制汁和滅菌方法對藕汁揮發性成分及香氣的影響

顧艷陽,牛麗影,李大婧,劉春泉,肖麗霞

1(揚州大學 食品科學與工程學院,江蘇 揚州,225000) 2(江蘇省農業科學院農產品加工研究所,江蘇 南京,210014)

藕為睡蓮科植物蓮(NelunbonuciferaGaertn)的肥大根狀莖,是我國產量最高的水生蔬菜,種植區域則以長江流域最為集中[1]。根據蓮藕淀粉含量及質地特點,可分為粉藕與脆藕,一般來講,粉藕多用來熟食與制粉,脆藕則更適宜鮮食與制汁[2]。

蓮藕鮮食風味脆甜清新,熟食則溫厚醇香,與谷物有些許相似,又有其獨特之處。但長期以來對蓮藕及其制品風味的研究不足。近幾年,藕的風味研究開始引起重視,包括溶劑提取法[3-5]、水蒸氣蒸餾法[5]、固相微萃取法[6]等風味成分提取方法,品種及加工方式造成的風味成分差異等均已有報道。研究結果顯示不同的風味成分提取方法、不同的原料、不同的加工方式檢測到的揮發性成分存在很大的差異,如溶劑提取法往往檢測到大量的烷類和酯類[3-5],而固相微萃取法檢測到的則更多為醛類和醇類[6]。

蓮藕汁及飲料由20世紀90年代開始商業化生產,壓榨法與勻漿制汁法是常用的制汁方法,而高溫滅菌也是為達到商業貨架期的常用措施[7-8]。熱殺菌是藕汁加工中常見的殺菌方式,可使藕汁獲得特有的熟藕香,而新型非熱殺菌方式如超高壓技術目前在鮮切藕[9]、藕丁[10]、藕汁[11]加工中開始應用,并表現出良好的應用前景。但是藕汁的風味研究尚未見報道。

本文對江蘇脆藕分別進行壓榨法和勻漿法制汁,采用頂空固相微萃取-氣相色譜-質譜(headspace solid phase microextraction-GC-MS,HS-SPME-GC-MS)法比較了高溫蒸汽滅菌(autoclaving,AU)和超高壓(high pressure processing,HPP)非熱加工2種處理方式對揮發性成分和香氣感官描述的影響,并采用主成分分析法對不同制汁和滅菌方式造成的藕汁風味變化進行分析,為藕汁的風味調控和評價提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 蓮藕汁的制作

鮮藕購自南京市孝陵衛菜市場。采用2種制汁方法：(1)將鮮藕縱切為條塊狀,置于原汁機壓榨,汁渣分離,取汁液4 000 r/min離心20 min,除去淀粉及粗纖維,取上清液為生榨藕汁;(2)將鮮藕切為厚度小于0.2 cm的碎片,加入膠體研磨,靜置后過100目濾布,再將汁液同(1)條件離心,得到勻漿汁。

將2種方法制取的藕汁分別分為3份∶1份為鮮榨汁;1份灌裝入玻璃飲料瓶,置于滅菌鍋中,升溫至121 ℃下保持15 min;另1份采用蒸煮袋包裝,置于HPP設備的容壓艙內,升壓至400 MPa并維持10 min。

1.2 儀器與設備

JYZ-E6T型原汁機,九陽股份有限公司;JMS-50C型膠體磨,廊坊市廊通機械有限公司;Agilent 7890A/5975C型氣相色譜質譜聯用儀,美國Agilent公司;固相微萃取裝置,美國Supelco公司;HPP 600 Mpa/3～5 L HPP設備,包頭科發高壓科技有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 揮發性成分的HS-SPME萃取

