黑蒜生產過程中主要營養成分變化分析及工藝優化

姬妍茹,石 杰,劉宇峰,劉 玉,董 艷,王月明,楊慶麗,高 媛

(黑龍江省科學院大慶分院,黑龍江大慶 163319)

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黑蒜生產過程中主要營養成分變化分析及工藝優化

姬妍茹,石 杰,劉宇峰,劉 玉,董 艷,王月明,楊慶麗,高 媛

研究在齒變式加熱發酵工藝中黑蒜主要營養成分的變化規律。選擇關鍵時間點抽取17個樣品,對其中大蒜多糖、還原糖、粗蛋白、多酚、蒜氨酸、蒜酶幾種主要成分進行測定分析,結果表明在整個生產過程中大蒜多糖含量呈明顯下降趨勢,還原糖、粗蛋白含量呈明顯上升趨勢,S17樣品中三者含量分別為3.01%、47.84%、15.43%;多酚一直呈上升趨勢,S17鮮樣品中總多酚含量為生蒜的3.37倍,去除水分影響可高達7.94倍。蒜酶含量呈下降趨勢,到93℃完全失活;蒜氨酸呈先下降后回升趨勢,最低點樣品中蒜氨酸含量為生蒜的0.32倍,最高點時回升為生蒜的0.41倍;依據主要成分分析的數據變化規律,確定了S10樣品為各項指標變化的關鍵拐點,結合感官及味覺評價確定在發酵箱內加熱7d為關鍵參數對工藝進行調整。

黑蒜,營養成分,分析,工藝優化

黑蒜又名黑大蒜,發酵黑蒜,是用新鮮的生蒜,帶皮放在發酵容器內發酵制成的食品。與生蒜相比黑蒜的營養保健功能和藥用價值有了較大的提高,比如在抗氧化性、防癌抗癌、殺菌消炎、抗衰老、調節血糖水平、保肝護肝、增強免疫功能、治療高血壓和心腦血管疾病等方面[1]。近幾年來關于黑蒜藥用價值的研究較多,尤其是黑蒜的防癌、抗癌功能更加受到科研工作者的重視。王鑫[2]等研究表明黑蒜水提液對肝癌腫瘤有明顯的抑制生長作用,抑瘤有效率可大于40%。林思祥等[3]采用黑蒜水提液聯合放射治療肝癌,降低了腫瘤標志物的表達,提高了患者的生存質量,王義善等[4]利用小鼠對此更深一步進行了機理方面的研究,證明黑蒜提取液

表1 黑蒜加工中不同制備溫度系列設計Table 1 The different design of preparation temperature during the black garlic processing

聯合放療可明顯抑制荷H22小鼠移植瘤的生長,其作用機制可能與其下調抗凋亡Bcl-2蛋白及上調促凋亡Bax蛋白的表達和提高機體抗氧化能力有關。楊桂清[5]等證明黑蒜提取液對肺癌細胞具有放射增敏作用。這些研究為黑蒜水提液可以作為純中藥抗腫瘤藥物,提供了臨床實驗的依據[3]。這些科研成果的取得更加激勵食品研發者對黑蒜加工工藝的研發熱情。黑蒜加工最早始于日本的青森縣,2007年北海道大學北村清彥等在中國申請了黑蒜專利“發酵制作黑大蒜的方法”[6],由此黑蒜生產工藝開始引進中國,在陜西、山東、江蘇等省都有相關的研究開展。起初,黑蒜的生產周期比較長,一般需要60～90d,科研人員為了加快生產周期,針對工藝優化方面開展了多方面研究。羅倉學等通過對發酵工藝中溫度、時間、原料品種、料液質量比、破碎粒度影響因素的實驗分析,以黑蒜產品的感官評價及其可溶性糖含量、總酚含量、超氧化物歧化酶(SOD)活性為指標,來探究溫度對黑蒜發酵的影響,同時確定液態黑蒜發酵的最佳工藝參數[7]。安東研究了大蒜在70、80、90℃三個溫度條件下總酚、HMF、可溶性糖、還原糖、游離氨基酸等含量的變化過程,確定黑蒜有效熟化時間范圍[8]。2010年,本單位自主研制了黑蒜生產設備,建立了獨特的齒變式加熱生產工藝,并進行了中試實驗,本項目針對黑蒜生產過程中多糖、還原糖、粗蛋白、蒜氨酸、蒜酶和總多酚六種主要營養成分進行了跟蹤測定分析,研究了它們在整個生產周期內的變化規律,以期為驗證黑蒜保健功能提供佐證數據,并為確立和完善發酵黑蒜生產工藝提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大蒜,購于黑龍江省阿城市,手工清選、清洗、晾干后用于實驗。試劑:檢測使用的化學試劑均采用分析純。

