甜菜糖不良风味分析评价及控制策略

杨 钊,赵金力,王 健,王 宝,,陈海军,3,赵抒娜,,*

(1.中粮营养健康研究院有限公司,老年营养食品研究北京市工程实验室, 营养健康与食品安全北京市重点实验室,北京 102209;2.中粮屯河糖业股份有限公司,农业部糖料与番茄质量安全控制重点实验室,新疆昌吉 831100;3.中粮屯河崇左糖业有限公司,广西崇左 200040)

作为两种不同原料的食糖,甘蔗糖和甜菜糖在人们的日常生活中占据重要地位。甜菜糖一般产于高纬度的温带和亚寒带地区,如我国的新疆、内蒙古和东北地区。而甘蔗糖则产于低纬度的热带和亚热带地区,如我国的广西、云南和广东等地区。与甘蔗糖相比,甜菜糖普遍存在一些不愉悦的特征风味[1-3],使得其在食品工业应用过程中,对现场操作人员造成感官上的不愉悦,从而引发甜菜糖下游客户的疑虑,影响甜菜糖的正常使用,造成甜菜糖客户的流失。因此,深入分析甜菜糖不良风味成分及形成机理,通过科学方法客观评估甜菜糖不良风味在终端产品的影响,对整个甜菜制糖业健康发展具有重要的作用。

本文主要从甜菜糖不良风味的组成成分、感官分析、形成机理及其控制与消除策略等方面进行讨论和分析,以期对甜菜糖不良风味问题进行全面了解,为甜菜糖在终端产品中的应用提供一些参考方向和可行性措施。

1 甜菜糖不良风味化学成分分析及感官分析

1.1 甜菜糖不良风味的特征成分

Marsili等[1]对导致甜菜糖不良风味的化合物进行分析、鉴定和定量之后,将土臭素、2,5-二甲基吡嗪、呋喃、丁酸和异戊酸五种物质以不同配比添加到没有不良风味的蔗糖样品中,来模拟甜菜糖不良风味,结果显示甘蔗糖样品也具备了甜菜糖不良风味,由此推断甜菜糖中的特征风味可能包括土臭素、2,5-二甲基吡嗪、呋喃、丁酸和异戊酸。Godshall等[2]的研究认为甜菜糖气味可能来自于土壤微生物活动、甜菜自身(固有或吸收)或是在加工过程,组分多达50种以上,如吡嗪、醛类、醇类、呋喃、酚醛塑料及羧酸等。甜菜糖中的一些短链挥发性脂肪酸,尤其是醋酸、丙酸、异戊酸及丁酸即使在浓度非常低的情况下也易被察觉,如丁酸在空气中的浓度在0.19～4.8 μL/L就会有汗臭的味道,异戊酸在空气中的嗅觉阈值在0.04～2.8 μL/L即可被人感知[3],Hsieh等[4]认为土臭素会带来陈腐和土腥味,即使低于仪器检测的阀值,也可能被人的嗅觉感知,这些含量极低却对成品糖的感官产生明显影响的物质,增加了甜菜糖不良风味的控制难度。

对于甜菜糖的不良风味的可能形成原因,1957年Hungerford[5]结合糖厂的生产工艺,提出甜菜糖的不良风味问题可能与加工过程中的某些工艺参数有关,并给出了一些优化建议。随后Olson[6]通过感官和色谱分析研究认为甲胺和甜菜碱可能与甜菜糖不良风味相关。而Acree等[7]、Murray等[8]研究认为,土臭素和2-甲氧基-吡嗪在甜菜煮制过程中带来土腥味和霉味。Parliment等[9]对甜菜煮制过程中的挥发性物质进行了水蒸气蒸馏萃取,并将所得的萃取液进行GC-MS检测到17种风味物质,提到在甜菜煮制过程中的风味主要不良成分可能是4-甲基吡啶及其他一些类型的吡啶类物质,同时有不到1%的成份可能是二甲基硫醚,异戊醛及呋喃类物质。Clarke等[10]在探究制糖加工工艺中色素的影响因素的同时,也对制糖工艺中的不良风味产生进行了讨论,提出主要有三种风味:一种带有土腥味和蒸煮味的甜菜风味,可能与土臭素相关;一种刺激、类似脂类降解的一种腐败风味,可能与微生物发酵及带入加工工艺的杂质相关;一种刺激的氨味风味,可能与含氮物质(包括蛋白质)的降解有关。