取藕汁5 mL于20 mL樣品瓶,加入1.6 g NaCl,40 ℃水浴,400 r/min攪拌下平衡20 min后插入萃取頭萃取20 min。

1.3.2 揮發性成分的GC-MS測定

色譜柱為DB-Wax毛細管色譜柱(30 m×0.25 mm,0.25 μm),離子源溫度200 ℃,質量掃描范圍30～450 u。升溫程序：起始柱溫40 ℃,以5 ℃/min升溫至90 ℃;再以10 ℃/min升溫至230 ℃,保留15 min。進樣口溫度與接口溫度均為250 ℃。

1.3.3 揮發性成分的定性定量

由安捷倫工作站(MSD ChemStation E.02.00.493)進行,定性方法采用NIST08質量分析數據庫進行檢索,結合文獻資料,對樣品中各揮發性物質進行鑒定(正反匹配度≥800);揮發性成分的含量以自由單位107峰面積表示,即其數值為峰面積/107。相對含量則以各成分占總峰面積的百分比表示。

1.3.4 藕汁香氣的定量感官描述法

參照GB/T 16291.1—2012優選出6個評價員,年齡26～45歲,所有評價員均具有藕加工品的消費經歷,經過描述詞與標度培訓,采用5點強度標度進行評價,即：1,感覺不到;2,剛剛能感覺到;3,能感覺到;4,感覺明顯;5,感覺很強烈。在進行風味評價時,藕汁樣品各取100 mL于相同的250 mL茶色廣口瓶中,40 ℃水浴30 min后,取出輕輕晃動并距瓶口2 cm處嗅聞并進行評分,香氣描述詞定義見表1。

表1 藕汁香氣感官評價描述詞的定義Table 1 Odor descriptive words for lotus root juice

續表1

1.4 統計方法

采用Origin pro 2016進行堆積柱形圖及散點圖的繪制。采用JMP 10進行主成分分析。

2 結果與分析

2.1 揮發性成分種類和數量比較

圖1表示了2種方法制取的藕汁在AU和HPP滅菌后揮發性成分種類和數量的變化。新鮮壓榨(fresh squeezed,FS)的藕汁中檢測到13種成分,醇類8種、醛類1種、烴類2種和酯類2種;經HPP處理后(FS+HPP)檢出成分數量和種類增加為21種,醇類12種,醛類3種,酸類1種,烴類4種,肟類1種;經過AU(FS+AU)后,檢出成分增加為48種,醇類12種,醛類10種,酮類2種,酸類1種,烴類5種,酯類1種,含硫類4種,雜環類12種,肟類1種。

勻漿法制取的藕汁與壓榨法制取的藕汁在揮發性成分組成上略有不同,新鮮勻漿(fresh homogenate,FH)的藕汁中檢測到總計19種成分,醇類12種,醛類3種,酸類1種,烴類2種,肟類1種;經HPP處理(FH+HPP)后成分數量共20種,醇類11種,醛類4種,酸類1種,烴類3種,肟類1種。經過AU(FH+AU)后,檢出醇類10種,醛類7種,酮類1種,烴類5種,酯類1種,含硫類2種,雜環類3種,肟類1種。

2種方法獲得的新鮮藕汁中,勻漿法檢測到了更多的醇類和醛類物質。經HPP處理后,醛類和烴類物質數量增加為二者共同的特點。經高溫蒸汽處理后,2種鮮藕汁中揮發性成分數量均大幅增加,由13和19種分別增加至48和30種。

圖1 不同藕汁中各類揮發性成分數量的比較Fig.1 Number of classified volatile components in different lotus root juice samples

圖2為各樣品中不同類別揮發性成分峰面積比較。2種方法制作的藕汁揮發性成分總峰面積在熱殺菌及HPP處理后變化趨勢一致,即AU處理的樣品總峰面積最高,其次為HPP處理樣品,未經滅菌處理的藕汁總峰面積最低。壓榨法的藕汁揮發性成分較少(即總峰面積較低),但相比勻漿法對HPP處理和AU處理更為敏感,FS+HPP和FS+AU總峰面積分別為FS的6.89和19.53倍,而FH+HPP和FH+AU僅為FH的1.23和1.40倍(圖2-a)。

