微波和冻结预处理制备黑蒜感官及风味品质比较分析

张学慧，刘肖,2,3，周才琼,3*

1(西南大学 食品科学学院，暨重庆市特色食品工程技术研究中心，重庆，400715) 2(川北幼儿师范高等专科学校，四川 广元，628017)3(川渝共建特色食品重庆市重点实验室，重庆，400715)

大蒜是百合科葱属药食两用植物，有杀菌、抗癌等多种功效。但大蒜味道辛辣，食用后产生的含硫化合物可产生不快气味[1]。加上新鲜大蒜水分高，不耐贮藏[2]。因此，有关大蒜的深加工研究一直备受关注。常见的大蒜加工产品有糖蒜、腊八蒜、蒜泥、蒜片和蒜粉等[3-4]。随着人民生活水平的提高，人们越来越注重自身的健康水平，因此具有食疗作用的大蒜及加工产品越来越受人们喜爱。如何在加工中降低生蒜刺激性，拓展大蒜的食用人群，是大蒜生加工中备受关注的研究方向。

黑蒜最初是由日本科研人员研发的可直接食用的发酵大蒜制品，因蒜瓣呈黑色而称黑蒜；黑蒜辛辣味道下降，具有甜酸和黏弹软糯的口感，深受好评[5-6]。黑蒜由新鲜大蒜经长时间发酵而成，其黑变和风味品质的形成源于内含物质的氧化降解及美拉德反应[7-8]。黑蒜首先在日韩流行，近年来开始进入我国市场[9]。然而传统黑蒜发酵制作周期长达3个月，不仅能耗较高且受发酵环境温湿度等因素变化影响很大，使黑蒜品质良莠不齐、产出效率低。有少量缩短黑蒜发酵时间相关的工艺研究的报道，包括变温发酵[10]、液态发酵[11]和超高压预处理发酵[12]等。这些研究显示黑蒜发酵时间可缩短至约15 d，但处理工艺略显复杂，液态发酵更是破坏了大蒜形态而影响进一步利用。而对黑蒜黑变中风味变化的研究则少见报道。如何针对大蒜黑变的机理采用适合的预处理方式以破坏其组织细胞、加速在高温高湿发酵中的黑变以及探究形成黑蒜产品感官及风味品质的差异值得进一步探讨。

目前，微波和冷冻是应用较广的2种预处理方式，被广泛应用于物质的辅助提取以及辅助干燥等方面，例如多糖、色素、茶叶籽油的辅助提取[13-15]以及果蔬的辅助干燥[16-17]等。微波通过激发食料水分子间摩擦生热可有效提升内部温度而破坏组织[18]，冻结处理通过冻融过程中冰晶形成导致组织细胞破坏进而改变细胞膜的渗透性[19]，为此，本研究选择微波热处理和冻结冷处理2种预处理破坏方式探讨其对发酵黑蒜感官和风味品质的影响，为进一步缩短黑蒜发酵时间探究预处理对黑蒜产品品质的影响、探索预处理方式带来的品质影响提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

大蒜：紫红天蒜，来自重庆市巫山贵仲农业开发有限公司；硫酸钾、硫酸铜、无水碳酸钠、葡萄糖、3，5-二硝基水杨酸、溴甲酚绿、亚铁氰化钾、茚三酮、没食子酸、焦性没食子酸，成都市科龙化工试剂厂；丙酮酸、2，4-二硝基苯肼、三氯乙酸、福林酚试剂，重庆骏伟广生科技有限公司；NaOH、乙酸钠、乙二醇、异丙醇，重庆川东化工试剂厂。以上均为分析纯。

1.2 仪器与设备

西门子KK28F58生物保鲜冰箱，德国西门子公司；EG823LA6-NR微波炉，佛山市美的电器制造有限公司；AQ-180E多用途粉碎机，慈溪市耐欧电器有限公司；雷磁PHS-3C型pH计，上海仪电科学仪器股份有限公司；UltraScan PRO测色仪，美国HunterLab公司；SH010恒温恒湿试验箱，上海福絮实验室仪器设备厂；TA.Plus 物性测定仪，英国Stable Micro System公司；TG16G离心机，常州峥嵘仪器有限公司；UV-2450紫外-可见分光光度计、GCMS-2010气相质谱联用仪，日本岛津公司。

