超聲波加速液態發酵食品風味成熟研究進展

劉二蒙,馮拓,高獻禮*,符姜燕,林虹,徐婷,馬海樂,單培

1(江蘇大學 食品與生物工程學院,江蘇 鎮江,212013) 2(廣東美味鮮調味食品有限公司,廣東 中山,528401)

非熱加工作為一種新興的綠色食品加工技術,能夠較好地保持食品原有的色香味品質、營養成分,并且能夠延長貨架期,已逐步成為食品加工領域的研究熱點之一。食品非熱加工技術,如超高壓、超聲波、高壓脈沖電場、高壓二氧化碳等已經應用于食品加工過程中,旨在提高食品質量和安全[1]。商用型超高壓設備已在國外一些發達國家得到了產業化應用[2],國內也有企業正在研究將放大超聲波設備應用于醬油生產。

超聲波作為非熱加工技術中的一種重要技術手段,因其設備具有簡單、易放大、安全性能高和耗能低等優點,在食品行業越來越受到關注。超聲波是指頻率高于人類聽覺閾值(20 kHz)的聲波,它是一種彈性機械波,在彈性介質中傳播時具有頻率高、波長短、功率大、穿透力強等特點[3]。根據其頻率范圍可以分為低頻超聲波(20 k～100 kHz)、高頻超聲波(100 kHz ～1 MHz)和診斷超聲波(1 M～10 MHz),還可以根據超聲波頻率和使用聲強的不同分為2類,即頻率大于100 kHz且聲強低于1 W/cm2的低能量超聲波和頻率在20 k～500 kHz,聲強高于1 W/cm2的高能量超聲波[4-5]。超聲波處理帶來的空化效應、剪切效應、熱效應、微擾作用和機械作用等會引起生物結構的化學和物理變化[6],可應用于食品工業中的殺菌、干燥、提取、液體食品乳化和均質等過程[5]。

傳統液態發酵食品(酒、醬油、醋等)自然發酵周期一般較長,香氣成熟嚴重滯后于滋味物質的成熟,且發酵過程中設備占地面積和勞動強度大,管理相對困難,大大降低了企業生產效率,增加了企業生產成本[7]。因此,加速液態發酵食品風味物質代謝,縮短發酵周期對企業資金周轉和空間利用率都具有十分重要的意義。超聲波可顯著改變液態食品的風味,但不同研究者所使用的超聲波條件(頻率、時間、強度和模式)和研究對象存在顯著差異[8-9],所得到的結果也存在顯著差異。本文在分析大量前人研究結果的基礎上,總結超聲波在加速液態發酵食品風味成熟方面的規律和可能機理,并在此基礎上提出超聲波在加速液態發酵食品風味成熟中存在的問題。

1 超聲波技術參數對液態發酵食品風味形成的影響

食品風味是指食物在口腔內對人的各種感覺受體的刺激并產生的一種短時的、綜合的感覺。它是食品感官質量的重要指標之一,主要包括滋味和香氣[10]。滋味是舌頭和口腔對食物的反應,主要涉及酸、甜、苦、咸和鮮[10]。食品的香氣通常由醇類、醛類、酸類、酯類、含硫化合物、含氮(氧)衍生物等產生,這些化合物含量雖低,卻對食品香氣具有重要作用。香氣是食品極為重要的品質特征,傳統的熱殺菌技術會導致食品中揮發性組分和營養物質的損失。超聲波作為非熱加工方法,在合適的參數下,可以最大限度保持食品原有香氣成分,但有時也會產生不利影響[11-12]。SIMUNEK等[13]研究了大功率超聲波對蘋果汁和蘋果酒中香氣物質的影響,發現與未處理樣品相比,超聲波處理后的樣品中能產生新的香氣物質(如2-甲基丁酸乙酯,2-己烯基2-己酸),但也能使原有的部分香氣物質消失(如己酸異戊酯)。

超聲波對傳統液態發酵食品風味影響的研究在國內外取得了一定的進展。酒類發酵過程中不斷增加的溶解CO2會抑制乙醇和酯類的生成,影響產品質量。日本大關(株)綜合研究所的MATSUURA等人發現,以30 mW/cm2的弱超聲波處理葡萄酒、啤酒和清酒時,可以降低發酵過程中溶解CO2水平,增加酒樣中高級醇和酯的含量,縮短大約一半的發酵時間[14-15]。GOH等[16]對實驗室發酵的醬醪進行連續10 min的超聲波處理(每天1 次/7 d),7 d后超聲處理醬醪中谷氨酸、天冬氨酸含量顯著高于對照醬油,并且滋味物質成熟時間縮短了57%。于淑娟等[17]用超聲波頻率40 kHz、功率為10 W、每10 h超聲15 min,對醬油進行處理后,醬油的氨基酸和氨基酸態氮含量大幅提高,并縮短了至少1個月的發酵周期。由此可知,超聲波處理可顯著改變液態發酵食品的風味。

