刘 卫，张明美，宋 颖，杨曼倩，兰 洋，苟珍琼，董 全*（西南大学食品科学学院，重庆 400715）
低盐腌制白萝卜非酶褐变动力学
刘 卫，张明美，宋 颖，杨曼倩，兰 洋，苟珍琼，董 全*
（西南大学食品科学学院，重庆 400715）
摘 要：探讨白萝卜腌制过程中非酶褐变的原因与动力学，以期为白萝卜的腌制加工提供技术指导。在25、30、35 ℃条件下对白萝卜进行自然发酵，研究产品中与非酶褐变有关的指标总酚、还原糖、VC、游离氨基酸、5-羟甲基糠醛（5-hydroxymethylfurfural，5-HMF）含量以及褐变度（browning degree，BD）及色差（L*、a*、b*）的变化，并分别用零级、一级动力学模型进行拟合分析。结果表明：白萝卜腌制期间发生非酶褐变主要是由于美拉德反应及多酚的氧化聚合引起的。在不同温度（25、30、35 ℃）条件下发酵过程中，白萝卜的总酚、还原糖、游离氨基酸含量变化符合一级动力学模型；5-HMF含量、BD变化符合零级动力学模型，并且两者成线性关系（R2＞0.936 0），同时颜色指标L*、b*值是5-HMF的函数，可用一级动力学方程表示（R2＞0.801 2）。发酵温度对腌制白萝卜成品品质影响显着，因此可通过控制发酵温度来提高产品的感官及营养品质。
关键词：白萝卜；非酶褐变；动力学；低盐腌制
引文格式：
刘卫， 张明美， 宋颖， 等.低盐腌制白萝卜非酶褐变动力学［J］.食品科学， 2016， 37（13）: 65-70.DOI:10.7506/spkx1002-6630-201613012. http://www.spkx.net.cn
LIU Wei， ZHANG Mingmei， SONG Ying， et al.Kinetics of non-enzymatic browning in low-salt pickled radish［J］.Food Science，2016， 37（13）: 65-70.（in Chinese with English abstract） DOI:10.7506/spkx1002-6630-201613012. http://www.spkx.net.cn
白萝卜（Raphanus sativus L.）又名芦菔、菜菔，是一种常见的根茎类蔬菜，属十字花科萝卜属的一年或二年生草本双子叶植物，在我国有很久远的种植历史。腌制白萝卜是在一定浓度的食盐溶液中，借助天然附着在其表面的微生物或者人工接种的乳酸菌等，利用白萝卜及腌制液中的可发酵糖类等物质进行乳酸发酵产酸，同时利用食盐溶液的高渗透压抑制体系中其他有害微生物的生长，并伴随有酒精发酵等一系列生化反应而形成的有特殊风味的发酵制品。腌制白萝卜不仅具有爽脆的口感，而且富含VC和微量元素锌，有助于提高机体的免疫机能，同时其含有的芥子油还能够促进胃肠蠕动、帮助消化、增加食欲，因此深受消费者喜爱［1］。但是在白萝卜腌制过程中，常由于发生化学及生理生化反应而使产品发生褐变，降低了食品的营养品质和商品价值。非酶褐变是白萝卜腌制过程中变色的主要原因，其反应机制一般包括美拉德反应、抗坏血酸氧化分解、多酚类物质氧化缩合及焦糖化反应。焦糖化反应发生的温度条件约为150～200 ℃，本研究所选取的温度较低（低于40 ℃），发生焦糖化反应的概率很小，因此主要研究前3 种非酶褐变反应。近年来，关于果蔬制品的非酶褐变动力学研究在国内外报道较多［2-5］，然而未见关于白萝卜腌制过程中褐变动力学的分析报道。本实验在25、30、35 ℃这3 种温度条件下对腌制白萝卜的非酶褐变相关指标变化进行研究，探讨白萝卜腌制期间发生褐变的主要原因，并应用相关动力学模型分析白萝卜腌制过程中的非酶褐变，以指导白萝卜的加工生产，改善产品的感官品质和提高产品营养价值。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
白萝卜购于重庆市北碚区天生农贸市场；食盐、白砂糖购于重庆市北碚区天生丽街永辉超市。
Folin-酚试剂、没食子酸、氯化钙、亮氨酸、无水碳酸钠、3，5-二硝基水杨酸、2，6-二氯酚靛酚、草酸、水合茚三酮、抗坏血酸、乙酸、乙酸钠、5-羟甲基糠醛（5-hydroxymethylfurfural，5-HMF）、巴比妥酸、亚铁氰化钾、硫酸钾均为分析纯，购于成都市科龙化工试剂厂。
