不同原料預處理工藝對豆瓣醬品質的影響

雷 丹,吳 敏,唐 潔,*,包 琴,郭 睿,張 慶

(1.西華大學食品與生物工程學院,四川成都 610039;2.四川省輕工業研究設計院,四川成都 610081)

豆瓣醬起源于四川民間,釀造歷史悠久,作為一種傳統的發酵豆制品[1],主要是以蠶豆、二荊條辣椒等為原材料經發酵釀制而成的半流動黏稠體或半固態的紅褐色調味料[2]。豆瓣醬富含碳水化合物、膳食纖維、蛋白質等多種營養元素[3],因自身獨特的醬香、鮮美的口感,并有助于防治高血壓、動脈硬化等保健功能[4]深受消費者喜愛。

我國傳統豆瓣醬釀造主要是通過以米曲霉為主的多種微生物將原料進行分解及代謝[5]。近年來有研究表明,米曲酶單菌種制曲發酵會存在分泌酶種類不全[6]、酶活力不足[7]等問題,易造成成品豆瓣醬風味單一,色澤不佳。若將米曲霉與黑曲霉按一定比例混合制曲可提高其發酵能力[8-9],從而改善豆瓣醬的品質。除此之外,豆瓣醬的品質和風味還易受原材料預處理方式以及發酵過程的影響。其中,原材料預處理作為發酵生產的首要環節,對成品豆瓣醬的質量以及出品率均有重要的影響[10]。按照傳統豆瓣醬的生產工藝,原料預處理階段多采用浸泡后常壓蒸煮的方式,但產品會存在生產周期長、生產成本高、能耗大、出品率低等缺點[11],限制了當前醬料加工工業的發展。目前,除丁祖志[10]曾對高壓蒸煮和常壓蒸煮工藝對豆瓣醬品質進行了研究,尤新新等[12]對生豆瓣和熟豆瓣對蠶豆的釀造性能進行了部分研究外,國內外對于原料預處理對豆瓣醬品質及揮發性成分的研究報道較少。

豆瓣醬所特有的醬香是由多種揮發性香氣成分共同構成的,雖含量極微,但對其風味的形成卻有較大的影響。豆瓣醬揮發性香氣成分的檢測方法眾多,其中頂空固相微萃取技術(HS-SPME)憑借成本低、靈敏度高且重現性好[13]等特點,常被國內學者所應用。李治華等[14]利用該技術對不同后熟發酵時間郫縣豆瓣醬揮發性成分進行了研究;劉燕等[15]利用該技術對不同干燥方式對郫縣豆瓣揮發性風味成分進行了研究;羅靜等[16]利用該技術對豆瓣后發酵過程中的揮發性呈香物質進行了測定。

本研究主要探究米曲霉、黑曲霉復合菌株制曲發酵模式下四種不同原料預處理工藝(生料、燙漂、常壓蒸煮、高壓蒸煮)對豆瓣醬品質的影響。通過對所制豆瓣醬的理化指標檢測,并結合頂空固相微萃取(HS-SPME)和氣質聯用(GC-MS)方法分析鑒定豆瓣醬中的揮發性成分,從而確定豆瓣醬的最優生產原料預處理方式,為優質豆瓣醬的生產工藝改進研究提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

麩皮、蠶豆、豆粕、優質小麥面粉、食鹽 郫縣紅光農貿市場;米曲霉(AspergillusoryzaeQM-6)、黑曲霉(AspergillusnigerQH-3) 實驗室保藏;硝酸銀、鹽酸、冰乙酸 成都市科隆化學品有限公司;氫氧化鈉、硫酸銅、亞甲藍、亞鐵氰化鉀、乙酸鋅、酒石酸鉀鈉 成都市科龍化工試劑廠;葡萄糖 天津市科密歐化學試劑有限公司;甲醛(36%～38%) 廣東光華科技股份有限公司;鉻酸鉀指示劑 天津市致遠化學試劑有限公司。

超聲清洗機(SB-5200DTN) 寧波新芝生物科技有限公司;SGSP-02電熱恒溫隔水式培養箱 黃石市恒豐醫療器械有限公司;BPG-9070A精密鼓風干燥箱 上海一恒科技有限公司;PHS-320 pH計 成都世紀方舟有限公司;HNY-2102C恒溫培養振蕩器 天津市歐諾儀器儀表有限公司;GI54DWS全自動高壓滅菌鍋 致微(廈門)儀器有限公司;57318 型75 μm PDMS/CAR萃取頭 北京康林科技有限公司;57330-U SPME手動進樣手柄 上海安譜實驗科技股份有限公司;QP 2010 PLUS色譜-質譜(GC-MS)聯用儀 日本島津公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 豆瓣醬加工工藝流程