1.1 超聲波功率對液態發酵食品風味的影響

超聲波功率對液態發酵食品風味形成具有顯著的影響。在一定范圍內,超聲波功率越大,超聲波的催陳效應越強烈,分子擴散速度也越快,加速各催化分子間的重新締合；但功率過大時,會導致部分物質的降解、轉化和揮發,影響食品口感和品質,其對液態發酵食品風味物質形成的影響見表1[18-20]。

表1 不同超聲波條件對液態發酵食品風味形成的影響Table 1 Effects of different ultrasonic conditions on the flavor formation of liquid fermented foods

續表1

在一定超聲波功率范圍內(5～120 W/L),合適的超聲波強度可以加速風味物質(如酸類和酯類)的形成,但過高的超聲波功率(>200 W/L)可能會促進某些香氣物質的消失(如酯類)。此外,功率的單位目前仍然不統一。因此,用統一的功率單位,相同的食品體系內進行比較,數據和結論才更可靠。

1.2 超聲波時間對液態發酵食品風味的影響

超聲波處理時間和超聲波時間段對食品風味形成具有顯著影響。HASHEMI等[21]發現對未發酵的酸奶進行超聲波處理會導致樣品中蛋白酶濃度、肽含量和抗氧化活性增加；在發酵開始時對樣品進行連續超聲波處理或脈沖超聲波處理,除75%的振幅連續超聲波處理的樣品外,所有進行超聲波處理的發酵樣品中蛋白酶活性、肽產物和自由基清除活性均有所提高,改善了發酵乳的品質。總的來說,超聲波預處理和發酵之間存在正相互作用。肖宏艷等[22]和孟祥勇等[23]還分別在產品發酵中期和后期進行超聲波處理,發現對產品風味也有一定的影響(見表1)。

超聲波處理的不同時機和超聲處理時間均對液態發酵食品風味具有重要影響。大量實驗表明,在合適的超聲波強度下,超聲波處理時間過長(60～120 min)可能會導致酯類減少,適宜的超聲波作用時間(10～40 min)對加快酯類物質的生成及其穩定性十分重要,具體見表1[24-26]。另外,不同樣品的最佳超聲波處理時間存在差異,需要針對具體樣品的特性進行具體分析。

1.3 超聲波頻率對液態發酵食品風味的影響

超聲波頻率對液態發酵食品風味物質形成具有重要的影響。乙醛沸點較低,具有辛辣刺激性氣味,而乙酸乙酯是酒精飲料中一種受歡迎的果香味化合物。高級醇(多元醇)如1-丙醇、2-甲基-1-丙醇、2,3-二甲基丁醇和甲醇通常具有米油風味,并在口中產生油膩感。多元醇含量降低程度較小時,再加上乙酸乙酯含量的顯著增加和乙醛含量的顯著減少,糯米酒會產生辛辣、發酸、不柔和的風味。CHANG[27]的研究表明糯米酒在20 kHz超聲波頻率下的效果優于1.6 MHz超聲波頻率,說明低頻超聲波在加速糯米酒風味成熟中的效果要優于高頻超聲波(具體見表1)。劉美玲[20]和袁敏等[28]還指出,隨著超聲波頻率的增大,促進了酒中酸類和醇類物質酯化反應的進行,導致總酸含量減少,總酯含量增多。

超聲波陳化具有替代傳統陳化方法的潛力,合適的超聲波頻率(20 k～80 kHz)可促進液態發酵食品中酯類物質的形成,減少風味高級醇含量。這是由化合物中不同化學鍵對超聲波頻率的敏感性不同造成的,也就是說超聲波頻率與化學鍵之間可能存在某種“選擇性”。因此,深入研究超聲波頻率與化學鍵之間的這種“選擇性”,對利用超聲波處理技術控制液態發酵食品風味具有重要意義。