1.3 实验方法

1.3.1 大蒜预处理及黑蒜发酵条件

经预实验确定大蒜预处理及发酵条件如下：

冻结预处理：挑选完整蒜头置-20 ℃下48 h，取出解冻后于40 ℃、80%相对湿度(relative humidity,RH)下放置48 h，得冻结预处理大蒜头(freeze gallic，FG)。

微波预处理：挑选完整蒜头500 g，微波处理10 s(微波功率640 W)后于40 ℃、80% RH下放置48 h，得微波预处理大蒜头(microwave pretreated garlic，MG)。

黑蒜发酵条件：75 ℃、80% RH下发酵12 d，分别得到冻结预处理发酵黑蒜(freeze-black gallic，F-BG)和微波预处理发酵黑蒜(microwave-black gallic，M-BG)。

1.3.2 分析方法

1.3.2.1 色泽[20]

选择大小相近的蒜瓣经充分研磨后分析。以标准白板校准，测量时分别记录L*、a*和b*值为所测样品亮度、红度和黄度值，重复测定6次。总色差值以ΔE表示，计算如公式(1)所示：

(1)

式中：L轴，0代表黑，100代表白；a轴，正值为红，0为中性，负值为绿；b轴，正值为黄，0为中性，负值为蓝；L*，a*，b*表示处理前蒜瓣色值；ΔL*、Δa*和Δb*表示处理后蒜瓣色值。

1.3.2.2 质构

取大小一致的蒜瓣样品分析。测试条件：探头P/5；预压速度1 mm/s；下压速度1 mm/s；压力6 g；2次之间停留速度5 s。

1.3.2.3 大蒜素

参考朱君芳等[21]的方法，稍作修改。样品经磨碎混匀后于100 ℃水浴30 min，取2.0 g加入25 mL三氯乙酸溶液(80 g/L)，4 000 r/min离心15 min得上清液(灭酶组)。将经磨碎混匀后的样品于30 ℃水浴下反应10 min，称取2.0 g加入25 mL 三氯乙酸溶液(80 g/L)，离心15 min(4 000 r/min)得上清液(测定组)。于520 nm处测吸光度，再根据标准曲线(y=0.011 5x+ 0.006 8，R2=0.999 6)计算样品中丙酮酸含量，分别得到灭酶组与测定组丙酮酸含量及差值m，大蒜素含量计算如公式(2)所示：

(2)

式中：162为大蒜素的相对分子质量；88为丙酮酸的相对分子质量；2为蒜氨酸分解成大蒜素和丙酮酸的系数。

1.3.2.4 其他成分

含水量测定参考GB 5009.3—2016/直接干燥法；总酸测定参考GB/T 12456—2008(柠檬酸计)；可溶性糖测定参考NY/T 2742—2015/ 3,5-二硝基水杨酸比色法；总酚测定参考参考文献[22]中的Folin-Ciocalteu法(没食子酸制备标准曲线)稍作修改。

1.3.2.5 挥发性成分

参考潘璨等[23]的方法并稍作修改。

(1)萃取条件：准确称取2.0 g样品置于20 mL顶空进样瓶，50 ℃水浴平衡30 min后，推出固相微萃取萃取头，50 ℃下水浴萃取30 min。进样分析。

(2)GC条件：Ⅰ.鲜蒜及预处理蒜色谱条件为DB-5MS(30 m×0.25 mm，0.25 μm)石英毛细管色谱柱，进样口温度250 ℃；载气(He)流速1 mL/min，不分流；进样量2 mL。升温程序为初始50 ℃维持1 min后以3 ℃/min 升温速率升温至75 ℃，维持1 min后以1 ℃/min 速率升至110 ℃，维持3 min后再以2 ℃/min 速率升至150 ℃并维持2 min，最后以10 ℃/min 速率使温度升至280 ℃，维持3 min。Ⅱ.黑蒜色谱条件：柱型、进样口温度、载气流速、进样量同上，起始柱温50 ℃维持2 min后，以1 ℃/min升温速率升温至75 ℃并维持1 min，然后以10 ℃/min升至90 ℃，维持1 min，再以3 ℃/min升至210 ℃，最后以10 ℃/min升至280 ℃，维持1 min。

