黑蒜短时加工技术研究

葛世浩，武慧慧，原 林，李 静，艾合买提江·艾海提，刘 军

（新疆大学生命科学与技术学院，新疆 乌鲁木齐 830046）

大蒜为百合科葱属植物蒜（Allium sativum L.）的鳞茎。在我国，大蒜作为特色农产品资源和传统调味料，其栽培历史悠久，种植面积大，产量高[1]。虽然大蒜连续多年成为我国单项出口额最大的农产品，居我国农产品出口的前列。但是我国大蒜消费主要以原料和初级加工产品为主[2]，同时新鲜大蒜具有很强的刺激性和蒜臭味成为大蒜产业发展的瓶颈，制约了大蒜的附加值。

黑蒜又名黑大蒜，是以新鲜大蒜为原料，在严格控制温度和湿度的情况下经预处理、熟化、干制等工艺加工而成的一种新型大蒜制品[3]。其具有独特的口感，柔软且富有弹性，入口之后软烂香甜，无鲜大蒜的辛辣感和不愉快气味。此外，与鲜大蒜相比，黑蒜中多酚类物质含量比其高5倍以上[4]，且其舒爽的口感、较高的营养价值及活性成分使之具有更高的研究价值，并且作为一种产品也深受消费者喜爱。

目前，我国传统黑蒜的生产工艺主要以发酵法为主。黑蒜的发酵主要有固态发酵和液态发酵两种工艺。固态发酵工艺流程为：大蒜原料选择→检测→分级挑选→装盘→高温、高湿发酵→杀菌消毒→包装→产品检测→成品[5]。液态发酵工艺流程为：大蒜选取→去皮→清洗→蒜瓣破碎→真空密封→发酵→干燥→包装→成品[6]。传统的黑蒜加工工艺耗时长（一般为1～3个月）、能耗大，生产成本较高[7]。本试验通过高温高压、低温冷冻等处理方式，对大蒜细胞结构进行破坏，促进反应底物溶出，加速美拉德反应速率，从而缩短黑蒜的加工时间。与市售黑蒜品质进行比较，研究一种适合黑蒜短时加工工艺方法。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

1.1.1 材料与试剂

本研究所用大蒜选自新疆维吾尔族自治区昌吉自治州吉木萨尔县新地乡。黑蒜：样品1、样品2，市售。

没食子酸、福林酚和DNS试剂，北京索莱宝科技有限公司；无水碳酸钠（分析纯）、葡萄糖（分析纯），天津市盛奥化学试剂有限公司；亚铁氰化钾（分析纯）、乙酸锌（分析纯），上海源叶生物有限公司；氢氧化钠（分析纯），天津市北联精细化学品开发有限公司。

1.1.2 仪器与设备

耐高温蒸煮真空袋，浙江台州市名科塑业股份有限公司；GY-DZ-6型真空包装机，新疆达意隆包装机械制造有限公司；DSX-280B型手提式压力蒸汽灭菌器，上海申安医疗器械厂；CK02C热风循环炉，广州金厨汇食品加工机械有限公司；101型电热鼓风干燥箱，北京市永光明医疗仪器有限公司；MT-V-30型超纯水仪，上海砾鼎水处理设备有限公司；Thermo Multiskan Sky全波长酶标仪，上海土森视觉科技有限公司；DZKW-S-4电热恒温水浴锅，北京市永光明医疗仪器有限公司；JOYN-10A超声波清洗机，上海乔跃电子科技有限公司；XH-C旋涡混合器，江苏金怡仪器科技有限公司；JA2003电子天平，上海衡际科学仪器有限公司；CS-200精密色差仪；杭州彩谱科技有限公司；KQ-C玻璃仪器气流烘干器，巩义市英峪予华仪器厂。

