富含γ-氨基丁酸豆醬制醬工藝優(yōu)化及品質(zhì)鑒定

李拂曉，李冬龍，郭燕，王暉怡，李秋鳳，劉繼棟,2*

(1.廣西大學(xué) 輕工與食品工程學(xué)院，南寧 530004；2.廣西大學(xué)廣西蔗糖產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，南寧 530004)

豆醬是一類利用微生物代謝降解基質(zhì)形成獨特風(fēng)味的調(diào)味醬，具有咸、鮮等滋味。豆醬生產(chǎn)分為制醬與制曲兩大工藝步驟，其中制曲工藝由微生物代謝產(chǎn)生蛋白酶，制醬工藝通過長時間發(fā)酵將基質(zhì)降解為氨基酸，同時促進風(fēng)味物質(zhì)的形成[1]。當(dāng)前，豆醬發(fā)酵存在環(huán)境粗放、工藝可控性差等問題，難以滿足功能性豆醬高品質(zhì)、工藝穩(wěn)定及規(guī)范化生產(chǎn)等要求?；诖耍瑢W(xué)者們在制醬工藝優(yōu)化上進行了諸多研究，如通過恒溫發(fā)酵[2]、復(fù)合發(fā)酵[3]、低鹽發(fā)酵[4]等方式優(yōu)化制醬工藝中生成的氨基酸、還原糖等常規(guī)性物質(zhì)，但鮮有利用制醬工藝富集γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid，GABA)開發(fā)功能性豆醬的研究報道。

GABA作為一種抑制性神經(jīng)遞質(zhì)，已發(fā)現(xiàn)降血壓[5]、抗抑郁[6]及改善睡眠[7]等諸多功能，并已列為新資源食品。前期研究表明，通過豆醬制曲工藝可富集少量GABA[8]，但制醬后熟工藝周期較長，是蛋白質(zhì)降解、累積游離氨基酸的主要階段。其中，游離氨基酸與豆醬滋味、風(fēng)味形成及GABA積累均顯著相關(guān)[9-10]，較大程度決定了豆醬品質(zhì)。但在常規(guī)工藝生產(chǎn)中，豆醬的游離氨基酸含量易受環(huán)境差異影響[11]，制醬過程中添加的過高鹽含量鹽水也會導(dǎo)致游離氨基酸含量上下波動[12]，并且高鹽飲食易誘發(fā)高血壓、中風(fēng)等疾病[13]。因此，為開發(fā)一款高品質(zhì)功能性豆醬，本研究擬對制醬發(fā)酵工藝中發(fā)酵時間、制醬溫度及鹽水鹽含量優(yōu)化以實現(xiàn)GABA與氨基酸態(tài)氮在豆醬制品中的可控調(diào)節(jié)。使用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計分析各因素及其交互作用對GABA與氨基酸態(tài)氮的影響并獲得最優(yōu)制醬發(fā)酵條件，實現(xiàn)豆醬中GABA的過量富集。同時，通過總酸含量、pH值、氨基酸態(tài)氮含量、GABA含量及色澤等多指標綜合評價GABA豆醬的品質(zhì)，為高品質(zhì)豆醬的開發(fā)提供了借鑒。

1 材料和方法

1.1 材料與試劑

大豆、糙米、小麥粉(73.5%淀粉、11%蛋白質(zhì))：購于廣西南寧市冠超市；米曲霉孢子粉(Aspergillusoryzae3.042)：上海佳民釀造食品有限公司；商業(yè)發(fā)酵醬樣品：均購于市場。其中，廚邦黃豆醬(S1)、李錦記黃豆醬(S2)、李錦記辣豆醬(S3)、海天辣豆醬(S4)、海天黃豆醬(S5)、欣和黃豆醬(S6)、家庭自制黃豆醬(S7)、欣和甜面醬(S8)、嘉泰甜面醬(S9)及GABA豆醬(S10)。