從圖2-b可以看出,6種藕汁中除FS+AU外,其他5個樣品中揮發性成分均以醇類物質峰面積最大,峰面積百分比高達70.97%～93.40%。AU處理的2個樣品含硫成分大幅增加為其突出特點,FS+AU和FH+AU中硫化物峰面積分別為總峰面積的55.56%和19.49%。另外,雜環類和酮類物質的出現也是AU處理的特點,在FS+AU中二者分別為3.9%和0.28%,在FH+AU中二者分別為0.18%和0.38%。在FS和FH中,烴類和醛類也是含量較豐的物質,4個樣品中烴類物質占比4.34%～22.45%,醛類則為0.51%～3.03%。HPP處理后藕汁中醇類、醛類物質增加,FS+HPP較FS醇類和醛類分別增加了8.09和4.38倍,而FH+HPP較FH醇類和醛類分別增加了1.41和3.81倍。

a-峰面積堆積柱形圖;b-峰面積百分比堆積柱形圖圖2 GC-MS測定的不同藕汁中各類揮發性成分峰面積比較Fig.2 GC-MS peak area of classified volatile components in different lotus root juice samples

2.2 單一揮發性成分組成差異與分析

表2列出了檢測到的每一種揮發性成分的峰面積及相對含量。乙醇為所有樣品中含量最高的成分,相對含量為31.95%～84.90%。在壓榨汁中峰面積變化范圍4.51×107～40.03×107,最低值出現在FS,最高值為FS+AU,二者比值為8.88;在勻漿汁中乙醇峰面積為11.02×107～15.99×107,最低值出現在FH,最高值為FH+HPP,但二者比值僅為1.45。乙醇為含量最高的成分,應該與其分子質量小,揮發性強有關,而且壓榨汁經殺菌處理變化幅度大于勻漿汁,說明2種藕汁體系對于風味成分的釋放存在差別。除乙醇外,還有C4～C8的直鏈飽和醇,包括正丁醇、正戊醇、正己醇、正庚醇、正辛醇,還有具支鏈的異丁醇、異戊醇、2-乙基己醇,1-辛烯-3醇、芳樟醇、苯甲醇和糠醇。其中正丁醇和2-乙基己醇在水煮藕中也有報道[6]。醇類物質往往是酒類的香氣活性成分[12],但其香氣描述與濃度及多成分組合比例有關,據Flavornet數據庫的風味描述[13],乙醇為甜香,正丁醇和正戊醇為水果香,正己醇和2-乙基己醇則具有花香或青草香,正庚醇和1-辛烯-3醇為蘑菇香,芳樟醇和苯甲醇則往往被描述為花香。鑒于醇類在無熱處理藕汁中的絕對優勢,可以推測醇類物質應該為藕汁特有的清甜香氣的主要貢獻成分。而糠醇僅出現在2個熱加工的藕汁樣品中,它的形成來自美拉德反應,是紅糖的香氣活性成分,被描述為焦糖香,烘烤香[14],應與加熱后藕汁的風味有關。

與醇類物質相比,醛類物質檢出數量較少,相對含量較低。醛類物質中,正己醛表現出與HPP處理相關的特點,即在壓榨法制取的藕汁中僅在HPP處理的樣品中檢測出,而FH雖有正己醛檢出,但經過HPP處理后顯著增加,FH+HPP中正己醛的峰面積為FH的12.23倍。說明HPP處理促進了正己醛的生成與釋放,類似的現象在HPP處理黃瓜等生鮮果蔬中也有報道[15],本研究中勻漿法制取的藕汁中檢測到更多的正己醛,這說明勻漿法可能較壓榨法更促進了脂氧合酶途徑中脂肪酸的氧化[16],并且可能由于勻漿藕汁體系中保留了更多的酶和底物脂肪酸[17],才能在HPP處理后正己醛大幅上升。

