加工過程中紫薯汁化學成分變化分析*

萬玉煒，牛麗影，陳計巒

1(新疆石河子大學食品學院，新疆 石河子，823000)

2(江蘇省農業科學院農產品加工研究所，江蘇南京，210014)

紫薯又名黑薯，富含花青素類物質，具有較強的抗氧化性和獨特的保健功能［1］。除鮮食外，紫薯還可用于提取花青素或作為配料用于糕點、冰淇淋等食品中［2］。由于紫薯的花青素熱穩定性優于紫葡萄、紫蘇、黑米和黑豆等其他來源的花青素［3］，所以將其制成紫薯汁越來越受食品工業的重視。然而與其他果蔬汁類似，紫薯汁在加工和貯藏過程中易發生花青素降解［4］、氨基化合物和還原糖發生美拉德反應［5］，淀粉老化分層［6］，從而引起產品褐變和風味變化等現象。

目前國內對紫薯汁的研究主要集中在加工工藝和工藝優化方面，如酶添加量的選擇［7］、澄清效果研究［8］、提高穩定性［9］等。對加工過程的營養成分變化研究較少。本文對常規紫薯汁生產流程中的花青素、游離糖、游離氨基酸和可溶性蛋白含量的變化進行了測定，并選取巴氏殺菌和高壓蒸汽滅菌兩種殺菌方式進行比較，以期為紫薯汁的生產工藝的優化和產品品質的提高提供借鑒作用。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮紫薯，購于南京孝陵衛市場;氨基酸標樣、鄰苯二甲醛試劑、3-巰基丙酸，購自美國Sigma公司;氯仿、甲醇硼酸、硼砂、抗壞血酸標品、蒽酮、濃HCl、濃H2SO4、NaOH等均為國產分析純。

1.2 儀器與設備

TU-1810紫外可見分光光度計，北京普析通用儀器有限公司;AR224CN電子天平，賽多利斯科學儀器北京有限公司;1260示差檢測器(RID)的安捷倫1200液相色譜儀，美國安捷倫科技有限公司;DHG-907385-III電熱恒溫鼓風干燥箱，上海新苗醫療器械制造有限工資;恒溫水浴鍋，金壇市環保儀器公司;JYL-C010九陽料理機，九陽股份有限公司;SYQDSX-280B手提式不銹鋼壓力蒸汽滅菌鍋，上海申安醫療器械廠。

1.3 實驗方法

1.3.1 游離氨基酸提取及含量測定

樣品液制備:取紫薯汁5 mL于10 000×g(4℃)離心15 min，取上清液10 μL同標樣衍生，過膜后進樣。

參照Kim等［10］的方法，略加改動。色譜條件為:ZORBAX Eclipse-AAA色譜柱(150 mm×4.6 mm，3.5 μm)，RID檢測器，流動相:A:pH 7.8的40 mmol/L的NaH2PO4溶液。B:V(乙腈)∶V(甲醇)∶V(水)=45∶45∶10。洗脫梯度:0%B(0～1.9 min)，0～57%(1.9～18.1 min)，57%～100%(18.1～18.8 min)，100%(18.8～22.3 min)，100%～0%(22.3～23.2 min)和0%(23.26 min)。流速為2.0 mL/min.

氨基酸標準溶液配制:從氨基酸混標液中準確吸取5、10、20、40、60、80 和 100 μL，分別用 0.1 mol/L HCl溶液定容 100 μL，氨基酸濃度 0.125、0.5、1.0、1.5、2 和2.5 μmol/mL。取標樣10 μL 加入50 μL 硼酸緩沖液，混合，加入10 μL OPA，混合，然后加入640 μL水，混合后靜止30 s，進樣前經0.45 μm微孔濾膜過濾，每個樣品重復3次。

1.3.2 花青素含量測定

參照Yang等［11］的方法。取上述紫薯汁離心上清液1 mL，加入pH 4.5醋酸鈉緩沖液或pH 1.0的氯化鉀緩沖液4 mL，搖勻后放置15 min。放入1 cm的比色皿后，用紫外-可見分光光度計分別在520 nm和700 nm下分別測定吸光度。提取液的花青素濃度(C，mg/L)計算:

