孫琳娟,李曉穎,陳敏,王軍
(中國農業大學 食品科學與營養工程學院,北京,100083)
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山楂漿與不同加工方式山楂粉中揮發性成分分析
孫琳娟,李曉穎,陳敏,王軍*
(中國農業大學 食品科學與營養工程學院,北京,100083)
摘要為了研究不同加工方式對山楂揮發性成分的影響,利用固相微萃取-氣相色譜/質譜聯用的方法進行分析。優化條件后分別對山楂漿、冷凍干燥山楂粉、噴霧干燥山楂粉中的揮發性成分進行測定與分析,鑒定出揮發性成分:山楂漿中66種,其中醇類物質25.5%、醛類8.4%、酮類4.6%、酯類39.6%、烴類11.5%、呋喃類0.3%、其他物質10.1%;冷凍干燥山楂粉中54種揮發性物質,其中醇類物質27.7%、醛類13.9%、酮類10.7%、酯類34.2%、烴類5.5%、呋喃類0.3%、其他物質7.7%;噴霧干燥山楂粉中41種揮發性物質,其中醇類物質42.5%、醛類25.4%、酮類9.0%、酯類14.4%、烴類4.4%、呋喃類0.5%、其他3.8%。結果表明:山楂漿經冷凍干燥處理后,酯類、烴類物質略有減少,醇類、醛酮類物質有所增加;而經噴霧干燥處理后,酯類物質顯著減少,醇類及醛酮類物質增加,香甜風味增強,為山楂果粉的研制提供參考。
關鍵詞山楂;揮發性成分;冷凍干燥;噴霧干燥;固相微萃取-氣質聯用
山楂(CrataeguspinnatifidaBunge),又名山里紅、山里果,核果類水果,核質硬,果肉薄,味微酸澀。山楂具有較高的營養價值和藥用價值,富含VC、多糖、有機酸、黃酮等多種營養物質及礦質元素,具有降血脂、保肝、降壓、助消化、抗菌等功效[1],對高血壓、糖尿病、冠心病、心絞痛等均具有輔助治療作用[2]。目前山楂的主要制品為蜜餞類、飲料類,市場上供應較多的有山楂片、山楂糕、山楂醬、山楂飴、山楂酒、山楂汁等10余種產品[3]。
果蔬粉是將新鮮水果、蔬菜加工成粉狀的產品[4],因其具有易儲藏、營養豐富、質量輕、保存及食用方便、可調性強等特點[5-6],成為未來果蔬加工發展趨勢之一。常用的果蔬粉制備技術有真空冷凍干燥和噴霧干燥等。馬占強等[7]利用冷凍干燥的方法制備出雪蓮果粉,其品質和色澤良好。REYES等[8]利用真空冷凍干燥技術制備藍莓粉,保持了食品的色香味。MESTRY等[9]采用噴霧干燥技術制備出胡蘿卜和西瓜復配粉具有良好的溶解性和分散性。目前國內果蔬粉加工產品主要有番茄粉、南瓜粉、棗粉等,山楂果粉具有良好的應用前景,但對山楂果粉的研究報道仍然較少[10],因此開展山楂粉產品加工的研究非常必要。
固相微萃取技術是20世紀90年代初興起的一種非溶劑型的樣品前處理技術,它克服了傳統方法如水蒸氣蒸餾法、溶劑萃取法等存在的樣品需求量大、耗時長等缺點[11],具有快速靈敏、操作簡單、選擇性好等優點,近年來在桃[12-13]、茶葉[14-15]、桂花[16]、白菜[17]等園藝作物香氣組分分析方面應用廣泛。高婷婷等[18]采用固相微萃取結合GC-MS分析了鮮山楂果肉中的揮發性成分,以峰面積歸一法即總峰面積進行半定量分析。本實驗通過真空冷凍干燥和噴霧干燥技術將山楂漿制成果粉,并采用固相微萃取-氣相色譜/質譜(SPME-GC/MS)聯用技術和內標物比較定量法,分別對山楂漿、制備的冷凍干燥山楂粉、噴霧干燥山楂粉中的揮發性成分進行分析,比較不同加工方式對山楂揮發性成分的影響。
1材料與方法
1.1材料與試劑
山楂濃縮漿(北京麥邦食品有限公司提供;山楂原料產于河北承德,經去核、破碎、打漿、均質、脫氣等工序后制得山楂濃縮漿)。
NaCl(分析純), 北京化工廠;辛醇(色譜純), 北京化工廠;正構烷烴(C10~ C25,1 000 mg/L), 上海安譜實驗科技有限公司。
1.2儀器與設備
FD-1A-50冷凍干燥機,北京博醫康實驗儀器有限公司;GEA Niro噴霧干燥機,丹麥Niro公司;FW-100高速萬能粉碎機,北京市永光明醫療儀器有限公司;450-GC/220-MS氣相色譜/質譜聯用儀美國Varian公司;VF-WAXms石英毛細管柱(30 m×0.36 mm,0.25 μm),美國Agilent公司;852A數顯恒溫磁力攪拌器,北京市永光明醫療儀器廠;固相微萃取手柄及SPME萃取頭(1 cm,75 μm CAR/PDMS、1cm,65 μm PDMS/DVB、1 cm,50/30 μm DVB/CAR/PDMS、2 cm,50/30 μm DVB/CAR/PDMS),美國Supelco公司;BS200S-WEI萬分之一天平,德國Sartorius公司。
