姬妍茹,石 杰,刘宇峰,刘 玉,董 艳,王月明,杨庆丽,高 媛

(黑龙江省科学院大庆分院,黑龙江大庆 163319)



黑蒜生产过程中主要营养成分变化分析及工艺优化

姬妍茹,石 杰,刘宇峰,刘 玉,董 艳,王月明,杨庆丽,高 媛

研究在齿变式加热发酵工艺中黑蒜主要营养成分的变化规律。选择关键时间点抽取17个样品,对其中大蒜多糖、还原糖、粗蛋白、多酚、蒜氨酸、蒜酶几种主要成分进行测定分析,结果表明在整个生产过程中大蒜多糖含量呈明显下降趋势,还原糖、粗蛋白含量呈明显上升趋势,S17样品中三者含量分别为3.01%、47.84%、15.43%;多酚一直呈上升趋势,S17鲜样品中总多酚含量为生蒜的3.37倍,去除水分影响可高达7.94倍。蒜酶含量呈下降趋势,到93℃完全失活;蒜氨酸呈先下降后回升趋势,最低点样品中蒜氨酸含量为生蒜的0.32倍,最高点时回升为生蒜的0.41倍;依据主要成分分析的数据变化规律,确定了S10样品为各项指标变化的关键拐点,结合感官及味觉评价确定在发酵箱内加热7d为关键参数对工艺进行调整。

黑蒜,营养成分,分析,工艺优化

黑蒜又名黑大蒜,发酵黑蒜,是用新鲜的生蒜,带皮放在发酵容器内发酵制成的食品。与生蒜相比黑蒜的营养保健功能和药用价值有了较大的提高,比如在抗氧化性、防癌抗癌、杀菌消炎、抗衰老、调节血糖水平、保肝护肝、增强免疫功能、治疗高血压和心脑血管疾病等方面[1]。近几年来关于黑蒜药用价值的研究较多,尤其是黑蒜的防癌、抗癌功能更加受到科研工作者的重视。王鑫[2]等研究表明黑蒜水提液对肝癌肿瘤有明显的抑制生长作用,抑瘤有效率可大于40%。林思祥等[3]采用黑蒜水提液联合放射治疗肝癌,降低了肿瘤标志物的表达,提高了患者的生存质量,王义善等[4]利用小鼠对此更深一步进行了机理方面的研究,证明黑蒜提取液

表1 黑蒜加工中不同制备温度系列设计Table 1 The different design of preparation temperature during the black garlic processing

联合放疗可明显抑制荷H22小鼠移植瘤的生长,其作用机制可能与其下调抗凋亡Bcl-2蛋白及上调促凋亡Bax蛋白的表达和提高机体抗氧化能力有关。杨桂清[5]等证明黑蒜提取液对肺癌细胞具有放射增敏作用。这些研究为黑蒜水提液可以作为纯中药抗肿瘤药物,提供了临床实验的依据[3]。这些科研成果的取得更加激励食品研发者对黑蒜加工工艺的研发热情。黑蒜加工最早始于日本的青森县,2007年北海道大学北村清彦等在中国申请了黑蒜专利“发酵制作黑大蒜的方法”[6],由此黑蒜生产工艺开始引进中国,在陕西、山东、江苏等省都有相关的研究开展。起初,黑蒜的生产周期比较长,一般需要60～90d,科研人员为了加快生产周期,针对工艺优化方面开展了多方面研究。罗仓学等通过对发酵工艺中温度、时间、原料品种、料液质量比、破碎粒度影响因素的实验分析,以黑蒜产品的感官评价及其可溶性糖含量、总酚含量、超氧化物歧化酶(SOD)活性为指标,来探究温度对黑蒜发酵的影响,同时确定液态黑蒜发酵的最佳工艺参数[7]。安东研究了大蒜在70、80、90℃三个温度条件下总酚、HMF、可溶性糖、还原糖、游离氨基酸等含量的变化过程,确定黑蒜有效熟化时间范围[8]。2010年,本单位自主研制了黑蒜生产设备,建立了独特的齿变式加热生产工艺,并进行了中试实验,本项目针对黑蒜生产过程中多糖、还原糖、粗蛋白、蒜氨酸、蒜酶和总多酚六种主要营养成分进行了跟踪测定分析,研究了它们在整个生产周期内的变化规律,以期为验证黑蒜保健功能提供佐证数据,并为确立和完善发酵黑蒜生产工艺提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