6. A形容詞辨析。A.普通的，一般的；B.令人感興趣的；C.奇妙的，極好的；D.流行的，受人歡迎的。聯系下文，可知此處指的是你做一般的事情。故選A。

1.4 超聲波模式對液態發酵食品風味的影響

超聲波模式(不同超聲頻率組合/掃頻、固定超聲頻率)對液態發酵食品風味的形成具有重要影響。雙頻超聲波作用下會產生空化泡,空化泡內爆產生新的空化核,既可維持該頻率的自身空化,又可為另一頻率的空化提供新的空化核。雙頻超聲波可增加介質的機械攪拌運動,有助于更多的空氣經液體表面進入液體而導致空化核增加,故適當的雙頻超聲波催陳效果要優于單頻超聲波(見表1)[29]。圖1為單頻和多頻超聲裝置圖[29]。

掃頻超聲波是指圍繞中心頻率周期性的從較低頻率增加至較高頻率的超聲波(圖2為掃頻超聲波的頻率變化曲線)[30],而固定超聲波頻率,顧名思義,超聲波的頻率是固定不變的。掃頻超聲波與固定超聲波一樣具有空化、機械和熱效應,促進蛋白質顆粒破碎完全[30]。超聲波空化效應引起局部巨大的剪切力能夠破壞聚合物鏈,導致顆粒破碎,而掃頻超聲波具有比固定頻率超聲波更大的頻率范圍,可以作用各種結構特點的底物[31],使酶解反應更加充分。

a-單頻超聲裝置示意圖;b-多頻超聲裝置示意圖圖1 超聲裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of ultrasound equipment

圖2 掃頻模式下的超聲頻率變化曲線Fig.2 Frequency variation curve of sweep mode ultrasound

雙頻超聲波和掃頻超聲波模式較單一頻率超聲波對發酵食品風味具有更積極的影響。雙頻超聲波可通過2種頻率超聲波的協同作用,加快風味物質(如酯類)的生成；掃頻超聲波可通過作用底物的多樣性來加快食品內部一系列化學反應的進行,加快食品風味成熟。

2 超聲波對液體食品風味影響的機理

2.1 超聲波可加速微生物細胞生長及代謝并提高膜通透性

適當的超聲波可通過促進微生物生長繁殖和風味物質形成而縮短發酵時間。研究表明,低強度超聲波可依靠機械振動和穩態空化效應加速細胞生長和代謝,提高酶促反應速度,加快理化反應[32-33]。低強度超聲波可通過在細胞膜上形成瞬時孔來提高細胞膜的通透性,這些孔增加了物質在膜上的轉移以及代謝產物如胞內酶的分泌,從而刺激了細胞的生長和增殖[32]。

GHOLAMHOSSEINPOUR等[34]對含有植物乳桿菌的發酵乳進行100 W、30 kHz、25%的振幅超聲波處理后,細胞膜通透性(核酸和胞外蛋白含量)比對照提高了88%～94%。另外,隨著超聲波處理時間的增加(5、10、15 min),發酵結束時乳酸菌菌群數量和發酵乳中抗氧化活性(顯著)增加,β-葡萄糖苷酶活性也有所提高,乳糖含量顯著降低,葡萄糖、半乳糖、乳酸含量顯著增加,牛奶品質進一步提高。DAI等[33]發現,28 kHz、120 W/L、1 h的超聲波強度處理遲緩期的釀酒酵母,酵母的生物量增加了127.03%,還提高了膜通透性,增加了細胞外蛋白質、核酸和1,6-二磷酸果糖的含量。HUANG等[30]利用轉錄組測序技術從基因層面找出了低強度超聲波影響熱帶假絲酵母增殖的關鍵基因,為之后超聲波對微生物影響的研究提供了新的思路。

2.2 超聲波可降低化學反應活化能而加快化學反應速率

適當的超聲波可通過降低化學反應活化能、加快生香反應速率而加速風味化合物形成。前人研究證明超聲波可降低美拉德、酯化、氧化、非氧化、聚合縮合等反應的活化能,加速香氣化合物吡嗪類(如2,6-二甲基吡嗪)、含硫化合物(如3-甲基巰基丙醛)、呋喃(如3乙酰基-2,5-二甲基呋喃)、醛類(如苯乙醛)、酚類(如4-乙基愈創木酚)、酯類(如3-甲基丁酸乙酯)、酮類(如2,3-丁二酮)、內酯(如γ-丁內酯)和酸類(如乙酸)的形成[35-36]。