1.3實驗方法
1.3.1山楂果粉的制備
冷凍干燥山楂粉制備:取適量山楂漿于容器中,在-20℃冰箱中冷凍12 h,凍成冰塊后將樣品于-45℃,真空35Pa條件下冷凍干燥12h,然后將冷凍干燥的塊狀樣品用粉碎機粉碎成粉末,放置于干燥器中備用。
噴霧干燥山楂粉制備 取適量山楂漿進行噴霧干燥,其工藝參數:進口溫度,180℃;出口溫度,50℃;霧化壓力,0.14~0.16 MPa;進料量,1 L/min。
1.3.2樣品前處理方法
山楂漿樣品前處理:準確稱取3 g山楂漿于15 mL頂空進樣瓶中,加入0.50 g NaCl及5 μl, 41.35μg/mL的辛醇內標溶液(甲醇稀釋),加入磁力轉子,用帶隔墊的螺紋瓶蓋封口置于固相微萃取工作臺上,在一定溫度下恒溫攪拌平衡20 min。事先將萃取頭插入250℃的GC進樣口老化20 min,然后插入已平衡好、裝有樣品的頂空瓶中吸附萃取一段時間。吸附完成后,迅速將頂空吸附后的萃取頭插入氣相色譜儀進樣口,同時啟動GC-MS Solution 色譜工作站采集數據,250℃條件下解析3.0 min后拔出萃取頭。
山楂粉樣品前處理:準確稱取適量冷凍干燥山楂粉、噴霧山楂粉于燒杯中,定量加入超純水使山楂粉溶解呈漿狀,使其與原山楂漿固形物含量相同。再分別稱取3 g漿狀物于15 mL頂空進樣瓶中,加入0.50 g NaCl及5 μl, 41.35 μg/mL的辛醇內標溶液(甲醇稀釋),其余操作同山楂漿樣品前處理方法。
1.3.3SPME萃取條件確定
選取山楂漿樣品為優化對象,以檢測到的各揮發性成分與內標物辛醇的峰面積比總和為優化指標,分別考察了不同的萃取頭(1cm,75 μm CAR/PDMS;1 cm,65μm PDMS/DVB;1 cm,50/30 μm DVB/CAR/PDMS;2 cm,50/30 μm DVB/CAR/PDMS)、不同萃取溫度(40、50、60℃)和萃取時間(30、40、50 min)對揮發性物質萃取吸附的影響,并采用GC/MS分析,對比后確定適宜的萃取條件。
1.3.4氣相色譜/質譜條件
色譜條件:色譜柱:VF-WAXms石英毛細管柱(30 m×0.36 mm,0.25 μm);升溫程序:45℃保持3 min,以5℃/min升至100℃后,再以2℃/min升至180℃,最后以20℃/min升至230℃保持3 min,總時間59.5 min;載氣(He)流速1 mL/min,壓力0.5 MPa;進樣方式:不分流進樣。
質譜條件:電子轟擊離子源;電子能量70 eV;離子源溫度250℃;進樣口溫度為250℃;離子阱檢測器:質量掃描范圍m/z 40~650,記錄3~60 min 信號。
1.3.5正構烷烴保留時間的確定
取1 μL,濃度為50 mg/L的C10~C25正構烷烴的正己烷溶液,在上述氣相色譜/質譜條件下進行分析,得到C10~C25正構烷烴的保留時間,用于保留指數(RI)的計算。
1.4定性定量分析
1.4.1定性分析
揮發性成分的定性以檢索NIST 08質譜庫,計算其保留指數(RI)并與文獻值進行比對為主,同時結合相關文獻[18-22],以及質譜圖解析進行確定。保留指數又稱科瓦茨指數,是氣相色譜定性指標的一種參數,通常以色譜圖上位于待測物質兩側的相鄰正構烷烴的保留值為基準,具體換算方法如下:
RI=100n+100(ta-tn)/(tn+1-tn)
(1)
式中:ta為樣品a的保留時間,tn為正構烷烴Cn的保留時間。樣品a的保留時間落在相鄰的正構烷烴Cn和Cn+1之間。
1.4.2定量分析
選擇辛醇為內標物,通過計算各揮發性成分與內標物辛醇的峰面積比判斷萃取效果。利用Mi=(Ai/As)×Ms計算各揮發性成分的含量(ng/g)。式中:Mi,i物質的含量(ng/g);Ms,樣品中內標物的含量(ng/g);Ai,i物質的峰面積;As,內標物的峰面積。
2結果與分析
2.1SPME萃取條件的優化
2.1.1萃取頭的選擇
固相微萃取技術是依據萃取頭上不同材料的涂層吸附揮發性物質,根據相似相容原理對揮發性成分進行選擇性吸附。相同實驗條件下,選擇萃取時間40min,萃取溫度50℃,考察不同萃取材料對揮發性物質萃取吸附的影響。圖1為不同萃取材料萃取得到的各揮發性成分對內標物辛醇峰面積比總和的比較。由圖1可看出,DVB/CAR/PDMS萃取頭對山楂揮發性成分的萃取效率最好,原因在于此萃取頭為3種不同的吸附材料復合,對極性/非極性化合物都能有良好的吸附。根據吸附頭長度的不同會導致吸附量有所不同的實驗基礎,選擇2cm,DVB/CAR/PDMS萃取頭為實驗萃取頭。

