微波真空冷凍干燥對酸菜品質及微生物活性的影響

易軍鵬,賀健,李欣,段續,任廣躍,吳甜甜,董晶寅

1(河南科技大學 食品與生物工程學院,河南 洛陽,471000)2(河南科技大學 化工與制藥學院,河南 洛陽,471000)

酸菜是我國東北地區最為常見的傳統風味食品,將新鮮大白菜在低濃度食鹽溶液浸泡下經乳酸菌發酵而成的貯藏型蔬菜，深受消費者喜愛。酸菜營養豐富,除含有維生素C、膳食纖維、氨基酸等營養物質外,還富含益生菌、乳酸菌等功能微生物[1-2]。然而酸菜含水量大,在運輸和保藏期間可能會出現脹袋、過度酸化、變色等現象,導致口感變差、儲藏和運輸困難、產品貨架期縮短,不利于酸菜產業的發展[3],且市面上的酸菜真空包裝產品添加防腐劑現象極為普遍,加工產品花樣也較為單一。

酸菜中乳酸菌的生長溫度范圍是5～55 ℃,最適生長溫度為30～40 ℃[4],溫度過高會使乳酸菌滅活,因此熱風、熱泵等干燥方式不利于酸菜的干制加工。微波真空冷凍干燥作為真空冷凍干燥的一種新型升級技術,近年來廣泛受到國內外學者的關注。經微波真空冷凍干燥處理的果蔬不僅在升溫速度、干燥時間、干燥效率和整體能耗方面都有較大提升,還能最大限度地保持物料原有的品質、風味和營養成分,且復水性能較高[5-6],能夠滿足消費者對市場上高端果蔬產品的需求,提高了產品競爭力。目前,國內外對酸菜加工的研究多為發酵工藝優化、菌種篩選等,而關于酸菜深加工產品的研究極少[7],因此很有必要探究酸菜微波真空冷凍干燥的制備工藝。朱彩平等[8]研究發現微波-真空冷凍聯合干燥處理的平菇干制品具有色澤好、品質佳、營養成分保留較高等優點。HUANG等[9]研究不同干燥對復合薯片的影響,分析得出微波冷凍干燥的產品質量最好,干燥時間最短,最受消費者喜愛。湯夢情等[10]采用微波真空和真空冷凍干燥組合技術對蘆筍進行干燥處理,對提高蘆筍干燥品質,減少營養成分損失和蘆筍工業化深加工提供了理論依據。

本文以新鮮酸菜為研究對象,采用微波真空冷凍干燥技術對新鮮酸菜進行脫水處理,研究微波功率、真空度和鋪料層厚度對酸菜干燥品質和微生物活性的影響,并建立相應干燥數學模型,旨在篩選最為合適的酸菜微波真空冷凍干燥參數,以期為實現高效、高品質干燥酸菜產品提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

酸菜,沈陽榆園食品有限公司；NaOH,分析純,天津市德恩化學試劑有限公司；瓊脂粉,生物試劑,上海藍季科技發展有限公司；葡萄糖,分析純,天津市科密歐化學試劑有限公司；NaCl,分析純,國藥集團化學試劑有限公司；MRS、孟加拉紅、胰蛋白胨、酵母浸膏,均為生物試劑,北京奧博星生物技術有限責任公司；抗壞血酸,江蘇強盛功能化學股份有限公司；鹽酸,天津渤化化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

CS-001X快速水分測定儀,深圳市冠亞技術科技有限公司；JJ223BC電子天平,常熟市雙杰測試儀器廠；D-110色差儀,美國愛色麗公司；PHS-3CpH計,上海儀電科學儀器股份有限公司；TM3030臺式電鏡,日本電子株式會社；H-2050R高速冷凍離心機,湖南湘儀離心機儀器有限公司；UV-2600紫外-可見分光光度計,上海龍尼柯儀器有限公司；YXQ-LS-18SI高壓蒸汽滅菌鍋,上海博訊醫療生物儀器股份有限公司；BBS-V800超凈工作臺,濟南鑫貝西生物技術有限公司；HSP-250B恒溫恒濕培養箱,上海坤天實驗室儀器有限公司。微波真空冷凍干燥機,DUAN等[11]設計,南京亞泰微波能研究所。

1.3 試驗方法

1.3.1 預處理

將酸菜去掉包裝,擠出多余水分,切絲(6.0 mm×1.0 mm),初始濕基含水率約為92.94%。

1.3.2 干燥試驗設計

將酸菜絲平鋪于干燥箱物料盤內,每盤放入50 g。將微波真空冷凍干燥機冷阱溫度設定為-40 ℃,進行單因素干燥試驗。干燥過程中,每隔30 min將物料盤取出稱質量,記錄數據后迅速放回繼續干燥,直至酸菜含水率降至安全儲藏條件(干基含水率35%)以下時,結束干燥。每組干燥試驗平行操作3次,取平均值。