大蒜,购于黑龙江省阿城市,手工清选、清洗、晾干后用于实验。试剂:检测使用的化学试剂均采用分析纯。

1.2 仪器与设备

数显恒温水浴锅 HH-1型,金坛市盛蓝仪器制造有限公司;紫外可见分光光度计 UV-759型 上海精密科学仪器有限公司;鼓风干燥箱 DHG-9070A型,上海飞跃实验仪器有限公司;电子天平 FA1104N型,上海民桥精密科学仪器有限公司;黑蒜发酵箱 由黑龙江省科学院大庆分院自行研制。

1.3 实验方法

1.3.1 黑蒜的生产方法 分别称取17份清洗晾干后的大蒜0.5kg,装入厚塑料袋,封口后装入发酵箱内,关好箱门,启动程序,进行加工。

1.3.2 发酵工艺的优化实验

1.3.2.1 不同系列温度参数设置对黑蒜的营养、色泽及口感的影响 根据查阅资料,分别给发酵箱设计3组温度变化参数并进行实验,第1组为传统的持续升温加热的生产方式,第2组和第3组参数设计均为齿变式加热,具体程序为在设备启动的前5h温度迅速升至最高温度,随后缓慢下降。期间设置了几个关键温度点,在某个温度点上保持一定时间后,再下降至下一个温度点,变化曲线类似锯齿形状,故称齿变式加热工艺。对3种工艺生产所获得的成品黑蒜进行主要营养成分分析、色泽和口感评价,比较不同系列温度参数对黑蒜营养等方面的影响。

1.3.2.2 同一系列温度条件下不同时间点黑蒜样品主要成分测定分析 按照表1中的第2组温度参数设置进行实验,在加工的0、1.8、2.8、4.5、6.2、24、48、72、96、120、144、168、240、288、312、336、360、384h(停止加热后24h，分别命名为S0～S17。)记录设备的运行温度并取出样品,用于大蒜多糖、还原糖、粗蛋白、多酚、蒜氨酸、蒜酶几种主要成分的测定分析。每项指标分析均设3次重复,取测得数值的平均值进行统计分析,具体测定方法见下文。

1.3.3 几种主要成分的测定方法 采用国标的“酸水解法”[9]测定黑蒜中的多糖,“直接滴定法”[10]测定还原糖,“凯氏定氮法”[11]测定粗蛋白含量,“茶叶中茶多酚含量的测定——高锰酸钾直接滴定法”测定多酚[12-13]。参照张文广等的定硫法检测蒜氨酸和马茜等的硫酸钡吸光比浊法测定大蒜中大蒜素含量[14-15],参照曹红[16]的方法采用丙酮酸法测定蒜氨酸酶活性,考马斯亮兰G-250染色法测定蒜酶蛋白质含量。

1.3.4 感官和风味测定方法 随机选择食品专业学生男女各10人,对所取17个样品进行目测,与颜色卡片对比说出属于哪种颜色,以超过或等于60%的答案为准加以记录;同时进行品尝,说出口感,同样以超过或等于60%的答案为准。

2 结果与分析

2.1 不同系列温度对黑蒜营养成分、色泽和口感的影响

表2 不同系列温度下生产的黑蒜成品样品中主要成分含量比较Table 2 The content comparison of main components with different black garlic processing times

从表2可知,在3组的制备温度处理下,黑蒜的主要营养成分含量无显著差异(p>0.05),但是第3组具有加工时间短,黑蒜成熟快、节省能源的优势,因此确认第3组的连续变温工艺为首选工艺。与第2组参数设计相比,第3组只是适当地缩短了加热时间,为了进一步对工艺进行调整,以下实验针对第2组不同关键时间-温度点进行取样,进行了几种主要营养成分含量变化分析,以期为工艺调整提供数据佐证。

2.2 多糖和还原糖含量变化分析

由图1可知,在加工黑蒜过程中,随着时间的推移,样品中的多糖含量呈下降趋势。样品S10、S16和S17多糖含量分别为2.20%、2.07%和3.01%,含量十分相近,从S10多糖值基本没有明显的变化,因此可以认为S10为黑蒜接近成品的拐点;还原糖在加工的最初4.5h样品中没有测到,之后的样品中含量呈显著上升趋势。从S4的0.62%到S17的47.84%,差值Δ=47.22%升高极其显著(p<0.01)。大蒜中的多糖大部分已转化为还原糖。之所以S17略有提升是因为经过后熟放置,其中水分有所散失。

