不同電滲析條件下醬油主要風味組分遷移規律研究

苗春雷，孫啟星，李學偉，李巧連，朱新貴，2*

（1.李錦記（新會）食品有限公司，廣東 江門 529100；2.華南農業大學 食品學院，廣東 廣州 510642）

醬油是以豆谷類及其副產物為主要原料，經潤水、蒸料、制曲、發酵等工藝制成的具有獨特風味的液體調味品[1]，是亞洲最受消費者歡迎的烹飪及佐餐調味品之一。根據生產工藝的不同，我國釀造醬油可分為低鹽固態發酵醬油與高鹽稀態發酵醬油。低鹽固態發酵使用較低濃度（約10%～13%）的鹽水將曲料制成醬醅后置于較高溫度條件下進行發酵，該工藝的發酵時間短、生產投入低，是20世紀70～80年代普遍采用的醬油發酵技術[2-3]。但低鹽固態發酵工藝存在著原料利用率低、產品風味不足等缺點，目前已逐步被高鹽稀態發酵法所替代。高鹽稀態發酵法采用較高濃度（約17%～20%）的鹽水將曲料制成醬醪后進行稀態發酵，生產周期一般在3～6個月。發酵過程中，以米曲霉（Aspergillus oryzae）為主的微生物分泌出多種酶類將曲料中的大分子有機物酶解為小分子的可溶性氮及可溶性糖，在長時間的發酵過程中通過一系列復雜的氧化反應、美拉德反應等化學反應最終得到鮮咸適口、香氣濃郁的液體調味品[4]。

醬醪中的微生物對原料的蛋白質和碳水化合物等主要營養成分緩慢的分解與代謝形成了醬油獨特的風味[5]，發酵過程中添加的食鹽則構成了醬油的基味。通常條件下成品醬油的含鹽量約為16%～18%，這在發酵過程中也起到抑制醬醪中有害微生物繁殖的作用，同時鈉離子與氨基酸形成的鈉鹽也貢獻著醬油的鮮味[6-7]。根據《中國居民膳食指南》，居民日均食鹽攝入量應不高于6 g，但受飲食文化的影響，導致國民實際生活中的食鹽攝入水平遠高于健康標準的上限[8]?，F代醫學研究表明，較高的鈉攝入量會極大增加人體腎臟負擔，同時增加患高血壓等心腦血管疾病的風險[9-10]。因此為滿足人們群眾對生活品質及食品健康的雙重需求，調味品低鹽化已成為未來調味品行業的發展趨勢。醬油作為國內銷量及使用量最高的調味品，其脫鹽工藝已成為近年研究的熱點問題，并以電滲析、納濾以及離子交換法作為主要的研究方向[11-12]。其中電滲析脫鹽技術的原理是在電勢差的驅動下，醬油中的離子朝著電場兩側的陰陽離子交換膜運動，利用膜的選擇透過性使離子在膜的另一側富集以達到脫鹽的目的[13]。如今電滲析脫鹽技術經過多年的發展和完善其工藝已趨于成熟，可以滿足一定規模的工業化生產。但在脫鹽處理過程中，醬油的部分氨基酸、揮發性物質及有色物等主要成分會遷移進入鹽液，因此這些副產的鹽液略帶有鮮味及醬油香氣。脫鹽過程中產生的鹽液體積通常為醬油原液體積的50%～100%，其較高的鹽分無法直接排放，且進行廢水處理成本較高，因此隨著未來對醬油脫鹽產能的擴大，應實現合理回收及利用加工過程中分離的鹽液以達到經濟效益最大化。

本研究采用電滲析法對醬油進行脫鹽處理，試驗醬油中各組分在不同電滲析參數下的遷移率以及在鹽液中的回收情況以確定最佳試驗參數，并對回收到的鹽液進行理化指標的檢測，確定鹽液的呈味物質以及風味物質構成。分析各組分在電滲析過程中的遷移情況，以期為醬油脫鹽過程中回收鹽液的再利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