操作要點:

種曲培養基:麩皮8 g,豆粕2 g,蒸餾水5 mL,封裝后121 ℃滅菌20 min。

種曲制備:將米曲霉和黑曲霉制成菌懸液(孢子濃度107個/mL)按1%(V/W)的接種量分別接種到種曲培養基上,置于恒溫培養箱中30 ℃培養72 h,每隔24 h翻曲一次,防止曲料結塊[17]。

復合菌株共培養制曲:蠶豆與面粉質量比為4∶1,將面粉與種曲按0.5%(種曲質量占蠶豆與面粉總質量)接種量(米曲霉與黑曲霉配比為3∶1)混合均勻,再裝入三角瓶與蠶豆充分混合,八層紗布包扎,放入30 ℃恒溫培養箱中培養5 d,每天搖勻2次,待蠶豆瓣表面長滿孢子后即得到所需的蠶豆曲[18]。

發酵:將制得的蠶豆曲與濃度16%的鹽水在瓦罐中以質量體積比1∶1.5的比例混勻,混勻后放置于45 ℃恒溫培養箱中培養30 d成熟,每天翻醬一次。

1.2.2 原料預處理工藝 生料處理:常溫下,將蠶豆與水按1∶2 (w/w)比例混合浸泡16 h,脫殼。

常壓蒸煮處理:生料蠶豆放入常壓鍋中,加蓋煮沸20 min,關火燜10 min。

高壓蒸煮處理:生料蠶豆于高壓滅菌鍋中121 ℃壓力下蒸20 min,排氣出鍋。

燙漂處理:生料蠶豆放入90～100 ℃沸水中燙漂2～3 min,取出放入37 ℃溫水中冷卻3～5 min,冷卻過程中淘濾掉碎渣。

原料預處理后,按照1.2.1工藝流程發酵制備豆瓣醬,且每隔5 d(即0、5、10、15、20、25、30 d)檢測成品豆瓣醬中的總酸、氯化鈉、氨基酸態氮、還原糖四項指標的含量。

1.3 指標測定

1.3.1 常規理化指標測定 總酸含量的測定:根據《GB/T 12456-2008 食品中總酸的測定》[19]方法檢測成品豆瓣醬中總酸的含量;氯化鈉含量的測定:根據《GB 5009.42-2016 氯化鈉指標的測定》[20]方法檢測成品豆瓣醬中氯化鈉的含量;氨基酸態氮的測定:根據《GB 5009.235-2016 食品中氨基酸態氮的測定》[21]檢測成品豆瓣醬中氨基酸態氮的含量;還原糖的測定:根據《GB 5009.7-2016 食品中還原糖的測定》[22]檢測成品豆瓣醬中還原糖的含量。

1.3.2 揮發性物質的測定 HS-SPME:稱取5 g研磨后的成品豆瓣醬,采用HS-SPME提取成品豆瓣醬中的香氣成分,用以進行GC-MS成分分析。萃取條件為密封狀態50 ℃平衡30 min,插入萃取頭后50 ℃吸附40 min[23],迅速將萃取頭置于進樣口250 ℃解吸5 min。

GC條件:Rtx-5MS毛細管色譜柱(30 m×0.25 mm,0.25 μm);進樣口溫度250 ℃,程序升溫:起始溫度35 ℃,保持2 min;2 ℃/min升至50 ℃,保持1 min;4 ℃/min升至150 ℃,保持1 min;10 ℃/min升至230 ℃,保持6 min;載氣He,流速1.2 mL/min,分流比1∶1。

MS條件:離子源EI,離子源溫度230 ℃;電子能量70 eV;接口溫度250 ℃;質量掃描范圍:m/z 55～500[24]。

利用NIST 08譜庫對揮發性成分進行鑒定,并結合相關文獻分析可能屬于豆瓣醬的風味物質,取匹配度不低于80%的組分;同時采用峰面積歸一法計算揮發性風味物質的相對含量。