图1 黑蒜不同加工时间多糖和还原糖含量变化曲线Fig.1 The change curve of polysaccharide and reducing sugars content with black garlic processing time

图2 牛血清蛋白曲线Fig.2 The curve of bovine serum albumin

2.3 粗蛋白和蒜氨酸含量变化分析

从图4可以看出,在整个加工过程中,粗蛋白含量总体呈明显上升趋势,从S0的4.93%到S17的15.43%,差值Δ=10.50%(p<0.01),去除水分影响后两样品之间的差值仍为5.90%(p<0.05)。本研究中粗蛋白含量逐渐增高只能说明与生蒜相比黑蒜中的氨态氮含量有了较大的提高,由此折算得到的粗蛋白含量相应升高。增加的氨态氮的来源和机理还有待于进一步的研究。

图3 丙酮酸标准曲线Fig.3 The pyruvic acid standard curve

图4 黑蒜不同加工时间粗蛋白含量变化曲线Fig.4 The change curve of crude protein ontent with black garlic processing time

从图5可以看出,蒜氨酸含量总体呈下降趋势,由S0到S16下降了95.41%(p<0.01)。其间加工2d后,蒜氨酸含量有缓慢波动趋势,鲜样从S16到S17有1个突然升高,主要是水分含量干扰所致。在生产的中间过程,蒜氨酸的含量部分回升的原因:一般而言,80℃是酶钝化的标准温度。当加工温度达到80℃以上时,蒜瓣中的酶基本都已失活,部分没有接触到蒜酶的蒜氨酸得以保留,因此黑蒜中仍保留了原蒜氨酸总量的6%～7%左右的蒜氨酸。在随后的15d加工过程中,蒜酶已失活,随着蒜蛋白质的缓慢热降解和残存的少数耐高温的内生菌的分解作用,又有一些蒜氨酸逐步降解出来,使黑蒜中的蒜氨酸含量又有显著性地波动式回升。最终回升到蒜氨酸初始含量的0.41倍。

表3 黑蒜加工过程中样品蒜氨酸酶变化情况Table 3 The change case of alliinase content with black garlic processing time

图5 黑蒜不同加工时间蒜氨酸含量变化曲线Fig.5 The change curve of garlic alliin content with black garlic processing time

2.4 蒜酶含量变化分析

从表3可以看出,生蒜样品中的比酶活为11.6383U/mg,与以往的一些文献数据相符[16],随着温度的升高,比酶活和相对比酶活逐渐降低,样品S4和S5中已经没有酶产生。因S4的取样温度已达最高值93℃,而理论上酶的最高耐受温度只有80℃,因此S4以后的样品已没有进行酶活性测定的必要。

2.5 总多酚含量变化分析

由图6可看出,在黑蒜生产过程中多酚含量总体呈显著上升趋势,在第7d的S10鲜样中多酚含量为S0的2.41倍,S17是S0的3.36倍,升高极显著(p<0.01)。如果去除水分的影响,S10是S0的2.54倍,S17是S0的7.94倍;与生蒜相比,黑蒜中的总多酚含量明显增加,这说明在整个齿变式加热过程中,美拉德反应一直在持续进行,蒜中多酚类物质的主要成分为没食子酸类化合物,在受热过程中,大分子化合物发生分解,生成小分子物质,释放出更多含有酚羟基的化合物,因而使其相对含量得到提高[17]。

图6 黑蒜不同加工时间总多酚含量变化曲线Fig.6 The change curve of garlic polyphenols with black garlic processing time

2.6 颜色和口味变化分析

从图7可以清楚地看出从样品S0开始至S17,蒜瓣颜色变化逐步由浅到深,经历了从白色、乳黄色、深黄色、浅黄褐色、黄褐色、褐色、深褐色、褐黑色、黑色+、黑色++、黑色+++、黑色++++的过程,从第7d的S10已经基本变成黑色。从口味角度(数据略),S10已接近成品,只是自此由酸甜口味逐渐变为甜味为主,从营养学的角度,食用低糖食品更加有益于人类的健康。综合色泽和口感,S10可作为黑蒜变色和口感的分界点和控制点。