(3)MS条件：电子轰击电离源，电子轰击能量，70 eV，离子源温度250 ℃，接口温度280 ℃，质量扫描范围50～500 amu。

(4)数据处理：通过NIST08和NIST08S质谱数据库检索各组分，结合保留指数和人工质谱解析及参考文献等定性分析。按峰面积归一法计算各组分相对含量。

1.4 数据分析

结果以mean±SD表示，采用Origin 2019b作图，SPSS 20.0进行单因素方差分析和Pearson相关性分析。P<0.01表示极显著，P<0.05表示显著。

2 结果与分析

2.1 两种预处理制备黑蒜色泽比较分析

如图1所示，新鲜大蒜呈乳白色，冻结预处理后大蒜色泽呈棕黄色，而微波预处理的蒜瓣和鲜蒜近似，12 d发酵完成后，均完成黑变。分析色值显示2种预处理大蒜的ΔE均高于鲜蒜，其中FG色值远高于MG(P<0.05)，表明冻结预处理导致大蒜色泽显著变化，这与冻结形成大的冰晶，破坏了大蒜细胞结构，增加了底物的释放和接触并促进了美拉德反应的进行有关[24]。进一步控温控湿发酵制成黑蒜后ΔE快速升高(P<0.05)，为73.60～75.40，2种预处理之间色变无差异(图2)。

图1 两种预处理及制备黑蒜色泽变化Fig.1 Color changes of black garlic prepared by two pretreatments

图2 两种预处理及制备黑蒜ΔE变化Fig.2 ΔE changes of black garlic prepared by two pretreatments注：不同小写字母表示差异显著(P<0.05)

2.2 两种预处理制备黑蒜含水量及质构特征比较分析

如表1所示，鲜蒜含水量为66.03%，2种预处理大蒜含水量略有下降，变幅在64.8%～65.5%，其中FG含水量相对较低，可能原因是冰晶解冻过程中导致细胞液外渗造成。2种预处理大蒜经控温控湿发酵成黑蒜后含水量显著降低(P<0.05)，为32.1%～33.4%。不同预处理方式对黑蒜含水量变化影响不大(P>0.05)。

适当的水分含量有利于形成黑蒜的良好口感。进一步分析2种预处理大蒜及制备黑蒜的质构变化(表1)，2种预处理大蒜的硬度、黏弹性和咀嚼感均低于鲜蒜，表明冻结和微波预处理均可导致大蒜软化，其中硬度和黏弹性FG显著低于MG(P<0.05)，这可能与冻结中形成的冰晶对大蒜组织的破坏有关。2种预处理大蒜经进一步控温控湿发酵成黑蒜后，硬度、黏弹性和咀嚼感显著下降(P<0.05)，但不同预处理之间无差异(P>0.05)。表明不同预处理不影响黑蒜产品质构特性。

表1 两种预处理及制备黑蒜含水量及质构特征变化Table 1 Changes of water content and texture characteristics of black garlic prepared by two kinds of pretreatment and preparation

2.3 两种预处理制备黑蒜滋味品质比较分析

如图3和图4所示，预处理可提升大蒜可溶性糖含量(P<0.05)，FG略高于MG；但预处理对大蒜总酸含量影响不大。经控温控湿发酵制成黑蒜后，F-BG 和M-BG的可溶性糖和总酸含量均显著高于发酵前(P<0.05)，可溶性糖含量分别是发酵前的4.19倍和4.37倍；总酸含量分别是发酵前的5.02倍和4.83倍，但F-BG和M-BG无差异。表明发酵可提升黑蒜产品酸甜滋味品质，但与预处理方式无关。可溶性糖含量显著提升的原因可能是大蒜经冻结、微波预处理后，蒜组织细胞瓦解促进了大蒜多糖的分解和可溶性糖的积累。总酸含量显著上升可能与发酵过程中大分子降解等有关。

图3 两种预处理及制备黑蒜可溶性糖含量分析Fig.3 Analysis of soluble sugar content in black garlic prepared by two pretreatments

图4 两种预处理及制备黑蒜总酸含量分析Fig.4 Analysis of total acid content in black garlic prepared by two pretreatments

