番茄醬加工中風味劣變因子的紅外快速預測模型建立

方珂 ，張靜瑤，張忠飛，李教勇，牛宇戈，陸維盈

1.上海交通大學農業(yè)與生物學院（上海 200240）；2.上海市食品研究所有限公司（上海 200235）；3.廣東省粵北食藥資源利用與保護重點實驗室，韶關學院（韶關 512005）

番茄和番茄制品（如汁、醬、沙司、果泥等）是一類廣受消費者歡迎的健康食品[1]。其營養(yǎng)豐富，富含維生素、礦物質、類胡蘿卜素、酚類[2-3]和黃酮類等營養(yǎng)物質，受到消費者青睞。其中的類胡蘿卜素類的番茄紅素，不僅賦予番茄制品鮮艷的色澤，同時具有良好的生物活性功能，可預防癌癥、動脈粥樣硬化的發(fā)生，減輕體內氧化應激和炎癥反應[4]。

番茄醬作為一種主要的番茄制品，其加工工藝主要包括打漿、破碎、過濾、濃縮、滅菌。在加工過程中，溫度、壓力、機械破壞等都會對番茄中的各種組分產生破壞和影響，從而影響番茄制品的營養(yǎng)品質和風味品質。加工過程中不同工藝對營養(yǎng)成分的影響規(guī)律，以及風味物質，尤其是風味劣變因子的確定與快速檢測技術缺乏深入研究[5]。

因此，以番茄醬為研究對象，分析番茄醬加工過程中不同工藝條件下營養(yǎng)組分和風味物質的變化，明確品質關鍵控制點和標志性風味劣變因子，為提升番茄醬質量和改進加工工藝提供數(shù)據(jù)支持。針對風味劣變因子，基于紅外快速檢測結合偏最小二乘法建模可對風味劣變因子的含量進行快速檢測。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

1.1.1 試驗儀器與設備

飛利浦HR2168型攪拌機（荷蘭PHILIPS公司）；R-215型旋轉蒸發(fā)儀、V-700型真空泵和B-491型水浴鍋（瑞士BUCHI公司）；EUROSTAR攪拌器和A11型研磨粉碎機（德國IKA公司）；ARIAS 500型折光儀（美國Reichert公司）；ColorQuest XE分光光度計（美國HunterLab公司）；infinite M200 PRO型酶標儀（瑞士TECAN公司）；AllegraTM X-22R型冷凍離心機（美國BECKMAN COULTER公司）；N-EVAPTM 112型氮吹儀（美國Organomation Associates Inc.公司）；KH-500E型超聲波清洗器（昆山禾創(chuàng)超聲儀器有限公司）；冷凍干燥機（美國LABCONCO公司）；ACQUITY UPLC超高液相色譜系統(tǒng)、ACQUITY ELSD蒸發(fā)光檢測器和Empower色譜工作平臺（美國Waters公司）；Agilent 1260型HPLC高效液相色譜系統(tǒng)和G1351D 1260型二極管陣列檢測器（美國Agilent公司）；7890A-5975C氣相色譜-質譜聯(lián)用儀（GCMS）；色譜柱DB-wax（30 m×0.25 mm×0.25 μm，美國Agilent公司）；色譜柱Carotenoid C30（150×4.6 mm，5 μm，日本YMC公司）；AntarisⅡ近紅外光譜儀（美國Thermo Fisher公司）。

1.1.2 原料與試劑

原料番茄采購自本地市場；無水甲醇、無水乙醇（常熟市鴻盛精細化工有限公司）；PBS粉（無錫傲銳東源生物科技有限公司）；濃鹽酸、碳酸鈉、沒食子酸、氫氧化鈉、蘆丁（上海凌峰化學試劑有限公司）；亞硝酸鈉、硝酸鋁（國藥集團化學試劑有限公司）；甲基叔丁基醚、番茄紅素、維生素C、β-胡蘿卜素（美國Sigma公司）；乙腈（中國阿達瑪斯公司）。

