3种干燥方式对香菇挥发性物质及感官特性的影响

鲁加惠,张雨露,梁 进,张 梁,张海伟

(安徽农业大学茶与食品科技学院,安徽省农产品加工工程实验室,安徽合肥 230036)

香菇(Lentinulaedodes)素有“菇中之王”美称,风味独特,深受消费者的喜爱,在我国种植已有800多年历史[1]。新鲜香菇的保鲜期约3 d,其采后仍能通过自身呼吸作用,消耗菇体内的营养物质,导致菌盖褐变、开伞、水分丧失,甚至木质化,降低其营养价值和商品性[2]。因此香菇采后常通过干燥技术加工成干制品,便于贮藏,同时形成香菇特有的风味。

目前香菇干燥方式主要有热风干燥(Hot-Air Drying,HAD)、真空冷冻干燥(Freeze Drying,FD)、微波干燥(Microwave Drying,MVD)、微波真空冷冻干燥(Microwave Vacuum Freeze-Drying,MVFD)等。HAD的设备成本低、操作方便,同时热风(65～80 ℃)能使香菇内还原糖与蛋白质发生美拉德反应,形成浓郁的香菇特征风味,所以HAD是香菇加工的常用方式[3-5]。FD能较完整的保留物料的营养物质、形状且干制品的复水速率和复水性好[6]。MVFD将微波与真空冷冻干燥技术联合,在干燥过程中利用微波提供物料所需的升华潜热,使物料中的固态水直接升华为水蒸气。研究表明采用MVFD加工双孢菇片、芒果片、秋葵、海参等,使得干燥效率提高、复水性增加,并能保持良好的营养与感官品质[7-10]。香菇的挥发性物质是香菇风味的重要组成部分,不同的加工方式对香菇挥发性物质有显著的影响,导致香菇风味属性及强度不同。因此,比较不同干燥方式加工的香菇干制品挥发性物质和干制及复水熟制品感官特性变化,是评价香菇品质的重要指标之一。

目前,国内外利用电子鼻、HS-SPME-GC-MS技术区分和鉴定香菇及香菇干制品挥发性物质的研究较多。李文等[11]利用电子鼻系统对不同生长阶段的香菇子实体风味进行差异区分,结果发现香菇子实体在成熟期、未开伞生长阶段与菌盖完全开伞后风味有较显著差异。薛佳、刘静等研究发现,鲜香菇中的挥发性风味物质主要为酮类、醇类和含硫化合物,干制后的香菇中醇类和酮类化合物均减少,酸类化合物均增加[12-13]。有研究者报道,干香菇中主要挥发性物质为含硫类化合物,具有类似于洋葱、大蒜的炒香味,其中香菇素(1,2,3,5,6-五硫杂环庚烷)被认为是香菇香气中最主要的风味化合物[14-16]。安晶晶等[17]利用同时蒸馏萃取、GC-MS技术分析比较了鲜、干香菇的风味成分,结果发现鲜香菇中八碳化合物含量为44.13%,含硫化合物含量为21.53%;干香菇中八碳化合物含量为10.28%,含硫化合物含量为49.29%。Politowicz等[18]利用HS-SPME-GC-MS和GC-FID技术亦发现了相同的规律,即干香菇中八碳化合物较鲜香菇显著减少,含硫化合物显著增加。但对于不同干燥方式的香菇干制品挥发性物质变化与感官特性的定量分析和研究较少。

本实验以整鲜香菇为对象,分别采用HAD、FD与三段式微波真空冷冻干燥(Three-stage Microwave Vacuum Freeze-drying,TS-MVFD)技术干燥加工,利用电子鼻结合HS-SPME-GC/MS探讨不同干燥方式下香菇干制品中挥发性风味物质构成及其特征变化,并通过标度法定量分析3种香菇干制品及复水熟制后的感官特性,以期为香菇干制品加工及品质分析提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

新鲜香菇 购于安徽省合肥市周谷堆农贸市场,运回实验室后放置在温度(4±1) ℃,相对湿度90%±5%的冷库中贮藏备用,挑选未开伞、无霉变、虫蛀,且菌盖直径在(5±1) cm的香菇样品用于干燥实验。

NJL07-9 型微波真空冷冻干燥炉 南京杰全微波设备有限公司;Christ Gamma 1-16 LSC plus真空冷冻干燥机 德国Christ 公司;GZX-9246 MBE数显鼓风干燥箱 上海博迅实业有限公司医疗设备厂;PEN3型号电子鼻 德国AIRSERSE 公司;Agilent 7890A-5975C GC-MS 联用仪,配有HP-5MS(0.25 mm×0.25 μm×30 m nominal)色谱柱 美国安捷伦公司;聚二甲基硅氧烷/二乙烯基苯萃取头(PDMS/DVB,65 μm) 美国supelco公司。