1.2 方法

1.2.1 黑蒜样品的制备

1.2.1.1 工艺流程

新鲜大蒜→去皮、去杂→切分处理→装袋（真空密封）→高温高压处理→熟化处理→开袋→热风干制处理→装袋（真空密封）→黑蒜成品

1.2.1.2 操作要点

（1）样品选择：挑选品质好的新鲜大蒜去杂去皮。

（2）破碎处理：将去皮大蒜切成5 mm左右厚度的蒜片，将蒜片装入耐高温蒸煮袋进行真空密封。

（3）高温高压处理：将真空密封后的大蒜样品放入压力蒸汽灭菌器中以120℃、0.12 MPa进行热处理3 h，加速美拉德反应所需底物还原糖的积累。

（4）低温熟化处理：将高温高压处理后的大蒜样品放入热风循环炉中在70℃下熟化处理2 h，促进美拉德反应，使黑蒜总酚含量上升。

（5）热风干制处理：将熟化处理后的大蒜样品从耐高温蒸煮袋中取出，放入鼓风干燥箱中50℃热风干制处理4 h。

（6）真空密封、成品：将干制处理后的大蒜样品取出，进行真空密封，得到黑蒜成品。

1.2.2 试验方案设计

1.2.2.1 预处理方式对黑蒜短时加工工艺的影响

本试验通过对大蒜进行不同的预处理方式，包括高温高压（120℃、0.12 MPa）、常温放置[8]（20～25℃）及低温冷冻[9]（-18℃）处理，以还原糖、总酚含量、褐变度和L*值为检测指标，研究大蒜在0～5 h内的变化，确定出最优的预处理方式。

1.2.2.2 切分处理方式对黑蒜短时加工工艺的影响

通过对大蒜进行不同方式的切分处理，包括蒜瓣（去皮）、蒜片（5 mm）、蒜粒（5 mm×5 mm×5 mm），以还原糖、总酚含量及褐变度的变化为检测指标，研究其在最优预处理条件下0～5 h内的还原糖含量、总酚含量、褐变度和L*值的变化，确定最优破碎处理方式。

1.2.2.3 高温处理对黑蒜短时加工工艺的影响

高温高压处理阶段，对不同温度和时间[10-13]进行研究。将大蒜置分别于105℃（0.04 MPa）、110℃（0.065 MPa）、115℃（0.095 MPa）、120℃（0.12 MPa）、125℃（0.17 MPa）的条件下处理1～5 h，研究黑蒜的还原糖、总酚、褐变度及L*值的变化情况。

1.2.2.4 熟化处理对黑蒜短时加工工艺的影响

将大蒜在不同熟化温度[14]（60、70、80、90、100℃）下熟化0～5 h，研究大蒜的还原糖、总酚、褐变度和L*值的变化情况。

1.2.2.5 热风干制处理对黑蒜短时加工工艺的影响

将大蒜置于干制温度35、40、45、50、55℃下处理0～5 h，研究大蒜的还原糖、总酚、褐变度的及L*值的变化情况，确定出适合黑蒜短时加工的工艺方法。

1.2.3 测定项目与方法

1.2.3.1 还原糖含量

采用DNS法[15]测定黑蒜中还原糖含量。称取1.25 g大蒜样品，放入研钵中捣碎，加超纯水研磨成匀浆，转移至25 mL带玻璃塞的刻度试管中，向试管中加1.25 mL 21.9%（m/V）乙酸锌溶液和1.25 mL 10.6%（m/V）亚铁氰化钾溶液，加水定容至刻度，充分振荡混匀，超声30 min后用干燥滤纸过滤，取续滤液。吸取续滤液0.8 mL加入到25 mL带玻璃塞的刻度试管中，再加入0.6 mL DNS试剂和0.8 mL 1 mol/L NaOH溶液，将溶液充分混合，在沸水浴中加热15 mim，取出，立即用冷水冷却至室温，冷却后加入9.5 mL超纯水，充分振荡混匀，在500 nm处测定吸光度值。重复3次，结果取平均值，根据回归方程计算还原糖含量。