1.2 試驗方法與儀器條件

1.2.1 番茄醬加工過程樣品的制備

番茄醬加工過程實驗室模擬包括清洗、制漿、熱破碎、去皮去籽、濃縮及殺菌等。選取約1 kg新鮮番茄，要求充分成熟、色澤鮮艷。清洗：用純水洗凈番茄表面的污物、沙土，除去果蒂。制漿：番茄切碎后，倒入勻漿杯內，在常溫下攪碎果肉，成為番茄漿液。熱破碎：將第一步打碎的番茄漿液攪拌杯，放入85 ℃水浴中，用臺式攪拌機機械攪拌15 min。去皮去籽：將第一步打碎的番茄漿液放入打漿機中，加入濾網(wǎng)，將皮、籽分離出來。濃縮：將上一步過濾網(wǎng)分離出的番茄汁放入旋轉蒸發(fā)裝置中，設置水浴85 ℃，可溶性固形物含量達到28%~30%時，停止加熱。殺菌：將濃縮后番茄汁液轉移至玻璃瓶中密封，沸水中加熱30 min，封裝。上述每一步操作取樣3份，每份50 mL，作為3次平行操作用，貼上標簽后放入-80 ℃冰箱過夜，用冷凍真空干燥脫水處理，干燥后樣品放入-20 ℃冰箱備用。

蔡連成認為，領軍企業(yè)的擔當不單單體現(xiàn)于技術的領先，更在于一份對社會、對行業(yè)的責任心。 “比如，綠色包裝就是我們的責任”，他舉例說。“環(huán)境保護人人有責。綠色包裝其實就是企業(yè)和個人的責任，甚至是社會和國家的責任。當然，綠色包裝也可以體現(xiàn)產品自身的優(yōu)勢，給消費者帶來一種綠色的感覺。我一向認為，環(huán)保的這份責任心比企業(yè)發(fā)展更重要。”

1.2.2 總酚含量變化

稱取0.1 g的樣品，加入3 mL甲醇，渦旋；超聲提取20 min，在4 500 r/min離心5 min，收集上清液，加入3 mL甲醇，重復提取3次，合并上清液，氮氣吹至干燥，加入2 mL 50%乙醇。樣品避光，放入-4 ℃保存，留待檢測。

在125 μL樣品提取液中加入500 μL蒸餾水，加入125 μL福林酚使用液；室溫下，避光反應6 min，加入1.25 mL 7% Na2CO3溶液和1 mL蒸餾水。充分混合后，將體系避光反應1.5 h，用酶標儀在760 nm波長處測定吸光度。以同比例的去離子水和試劑的混合液作為空白對照。使用沒食子酸繪制標準曲線。

1.2.3 總黃酮含量變化

稱取0.1 g樣品，加入3 mL甲醇，渦旋；超聲提取20 min，在4 500 r/min離心5 min，收集上清液，加入3 mL甲醇，重復提取3次，合并上清液，氮氣吹至干燥，加入2 mL 50%乙醇。樣品避光，放入-4 ℃保存，留待檢測。

在125 μL樣品提取液中加入500 μL蒸餾水，加入125 μL福林酚使用液；室溫下，避光反應6 min，加入1.25 mL 7% Na2CO3溶液和1 mL蒸餾水。充分混合后，將體系避光反應1.5 h。吸取1.00 mL樣品提取液，置于10 mL容量瓶中，加入0.4 mL 5% NaNO2，搖勻，放置6 min；加入0.4 mL 10% Al(NO3)3，搖勻，放置6 min；加入4.0 mL 5% NaOH，加水至刻度，搖勻，放置15 min。使用酶標儀在500 nm波長處測定吸光度，以同比例去離子水和試劑的混合液作為空白對照。以蘆丁為參照物，繪制標準曲線并計算總黃酮含量。

1.2.4 番茄紅素和胡蘿卜素含量測定

稱取0.1 g樣品，加入3 mL氯仿，渦旋；超聲提取20 min，在4 500 r/min離心5 min，收集氯仿層，加入3 mL氯仿，重復提取3次，合并氯仿層，氮氣吹至干燥，加入2 mL甲基叔丁基醚（MTBE）。樣品避光，放入-4 ℃保存，留待檢測。檢測時，取0.2 mL，用0.22 μm孔徑的有機相超濾膜過濾。

類胡蘿卜素采用高效液相色譜法進行檢測。色譜條件：液相系統(tǒng)為HPLC配DAD二極管陣列檢測器；色譜柱YMC C30150×4.6 mm；柱溫30 ℃；分析時間15 min；進樣量10 μL；流動相A采用MTBE，流動相B采用甲醇作為濃度梯度洗脫；流速0.7 mL/min。檢測器DAD，波長440 nm，470 nm。