1.2 仪器与设备
UltraScan PRO测色仪 美国HunterLab公司；KQ3200DB数控超声波振荡器 昆山市超声仪器有限公司；RE-52AA旋转蒸发仪 上海垒固仪器有限公司；5810台式高速离心机 德国Eppendorf公司；722S可见分光光度计 上海精科仪器有限公司；HHS-24电热恒温水浴锅 上海齐欣科学仪器有限公司；FSH-Ⅱ高速电动匀浆器 江苏金坛市环宇科学仪器厂。
1.3 方法
1.3.1 白萝卜的腌制
挑选新鲜、无虫害、无霉烂、无机械损伤的萝卜经过清洗后，切分为规格为4 cm×4 cm×1 cm的片段，加入质量分数10%的食盐水腌渍24 h，沥干后装坛，加入含有（以下均为质量分数）4%食盐、2%白砂糖、0.5%氯化钙的腌制液（料水比为1∶1（m/V））中，分别放在25、30、35 ℃条件下进行自然发酵，每隔3 d定期测定白萝卜的各项指标。
1.3.2 总酚含量的测定
标准曲线的绘制：准确称取没食子酸标准品0.050 g，用超纯水配制成0.1 mg/mL的没食子酸标准溶液，准确移取0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7 mL没食子酸标准溶液于10 mL棕色容量瓶中，分别用超纯水补充至2.0 mL，加入1.0 mL Folin-酚试剂、4.0 mL质量分数26.7%的Na2CO3饱和溶液，充分摇匀后用蒸馏水定容至10 mL，避光静置2 h后，于760 nm波长处测定吸光度。以没食子酸质量浓度为横坐标，吸光度为纵坐标绘制没食子酸标准曲线［6］。
样品中总酚含量的测定：准确移取样品提取液2 mL，按照制作标准曲线的方法测定样品中的总酚含量，结果以每100 g白萝卜中没食子酸的毫克数表示（mg/100 g）。
1.3.3 还原糖含量的测定
参考徐娟娣等［7］的方法，采用3，5-二硝基水杨酸法测定还原糖含量。
1.3.4 抗坏血酸含量的测定
参照GB/T 5009.159—2003《食品中还原型抗坏血酸的测定》［8］，采用2，6-二氯酚靛酚法测定抗坏血酸含量。
1.3.5 游离氨基酸含量的测定
参考曹建康等［9］的方法，采用茚三酮显色法测定游离氨基酸含量。
1.3.6 5-HMF含量的测定
参考阮卫红等［10］的方法，略有改进：称取20 g样品捣碎匀浆，放入100 mL容量瓶中，加水50 mL，用移液管分别加入2 mL亚铁氰化钾溶液和2 mL硫酸锌溶液，用蒸馏水定容到刻度，摇匀后静置10 min，过滤并收集滤液。准确移取2 mL待测液，加入5 mL对甲基苯胺、1 mL巴比妥酸，混匀后迅速倒入比色皿中，在550 nm波长处测定吸光度。分别配制0、2、4、6、8 μg/mL的羟甲基糠醛标准溶液，按照相同的方法制作标准曲线。按照下式计算5-HMF含量。
式中：m0为样品的质量/g；m1为从标准曲线上查得的5-HMF的含量/μg；V1为测试溶液总体积/mL；V2为测定时所取样品的体积/mL。
1.3.7 褐变度 （browning degree，BD）的测定
称取6 g样品，加入40 mL 95%乙醇溶液，打磨成浆，将混合物分装在离心管中，8 500 r/min离心10 min，取上清液，用紫外-可见分光光度计在420 nm波长处测定吸光度，以95%乙醇溶液做空白样，结果以10×A420 nm表示［11-12］。
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1.3.8 色差的测定
将白萝卜切成3 cm×3 cm×1 cm的小块，用测色仪进行颜色测定，每个样品平行测定12 次。颜色参数分别为L*（亮度）、a*（红度）、b*（黄度）。
1.4 数据处理
以上各指标除色差外其他均重复测定3 次，所有数据采用SPSS 19.0进行统计分析；各实验数据表示为±s。采用统计软件Origin 8.0、Excel 2010进行相关图表绘制、相关指标动力学分析及回归分析。
2 结果与分析
2.1 白萝卜腌制过程中总酚含量变化