线性回归方程：y=6.566x+0.039，R2=0.999 5其中：y为吸光度值；x为葡萄糖浓度，mg·mL-1。

1.2.3.2 总酚含量

采用Folin-phenol法[16]测定黑蒜中总酚含量。称取1.25 g大蒜样品，将样品放入研钵中捣碎，加超纯水研磨成匀浆，转移至25 mL带玻璃塞的刻度试管中，加水定容至刻度，充分振荡混匀，超声30 min后用干燥滤纸过滤，取续滤液备用。取两只25 mL带玻璃塞的刻度试管，一只试管加入0.5 mL超纯水，作为空白溶液；另一只试管中加入0.5 mL的滤液作为样品溶液。准确加入0.5 mL Folin-Ciocalteu试剂，避光反应5 min后向每个试管中准确加入1.5 mL 10%碳酸钠溶液，再加入超纯水7.5 mL。将此溶液避光于75℃水浴10 min，室温避光放置2～3 h后，在760 nm处测定。重复3次，结果取平均值，根据回归方程计算多酚含量。

线性回归方程：y=0.055 1x+0.056 2，R2=0.999 1式中：y为吸光度值；x为没食子酸浓度，μg·mL-1。

1.2.3.3 褐变度

按照色差仪提示进行调零操作，校对标准，记录标准色差L*0、a*0、b*0值。大蒜样品的颜色用色差仪进行测定，根据测定结果（L*、a*、b*值）按照公式计算得到ΔE，表示蒜样品的褐变度，ΔE正值越大表明颜色越深，褐变程度越深，产品成色越好[17-18]。试验重复测定3次。

式中：ΔL*为样品L*减去标准L*0（黑白差异）；Δa*为样品a*减去标准a*0（红绿差异）；Δb*为样品b*减去标准b*0（黄蓝差异）。

1.2.4 数据处理

通过SPSS软件（IBM SPSS Statistics 25）对数据进行分析。方差分析（ANOVA）和Duncan多范围检验用于确定均值之间的差异显著性。使用GraphPad Prism 8软件作图。

2 结果与分析

2.1 预处理方式对黑蒜短时加工工艺的影响

2.1.1 高温高压对黑蒜还原糖、总酚、褐变度及L*值的影响

大蒜中存在大量的多糖，占其干物质的75%以上，且大蒜中多糖的主要成分是果聚糖[19]。多糖和酶降解产生的还原糖对于黑蒜短时加工工艺非常重要。由于酶和底物通常存在于完整细胞中的不同位置，在黑蒜的短时加工过程中会加速大蒜组织细胞结构的破坏，促进大蒜中多糖的分解和还原糖的产生、积累，更有利于非酶促褐变反应的进行。非酶促褐变反应可使大蒜在加工过程中产生典型的深褐色，并导致某些抗氧化剂的形成，例如美拉德反应、焦糖化和苯酚的化学氧化。总酚是黑蒜加工过程中衡量产品品质好坏的一个重要指标[20]，同时也是黑蒜中一个重要的功能性成分，其含量高低影响黑蒜的功效性，而其含量的升高往往伴随着热量的变化，在受热过程中，大分子化合物发生分解，生成小分子物质，释放出更多的酚羟基，因而使其相对含量得到提高。

如图1所示，在高温高压（120℃、0.12 MPa）处理过程中，新鲜蒜瓣的还原糖和总酚含量发生了明显变化，整体均随时间的延长呈现上升趋势。经高温高压处理5 h的大蒜中还原糖含量为155.984 mg·g-1，是新鲜大蒜还原糖含量（0.473 mg·g-1）的329.8倍；此时总酚含量为3.903 mg·g-1，是新大蒜总酚含量（0.295 mg·g-1）的13.2倍。此外，加工初期积累了美拉德反应产生所需要的还原糖，大蒜散发出的刺鼻气味和味道也经高温加热处理而减弱。因此，通过此方法可改善大蒜的适口性。

图1 高温高压处理下大蒜还原糖和总酚含量的变化Fig.1 Changes of reducing sugar and total phenols contents of garlic treated at high temperature and high pressure