醬油樣品：李錦記（新會）食品有限公司；甲醛、氫氧化鈉、氯化鈉（均為分析純）：廣州化學試劑廠。

1.2 儀器與設備

GCM-E-10電滲析系統：國初科技（廈門）有限公司；7820A-5977B氣相色譜-質譜聯用（gas chromatography-mass spectrometer，GC-MS）分析系統、DBWA×U2色譜柱（30 m×0.32 mm，0.25 μm）：美國安捷倫公司；794自動電位滴定儀：瑞士萬通公司；L-8900全自動氨基酸分析儀：日本日立公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品處理方法

量取1 000 mL醬油與等體積的三級水分別置于三角瓶中并與電滲析設備連通，配制3%NaCl溶液500 mL置于三角瓶中與設備連通作為電解液。試驗溫度為25 ℃，循環流量為1.0 L/min，醬油NaCl目標含量降低至13%以下?？疾祀姖B析電壓對醬油主要成分遷移情況的影響時，根據實驗室前期研究數據及設備極限參數將電壓依次設置為10 V、11 V、12 V、13 V、14 V對醬油進行脫鹽處理，電滲析時間為20 min?？疾祀姖B析時間對醬油主要成分遷移情況的影響時，將電滲析電壓固定為13 V，其他試驗條件不變，并于15～35 min每5 min進行取樣并測定。

1.3.2 樣品理化指標的測定

樣品氨基酸態氮（amino acid nitrogen，AAN）、總酸（total acid，TA）、氯化鈉的含量參照國家標準GB/T 18186—2000《釀造醬油》中的方法進行測定[14]。

AAN（TA）損失率、鹽分脫除率計算公式如下：

1.3.3 游離氨基酸組成的測定

參照《實用食物營養成分分析手冊》使用全自動氨基酸分析儀進行測定[15]。

游離氨基酸遷移率計算公式如下：

1.3.4 風味物質的測定

使用GC-MS進行分析，參照鄒謀勇等[16]的方法，并對樣品預處理方式進行改進。取2 mL樣品置于樣品瓶中，加入1 g NaCl使溶液飽和后置于50 ℃水浴中萃取30 min。氣相色譜條件：以氦氣（He）為載氣，流速1.0 mL/min，固相微萃取小柱進樣時間為2 min，不分流，吹掃流量15 mL/min，吹掃2 min，色譜柱升溫程序為40 ℃保持5 min；2 ℃/min升至150 ℃，保留0 min；再以5 ℃/min升至240 ℃，保留10 min。質譜條件：采用電子電離（electron ionization，EI）源，電子能量為70 eV，檢測器電壓為857 V，掃描速度為2.00 scans/s，掃描范圍為20～350 m/z；進樣口和離子源溫度分別為250 ℃和230 ℃。

2 結果與分析

2.1 不同電滲析電壓條件下醬油主要成分遷移情況

在脫鹽過程中，采用不同的電壓對醬油進行電滲析處理，試驗20 min后電滲析電壓對醬油樣品NaCl脫除率、AAN損失率、TA損失率見圖1，電滲析電壓對鹽液中NaCl、AAN、TA含量的影響見圖2。由圖1可知，醬油的NaCl脫除率隨著電滲析電壓的升高逐漸增大，但增加至13 V后脫鹽的速率明顯放緩。在電滲析電壓為14 V時，處理后醬油的NaCl脫除率為31.67%；隨著電滲析電壓的升高，醬油樣品的AAN及TA損失率變化不大，僅呈現略微下降趨勢，基本維持在15%～17%。由圖2可知，在不同的試驗電壓條件下，鹽液的AAN及TA同樣并未隨NaCl含量的增加同步得到積累，電滲析電壓13 V、14 V的試驗組得到的鹽液中測得NaCl含量分別為4.91 g/100 mL、5.04 g/100 mL，AAN含量差別不大，分別為0.089 g/100 mL、0.083 g/100 mL，總酸含量同樣差異較小，分別為0.119 g/100 mL、0.116 g/100 mL。這可能是由于電滲析所用的離子交換膜具有的選擇透過性，使離子水和半徑小、帶電量較低的Na+和Cl-比AAN及TA更易通過[17]。所以此范圍內的電壓變化對醬油中NaCl產生的影響較大。同時觀察到在電滲析電壓增大至13 V后NaCl的積累速率開始放緩，且在損失率未發生明顯變化時AAN及TA積累量略微降低，這可能是由于接近極限電流，電壓導致醬油中的肽類發生鹽析沉積導致[18]，或因過高的電壓導致膜表面產生濃差極化現象導致膜電導率下降使電滲析效率降低[19]。因此，綜合考慮到醬油中主要成分的遷移速率以及高電壓對膜可能造成的不利影響，將電滲析脫鹽的運行電壓選取在13 V進行。

