基于數學定量分析的醬油釀造核心參數控制優化

張方娟，張俊芳，張藝飛

(1.西安汽車職業大學，西安 710600；2.寧夏師范學院，寧夏 固原 756000；3.深能保定發電有限公司，河北 保定 072150)

醬油是日常生活中常用的調味品，以小麥和豆類為生產原料，經過一系列生產工藝過程釀造而成，并且具有獨特的風味[1]。醬油中含有大量的蛋白質、氨基酸、維生素以及多種無機鹽。醬油含有多種香味成分，主要包含醇類、有機酸、酮類、醛類。在醬油釀造生產過程中，會產生微量的有害物質，主要包含尿烷、真菌類以及酚醛類物質，當該類物質濃度達到一定程度時，會對人體產生危害[2,3]。由于釀造過程中原材料、釀造工藝以及過程因素的影響，對此類有害物質的含量難以進行有效控制。

尿烷是醬油中普遍存在的一種獨特物質，國際癌癥研究機構規定當尿烷濃度大于一定程度時，即為2A類致癌物[4]。醬油中尿烷是由釀造過程中間產物發生化學反應產生，因此研究醬油釀造核心參數，對尿烷含量進行控制具有非常重要的影響。

1 醬油中尿烷的形成

在醬油釀造過程中，為增加醬油中的風味物質，一般會添加一定量的酵母菌和乳酸菌來改善醬油的口感。酵母菌在代謝過程中產生尿素，尿素是形成尿烷的基礎性物質，尿素含量的增加會導致尿烷的生成概率上升[5,6]。醬油釀造過程中尿素的循環過程見圖1。

圖1 尿素在醬油釀造過程中的循環Fig.1 The circulation of urea in soy sauce brewing process

由于精氨酸脫亞氨基酶(ADI)、鳥氨酸轉氨甲酰酶(OTC)、氨基甲酰激酶(CK)等多種酶的影響，乳酸菌的代謝產物生成不同類型的氨基酸，為尿烷的形成提供了基礎性物質，并釋放出能量，改變醬油釀造環境的溫度、pH值。乳酸菌代謝產物的循環途徑見圖2。

2 醬油尿烷含量的測定

本文在對醬油中尿烷含量進行測定時，選用一種高效液相色譜熒光顯示的方法，被檢測的醬油樣品經過萃取后進行濃縮，并與測試試劑進行混合，達到熒光相應的條件。本文選取不同生產地、不同釀造工藝以及不同功能的3種醬油，對其尿烷含量進行測定[7]。

6個不同產地的醬油中尿烷含量柱形圖見圖3。

圖3 不同地區醬油中尿烷含量柱形圖Fig.3 The column chart of urethane content in soy sauce in different regions

由圖3可知，湖南地區的醬油中尿烷含量約為0.08 mg/L，廣東和香港地區的醬油中尿烷含量約為0.04～0.06 mg/L，山東和河北地區的醬油中尿烷含量約為0.04 mg/L，日本醬油中尿烷含量約為0.03 mg/L。因受原材料、水質以及釀造工藝參數等的影響，不同的醬油中尿烷含量不同，其中釀造工藝參數對尿烷含量的影響最大。

3種不同方式釀造的醬油中尿烷含量柱形圖見圖4。由圖4可知，低鹽固態法釀造的醬油中尿烷含量約為0.08 mg/L，天然曬制法釀造的醬油中尿烷含量約為0.06 mg/L，高鹽稀態法釀造的醬油中尿烷含量約為0.03 mg/L。

圖4 不同方式釀造醬油中尿烷含量柱形圖Fig.4 The column chart of urethane content in brewed soy sauce by different ways

4種不同功能的醬油中尿烷含量柱形圖見圖5。

圖5 不同功能醬油中尿烷含量柱形圖Fig.5 The column chart of urethane content in soy sauce with different functions

由圖5可知，老抽和生抽中尿烷含量略高，約為0.05～0.06 mg/L，濃口和淡口醬油中尿烷含量約為0.03 mg/L。

3 工藝參數與尿烷含量的關系

通過上一章節的分析可以看出，醬油釀造的過程工藝參數會促進或者抑制醬油中尿烷的形成。本文對醬油釀造過程中的溫度、鹽度以及酵母菌濃度3個工藝參數進行了分析，研究3個工藝參數與醬油中尿烷含量的關系。