2.4 两种预处理制备黑蒜特征功能成分比较分析

如图5和图6所示，预处理使大蒜素含量显著低于鲜蒜，FG显著低于MG(P<0.05)，说明冻结处理可快速破坏大蒜组织细胞；2种预处理大蒜多酚含量也显著低于鲜蒜，其中MG显著低于FG，表明微波处理对大蒜多酚破坏力更强。进一步发酵制成黑蒜后，F-BG和M-BG中大蒜素和多酚含量均显著低于发酵前(P<0.05)，表明高温高湿发酵可导致具有苦涩味感的大蒜特征性功能成分多酚和大蒜素降解，这种降解一方面降低了黑蒜产品苦涩的味感，而降解产物及可能的功能性质值得进一步研究。

图5 两种预处理及制备黑蒜大蒜素含量分析Fig.5 Content analysis of allicin in black garlic prepared by two pretreatments

图6 两种预处理及制备黑蒜总多酚含量变化Fig.6 Content analysis of total polyphenols in black garlic prepared by two pretreatments

2.5 两种预处理制备黑蒜挥发性风味成分比较分析

鲜蒜、微波及冻结预处理大蒜和制备黑蒜检出含硫化合物及风味特征见表2，G、FG、MG、F-BG和M-BG分别检出19、17、18、23和19种物质，鲜蒜及预处理大蒜以具有辛辣和蒜香气味的硫醚类为主，其中，G和 FG硫醚类相对含量分别达75.78%和81.78%，以具辛辣刺激蒜味的二烯丙基二硫醚占比最高，而二烯丙基二硫醚和二烯丙基三硫醚是大蒜素的主要成分[25]。发酵成黑蒜后，F-BG和M-BG中二烯丙基二硫醚占比下降，具有蒜香味的二烯丙基硫醚从原料的1.16%分别增至45.12%和46.82%，使黑蒜辛辣刺激性下降，同时具有蒜香味和炭烤风味的噻烷类及果香甜味和炭烤香味的呋喃类物质增加，可能因为升温导致硫醚类化合物中的不稳定键断裂，产生了噻吩、呋喃类化合物[25]，赋予黑蒜特别的芳香气味。

2.5.1 挥发性含硫化合物的主成分分析

对样品中的各类挥发性物质相对含量进行主成分分析，得到各主成分的特征值、方差贡献率、累计方差贡献率，特征根λ1=4.981，特征根λ2=2.021，前2个主成分累计方差贡献率达87.523%，涵盖了大部分信息。

挥发性物质载荷分析如图7所示，酯类和酰胺类含硫化合物与PC1高度正相关(载荷系数>0.9)，而相对含量较高的硫醚类风味物质与PC1高度负相关(载荷系数<-0.9)；PC2中载荷最高的正相关挥发性物质为噻吩类。上述结果说明，酰胺类、含硫化合物、酯类、硫醚类和噻吩类是从鲜蒜到黑蒜中含量发生显著变化的挥发性物质。进一步观察发现G、FG、MG、F-BG、M-BG位于3个象限(图8)，表明它们之间有较大差异。G、FG、F-BG和M-BG均位于PC1负半轴，在PC1中，F-BG和M-BG之间无明显差异，与G和FG之间的差异主要体现在硫醚类挥发性物质的不同，与MG的差异体现在硫醚类、酯类和酰胺类挥发性物质间的不同；在PC2中，F-BG、M-BG和MG均位于正半轴，三者间差异主要体现在噻吩类挥发性物质的不同，与G和FG之间的差异主要体现在噻吩类和硫醚类挥发性物质的不同。

表2 微波及冻结预处理及制备黑蒜挥发性成分种类及含量比较Table 2 Comparison of the types and contents of volatile components of microwave and freezing pretreatment and preparation of black garlic

具体看，M-BG和F-BG中，硫醚类占主导，相对含量最高的是具蒜香味的二烯丙基硫醚，分别是46.82%和45.12%，较鲜蒜显著增加；次高的是二烯丙基二硫醚，相对含量23.21%和24.82%，较鲜蒜明显下降；其余的硫醚类挥发性物质较鲜蒜均显著降低。鲜蒜中3-乙烯基-4-烯-1,2-环己硫醚、二戊基二硫醚、3-乙烯基-5-烯-1,2-环己硫醚、烯丙基甲基二硫醚均未在M-BG和F-BG中检出，这可能与硫醚类化合物的不稳定性有关，这种变化引起各组分间相对含量变化，使黑蒜产品刺激性气味显著降低。同时，F-BG中具有蒜香味和炭烤香味的噻烷类物质含量较鲜蒜显著增加,从6.92%升至11.28%。F-BG和M-BG中均产生了鲜蒜中没有的具有果香甜味和炭烤香味的呋喃类物质。加上其他挥发性香气物质，共同构成了黑蒜的特殊香气。