總花青素含量=(A×Mw×f×1 000)/ε

A=(Abs510nm-Abs700nm)pH1.0-(Abs510nm-Abs700nm)pH4.5

其中，A為最終吸光度;f為稀釋倍數;L為比色皿光路長度，cm;矢車菊色素-3-葡萄糖苷為標準，其摩爾吸光系數ε為26 900;摩爾質量Mw 449.2 Da。

1.3.3 蔗糖、果糖和葡萄糖的提取及含量測定

蔗糖、果糖和葡萄糖的提取參照 Giannoccaro等［12］的方法。取紫薯汁上清液1 mL，加入等體積乙腈，0.45 μm過濾器過濾，用于液相色譜分析。色譜條件為:Carbohydrate色譜柱(150 mm×4.6 mm，5 μm)，RID 檢測器，流動相:V(乙腈)∶V(水)=75∶25，流速1.00 mL/min，檢測器溫度30℃，柱溫箱溫度30℃。

糖標準溶液配制:準確稱取蔗糖、果糖、葡萄糖各3.000 g，轉移到100 mL容量瓶，高純水定容至100 mL，得到30 mg/mL的混標溶液，分別稀釋到10、8、6、4、2 mg/mL。進樣前經 0.45 μm 微孔濾膜過濾。每個樣品重復3次。

1.3.4 可溶性蛋白的測定

采用考馬斯亮藍方法。取每個樣品5 mL，在10 000×g(4℃)離心15 min，取上清液1.6 mL(依據標曲范圍做一定稀釋)，加蒸餾水2.4 mL，再加入4 mL考馬斯亮藍G-250蛋白質染色液，搖勻靜置2 min，在紫外-可見分光光度計595 nm下的吸光值，蒸餾水做參比。

1.3.5 數據統計分析

采用OriginLab OriginPro 8和SAS V8統計分析軟件對實驗數據進行處理和差異顯著性檢驗，差異顯著性釆用Duncan新復極差法。所有數值均為3次重復平均值。

1.3.6 紫薯汁制備流程圖

按照圖1進行紫薯汁的制作及取樣，上述樣品都放于4℃避光保存，24 h內完成測定。

圖1 紫薯汁生產工藝流程Fig.1 Process procedure of purple sweet potato juice

2 結果與分析

2.1 加工過程中花青素含量分析

紫甘薯花青素主要包括矢車菊色素和芍藥色素［13］。圖2顯示花青素含量隨著紫薯汁加工過程而發生明顯變化。

圖2 紫薯汁加工環節中花青素含量Fig.2 Anthocyanin contents in purple sweet potato juice during processing

花青素具有較好的水溶性，在護色過程中，紫薯片中的花青素部分進入護色液而損失，下降為護色前的24.88%。沸水熱燙3 min后花青素含量繼續降低為護色后榨汁的34.31%。熱燙造成花青素損失在其他產品中也有報道，如黑莓在蒸汽熱燙后3 min后花青素類物質也會溶出80%以上［14］。然而經熱燙后的紫薯片勻漿后經過淀粉酶和糖化酶的酶解，紫薯汁中花青素含量又顯著上升，甚至高于護色前紫薯的鮮榨汁。一方面隨著酶解作用使得淀粉大分子變為小分子，溶液中更多的花青素游離出來;另一方面是酶解前pH值調為4.5，檸檬酸釋放的H+使得花青素向黃钅羊鹽陽離子方向發展，有效地提高了花青素的穩定性［7］。并且本文的酶解條件(90℃，1 h)，對花青素并無明顯影響［15］。

經不同殺菌方式處理后，花青素含量均出現不同程度的降低，較酶解后的澄清汁相比較，高壓蒸汽滅菌降低50.00%，巴氏殺菌降低15.06%。由此可知高溫會導致花青素大量損失，所以在生產加工中應避免高溫、高壓處理［16］。