(1)微波功率：固定真空度200 Pa,鋪料層厚度2 mm,改變微波功率分別為50、200、350、500 W。

(2)真空度：固定微波功率350 W,鋪料層厚度2 mm,改變真空度為100、200、300、400 Pa。

(3)鋪料層厚度：固定微波功率350 W,真空度200 Pa,改變鋪料層厚度2、4、6、8 mm。

1.4 指標測試

1.4.1 色澤的測定

根據公式(1)計算ΔE色澤[12]。每個樣品選3個不同位置進行檢測,且重復3次。

(1)

式中：L*,明暗度；a*,紅綠色；b*,黃藍色；L0,初始明暗度；a0,初始紅綠色;b0,初始黃藍色;ΔE,色差值。

1.4.2 微觀結構觀察

參考許洋等[13]的方法。將干燥后的酸菜葉(避開主葉脈)直接切取4.0 mm×1.0 mm左右大小的葉片,固定在樣品架上,取樣過程需輕柔避免所取葉片碎裂。經過離子濺射鍍膜儀濺射噴10 nm厚度,使用掃描電鏡觀察,采集圖像。工作電壓為4.0 kV,放大倍數分別為500與800倍。

1.4.3 pH測定

準確稱取干燥后的酸菜0.7 g放入研缽中,加入少量蒸餾水并研磨成勻漿,接著用濾紙過濾至30 mL小燒杯中,pH計校準后將電極浸泡在酸菜濾液中待數值穩定后記錄,每組濾液測量3次取平均值。

1.4.4 總酸的測定

酸菜中總酸的測定參照國標GB/T 12456—2008《食品中總酸的測定》中的酸度計法,以0.05 mol/L NaOH標準溶液進行滴定,以乳酸計。

1.4.5 維生素C含量的測定

參考馬宏飛等[14]的方法測定。

1.4.6 感官評定

參考GB 2714—2015《食品安全國家標準 腌漬菜》與DBS22/025—2014《食品安全地方標準 酸菜》中酸菜的感官要求,制定不同干燥方式下復水酸菜的感官評分細則。評定小組由20名21～27歲食品相關專業、有感官評定經驗的研究生組成,從色澤、氣味、外觀、口感幾個方面對復水酸菜進行感官評分,以100分制計。感官評分參考標準見表1。

表1 酸菜復水品感官評價表Table 1 Sensory evaluation standard for sauerkraut rehydration product

1.4.7 微生物指標測試

乳酸菌菌落總數的測定參照GB 4789.35—2016《食品微生物學檢驗 乳酸菌檢驗》；酵母菌菌落總數的測定參照GB 4789.15—2016《食品微生物學檢驗霉菌和酵母菌計數》；菌落總數的測定參照GB 4789.2—2016《食品微生物學檢驗 菌落總數測定》。

發酵香腸的發酵溫度通常為25～28 ℃，為了保證作為發酵劑的酵母菌能夠在生產條件下良好生長，菌株的最佳生長溫度須符合此溫度范圍。

1.4.8 數據處理

本試驗采用Origin 2018和DPS7.0軟件對試驗數據進行相關處理、數據分析和作圖,每組試驗重復3次,結果取平均值。

2 試驗結果與分析

2.1 干燥條件對酸菜色澤的影響

樣品總色差值是評判樣品外觀顏色變化程度的重要指標。以新鮮酸菜的色差數據(L0=48.22,a0=1.66,b0=15.34)為標樣測量,不同微波功率下酸菜干樣品的色差數據如表2所示。固定真空度與鋪料層厚度,酸菜的L*值與b*值隨著微波功率的增加先增加后減小,微波功率為200與350 W時,酸菜的L*值最大,顏色最亮,黃色度較高,其色差ΔE變化先減小后增大,在微波功率為350 W時最小,該條件下酸菜干制品顏色較亮、較黃,色澤最接近新鮮酸菜。這可能是因為微波功率較低時,干燥時間較長,酸菜體內累加的微波能量增多,同時酸菜長時間暴露在空氣中使得酸菜發生褐變顏色變暗,色差較大。當微波功率過大時,單位質量酸菜葉吸收的微波能增多,分子產能增多,周圍環境增溫迅速導致對酸菜體內的色素和酶的破壞較大,因此L*值變小,色差增大。