1.2 儀器與設備

數顯恒溫水浴鍋 HH-1型,金壇市盛藍儀器制造有限公司;紫外可見分光光度計 UV-759型 上海精密科學儀器有限公司;鼓風干燥箱 DHG-9070A型,上海飛躍實驗儀器有限公司;電子天平 FA1104N型,上海民橋精密科學儀器有限公司;黑蒜發酵箱 由黑龍江省科學院大慶分院自行研制。

1.3 實驗方法

1.3.1 黑蒜的生產方法 分別稱取17份清洗晾干后的大蒜0.5kg,裝入厚塑料袋,封口后裝入發酵箱內,關好箱門,啟動程序,進行加工。

1.3.2 發酵工藝的優化實驗

1.3.2.1 不同系列溫度參數設置對黑蒜的營養、色澤及口感的影響 根據查閱資料,分別給發酵箱設計3組溫度變化參數并進行實驗,第1組為傳統的持續升溫加熱的生產方式,第2組和第3組參數設計均為齒變式加熱,具體程序為在設備啟動的前5h溫度迅速升至最高溫度,隨后緩慢下降。期間設置了幾個關鍵溫度點,在某個溫度點上保持一定時間后,再下降至下一個溫度點,變化曲線類似鋸齒形狀,故稱齒變式加熱工藝。對3種工藝生產所獲得的成品黑蒜進行主要營養成分分析、色澤和口感評價,比較不同系列溫度參數對黑蒜營養等方面的影響。

1.3.2.2 同一系列溫度條件下不同時間點黑蒜樣品主要成分測定分析 按照表1中的第2組溫度參數設置進行實驗,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(停止加熱后24h，分別命名為S0～S17。)記錄設備的運行溫度并取出樣品,用于大蒜多糖、還原糖、粗蛋白、多酚、蒜氨酸、蒜酶幾種主要成分的測定分析。每項指標分析均設3次重復,取測得數值的平均值進行統計分析,具體測定方法見下文。

1.3.3 幾種主要成分的測定方法 采用國標的“酸水解法”[9]測定黑蒜中的多糖,“直接滴定法”[10]測定還原糖,“凱氏定氮法”[11]測定粗蛋白含量,“茶葉中茶多酚含量的測定——高錳酸鉀直接滴定法”測定多酚[12-13]。參照張文廣等的定硫法檢測蒜氨酸和馬茜等的硫酸鋇吸光比濁法測定大蒜中大蒜素含量[14-15],參照曹紅[16]的方法采用丙酮酸法測定蒜氨酸酶活性,考馬斯亮蘭G-250染色法測定蒜酶蛋白質含量。

1.3.4 感官和風味測定方法 隨機選擇食品專業學生男女各10人,對所取17個樣品進行目測,與顏色卡片對比說出屬于哪種顏色,以超過或等于60%的答案為準加以記錄;同時進行品嘗,說出口感,同樣以超過或等于60%的答案為準。

2 結果與分析

2.1 不同系列溫度對黑蒜營養成分、色澤和口感的影響

表2 不同系列溫度下生產的黑蒜成品樣品中主要成分含量比較Table 2 The content comparison of main components with different black garlic processing times