1.2.5 標志性風味物質的篩選

進樣溫度260 ℃；分流比為無分流；載氣采用氦氣（99.999%）；流量1 mL/min；柱溫40 ℃保持5 min，后以5 ℃/min升至250 ℃，保持5 min；接口溫度260 ℃；離子源溫度230 ℃；四極桿溫度150 ℃；電離方式EI+，70 eV；檢測器電壓2 306 V；掃描方式為全掃描；質量范圍20~400；NIST 2011譜庫。

SPME的條件：CTC三位一體自動進樣器萃取頭，50/30 μm DVB/CAR，戊醛on PDMS，溫度50 ℃，振蕩時間15 min，萃取時間30 min，振蕩速度250 r/min，解析時間4 min，GC循環(huán)時間57 min。

1.2.6 戊醛紅外譜圖的測定

醛類標準溶液的配制：在天平秤上，分別吸取250 mg戊醛于50 mL燒杯中，用適量無水乙醇溶解后轉移至50 mL容量瓶，以乙醇定容后分別得到質量濃度5 mg/mL的戊醛溶液，作為標準儲藏液。將2種標準溶液分別吸取9，8，7，6，5，4，3，2和1 mL于10 mL容量瓶，加入無水乙醇定容，分別稀釋制成4.5，4.0，3.5，3.0，2.5，2.0，1.5，1.0和0.5 mg/mL的標準液。

2, 4-二硝基苯肼衍生液的配制：準確稱取0.15 g 2, 4-二硝基苯肼于50 mL燒杯中，加入5 mL磷酸，攪拌使2, 4-二硝基苯肼充分溶解，轉移至50 mL棕色容量瓶中，用乙腈定容后，混合均勻。

吸取4.9 mL市售新鮮番茄汁于多個50 mL離心管中，每管分別添加100 μL不同濃度梯度的戊醛標準溶液（5.0，4.5，4.0，3.5，3.0，2.5，2.0，1.5，1.0和0.5 mg/mL的戊醛溶液），渦旋混合均勻，使番茄汁中戊醛質量濃度分別為100，90，80，70，60，50，40，30，20和10 μg/mL。每種濃度重復3次平行取樣。向每個離心管中加入25 mL無水乙醇，超聲提取15 min，以4 500 r/min離心10 min，取5 mL上層萃取液于新的50 mL離心管中，加入5 mL 2, 4-二硝基苯肼衍生液，渦旋30 s，充分混合，常溫下反應30 min，。吸取少量反應后的樣液滴加到ATR（Ge晶體）上，用紅外光譜儀掃描測量，波長范圍為400~4 000 cm-1，掃描次數(shù)為32。

1.2.7 紅外快速預測模型的建立

運用化學計量學對所得紅外數(shù)據(jù)進行降維處理，提取紅外譜圖中與戊醛含量變化相關的有效信息，建立快速預測模型。采用主成分分析（principal component analysis，PCA）對整體紅外數(shù)據(jù)進行探索性分析。主成分按方差響應大小排序，表示為PC1，PC2和PC3等，其中PC1包含最多信息。PCA分析結果以主成分得分圖的形式直觀呈現(xiàn)。偏最小二乘分析（partial least squares，PLS）用于進一步建立戊醛的定量預測模型。采用拉丁劃分法將原始數(shù)據(jù)集劃分為訓練集和測試集，訓練集用于構建最終的偏最小二乘回歸模型（PLSR），而測試集用于評價模型預測能力。在建立PLSR模型時，潛變量（Latent variables，LVs）數(shù)量的選擇尤為重要，過多的LVs會造成模型的過擬合[6]。因此，采用bootstrapped Latin partition程序（10 bootstraps和5-fold Latin partition，BLP）確定最佳LVs的數(shù)值[7]。所有數(shù)據(jù)處理程序都是在個人電腦上使用MATLAB R2019a（MathWorks，Natick，Massachusetts，USA）編寫的內部腳本進行。

