干制特性,結果表明微波功率對干制速率的影響比真空度的影響大,在微波功率強度17.4 W/g,真空度70 kPa,干制時間20 min的干制條件下,產品含水率為6.9%;比較干制速率、復水性、顏色和抗壞血酸含量等品質變化情況,發現微波真空干制的雙孢蘑菇片品質接近于冷凍干制產品品質,明顯優于熱風干制和真空干制的產品,但微波真空干制的干制速率比冷凍干制更快。

許多研究表明,聯合干制有利于提高干制品品質、縮短干制時間。Argyropoulos等[49]對比了熱風干制和熱風聯合微波真空干制雙孢蘑菇片的品質,發現熱風聯合微波真空干制產品的顏色變化較小,產品孔隙率高,質地松脆,復水率良好。Zeng[50]研究了微波冷凍干制雙孢蘑菇干品質與玻璃化轉變溫度之間的關系,并提出一種步降(step-down)微波加載方案用來優化微波冷凍干制的效果,從而提升產品品質、縮短干制時間、降低成本。Liu等[51]研究了孔隙率與品質的關系,并對微波聯合冷凍干制的工藝進行了優化,發現當水分含量降低至(0.25±0.05) g/g(db)時,大多數開氣孔轉化為閉氣孔,而水分含量低至(0.17±0.03) g/g(db)時,閉氣孔孔隙率達到相對穩定;針對以上孔隙率的變化,研究者們得出動態微波加載策略用以保持干制過程中的產品質量。Giri等[15]對微波真空干制雙孢蘑菇的干制動力學及復水特性進行了研究,發現微波真空干制的時間相較熱風干制縮短70%～90%,同時復水特性也更優越;通過對實驗數據及Page薄層干制模型的回歸分析發現,微波功率對干制速率的影響最大,樣品厚度次之,且復水率受到系統壓力的影響顯著;微波真空干制具有低溫干燥、能量傳遞迅速的特點,微波真空干燥雙孢蘑菇的品質可以與冷凍干燥產品相媲美[52],這與Rodríguez等[53]的研究結論一致。Mittal等[54]對微波熱風干制雙孢蘑菇進行研究發現,以水分含量0.08 g/g為干燥終點,熱風干制需350 min,而微波熱風干制僅需8.5 min,顯著縮短干燥時間。

綜上所述,聯合干制是一種高效、產品品質良好的干制方法,具有良好的研究價值。

3 結論與展望

雙孢蘑菇貯存與加工是我國食用菌產業的重要組成部分,干制是雙孢蘑菇加工的一種重要方式。目前國內外的研究表明,預處理是干燥前重要的單元操作,適宜的預處理方式有助于提升干燥速率、縮短干燥時間、提高干燥產品品質;不同的干制方法所適合的預處理也不同,需根據產品特性與具體方法進行選擇。雙孢蘑菇的干制方法早前常常為一段式,即由始至終采用同一方法同一參數進行干制,而現在經對比研究發現分段式的干制有利于提高產品品質,縮短時間,節省能耗,如微波真空聯合干制、梯度升溫等,分階段對物料進行干制,往往可以達到一加一大于二的效果。

雖然許多學者試驗發現了許多新型干制方法,但大部分還沒有完全轉化到生產應用中。目前,我國雙孢蘑菇干制生產大多采用的仍是熱風干燥,面臨著干制時間長、干制成本高、產品顏色劣變、營養損失嚴重等問題。因此,為生產安全、節能、優質的雙孢蘑菇干制產品,還需要進一步完善雙孢蘑菇干制的理論研究,結合現有設備設計聯合干制方法進行分段式干燥,力求設備簡單,干制效率高,產品品質好。此外,還需結合干燥方法尋求適宜的預處理方式,進一步提升干燥速率,提高產品品質,進而促進我國食用菌產業的穩健發展。