氫氧化鈉、蔗糖、氯化鈉：均為國產(chǎn)分析純；乙酸鈉、濃鹽酸(優(yōu)級純)；γ-氨基丁酸標準品(純度>99%)、鄰苯二甲醛、β-巰基乙醇：上海麥克林生化科技有限公司；乙腈、甲醇(色譜純)：廣東光華科技股份有限公司。

1.2 主要儀器與設(shè)備

Cenlee 16R高速冷凍離心機 湖南湘立科學(xué)儀器有限公司；安捷倫1100高效液相色譜儀 安捷倫科技有限公司；CM-3600d分光測色計 日本柯尼卡美能達公司；BMJ-160C霉菌培養(yǎng)箱 上海博迅實業(yè)有限公司；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海精宏實驗設(shè)備有限公司；STARTER 3100酸度計、PWN124ZH電子天平 奧豪斯儀器有限公司；KQ-500DB數(shù)控超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 豆醬制曲、制醬工藝

使用前期研究條件制曲，將醬曲與不同鹽濃度鹽水按重量比例1∶1.1混合于發(fā)酵罐中，于霉菌培養(yǎng)箱中恒溫發(fā)酵，每日進行一次翻醬，取樣前對發(fā)酵醬充分混合。

1.3.2 豆醬中氨基酸態(tài)氮及總酸含量的測定

使用甲醛滴定法測定豆醬樣品中的氨基酸態(tài)氮含量，操作參考國標GB/T 5009.40-2003《醬衛(wèi)生標準的分析方法》。

1.3.3 樣品中γ-氨基丁酸含量的測定

樣品處理：稱取豆醬樣品2.5 g，充分研磨后使用蒸餾水定容至100 mL，取稀釋樣液2 mL，使用0.22 μm針式過濾器過濾至樣品瓶中待測，測定條件同前期研究。

1.3.4 關(guān)鍵制醬條件單因素試驗

按1.3.1制曲，發(fā)酵時間對豆醬品質(zhì)的影響試驗：鹽水鹽含量設(shè)置為15%，制醬溫度設(shè)置為30 ℃，發(fā)酵時間設(shè)定為14，21，28，35，42 d；鹽水鹽含量對豆醬品質(zhì)的影響試驗：發(fā)酵時間設(shè)置為28 d，制醬溫度設(shè)置為30 ℃，鹽水鹽含量為5%、10%、15%、20%、25%；制醬溫度對豆醬品質(zhì)的影響試驗：發(fā)酵時間設(shè)置為28 d，鹽水鹽含量設(shè)置為15%，制醬溫度設(shè)置為20，25，30，35，40 ℃。

1.3.5 二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計試驗

在1.3.4單因素試驗基礎(chǔ)上確定因素水平編碼范圍，見表1。選取發(fā)酵時間、鹽水鹽含量、制醬溫度3個因素，應(yīng)用三因素二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計進行優(yōu)化。

表1 因素水平編碼表Table 1 The factors and levels

1.3.6 發(fā)酵醬色值的測定驗

發(fā)酵醬色值通過分光測色計測定，使用ΔE、L*、a*及b*值表述，色值ΔE的計算公式為：

式中：ΔE代表色值，L*代表亮度，a*代表紅綠差異，b*代表黃藍差異。

1.3.7 發(fā)酵醬pH的測定

準確稱取樣品5 g，使用蒸餾水定容至100 mL，通過酸度計測定pH值，結(jié)果保留兩位小數(shù)[14]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

所有數(shù)據(jù)均為3次平行所得，使用SPSS 26.0和Origin 9.6.5對數(shù)據(jù)進行處理及顯著性分析，使用Design Expert 10設(shè)計二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計試驗，使用Illustrator 23.0.2軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗結(jié)果

發(fā)酵時間、鹽水鹽含量及制醬溫度對發(fā)酵豆醬中氨基酸態(tài)氮與GABA含量的影響見圖1。

圖1 發(fā)酵時間、鹽水鹽含量及制醬溫度對豆醬氨基酸態(tài)氮及GABA含量的影響Fig.1 Effect of fermentation time, brine salt content and fermentation temperature on the amino acid nitrogen and GABA content of soybean paste

