電子鼻在辣白菜腌制及發酵工藝中的應用研究

劉樹萍,馮爽，方偉佳

(哈爾濱商業大學 旅游烹飪學院，哈爾濱 150076)

辣白菜富含纖維素、多種維生素、多種礦物質、碳水化合物、氨基酸、蛋白質、脂肪等營養物質。不僅可以滿足人體需要的膳食營養均衡，而且是很好的低熱量食品。辣白菜作為一種發酵食品，自然發酵條件下的辣白菜含有許多功能性微生物，從而能夠轉化原料中的化學成分，提高營養素的利用率，達到改善食品安全的效果[1]。近年來，對腌制和發酵的泡菜制品的研究已經成為一大熱點，李延華[2]研究如何延長辣白菜的保質期，指出加熱殺菌不適合制品的儲藏，微波殺菌可作為家庭保藏制品的方法。周強等[3]以白蘿卜為主要原料，通過測定腌制后的亞硝酸鹽含量、可溶性固形物、泡蘿卜的汁液pH等指標，研究了發酵條件對腌制蘿卜品質的影響，優化了泡蘿卜的腌制和發酵工藝。

目前對于辣白菜的研究主要集中在微生物學和大量生產工藝等方面，本文研究了腌制辣白菜的最佳工藝參數，從而確定腌制過程中的最優化條件，同時對比了不同溫度(21 ℃和4 ℃)對發酵后的辣白菜感官品質的影響，確定辣白菜感官品質狀況良好和易于被廣泛接受的發酵天數，旨在為辣白菜等發酵制品的貯存和保藏提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 材料

大白菜、糯米粉、生姜、大蒜、蘿卜、辣椒粉、食用鹽、白砂糖、蘋果梨、魚露、味素：均購于哈爾濱市家樂福超市。

1.2 儀器與設備

電子天平和電子秤 沈陽天平儀器有限公司；質構儀 美國Food Technology Corporation(FTC)；電子鼻 廣州益典實驗設備有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 工藝流程

原料→預處理料→清洗料→調味料→腌制料→成品。

1.3.2 制作原料

辣白菜制作原料包含白菜200 g、水100 mL、食用鹽5 g、白砂糖6 g、辣椒粉8 g、生姜2 g、蒜泥3 g、魚露2 g、味精1 g、蘋果梨5 g、蘿卜10 g、糯米粉40 g、水40 mL。

1.3.3 操作要點

泡菜制品的食用安全問題一直深受亞硝酸鹽的困擾，研究表明發酵前的預處理、發酵方法的選擇、發酵原輔料的添加和發酵過程條件的控制能有效地降低硝酸鹽的含量[4]。本實驗中辣白菜的預處理、原輔料的添加狀況和發酵條件具體操作要點如下：

調料的制備：將水燒開，向水中加入糯米粉，待糯米粉成糊狀后停止加熱，將生姜、蒜搗成泥狀，與鹽、辣椒粉、白砂糖、少量水和味精混合攪拌均勻制成調料備用，將蘿卜切成絲、梨削皮，橫切成大片，備用；辣白菜的制作：選用肉質細嫩、表面無破損的新鮮白菜，首先將白菜切成兩半，然后用清水洗凈后瀝干水分，將食鹽均勻地涂抹在經過預處理的白菜表面，反復涂抹使其水分充分析出；然后將制作好的調料均勻涂抹在每一片白菜葉上，按照白菜∶醬料為7∶3的比例進行拌料，整齊地放在腌菜容器中進行腌制，每放兩層白菜，鋪一層白梨片和蘿卜絲，整齊地放在腌菜容器中腌制，腌制時間為18 h；腌制完畢后將辣白菜成品分別置于4 ℃和21 ℃密封發酵。

1.3.4 辣白菜腌制工藝正交實驗設計

以食鹽用量、辣椒粉用量、白砂糖用量、腌制時間4個主要影響因素設計正交實驗因素水平，每個因素設3個水平，采用 L9(34)正交表進行正交實驗，并確定最終比較優化的條件。正交實驗因素與水平見表1。