1.2 不良风味的评测方法

甜菜糖风味物质是一个混合体系,甜菜糖释放出的不良风味由多种不同挥发性化合物引起,是一个非常复杂的组分体系,仅仅靠简单几种组分未必能完整地体现甜菜糖的不良风味。同时由于甜菜原料的品质加工过程中工艺参数的动态变化,甜菜糖的不良风味属性也在动态变化,这大大增加了不良风味成分检测分析的难度。Kaipainen等[11]采用电子鼻对食糖进行分析,并且通过GC-MS定量和半定量分析确定了包含不良组分在内的约30种风味成份。Casey等[12]、Batista等[13]采用固相微萃取-气相-质谱(SPME-GC-MS)手段对甘蔗糖和甜菜糖中的短链挥发性脂肪酸进行了半定量分析,结果发现从乙酸到壬酸的短链挥发性脂肪酸与食糖的风味相关。Pihlsgard等[14]的研究表明甜菜液体糖中与感官特征相关的主要物质有很多,其中两类物质占据主要位置,一是吡嗪类,二是短链挥发性脂肪酸类(包括乙酸、丙酸、丁酸、异戊酸等)。Schiwech等[15]也提到可以通过一些工艺上的改进减少食糖产品中的氨味,但随着工艺提升在后续研究中提到氨气作为甜菜不良风味的人不多,可以不认为是目前主流甜菜糖不良风味的特征组分。

甜菜糖不良风味由多种风味物质共同作用,这些风味物质成分复杂,且种类含量都存在差异和波动,导致甜菜糖的不良风味的种类与含量都存在差异和波动。甜菜糖不良风味与不良风味成分分析检测方法分为人的感官评价和仪器检测。人的感官评价快速敏锐,是目前评价甜菜糖不良风味最为直观的方法,也是客户评定甜菜糖是否存在不良风味的方法。但人的感官评价存在主观差异性,采用多人感官评价或利用专业的感官平台进行评价可以有效地降低主观差异性的影响。仪器检测如GC-MS、电子鼻、电子舌一般可以检测到甜菜糖里大多数成分的种类和含量,但成分的种类含量无法直接和不良风味的种类含量对应起来。因此,将人的感官评价和仪器检测相结合,才有可能对甜菜糖不良风味进行客观准确的分析。根据文献、相关实验分析并咨询甜菜糖下游客户,得出甜菜糖中可能存在的不良风味的种类及可能的原因见表1。

表1 甜菜糖常见主要不良风味及可能的形成因素Table 1 The possible reasons for generating the characteristic off-aromas in beet sugar

2 甜菜糖不良风味形成的主要影响因素

2.1 含氮化合物

根据Alanie等[16]的研究,甜菜渗出汁(diffusion juice)中氨基酸含量最高的三种氨基酸是:谷氨酸、天冬氨酸和γ-氨基丁酸,一般情况下,参与美拉德反应的氨基酸反应活性顺序[17]如下:γ-氨基丁酸、赖氨酸>天冬氨酸、脯氨酸、苯丙氨酸>亮氨酸、甘氨酸>丙氨酸、缬氨酸而以美国甜菜糖为例,来源于不同地域的甜菜原液这三种氨基酸的浓度范围如表2[17]所示。

表2 甜菜原液中三种高含量氨基酸的浓度范围Table 2 The content range of amino acid in reasons at high concentration in beet juice

由表2可以看出,甜菜汁中对羰基化合物有较大化学反应性的氨基酸如γ-氨基丁酸、天冬氨酸、及谷氨酸含量相对较高,在碱性条件下与葡萄糖更容易发生美拉德反应而形成多种风味物质,由于甜菜制糖过程中需要进行二次饱充工艺,所需石灰量远高于甘蔗制糖过程中的添加石灰量,因此甜菜制糖工艺中甜菜汁的pH较高,从而使甜菜稀汁、稠汁、和糖蜜乃至成品糖中形成的吡嗪类化合物。