傳統(tǒng)豆醬的開放式發(fā)酵工藝存在晝夜溫差大且蛋白酶酶活較低等問題，導(dǎo)致生產(chǎn)周期較長及品質(zhì)受季節(jié)性溫度變化影響。研究表明，恒溫發(fā)酵通常在發(fā)酵28 d左右即可達到國標要求的氨基酸態(tài)氮含量0.5 g/100 g以上[15]。本研究也證實隨著發(fā)酵時間的延長，豆醬中的氨基酸態(tài)氮含量隨時間增加而逐漸增加，并且在35 d之后上升速度減緩，僅從35 d的0.97 g/100 g增加至42 d的1.00 g/100 g ，見圖1中a?？赡苁前l(fā)酵前期因基質(zhì)蛋白質(zhì)豐富及微生物代謝活躍，使得氨基酸態(tài)氮含量快速上升。在35 d后，蛋白降解速度放緩，但由于氨基酸態(tài)氮在制醬過程中是逐步累積過程，因此表現(xiàn)為緩慢上升。同時，GABA含量與氨基酸態(tài)氮呈現(xiàn)出相似的前期快速上升，35 d后緩慢上升趨勢(r=0.986)。故綜合考慮后選擇制醬時間35 d為優(yōu)化試驗的中心點。

通常，在豆醬制醬過程中會添加大比例高濃度鹽水以抑制雜菌生長，鹽水鹽含量的高低及與醬曲混配比例會較大程度影響豆醬的品質(zhì)[16]?？疾禧}水鹽含量對豆醬氨基酸態(tài)氮含量及富集GABA影響的研究結(jié)果表明，豆醬中的氨基酸態(tài)氮含量隨著鹽水鹽含量增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，在鹽水鹽含量為10%時，氨基酸態(tài)氮含量達到最大(0.82 g/100 g, P<0.01)。鹽含量導(dǎo)致的氨基酸態(tài)氮差異可能為低鹽環(huán)境下，微生物代謝較為旺盛，蛋白質(zhì)降解形成的游離氨基酸被微生物用于機體生長。在高鹽環(huán)境下，微生物代謝受到較大程度抑制，蛋白質(zhì)降解緩慢進而導(dǎo)致氨基酸態(tài)氮含量較低[17]。此外，對GABA的觀測發(fā)現(xiàn)其含量也呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，與氨基酸態(tài)氮含量變化有一定的相似性(r=0.792)，見圖1中b。在鹽水鹽含量為10%時，GABA含量達到最大，為1.663 mg/g (P<0.01)。在綜合考慮氨基酸態(tài)氮、GABA含量后，選擇鹽水鹽含量10%為優(yōu)化試驗中心點。

傳統(tǒng)發(fā)酵采用日曬夜露生產(chǎn)方式，制醬溫度隨晝夜更替變化。雖然有研究表明，變溫發(fā)酵能提升風(fēng)味物質(zhì)的種類及豐度，但在連續(xù)化及工業(yè)化生產(chǎn)中，利用恒溫發(fā)酵技術(shù)可使產(chǎn)品品質(zhì)更加穩(wěn)定可控。本研究發(fā)現(xiàn)，豆醬中的氨基酸態(tài)氮在試驗范圍內(nèi)隨著溫度上升呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，在制醬溫度為35 ℃時氨基酸態(tài)氮達到最大值1.13 g/100 g (P<0.01)。溫度導(dǎo)致的氨基酸態(tài)氮差異可能為較低，發(fā)酵溫度時米曲霉降解蛋白質(zhì)效率較低，導(dǎo)致氨基酸態(tài)氮含量較低，而在40 ℃發(fā)酵環(huán)境下，微生物的代謝及酶活受到一定抑制，導(dǎo)致蛋白質(zhì)降解速度降低，進而使氨基酸態(tài)氮含量出現(xiàn)差異。GABA含量則與氨基酸態(tài)氮含量呈現(xiàn)相似的變化趨勢(r=0.928)，見圖1中c，在35 ℃時達到最大值1.808 mg/g(P<0.01)。故綜合考慮后選擇35 ℃為優(yōu)化試驗中心點。