表1 辣白菜腌制工藝的正交實驗因素水平Table 1 Orthogonal experimental factors and levels ofpickling process of spicy Chinese cabbage

1.3.5 辣白菜發酵工藝實驗設計

將腌制后的辣白菜分別置于4 ℃和21 ℃條件下發酵5 d，對比不同發酵溫度對辣白菜品質特性的影響，記錄辣白菜的品質變化，結合感官評價[5]、質構儀測定和電子鼻氣味分析檢測硬度、彈性、膠黏性、咀嚼性、氣味等指標，確定不同發酵溫度下辣白菜的適宜發酵天數和感官品質狀況。

1.4 測定方法

1.4.1 感官評定

由10名有經驗的專業人員對腌制和發酵后的辣白菜進行感官評定，從辣白菜的色澤、口感、滋味、辣味、外觀以及綜合嗜好度6個方面進行評價，滿分100分，取10人評價結果的平均值。

感官評價標準中所有測試樣品必須盛裝在相同的容器中，隨機編號，測試的小組成員按照表2中得分標準進行打分，最后得分為各項得分的平均值，所有感官測試均在正規的感官實驗室內完成，評價小組各成員之間由隔斷隔開，測試光源為顯色指數為92的人造日光燈，室溫21 ℃，辣白菜的感官評分標準見表2。

表2 辣白菜感官評價標準Table 2 Sensory evaluation criteria for spicy Chinese cabbage

1.4.2 質構的測定

采用P35平底柱形探頭進行壓縮測試，設置測定參數為：測前速度20 mm/min，測中速度20 mm/min，形變百分量30 N，返回速度20 mm/min，觸發力250 N，數據采集速度250 pps。將被測樣品放于探頭正下方測試，3組平行樣品測量結果取平均值。樣品的評價指標有：彈性、咀嚼性、膠黏性、硬度等。

1.4.3 揮發性氣味的測定

準確稱取攪碎的樣品2 g放于40 mL樣品瓶中，加蓋密封，平衡后直接將進樣針頭插入樣品瓶,采用頂空吸氣法進行電子鼻分析實驗。測定條件：電子鼻采樣時間60 s，傳感器清洗時間120 s，樣品準備時間10 s，進樣流量500 mL/min。每次測量下一個樣品時，首先清洗傳感器，采用主成分分析方法(principal component analysis, PCA)對獲得的數據進行綜合分析。

2 結果與分析

2.1 辣白菜腌制工藝正交實驗結果分析

2.1.1 正交實驗感官評定結果與分析

在單因素實驗的基礎上，對食鹽用量、辣椒粉用量、白砂糖用量、腌制時間4個主要影響因素進行辣白菜腌制的正交實驗，實驗結果見表3。

表3 辣白菜腌制工藝的正交實驗結果Table 3 Orthogonal experimental results of pickling process of spicy Chinese cabbage

通過計算得出相應的k值和R值，每個k值對應最大的因素即為此實驗的相對較優因素，最大k值的組合即為較優組，對應的R值最大的即為影響因素大的，反之即為影響因素小的[6]。

由表3可知，腌制過程中影響辣白菜感官品質的各因素主次順序為：食用鹽量>辣椒粉量>腌制時間>白砂糖量，其中食鹽添加量和辣椒粉添加量對辣白菜的感官品質有顯著影響。辣白菜腌制過程中的最佳制作配比是A1B2C3D3，即食用鹽12.5 g、辣椒粉6 g、白砂糖5 g、腌制時間15 h。此條件下腌制的辣白菜組織狀況完整，口味適宜，易于被評價人員接受。