酚类化合物的化学性质非常活泼，极易氧化成苯醌，苯醌具有强烈的亲电子性，易与亲核基团反应，从而加速其他分子氧化及其自身快速聚合［13］。如图1所示，随着腌制时间的延长，样品中总酚含量呈减少趋势，且温度越高，总酚含量减少速率越快。腌制初期，体系中各种化合物含量比较充分，加上初期坛内存在的少量氧气，使总酚含量下降较快。第6天以后，总酚含量下降速率减慢，可能是由于坛内酸度增加，促使酚类形成的多聚化合物分解，使酚类含量增加。腌制末期，总酚含量降到较低水平，下降速率缓慢。多数多酚氧化酶的最适pH值范围在6～7之间，pH值在3以下时，多酚氧化酶几乎完全失活［14］。白萝卜腌制过程中坛内pH值随腌制时间的延长逐渐降低，抑制了多酚氧化酶的活性，且原料在腌制前经过高浓度盐渍处理，由于高浓度电解质存在，酶也可能失活，由此分析体系中酶促褐变反应十分微弱。总酚含量减少很可能是由于在测定过程中不断取样，使坛内存在少量氧气而导致酚类发生氧化及自身快速聚合，生成各种有色物质［15］，导致产品褐变。
2.2 白萝卜腌制过程中还原糖含量变化
美拉德反应是一种在食品加工中广泛存在的非酶褐变反应，是还原糖与氨基酸、蛋白质之间的复杂反应。腌制过程中还原糖含量的变化与两方面因素有关：一方面，还原糖与游离氨基酸发生的美拉德反应以及微生物的消耗利用使其含量减少；另一方面，在酸性条件下腌制白萝卜中低聚糖水解使还原糖含量增加［16］。由图2可知，腌制白萝卜中还原糖含量随腌制时间的延长而减少，35 ℃发酵条件下还原糖含量损失最多。25、30、35 ℃发酵条件下腌制0～3 d时，还原糖含量由3.23%分别下降至1.87%、1.45%、1.29%，这可能是由于腌制初期发生美拉德反应使还原糖含量下降，且初期微生物种类及数量较多，消耗糖类速率较快。腌制第6天以后，还原糖含量下降缓慢，35 ℃发酵第9天时还原糖含量又有所增加，分析可能是由于低聚糖的分解所致。总体来看，还原糖含量呈下降趋势，说明美拉德反应可能是造成腌制白萝卜褐变的重要因素。
如图3所示，新鲜白萝卜中V C含量高达12.54 mg/100 g，VC在加工过程中极易被破坏。在腌制的0～3 d内，白萝卜中的VC含量急剧下降，一方面是由于白萝卜在预处理时由于切分及高浓度盐腌渍处理使其中的VC受到破坏，另一方面可能是VC的有氧降解速率高于无氧降解速率［17］，即腌制初期VC的损失率高于腌制后期。腌制3 d后，25、30、35 ℃发酵条件下VC含量变化不大，均在0.7 mg/100 g左右，腌制18 d后其VC损失量分别为90.78%、92.54%、93.56%，说明腌制过程会严重破坏VC，降低其含量。VC含量在腌制初期即下降到较低水平，而此时白萝卜未发生明显褐变，因此分析抗坏血酸氧化褐变不是白萝卜腌制过程中发生褐变的主要原因。
2.4 白萝卜腌制过程中游离氨基酸含量变化
氨基酸是非酶褐变的反应物，同时也是非酶褐变反应的催化剂。由图4可知，25、30、35 ℃发酵温度下白萝卜中游离氨基酸含量均有所下降。与鲜样相比，腌制18 d 后3 种发酵条件下样品中游离氨基酸含量从30 mg/100 g分别下降至5.61、4.96、4.08 mg/100 g，其中35 ℃发酵时腌制白萝卜游离氨基酸损失最多，高达86.4%。以上结果表明，美拉德反应是白萝卜发生褐变的重要原因，且褐变反应速率随温度升高而增大。
2.5 白萝卜腌制过程中5-HMF含量及褐变度变化
美拉德反应是十分复杂的羰氨反应，5-HMF是反应的重要中间产物，它既是体系色素沉积的潜在条件，也是非酶褐变的重要指示因子［18］。如图5所示，腌制白萝卜中的5-HMF含量随腌制时间的延长而增加，25、30、35 ℃发酵条件下腌制18 d时，5-HMF含量分别增加了34.97、43.01、50.90 μg/g，表明白萝卜腌制期间发生了美拉德反应，且较高的温度能够加快腌制白萝卜中5-HMF的形成，加速褐变反应。Ajandouz等［19］研究发现，5-HMF的形成途径主要发生在较低pH值条件下，本研究中随着腌制时间的延长，pH值逐渐降低，这主要是由于乳酸菌厌氧发酵产生乳酸使体系pH值下降，其次，美拉德反应中糖与羰氨反应的中间产物分解为糖醛酸等酸性物质，美拉德反应引起氨基酸中碱性基团消失等也使其酸性增加［20］，酸性增加促进了腌制过程中5-HMF的形成，这与本研究中腌制白萝卜中的5-HMF含量变化趋势是一致的。由于5-HMF是美拉德反应的中间产物，因此存在一个积累的过程，即前期增加速率较慢，后期增加速率较快，这与王卫东等［21］的研究结果一致。