2.2 二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計試驗結(jié)果

2.2.1 二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計試驗結(jié)果

根據(jù)圖1單因素試驗結(jié)果，選取發(fā)酵時間(A)、鹽水鹽含量(B)及制醬溫度(C)作為3個因素，以氨基酸態(tài)氮、GABA含量為響應(yīng)值，試驗方案及結(jié)果見表2。

表2 二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計試驗結(jié)果Table 2 Quadratic regression orthogonal rotation combination design and experimental results

2.2.2 以氨基酸態(tài)氮、GABA含量為指標的回歸模型方差分析及交互作用的影響

對表2所得數(shù)據(jù)整理分析得表3，可擬合氨基酸態(tài)氮(Y1)與GABA含量(Y2)的二次回歸方程為：

Y1=0.97+0.13A+0.10B+0.08C-0.01AB+0.04AC+0.06BC-0.05A2-0.07B2-0.12C2；

Y2=1.690+0.191A+0.136B+0.206C+0.020AB+0.047AC+0.127BC-0.148A2-0.221B2-0.201C2。

表3 以氨基酸態(tài)氮、GABA含量為評價指標的回歸模型方差分析結(jié)果Table 3 Variance analysis results of regression model using amino acid nitrogen and GABA content as the evaluation indexes

續(xù) 表

由表3可知，氨基酸態(tài)氮模型擬合十分顯著(P<0.01)，無顯著失擬性因素(P=0.0518>0.05)，方差分析結(jié)果顯示，A與C2對回歸方程的影響極顯著(P<0.01)，B與C對回歸方程的影響顯著(0.01

同理得GABA含量模型十分顯著(P<0.01)，但存在失擬性因素(P=0.0192>0.01)，方差分析結(jié)果顯示，A、B、C、A2、B2及C2對回歸方程的影響極顯著(P<0.01)，BC對回歸方程有顯著影響(0.01

圖2 發(fā)酵時間、鹽水鹽含量及制醬溫度對豆醬中氨基酸態(tài)氮及GABA含量的影響Fig.2 Effects of fermentation time,brine salt content and fermentation temperature on amino acid nitrogen and GABA content of soybean paste

由圖2中a可知，隨著發(fā)酵時間的延長與鹽水鹽含量的增加，氨基酸態(tài)氮呈現(xiàn)先快速上升后略微下降的趨勢，通過二維等高線圖可知兩因素交互作用較弱。由圖2中b可知，隨著發(fā)酵時間的延長，氨基酸態(tài)氮逐漸升至最高后出現(xiàn)略微下降，隨著制醬溫度的升高呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，其二維等高線圖呈橢圓形，可知兩因素存在交互作用。由圖2中c可知，隨著鹽水鹽含量及制醬溫度逐漸增大，氨基酸態(tài)氮含量均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，但其二維等高線圖呈橢圓形，可知兩因素間存在顯著的交互作用。綜合表3和圖2可知，3個因素對氨基酸態(tài)氮的影響力依次為：發(fā)酵時間>鹽水鹽含量>制醬溫度。

由圖2中d可知，隨著發(fā)酵時間的延長與鹽水鹽含量的升高，GABA含量均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，二維等高線圖表明兩因素間存在一定交互作用。由圖2中e可知，隨著發(fā)酵時間的延長和制醬溫度的增加，GABA含量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，二維等高線圖表明兩因素間存在較弱的交互作用。由圖2中f可知，隨著鹽水鹽含量的增加與制醬溫度的升高，GABA含量均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，且二維等高線圖呈現(xiàn)橢圓形(交互項BC，P<0.05)，可知兩因素間存在顯著的交互作用。綜合圖2和表3可知，3個因素對GABA含量的影響力依次為：制醬溫度>發(fā)酵時間>鹽水鹽含量。

