芥末辛辣風味物質不同提取工藝的研究

杜喜玲

（鶴壁職業技術學院，河南 鶴壁 458030）

0 引言

芥末是以芥菜種子供食用，有很強的辛辣風味，具有抗菌殺蟲、抗癌、血栓預防、增進食欲、抗氧化等功能，在很多食品及食品行業中應用，如生魚片涂膜芥末食用、醬油防腐、果蔬保鮮等都有應用[1-3]。芥末獨特的辛辣風味是植物細胞遭破壞時，在一定的外界條件下由內源性黑芥子苷酶催化母體硫葡糖苷產生易揮發且具有強烈刺激辛辣風味的異硫氰酸酯物質而引起的，這種物質不僅是芥末辛辣風味的來源，也是十字花科植物的特殊風味來源[4-7]。芥末植物組織破碎后在一定的溫度和濕度下硫葡糖苷由其共存的酶的催化水解而產生一系列產物。

硫葡糖苷酶水解途徑見圖1。

圖1 硫葡糖苷酶水解途徑

目前，風味物質的提取主要有水提法、有機溶劑提取法、同時蒸餾萃取法、超臨界流體萃取法、頂空固相微萃取法及微波輔助提取法等[8]。研究采用水蒸氣蒸餾法與同時蒸餾萃取法提取芥末中的辛辣風味物質，以提取率的高低考查2種方法提取效果，同時采用單因素試驗和正交試驗對提取工藝進行優化。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 材料與試劑

芥末，購自市場或超市。

試劑：二氯甲烷、無水硫酸鈉、鄰苯二甲酸氫鉀、氫氧化鈉、抗壞血酸等。

1.1.2 儀器與設備

水蒸氣蒸餾裝置；真空旋轉蒸發儀、真空旋轉蒸發儀，上海申勝生物技術有限公司產品；同時蒸餾萃取裝置；HH-4型電子恒溫水浴鍋，金壇市富華儀器有限公司產品；DHG-9245A型電熱恒溫鼓風干燥箱、DHg-9070A型真空干燥箱，上海一恒科技有限公司產品；A-88型組織搗碎勻漿機，江蘇省金壇市醫療儀器廠產品；BT124S型電子分析天平，北京賽多利斯儀器系統有限公司產品。

1.2 方法

1.2.1 水蒸氣蒸餾法（WSD）[9-10]

稱取合適的芥末物質用水蒸氣蒸餾法提取，以芥末精油提取率為指標，考查了原料用量、緩沖溶液體積、蒸餾時間對提取率的影響，通過單因素試驗與正交試驗確定影響芥末提取率的因素及其最佳提取工藝[4，8]。根據辣根中硫苷最佳水解條件，采用如下工藝流程：

取樣100 g→打漿→pH值4.2緩沖溶液300 mL→10 mg/mL抗壞血酸10 mL→具塞65℃水解2 h→蒸餾2 h→二氯甲烷萃取溜出物20 mL/次，萃取3次→合并萃取液→無水NaSO4除水→真空旋轉蒸發器→少量萃取液轉移至容量瓶在60℃下水浴除去剩余二氯甲烷→得到無色至淡黃色的油狀辛辣風味物質，即芥末精油。根據容量瓶前后質量差即可求出芥末精油的質量，進而求得芥末精油的提取率。

通過單因素試驗，確定了山葵原料用量、緩沖溶液體積、蒸餾時間為提取率的影響因素，采用正交設計法對原料用量、緩沖溶液體積、蒸餾時間進行正交試驗，以山葵精油得率為指標，選用正交表L9（34）設計三因素三水平9個試驗[9]。

WSD因素與水平設計見表1。

表1 WSD因素與水平設計

1.2.2 同時蒸餾萃取法（SDE）[9-11]

將100 g芥末置于500 mL圓底燒瓶中，蒸餾水300 mL，接至同時蒸餾萃取裝置（SDE）的一端，溫度控制在100～105℃保持沸騰；另取二氯甲烷50 mL于500 mL圓底燒瓶中，接至SDE裝置的另一端，以恒溫水浴加熱，溫度控制在60℃，持續蒸餾萃取2 h。二氯甲烷萃取液加無水硫酸鈉干燥過濾到容量瓶，然后水浴除去二氯甲烷得到無色至淡黃色的油狀液體，根據容量瓶前后質量差求出芥末精油的質量，進而求得芥末精油的提取率[12-14]。