圖1 不同萃取頭對山楂漿揮發性成分萃取效果的影響Fig.1 Effect of different fibers on the extraction of volatile components in hawthorn pulp 注:縱坐標代表各揮發性成分與內標物辛醇的峰面積比總和
2.1.2萃取溫度的優化
溫度對HS-SPME萃取效果具有雙向影響[14]。溫度升高,分子擴散速度加快,易于吸附;但若萃取溫度過高,則影響吸附與解析的平衡系數,使吸附量降低。另外揮發性成分易受高溫影響而發生其他化學變化,導致分析結果不準確。相同實驗條件下,選擇2 cm,DVB/CAR/PDMS萃取頭,萃取時間40 min,考察不同萃取溫度對揮發性物質萃取吸附的影響。圖2為不同萃取溫度萃取得到的各揮發性成分對內標物辛醇峰面積比總和的關系。

圖2 不同萃取溫度對山楂漿揮發性成分萃取效果的影響Fig.2 Effect of different temperature on the extraction of volatile components in hawthorn pulp 注:縱坐標代表各揮發性成分與內標物辛醇的峰面積比總和
由圖2可以看出,當萃取溫度為50℃時,各揮發性成分與內標物峰面積比總和達到最大,40℃次之,60℃時最小。因此為保證萃取效果,萃取溫度選擇40~50 ℃為宜。
2.1.3萃取時間的選擇
相同實驗條件下,選擇2 cm,DVB/CAR/PDMS萃取頭,萃取溫度50 ℃,考察不同萃取時間對揮發性物質萃取吸附的影響。由圖3可以看出,一定時間內隨著萃取時間的延長,揮發性成分與內標物峰面積比總和呈增大趨勢,吸附量增加。當萃取時間達到40 min時,各揮發性成分與內標物峰面積比總和值比較穩定,萃取時間延長到50 min后揮發性成分與內標物峰面積比總和值并沒有明顯變化,說明萃取40 min時萃取頭已經基本達到飽和,因此為提高萃取時間效率,最終選擇萃取40 min。

圖3 不同萃取時間對山楂漿揮發性成分萃取效果的影響Fig.3 Effect of extraction time on the extraction of volatile components in hawthorn pulp 注:縱坐標代表各揮發性成分與內標物辛醇的峰面積比總和
綜合以上分析,最終選擇優化條件為:2cm,50/30 μm DVB/CAR/PDMS萃取頭,萃取溫度50 ℃,萃取時間40 min。
2.2山楂漿、山楂粉揮發性成分的分析與比較
在優化的實驗條件下,對山楂漿、山楂粉的揮發性成分進行分析測定,得到總離子流色譜圖(圖4),經NIST 08譜庫檢索、保留指數比對,并結合相關文獻[18-22]解析質譜圖鑒定出的揮發性成分及含量(ng/g)見表1。
由表1數據可知,山楂漿中主要揮發性成分為酯類物質,其次為醇類、醛類、烴類等物質。主要的酯類物質有乙酸乙酯、乙酸葉醇酯、辛酸甲酯、苯甲酸甲酯、丙酸松油酯、乙酸異胡薄荷酯、水楊酸甲酯等,其中乙酸葉醇酯具有強烈的清香和類似香蕉的水果氣息,是山楂特征香味代表物質[18];醇類物質有萜品醇、順-3-己烯醇、1-辛烯-3-醇、芳樟醇、α-松油醇、香芹醇、苯乙醇等,其中順-3-己烯醇具有新鮮強有力的清香,α-松油醇具有木香及丁香香氣,苯乙醇具有青甜玫瑰的氣息,這些醇賦予了山楂柔和的香韻[19];醛類物質有己醛、苯甲醛、檸檬醛等,己醛具有清香青草氣味,苯甲醛具有杏仁香,這些物質使得山楂香氣透發、鮮明。烴類物質有α-松油烯、檸檬烯等,酮類物質有苯乙酮、香葉基丙酮、乙基環戊烯醇酮、β-紫羅蘭酮等,香葉基丙酮兼具新鮮的水果清香、玫瑰香及木香,β-紫羅蘭酮具有柏木、覆盆子的香型[23];此外還檢測到丁子香酚、香芹酚等辛香物質。相比山楂漿,冷凍干燥山楂粉發現了戊醇、己醇、反-2-辛烯醛、甜瓜醛等物質;噴霧干燥山楂粉中發現反-2-壬烯醛、反-2-癸烯醛、乙酸庚酯、茉莉內酯等物質。雖然各樣品揮發性成分組成復雜,但萜品醇、順-3-己烯醇、氧化芳樟醇、芳樟醇、α-松油醇、己醛、糠醛、檸檬醛、苯乙酮、α-松油烯、氧化檸檬烯、丁子香酚等能透發出山楂主要特征香味的物質在3種樣品中均有不同程度的檢出,這與文獻[18-22]中報道的山楂中主要的揮發性成分是一致的。