2.2 游離糖在加工過程中的變化

如表1所示，紫薯汁中游離糖主要有果糖、葡萄糖和蔗糖，在加工過程中紫薯汁中的游離糖含量存在顯著差異(P＜0.05)。從總糖來看，熱燙、酶解和巴氏殺菌可使游離糖含量增加，尤其是酶解后達到酶解前的3.50倍，而護色和高壓蒸汽滅菌使紫薯汁中的游離糖含量減少。沸水熱燙后果糖和葡萄糖分別增加為護色榨汁的2.32和1.50倍，蔗糖無明顯變化。吳烈洪等［17-18］對甘薯蒸煮前后糖分相關性研究表明，生薯中存在淀粉酶尤其是β-淀粉酶，在蒸煮的過程中，淀粉經過糊化和糖化，還原糖可增加約117.9%。游離糖的變化中，另一個很顯著的特點是蔗糖/果糖+葡萄糖比例的變化，酶解前二者的比例大于1，而酶解后小于1。這可能由于本文中采用α-淀粉酶和糖化酶酶解后，紫薯汁果糖和葡萄糖含量大幅增加，致使蔗糖/果糖+葡萄糖比酶解前下降約3.28倍，可能是淀粉酶解后大量生成葡萄糖和果糖所致。

酶解后的紫薯汁過濾后分別進行了巴氏殺菌、高溫蒸汽滅菌。巴氏殺菌的游離糖含量為酶解后的澄清汁的1.23倍，高壓蒸汽滅菌則降低酶解后的31.49%。巴氏殺菌中游離糖含量的增加可能是因為淀粉酶在一定溫度范圍內仍具有一定的熱穩定性［19］，在巴氏殺菌過程中淀粉酶持續會將淀粉轉化為果糖和葡萄糖，另一方面是在酸性高溫環境下，蔗糖會分解成葡萄糖和果糖［20］。高壓蒸汽滅菌中，還原糖參與美拉德反應速度加快［21］，果糖和葡萄糖含量顯著下降。

表1 紫薯汁加工環節中游離糖含量Table 1 Free sugars contents in purple sweet potato juice during processing

2.3 加工過程中游離氨基酸含量變化

游離氨基酸不僅直接形成滋味，而且還是很多風味物質的前體物質［22］。紫薯汁中游離氨基酸的含量變化如表2所示，共檢測出16種游離氨基酸。紫薯汁中主要的氨基酸為天冬氨酸，其次為谷氨酸和絲氨酸等，甘氨酸、纈氨酸、脯氨酸含量最少。加工過程顯著影響紫薯汁中的游離氨基酸含量，并且不同的氨基酸含量之間存在著顯著的差異?？偘被岷吭诎褪蠝缇蟪霈F最高值，其次為鮮切片榨汁，而最低值出現在熱燙后。從氨基酸的種類上分析，巴氏滅菌后樣品除丙氨酸、蛋氨酸、胱氨酸外，均為最高值;而熱燙后的樣品除丙氨酸、蛋氨酸、絲氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸，均為最低值。胱氨酸在酶解前的樣品中未檢測到，而在滅菌過程中增加，尤其是高壓蒸汽滅菌后為酶解的3.93倍。氨基酸在食品中除了提供營養價值外，還存在呈味性質差異［23］。甜味氨基酸主要包括賴氨酸、丙氨酸、絲氨酸、蘇氨酸，酸味氨基酸主要有天冬氨酸和谷氨酸，苦味氨基酸有組氨酸、蛋氨酸、纈氨酸、精氨酸、異亮氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸［24-26］。由表4可知護色對甜味氨基酸影響較為顯著，酸味和苦味氨基酸變化不大。熱燙后苦味氨基酸顯著下降，甜味和酸味氨基酸變化不大。酶解后甜味氨基酸較前處理顯著增加40.33%，如草莓汁和番茄汁在蛋白酶的作用下丙氨酸和絲氨酸含量明顯上升［27］。在飲料加工中這些游離氨基酸的變化主要是由非酶褐變所導致［28］。