1.4 數據處理

所涉及試驗重復進行三次,實驗數據采用Design-Expert V 8.0.6軟件、Origin 8.0軟件、Excel 2010等進行分析作圖。

2 結果與討論

2.1 不同原料預處理工藝所制豆瓣醬理化指標分析

2.1.1 不同原料預處理對豆瓣醬總酸含量的影響 食品中的總酸包括有機酸和無機酸,在豆瓣醬中主要為有機酸,有機酸除了自身具有獨特的風味外,也能與醇類物質進一步合成酯類化合物增加豆瓣醬芳香,所以總酸含量對豆瓣醬呈味、增香均有重要作用,是評價豆瓣醬質量的重要指標[1],但總酸含量過高對于豆瓣醬品質有不利影響[10]。四種預處理方式對豆瓣醬發酵過程中總酸含量的影響如圖1所示,在發酵30 d后四種預處理方式發酵豆瓣醬中總酸含量均符合我國國標GB/T 12456-2008規定醬類產品中總酸(以乳酸計)含量上限為2.5 g/100 g的要求。從圖1中可以看出,在整個發酵過程中,四種預處理豆瓣醬的總酸含量變化趨勢均呈現上升趨勢,這可能由于在發酵過程中,米曲霉等微生物分泌淀粉酶和脂肪酶等使得碳水化合物以及脂肪分解成有機酸和脂肪酸[25]。發酵30 d燙漂處理豆瓣醬總酸含量達到最高0.72 g/100 g,生料處理豆瓣醬總酸含量低于其他三種工藝,為0.48 g/100 g,這可能由于豆瓣在經燙漂或蒸煮處理后,蠶豆瓣所發生的轉化對成品豆瓣醬總酸含量有較大貢獻[10]。整個發酵過程中,燙漂預處理豆瓣醬的總酸含量明顯高于其他預處理工藝,這可為豆瓣醬風味物質中酯類的形成提供物質基礎,使其風味更加獨特。

圖1 發酵過程中總酸含量變化Fig.1 Changes in total acid content during fermentation process

2.1.2 不同原料預處理對豆瓣醬氯化鈉含量的影響 食鹽是醬類釀造所需的重要原料,其主要成分為氯化鈉,不僅能在發酵過程中以及成品貯藏中使豆瓣醬安全成熟,起到防腐作用;也能與氨基酸共同作用生成鮮味,起到調味作用[21],但劉志偉[26]研究得知當鹽濃度高于21%時,米曲霉中性蛋白酶活力會減弱,使豆瓣醬后熟時間延長。四種預處理方式對豆瓣醬發酵過程中氯化鈉含量的影響如圖2所示,可能由于隨著發酵時間的延長,豆瓣醬中水分的蒸發使得氯化鈉含量均呈現上升趨勢。發酵30 d后,燙漂處理、高壓蒸煮、常壓蒸煮和生料預處理豆瓣醬中氯化鈉含量分別為13.20、12.25、12.10、12.75 g/100 g。燙漂預處理豆瓣醬中氯化鈉含量從發酵第0 d的0.85 g/100 g增加到第30 d的13.20 g/100 g,上升速率最快;發酵前期蒸煮處理豆瓣醬中氯化鈉含量可能由于罐體表面析出少量食鹽等原因導致其含量略高于燙漂處理,但從發酵第10 d開始常壓蒸煮和高壓蒸煮豆瓣醬氯化鈉含量就明顯低于燙漂預處理,含量分別為10.55、9.90、11.25 g/100 g。原因可能是由于原料中蛋白質含有谷氨酰胺,谷氨酰胺在谷氨酰胺酶作用下被水解成谷氨酸[27],而蒸煮過程破壞了蛋白質的結構,使得蛋白質中的谷氨酸可能與食鹽結合,形成谷氨酸鈉,導致蒸煮處理氯化鈉含量較低。