非酶褐变反应产生的色素在420 nm波长处有非常强的吸光度，吸光度越大，褐变反应越严重。如图5所示，腌制白萝卜的褐变度随腌制时间的延长而增加，且温度越高，褐变程度越大。褐变在后期反应速率相对较快，这可能与Carabasa等［22］报道的非酶褐变反应初期存在诱导期有关，其时间长短与温度高低、氨基酸种类、葡萄糖浓度有关。
2.6 白萝卜腌制过程中颜色变化
颜色是腌制白萝卜的重要品质指标，它直接影响消费者对产品的接受程度。白萝卜在腌制过程中的颜色变化见图6。L*值表示亮度与白度的综合值，该值越大表明白萝卜越白越亮。由图6A可知，腌制期间白萝卜的亮度L*呈下降趋势，腌制18 d后25、30、35 ℃发酵条件下L*值分别下降了26.62%、40.78%、43.73%，说明腌制过程中白萝卜逐渐褐变。a*正值代表红度，负值代表绿度，由图6B可知，新鲜萝卜a*值为－0.685，经过腌制后，3 种发酵温度下产品a*值分别上升为1.789、2.530、2.830，说明随着腌制时间延长，白萝卜逐渐由绿变红。b*正值代表黄度，负值代表蓝度，由图6C可知，b*值随着腌制时间的延长而增加，腌制温度越高，b*值增加幅度越大，说明高温腌制会加速白萝卜黄变，这可能与高温发酵过程中加速了美拉德反应及酚类氧化聚合反应有关。腌制过程中，样品的红度值、黄度值均呈上升趋势，表明白萝卜在腌制期间随腌制时间的延长颜色变暗，并逐渐变红变黄。35 ℃时色差变化最为明显，表明较高温度条件下白萝卜的颜色褐变加剧，这一结论与BD的变化趋势是一致的。
白萝卜腌制过程中的颜色变化与非酶褐变过程中产生的5-HMF有很大关系，对腌制过程中白萝卜的褐变度BD、L*、b*值与5-HMF含量分别进行线性回归拟合和指数回归拟合，其反应方程及决定系数R2如表1所示。25、30、35 ℃发酵过程中，BD与5-HMF含量的变化存在线性关系，BD随5-HMF含量的增加而增大，相应的线性回归方程决定系数分别为0.936 0、0.934 9、0.976 3。腌制白萝卜颜色参数除a*值存在负值，无法拟合一级方程外，L*、b*值与5-HMF含量的函数关系均可用一级动力学方程表示，除25 ℃条件下b*值与5-HMF含量回归方程的决定系数为0.801 2外，其余决定系数均在0.9以上，说明颜色参数亮度L*、黄度b*值与5-HMF含量有很好的相关性，腌制过程中可以通过抑制5-HMF的形成来防止产品褐变。
表 1 白萝卜腌制过程中5-HMF含量与BD、L*、b*值的相关性Table 1 Correlations between5-HMF andBD，L*orb*forpickledwhite radish during fermentation变量 温度/℃ 回归方程 R25-HMF（x）-BD（y）25 y=0.013 8x－0.085 7 0.936 0 30 y=0.013 4x－0.054 7 0.934 9 35 y=0.012 7x－0.078 2 0.976 3 5-HMF（x）-L*（y）25 y=76.715e－0.006 7x0.921 4 30 y=76.915e－0.011 1x0.961 4 35 y=77.030 4e－0.010 9x0.991 8 5-HMF（x）-b*（y）25 y=3.237e0.025 8x0.801 2 30 y=2.960e0.029 1x0.903 1 35 y=2.993e0.025 1x0.904 7
2.7 白萝卜腌制过程中非酶褐变动力学分析