2.2 转化糖

徐祖健[18]在甜菜制糖过程中，采用美拉德反应模拟人工糖汁进行实验时发现当不存在转化糖时,单独的氨基酸只是略微增加一些色值,而有转化糖与氨基酸结合时,产生的色值按照每0.5%转化糖/100折光干固物的量,色值会提高50～60 IU。如果将氨基酸的量增加10倍已不会提高太多色值,如果在粗汁中先行添加少量谷氨酸或者谷酰胺,按超过两倍的氨基酸含量进行添加,在一清汁和二清汁中色值没有明显升高的现象,添加等同量的γ-氨基丁酸对色值也没有太大影响,由此可以看出转化糖的含量是在发生美拉德反应的过程中起决定反应速度的因素。此外,以干固物含量计甜菜果胶仅次于蔗糖含量的组分,将果胶添加在甜菜粗汁中进行试验,添加0.5%果胶会使清净后的糖汁加剧美拉德反应,导致色值增加200 IU。由于果胶分子内的α-(1-4)糖苷键和连在羟基上的酯键水解,会析出半乳糖醛酸。此反应可能在渗出阶段和预灰器的初始阶段在酶的作用下促成,实验证明,如果在粗汁中添加0.86%干固物含量的半乳糖醛酸,会促使形成增加的色素量,与添加相等量的转化糖一样。如果清净操作的效率低,就不会使半乳糖醛酸分解,则该化合物会在蒸发过程中促使发生反应,形成色素和特征风味[18]。

甜菜收获时,本身含有葡萄糖和果糖,且在贮存期间由于酶的作用导致甜菜内蔗糖分解为转化糖。提汁和清净阶段,因高pH和高温的化学作用,蔗糖分解为还原糖,还原糖在碱性情况下,形成醛、酮类化合物和有机酸,可能会造成不良风味成分的产生。在浸出阶段,由于细菌和酵母的作用葡萄糖和果糖会进一步转变为不同的降解产物,不排除产生不良风味物质[19-20]。Reinefeld等[21]对各个工序形成的产物进行查定,发现清净过程中乳酸和羟基乙酸会有所增加,甘油醛也是重要的分解产物。在结晶阶段,易发生焦糖化反应,葡萄糖和果糖在失水的作用下形成蔗糖酐、焦糖酐、焦糖烯之类的产物。

2.3 金属离子

一般甜菜汁中无机物阳离子含量大小依次是K+、Na+、Mg2+、Ca2+、Fe3+离子,对于甜菜制糖工艺中产生不同的影响,一般K+、Na+离子活性高,不容易沉淀,造蜜能力较高,但对色素及特征风味形成的不利影响相对较小。二价离子如Ca2+或Mg2+离子的存在会加速单糖的降解,其降解速率是同样情况Na+离子存在时的4倍,由此可以看出Ca2+离子的存在可能将糖汁中的一些反应色素与蛋白等大分子一起絮凝沉淀,减少杂质进入后续工艺[22-23]。

Fe3+离子(或者Cu2+离子)的存在容易发生催化反应,对美拉德反应及焦糖化反应均造成比较明显的影响[24-25]。一般情况下,糖的焦糖化反应被定义为固体蔗糖的降解,一般发生的条件为200 ℃,pH在3～9之间,但在低浓度下如果有杂质,尤其是Fe3+离子存在的情况下,焦糖化反应的温度可能会大幅下降至40 ℃[22]。因此在工艺中,尤其是结晶步骤中,应尽量避免糖液直接与热铁金属表面接触,糖浆的进料设备也应避免这种情况发生。因此在清净过程及后续工段需要防止设备或者管道中的铁被逐渐腐蚀而溶入糖汁,造成美拉德反应及焦糖化反应的加剧,从而可能会形成铁锈和血腥味等特征风味,造成不良的回味影响甜菜糖的口感。

2.4 微生物

糖作为一种碳源,在加工过程中容易造成微生物滋生繁殖的问题。在甜菜制糖生产中,细菌芽孢附着在甜菜表面,随破损和腐坏的甜菜经流送和甜菜洗涤水进入糖厂,在加工过程中将蔗糖转化分解形成如丁酸、异戊酸等有机酸产物,从而导致制糖生产中的糖分损失增加,纯度下降,有害杂质增加[26]。尤其是在甜菜贮存和甜菜丝浸出环节,微生物生长繁殖迅速,杂菌代谢产生的有机酸等不受欢迎的风味物质,直接形成类似发酵、霉变的风味,后续带入到甜菜糖成品中,造成不良影响。