壬醛為所有樣品唯一的共有醛類,在壓榨和勻漿2種藕汁中均表現為鮮榨

酮類物質與醛類物質類似,主要來自脂肪的氧化,酮類物質僅在AU樣品中檢出,說明其生成或釋放與受熱有關。其中5-甲基-2-庚烯-4-酮具核桃、堅果的香氣[13],僅在FS+AU中檢出。酸類物質僅檢測到少量乙酸,這與水蒸氣蒸餾法和乙醇提取法檢測到水煮藕中多種C14～C20的長鏈脂肪酸[5]不同,分析原因應該與研究中采用的制汁與萃取方法有關,大分子脂肪酸應主要存在于藕的固體形態中,而且揮發性弱,因此在藕汁的頂空萃取中檢測不到。

烴類為只含有碳和氫元素的化合物。甲苯和萘在所有藕汁中均有檢出,而鄰二甲苯、間二甲苯、苯乙烯僅在FH+AU中檢出,1-甲基萘在FS+HPP和FS+AU中檢出,聯苯則僅在FS+AU中檢出。苯及其同系物是常見的食品揮發性物質,在茶[19]、火腿[20]等食物中均有報道。但是在不同的食品體系中,對風味的貢獻與描述是不同的,如在火腿中,對二甲苯產生煙熏的香味,鄰二甲苯產生的則是甜糖果的風味[20]。而萘、1-甲基萘、聯苯,在一些谷物風味研究中被描述為木頭味、土味和甜味[21]。

另外,與溶劑萃取或水蒸氣蒸餾法可檢測到大量的烷類和酯類不同,藕汁的揮發性成分中僅檢測到一種烷類,環辛烷,長鏈烷類物質多具有較高的閾值,對烹煮谷物的香氣有貢獻[21],并且烷類和酯類因具有較低的極性,可以認為主要存在于蓮藕的固體組成中,而藕汁中較少。

藕汁中檢測到4種酯類,其中甲酸丁酯和甲酸異戊酯僅在FS中檢出,而鄰苯二甲酸二乙酯和甲酸己酯則分別僅在FH+AU和FS+AU中檢出。果蔬中的酯類大多來自醇類和羧酸類的酯化反應,并具有水果的香氣。如甲酸異戊酯具有新鮮和蘋果味[22],甲酸丁酯、甲酸己酯具有水果和綠葉香氣[14],這些酯類在壓榨制取的鮮汁或HPP處理的勻漿汁中含量較高,說明壓榨汁中的酯類香氣成分可能更易在后續加工中損失,而在勻漿制取的藕汁中,其酯類成分則在加工后得以生成或釋放。另外,在LI等[4]對藕風味成分的報道中鄰苯二甲酸二丁酯為含量最高的成分,可達揮發性成分總量的40%,甚至58%～65%,但這個成分為常見的增塑劑,因此推測與工業廢水的污染有關。本文中檢測到鄰苯二甲酸二乙酯,有可能來自于環境污染,但在揮發性成分中的比例很低,尚不足0.1%。

含硫化合物的增加為AU處理樣品的顯著特點。硫化物往往來自于氨基酸或蛋白質的降解,甲硫醚和二甲基二硫醚僅在AU處理樣品中檢出。硫醚類物質因揮發性強,在FS+AU和FH+AU中相對含量達到55.56%和21.60%,而在鮮榨及HPP處理的樣品中未檢測到。二甲基二硫醚對玉米的香氣有貢獻[23],也普遍在藕制品中檢測出[24]。二甲基亞砜則為二甲基硫醚的氧化產物,在玉米汁中已有報道[25]。