食品的品质变化可以用零级［23-24］或一级动力学模型分析［25-26］，图1～4中的总酚、还原糖、VC、游离氨基酸含量变化趋势用这两种模型进行拟合分析，其反应常数如表2所示。用零级反应模型分析所得决定系数R2在0.403 7～0.890 2之间，用一级反应模型分析所得的决定系数R2在0.567 4～0.979 1之间，表明一级动力学模型的拟合程度优于零级动力学模型，除VC含量变化由于骤降，其拟合方程决定系数较低外，总酚、还原糖、游离氨基酸含量决定系数均较高，用一级动力学模型能更好地解释白萝卜腌制过程中总酚、还原糖、VC、游离氨基酸含量的动态变化。同样对5-HMF含量与BD的变化趋势进行拟合分析，用零级反应模型拟合分析所得决定系数R2在0.929 8～0.989 7之间，用一级反应模型拟合分析所得决定系数R2在0.606 2～0.971 2之间，相同条件下，零级动力学模型的拟合程度优于一级动力学模型，表明零级动力学模型可以更好地解释白萝卜腌制过程中5-HMF含量与BD的动态变化。
表 2 白萝卜腌制过程中各指标变化的速率常数和决定系数Table 2 Reaction rate constantsandcorrelationcoefficients ofdifferent indices for pickled white radish during fermentation指标 温度/℃ 零级动力学模型 一级动力学模型速率常数k 决定系数R2速率常数k 决定系数R2总酚含量25 0.773 5 0.890 2 0.089 9 0.977 2 30 0.807 8 0.871 8 0.107 6 0.979 1 35 0.899 8 0.789 9 0.119 0 0.970 2还原糖含量25 0.110 5 0.786 2 0.066 5 0.962 8 30 0.115 2 0.682 7 0.078 0 0.869 6 35 0.129 7 0.592 5 0.079 5 0.766 6 VC含量25 0.431 7 0.416 0 0.115 6 0.570 8 30 0.437 3 0.410 8 0.127 7 0.574 5 35 0.438 4 0.407 3 0.131 9 0.567 4游离氨基酸含量25 1.165 7 0.846 5 0.082 0 0.958 3 30 1.183 0 0.781 6 0.087 5 0.943 3 35 1.191 5 0.778 6 0.098 3 0.946 0 5-HMF含量25 2.080 9 0.978 8 0.081 6 0.971 2 30 2.411 4 0.989 7 0.084 2 0.930 4 35 2.832 7 0.934 1 0.086 9 0.814 2 BD 25 0.029 5 0.968 3 0.167 8 0.766 4 30 0.032 4 0.931 7 0.168 0 0.638 2 35 0.036 0 0.929 8 0.169 2 0.606 2
3 结 论
白萝卜在25、30、35 ℃条件下发酵过程中，总酚、还原糖、VC、游离氨基酸含量及亮度L*值均显着下降（P＜0.05），5-HMF含量、BD、红度a*及黄度b*值均显着增加（P＜0.05）。随着发酵温度的升高，各项指标变化速率加快，结果表明白萝卜腌制期间发生褐变主要是由于发生美拉德反应及多酚的氧化聚合反应所致。白萝卜腌制过程中总酚、还原糖、VC、游离氨基酸含量变化可以用一级动力学模型进行拟合，且除了VC含量拟合度相对较低外，各指标拟合决定系数均较高，用一级动力学模型能更好地解释白萝卜腌制过程中非酶褐变反应的动态变化。白萝卜腌制过程中5-HMF含量与BD变化存在线性函数关系，同时颜色指标亮度L*、黄度b*值与5-HMF含量也具有很好的相关性，可以用一级动力学方程表示，表明一定程度上可通过抑制5-HMF的形成来控制白萝卜腌制过程中的颜色变化，提高产品品质。白萝卜在腌制和贮藏过程中的品质变化普遍存在，本实验只研究了腌制过程中的品质变化，并未对贮藏过程中的腌制白萝卜成品品质进行研究。尽管腌制白萝卜的加工技术已经成熟，但加工与贮藏过程中的褐变以及对其品质的影响仍需进一步研究，以此更好地指导腌制白萝卜的生产。
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DOI:10.7506/spkx1002-6630-201613012
中图分类号：TS255.5
文献标志码：A