圖2 發酵過程中氯化鈉含量變化Fig.2 Changes of sodium chloride during fermentation process

2.1.3 不同原料預處理對豆瓣醬氨基酸態氮含量的影響 氨基酸態氮含量可直觀反映豆瓣醬發酵過程中蛋白酶水解蛋白的程度[5],并在豆瓣醬發酵過程中為風味物質以及色澤的形成提供必要的原料[1]。其主要來源于豆瓣醬發酵前期米曲霉、黑曲霉等微生物分泌的蛋白酶對蠶豆瓣中蛋白質的分解以及豆瓣醬中酵母等發酵微生物的自溶[28]。四種預處理方式對豆瓣醬發酵過程中氨基酸態氮含量的影響如圖3所示,可以看出四種原料預處理后豆瓣醬中氨基酸態氮含量總體呈現上升趨勢。其中燙漂預處理豆瓣醬中氨基酸態氮含量持續上升,且上升的較為明顯,在第25 d達到最大值0.71 g/100 g,隨后呈現緩慢上升趨勢,可能由于豆瓣醬長時間進行發酵與酶解,使得蛋白酶活力降低,期間還伴隨著相應的美拉德反應,使得氨基酸態氮含量增長趨勢減弱[29];常壓蒸煮和高壓蒸煮預處理豆瓣醬中氨基酸態氮的含量變化趨勢呈現與Ji等[30]和Faithong等[31]研究結果類似,同樣在發酵第25 d達到最大值,分別為0.82和0.80 g/100 g,但與燙漂處理有所不同,其后期隨時間逐漸降低,可能由于蒸煮處理對蠶豆的破壞性大于燙漂處理,所以經蒸煮處理后的豆瓣在發酵后期對于氨基酸態氮的穩定性較差;生料處理豆瓣醬在發酵第30 d才達到最大值0.59 g/100 g,認為可能除生料制曲外,燙漂和蒸煮處理后的豆瓣醬在發酵第25 d左右已發酵成熟。

圖3 發酵過程中氨基酸態氮含量變化Fig.3 Changes of amino acid nitrogen content during fermentation process

2.1.4 不同原料預處理對豆瓣醬還原糖含量的影響 還原糖是由部分碳水化合物、淀粉等生物大分子分解產生,后期參與美拉德等反應形成豆瓣醬特有的香味。四種預處理方式對豆瓣醬發酵過程中還原糖含量的影響如圖4所示。四種原料預處理豆瓣醬中的還原糖含量在發酵前期呈現逐漸上升的趨勢,可能由于豆瓣醬原料中的淀粉在發酵過程中逐漸被水解成葡萄糖等低分子物質,此時還原糖的生成速率遠大于消耗速率,還原糖含量增加。發酵30 d后,經生料預處理后的豆瓣醬還原糖含量增加較為明顯,含量為5.72 g/100 g,可能是由于生料豆瓣中淀粉酶系的活力較高[12],且微生物消耗的糖類不多導致;蒸煮預處理豆瓣醬的還原糖含量相對較低且高壓蒸煮豆瓣醬中還原糖含量為2.1 g/100 g,略高于常壓蒸煮為1.9 g/100 g,可能由于高壓蒸煮豆瓣醬中淀粉類物質較多,或者常壓蒸煮處理成曲酶活力活力較高導致[32]。

圖4 發酵過程中還原糖含量變化Fig.4 Changes of reducing sugar content during fermentation process

2.2 不同原料預處理工藝所制豆瓣醬揮發性成分分析

2.2.1 不同原料預處理工藝所制豆瓣醬揮發性成分總離子流圖 采用HS-SPME-GC-MS分別對生料制曲、燙漂、常壓蒸煮和高壓蒸煮四種原料預處理方式對發酵30 d豆瓣醬中的揮發性成分進行檢測,其總離子流圖如圖5。從圖5中可以看出,四種原材料預處理工藝的揮發性化合物出峰時間主要集中在5～35 min,雖出峰時間一致,但物質的結構、官能團不同,呈現出的香氣不同,因此不同預處理工藝豆瓣醬表現出不同的香氣特點。

圖5 不同預處理方式揮發性成分總離子流圖Fig.5 Total ionic flow diagram of volatile components by different pretreatment methods

2.2.2 不同原料預處理工藝所制豆瓣醬揮發性化合物的種類及相對含量 對四種不同原料預處理發酵30 d豆瓣醬中主要揮發性成分進行統計分析,其主要揮發性成分種類及相對含量見表1。

由表1可知四種原料預處理豆瓣醬中共檢測出62種揮發性物質,以醇、酯、醛、酮類為主,其中醇類化合物10種、酯類15種、酮類7種、醛類4種、烴類18種、其他化合物8種。采用峰面積歸一化法可知不同預處理豆瓣醬中鑒定出的化合物分別占總揮發成分總量的78.62%、95.77%、90.05%、84.87%。四種原料預處理豆瓣醬中均被檢測到的物質有5種,分別為1-辛烯-3-醇(蘑菇、薰衣草、玫瑰和干草香氣)、2-乙基己醇、芳樟醇(鈴蘭香氣)、苯乙醛[14](水果的甜香氣)、2,5-二甲基吡嗪[33]。其中2,5-二甲基吡嗪這具有獨特且強烈的香氣,主要是由蛋白質、氨基酸熱分解、糖與蛋白質或氨基酸的Maillard反應所形成[12],它除具有吡嗪類化合物特有的焙烤香味外,還具有奶油氣味、巧克力味以及刺鼻的炒花香氣,是重要醫藥和香料中間體,在GB2760-96 中將其規定為允許添加的香精物質。該類物質在燙漂處理方式豆瓣醬中含量最高,使得所制豆瓣醬的風味層次更加豐富,醬香更加濃郁。