雜環類成分僅在AU處理的藕汁中檢測到,可分為呋喃、吡嗪、噻唑等化學結構。其中2-正戊基呋喃在韓麗娟等[6]研究中也有報道,而吡嗪類成分首次在蓮藕產品中檢出。吡嗪類成分往往具有很低的閾值,為很多熱加工谷物與堅果的特征香氣成分,如甲基吡嗪則呈現玉米的焦香與谷物的氣息,2,6-二甲基吡嗪、2,3,5-三甲基吡嗪對麥芽香的作用[26]。另外,2-乙酰基噻唑是甜玉米罐頭的香氣活性成分[23]。在以往對水煮藕風味成分的研究中,未能檢測到吡嗪類成分,可能與水煮藕中糊化的淀粉影響風味成分的揮發[16,27],或因固液混合形式萃取[6]及溶劑提取與濃縮[3-5],造成揮發性成分損失有關。

在藕汁中還檢測到1種肟類化合物,甲氧基苯肟。肟作為一種含氮化合物,在生物中普遍存在,在植物中最主要的代謝途徑來自于氨基酸,與防御和應答機制有關[28]。在竹筍[29]、蘿卜[30]等中均有報道,在竹筍中為相對含量最高的成分,隨處理溫度的增加而減少,但在不同的藕汁中其含量相對穩定。

2.3 不同藕汁香氣的定量感官描述分析

圖3為6種藕汁香氣感官分析的雷達圖。可以看出氣味總強度最高的樣品為FS+AU,其次為FH+AU,說明AU顯著增強了評價員對藕汁香氣的感知,尤其是FS+AU,其香氣強度評分達到4.40,具有明顯感覺到的香氣。FH+AU的香氣強度略弱于FS+AU,但高于3分,說明可以使評價員確切感覺到香氣;其他樣品的香氣強度則介于2～3,說明香氣較弱。根據香氣分解屬性,強度高于3的有FS+AU及FH+AU的甜香和FS+AU的谷物香。FH+AU的谷物香評分(2.67)顯著弱于FS+AU,可能是因為勻漿樣品中含有較多的多糖類物質,影響了對香氣成分的釋放與感知[31]。而果香和青草香則更多的體現在HPP處理的樣品,并以FH+HPP氣味強度最高。異味在所有樣品中均低于2分,并且未表現出顯著差異,說明HPP處理和AU處理均不會造成不愉悅異味的產生。

圖3 不同藕汁的香氣圖譜Fig.3 Aroma profile of different lotus root juice samples

2.4 揮發性成分與定量感官分析的主成分分析

對揮發性成分及香氣的感官定量描述結果進行了主成分分析,主成分1與主成分2的載荷圖及6個樣品的主成分得分圖見圖4,為便于圖示標注,表2揮發性成分按照化學分類與出峰順序,縮寫為化學分類+序號形式,即醇類物質13個,記為alc-1～13;醛類11個,記為ald-1～13;酸類1個,記為acid-1;酮類2個,記為ket-1～2;烴類9個,記為hyd-1～9;酯類4個,記為eas-1～4;硫化物3個,記為sul-1～3;雜環類13個,記為het-1～13,肟類1個,記為oxi-1。圖4-a為樣品在主成分1和主成分2上的得分圖,FH、FS+HPP與FH+HPP在第3象限聚集,說明這3個樣品的揮發性成分組成更為接近,主成分1解釋了總方差的60.2%,在主成分1上FS的得分最低而FS+AU的得分最高,說明二者的差異最大;主成分2解釋了總方差的16.5%,FH+AU在主成分2上的得分最高,并與其他樣品區分。結合載荷圖(圖4-b)分析,在主成分1上載荷值最高的為alc-12即糠醇,其次為ald-5即糠醛,然后為sul-1～3三個硫化物,鑒于糠醛和糠醇是典型的美拉德反應產物,揮發性硫化物往往來自于熱裂解,說明主成分1主要體現了樣品受熱造成的揮發性成分變化。另外,指標載荷值出現了堆疊與重復(圖4-b、圖4-c),主成分1上載荷高于0.75的揮發性成分共有36個,其中ald-9～11、ket2、hyd-5、hyd-9、eas-3、het-3～13,這18個成分因僅在FS+AU中檢出而具有相同的載荷值(圖4-c);主成分2上載荷值高于0.96的揮發性成分有5個,分別為hyd-2～5以及eas-4,這5個成分僅在FH+AU中檢出,說明烴類物質種類的增多為FH+AU的主要特點。