表1 山楂漿、山楂粉揮發性成分及含量
續表1

化合物類別物質名稱CAS號保留時間/min匹配率/%保留指數(RI)文獻值(RI)各揮發性成分含量/(ng·g-1)山楂漿冷凍干燥山楂粉噴霧干燥山楂粉酯類乙酸乙酯141-78-63.0481.6—907[28]35.340.67—2-甲基丁酸甲酯868-57-54.3579.210121015[28]3.44——乙酸庚酯112-06-14.7567.510301021[29]——2.55乙酸丁酯123-86-45.6489.410701075[28]0.37——己酸乙酯123-66-09.7875.912281230[29]——3.44異戊酸丁酯109-19-39.9488.912341241[29]——4.72順-3-己烯醇甲酸酯33467-73-111.9181.613051304[18]0.22——順-3-己烯醇乙酸酯3681-71-813.8878.413781375[29]61.87——辛酸甲酯111-11-514.0984.513851389[28]4.562.48—茉莉內酯25524-95-215.7289.614401442[29]——3.192-糠酸甲酯1334-76-519.4577.815511552[29]0.82——乙酸異胡薄荷酯89-49-620.0583.615671585[28]3.963.536.89苯甲酸甲酯93-58-321.5786.916071600[28]5.987.35—乙酸松油酯80-26-223.1580.216441700[28]3.143.10—苯甲酸乙酯93-89-023.3683.216491648[28]2.24——丙酸松油酯80-27-324.7977.81675—154.08129.7879.71乙酸苯甲酯140-11-426.0686.717111716[18]5.607.35—水楊酸甲酯119-36-827.7586.317491745[28]2.76——乙酸香芹酯97-42-728.0584.817561759[28]3.964.97—丁酸丁酯109-21-732.3280.71850———58.41異丁酸苯氧乙酯103-60-638.8569.11988—0.82——肉桂酸甲酯103-26-441.3294.220412056[28]0.75——苯甲酸異戊酯94-46-245.9683.72141———6.25小計289.93159.24165.15烴類甲苯108-88-34.9791.210401042[28]17.712.635.23間二甲苯108-38-36.8589.211201138[28]9.273.103.70α-水芹烯99-83-27.9084.311601166[28]0.37——莰烯79-92-58.1573.411681075[28]—6.21—α-松油烯99-86-58.4486.911791178[28]14.423.537.91檸檬烯5989-54-88.8585.211951190[18]10.69—25.00γ-松油烯99-85-410.0069.412361238[28]6.654.87—對甲基異丙基苯99-87-610.7284.112621263[29]22.345.498.03β-石竹烯87-44-521.0972.915951594[28]2.62——α-愈創木烯3691-12-129.997518011801[28]0.07——小計84.1425.8349.86呋喃2-乙酰呋喃1192-62-717.0789.614841490[28]2.241.195.23其他1,4-桉樹腦470-67-77.8876.211701186[28]—0.67—桉樹醇470-82-69.7270.912261214[29]0.60——氧化檸檬烯1195-92-220.6967.715841586[29]63.9626.1238.51白檀香木油115-71-928.5871.81769—0.75——異丁香酚甲醚93-16-339.5287.120022003[29]0.45——丁子香酚97-53-046.8393.221602162[18]8.599.126.38香芹酚499-75-248.3590.921942209[18]0.37——小計74.7235.9144.89總計732.36465.491144.96