文章编号：1002-6630（2016）13-0065-06
收稿日期：2015-08-01
基金项目：重庆市“121”科技支撑示范工程项目（cstc2012jcfc-jfzh0033）
作者简介：刘卫（1989—），女，硕士研究生，研究方向为现代食品加工理论与技术。E-mail：13320249700@163.com
*通信作者：董全（1962—），男，教授，博士，研究方向为现代食品加工理论与技术。E-mail：dongquan@swu.edu.cn
Kinetics of Non-Enzymatic Browning in Low-Salt Pickled Radish
LIU Wei， ZHANG Mingmei， SONG Ying， YANG Manqian， LAN Yang， GOU Zhenqiong， DONG Quan*
（College of Food Science， Southwest University， Chongqing 400715， China）
Abstract:The paper discusses the causes and kinetics of non-enzymatic browning during pickling of radish， which is expected to be helpful for the processing of radish.The radish was fermented spontaneously at different temperatures （25，30 and 35 ℃） in this study.Changes in qualities related to non-enzymatic browning include total polyphenols， reducing sugar， vitamin C， free amino acid， 5-hydroxymethylfurfural （5-HMF）， browning degree （BD） and color parameters （L*， a* and b*） were studied and fitted with zero order and first order models， respectively.The browning of pickled radish was non-enzymatic browning， which was mainly due to Maillard reaction and oxidative polymerization.The first order model could better explain the kinetic changes of total polyphenols， reducing sugar， and free amino acids in radish during pickling.The changes of 5-HMF and BD accorded with zero order model， and a good correlation between 5-HMF and BD was observed （R2> 0.936 0）.Color parameters （L*， and b*） could be expressed by a first-order kinetic equation （R2> 0.801 2）.The fermentation temperature had a significant effect on the quality of pickled radish products， and the quality of pickled radish can be improved by controlling fermentation temperature.
Key words:radish； non-enzymatic browning； kinetics； low-salt pickled