2.2.3 最佳工藝點驗證性實驗

根據(jù)氨基酸態(tài)氮與GABA回歸模型分別可得出最優(yōu)組合：發(fā)酵時間38 d、鹽水鹽含量18%及制醬溫度38 ℃時，預(yù)測氨基酸態(tài)氮含量為1.157 g/100 g，GABA含量為1.775 mg/g。以GABA含量模型可得出：發(fā)酵時間34 d、鹽水鹽含量17%及制醬溫度37 ℃時，預(yù)測氨基酸態(tài)氮含量為1.117 g/100 g，GABA含量為1.888 mg/g。兩個回歸模型的最佳預(yù)測條件較為接近，與單因素試驗中GABA含量與氨基酸態(tài)氮含量呈現(xiàn)相似變化趨勢相吻合。

綜合考慮實際操作后，選擇發(fā)酵時間35 d、鹽水鹽含量17%及制醬溫度37 ℃為優(yōu)選條件，此時，模型預(yù)測氨基酸態(tài)氮含量為1.136 g/100 g，GABA含量為1.876 mg/g。驗證性試驗得氨基酸態(tài)氮含量為(1.126±0.048) g/100 g，GABA含量為(1.868±0.093) mg/g。驗證結(jié)果與回歸模型預(yù)測值基本一致，顯著高于Xu等[18]在豆醬成品中測得的0.260～1.130 mg/g，證明通過制曲、制醬工藝優(yōu)化可有效提升豆醬中的GABA含量[19]。

2.3 GABA豆醬與市售發(fā)酵醬的游離氨基酸組成對比

2.3.1 不同發(fā)酵醬的游離氨基酸組成

發(fā)酵醬中的游離氨基酸主要由酶催化蛋白質(zhì)降解產(chǎn)生，與各項品質(zhì)指標均存在相關(guān)性，是評價發(fā)酵醬品質(zhì)的重要指標[20]。游離氨基酸作為重要的呈味物質(zhì)，如天冬氨酸及谷氨酸等是發(fā)酵醬中主要的鮮味來源，根據(jù)呈現(xiàn)的味道大致可將表4中的18種氨基酸分為鮮味、甜味、苦味和不呈味氨基酸。此外，游離氨基酸還會參與色澤及風(fēng)味的形成，因此，探明發(fā)酵醬的游離氨基酸組成對評價鑒定發(fā)酵醬品質(zhì)具有重要意義。

表4 10種發(fā)酵醬樣品的游離氨基酸含量Table 4 The content of free amino acids of ten kinds of fermented soybean paste samples mg/g

因發(fā)酵醬生產(chǎn)工藝及原料差異，不同樣品的游離氨基酸組成有一定差異(見表4)。10種發(fā)酵醬的游離氨基酸總量由高到低依次為：S2>S5>S3>S4>S1>S10>S7>S6>S8>S9，其中S2的游離氨基酸總量最高為13.55 mg/g，與S5差異較小(P>0.05)，與其余8個樣品的差異明顯(P<0.01)。S10作為優(yōu)化后的GABA豆醬，其游離氨基酸總含量較高，達11.70 mg/g，與樣品S4、S1和S7相比無顯著性差異(P=0.73>0.05)，顯著高于S6、S8及S9(P<0.01)。谷氨酸及天冬氨酸作為發(fā)酵醬中主要的呈鮮氨基酸，S1～S6 6種商業(yè)豆醬中的鮮味氨基酸總百分比顯著高于其余樣品(P<0.01)，可能是因為商業(yè)豆醬呈現(xiàn)更加濃郁的鮮味，在后期調(diào)配加入谷氨酸鈉調(diào)味導(dǎo)致。S7除甲硫氨酸、丙氨酸、半胱氨酸、脯氨酸及谷氨酸外，其余13種氨基酸含量均較高(見圖3)，可能因S7發(fā)酵周期較長(12個月)，蛋白質(zhì)降解較充分導(dǎo)致。此外，在S7和S10中存在較高含量的第一限制性必需氨基酸賴氨酸(見表4和圖3)，兩者的必需氨基酸總量也分別達到4.38 mg/g (37.46%)和2.96 mg/g (25.31%)，在10個樣品中處于較高水平。同時，S10中可作為豆醬主要評價指標的脯氨酸也顯著高于其余樣品，達4.42 mg/g (P<0.01)。綜上，S10作為快速發(fā)酵產(chǎn)品，已有較高的游離氨基酸含量呈現(xiàn)較好品質(zhì)。