高強度超聲波提供的較高的瞬時溫度和壓力環境會降低活化能,促進美拉德反應中間產物和終產物的生成[35]。YU等[36]發現超聲波協同美拉德反應生成2,5-二甲基吡嗪所需的活化能顯著低于熱美拉德反應,這說明高強度超聲波可以促進風味化合物的生成。JELENA等[37]定量研究了與熱預處理和常規酶水解相比,探頭型超聲儀和超聲清洗儀產生的超聲波對堿性蛋白酶水解蛋清蛋白的影響,發現與其他方法相比,超聲波預處理可以顯著改善酶解效果；探頭型超聲預處理降低了61.7%水解活化能(Ea)、61.6%酶活失能(Ed)、63.6%焓能(ΔH)和32.2%熵能(ΔS),蛋清蛋白在不同條件下的酶水解速率顯著提高。

2.3 超聲波可改變酶或底物的狀態而加快酶解反應速率

適當的超聲波可增加底物比表面積,增加酶與底物接觸機會,從而加快反應速率,加速發酵食品風味成熟。超聲波的聲化學作用可使蛋白質分子疏水基團暴露、蛋白質二級結構重新分布(α-螺旋結構含量降低,β-折疊和無規卷曲結構含量提高)、蛋白質微觀結構改變(分子粒徑減小),加快酶解反應的進行[38]。

2.4 超聲波可改善傳質過程并促進反應產物擴散進而加快反應速率

適當的超聲波可以改善反應系統中的傳質過程,幫助產物從反應位點擴散到溶液中其他位置,降低位點附近終產物濃度,從而加快風味產物生成速率。在酶促反應過程中,由于底物和酶都是大分子,傳質過程易受限制。而超聲波和酶的協同作用,可以削弱酶和底物之間的擴散阻礙,改善傳質過程[41]。酶催化反應中,超聲波利用空化機制幫助水解產物轉移,促進酶與未分解底物的結合[41],然后促進底物向酶的擴散(即促進酶與底物的結合)和產物向溶液中的釋放。

于淑娟等[17]的研究表明了超聲波的空化作用能移去物料中蛋白質、淀粉表面附近的液體,減薄顆粒表面的滯留層,超聲波空化效應的不斷形成和消失,起到了強烈攪拌的作用,加快了物質傳輸。

通過以上分析可知,超聲波技術在加速發酵產品風味成熟和改善產品品質方面具有廣泛的應用潛力。

3 超聲波加速發酵食品風味成熟存在的問題

盡管超聲波技術在發酵食品風味成熟中表現出良好的效果,但仍存在如下問題：

(1)高強度和長時間的超聲波使得產物可控性差。高強度和長時間超聲波空化作用所產生的自由基會引發一系列化學反應,導致原有風味物質的消失和/或新化合物的形成,可能對液態發酵食品風味造成負面影響。

(2)超聲波空化效應產生的局部高溫高壓以及自由基可導致維生素C、類胡蘿卜素、花色苷等營養物質降解,過高的溫度還會使發酵產品中有益微生物死亡或酶失活。

(3)超聲波在固態體系中能量傳遞效率低,其在固態發酵食品中的應用受到限制。

(4)目前超聲波設備分布不均勻、能耗和占地面積較大,尚未在工廠中進行大規模應用。

4 總結與展望

超聲波在促進發酵食品風味成熟方面具有光明的應用前景,它能夠縮短發酵周期、降低企業生產成本,增大企業空間和資本利用率。目前超聲領域的研究熱點為：(1)研究不同超聲波頻率、時間、強度和模式(頻率組合)對液態發酵食品風味化合物和風味特征的影響。(2)研究超聲波對生物體/食品體系中關鍵活性物質或風味化合物化學鍵的選擇性,以闡明超聲波促進產香微生物繁殖和香氣化合物形成的深入機制。超聲波處理條件(頻率、強度、時間、模式等)對液態發酵食品風味物質形成具有顯著影響。超聲波的空化效應產生的自由基及機械、攪拌、微擾和熱等效應是超聲波改變液態發酵食品風味的可能機理。

適當的超聲波處理可顯著加速和改善液態發酵食品風味物質的形成,不當的超聲波可導致液態發酵食品風味物質降解和風味惡化。超聲波加速液態發酵食品風味成熟的最優條件,隨著液態發酵食品種類的變化而變化。根據液態發酵食品種類和超聲波引起食品風味改變的具體機制設置合理的超聲條件,控制液態發酵食品風味向目標方向發展,并開發和生產工業化生產用超聲耦合發酵設備,使其適應不同液態發酵食品工業化生產,相信這些目標隨著食品工業的發展以及超聲波換能器設計技術的進步會一一實現。