2.1.2 質構測試結果與分析

表4 質構測試結果Table 4 Texture test results

續 表

在感官評價的基礎上，測試了經腌制后9組菜樣品的質構特性。由表4可知，不同實驗組的樣品質構特性也隨之發生變化。腌制后的辣白菜彈性和膠黏性波動范圍較小，而硬度和咀嚼性波動范圍較大。以硬度為例，5號樣品的硬度最大，可以達到39.06 N，4號樣品的硬度最小，只有10.8 N，可能是由于腌制時間的不同。隨著腌制時間的增加，水分會從樣品中逐漸析出，硬度也隨之慢慢減小，此外，彈性、膠粘性、粘附性也大體呈同樣的趨勢；9組實驗樣品中5號的硬度、咀嚼性最大，9號的彈性最大，1號的膠黏性性最大[7]；2號是感官評價最高的實驗組，其硬度介于最大值和最小值之間，為21.69 N，顯然，感官評分較高的實驗組的質構處于中等水平，更易于被人們接受。

2.1.3 揮發性氣味分析

氣味是影響辣白菜感官品質的重要指標，是衡量辣白菜品質的重要因素，對9組正交實驗的辣白菜進行電子鼻氣味分析，結果見圖1。

圖1 正交實驗電子鼻氣味分析Fig.1 Odor analysis of orthogonal experiment by electronic nose

主成分分析(PCA)主要是對傳感器響應值的特性向量矩陣進行降維處理, 有效地識別數據之間的相似性和主要的差異。主成分分析貢獻率越大,說明其主要成分可以較好地反映樣品多指標的信息。由圖1可知，第一主成分的貢獻率為94.7%，第二主成分的貢獻率為3.8%，累計貢獻率為98.5%，表明提取的信息能夠反映原始數據的絕大部分信息。而且主成分1的貢獻率明顯大于主成分2的貢獻率，表明不同腌制時間的辣白菜風味差異主要由第一主成分決定[8]。2號、6號、7號樣品的重心分布在第二象限，樣品間在第一主成分上變化不大，表明這3組樣品的氣味成分差異相對較小，這是由于3組樣品的腌制時間相同，造成整體風味接近。3號樣品的重心分布在第三象限，而且3號樣品與1號、5號、9號樣品組和2號、6號、7號樣品組間距大，說明3號樣品在氣味上與其他組存在差異，這可能是由于腌制時間的不同造成了風味的差異，3號樣品的腌制時間最長，為15 h，腌制時間影響了風味物質的浸出，造成了樣品與其他組氣味之間的差異。

2.2 辣白菜發酵工藝的實驗結果分析

2.2.1 常溫發酵對辣白菜品質的影響2.2.1.1 感官評定結果

表5 常溫發酵辣白菜感官評定結果Table 5 Sensory evaluation results of spicy Chinese cabbage under normal temperature fermentation

由表5可知，當辣白菜發酵天數達到1 d后，辣白菜的口感、滋味和外觀等各項指標評分顯著降低，發酵5 d后的辣白菜品質惡劣，表面疏松，有較多裂縫，不易于被評價人員接受，由此可見，辣白菜在常溫中發酵時，保質期非常短暫，感官品質隨著發酵天數的增加逐漸下降。因此，發酵溫度和發酵天數與辣白菜品質變化密切相關，發酵溫度對辣白菜的品質有著極大的影響。發酵溫度較高時，乳酸菌生長相對迅速，導致發酵速率快，產品生產率大大提高[9]，發酵1 d后的辣白菜感官評分最高，整體可接受性好，此時的辣白菜的品質狀況良好。隨著發酵天數的增加，辣白菜品質狀況逐漸惡劣，可能是由于此時的乳酸菌含量達到一定程度，總酸量過高，其他次級代謝產物的含量逐漸積累，pH降低，乳酸菌的生理活性受到抑制，導致發酵出的辣白菜色澤較暗淡，辣白菜發生褐變，影響辣白菜的感官品質。

2.2.1.2 質構的測試結果

表6 常溫發酵下辣白菜的質構測試結果Table 6 Texture test results of spicy Chinese cabbage under normal temperature fermentation