表2 不同干燥條件對酸菜色澤變化的影響Table 2 Effect of different drying conditions on the color change of sauerkraut

固定微波功率與鋪料層厚度,酸菜的L*值隨著系統壓強的增大逐漸減小,真空度為100與200 Pa時,酸菜的L*值與b*值相對最大,其色差ΔE變化則先減小后增大,真空度為200 Pa時ΔE最小,此時酸菜的顏色最黃、較亮,最接近新鮮酸菜。這可能是因為系統壓強越小,干燥腔內的氧氣就越少,同時干燥周期越短,酸菜體內的色素與酶的氧化就越少,L*值就會越大,顏色就相對越亮越黃。

固定微波功率與真空度,酸菜的L*值與b*值隨著鋪料層厚度的增加逐漸減小,其色差ΔE變化逐漸增大,當鋪料層厚度為2 mm(1層)時,酸菜的亮度和黃色度最大,色澤最好,最接近新鮮酸菜。這是因為鋪料層厚度的增加使得物料過厚,微波達到酸菜內部的能量衰減,酸菜水分縱向擴散路徑變長,增加了干燥時間,導致酸菜褐變程度較高,顏色較暗[15]。

2.2 干燥條件對酸菜微觀結構的影響

由圖1可知,固定真空度為200 Pa、鋪料層厚度為2 mm,當微波功率為50和200 W時,此刻的微波功率較低,酸菜體內水分散失較慢,干燥時間較長,導致熱量積累較多,酸菜葉的組織細胞結構遭到破壞、出現皺縮,排列松散,部分氣孔張開；當微波功率為350 W時,酸菜細胞壁排列較整齊有序,組織細胞保存較完整,皺縮較小,部分氣孔張開無褶皺；當微波功率為500 W時,此時功率較大,酸菜吸收的熱量較多,水分脫除較快,氣孔開口較多且輕微糊化,酸菜組織細胞壁破壞較大,皺縮最嚴重,排列無序,變形最大[16]。綜上,當微波功率為350 W時,酸菜組織細胞保存相對較好、皺縮最小、結構較完整。

固定微波功率為350 W、鋪料層厚度為2 mm,當真空度為100、300和400 Pa時,微觀結構下酸菜葉的組織結構相似,均呈現細胞壁遭到破壞,組織細胞皺縮,排列松散等現象；當真空度為200 Pa時,酸菜葉的組織細胞排列相對較整齊有序,保存較完整,皺縮最小。這可能是因為當真空度為100 Pa時,此時系統壓強較小,水的沸點較低,使得酸菜體內水分脫除較快,導致組織細胞結構遭到破壞；當系統壓強較大時,水分散失的速率相對較慢,干燥時間增加,同時干燥過程中所消耗的能量也會隨之增加,最終使得酸菜的組織結構受到影響,有所破壞。

固定微波功率350 W、真空度200 Pa時,隨著鋪料層厚度的增加,微觀結構下酸菜葉的組織細胞皺縮程度逐漸增加、細胞壁結構破壞逐漸嚴重、排列逐漸雜亂,當鋪料層厚度為1層(2 mm)時,酸菜葉組織結構破壞最小,細胞壁排列較整齊,皺縮最小。這可能是因為隨著鋪料層厚度的增加,酸菜體內水分縱向散失通道變長,水分脫除速率減小,干燥周期增加,酸菜體內熱量積累較多導致組織結構遭到破壞,皺縮嚴重。

a1～a4分別為微波功率50、200、350、500 W酸菜；b1～b4分別為真空度 100、200、300、400 Pa酸菜；c1～c4分別為鋪料層厚度2、4、6、8 mm酸菜圖1 不同干燥條件對酸菜微觀結構的影響Fig.1 Effect of different drying conditions on the microstructure of sauerkraut

2.3 干燥條件對酸菜pH及總酸的影響

pH及總酸是反映酸菜風味與酸味的重要指標。如圖2所示,這3種參數對酸菜、pH及總酸的影響都十分顯著(P<0.05),固定真空度與鋪料層厚度,酸菜的總酸度隨著微波功率的增加逐漸減小,微波功率從50到350 W時,總酸度減小相對緩慢,僅減小了0.053 g/100 g,變化不大。當微波功率為500 W時,總酸度下降明顯,與50 W相比減小了0.198 g/100 g。微波功率為50和350 W下的酸菜pH最小,在3.7～3.74,500 W下pH最大(3.93±0.013)。微波功率的增加會使酸菜體內的微波熱能吸收過多,腔體溫度過高,可能導致酸菜內的乳酸分解損失。

a-微波功率；b-真空度；c-鋪料層厚度圖2 干燥條件對酸菜pH及總酸的影響Fig.2 Effect of drying conditions on pH and total acid of sauerkraut