2 結果與討論

2.1 總酚含量變化

從圖1可以看出，與最初制漿的番茄漿液相比，熱破碎以后總酚含量有一定下降。但是與熱破碎過程相比，熱濃縮和殺菌過程導致總酚含量進一步下降。由于熱濃縮的樣品是在熱破碎的樣品基礎上進行試驗，而殺菌過程又是在熱濃縮樣品基礎上進行試驗。所以加熱時間更長，導致熱效應對總酚含量傷害產生疊加作用。結果也顯示，經(jīng)過殺菌過程的樣品總酚含量低于熱濃縮的樣品總酚含量，熱濃縮的樣品總酚含量又低于熱破碎的樣品總酚含量。結果表明，加熱的時間增加越多將導致總酚含量下降越為嚴重。此外，經(jīng)過濾以后，與最初制漿的番茄漿液相比總酚含量反而有所增加。推測是過濾過程實際上仍舊是一個攪拌和粉碎過程，只是多加一個過濾網(wǎng)。此操作過程對番茄籽和番茄皮進一步進行粉碎。番茄籽和番茄皮本身就含有一定量的酚，從圖中的第6個柱狀體高度可見，其含量約相當于番茄漿液的50%。因此，固體顆粒番茄籽和番茄皮中的酚在經(jīng)過進一步粉碎后，又有小部分釋放到液體中，從而提高經(jīng)過濾后番茄汁中總酚的含量。有文獻報道[8]，番茄醬的加工過程中隨著加熱時間不同對營養(yǎng)成分產生不同影響。用110 ℃，15 min或110 ℃，30 min的短時間熱處理會增加番茄紅素、總酚類化合物、黃酮類化合物的含量。

圖1 番茄醬加工過程中總酚含量變化

2.2 總黃酮含量變化

從圖2可以看出，經(jīng)過熱破碎、熱濃縮和殺菌過程的樣品相對于番茄漿液總黃酮含量有明顯下降。加熱對總黃酮量會產生一定影響，使總黃酮含量下降約30%。然而，雖然這3次加工過程中加熱時間是累積增加的，但是這種累積增加的熱效應并沒有進一步影響黃酮含量。3種樣品中的總黃酮量在經(jīng)過前期影響后，含量卻基本保持恒定，似乎對后期加熱不再敏感。經(jīng)過濾以后的樣品中總黃酮含量與番茄漿液中的含量基本保持不變，不像酚類化合物在此過程中會有進一步釋放。然而皮和籽中總黃酮含量相對較多，結果表明黃酮類化學物質主要存在于籽和皮中，不易釋放到主要以水溶性物質組成的番茄漿液中。

圖2 番茄醬加工過程中總黃酮含量

2.3 胡蘿卜素和番茄紅素含量變化

從圖3可以看出，與番茄漿液中β-胡蘿卜素含量相比，經(jīng)熱破碎過程后β-胡蘿卜素有進一步釋放，隨后的濃縮和殺菌是繼續(xù)加熱過程，這2個過程造成了β-胡蘿卜素成分含量有所下降，但其含量仍能維持與番茄漿液中基本相當?shù)乃健＝Y果表明，短時間加熱能促進β-胡蘿卜素成分釋放并溶解到主要以水溶性物質組成的番茄漿液中，但是長時間加熱會造成β-胡蘿卜素成分被破壞或降解。此外，經(jīng)過濾后β-胡蘿卜素成分有大幅提高。此過濾過程實際上仍是一個攪拌和粉碎過程，只是多加一個過濾網(wǎng)。這樣做實際就對番茄籽和番茄皮進一步進行粉碎，所以有更多的β-胡蘿卜素成分從番茄籽和番茄皮中釋放并溶解到番茄漿液中。與之相反，由于番茄籽和番茄皮中的β-胡蘿卜素成分被大量釋放后，造成其本身所含成分的量大幅減少。

圖3 番茄醬加工過程中β-胡蘿卜素含量變化

從圖4可以看出，與番茄漿液中番茄紅素的含量相比，經(jīng)熱破碎過程后番茄紅素有進一步釋放。隨后的濃縮和殺菌是繼續(xù)加熱過程，這2個過程造成番茄紅素成分含量有所下降，但其含量仍能維持在高于番茄漿液中的水平。結果表明，短時間加熱能促進番茄紅素成分釋放并溶解到主要以水溶性物質組成的番茄漿液中，但是長時間加熱會造成番茄紅素成分被破壞或降解。此外，經(jīng)過濾后番茄紅素成分有大幅提高。此過程實際上仍舊是一個攪拌和粉碎過程，只是多加一個過濾網(wǎng)。這樣做實際上就對番茄籽和番茄皮進一步進行粉碎，所以有更多的番茄紅素成分從番茄籽和番茄皮中釋放并溶解到番茄漿液中。與之相反，由于番茄籽和番茄皮中的番茄紅素成分被大量釋放后，造成其本身所含成分的量大幅減少。