3 甜菜糖不良风味的来源及改善措施

甜菜糖不良风味是一个复杂的混合物体系,其来源和形成累积过程也是非常复杂的,从甜菜的生长、收割、贮存、加工到成品甜菜糖的包装、仓储和运输,各个环节都可能生成或引入甜菜糖不良风味。

3.1 甜菜原料

目前我国甜菜糖以新疆的产量最大,新疆甜菜主栽品种引进自德国、瑞典、美国、荷兰等国,约占95%左右,以德国丰产型的品种最多,种植面积最大,丰产型甜菜产量高,但该品种抗病性较差,含糖率低。根据胡华兵[27]的研究,新疆地区甜菜品种种植时间久,品种结构单一,加上甜菜重茬、迎茬面积大,使得甜菜根腐病、丛根病等病害大面积爆发,造成品种抗逆性相对下降,含糖率下降至11%～13%,导致甜菜容易感染微生物,腐烂变质,从而严重影响甜菜原料品质。同时甜菜种植户为了追求高产量,过量增加水分供应量和氮肥施用比例,虽然增加了甜菜块根的产量,但却增加了原料中含氮杂质的比例,降低甜菜含糖率,从而给后续的甜菜加工造成负担,也降低了甜菜糖的品质。新疆地区过去20年里过度施用氮肥的情况并没有明显解决改善,反而有逐年加重的趋势[28-29]。过量氮肥施用虽然提高了甜菜单产,但会造成以下几个危害:①甜菜原料含糖率大幅下降,有害氮等杂质含量增加,高杂质造成糖厂提纯负荷和难度的增加,也增加了甜菜糖中杂质及其衍生物残留量,从而产生不良风味等品质问题;②甜菜中Na+、K+离子及氨基氮的含量也偏高,而这些都是造蜜能力很强的三种非糖物质,废蜜的增加可能造成提糖率降低,痕量物质更容易裹挟在产品中,造成风味的遗留;③氮浓度大造成糖厂蒸发罐等设备腐蚀,造成金属溶出,加剧美拉德反应[30]。

可以通过两大措施改善甜菜原料品质:①按质论价,即以甜菜的产糖量定价,这一做法早在上世纪70年代末就已在欧洲一些发达国家广为推行,收购甜菜实行以质定价的模式,将农户与糖厂双方的利益紧紧地捆绑在一起。新疆有些甜菜制糖厂近几年也开始意识到这一问题的重要性,并开始尝试推行按质论价,但由于农户与糖厂双方利益脱钩,推行甜菜收购按质论价的政策仍存在一定难度。这种利益割裂的局面对甜菜原料品质控制极为不利,最终影响甜菜制糖业的整体效益和市场竞争力;②降低有害氮等杂质含量,甜菜有害氮的概念说法不一,比较一致的看法是凡是非结构蛋白的氮素都可以认为是有害氮,其中包括各种氨基酸、酰氨、甜菜碱、无机氮及各种可溶性含氮化合物,从制糖的角度来看,这些非结构蛋白的氮化合物均不利于制糖提纯[31]。根据遇琦[32]的研究,甜菜块根干物中的全氮量高于0.6%时,有害氮的数量明显增加。而甜菜根中各个部位有害氮的含量也是不一样的,有害氮高的部位是根头,其次是尾根,根体中有害氮含量最低。因此,需对甜菜进行合理的切削处理,适当切除甜菜根头和根尾,以降低有害氮等杂质含量。