固定微波功率與鋪料層厚度,酸菜的pH隨著真空度的減小(即系統壓強的增大)逐漸增大,總酸度逐漸減小。當真空度為100 Pa時,酸菜的pH最小,總酸度最大。真空度為200 Pa的總酸度略低于100 Pa時,pH也稍大于100 Pa時；當真空度為300 Pa時,酸菜的pH與總酸度變化明顯,這可能是因為真空度過大時,酸菜干燥周期增長,導致體內乳酸損失。

固定微波功率與真空度,酸菜的pH隨著鋪料層厚度的增加逐漸增大,其總酸度逐漸減小。當鋪料層厚度為2 mm(1層)時,酸菜的pH最小、總酸度最大,最接近新鮮酸菜。如圖2-c所示,鋪料層厚度對酸菜pH及乳酸的影響效果明顯大于微波功率和真空度,這或許是因為鋪料層厚度的增大,使得底層酸菜水分遷徙路徑變長,水分散失能力減弱,大大增加了干燥周期,酸菜體內乳酸遭到破壞,分解損失較嚴重。

2.4 干燥條件對酸菜維生素C的影響

由圖3可知,當微波功率與真空度一致時,酸菜維生素C含量隨著鋪料層厚度的增加逐漸減少,當鋪料層厚度為1層(2 mm)時,含量最高為2.80 mg/100 g,比最小值大了約1.95 mg/100 g；當真空度與鋪料層厚度一致時,酸菜的維生素C含量隨著微波功率的增大呈現先增加后后降低的趨勢,當微波功率為350 W時,達到最大值,約為2.80 mg/100 g,比最小值大了約1.12 mg/100 g；當微波功率與鋪料層厚度一致時,酸菜維生素C含量隨著真空度的減小既系統壓強的增大也呈現出先增加后降低的趨勢,當真空度為200 Pa時,達到其最大值2.80 mg/100 g,比最小值大了約1.42 mg/100 g。

圖3 干燥條件對酸菜維生素C含量的影響Fig.3 Effect of drying conditions on vitamin C content of sauerkraut

過高或過低的微波功率與真空度都會導致酸菜中維生素C的含量下降,真空度與鋪料層厚度對酸菜維生素C含量的影響比微波功率的影響顯著(P<0.05)。這可能是因為當酸菜處于微波功率大或真空度高的條件下時,其吸收的微波熱量過多以至于表面溫度高,同時過高的真空度使得系統壓強低、水的沸點低,這些都會使酸菜體內水分散失過快,酶促褐變發生,維生素C有所氧化和降解。然而,當微波功率或真空度較小時,酸菜吸收的微波熱量較少、系統壓強稍大,導致酸菜體內的水分散失較慢,干燥周期長,其內部維生素C的含量遭到損耗。這與劉文超[17]在雙孢菇微波冷凍干燥中維生素C保存率的研究結果相似。隨著鋪料層厚度的增加,酸菜體內水分散失的較慢,干燥周期變長,使得酸菜體內的維生素C的含量降解損失。

2.5 感官評定

由表3可知,鋪料層厚度對酸菜的感官評分影響最大,真空度則對其影響最小。酸菜的感官評分都隨著微波功率和系統壓強的增大先增大后減小,在微波功率為350 W、真空度為200 Pa時得分最高。酸菜的感官評分隨著鋪料層厚度的增加而大幅度減小,在鋪料層厚度為2 mm時得分最高,在鋪料層厚度8 mm時得分最少,僅為53分。綜上,當微波功率為350 W,真空度為200 Pa,鋪料層厚度為2 mm時,酸菜的感官評分最高,為89分。

表3 干燥條件對酸菜感官得分的影響Table 3 Effect of drying conditions on sensory score of sauerkraut