圖4 山楂漿、山楂粉揮發性成分的總離子流色譜圖Fig.4 Total ion current chromatogram of volatile components in hawthorn pulp and hawthorn powder 注:圖A樣品為山楂漿,圖B樣品為冷凍干燥山楂粉,圖C樣品為噴霧干燥山楂粉。
通過實驗(見表1),檢索NIST 08質譜庫,并與文獻中報道的化合物保留指數對比,結合相關文獻[18-22],山楂漿中共鑒定出揮發性成分66種,其中醇類15種,醛類7種,酮類11種,酯類17種,烴類9種,呋喃類1種,其他物質6種,分別占山楂漿主要揮發性成分的25.5%、8.4%、4.6%、39.6%、11.5%、0.3%、10.1%;冷凍干燥山楂粉共鑒定出揮發性成分54種,其中醇類14種,醛類12種,酮類10種,酯類8種,烴類6種,呋喃類1種,其他物質3種,分別占其主要揮發性成分的27.7%、13.9%、10.7%、34.2%、5.5%、0.3%、7.7%;噴霧干燥山楂粉共鑒定出揮發性成分41種,其中醇類8種,醛類8種,酮類9種,酯類8種,烴類5種,呋喃類1種,其他物質2種,分別占噴霧干燥山楂粉主要揮發性成分的42.5%、25.4%、9.0%、14.4%、4.4%、0.5%、3.8%。
圖5、圖6為山楂漿、山楂粉中主要揮發性成分含量的比較。由圖5可知,山楂漿經冷凍干燥處理后,揮發性成分含量有所降低,其中酯類、烴類等物質含量明顯減少,原因可能是酯類、烴類物質易揮發,在較長時間的冷凍干燥低壓條件下揮發流失,從而造成其含量下降;醇類、醛酮類物質略有增加,這可能與一些活潑的酯類物質水解以及山楂漿在脫水過程中發生美拉德反應生成一些醛酮、醇類物質有關[24-27]。與山楂漿相比,噴霧干燥山楂粉揮發性成分的種類明顯減少,其中酯類物質減少顯著,但揮發性成分總含量卻增加,其中醇類、醛酮類物質增加較為顯著,原因在于山楂中糖、氨基酸含量較高,經噴霧干燥高溫、除水過程中一些酯類物質揮發流失,而有利的反應條件促進美拉德反應和焦糖化反應發生,產生大量的醇類、醛酮類或其他羰基類物質,使山楂粉的顏色增加,香甜風味有所增強。

圖5 山楂漿、山楂粉中揮發性成分總量的比較Fig.5 Comparison of volatile components in hawthorn pulp and hawthorn powder 注:縱坐標代表各類成分在樣品總萃取揮發物中的百分含量

圖6 不同加工方式對山楂揮發性成分的影響Fig.6 Effect of different processing methods on the extraction of volatile components of hawthorn
3結論
采用固相微萃取-氣相色譜/質譜聯用技術分別對山楂漿、冷凍干燥山楂粉、噴霧干燥山楂粉的揮發性成分進行測定與分析,山楂漿中共鑒定出66種揮發性成分,其中醇類15種,醛類7種,酮類11種,酯類17種,烴類9種,呋喃類1種,其他物質6種,分別占山楂漿主要揮發性成分的25.5%、8.4%、4.6%、39.6%、11.5%、0.3%、10.1%;冷凍干燥山楂粉共鑒定出揮發性成分54種,其中醇類14種,醛類12種,酮類10種,酯類8種,烴類6種,呋喃類1種,其他物質3種,分別占冷凍干燥山楂粉主要揮發性成分的27.7%、13.9%、10.7%、34.2%、5.5%、0.3%、7.7%;噴霧干燥山楂粉共鑒定出揮發性成分41種,其中醇類8種,醛類8種,酮類9種,酯類8種,烴類5種,呋喃類1種,其他物質2種,分別占噴霧干燥山楂粉主要揮發性成分的42.5%、25.4%、9.0%、14.4%、4.4%、0.5%、3.8%。
山楂漿經冷凍干燥處理后,酯類、烴類等物質略有減少,醇類、醛酮類物質略有增加,風味保持良好,顏色較淺;經噴霧干燥處理后的山楂粉中酯類物質顯著減少,醇類及醛酮類物質明顯增加,香甜風味有所增強,顏色變深,這為不同風味山楂果粉的研制,制備工藝參數的選擇,以及品質分析提供了參考方法。
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Analysis of volatile components in hawthorn pulp and powder by different processing methods