3.2 甜菜储藏过程

在甜菜的储藏过程中,影响甜菜品质主要有以下几点:①呼吸作用[33],甜菜的呼吸作用可以使甜菜蔗糖分量降低,块根重量减少,产生的二氧化碳、水和热量会使甜菜的菜堆温度增高,湿度增大,其呼吸时的糖分损失与温度有关,每当温度升高10 ℃,糖分损失速度会增加1～1.5倍;②酶类活动[34],在甜菜保藏过程中,影响最大的是蔗糖转化酶,其在甜菜生长过程可以有效促进光合同化作用,利于单糖和蔗糖的形成,而在储藏过程中可以促使蔗糖分解为单糖。在新鲜的甜菜中,蔗糖转化酶为化合状态,水解作用很弱,而甜菜块根枯萎、冻化或者腐烂时,细胞的固有结构被破坏,一部分酶就会变成游离状态而加剧蔗糖的水解,造成糖分的损失和单糖成分含量增加。同时蛋白酶也会在储藏过程中分解蛋白质,形成的分解产物有害氮含量增加,加剧后续过程中杂质和特征风味的产生。储藏过程中腐烂的甜菜也会由于真菌感染分泌出来的酶使果胶溶解,造成可溶性果胶质含量增加,对后续加工造成影响;③微生物作用[35],保藏过程中甜菜腐烂主要是因为微生物的感染,主要是真菌(主要是霉菌)和细菌。甜菜在储藏过程中呼吸排出的水分形成饱和湿空气利于微生物的生长,使含糖降低。杂菌代谢产物的增加都可能是甜菜在保藏过程中品质劣变,产生有机酸等不受欢迎的风味物质,形成类似发酵、霉变的风味给后续加工带来干扰。

根据甜菜储藏过程中的变化特点,可采取以下措施进行积极预防:①开堆散热,降低温度,以减弱甜菜的呼吸作用,减少糖分的损失;②由于真菌类倾向于在酸性环境下繁殖,在储藏新鲜甜菜的时候撒放石灰粉也是有效的消毒方法,将石灰乳按照一定比例在收购时往车上甜菜喷洒,这样在卸车和成堆时,石灰便均匀的分布在甜菜上,需要注意的是,腐烂性细菌会喜好碱性环境,因此甜菜堆如果腐烂即不可再撒熟石灰,否则会加速腐烂;③采用甲醛液、二氧化碳、高锰酸钾、二氮代苯和六氯代乙烷等杀菌剂[36],喷洒化学杀菌剂的情况存在一旦浓度降低,微生物又会繁殖起来的情况,而此时甜菜的自然抵抗力已被破坏,反而会加剧甜菜的腐烂,造成原料品质的劣变。

3.3 甜菜加工过程

有些不良风味物质是随甜菜进入糖厂,Colonna等[37]在洗菜水中检测到了土臭素,这与Clarke等[10]的结论相符合。根据Pihlsgard等[38-39]对甜菜液体糖挥发性组分进行检测,并对制糖工艺进行梳理后发现,土臭素可能出现在甜菜加工过程的前工段,但在后工段有可能被除去而没有出现在终产品中。Pihlsgard等[39]于2000年调研了丹麦丹尼斯克糖厂的液体甜菜糖的挥发性成分在甜菜制糖工艺中不同环节的成分变化,根据丹尼斯克糖厂的工艺采用两步法,后续工艺以离子交换及活性炭进行清净处理,分别在浸出汁、稀汁、浓汁等处取样进行测定,并且对所得到的两种pH(9、7.6)浓汁(样品E)进行测定,发现不同特征风味成分在加工过程中变化趋势复杂,例如2,6-二甲基吡嗪,2-乙基-5-甲基吡嗪、3-甲基环戊等在最终产品中依旧存在;而2-乙基己醇、吲哚、呋喃等化合物在原汁中没有,但在加工过程中出现;而土味素、丙酸、己酸等化合物在初始原汁中存在,但在后续加工中低于仪器的检测限而没有检测到,虽然土味素等化合物仪器检测不出,但是因为其嗅觉阈值很低,在浓度非常低的情况下,也有可能被人感觉到。由此可以推断在pH较高或者澄清不彻底的条件下,可能会倾向于形成不易去除的特征风味物质分子。从工艺上看,碳酸饱充作为糖汁澄清的关键步骤,因为蔗糖的转化,氨基酸的去除和Fe3+离子等在加灰及饱充环节发生和去除,如果杂质去除不彻底,将对后续工序产生较大的影响,因此需要格外注意。

在甜菜加工制糖过程中,主要有两种反应造成不良风味的形成[40],一个是蔗糖被加热过程中的焦糖化反应,形成的主要特征风味类型为焦糊、苦涩、或者刺激性特征风味。焦糖化反应可能会产生糖醛类、酮类、呋喃类和酸类物质,同时也伴有深色色素产生;美拉德反应更是加工过程中形成挥发性物质的一个主要反应,在转化糖和氨基酸同时存在的情况下,可能发生上千种复杂的化学反应,同时生成大量的化学物质,其中就包含吡嗪类、短链挥发性脂肪酸类等形成不良风味的主要成分。含氮化合物、转化糖、金属离子和微生物等都是影响上述反应,影响甜菜糖不良风味产生的重要因素。