圖1 不同電滲析電壓對醬油NaCl脫除率及氨基酸態氮、總酸損失率的影響Fig.1 Effect of different electrodialysis voltages on the removal rate of NaCl and the loss rate of amino acid nitrogen and total acid of soy sauce

圖2 不同電滲析電壓對鹽液中NaCl、氨基酸態氮、總酸含量的影響Fig.2 Effect of different electrodialysis voltages on contents of NaCl,amino acid nitrogen and total acid in salt solution

2.2 不同電滲析時間條件下醬油主要成分遷移情況

在13V的電滲析電壓條件下對醬油進行電滲析脫鹽處理，電滲析時間對醬油NaCl脫除率及ANN、TA損失率的影響見圖3，電滲析時間對鹽液中NaCl、AAN、TA含量的影響見圖4。由圖3可知，隨著電滲析時間的增加，醬油各主要組分持續向鹽液遷移，NaCl和AAN的遷移速率隨時間的延長逐漸放緩，但TA的遷移率持續增加并在20 min后其損失率顯著高于ANN。在電滲析30 min后，醬油的NaCl脫除率達到41.97%，已達到減鹽目標，繼續脫鹽則可能導致滲透壓過低不利于對腐敗菌的抑制。由圖4可知，隨著電滲析時間的增加，鹽液中NaCl、ANN、TA含量均逐漸增加，在電滲析30 min后，鹽液中的NaCl和ANN含量增加放緩。本研究發現，長時間的電滲析處理雖可大幅度降低醬油中的NaCl含量至40%以上，但是同時伴隨著部分風味物質的遷移，因此回收得到的鹽液具有一定的醬油風味并略帶鮮味。最終回收的鹽液為淡黃色的澄清液體，表明少量有色物質也隨水分的遷移進入了鹽液。因此，綜合考慮到醬油防腐效果及風味，將電滲析脫鹽的運行時間選取在30 min。

圖3 不同電滲析時間對醬油NaCl脫除率及氨基酸態氮、總酸損失率的影響Fig.3 Effect of different electrodialysis time on removal rate of NaCl and loss rate of amino acid nitrogen and total acid in soy sauce

圖4 不同電滲析時間對鹽液中NaCl、氨基酸態氮、總酸含量的影響Fig.4 Effect of different electrodialysis time on contents of NaCl,amino acid nitrogen and total acid in salt solution

在電滲析電壓13 V、電滲析時間30 min條件下，原醬油樣品、減鹽醬油及鹽液中NaCl、AAN、TA含量見表1。由表1可知，原醬油樣品中NaCl含量由18.54 g/100 mL減少至12.51 g/100 mL，鹽液中NaCl含量積累至6.60 g/100 mL，同時有較多的風味物質一同遷移進入鹽液，鹽液中AAN和TA含量分別為0.135 g/100 mL、0.208 g/100 mL。

表1 醬油及鹽液中各主要組分含量Table 1 Contents of major components in soy sauce and salt solution

2.3 鹽液中游離氨基酸組成及回收率分析

在研究得到的較優試驗條件：電滲析電壓13 V、電滲析時間30 min的脫鹽處理后，檢測回收到的鹽液中游離氨基酸組成并與原醬油樣品進行比對分析，結果見表2。

表2 醬油及鹽液中游離氨基酸組成及遷移率Table 2 Composition and mobility of free amino acids in soy sauce and salt solution

