双孢蘑菇干制技术研究进展

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(1.中国农业大学食品科学与营养工程学院,北京 100083;2.北京市食品营养与人类健康高精尖创新中心,北京 100193;3.中国农业大学工学院,北京 100083)

双孢蘑菇(Agaricusbisporus),因其担子上通常着生2个担孢子而得名,在分类上隶属真菌门,担子菌纲,无隔担子菌亚纲,伞菌目,蘑菇科,蘑菇属[1],在世界范围内广泛种植[2],是目前世界种植面积和消费量最大的食用菌之一[3]。由于双孢蘑菇不耐贮藏、容易在运输途中受损,对其进行加工以保持商品价值一直是双孢蘑菇相关研究的重点。目前常用的加工方式有干制、罐藏两种。干制双孢蘑菇体积小、重量轻,便于运输贮藏,但色泽易褐变;罐藏双孢蘑菇色泽明亮,口感与新鲜蘑菇更为接近,但运输成本较高。

双孢蘑菇具有较高的营养价值和一定的生理活性,被认为是一种蛋白质含量较高的优质食用菌[4];此外,双孢蘑菇还含有丰富的膳食纤维、维生素、多酚类物质[5]及矿物质[6]。研究发现,食用双孢蘑菇可降低小鼠血清中总胆固醇水平[7]、降低血糖和血脂[5]、预防非酒精性脂肪肝[8]的作用。双孢蘑菇多糖也被认为具备良好的抗氧化[9]、免疫调节和抗肿瘤的特性[10]。然而新鲜双孢蘑菇容易失水、受机械伤、衰老,商品价值极易受损。因此,干制作为一种有效的延长双孢蘑菇贮藏期的处理方式,受到国内外研究学者的广泛研究。研究表明,双孢蘑菇干制的预处理有利于提高干燥速率及干制品品质[11]。热风干制操作简便,但产品品质较差[12];冷冻干制产品品质特性如复水性、色泽等最好,但运转成本较高[13];微波干制产品品质好、高效且节能,但由于散热问题而大规模推广应用困难[14];联合干制的产品品质明显优于热风干制、真空干制,同时可以显著缩短干制时间[15],是未来干制方法的重要研究方向。

本文对双孢蘑菇的生产情况、传统干制方法存在的问题进行了介绍,重点探讨了预处理对双孢蘑菇干制的影响、联合干制等干制方法的研究进展,为双孢蘑菇干制技术的研究提供理论参考。

1 我国双孢蘑菇的生产与加工概况

我国的双孢蘑菇栽培始于1953年,从日本引进双孢蘑菇菌种并试种,但由于技术条件不成熟等原因,种植面积不大且产量较低[16]。自2003年以来,随着栽培技术的逐步提高,我国双孢蘑菇的栽培面积迅速扩大,年产量和出口量均位于世界前列,并远销美国、加拿大、南美等国家和地区[17]。根据中国食用菌协会的统计,2016年,全国食用菌总产量为3596.66万吨,产值为2741.78亿元,其中双孢蘑菇产值排在第四位,仅山西省当年双孢蘑菇即增产7千吨。此外,双孢蘑菇的出口市场广泛,其干品类出口主要集中在日本、德国、意大利,且有向东南亚地区分散的趋势[18]。然而,随着海外市场对食品卫生标准的逐步严格,含双孢蘑菇在内的食用菌出口面临着巨大的挑战,因此,需要从采后保鲜、加工处理[19]、商品品质统一以及行业标准完善等多方面重新审视和考虑,保障食用菌的稳步出口。

双孢蘑菇表皮薄而多孔,呼吸率高,即使是无损伤的蘑菇也会在采收后几天内由于衰老、失水、腐蚀、褐变等原因而失去商业价值[20]。常温下,双孢蘑菇子实体的货架期为3 d[21];在2 ℃冷藏条件下贮存7 d后,双孢蘑菇菌盖出现收缩、表面呈现出斑驳的褐变[22]。此外,双孢蘑菇中含有较多的酪氨酸酶和酚类物质也使其容易发生酶促褐变[23],从而对双孢蘑菇的品质和商品价值有着明显的不良影响。而干制作为一类常用的食品贮藏方法,可减小食品体积、减轻食品重量,进而降低运输、加工与包装的成本。因此,为了有效延长货架期、保障产品品质、降低物流损耗所引起的损失,将干制技术有效应用于双孢蘑菇的贮藏与加工,对于双孢蘑菇生产效率的提高与商品经济价值的提升有着重要的意义。