對于5個感官屬性,從載荷圖(圖4-b)來看,青草香位于第3象限,同在第3象限的揮發性成分有4個,分別為alc-11、hyd-8、ald-2、alc-6,這4個成分中hyd-8僅在HPP處理的2個樣品中檢出,ald-2僅在FH+HPP中檢出,這說明青草香與HPP這種非熱處理對揮發性成分的影響密切相關。結合圖4-a的樣品得分圖,在主成分2方向,FH+HPP與FH非常接近,而FS+HPP距FS較遠,這說明HPP處理對FS的影響更為明顯。甜香、谷物香和總強度更為接近,均位于第2象限,并且3者在主成分1上具有較高的載荷值(>0.75),說明藕汁香氣強度的增加主要體現在甜香和谷物香上。果香位于第1象限,距離最近的成分有alc-1即乙醇、acid-1即乙酸、alc-13即苯甲醇,而這3個成分則為水果中常見的揮發性成分。

a-主成分得分圖;b-主成分載荷圖;c-在主成分1上載荷值>0.75的成分載荷圖圖4 六種藕汁揮發性成分與感官分析結果的主成分分析圖譜Fig.4 Principle component analysis profile of volatile component and sensory attribute of lotus root juice samples注：載荷圖內為參照表2揮發性成分列表中化學分類英文名稱縮寫+序號

總體而言,主成分分析通過二維圖的形式,可使樣品的揮發性成分與感官屬性之間的對應關系以及樣品間的差異更為直觀的展示。

3 結論

壓榨法和勻漿法制作的生鮮藕汁的揮發性成分組成不同,而且壓榨藕汁對HPP及AU處理更為敏感。具體表現為FS較FH具有更多的醇類、醛類物質,揮發性成分總量為壓榨法的2.82倍。FS在HPP和AU處理后揮發性成分總峰面積上升倍數分別為6.89和19.53,而FH在處理后上升倍數僅為1.23和1.40。FS的揮發性成分對滅菌處理變化更為明顯,這種差異可能因為不同制汁方法造成藕汁體系的不同,進而對揮發性成分的生成與釋放影響不同。香氣的感官描述分析結果則顯示AU處理可顯著提高香氣的總強度,HPP處理對藕汁香氣的影響較小,這與揮發性成分峰面積變化一致。

主成分分析可以更好的顯示樣品差異與測定的多元指標的關系,主成分得分圖顯示HPP處理樣品與未滅菌樣品更為接近,而與AU處理樣品距離較遠,說明HPP處理對藕汁揮發性成分及香氣的影響小于AU處理。樣品中FS+AU在主成分1上得分最高,而果香、谷物香、甜香、總強度在主成分1上的載荷值為正,同時僅在AU處理樣品中檢測到的硫化物、雜環類化合物、酮類、烴類等物質均在主成分1上的載荷>0.9并出現聚集,形象的顯示了AU處理、揮發性成分、香氣感官之間的相關性關系。另外,青草香以及直鏈醛醇類和僅在HPP處理樣品中檢測到的烴類物質均分布在載荷圖第3象限,與此對應FH、FH+HPP、FS+HPP 3個樣品在主成分得分圖第3象限聚集,顯示了青草香與勻漿處理及HPP處理的相關性。

總之,制汁方法和殺菌方法的不同均會對藕汁揮發性成分和香氣造成顯著影響,在藕汁風味分析和評價時,需根據研究目的選擇適宜的制汁及加工方式。