由表2可知，原醬油中谷氨酸、丙氨酸、亮氨酸及賴氨酸含量較高，總體風味協調，鮮咸適口，總游離氨基酸含量為4.080%。由于在電滲析過程中氨基酸的分子質量以及結構的不同會導致其在電場作用下的運動特性存在差異[20]，因此鹽液中的游離氨基酸組成和原醬油樣品相比較存在較大差異。由表2亦可看出，在醬油脫鹽過程中遷移至鹽液中的總游離氨基酸的含量為0.305%，總遷移率為7.77%，其中鮮味氨基酸谷氨酸、天冬氨酸的遷移率較低，而呈甜味及苦味氨基酸甘氨酸、組氨酸、精氨酸和賴氨酸等遷移率較高，這可能是由于這些氨基酸的等電點與醬油pH值相差較遠，在醬油中以帶電的形式存在從而在電滲析過程中由于電場的作用下遷移速度較快[21]；最終鹽液中回收到的游離氨基酸中，丙氨酸、亮氨酸和賴氨酸含量較高，由于亮氨酸和賴氨酸為具有苦味的氨基酸[22]，因此鹽液除略帶鮮味還呈現出了一定的淡苦味及厚味。

2.4 鹽液中風味物質組成

使用GC-MS對原醬油樣品以及電滲析后回收到鹽液中的風味物質進行定性分析，結果見表3。

表3 原醬油及鹽液中風味物質構成Table 3 Composition of flavor compounds in original soy sauce and salt solution

由表3可知，原醬油樣品中共檢測到25種風味物質，其中有17種風味物質在電滲析脫鹽處理后的鹽液中被檢出。這表明在脫鹽過程中大部分風味物質也發生了遷移。原醬油樣品中存在的13種醇類物質中，有10種在電滲析過程中發生了遷移，其中包括傳統高鹽稀態發酵醬油中所含有的關鍵性風味物質糠醇以及苯乙醇[23]。其他風味物質如酯類、酚類、醛類等也在電滲析的過程中存在不同程度的遷移，但原醬油樣品中檢測到的酸類物質在回收到的鹽液中未檢測到，這可能是由于其透過率較低或在電場的作用下發生了分解。鹽液中還檢出了較多對于醬油風味構成具有較大影響的醬油特征性風味物質，如3-甲硫基丙醇、3-甲基-1-丁醇、4-乙基愈創木酚、羥基丙酮等，其中苯乙醇和4-乙基愈創木酚均是由醬醪中的生香酵母在發酵后期合成的具有高沸點的香氣成分，苯乙醇為具有玫瑰花香氣的風味物質[24]、4-乙基愈創木酚為具有煙熏及辛香的風味物質[25]，二者的風味閾值較低并對醬油的特征性風味構成占有較關鍵的主導作用。因此電滲析后回收到的鹽液在感官上呈現有一定的醬油特征風味，具有淡豉香、醇香并略帶有醬香。

3 結論

在使用電滲析法對醬油進行脫鹽處理的過程中，發現部分氨基酸等呈味物質以及揮發性風味物質在電場作用下會與NaCl一同遷移進入鹽液并逐步積累。脫鹽過程中，雖電壓對醬油中鹽分遷移率的影響較大而對風味組分的影響相對于較小，但AAN及TA仍會隨著時間在鹽液中得到積累，且TA的遷移率較高。在電滲析電壓13 V、處理時間30 min條件下，醬油的氨基酸態氮（AAN）及總酸（TA）的損失率較低，且NaCl脫除率達41.97%。此時鹽液中NaCl、AAN、TA含量分別為6.60 g/100 mL、0.135 g/100 mL、0.208 g/100 mL。在氨基酸的遷移過程中，鮮味氨基酸的遷移率遠低于甜味及苦味氨基酸，因此印證了鹽液在感官上除略呈現鮮味外還存在寡淡后苦味的原因。部分揮發性風味物質在脫鹽過程中也存在著遷移，這使得鹽液口感及風味上均呈現出一定的醬油感官。本研究在不同電滲析條件下對醬油進行脫鹽處理，研究得到了較優的試驗條件，并分析了醬油中主要風味組分的遷移率、回收鹽液游離氨基酸與揮發性風味物質的構成，為醬油電滲析脫鹽條件設計及回收鹽液的再利用提供了理論基礎。