稱取合適的芥末物質用同時蒸餾萃取法提取，以芥末精油提取率為指標，考查了水解時間、水解溫度、pH值、抗壞血酸質量濃度、蒸餾時間對提取率的影響，通過單因素試驗與正交試驗確定影響芥末提取率的因素及最佳提取工藝。

通過單因素試驗確定了水解時間、水解溫度、抗壞血酸質量濃度、pH值、蒸餾時間對提取率的影響，采用正交設計法對水解時間、水解溫度、pH值、抗壞血酸質量濃度、蒸餾時間進行正交試驗，以山葵精油得率為指標，選用正交表L16（45），設計五因素四水平16個試驗[9]。

SDE因素與水平設計見表2。

表2 SDE因素與水平設計

2 結果與分析

2.1 水蒸氣提取芥末辛辣風味物質法結果與分析

2.1.1 原料用量對芥末辛辣風味物質提取率的影響

原料用量對提取率的影響結果見圖2。

圖2 原料用量對提取率的影響結果

從圖2可看出，原料用量對提取率的影響呈現先升高后降低的趨勢，在原料用量100 g時提取率最高為0.054%，之后隨著原料用量的增加提取率下降，這主要是因為在緩沖溶液體積與蒸餾時間一定的情況下，隨著原料用量的增加，生成的芥末精油越來越多，提取率上升，但原料用量達到一定程度后再增加用量就會導致芥末中的硫葡糖苷不能在黑芥子酶的作用下充分水解產生所需的芥末精油，這樣就導致芥末精油的提取率越來越低。

2.1.2 緩沖溶液體積對提取率的影響

緩沖溶液體積對提取率的影響結果見圖3。

圖3 緩沖溶液體積對提取率的影響結果

從圖3可看出，緩沖溶液體積對提取率的影響呈現先升高后降低的趨勢，但下降趨勢沒有上升趨勢明顯，當緩沖溶液體積為300 mL時提取率最高為0.057%，這主要是因為隨著緩沖溶液體積的增加，芥末中的硫葡糖苷酶解越充分，提取率就越高，但隨著緩沖溶液體積的增加芥末酶解產物就會發生部分降解，但降解緩慢，從而導致提取率緩慢降低。

2.1.3 蒸餾時間對提取率的影響

蒸餾時間對提取率的影響見圖4。

圖4 蒸餾時間對提取率的影響

從圖4可看出，蒸餾時間對提取率的影響呈現先升高后降低的趨勢，在蒸餾2 h時提取率最高為0.056%，之后隨著蒸餾時間的增加提取率降低，這主要是因為硫葡糖苷酶解產生的辛辣風味物質異硫氰酸酯隨著蒸餾時間的增加逐漸降解的結果。

2.1.4 正交試驗結果與分析

采用三因素三水平進行正交設計。

實施方案與結果見表3。

從表3可看出，正交試驗的提取率在0.022%～0.055%，提取率不太高，可能原因除了試驗過程的損失外，還與芥末精油生成條件及異硫氰酸酯易降解等多種原因有關[4，11]。通過正交試驗極差分析可看出，3個因素對芥末辛辣風味物質的影響大小不同，其中緩沖溶液體積影響較大，蒸餾時間影響最小。

表3 實施方案與結果

2.2 同時蒸餾萃取法結果與分析

2.2.1 水解時間對芥末辛辣風味物質提取率的影響

水解時間對提取率的影響結果見圖5。

圖5 水解時間對提取率的影響結果

從圖5可看出，水解2 h的提取率最高為0.19%，水解時間對提取率的影響呈現先升高后降低的趨勢，但升高趨勢高于降低趨勢，隨著水解時間的延長，提取率平緩降低，這主要是因為起初芥末硫葡糖苷在酶的作用下水解加快[4-5]，隨著水解時間的延長，生成的異硫氰酸酯就越來越多，因此提取率就增加，但隨著水解時間的不斷延長，生成的異硫氰酸酯在水的作用下就會發生緩慢降解，從而導致異硫氰酸酯不斷減少，提取率就會越來越少。