不同的殺菌方式下，巴氏殺菌后甜味氨基酸、酸味氨基酸、苦味氨基酸較殺菌前分別增加1.27、1.55、2.14倍;高壓蒸汽滅菌后甜味氨基酸和苦味氨基酸分別下降為滅菌前的10.81%和22.71%，酸味氨基酸變化不大。就殺菌方式來看，巴氏殺菌對樣品中的總氨基酸含量和各種呈味氨基酸的保留率均最高，但酸味和苦味氨基酸含量顯著上升。在滋味研究中，酚類、糖、核苷、蛋白類物質均存在著相互的作用［29］。紫薯汁中的氨基酸、花青素、可溶性糖和蛋白對滋味的影響還有待進一步研究。

2.4 加工過程中可溶性蛋白含量的變化

在紫薯汁的加工過程中，可溶性蛋白含量隨紫薯汁的加工總體呈下降趨勢(圖3)。護色后可溶性蛋白下降為鮮樣的88.88%。熱燙后損失最為嚴重，下降為護色后的16.48%。這可能是由于燙漂過后導致蛋白質變性，與脂肪、纖維素、多酚類物質結合水不溶性物質［30］，過濾后損失。另外，在酸性環境下蛋白質發生水解產生多肽和氨基酸，導致酶解后可溶性蛋白含量持續降低［31］。巴氏殺菌和高壓蒸汽滅菌對比后，實驗結果顯示高壓蒸汽滅菌可溶性蛋白較高于巴氏殺菌，可能是高溫蒸汽滅菌下更多細胞破損更多的可溶性蛋白溶出所導致。巴氏殺菌不僅使紫薯汁可溶性蛋白下降，而且長時間的殺菌導致產蛋白飲料色澤變暗、黏度下降、穩定性變差［32］。

圖3 紫薯汁加工過程中可溶性蛋白含量Fig.3 Soluble protein content in purple sweet potato juice during processing

3 結論

在整個加工過程中，花青素，游離糖和游離氨基酸變化趨勢基本一致。護色后花青素和蔗糖含量顯著降低。熱燙后花青素含量降低為鮮榨的8.19%，可溶性蛋白降低為16.48%，總糖含量降低約87.30%，總氨基酸含量降低約24.00%。但隨后酶解過程中花青素和游離糖含量回升，并接近鮮榨汁的水平，酶解對總氨基酸含量變化無顯著影響，但甜味氨基酸含量顯著上升，為酶解前的1.21倍。酶解有助于紫薯汁中花青素、游離糖和氨基酸含量的增加。巴氏殺菌后的紫薯汁中的花青素、游離糖和氨基酸的保留率高于高壓蒸汽滅菌。

［1］ 蔣平平，呂曉玲，姚秀玲，等.紫心甘薯花色苷抗氧化活性體外實驗研究［J］.中國食品添加劑，2002(6):8-11.

［2］ 葉雪英，劉功德，梁立娟，等.紫薯飲料產業化現狀及展望［J］.農業研究與應用，2013(6):69-71.

［3］ Reyes L F，Cisneros-Zevallos L.Degradation kinetics and color of anthocyanins in aqueous extracts of purple-and redflesh potatoes(Solanum tuberosum L.)［J］.Food Chemistry，2007，100(3):885-894.

［4］ 潘葉，王娟，黃惠華，等.菠蘿果汁的渾濁及澄清機理的初步研究［J］.現代食品科技，2010，26(10):1 071-1 075.

［5］ Kensuke S，Susumu I，Yasutaka O，et al.Identification of the medicinal off-flavor compound formed from ascorbic acid and(E)-Hex-2-enal［J］.Agricultural and Food Chemistry，2011，59(12):6 667-6 671.

［6］ 劉建軍.甘薯飲料加工工藝及其穩定性研究［D］.長沙:中南林業科技大學，2009.

［7］ 鄭寧.紫薯汁的酶解工藝及其飲料的開發［D］.福州:福建農林大學，2013.

［8］ 劉功德，葉雪英，蘇艷蘭，等.澄清型紫薯汁加工工藝的研制［J］.大眾科技，2012，14(8):110-111.

［9］ 閆征，李春陽.紫薯乳飲料工藝及其穩定性研究［J］.農產品加工學刊，2012(10):32-34.

［10］ Kim J S，Lee Y S.Effect of reaction pH on enolization and racemization reactions of glucose and fructose on heating with amino acid enantiomers and formation of melanoidins as result of the Maillard reaction［J］.Food Chemistry，2008，108(2):582-592.