圖4 番茄醬加工過程中番茄紅素含量變化

2.4 標志性風味物質的篩選

應用SPME-GC/MS技術，采集并分析加工過程不同階段的番茄制品（包括番茄原漿、熱破碎漿、濾液、濃縮液）中的風味物質，得到的GC-MS總離子流圖，如圖5所示。篩選出7種變化顯著的風味物質（表1），除戊醛外，其他幾種物質的含量在后續(xù)的加工中均有下降趨勢，而戊醛含量卻有急劇上升，可見番茄制品的加工過程會產生大量戊醛，并因此很大程度影響番茄的風味。后續(xù)對戊醛模型進行建立。

表1 番茄加工過程中標志性風味物質

圖5 標志性風味物質的變化規(guī)律分析

2.5 戊醛模型的建立

如圖6所示，添加不同濃度戊醛使得番茄樣本的紅外吸收有明顯增加，且紅外峰的吸收強度會隨著戊醛濃度的上升有增加趨勢，但具體的戊醛添加濃度僅憑直觀的原始光譜圖判斷明顯存在困難。因此后續(xù)結合多元統(tǒng)計分析嘗試自動識別戊醛濃度。

圖6 戊醛的紅外原始平均圖譜（左）和PCA得分圖（右）

戊醛原始數(shù)據(jù)經(jīng)過歸一化處理后進行PCA分析，結果以第一主成分（PC1）和第二主成分（PC2）得分圖的形式展現(xiàn)。如圖5所示，添加戊醛的番茄樣本與空白樣本之間得到顯著區(qū)分，而不同濃度的戊醛添加樣本的區(qū)分度仍然較差，這與原始平均圖譜觀察到的現(xiàn)象一致。由于PCA是一種無監(jiān)督的多元分析方法，其最終結果判定需要人為干涉[9]，且PCA得分圖中不同濃度的樣本之間存在較大重疊，說明二維得分圖還不足以有效區(qū)分添加戊醛樣本的組間差異。因此，采用一種更強大的模式識別方法進一步建立更好的戊醛預測模型。

PLS是一種有監(jiān)督的多元分析方法，算法中綜合降維及預測變量和響應變量之間的相關性[10]。在構建模型前，將原始數(shù)據(jù)集劃分為包含80%樣本的訓練集和20%樣本的測試集，并通過BLP程序確定最佳LVs個數(shù)為6，模型預測結果如圖7所示。通常，優(yōu)秀的擬合模型需要較低的RMSE和較高的R2（＞0.9）[11]。可以看到所構建的PLSR模型對于訓練集和測試集均取得優(yōu)異的預測效果，R2均大于0.9，且殘差值較低。

圖7 PLSR預測效果

3 結論

番茄醬加工過程中的營養(yǎng)品質變化的關鍵控制點在于熱破碎和濃縮環(huán)節(jié)。熱破碎的過程的控制要點在于如何提升營養(yǎng)物質從細胞基質中釋放的效率。而濃縮環(huán)節(jié)的控制重點在于提升濃縮效率，盡量降低反應溫度，縮短蒸發(fā)時間。其原因在于多酚、黃酮還有類胡蘿卜素的氧化主要集中在這一步驟。

番茄籽中含有豐富的酚類和黃酮類物質，因此對番茄醬的加工過程中的副產物皮籽的開發(fā)利用還有很大空間。

建模結果表明紅外光譜結合化學計量學用于番茄制品中不同濃度戊醛劣變因子快速檢測的可能性。然而，紅外光譜結合化學計量學預測番茄樣本中己醛劣變因子的效果較差，這可能與建模所采用的樣本量不夠充分，后續(xù)可通過擴大樣本量和嘗試更多種的預處理方法來建立更優(yōu)異的模型。此外，品質劣變往往是由于多個劣變因子聯(lián)合產生的效果，且戊醛與己醛的特征波峰類似。所以，后續(xù)研究可采用多種目標物聯(lián)合進行番茄醬的品質表征。