图7 样品中挥发性物质的载荷分析图Fig.7 Load analysis diagram of volatile substances in samples

图8 样品的得分图Fig.8 Score chart of samples

2.5.2 挥发性风味物质归类及气味贡献值分析

经对挥发性气味进行归类(图9)，F-BG和M-BG相较于G、FG和MG新产生出了甜味、酒香味和油脂香味，特别是呈果香甜味的物质急剧增多。味道浓郁的蒜香和洋葱味相对降低，具有辛辣和刺激性气味的物质急剧减少。

图9 挥发性物质的气味类型Fig.9 Odor types of volatile substances

查阅风味成分气味阈值并计算其气味贡献值(表3)发现鲜蒜气味主要由具有辛辣刺激蒜味的二烯丙基三硫醚和二烯丙基二硫醚构成，气味贡献值占比44.79%；冻结预处理气味仍主要由二烯丙基三硫醚和二烯丙基二硫醚构成(气味贡献值占比46.04%)；微波预处理气味值增加较大的是具有蒜香味和炭烤香味的 1,3-二噻烷和1,3,5-三噻烷，二烯丙基三硫醚和二烯丙基二硫醚气味贡献值占比降至20.41%，而1,3-二噻烷和1,3,5-三噻烷气味贡献占比7.53%(鲜蒜和FG分别仅为1.16%和0.45%)，表明微波预处理可影响产品风味。发酵成黑蒜后，F-BG和M-BG气味值主要成分依然是二烯丙基三硫醚和二烯丙基二硫醚，但气味贡献值占比分别为39.31%和37.58%，具有蒜香味和炭烤香味的二烯丙基硫醚和噻烷类的气味贡献值占比分别为22.51%和17.66%，F-BG中1,3,5-三噻烷气味贡献值6.70%；仅在黑蒜中发现的具有果香甜味和炭烤味的丁酸苯乙酯和呋喃类气味贡献值占比分别为0.26%和0.44%。挥发性风味物质气味贡献分析显示，不同预处理可影响黑蒜产品风味，微波预处理可提升黑蒜产品炭烤香味和焦糖及果香甜味。

表3 不同处理方式下的大蒜及蒜泥的气味活性值及其风味描述Table 3 Odor activity value and flavor description of garlic and garlic paste under different treatments

3 结论

采用冻结冷处理和微波热处理2种预处理方式处理大蒜头并控温控湿发酵使大蒜完成黑变，并比较了2种预处理方式及对制备黑蒜风味品质的影响。在感官品质方面，2种预处理蒜头经发酵12 d即完成黑变，ΔE为73.60～75.40，含水量显著下降，黑蒜的硬度、黏弹性和咀嚼感下降(P<0.05)，在滋味品质及特征功能成分方面，2种预处理大蒜发酵制备成黑蒜后，可溶性糖和总酸含量显著升高，具有辛辣味感的大蒜素和苦涩味感的多酚含量显著下降(P<0.05)，2种预处理之间无显著差异。这种变化降低了黑蒜产品辛辣苦涩的味感，赋予了黑蒜浓郁的酸甜滋味。大蒜素及多酚的下降原因及可能产生的其他成分有待进一步研究。挥发性含硫化合物分析显示，鲜蒜和预处理大蒜以具有辛辣气味的二烯丙基二硫醚和二烯丙基三硫醚为主，经发酵成黑蒜后，具有蒜香味的二烯丙基硫醚升高，同时产生了酯类、噻吩和呋喃类物质，赋予了黑蒜炭烤香味和果香甜味。进一步主成分分析和气味贡献值分析，黑蒜的特征性风味是蒜香味，还有炭烤香味和微弱的果香甜味。冻结预处理独具有蒜香味的1,3,5-三噻烷，气味贡献值为6.70%；微波预处理制备黑蒜有更高的有炭烤香味和果香甜味的2-甲基-1,3-二噻烷、丁酸苯乙酯和呋喃类。表明不同预处理会影响黑蒜产品风味，微波预处理制备黑蒜风味更佳。