表1 不同預處理方式揮發性成分及其相對含量Table 1 Volatile components and their relative contents by different pretreatment methods

續表

依據化合物結構分類并計算出四種不同原料預處理豆瓣醬中揮發性成分的相對含量,如圖6,主要揮發性風味物質分別為醇類、烴類、酯類、醛類等。醇類物質在四種預處理豆瓣醬揮發性風味物質中含量最高,常壓蒸煮處理豆瓣醬中揮發性風味物質共19種,其中醇類5種,相對含量為51.15%;高壓蒸煮處理豆瓣醬中揮發性風味物質共27種,其中醇類物質7種,相對含量為41.09%;生料處理豆瓣醬中揮發性物質共22種,其中醇類物質5種,相對含量為26.44%;燙漂處理豆瓣醬揮發性風味物質共23種,醇類物質5種,相對含量為60.87%。其中多數醇類來源于不飽和脂肪酸的生物降解,可被氧化成醛、酸等,同時也可作為許多酯化反應的重要前體物質[34-35],賦予豆瓣醬特有的豆瓣花果香味[36]。烷烴類化合物雖都有檢出,但對風味貢獻不高[37]。四種預處理豆瓣醬揮發性風味物質中相對含量最低的是酮類物質,分別為2.68%、2.71%、2.16%和0.72%,蒸煮處理和生料處理后的豆瓣醬與燙漂處理豆瓣醬含量差異顯著,可能由于酮類是羰基類化合物,為不穩定的中間體化合物,由脂肪酸氧化分解產生[38],易被還原為醇。

圖6 四種預處理方式揮發性成分種類的相對含量Fig.6 Relative content of volatile components by four pretreatment methods

根據黃湛[36]、劉平等[39]結合易宇文等[40]的研究初步確定芳樟醇、苯乙醇、異戊酸己酯、苯乙醛、糠醛這5種物質為郫縣豆瓣的特征風味物質。四種不同預處理方式發酵后,燙漂處理豆瓣醬中共檢測到4種特征風味物質(異戊酸己酯未檢出),生料制曲處理豆瓣醬中共檢測到3種特征風味物質(糠醛、苯乙醇未檢出),高壓蒸煮處理豆瓣醬中共檢測到3種特征風味物質(糠醛、異戊酸己酯未檢出),常壓蒸煮處理豆瓣醬中共檢測到2種特征風味物質(苯乙醇、異戊酸己酯、糠醛未檢出)。燙漂處理豆瓣醬在特征風味物質種類上多于其它三種預處理工藝豆瓣醬,使得其醬香更加濃郁獨特。

3 結論

其中經燙漂預處理豆瓣醬總酸含量為0.72 g/100 g,氯化鈉含量為13.20 g/100 g,相比其他三種預處理工藝較高;氨基態氮含量以常壓蒸煮含量最高,為0.82 g/100 g,比燙漂處理豆瓣醬高0.11 g/100 g;還原糖含量以生料處理豆瓣醬中最高,為5.72 g/100 g,燙漂處理豆瓣醬次之為3.38 g/100 g。HS-SPME-GC-MS共鑒定出62種揮發性成分,其中醇類10種、酯類15種、酮類7種、醛類4種、烴類18種、其他化合物8種,且燙漂處理、生料、高壓蒸煮、常壓蒸煮預處理豆瓣醬中特征風味物質分別為4、3、3和2種,燙漂處理豆瓣醬在風味上種類最多。通過常規理化指標和GC-MS結果分析,燙漂預處理工藝所制豆瓣醬品質較其他三種原料預處理工藝更為理想,因此可優化燙漂預處理工藝,從而提高豆瓣醬品質。研究結果可為今后豆瓣醬加工工藝改進,以及調味醬等相關功能食品的開發提供科學依據。