從表2可知,在3組的制備溫度處理下,黑蒜的主要營養成分含量無顯著差異(p>0.05),但是第3組具有加工時間短,黑蒜成熟快、節省能源的優勢,因此確認第3組的連續變溫工藝為首選工藝。與第2組參數設計相比,第3組只是適當地縮短了加熱時間,為了進一步對工藝進行調整,以下實驗針對第2組不同關鍵時間-溫度點進行取樣,進行了幾種主要營養成分含量變化分析,以期為工藝調整提供數據佐證。

2.2 多糖和還原糖含量變化分析

由圖1可知,在加工黑蒜過程中,隨著時間的推移,樣品中的多糖含量呈下降趨勢。樣品S10、S16和S17多糖含量分別為2.20%、2.07%和3.01%,含量十分相近,從S10多糖值基本沒有明顯的變化,因此可以認為S10為黑蒜接近成品的拐點;還原糖在加工的最初4.5h樣品中沒有測到,之后的樣品中含量呈顯著上升趨勢。從S4的0.62%到S17的47.84%,差值Δ=47.22%升高極其顯著(p<0.01)。大蒜中的多糖大部分已轉化為還原糖。之所以S17略有提升是因為經過后熟放置,其中水分有所散失。

圖1 黑蒜不同加工時間多糖和還原糖含量變化曲線Fig.1 The change curve of polysaccharide and reducing sugars content with black garlic processing time

圖2 牛血清蛋白曲線Fig.2 The curve of bovine serum albumin

2.3 粗蛋白和蒜氨酸含量變化分析

從圖4可以看出,在整個加工過程中,粗蛋白含量總體呈明顯上升趨勢,從S0的4.93%到S17的15.43%,差值Δ=10.50%(p<0.01),去除水分影響后兩樣品之間的差值仍為5.90%(p<0.05)。本研究中粗蛋白含量逐漸增高只能說明與生蒜相比黑蒜中的氨態氮含量有了較大的提高,由此折算得到的粗蛋白含量相應升高。增加的氨態氮的來源和機理還有待于進一步的研究。

圖3 丙酮酸標準曲線Fig.3 The pyruvic acid standard curve

圖4 黑蒜不同加工時間粗蛋白含量變化曲線Fig.4 The change curve of crude protein ontent with black garlic processing time

從圖5可以看出,蒜氨酸含量總體呈下降趨勢,由S0到S16下降了95.41%(p<0.01)。其間加工2d后,蒜氨酸含量有緩慢波動趨勢,鮮樣從S16到S17有1個突然升高,主要是水分含量干擾所致。在生產的中間過程,蒜氨酸的含量部分回升的原因:一般而言,80℃是酶鈍化的標準溫度。當加工溫度達到80℃以上時,蒜瓣中的酶基本都已失活,部分沒有接觸到蒜酶的蒜氨酸得以保留,因此黑蒜中仍保留了原蒜氨酸總量的6%～7%左右的蒜氨酸。在隨后的15d加工過程中,蒜酶已失活,隨著蒜蛋白質的緩慢熱降解和殘存的少數耐高溫的內生菌的分解作用,又有一些蒜氨酸逐步降解出來,使黑蒜中的蒜氨酸含量又有顯著性地波動式回升。最終回升到蒜氨酸初始含量的0.41倍。

表3 黑蒜加工過程中樣品蒜氨酸酶變化情況Table 3 The change case of alliinase content with black garlic processing time

圖5 黑蒜不同加工時間蒜氨酸含量變化曲線Fig.5 The change curve of garlic alliin content with black garlic processing time

2.4 蒜酶含量變化分析

從表3可以看出,生蒜樣品中的比酶活為11.6383U/mg,與以往的一些文獻數據相符[16],隨著溫度的升高,比酶活和相對比酶活逐漸降低,樣品S4和S5中已經沒有酶產生。因S4的取樣溫度已達最高值93℃,而理論上酶的最高耐受溫度只有80℃,因此S4以后的樣品已沒有進行酶活性測定的必要。