1.2 实验方法

1.2.1 热风干燥 参考涂宝军等[15]方法,并稍作修改。香菇去柄后平铺在干燥箱载料盘上,热风温度70 ℃,干燥至终点湿基含水量13%(wet basis moisture content,w.b.)以下时即完成干燥。

1.2.2 真空冷冻干燥 参考赵圆圆等[19]方法,并稍作修改。香菇去柄后置于-80 ℃预冻8 h,放入真空冻干机中,设置加热板温度为30 ℃,冷阱温度降到-40 ℃,真空度设置为50 Pa,干燥至终点含水量为13%(w.b.)以下时即完成干燥。

1.2.3 三段式微波真空冷冻干燥 香菇去柄后于-80 ℃预冻结8～12 h。先开启冷阱使干燥腔内温度降至-35 ℃以下,放入预冻结香菇物料,随后开启真空泵。当真空度低于100 Pa时开启微波加热。本文基于先前研究,采用三段式微波真空冷冻干燥:第一阶段微波功率10～20 W,运行30 min,香菇失水率5%±0.5%(w.b.)。第二阶段50 W干燥3 h,干燥至含水量30%±0.5%(w.b.),第三阶段,30 W干燥1.5 h,含水量低于13%(w.b.)时即认为干燥完成。本方法中三个阶段的微波功率选择是前期已经优化过的。

1.2.4 水分含量 烘箱直接干燥法,参照GB 5009.3-2016《食品中水分的测定》方法[20]。

1.2.5 电子鼻测定 参考李文等[11]方法,并稍作修改。干制香菇样品粉碎过60目筛,准确称取1.0 g 样品置于100 mL顶空瓶中,加盖密封,室温下静置平衡30 min后检测。电子鼻测定参数:清洗时间120 s;归零时间5 s;预进样时间8 s;测定时间60 s,载气流速400 mL/min。每个样品测定6次。

利用电子鼻自带的WinMuster软件进行主成分分析与判别因子分析。

1.2.6 HS-SPME-GC-MS检测香菇干制品挥发性物质

表1 香菇感官属性的定义及参比Table 1 Definition and reference of Letinous edodes sensory attributes

1.2.6.1 挥发性物质的提取 参考邓龙等[21]方法,并稍作修改。准确称取1.0 g香菇粉末样品(过60目筛),置于20 mL SPME样品瓶中,封口,在50 ℃恒温水浴中平衡30 min。萃取头预先在GC进样口250 ℃老化30 min去除杂质,然后插入样品瓶中,萃取40 min。萃取完成后,迅速移出萃取头,立即插入GC-MS气相色谱进样口,于250 ℃ 解吸3 min,同时启动仪器采集数据。

1.2.6.2 挥发性物质的分析 参考邓龙等[21]方法,并稍作修改。GC/MS条件:色谱柱为HP-5MS 5% Phenyl Methyl Silox石英毛细管柱;进样口温度250 ℃;升温程序:初始柱温40 ℃,保持3 min,以6 ℃/min上升至120 ℃,保持2 min,再以10 ℃/min升至230 ℃:载气(He)流量1 mL/min;柱前压力10 psi;不分流进样。

MS条件:采用全扫描模式采集信号;电离方式EI+,电子能量70 eV;离子源温度230 ℃;接口温度260 ℃;质量扫描范围m/z 45～500。

1.2.6.3 挥发性风味化合物的定性定量分析 所得GC-MS检测结果通过计算机标准物质质谱数据库(NIST11)检索处理,利用C8～C20正构烷烃的保留时间计算各个色谱峰的保留指数,并参考已发表的文献定性鉴定检出成分,确定挥发性物质的化学组成,统计匹配度大于80%的挥发性成分,按面积归一法计算各成分的相对含量。

1.2.7 感官评价 评价小组由12位评价人员(年龄:20～60岁;男性4位,女性8位)组成,在评价前经过基本的味觉、嗅觉、香菇的感官属性、标度方法培训,培训时间大于20 h,并且对香菇无特殊的喜爱或厌恶感。

标尺采用5点数字标度,增量为0.5,来量化香菇各属性的强度,其中0表示无,5表示极强。

参比样均选用市售某品牌干香菇,香菇感官属性、定义、参比样强度见表1[22-24]。

香菇熟制方法:先在40 ℃水中复水40 min(干香菇∶水=1∶40)。取100 g复水香菇样品于1000 mL沸盐水(含Nacl 4‰)中煮制5 min,捞出冷却至室温备用。