2 国内外双孢蘑菇干制技术的研究与发展

干制的原理是通过不同方式使食用菌的含水量减少到微生物生长受到抑制的程度,从而达到延长贮藏期的目的。传统的食用菌干制方法主要有自然干制和机械干制两种[23]。

自然干制是指以太阳光为热源,自然风为辅助的一种干制方式。其做法通常是将菌体互不重叠地平铺在竹帘等具有透气性的平面上,摆放在露天的场地对菌体进行干制。研究发现,相对于机械干制,自然干制的双孢蘑菇成本低廉,但其制品品质受天气影响较大,且干制过程中易受到污染[24],具有比较明显的局限性。

机械干制是指用热风、微波等热源烘烤菌体,使其达到脱水干制的方法。机械干制根据热源的不同,又分为热风干制、微波干制、冷冻干制等干制方式。其中,热风干制的效率低、时间长、能耗高,物料烘干后品质较差;微波干制和冷冻干制效率高、耗时较短,干制后的蘑菇色泽、风味和收缩等方面优于热风干制的蘑菇。

2.1 双孢蘑菇干制的预处理

预处理指在加工前用切片、烫漂、溶剂浸泡、微波等手段处理果蔬原料,达到灭酶、护色、促进干燥进程等目的的单元操作。

预处理可以减少双孢蘑菇褐变。双孢蘑菇体内的多酚氧化酶(PPO)在有氧条件下可促进酚类物质氧化褐变,造成双孢蘑菇的商业价值降低。PPO的活性受到加热、二氧化硫、pH等外部因素的抑制。因此研究者在干制前常采用烫漂、亚硫酸盐溶液浸泡、微波等预处理,以杀灭导致褐变的PPO,得到色泽较白的干制品。Deshpande等[25]对草菇(Volvariellavolvacea)进行研究发现沸水烫漂3 min可以有效降低菌体中多酚氧化酶活性。Lespinard等[26]对双孢蘑菇在50～90 ℃水浴烫漂后色泽和PPO活性进行了研究发现,在菌体缩水率18%作为烫漂终点的情况下,表征褐变的a*、b*值随烫漂温度上升而上升,即褐变程度随漂烫温度上升而减小;60 ℃烫漂37 min、70 ℃烫漂23 min、80 ℃烫漂12 min或90 ℃烫漂7 min后菌体内PPO将完全失活,而50 ℃烫漂35.84 min仅可降低50%酶活性。烫漂预处理虽可以有效避免PPO引起的酶促褐变,但也容易造成菌体内抗坏血酸的严重损失[27],因此也有研究人员对其他预处理方法进行了研究。Devece等[28]发现使用微波联合烫漂作为一种新的预处理方法可以有效缩短处理时间。李清明等[29]使用0.30%亚硫酸盐、0.80%的氯化钠和0.50%的异抗坏血酸钠溶液作为护色液浸泡双孢蘑菇10 min后沸水烫漂4 min,可以有效钝化PPO。刘丽娜等[30]探讨了抗坏血酸、柠檬酸、氯化钙、氯化钠对双孢蘑菇的护色效果,结果表明,非硫复合护色剂的最佳组合为:抗坏血酸0.04 g/100 mL,柠檬酸0.3 g/100 mL,氯化钠0.3 g/100 mL。Jiang等[31]发现热超声预处理不经可以减轻双孢蘑菇片的褐变,而且节省能耗。

预处理有助于缩短双孢蘑菇干燥时间,提高干燥速率。Singh等[32]研究证明双孢蘑菇切片越薄,同样参数下干燥时间越短。Walde等[33]研究了多种预处理方式对双孢蘑菇干制速率的影响,结果表明,烫漂后浸泡凝乳或发酵乳清的双孢蘑菇,其干制速率高于采用其他预处理方式的样品。由于介电性能决定了能量的传递与分布,Jiang等[11]则比较了热水烫漂和微波两种预处理对双孢蘑菇在微波真空干制前后的介电性能和微观结构的影响,研究发现当双孢蘑菇切片水分含量高于2.27(db)时,微波比热水烫漂更有助于改善微波真空干制的效果。