甜菜制糖的澄清过程对甜菜糖不良风味有重要影响。例如,吡嗪类化合物在糖汁澄清环节的碳酸化过程中因葡萄糖与诸如谷氨酸和赖氨酸等氨基酸反应而产生的。“碳酸化”是将汁与热的石灰乳混合以沉淀硫酸根、磷酸根、柠檬酸根、和草酸根等多价阴离子(作为钙盐进行沉淀),并除去蛋白、皂角苷和胶质等有机大分子(在多价阳离子存在下聚集)。而碱性条件下将单糖(葡萄糖和果糖)连同氨基酸(谷氨酸)转化为化学稳定的羧酸,诱发美拉德反应,产生诸如吡嗪类等不利的化合物,并且这些糖类和胺类可能会干扰蔗糖颗粒在结晶过程中的晶粒的结晶[41]。

糖的转化意味着糖分的损失和不必要杂质物质的产生,需要尽可能的使羰基碳化合物保持最低水平,避免糖的转化从而减缓美拉德反应的程度[42-44]。可以采取以下几个措施进行:①转化糖主要在加灰阶段进行去除,在浸出汁中添加石灰可以破坏转化糖,使其形成热稳定的物质,从而防止与糖汁中的氨基酸在后续工艺中发生反应,因为有Ca2+离子的存在会比后续工艺中Na+离子大量存在的情况更容易去除;②转化糖的降解产物多发生在温度升高至85 ℃,pH高达11～12的情况下,加灰阶段的反应温度尽量保持较低温度;③Cu2+离子或者Fe3+离子的存在会催化降解反应,在糖的蒸发工艺使用不锈钢蒸发罐(尤其在温度最高的蒸发阶段);④添加氧化剂以抑制糖的降解反应,SO2可容易与色素前体物质醛类形成β-磺化醛类化合物,使其不易发生美拉德反应从而降低清汁的色泽和减少特征风味产生。同时在制糖工艺中,物料中各组分会对总风味造成影响之外,工艺条件参数的准确控制也是影响产品品质的重要因素[45],例如在絮凝过程中保证絮凝效果,防止效果不佳,使本应去除的物质回到物料造成后续处理的负担和杂质增加;避免过度加热及过高碱度造成糖分损失和不良风味增加;有效控制结晶的速度,避免结晶不均匀或者包裹母液导致特征风味情况加剧,从而影响最终产品的品质。对于冷凝水,分离气等环节进行有效控制,避免有害微生物或者组分加入到工艺中,降低产品品质。

甜菜在加工过程中,由于厌氧菌的活动可能会产生丁酸和异戊酸,一般情况下丁酸的正常含量应该是0.01%～0.05%,如果含量超过0.1%,那么就说明是被细菌感染或是污染了。由于微生物活动产生的不良风味物质,如果在后续的工艺中没有被去除,将会导致最后的甜菜糖样品出现不良风味,从而在检测中被发现。经过调研走访行业内人士,甜菜制糖加工工艺中可能导致厌氧菌污染主要可能有4个方面:①如果洗菜水没有放入充足的的化学药品或是pH不达标,同时没有足够量的干净水将甜菜窖中所有甜菜洗干净,则洗菜水就会被污染,窖池中洗菜的水就会带厌氧菌,通常情况下洗菜水带1%～2%的厌氧菌;②压浆系统如果使用被污染的螺杆压缩机设备,可能会导致死角处产生微生物污染,造成特征风味物质带入加工工艺;③清净糖汁过滤系统净化不足,糖汁通过脏的或是污染过的钢管,或死角(断头管)而受到污染;④当在结晶罐中使用冷凝水时,如果系统温度过低,也有可能造成冷凝水中富集不良风味。

同时在制糖工艺中,也应避免低品质物料的多次循环利用,一些易挥发的组分气体(如氨气等)在蒸发过程中会随冷凝水一起排出,但是如果这些冷凝水未经净化就直接用于糖成品洗蜜等工序,相当于将这些富集了多种特征风味成分的组分又重新带回,造成成品糖不良风味的加剧和富集。