在高温高压处理下，随着美拉德反应的进行，蒜瓣的颜色发生了急剧性的转变，从白色转变为棕褐色。由图2可见，褐变度从0 h的25.710上升到5 h的72.423，增加了1.8倍；L*值则从82.613下降到了28.005。

图2 高温高压处理下大蒜褐变度和L*值的变化Fig.2 Changes of browning degree and L*value of garlic treated at high temperature and high pressure

2.1.2 常温放置对黑蒜还原糖、总酚、褐变度及L*值的影响

如图3～4所示，在自然环境条件下（20～25℃），新鲜蒜瓣还原糖含量和褐变度随着放置时间的延长总趋势较平稳，在常温放置5 h还原糖含量达到了1.266 mg·g-1；褐变度和L*值未发生显著性变化，蒜样品颜色偏白；总酚含量先减少后增加，在5 h时总酚含量为0.579 mg·g-1。

图3 常温放置下大蒜还原糖和总酚含量的变化Fig.3 Changes of reducing sugar and total phenols contents of black garlic at normal temperature

图4 常温放置下大蒜褐变度和L*值的变化Fig.4 Changes of browning degree and L*value of black garlic at normal temperature

2.1.3 低温冷冻对黑蒜还原糖、总酚、褐变度及L*值的影响

如图5所示，蒜瓣的还原糖和总酚含量分别在-18℃低温冷冻处理3 h和4 h后出现最大值，分别为2.089 mg·g-1和0.551 mg·g-1。

图5 低温冷冻处理下大蒜还原糖和总酚含量的变化Fig.5 Changes of reducing sugar and total phenols of garlic during low temperature freezing process

由图6可见，在低温冷冻环境下，褐变度随着处理时间的延长呈现出上升趋势，处理4 h时大蒜的褐变度为35.813，L*值为70.855，颜色由白色变为浅黄色。

图6 低温冷冻处理下大蒜褐变度和L*值的变化Fig.6 Changes of browning degree and L*value of garlic during low temperature freezing process

在黑蒜短时加工工艺中，低温冷冻处理与常温放置处理在短时间内的还原糖、总酚含量及褐变度虽然都略有上升，但未形成较大差异，且效果并不如高温高压处理组明显。所以在黑蒜短时加工工艺中，高温高压处理下大蒜的还原糖、总酚含量及褐变度都优于低温冷冻处理和常温放置处理。

2.2 切分处理方式对黑蒜短时加工工艺的影响

2.2.1 蒜片对黑蒜还原糖、总酚、褐变度及L*值的影响

在黑蒜加工过程中，高温高压对蒜瓣的还原糖、总酚含量、褐变度及L*值具有明显的促进作用，但在高温高压条件下，蒜瓣易发生形变从而影响其感官品质。为了最大限度地保持产品品质，在其还原糖和总酚含量未发生大的变化前提下进行了不同大蒜切分状态的研究。切分对大蒜的结构破坏起到了促进作用，增加美拉德反应底物，同时也可以有效地调控变黑过程，提高生产效率，缩减黑蒜加工过程中的生产成本。

如图7～8所示，将新鲜大蒜切成5 mm左右厚度的蒜片，蒜片在高温高压条件下，总酚含量和褐变度均始终随处理时间的延长呈上升趋势，而还原糖含量先上升后下降，在3 h后还原糖含量开始降低。造成这一现象的原因可能是美拉德反应速率导致了还原糖平衡点的出现。当还原糖生成速率大于美拉德反应的消耗速率时，还原糖含量呈上升趋势；当还原糖的生成速率等于美拉德反应的消耗速率时，还原糖含量出现最大值，这一点也称为还原糖平衡点（Reducing sugar balanced point）[21]；当还原糖的生成速率小于美拉德反应的消耗速率时，还原糖含量开始降低。还原糖平衡点的出现意味着美拉德反应所需底物还原糖有了一定量的累积，从而对美拉德反应起到了促进作用，加速了美拉德反应速率。在3 h时蒜片的还原糖含量为156.693 mg·g-1，总酚含量为2.633 mg·g-1，褐变度为74.479，L*值为28.571；在相同的加工时间下，蒜瓣的还原糖含量为155.688 mg·g-1，总酚含量为2.439 mg·g-1，褐变度为74.643，L*值为28.717（图1）。