预处理有利于提高双孢蘑菇干制品的品质特性。Fang等[34]研究了预处理对双孢蘑菇切片的品质和复水性的影响,发现经过沸水烫漂预处理的双孢蘑菇干制品复水后颜色较浅。B.Dutta等[35]研究了高压脉冲电场和微波两种预处理方式对冷冻干制双孢蘑菇的影响,发现高压脉冲电场(43002 kV/m,1502 min)预处理的蘑菇干制品形状收缩更少且复水率更高。Kar等[14]研究发现,沸水烫漂3 min后,再将双孢蘑菇浸入0.1%亚硫酸氢钠、0.2%柠檬酸、6%蔗糖及3%氯化钠混合溶液15 min,微波强度400 W干制45 min后,双孢蘑菇的复水性和感官品质较好,且干制过程符合Page模型。

综上所述,需根据不同的干制方式采取相应的预处理。恰当的预处理可以促进双孢菇干燥速率提升,缩短干制时间,使干制品的色泽、复水性和感官品质良好。

2.2 双孢蘑菇不同干制方法及干燥特性的研究

2.2.1 热风干制 热风干制也称为热空气干制、对流干制,即以热空气为加热介质,使用对流传导等方式进行加热,脱除物料内水分的一种干制方式。

热风干制双孢蘑菇的研究主要集中于干制方式对物料特性的影响与干制动力学数学模型的拟合。Ahmed等[36]在45～64 ℃条件下对双孢蘑菇和平菇切片进行了热风干制的处理,发现干制过程中干燥速率持续降低,其干制动力学很好的符合了Page模型,并由此计算了双孢蘑菇的干制活化能为19.79 kJ/mol。Giri等[15]对双孢蘑菇片进行了热风干制处理,发现干制实验的结果与Page模型有良好的拟合;此外,还对干制后的双孢蘑菇片进行了复水试验,结果显示热风干制的物料复水性相对较差。Manolopoulou等[37]则对完整的双孢蘑菇子实体进行了热风干制处理,发现双孢蘑菇子实体的干制曲线与对数模型有良好的拟合度。

此外,国内外研究学者还对热风干制双孢蘑菇的品质变化进行了研究。王则金等[38]采用CO2、N2作为热风干制介质,研究了气调干制对双孢蘑菇产品品质的影响,结果表明以N2为介质的干制双孢蘑菇片的抗坏血酸保存率较高,褐变度较低,纤维化进程慢,风味更接近鲜菇。刘丽娜等[30]探讨了梯度升温、恒温连续、梯度降温三种热风干制方式对干制双孢蘑菇品质的影响。结果表明三种热风干制方式中,采用梯度升温干制的双孢蘑菇褐变程度最小、复水性最好,优于恒温连续干制和梯度降温干制。一些学者也对热风干燥双孢蘑菇的抗褐变进行了研究,Xia[39]研究了谷胱甘肽对双孢蘑菇热风干燥过程中褐变的影响发现,与对照组相比,使用谷胱甘肽处理过的蘑菇切片没有在干燥过程中褐变。

传统的热风干制操作简便,过程易于控制,但其缺点在于产品品质较低,热敏性营养成分损失严重。采用热风干制联合微波干制、真空干制或气调干制等联合干制以及梯度升温等方法,则有利于提升干制速率,提高产品品质。

2.2.2 冷冻干制 冷冻干制是一种通过对鲜物料预先冻结,并在冻结状态下将物料水分从固态直接升华为气态,达到去除水分目的的干制方式。冷冻干制一般可分为预冻、升华、解析3个过程,其中升华和解析过程是在真空条件下进行的。

双孢蘑菇在冷冻干制过程中的品质转变是学者们研究的热点。Shi等[40]对冷冻干制过程中双孢蘑菇的玻璃化转变进行了研究,建立了以Clausius-Clapeyron模型拟合的冷冻曲线和Gordon-Taylor模型拟合的玻璃化转变线组成的状态图,为预测双孢蘑菇的耐贮性提供了理论支持。