SUN Lin-juan,LI Xiao-ying,CHEN Min,WANG Jun*
(College of Food Science &Nutritional Engineering, China Agricultural University, Beingjing 100083, China)
ABSTRACTTo study the effect of different processing methods on volatile components of hawthorn, a method of SPME coupled with GC-MS was used to analyze volatile components in hawthorn pulp and powder processed. Two different drying methods, freeze drying and spry drying were used. After optimizing analysis conditions, sixty-six volatile components were identified in hawthorn pulp by comparing with standard mass library, which including 25.5% alcohols, 8.4% aldehydes, 4.6% ketones, 39.6% esters, 11.5% hydrocarbons, 0.3% furans and 10.1% other compounds. Similarly, fifty-four volatile compounds were discriminated in freeze-dried hawthorn powder with 27.7% alcohols, 13.9% aldehydes, 10.7% ketones, 34.2% esters, 5.5% hydrocarbons, 0.3% furans and 7.7% others. In addition, forty-one volatile components were found in spray-dried hawthorn powder, including 42.5% alcohols, 25.4% aldehydes, 9.0% ketones, 14.4% esters, 4.4% hydrocarbons, 0.5% furans and 3.8% other compounds. The results indicated that in freeze-dried hawthorn powder, esters and hydrocarbons were slightly reduced, while alcohols, aldehydes and ketones were increased. However, there were different phenomena in spray-dried hawthorn powder with a significant reduction of esters, a noticeable increase of alcohols, aldehydes and ketones, which resulted in the enhancement of fragrant and sweet flavor. The results provide a reference for further study of hawthorn powder products.
Key wordshawthorn; volatile components; freeze drying; spry drying; SPME-GC/MS
收稿日期:2015-05-12,改回日期:2015-09-20
基金項目:北京市科技基金“平谷區特色果品加工技術及新產品研發”(Z131100005613003)
DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201602029
第一作者:碩士研究生(王軍副教授為通訊作者,E-mail:lysunlinjuan@163.com)。