样品采用随机三位数编码,平衡排序呈送。每个样品测定3次。

1.3 数据处理

利用Origin 9.0软件统计实验数据,计算平均值及标准偏差,并绘制图表。应用SPSS 18.0软件进行方差分析,采用Duncan新复极差法比较因素水平间的差异(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同干燥方式对香菇干燥曲线的影响

从图1的干燥曲线可以看出,香菇含水率达到13%,干燥方式ST-MVFD、FD、HAD所需时间分别是5、7.5和14 h。TS-MVFD的干燥时间最短,干燥速率最大,在干燥过程中先是一段时间的升速干燥阶段后转为降速解析阶段,干燥阶段没有恒速干燥[10]。FD分为升华干燥和解吸干燥阶段,在解析阶段需要将物料内部较紧密的结合水除去,干燥速率明显下降,且传热效率低,所以在冻干过程中解吸时间较长[6]。HAD加热由表及里,干燥脱水速率较慢,且干燥速度保持相对较平恒[25]。TS-MVFD对物料的穿透加热效果要明显优于FD,尤其是在物料水分含量低的情况下更能体现出介电加热的优势,比传统冷冻干燥时间缩短一半以上[26]。

图1 不同干燥方式对香菇干燥曲线的影响Fig.1 The profiles of mushroom moisture content under different drying methods

2.2 电子鼻分析不同干燥方式对香菇挥发性物质的影响

图2是三种干燥方式下香菇干制品的电子鼻指纹雷达图。电子鼻传感器S7、S9和S2对干香菇挥发性物质响应值信号明显较高,由PEN3传感器的敏感性特征可知,S7,S9和S2传感器分别对硫化类物质、芳香有机硫化物质、氮氧化合物灵敏,说明香菇干制品中特征挥发性物质主要为含硫化合物[1],且三种干燥方式香菇干制品挥发性物质在S2、S7传感器的响应值差异显著(P<0.05),其中HAD方式产品的气味强度较大,这可能与加工过程中较高的温度有关[13]。

图2 香菇干制品的电子鼻指纹雷达图Fig.2 Electronic nose odor radar fingerprints of dried mushrooms

对电子鼻数据进一步进行主成分分析(Principle Component Analysis,PCA)和判别因子分析(Discriminant Factor Analysis,DFA)(图3)。从图3中可以看出,PCA的第1和第2主成分贡献率分别为73.13%、20.21%;DFA的第1和第2主成分贡献率分别为62.00%、32.00%,PCA和DFA总贡献率分别达到93.34%和94.00%,几乎提取了原始数据的全部信息,用其代表香菇的电子鼻整体信息可信度非常高。从PCA图和DFA图均可以看出,三种干燥方式的香菇干制品被显著地分为3个部分,位于图的不同的象限中,分离程度很大,说明三者的挥发性风味物质差异非常显著,电子鼻结合PCA或DFA可以很好地区分三种干燥方式加工的香菇。

图3 不同干燥方式的香菇干制品PCA和DFA图Fig.3 PCA and DFA of dried mushroom samples with different drying methods注:a、b分别代表PCA和DFA图。

2.3 GC-MS分析不同干燥方式对香菇主要挥发性物质的影响

三种方式干燥的香菇干制品中主要挥发性物质的种类和相对含量分析结果见表2。经鉴定分析发现,ST-MVFD、FD、HAD分别检出56种、44种、40种挥发性物质(表2),主要包括醇类、烷烃类、醛类、苯类和含硫类化合物。从图4和表2可以看出TS-MVFD香菇干制品种主要挥发性物质为烷烃类、硫类化合物,如1-辛烯-3醇、十一烷、香菇素等;FD样品中主要挥发性物质为醇类和烃类物质,如1-辛烯-3醇、十一烷、乙醛;HAD样品中含硫化合物含量较高,主要有二甲基二硫醚、二甲基三硫醚、香菇素等。因为在干燥过程中TS-MVFD和FD的加工温度相近,相比较于HAD,二者挥发性物质较相似,与电子鼻检测结果一致(图3a)。

表2 三种不同方式干燥的香菇主要挥发性成分及相对含量SPME-GC-MS分析结果Table 2 SPME-GC/MS analysis results of major volatile compounds and relative amount of dried mushroom samples with three different drying methods

续表

注:“nd”表示未检出。

图4 不同干燥方式对香菇样品中挥发性物质种类的影响Fig.4 Effects of different drying methods on varieties of volatile components in mushroom samples