冷冻干制双孢蘑菇的品质是衡量干制效果的重要指标,其中复水性是关键的品质指标之一。Arumuganathan等[41]对冷冻干燥及日晒、流化床干燥等多种干燥方式的双孢蘑菇的质地变化进行了研究发现,冷冻干燥双孢蘑菇片的质地最柔软。Pei等[42]对冷冻干制和冷冻干制联合微波真空干制产品进行了复水性测试，发现两种干制产品的复水情况符合Peleg模型,且复水能力无显著性差异。赵雪等[13]以双孢蘑菇菇柄切片为实验材料,对比研究了热风、真空、微波、冷冻干制后产品的感官性状及复水率,结果表明热风干制耗时最短,但产品的感官性状和复水能力最差;而微波干燥耗时短的同时产品的感官性状和复水能力优于热风、真空干燥;冷冻干燥产品感官性状及复水性最好,与上述Pei等的结论一致。

在色泽、质地、微观结构及营养成分等方面,Giri等[43]比较研究了使用冷冻干燥、微波真空干燥、热风干燥至相同水分含量的双孢蘑菇干制品,发现冷冻干燥的产品无论复水性、L*或质地均处于最优。Pei等[12]对比了冷冻干制、冷冻干制联合热风干制、冷冻干制联合真空干制、冷冻干制联合微波真空干制四种处理方式对双孢蘑菇的影响,结果表明非挥发性呈味成分的含量先随着干制的升华作用升高,后随着解吸作用而下降;与冷冻干制的产品相比,冷冻干制联合微波真空干制的双孢蘑菇片中可溶性糖和糖醇含量相对低,而总自由氨基酸含量接近新鲜蘑菇中的水平并显著高于冷冻干制的产品(p<0.05);两种干制后产品中谷氨酸钠类鲜味成分与新鲜蘑菇无显著性差异;在水分含量变化小于38%时,四种干制处理后的样品品质差异不显著;而冷冻干制联合微波真空干制的干制时间比冷冻干制缩短了35.63%,营养保留度也较好[44]。Tarafdar等[45]研究了压力、初始干制温度及次级干制温度三个因素对不同厚度的立方块状双孢蘑菇冷冻干制产品品质的影响,发现次级干制温度对蛋白质、抗氧化物含量的影响显著(p<0.05),三个因素对抗坏血酸含量均有影响,且温度比压力的影响更为显著。

综上所述,冷冻干制产品的色泽、质地、复水性较好,营养成分保留率好,但其缺点在于冷冻干制设备投资和运转费用较为高昂,能耗较大。采用冷冻干制联合热风干制、真空干制等其他干制方法,有助于提升产品品质,缩短加工时间,减少能耗。

2.2.3 微波干制 微波干制的机理是介质损耗原理,由于水的损耗因数比干物质大得多,因此电磁场释放的绝大部分能量被物料中的水分子吸收,从而达到干制的目的。一般情况下,被干制物料中的水分子由于布朗运动,分子的排列杂乱无章并迅速变化,极性相互抵消,宏观上不呈现极性。而被置于由微波发生器产生的电场中时,微波场以每秒几亿次的高速周期地改变外加电场的方向,使介质的极性水分子迅速摆动,产生显著的热效应,从而使物料内部和表面的温度同时迅速升高。

Kar等[14]研究发现,双孢蘑菇的微波干燥过程可以使用Page模型描述,电能利用效率约75%。传统微波干制是一种相对节能,高效,环保,安全的干制方式,但是在大规模的生产中有效控制温度,减小温度对维生素等营养成分的损失,以及大功率微波源散热等问题,阻碍了微波干制大规模推广应用。

2.2.4 联合干制 联合干制是在物料干燥过程中,采用两种及以上的干燥方式进行干燥的干燥方法,常见的有热风-微波联合干制、热风-真空联合干制、热风-冷冻联合干燥、冷冻-微波联合干制、冷冻-微波真空联合干制等。