由表6可知，常溫發酵后的辣白菜的硬度和咀嚼性波動范圍較大，彈性和膠黏性變化范圍較小。隨著發酵天數的增加，辣白菜的硬度、彈性和咀嚼性逐漸下降，膠黏性逐漸增加。發酵天數不同的辣白菜在硬度、咀嚼性和膠黏性上差異顯著(p<0.05)，彈性無顯著差異。以硬度為例，發酵1 d的辣白菜與發酵4 d后的辣白菜在硬度上具有顯著差異(p<0.05)，而前3 d的辣白菜在硬度變化上沒有顯著差異。這可能是因為發酵初期速度緩慢，各種微生物含量及酸性物質生成量微少，此時的辣白菜硬度最大，然而隨著發酵天數的增加，發酵速率加快，辣白菜在發酵過程中pH逐漸降低，總酸含量及產生的亞硝酸鹽含量越來越多，辣白菜的硬度減小，在一定程度上影響辣白菜的品質，從而造成發酵1 d的辣白菜和發酵4 d后的辣白菜在硬度上有顯著差異。通過研究確定常溫發酵1 d的辣白菜品質特性良好，能夠被評價人員廣泛接受。

2.2.1.3 電子鼻的測試結果

圖2 常溫發酵下辣白菜電子鼻氣味分析Fig.2 Odor analysis of spicy Chinese cabbage under normal temperature fermentation by electronic nose

由圖2可知，第一主成分的貢獻率為92.9%，第二主成分的貢獻率為4.4%，累計貢獻率為97.3%，表明提取的信息能夠反映原始數據的大部分信息，而且主成分1的貢獻率大于主成分2的貢獻率，表明不同發酵天數的風味差異主要由第一主成分決定。判別指數(DI)是指進行PCA時樣品區分程度的表征值，當判別指數在80～100之間時說明區分有效。圖2顯示的判別指數為85.4%，說明這5組樣品可以用電子鼻區分出來。1號樣品的重心落在第二象限，與2,3,4號樣品組間距大，說明1號樣品在氣味上與其他組存在差異，這可能是由于1號樣品發酵時間短暫，發酵進程不完善，未達到發酵的活躍階段，造成了1號樣品與其他樣品組氣味上的差異。2，3號樣品重心分布在第二和第三象限，4號樣品橫跨第一、第四象限，2～4號樣品組間距較小，表明這3組樣品的氣味成分差異相對較小。5號樣品橫跨第一、第四象限，與2～4號樣品組間距大，說明5號樣品在氣味上不同于其他樣品組，可能是因為隨著發酵天數的增加，發酵進程逐漸活躍，發酵過程中總酸量以及微生物含量明顯上升，進一步影響辣白菜的風味形成，造成辣白菜的氣味差異。由此可見，發酵天數影響辣白菜風味的形成。

2.2.2 冷藏發酵對辣白菜品質的影響結果與分析

2.2.2.1 感官評定結果

表7 冷藏發酵辣白菜感官評定結果Table 7 Sensory evaluation results of spicy Chinese cabbage under cold storage fermentation

由表7可知，隨著發酵天數的增加，制得的辣白菜在色澤、口感和外觀等指標上有顯著性差異，辣白菜的總體感官評分呈現先上升后下降的趨勢，辣白菜在4 ℃發酵天數達到3 d時，制得的辣白菜的感官品質狀況良好，感官評價總分達到最大值，整體可接受性好。對比21 ℃條件下發酵1 d后辣白菜達到感官評分的最大值，可以得出發酵溫度對辣白菜的發酵速率有一定影響，發酵溫度相對較低時，乳酸菌的生長速度緩慢，辣白菜的生產率降低，并且低溫發酵出的辣白菜的口感不好，質地軟爛；對比不同溫度下發酵相同天數的辣白菜制品的感官品質，可以發現，21 ℃下發酵5 d的辣白菜成品表面疏松,多裂縫，品質劣變嚴重，而4 ℃條件下發酵5 d的辣白菜品質狀況相對良好。說明較低的發酵溫度在一定程度上能夠延長辣白菜的保質期，這可能是因為低溫抑制了乳酸菌的增長速度，在一定程度上延緩了辣白菜的發酵進程。

2.2.2.2 質構測試結果

表8 冷藏發酵下辣白菜的質構測試結果Table 8 Texture test results of spicy Chinese cabbage under cold storage fermentation