4 国内外针对甜菜糖不良风味的处理方法

4.1 空气处理方法

空气处理是一种常见的不良风味处理方法,采用洁净空气或含臭氧气体处理糖产品,可有效去除糖品表面不良风味成分。但挥发性物质可能会存在于糖浆层的深处,甚至存在于晶体内部,空气处理后,这些深层特征风味物质可能会最终扩散到表面并导致白砂糖重新产生不良风味。Duffaut等[46]研究了不同处理时间、温度、风压等实验条件对于不良风味的去除效果发现,将空气直接通入白砂糖晶体层可去除部分挥发性化合物,风速越慢,挥发性脂肪酸物质去除效果越好,风速高时,可能因空气流过糖层时并不均匀,并且产生风道,出现偏流,使空气与白砂糖的接触减少,风速增加3倍时不良风味物质去除率降低在10%左右。白砂糖经80 ℃热风处理后仍然具有微弱的不良风味,因此,空气处理较适用于不良风味比较轻微的样品,该研究同时考虑了将空气处理装置使用在白砂糖的离心分离(糖的温度为65～70 ℃)处,最为节省能量,但此时糖相对湿度较高,鼓入空气可能引发其他问题。因此,作者认为空气处理可应用在糖品干燥阶段(糖的温度在25～30 ℃),并采用高温慢速分批处理,或者由白砂糖的下游客户根据需要进行处理。

Duffaut等[47]也进行了通入不同浓度的臭氧对存有不良风味的甜菜糖进行处理的实验,发现臭氧可将部分糖中具有较显著风味的脂肪酸如乙酸、3-甲基丁酸等物质氧化,使其转化成风味不明显的己酸、壬酸等组分,但并不适用于所有的食糖产品,同时经臭氧处理的糖样品在20 d又出现不良风味,而经空气处理后的糖样品不良风味的复现不明显,而且由于空气的价格更低廉,空气处理成本较低,比臭氧具有更高的可行性。

4.2 纯化处理方法

对甜菜糖加工环节的糖浆进行纯化处理也是去除不良风味有效的处理措施。Coca等[48]对甜菜糖浆的不良风味物质进行鉴定,并采用苯乙烯-二乙烯基苯树脂固相吸附剂去除吡嗪类等风味组分,结果显示,使用固相吸附剂可有效去除甜菜糖风味特征物质。固相吸附剂不仅包括树脂,还包括Empore纯化系统,甜菜糖浆可通过带有特定官能团的特氟隆膜(Teflon)进行渗滤,达到减轻不良风味的作用。Mosen等[49]提到在叶滤机环节采用0.05%～0.2%的活性碳对糖汁进行处理,仅可以去除色素,还可以去除胶体、不愉快的味道、呈味物质、起泡物质(如皂类化合物)。应用活性炭等吸附剂对糖浆进行澄清处理,可有效降低特不良风味物质在食糖终产品中的残留。同树脂相比,活性碳的添加相对简便、易于操作、成本较低、可行性高。Gyura等[50]、Djuria等[51]则采用纳滤或者微滤的方式将甜菜糖中的非糖物质除去,从而避免非糖成分在结晶分离的过程中带来干扰,提高糖浆的纯度,也可在一定程度上减弱不良风味物质在终产品中的残留。

4.3 电场处理方法

丹麦丹尼斯克制糖公司[52]发明一种电渗析及活性炭吸附的联合处理技术,可用来脱除甜菜糖蜜中发现的不愉悦风味物质(有机酸、吡嗪类物质等),使之变成可食性红糖。在实际应用过程中需要进一步评估工业化的成本投入及实施难度,制定合理有效的可行性方案。

总而言之,如果甜菜原料的有害氮及灰分偏高,会造成糖蜜增加,糖分损失,并形成不良风味、色素等非糖杂质,危害较大,需要从源头上制定政策指标进行约束,减轻后续处理的负荷。在甜菜储藏环节,注意通风降温,以防甜菜堆积增加甜菜腐烂变质的机会。在甜菜加工环节,甜菜清洗过程中注意监测水质,不用过脏的水清洗甜菜,以免加剧微生物感染,产生不良风味;糖汁蒸发过程中加热温度升高、时间延长,美拉德反应加剧,采取措施抑制反应以减少产生不良风味成分的机会;加热过程中注意减少Fe3+离子的影响,以免加剧催化蔗糖转化反应,产生不必要的中间产物,为后续的结晶带来不良风味组分;结晶过程中砂糖冷却温度不宜过高,以免影响结晶效率;注意控制砂糖粒度,保证结晶均匀且砂糖粒度适中可略偏大,避免包裹母液加重风味的产生。通过甜菜加工过程的精细管理,也可以减缓甜菜糖不良风味的加重。