一些学者对双孢蘑菇联合干制的干燥特性进行了研究。李顺峰[46]等对废弃双孢蘑菇菇柄微波真空干燥特性及动力学模型进行了研究,发现其微波真空干燥过程符合Page方程。Giri等[15]对双孢蘑菇片分别进行了微波-真空干制处理,发现实验的结果也与Page模型有良好的拟合;此外,还对干制后的双孢蘑菇片进行了色泽、质地、复水性及感官评价的实验,结果显示微波-真空干制物料的总体可接受性较好[47]。Bo等[48]研究了微波真空干制双孢蘑菇片的干制特性,结果表明微波功率对干制速率的影响比真空度的影响大,在微波功率强度17.4 W/g,真空度70 kPa,干制时间20 min的干制条件下,产品含水率为6.9%;比较干制速率、复水性、颜色和抗坏血酸含量等品质变化情况,发现微波真空干制的双孢蘑菇片品质接近于冷冻干制产品品质,明显优于热风干制和真空干制的产品,但微波真空干制的干制速率比冷冻干制更快。

许多研究表明,联合干制有利于提高干制品品质、缩短干制时间。Argyropoulos等[49]对比了热风干制和热风联合微波真空干制双孢蘑菇片的品质,发现热风联合微波真空干制产品的颜色变化较小,产品孔隙率高,质地松脆,复水率良好。Zeng[50]研究了微波冷冻干制双孢蘑菇干品质与玻璃化转变温度之间的关系,并提出一种步降(step-down)微波加载方案用来优化微波冷冻干制的效果,从而提升产品品质、缩短干制时间、降低成本。Liu等[51]研究了孔隙率与品质的关系,并对微波联合冷冻干制的工艺进行了优化,发现当水分含量降低至(0.25±0.05) g/g(db)时,大多数开气孔转化为闭气孔,而水分含量低至(0.17±0.03) g/g(db)时,闭气孔孔隙率达到相对稳定;针对以上孔隙率的变化,研究者们得出动态微波加载策略用以保持干制过程中的产品质量。Giri等[15]对微波真空干制双孢蘑菇的干制动力学及复水特性进行了研究,发现微波真空干制的时间相较热风干制缩短70%～90%,同时复水特性也更优越;通过对实验数据及Page薄层干制模型的回归分析发现,微波功率对干制速率的影响最大,样品厚度次之,且复水率受到系统压力的影响显著;微波真空干制具有低温干燥、能量传递迅速的特点,微波真空干燥双孢蘑菇的品质可以与冷冻干燥产品相媲美[52],这与Rodríguez等[53]的研究结论一致。Mittal等[54]对微波热风干制双孢蘑菇进行研究发现,以水分含量0.08 g/g为干燥终点,热风干制需350 min,而微波热风干制仅需8.5 min,显著缩短干燥时间。

综上所述,联合干制是一种高效、产品品质良好的干制方法,具有良好的研究价值。

3 结论与展望

双孢蘑菇贮存与加工是我国食用菌产业的重要组成部分,干制是双孢蘑菇加工的一种重要方式。目前国内外的研究表明,预处理是干燥前重要的单元操作,适宜的预处理方式有助于提升干燥速率、缩短干燥时间、提高干燥产品品质;不同的干制方法所适合的预处理也不同,需根据产品特性与具体方法进行选择。双孢蘑菇的干制方法早前常常为一段式,即由始至终采用同一方法同一参数进行干制,而现在经对比研究发现分段式的干制有利于提高产品品质,缩短时间,节省能耗,如微波真空联合干制、梯度升温等,分阶段对物料进行干制,往往可以达到一加一大于二的效果。

虽然许多学者试验发现了许多新型干制方法,但大部分还没有完全转化到生产应用中。目前,我国双孢蘑菇干制生产大多采用的仍是热风干燥,面临着干制时间长、干制成本高、产品颜色劣变、营养损失严重等问题。因此,为生产安全、节能、优质的双孢蘑菇干制产品,还需要进一步完善双孢蘑菇干制的理论研究,结合现有设备设计联合干制方法进行分段式干燥,力求设备简单,干制效率高,产品品质好。此外,还需结合干燥方法寻求适宜的预处理方式,进一步提升干燥速率,提高产品品质,进而促进我国食用菌产业的稳健发展。