2.5 總多酚含量變化分析

由圖6可看出,在黑蒜生產過程中多酚含量總體呈顯著上升趨勢,在第7d的S10鮮樣中多酚含量為S0的2.41倍,S17是S0的3.36倍,升高極顯著(p<0.01)。如果去除水分的影響,S10是S0的2.54倍,S17是S0的7.94倍;與生蒜相比,黑蒜中的總多酚含量明顯增加,這說明在整個齒變式加熱過程中,美拉德反應一直在持續進行,蒜中多酚類物質的主要成分為沒食子酸類化合物,在受熱過程中,大分子化合物發生分解,生成小分子物質,釋放出更多含有酚羥基的化合物,因而使其相對含量得到提高[17]。

圖6 黑蒜不同加工時間總多酚含量變化曲線Fig.6 The change curve of garlic polyphenols with black garlic processing time

2.6 顏色和口味變化分析

從圖7可以清楚地看出從樣品S0開始至S17,蒜瓣顏色變化逐步由淺到深,經歷了從白色、乳黃色、深黃色、淺黃褐色、黃褐色、褐色、深褐色、褐黑色、黑色+、黑色++、黑色+++、黑色++++的過程,從第7d的S10已經基本變成黑色。從口味角度(數據略),S10已接近成品,只是自此由酸甜口味逐漸變為甜味為主,從營養學的角度,食用低糖食品更加有益于人類的健康。綜合色澤和口感,S10可作為黑蒜變色和口感的分界點和控制點。

圖7 整個生產過程中蒜瓣顏色變化情況Fig.7 The change case of garlic colors with black garlic processing time

3 結論與討論

3.1 經過對不同溫度系列設置實驗比較,確立第3組的齒變式加熱工藝為首選的黑蒜生產工藝,原因是與傳統生產方式相比,黑蒜的主要營養成分含量無顯著差異。而且具有加工時間短,黑蒜成熟快、節省能源,降低生產成本的優勢。

3.2 針對第2組齒變式加熱工藝,進行了多糖、還原糖、粗蛋白、蒜酶、蒜氨酸、總多酚含量跟蹤測定,結果表明隨著加熱時間延長,從總體上看,多糖和蒜氨酸含量呈下降趨勢,還原糖、粗蛋白和總多酚呈明顯上升趨勢。經差異顯著性比較分析,發現第7d的S10樣品與生蒜樣品S0相比差異極為顯著,可以作為這幾項指標的關鍵拐點,此時之后指標的變化不顯著;從顏色變化來看S10樣品已完全是黑色,與成品顏色基本一致,經烘干后,在外觀和口感上基本接近成品。且由于S10樣品中糖分含量相對S17較少,對血糖高的消費群體更加有益。因此,可以將加熱7d作為關鍵參數對工藝進行調整,進一步縮短生產周期、降低生產成本。

3.3 具有辛辣味的大蒜之所以能夠由白變黑且口感酸甜,在本項實驗結果中得到了進一步驗證。顏色變黑的主要原因是美拉德反應一直在緩慢發生,隨著溫度逐步升高和時間延長,蒜瓣中的還原糖和游離氨基酸含量逐步增加,產生了類黑精,經過不斷地積累,蒜瓣逐漸變成黑色。蒜酶在失活過程中對蒜氨酸的適度作用產生大蒜辣素隨水分揮發出去,從而去除了生蒜的辣臭味及刺激性氣味賦予黑蒜舒適的口感,同時蒜氨酸能夠得以部分保存,對黑蒜產品基于氨基酸方面的保健作用仍有貢獻;還原糖的增加賦予黑蒜甘甜的口感,是使辣臭味大蒜轉變成甜味黑蒜的決定因素。總之,與生蒜相比,粗蛋白和還原糖含量的增加大大提高了黑蒜的營養價值,總多酚的增加則賦予了黑蒜抗氧化性去除自由基和延緩衰老的功能,使黑蒜成為比生蒜更具抗氧化、增強人體免疫力、降血壓、預防腫瘤等多種功能的保健食品[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

(黑龍江省科學院大慶分院,黑龍江大慶 163319)

2014-05-19

姬妍茹(1971-)，女，本科，副研究員，研究方向：植物生物技術。

大慶市科學技術局創新能力建設項目(SCX2010-07)；省財政基本科研業務費專項項目(cz10G01)。

TS207.3

A

1002-0306(2015)05-0360-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.05.068