由表8可知，冷藏發酵天數不同的辣白菜彈性和膠黏性變化無顯著差異，硬度和咀嚼性變化具有顯著差異(p<0.05)。隨著發酵天數的增加，辣白菜的膠黏性逐漸增加，而硬度、彈性和咀嚼性整體呈下降的趨勢。發酵1 d和發酵4 d的辣白菜在硬度上具有顯著差異，發酵1 d和發酵2 d的辣白菜在咀嚼性上具有顯著差異。可能是由于辣白菜在發酵過程中水分流失，隨著發酵過程的進行，產生了乳酸菌及其他代謝產物，pH降低，總酸含量上升，導致辣白菜的硬度、彈性降低，從而使蔬菜的質地變軟[10]。對比表6和表8的質構測試結果可知，冷藏發酵的條件下辣白菜的硬度、彈性和咀嚼性等各項指標數值下降趨勢更緩慢，從而能夠較長時間地保持辣白菜品質完好，這為低溫發酵方式對辣白菜產品的保存以及有效延長辣白菜的保質期提供了有利依據。由表7感官評價結果可知，此條件下發酵3 d時辣白菜的組織完整，氣味良好，易于被評價人員所接受，感官評價總分最高，此時對應的辣白菜各項指標分別是硬度22.38 N、彈性 0.69 mm、咀嚼性7.42 mJ、膠黏性0.08 N。

2.2.2.3 電子鼻的測試結果

圖3 冷藏發酵下辣白菜電子鼻氣味分析Fig.3 Odor analysis of spicy Chinese cabbage under cold storage fermentation by electronic nose

由圖3可知，第一主成分的貢獻率為87.9%，第二主成分的貢獻率為9.0%，累計貢獻率為96.9%，表明提取的信息能夠反映原始數據的大部分信息，而且主成分1的貢獻率大于主成分2的貢獻率，表明不同冷藏發酵天數的辣白菜風味差異主要由第一主成分決定。1號樣品分布在第三象限，與其他樣品組間距較大，說明1號樣品在氣味上與其他組存在差異，這可能是因為1號樣品的發酵天數最短，樣品處于發酵的起始階段，剛開始發酵時，發酵進程緩慢，影響了辣白菜風味物質的形成，造成了1號樣品與其他樣品組氣味上的差異。2號、5號樣品組間距較近，表明這兩組樣品氣味差異相對較小，可能是隨著發酵的進行，辣白菜的風味物質充分浸出，因此氣味差異不大。3號、4號樣品分布在第二、第四象限，與其他樣品組間距大，表明樣品在氣味上與其他樣品組存在差異，由此可見，發酵天數影響辣白菜風味的形成，從而造成辣白菜在氣味上的差異。

3 結論

本研究結合感官評價，利用電子鼻和質構儀研究了辣白菜腌制及發酵過程中的質構特性及氣味變化。結果表明：腌制的最佳工藝參數為食鹽12.5 g、辣椒粉6 g、白砂糖5 g、腌制時間15 h，此條件下腌制的辣白菜口感爽滑，質地脆嫩，氣味濃郁。在質構特性上，常溫(21 ℃)發酵條件下，辣白菜貯存時間短，隨著發酵天數增加，硬度、彈性和咀嚼性整體呈下降趨勢，膠黏性呈上升趨勢。冷藏(4 ℃)發酵條件下，辣白菜貯存時間延長，硬度和彈性整體呈下降趨勢，但是在發酵3 d時出現上升趨勢。PCA結果表明：常溫發酵下，隨著發酵時間的增加，氣味上有明顯的差別。冷藏發酵下，發酵2 d和5 d辣白菜在氣味上有一定的相似性，與發酵1，3，4 d的氣味存在明顯差異。顯然，電子鼻能夠判斷不同發酵條件下辣白菜的風味物質是否存在差異，客觀地評價辣白菜的品質，指導辣白菜的腌制及發酵工藝研究或配方優化，本研究結果可以為辣白菜的品質評價提供理論依據。