图7 大蒜切片处理下还原糖和总酚含量的变化Fig.7 Changes of reducing sugar and total phenols of sliced garlic

图8 大蒜切片处理下褐变度和L*值的变化Fig.8 Changes of browning degree and L*value of sliced garlic

2.2.2 蒜粒对黑蒜还原糖、总酚、褐变度及L*值的影响

如图9所示，在黑蒜加工过程中，随着大蒜的切分程度增加，蒜样逐渐减小，大蒜中还原糖的平衡点也开始前移，从蒜瓣的4 h（图1）附近提前到蒜片、蒜粒的3 h附近，同时蒜样的形态未发生变化。经加工3 h的蒜粒还原糖含量达到153.993 mg·g-1，总酚含量为2.942 mg·g-1，而褐变度为72.918，L*值为29.374（图10）。

图9 大蒜切粒处理下还原糖和总酚含量的变化Fig.9 Changes of reducing sugar and total phenols contents of diced garlic

图10 大蒜切粒处理下褐变度和L*值的变化Fig.10 Changes of browning degree and L*value of diced garlic

为了后续加工工艺条件的需要，同时为了方便消费者食用等因素，选择蒜片进行再加工。

2.3 高温处理对黑蒜短时加工工艺的影响

如图11所示，在105～115℃加热5 h过程中，蒜片中还原糖含量呈上升趋势，但还原糖的平衡点未出现；在120℃下加热的蒜片于3 h出现还原糖的平衡点，而125℃下加热的蒜片于2 h出现还原糖的平衡点。随着加热温度的提升，还原糖的累积速度和含量也都得到了提高，但在高温处理过程中会使产品产生焦苦味，这可能是由于温度过高，焦糖化反应剧烈导致。

图11 蒜片经高温高压处理后还原糖含量的变化Fig.11 Changes of reducing sugar content of garlic slices at high temperature and high pressure

如图12所示，在105～115℃加热5 h过程中，蒜片总酚含量呈先升高后降低再升高的趋势；在120℃加热条件下，总酚含量一直呈上升趋势；而在125℃的加热条件下，总酚含量的变化趋势是先升高后降低。同时随着温度的提升，样品褐变度增加，L*值降低，蒜样的颜色也随之加深（图13和图14）。

图12 蒜片经高温高压处理后总酚含量的变化Fig.12 Changes of total phenols content of garlic slices at high temperature and high pressure

图13 蒜片经高温高压处理后褐变度的变化Fig.13 Changes of browning degree of garlic slices at high temperature and high pressure

图14 蒜片经高温高压处理后L*值的变化Fig.14 Changes of L*value of garlic slices at high temperature and high pressure

从上述情况可以推断出高温高压对大蒜还原糖、总酚、褐变度及L*值的影响效果较为显著，当加工温度低于120℃时，为了累积美拉德反应所需底物会使蒜样的加工时间延长，产生额外的能耗，增加生产成本；当加工温度高于120℃时，过高的温度会伴随着一些不良风味的产生（焦苦味），导致产品的感官品质下降。因此，选择120℃（0.12 MPa）为高温处理的加工温度，3 h为高温处理的加工时间。

2.4 熟化处理方式对黑蒜短时加工工艺的影响

为了避免持续的高温加热对黑蒜口感带来的不利影响，同时也为了保证美拉德反应的进行，在高温高压阶段（120℃、0.12 MPa）加工3 h后，选择降低加工温度进行后期熟化。在这一阶段，选择合适的加工温度与加工时间十分重要。