2.2.2 水解溫度對芥末辛辣風味物質提取率的影響

水解溫度對提取率的影響結果見圖6。

圖6 水解溫度對提取率的影響結果

從圖6可看出，水解溫度在60℃時提取率最高0.18%，水解溫度對提取率的影響呈現先升高后降低的趨勢，升高降低趨勢都比較迅速，這主要是芥末中的硫葡糖苷酶受溫度影響較大，每種酶都有一個最適的活性溫度；芥末酶解產生的主要辛辣物質異硫氰酸酯也受溫度影響較大，隨著溫度不斷升高，異硫氰酸酯的降解也會加快，提取率降低[4，11]。

2.2.3 pH值對芥末辛辣風味物質提取率的影響

pH值對提取率的影響見圖7。

圖7 p H值對提取率的影響

從圖7可看出，pH值對提取率的影響呈現先升高后降低的趨勢，pH值在4～5時提取率比較高；pH值5時，提取率是0.175%；pH值〉6時提取率逐漸減少。由此可見，酸性條件有利于山葵精油的提取[8]，這是因為不同植物含有的黑芥子苷酶適宜的pH值范圍不同。

2.2.4 抗壞血酸質量濃度對芥末辛辣風味物質提取率的影響

抗壞血酸質量濃度對提取率的影響見圖8。

圖8 抗壞血酸質量濃度對提取率的影響

從圖8可看出，抗壞血酸質量濃度對提取率影響呈現先升高后降低的趨勢，在抗壞血酸質量濃度為10 mg/mL時提取率最高為0.19%，之后隨著抗壞血酸濃度的增加，提取率反而減少，這主要是因為一定質量濃度的抗壞血酸對黑芥子苷酶的活性有激活作用，但不同質量濃度的抗壞血酸對黑芥子苷酶活性的激活作用不同。

2.2.5 蒸餾時間對提取率的影響

蒸餾時間對提取率的影響見圖9。

從圖9可看出，蒸餾時間為2 h時提取率最高0.18%，隨著蒸餾時間的增加提取率先升高，但蒸餾達到一定時間后，繼續蒸餾就會使提取率逐漸降低，這是因為芥末在一定條件下水解產生的辛辣風味物質會隨著蒸餾時間的不斷增加發生降解，從而導致提取率不斷降低[8，11]。

圖9 蒸餾時間對提取率的影響

2.2.6 正交試驗結果與分析

采用五因素四水平進行正交設計。

實施方案與測定結果見表4。

表4 實施方案與測定結果

從表4可看出，同時蒸餾萃取法的提取率為0.098%～0.172%，通過正交試驗極差分析可看出，5個因素對芥末辛辣風味物質的影響大小不同，其中水解時間影響較大，蒸餾時間影響最小。同時蒸餾萃取法提取芥末辛辣風味物質的提取率明顯高于水蒸氣蒸餾法0.022%～0.055%。因此，同時蒸餾萃取法提取工藝比水蒸氣蒸餾法更利于芥末辛辣風味物質的提取[15-16]。

3 結論

3.1 水蒸氣蒸餾法提取芥末風味物質

（1）水蒸氣蒸餾法的單因素試驗中，3個因素對提取率的影響總體呈現先升高后降低的趨勢，3個因素各自的最佳提取率分別是原料用量100 g，緩沖溶液體積300 mL，蒸餾時間2 h。

（2）水蒸氣蒸餾法的正交試驗中原料用量、緩沖溶液體積、蒸餾時間對芥末辛辣風味物質都有一定的影響，3個因素對提取率的影響大小為緩沖溶液體積〉原料用量〉蒸餾時間。

3.2 同時蒸餾萃取法提取芥末風味物質

（1）同時蒸餾萃取法的單因素試驗中，5個因素對提取率的影響整體呈現先升高后降低的趨勢，但升高與降低的平緩程度不同，5個因素各自的最高提取率分別為水解時間2 h，水解溫度60℃，抗壞血酸質量濃度10 mg/mL，pH值5，蒸餾時間2 h。

（2）同時蒸餾萃取法的正交試驗中，水解時間、水解溫度、pH值、抗壞血酸濃度、蒸餾時間對芥末辛辣風味物質都有一定的影響，5個因素對提取率的影響大小為水解時間〉水解溫度〉pH值〉抗壞血酸濃度〉蒸餾時間。

（3）同時蒸餾萃取法的提取率為0.098%～0.172%，提取率明顯高于水蒸氣蒸餾法0.022%～0.055%，蒸餾萃取法比水蒸氣蒸餾法更利于芥末辛辣風味物質的提取。