2.6 干燥條件對酸菜微生物活菌總數的影響

如圖4所示,確定真空度為200 Pa、鋪料層厚度為2 mm(1層),酸菜干制品中乳酸菌、酵母菌和菌落總數都隨著微波功率的增加先增加后降低,且在微波功率為350 W時活菌總數都達到了最高值,分別為1.4×105、4.7×103、8.6×104CFU/g。當微波功率為500 W時這3種微生物的活菌總數都最低,分別為1.35×104、1.23×103、3.60×104CFU/g。這可能是因為微波功率越低,微波所提供酸菜體內冰晶升華的能量就越低,酸菜吸收熱量少、干燥周期長,且微波具有殺菌作用,微波功率越大或作用時間越長,微波對微生物的殺滅效果就越好[18],長時間暴露在空氣中的微生物存活率就越低。而微波功率為350 W時,雖然微波功率略大,但是所釋放的能量既很好地促進了水分升華脫除,大大縮短了干燥時間,同時不會造成酸菜溫度過高,對微生物影響較小,保持了菌種的活性。雖然微波功率為500 W時酸菜干燥至終點時所用的時間最短,僅為100 min,但此時的微波功率較大,微波能的釋放是瞬間完成的,酸菜干制過程中吸收的微波能過多,造成物料表面溫度高,而多數微生物的生長溫度不能高于55 ℃,因此500 W條件下大部分微生物活菌會大量失活,數量減少。故微波真空冷凍干燥過程中微波功率為350 W時對酸菜中微生物活菌總數影響較小,保留最多。

a-微波功率；b-真空度；c-鋪料層厚度圖4 干燥條件對酸菜微生物活菌總數的影響Fig.4 Effect of drying conditions on microorganism counts in sauerkraut

確定微波功率為350 W、鋪料層厚度為2 mm(1層)時,酸菜干制品中乳酸菌、酵母菌的菌落總數都隨著系統壓強的增加逐漸減少,當真空度為100 Pa時,乳酸菌和酵母菌的活菌數最多,分別為1.67×105、6.97×103CFU/g。當真空度為400 Pa時,乳酸菌和酵母菌的活菌數最低,分別為9.4×104、1.28×103CFU/g。可能是由于隨著系統壓強的減小(即真空度的增加),水的沸點逐漸降低,酸菜體內水分蒸發加快,干燥速率增大,干燥周期減少,酸菜表面積累的微波熱量較少,再加上系統壓強的減小使得干燥腔內的空氣與氧氣越來越少,有利于厭氧菌和兼性厭氧菌的生存,因此酸菜中的乳酸菌和酵母菌活性較高。酸菜干制品中菌落總數隨著系統壓強的增大先增加后減少,在真空度為300 Pa時達到最大值,為9.72×104CFU/g;在真空度為400 Pa時,降為最小值,為2.61×104CFU/g。這可能是因為真空度為100和200 Pa時,低氧的環境抑制了一些好氧菌的生長,使得菌落總數減少。而當真空度為400 Pa時,此刻的系統壓強較大,水的沸點相對較高,酸菜體內水分蒸發的速率較慢,導致干燥周期略長,微波作用時間較長,因此不利于一些微生物的生存,活性較低。同時由于酸菜液中的厭氧菌、營養要求特殊的細菌以及現有條件不能滿足其生長等的細菌在培養過程中難以生長繁殖,因此致使酸菜中的菌落總數一直低于乳酸菌活菌總數。

確定微波功率為350 W、真空度為200 Pa時,酸菜干制品中乳酸菌、酵母菌和菌落總數都隨著鋪料層厚度的增加逐漸減少,當鋪料層厚度為2 mm(1層)時,活菌總數都達到了最高值,分別為1.4×105、4.7×103、8.6×104CFU/g。當微波功率為8 mm(4層)時,這3個指標最低,分別為4.83×104、9.8×102、1.95×104CFU/g。這可能是由于隨著鋪料層厚度的增加,水分遷移途徑變長,水分蒸發變慢,使得干燥時間變長,同時較長時間的干燥過程會使微波作用時間變長,酸菜積累的微波能增加,表面溫度較高,對酸菜中的微生物影響較大,很大程度地降低了菌種活性。當鋪料層厚度為2 mm時,酸菜內部水分向外遷移通道縮短,水分擴散能力增大加快了干燥速率增加,干燥時間最短,同時微波作用時間較短,物料表面溫度較低,保持了酸菜中微生物的活性,乳酸菌、酵母菌和菌落總數較高。

3 結論

在微波真空冷凍干燥單因素試驗中,當微波功率為350 W、真空度為200 Pa、鋪料層厚度為1層(2 mm)時,酸菜的顏色最亮、色差最小、維生素C含量最高,pH較小、乳酸含量較高、感官評分最高,此時微觀結構下酸菜的組織細胞皺縮最小、排列最整齊、結構保存最完整；微生物指標測試表明,當微波功率為350 W和鋪料層厚度為1層(2 mm)時,對酸菜中的乳酸菌、酵母菌及菌落總數影響較小,活菌數最多。當真空度為100 Pa時,對酸菜中的乳酸菌和酵母菌的活性影響最小,活菌數最多。