如图15所示，在0～1 h内，不同熟化温度下的还原糖含量均持续降低，可能是因为温度从120℃降至100℃以下所致（最大下降幅度达到了60℃）。在这种情况下，由于温度所导致的果聚糖裂解所需热量的不足，美拉德反应中还原糖的消耗速率大于其产生速率，致使还原糖含量降低。在1～2 h内，还原糖含量开始上升，因为随着熟化时间的延长，持续不断的温度使还原糖的消耗量得到补充积累，蒜样中剩余的果聚糖在一定的热能下进行裂解，产生了还原糖。除100℃下的还原糖平衡点在3 h出现外，其余温度下的还原糖平衡点均在2 h处出现，且该时刻70℃下的还原糖含量最大，为160.901 mg·g-1。

图15 蒜片经低温熟化处理后还原糖含量的变化Fig.15 Changes of reducing sugar content of garlic slices after low temperature curing

如图16所示，总酚含量在60℃和70℃低温熟化条件下的变化趋势基本保持一致，均呈先降低后升高再降低趋势；而在80℃和100℃下，总酚含量的变化趋势与之相反，呈先升高后降低再升高趋势；90℃下的总酚含量变化波动较小，在2 h处的褐变度有最小值68.301，L*值有最大值34.414，而其他温度在熟化处理阶段对黑蒜的褐变度和L*值影响较小（图17和18）。

图17 蒜片经低温熟化处理后褐变度的变化Fig.17 Changes of browning degree of garlic slices after low temperature curing

图18 蒜片经低温熟化处理后L*值的变化Fig.18 Changes of L*value of garlic slices after low temperature curing

2.5 干制处理方式对黑蒜短时加工工艺的影响

大蒜经过去皮、切片处理后，进行高温高压处理，再经过后期熟化，最后进行热风干制得到黑蒜成品。如图19～22所示，在35、40、45、50、55℃下筛选合适的干制温度，并确定其干燥时间。

在干制处理阶段，因耐高温蒸煮袋在真空密封的条件下具有较低的水蒸气渗透性[22]，将黑蒜从真空密封袋中取出放入鼓风干燥箱，黑蒜的还原糖含量随时间的延长持续降低（图19），总酚含量整体呈上升趋势（图20），对于总酚与还原糖含量之间出现相反的变化趋势，可能是由于还原糖中的果糖对多酚起到了保护作用[23]。同时褐变度围绕在75左右上下浮动（图21），黑蒜的L*值也整体呈下降趋势（图22），颜色从棕褐色向黑褐色及黑色转变。

图19 蒜片经热风干制处理后还原糖含量的变化Fig.19 Changes of reducing sugar content of garlic slices after hot air drying

图21 蒜片经热风干制处理后褐变度的变化Fig.21 Changes of browning degree of garlic slices after hot air drying

图22 蒜片经热风干制处理后L*值的变化Fig.22 Changes of L*value of garlic slices after hot air drying

试验结果表明，在50℃下热风干燥4 h，还原糖含量出现最低值127.603 mg·g-1，同时总酚含量达到了最大值5.087 mg·g-1。与市售样品1和样品2相比，黑蒜产品的品质得到了保证（表1和图23），也达到了去除多余水分的目的，且产品还原糖含量的降低更有利于易胖、血脂高人群食用。

图23 黑蒜短时加工工艺中蒜片的颜色变化Fig.23 Color change of garlic slices during the short-time processing of black garlic

表1 不同黑蒜样品品质比较Table 1 Quality comparison of different black garlic samples

3 结论

本试验通过对黑蒜加工过程中不同处理阶段的还原糖与总酚含量的研究，确定了一种适合黑蒜短时加工的工艺方法。利用高温及其产生的压力可破坏大蒜细胞结构，加速黑蒜加工过程中的美拉德反应速率；通过二次变温加工可使大蒜中剩余的果聚糖再次裂解参与反应，加快褐变进程。与传统的黑蒜制备工艺相比较，切片大蒜经高温高压（120℃、0.12 MPa）处理3 h、低温熟化（70℃）处理2 h、热风干制（50℃）处理4 h后，既在保证产品质量的情况下，缩短了加工时间，又提高了生产效率，具有很好的实施性。