5 甜菜糖在食品中应用案例分析

针对行业内存在甜菜糖不良风味的普遍问题,可通过借鉴国内外经验来客观应对,对目前行业内推动可行的应对措施有重要的指导意义。

以美国糖业加工研究所针对甜菜糖不良风味的研究[1-2,11-17]有三个阶段:①1994～2006年期间,该研究所及其它研究结构(如丹麦等国)集中发表了关于甜菜糖特不良风味分析的文章,显示在此期间欧美市场也面临目前国内类似的甜菜糖不良风味问题,同时也有部分研究团队提出不同的处理措施以减少甜菜糖不良风味的影响;②2007年:美国厨师协会(CIA)的注册主厨DeSaintis发给美国糖业协会的一封意见书显示[53],针对甜菜糖普遍存在的不良风味美国甜菜糖下游客户存在意见分歧,有人认为甜菜糖会对不同配方的下游产品造成影响,而另一方持相反意见,美国糖业协会委托第三方机构进行了独立测试实验,针对6个评测人进行6份菜单(此处并未提供评测方法)评测,结论认为甜菜糖和甘蔗糖在所测试产品中并未表现出差别,之后几年美国糖业加工研究所未见关于甜菜糖不良风味的相关研究;③2014～2015年:出现关于甜菜糖的感官测评方面的文章[54-55],这些文章几乎同时提交,可认为是同时期所做的不同产品测试,论文开展了甜菜糖与甘蔗糖在简单糖水、点心、布丁、搅打奶油、雀巢冰茶饮料中感官测试对比分析,结果如表3所示。不论液态还是固态物质,糖的感官测试可能与在成品中的净含量及配方中其他成味物质有一定关系。在纯水体系里,并且在高含量50%的情况下,甜菜糖与甘蔗糖作感官测评比较,可以看出两者存在明显差异;而在配方中存在较多其他风味物质,并且糖的净含量低于30%的情况下,两者并不具备差异。对于国内食糖应用较广的食品工业应用产品中一般糖的净含量在8%～12%,应用甜菜糖是否会造成明显的风味差别,仍需根据应用体系进行进一步论证。

表3 甜菜糖在食品及饮品体系中的应用Table 3 Application of beet sugar in various formulas of foods and drinks

6 结论与展望

甜菜糖的不良风味体系复杂，虽然部分不良风味物质感官阀值极低，但其对感官造成的影响明显。鉴于国内原料自身特点及现有加工工艺限制，采用经济可行的手段进行脱除的难度较大，目前国内外尚未见到完全脱除的相关报道，但通过原料端的控制、加工工艺的升级以及后续的储藏及运输环节的精细化管理，可在一定程度上缓解甜菜糖的不良风味问题。对于甜菜糖不良风味的判断，即使在成品糖相关理化指标合格的情况下，含量极低的不良风味物质也会对成品糖的总体感官造成较大影响，而目前甜菜糖风味体系尚无标准的化学检测方法，人工感官分析主观性强，需建立稳定的人工感官评价和仪器检测结合方法，对甜菜糖不良风味进行客观准确的分析。

同时，甜菜糖风味的辨识度与所在食品配方体系相关，在糖含量较高，体系单一的情况下，甘蔗糖与甜菜糖产品存在可辨识的显著差异；而在糖含量较低，产品配料风味丰富的情况下，甘蔗糖与甜菜糖产品经感官测评并无显著差异。因此，对于甜菜糖的下游应用客户，由于甜菜糖不良风味对下游所应用的产品体系是否会造成显著影响并无明确定论，建议根据产品配料体系酌情选取甜菜糖或甘蔗糖产品。如有必要，可参照美国糖业协会的方式，将产品送检到具有检测资质的第三方感官机构进行感官测评实验，以便客观判断甜菜糖不良风味对所应用产品体系的综合影响。