［11］ YANG J H，Park H Y，Kim Y S，et al.Quality characteristics of vacuum-fried snacks prepared from various sweet potato cultivars［J］.Food Science and Biotechnology，2012，21(2):525-530.

［12］ Giannoccaro E，WANG Y J，CHEN P.Effects of solvent，temperature，time，solvent to sample ratio，sample size，and defatting on the extraction of soluble sugars in soybean［J］.Journal of Food Science，2006，71(1):C59-C64.

［13］ 姚國雄.食品生物化學［M］.北京:輕工業出版社，1981.

［14］ 田金輝，許時嬰，王璋.熱燙處理對黑莓果汁營養成分和多酚氧化酶活力的影響［J］.食品與發酵工業，2006，32(4):133-137.

［15］ 王宇濱，張超，馬越，等.幾種有機酸對紫玉米花青素熱穩定性的影響［J］.食品科學，2010，33(7):164-167.

［16］ 汪志慧，孫智達，謝筆鈞.蓮房原花青素的穩定性及熱降解動力學研究［J］.食品科學，2011，32(7):77-82.

［17］ 卞科，劉孝沾.甘薯中可溶性糖的HPLC法測定及其在加工中的變化研究［J］.河南工業大學學報:自然科學版，2012，33(1):1-5.

［18］ 吳列洪，沈升法，李兵.甘薯甜度與薯塊蒸煮前后糖分的相關性研究［J］.中國糧油學報，2012，27(9):25-29.

［19］ Ikemiya M，Deobald H J.New characteristic alpha-amylase in sweet potatoes［J］.Journal of Agricultural and Food Chemistry，1966，14(3):237-241.

［20］ Losh J M，Phillips J A，Axelson J M，et al.Sweet potato quality after baking［J］.Journal of Food Science，1981，46(1):283-290.

［21］ 徐輝艷.熱處理對紅棗汁非酶褐變的影響［J］.農產品加工學刊，2011(5):39-42.

［22］ 李艷逢，杜壘，高菲菲，等.鹽水鴨鹵水中游離氨基酸含量的變化［J］.江蘇農業學報，2010，26(3):607-612.

［23］ Solms J.Taste of amino acids，peptides，and proteins［J］.Journal of Agricultural and Food Chemistry，1969，17(4):686-688.

［24］ Solms J.Taste of amino acids，peptides，and proteins［J］.Journal of Agricultural and Food Chemistry，1969，17(4):686-688.

［25］ Kirimura J，Shimizu A，Kimizuka A，et al.Contribution of peptides and amino acids to the taste of foods［J］.Journal of Agricultural and Food Chemistry，1969，17(4):689-695.

［26］ Salles C，Nicklaus S，Septier C.Determination and gustatory properties of taste-active compounds in tomato juice［J］.Food Chemistry，2003，81(3):395-402.

［27］ Odriozola-Serrano I，Garde-Cerdan T，Soliva-Fortuny R，et al.Differences in free amino acid profile of non-thermally treated tomato and strawberry juices［J］.Journal of Food Composition and Analysis，2013，32(1):51-58.

［28］ Villamiel M，Castillo M，Martin C S，et al.Assessment of the thermal treatment of orange juice during continuous microwave and conventional heating［J］.Journal of the Science of Food and Agriculture，1998，78(2):196-200.

［29］ Andersen L T，Ard? Y，Bredie W L P.Study of taste-active compounds in the water-soluble extract of mature Cheddar cheese［J］.International Dairy Journal，2010，20(8):528-536.

［30］ 張文杰，陳錦屏.植物蛋白飲料穩定性影響因素分析［J］.糧油食品科技，2009，17(6):48-50.

［31］ 陳澤憲，徐輝碧.蛋白質水解階段對氨基酸組成分析的影響［J］.分析科學學報，2002，18(1):80-85.

［32］ Rustom I Y S，Lopez-Leiva M H，Nair B M.Nutritional，sensory and physicochemical properties of peanut beverage sterilized under two different UHT conditions［J］.Food Chemistry，1996，56(1):45-53.