圖3 不同發(fā)酵醬的18種游離氨基酸熱力圖Fig.3 Thermogram of 18 free amino acids in different fermented soybean paste

2.3.2 不同發(fā)酵醬的游離氨基酸主成分分析

以18種游離氨基酸含量構(gòu)成10×18矩陣進行主成分分析，得到各主成分的特征值、方差貢獻率及累計貢獻率。根據(jù)主成分分析法提取累計貢獻率≥80%主成分的原則，共提取出5個主成分(見圖4)。其中，前5個主成分的特征值均大于1，累計方差貢獻率為96.394%，包含10個發(fā)酵醬氨基酸含量的大部分信息，能有效代替18種游離氨基酸對發(fā)酵醬品質(zhì)進行評價。

圖4 不同發(fā)酵醬第1，2主成分因子得分圖及載荷圖Fig.4 The scoring diagram and loading diagram of the first and second principal component factors of different fermented soybean paste

2.3.3 不同發(fā)酵醬的游離氨基酸的綜合評價及聚類分析

由主成分分析可知，使用前5個主成分可以有效解釋游離氨基酸含量與品質(zhì)的關(guān)系，因此綜合得分公式為：F=0.526PC1+0.173PC2+0.118PC3+0.085PC4+0.062PC5。10個樣品以綜合得分大小對樣品進行排序，依次為：S7>S5>S8>S4>S2>S9>S10>S3>S6>S1。結(jié)合圖3可知，S7因未添加谷氨酸鈉調(diào)味導(dǎo)致谷氨酸含量及總游離氨基酸含量均小于部分商業(yè)化產(chǎn)品，但發(fā)酵周期較長，使多數(shù)氨基酸含量均相對較高，因此在主成分評價體系中得分最高。而S5的各類氨基酸含量也相對均衡，在綜合得分中排名第二。S10作為快速發(fā)酵產(chǎn)品，基質(zhì)的降解程度較低，使游離氨基酸含量偏低，但在綜合評價中仍為中等水平(見表5)。

表5 因子綜合得分表Table 5 The comprehensive scoring table of factors

對10種發(fā)酵醬的綜合得分進行聚類分析，由圖5可知，S7因多種游離氨基酸含量較高，獲得了較高的綜合得分單獨成類。S2、S4、S5及S8則歸為第二大類，S10、S1、S3、S6及S9歸為第三大類，其中S10的綜合得分已優(yōu)于部分商業(yè)發(fā)酵醬(見表5)。綜上，經(jīng)優(yōu)化后的發(fā)酵醬S10樣品，通過快速發(fā)酵雖品質(zhì)不及長周期發(fā)酵樣品S7，但品質(zhì)已接近甚至優(yōu)于部分商業(yè)發(fā)酵醬。

圖5 10種發(fā)酵醬的游離氨基酸綜合得分聚類圖Fig.5 The cluster diagram of comprehensive scores of free amino acids of 10 fermented soybean paste

3 結(jié)論

通過試驗建立發(fā)酵時間、鹽水鹽含量制醬溫度3種影響因素對豆醬中氨基酸態(tài)氮含量及GABA含量的相互作用模型，得出在發(fā)酵時間35 d、鹽水鹽含量17%及制醬溫度37 ℃的條件下，氨基酸態(tài)氮含量為(1.126±0.048) g/100 g，GABA含量為(1.868±0.093) mg/g，與回歸模型預(yù)測值基本一致。研究結(jié)果表明，本研究中所制得的GABA豆醬具有高氨基酸態(tài)氮、GABA含量等特點，相比市售產(chǎn)品分別提高了28%～103%與46%～244%。綜上，通過本試驗優(yōu)化后，可有效提升豆醬中的氨基酸態(tài)氮及GABA含量，提供了一種穩(wěn)定生產(chǎn)高品質(zhì)GABA豆醬的規(guī)范化方法。