干香菇中主要挥发香气成分为含硫类化合物,其中香菇素被认为是香菇特征性香气中最主要的风味化合物[14-16]。本实验中,HAD香菇中香菇素含量高于其它两种香菇且含硫化合物的种类最多,而FD香菇中香菇素含量最低。这与电子鼻检测结果相一致,即对硫化物敏感的S7传感器对HAD香菇挥发性物质响应值最高,对FD样品响应值最低。

干香菇中还含有醛类、醇类、酮类,酯类,和烷烃类等化合物,这些挥发性物质在香菇风味中起到一定的调和互补作用(表2)。其中醇类物质1-辛烯-3醇是新鲜香菇中含量很高的八碳化合物,它具有浓郁的蘑菇风味,被称为“蘑菇醇”,该化合物不稳定,遇热会分解,温度越高,破坏越大[27]。本实验中HAD香菇中1-辛烯-3醇含量最低,显著低于FD和TS-MVFD香菇,这可能会影响到香菇制品的风味。此外,一些吡嗪类和吡啶类化合物具有烤香味、肉香味,吡嗪类杂环化合物是美拉德反应的重要产物之一,与香菇风味亦密切相关[28]。

2.4 不同干燥方式对香菇感官品质的影响

相比较于FD和TS-MVFD香菇干制品,HAD香菇菌褶与菌盖色泽更深、皱缩度与硬度更大、硫味更浓,香菇味差异不显著(图5)。这可能由于热风干燥导致香菇物料皱缩,内部细胞结构交叠;硫味强度最高,与电子鼻及HS-SPME-GC-MS分析结果一致(图2、表2)。TS-MVFD香菇皱缩度显著高于FD香菇,但菌褶与菌盖色泽及硬度变化与FD相似,且香菇味、硫味高于FD香菇。这可能因为微波提供的热在干燥前期对物料有轻微的膨化作用,导致一定的皱缩;另外微波热有利于香菇特殊的香气物质产生,而且非酶褐变的美拉德反应也会促使部分香气产生[4],故干燥温度最低的FD香菇气味最淡。

图5 不同干燥方式对香菇干样感官特性的影响Fig.5 Effects of different drying methods on sensory characteristics of dry mushrooms

三种干燥方式的香菇干制品复水并且熟制后的感官特性见图6。在外观方面,HAD香菇的色泽最深,这也表示色泽的变化是不可逆的[23]。在气味方面,煮制后的FD样品香菇气味还是最淡的,而TS-MVFD样品的香菇味强度却接近了HAD样品,这可能是在煮制过程中热处理促进了香气物质的生成。在风味方面,咀嚼过程中TS-MVFD样品的香菇味最浓,甚至超过了HAD样品;TS-MVFD在鲜味、甜味和回甘属性上均最高,这可能是因为微波真空冷冻干燥不仅保留了样品的营养物质,而且增加了呈味氨基酸的含量[29]。有研究报道真空微波冷冻联合干燥对铁棍山药、小米等品质影响较小,能较好的保留原料中的营养物质[30-31]。李书红等[32]报道低温、真空干燥能较大程度的保留即食扇贝柱呈味氨基酸的含量。在口感方面,HAD样品的口感较硬,咀嚼比较费力,而FD和TS-MVFD样品较容易咀嚼;在弹性、嫩度、平滑度、多汁性方面,TS-MVFD香菇的强度最高,且在残渣属性上是最低的。这可能与干燥过程中香菇形成的细小均匀的微观结构密切相关[19]。

图6 不同干燥方式对煮制香菇的感官特性影响Fig.6 Effects of different drying methods on sensory characteristics of cooking mushrooms

3 结论

香菇脱水至13%以下,TS-MVFD干燥时间仅需要5 h,比传统冷冻干燥时间缩短一半以上。电子鼻结合PCA或DFA能良好区分三种干燥方式的香菇干制品。TS-MVFD、FD、HAD香菇干制品中分别检出56种、44种、40种挥发性物质。TS-MVFD的香菇干制品中主要为烷烃类、硫类,如1-辛烯-3醇、十一烷、香菇素等;FD中主要为醇类和烃类物质,如1-辛烯-3醇、十一烷、乙醛;HAD中含硫化合物含量较高,主要有二甲基二硫醚、二甲基三硫醚、香菇素等。香菇干制品的感官特性就色泽及形态保持看,FD处理最好,TS-MVFD的香菇气味更浓。复水熟制后,TS-MVFD香菇样品的风味、口感明显优于HAD和FD干燥产品。因此,TS-MVFD干燥香菇品质较优,且相对干燥时间短,是一种有推广价值的干燥方式。