3.1 溫度與尿烷含量的關系

分別對20，30，37 ℃條件下生產的3種醬油進行監測，觀察在不同時間階段醬油中尿烷的含量。3種溫度條件下醬油中尿烷含量的變化曲線見圖6。

圖6 不同溫度條件下尿烷變化曲線圖Fig.6 The change curves of urethane content under different temperature conditions

由圖6可知，從第3天開始，3種溫度條件下的尿烷含量均明顯上升，其中37 ℃條件下的尿烷含量增長幅度最大，20 ℃時尿烷含量的增長幅度最小。由此說明溫度對醬油中尿烷的形成具有明顯的影響，隨著溫度的升高，尿烷含量的變化幅度逐漸升高。在釀造過程中，可通過控制釀造溫度來控制醬油中尿烷的形成。

3.2 鹽度與尿烷含量的關系

分別對醬油中鹽度為1%、3%、5%的3種醬油進行監測，觀察在不同時間階段醬油中尿烷的含量。3種不同鹽度條件下醬油中尿烷含量的變化曲線見圖7。

圖7 不同鹽度條件下尿烷變化曲線圖Fig.7 The change curves of urethane content under different salinity conditions

由圖7可知，從第3天開始，3種不同鹽度條件下的尿烷含量均呈現上升趨勢，其中鹽度5%條件下的尿烷含量增長幅度最大，鹽度1%時尿烷含量的增長幅度最小。由此說明鹽度對醬油中尿烷的形成具有明顯的影響，隨著鹽度的升高，尿烷含量變化幅度逐漸升高。在釀造過程中，可通過降低釀造環境中鹽的含量來減少尿烷的形成。

3.3 酵母菌濃度與尿烷含量的關系

在醬油釀造過程中，分別加入10%、20%、30% 3種不同濃度的酵母菌，觀察在不同時間階段醬油中尿烷的含量。3種不同酵母菌濃度條件下醬油中尿烷含量的變化曲線見圖8。

圖8 不同酵母菌濃度條件下尿烷變化曲線圖Fig.8 The change curves of urethane content under different yeast concentration conditions

由圖8可知，從第3天開始，醬油中尿烷含量均呈現上升趨勢，其中酵母菌濃度為30%條件下的尿烷含量增長幅度最小，酵母菌濃度為10%條件下的尿烷含量增長幅度最大。隨著酵母菌濃度的升高，尿烷含量增長幅度降低。在釀造過程中，可適當增加酵母菌濃度來抑制尿烷的生成。

4 釀造過程參數優化

在醬油釀造過程中，釀造環境的溫度、鹽度以及酵母菌濃度均會對尿烷的含量造成一定的影響，根據前兩章節的分析檢測及查閱相關資料[8-10]，按照正交試驗模型指標值的權矩陣建立釀造過程參數優化模型[11]。

定義溫度、鹽度以及酵母菌濃度關重矩陣為：

依據關重矩陣建立27種不同形式影響因素組合，醬油釀造過程工藝參數組合矩陣圖見圖9。

圖9 醬油釀造過程工藝參數組合矩陣Fig.9 Combination matrix of technological parameters in soy sauce brewing process

5 試驗驗證

按照圖9中27種不同組合方式進行醬油釀造過程驗證，經過12 d釀造后，尿烷含量檢測數據見表1。

表1 尿烷含量檢測數據Table 1 The test data of urethane content

由表1可知，當溫度為20 ℃，鹽度為1%，酵母菌濃度為30%時，在各釀造時間段，尿烷濃度最低；當溫度為37 ℃，鹽度為5%，酵母菌濃度為10%時，尿烷濃度的增長幅度最高。

6 結論

當釀造溫度低時，釀造過程中尿烷的合成速率低，在釀造完成后，醬油中的尿烷含量低；當釀造環境中鹽度較低時，尿烷在釀造過程中合成速度較慢，成品醬油中的尿烷濃度較低；在釀造過程中，酵母菌濃度越高，尿烷的合成速度受到抑制，導致尿烷在醬油中的含量較低。通過對釀造過程核心參數進行優化，要達到較低的尿烷濃度，需選擇釀造溫度為20 ℃，釀造環境中鹽度為1%，酵母菌濃度為30%。