图7 整个生产过程中蒜瓣颜色变化情况Fig.7 The change case of garlic colors with black garlic processing time

3 结论与讨论

3.1 经过对不同温度系列设置实验比较,确立第3组的齿变式加热工艺为首选的黑蒜生产工艺,原因是与传统生产方式相比,黑蒜的主要营养成分含量无显著差异。而且具有加工时间短,黑蒜成熟快、节省能源,降低生产成本的优势。

3.2 针对第2组齿变式加热工艺,进行了多糖、还原糖、粗蛋白、蒜酶、蒜氨酸、总多酚含量跟踪测定,结果表明随着加热时间延长,从总体上看,多糖和蒜氨酸含量呈下降趋势,还原糖、粗蛋白和总多酚呈明显上升趋势。经差异显著性比较分析,发现第7d的S10样品与生蒜样品S0相比差异极为显著,可以作为这几项指标的关键拐点,此时之后指标的变化不显著;从颜色变化来看S10样品已完全是黑色,与成品颜色基本一致,经烘干后,在外观和口感上基本接近成品。且由于S10样品中糖分含量相对S17较少,对血糖高的消费群体更加有益。因此,可以将加热7d作为关键参数对工艺进行调整,进一步缩短生产周期、降低生产成本。

3.3 具有辛辣味的大蒜之所以能够由白变黑且口感酸甜,在本项实验结果中得到了进一步验证。颜色变黑的主要原因是美拉德反应一直在缓慢发生,随着温度逐步升高和时间延长,蒜瓣中的还原糖和游离氨基酸含量逐步增加,产生了类黑精,经过不断地积累,蒜瓣逐渐变成黑色。蒜酶在失活过程中对蒜氨酸的适度作用产生大蒜辣素随水分挥发出去,从而去除了生蒜的辣臭味及刺激性气味赋予黑蒜舒适的口感,同时蒜氨酸能够得以部分保存,对黑蒜产品基于氨基酸方面的保健作用仍有贡献;还原糖的增加赋予黑蒜甘甜的口感,是使辣臭味大蒜转变成甜味黑蒜的决定因素。总之,与生蒜相比,粗蛋白和还原糖含量的增加大大提高了黑蒜的营养价值,总多酚的增加则赋予了黑蒜抗氧化性去除自由基和延缓衰老的功能,使黑蒜成为比生蒜更具抗氧化、增强人体免疫力、降血压、预防肿瘤等多种功能的保健食品[18]。

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Changes analysis of main nutritional components in theproduction process of black garlic and process optimization

JI Yan-ru,SHI Jie,LIU Yu-feng,LIU Yu,DONG Yan,WANG Yue-ming,YANG Qing-li,GAO Yuan

(Daqing Branch of Heilongjiang Academy of Sciences,Daqing 163319,China)

Change rules of main nutritional components were researched during gear-variable temperature fermentation process. 17 samples were selected on the key time points. Main components,such as garlic polysaccharide,reducing sugar,crude protein,polyphenol,alliin,and garlic enzyme were measured. Results indicated that the garlic polysaccharide content had an obviously declined trend,reducing sugar and crude protein was obviously increased,these three ingredients content in S17samples was respectively 3.01%,47.84% and 15.43%. Polyphenol kept generally on rising,the content of total polyphenol in S17was 3.37 times as that in normal garlic,effect of discard water content could be as much as 7.94 times. Concentration of garlic enzyme was on the decline trend,which completely deactivated at 93℃. Alliin increased after the first decline,the lowest point was 0.32 times as that of normal garlic and the highest point was 0.41 times as that of normal garlic. Based on the regularity of component analysis of data,S10samples were identified as a key inflection point indicating change. According to the taste and sensory evaluation,7d was considered as the key parameter when adjust the process in the fermentation.

black garlic;nutritional component;analysis;process optimization

(黑龙江省科学院大庆分院,黑龙江大庆 163319)

2014-05-19

姬妍茹(1971-)，女，本科，副研究员，研究方向：植物生物技术。

大庆市科学技术局创新能力建设项目(SCX2010-07)；省财政基本科研业务费专项项目(cz10G01)。

TS207.3

A

1002-0306(2015)05-0360-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.05.068