超高壓處理對蛇龍珠葡萄中酚類物質的影響

楊培玉,張波,蔣玉梅,王學慶,呂轉轉,韓麗婷,張瀟方

(甘肅農業大學 食品科學與工程學院,甘肅省葡萄與葡萄酒工程學重點實驗室,甘肅省葡萄酒產業技術研發中心,甘肅 蘭州,730070)

超高壓(ultra-high pressure, UHP)又稱為高壓加工或高靜水壓,通常是指處理強度超過100 MPa的壓強[1]。研究顯示,超高壓處理會破壞分子間的非共價鍵,影響蛋白質的立體結構,降低微生物和酶的活性等,因此常作為一種非熱殺菌方式以提高食品的安全性和保質期[2]。此外,相較于超聲波、脈沖電場等技術,超高壓處理能最大程度保留食品的營養成分[3]。特別對于果蔬而言,能減少其顏色和香氣的損失,保持其天然風味,目前已在甜橙[4]、刺梨[5]、藍莓[6]等加工中獲得良好效果,具有較高的商業應用價值。

酚類物質是植物中重要的次級代謝產物,具有抗氧化作用。此外對于釀酒葡萄等水果而言,酚類物質還與其顏色和口感等風味品質高度相關,因此備受科研人員的關注。目前,通過改良葡萄栽培架勢、調控植株種植樹勢、優化果穗修剪方式、葡萄植株田間生草和根域限制處理等栽培調控手段可促進葡萄中酚類物質積累[7]。但上述方法耗時較長且在不同地區易受環境等因素影響。因此,如何通過技術手段有效改善釀酒葡萄中的酚類物質含量,亟待研究。

超高壓可破壞果蔬的液泡和細胞膜結構,增加其細胞的滲透性,引起其內含物擴散的增加,大大提高處理樣品(藍莓[6]、石榴[8]、西番蓮果皮[9]、柚子[10]等)的提取效率。雖然該技術在改善果蔬酚類物質方面已有一定數量的報道,但對于釀酒葡萄而言,相關的研究還很有限。研究表明,釀酒葡萄中的酚類物質對提高和改善葡萄酒的感官品質(顏色、口感)和生物活性功能(抗氧化、抗菌)發揮重要作用[11]。因此,如果能通過發酵前的超高壓處理,提高其酚類物質含量,這將有助于葡萄酒質量的提升。

為此,本實驗擬通過對蛇龍珠葡萄實施不同條件的超高壓(壓力和時間)處理,研究其對果實中酚類物質和基本理化指標的影響,以期通過前處理過程提高釀酒葡萄的果實品質,并進一步為開展超高壓在釀酒葡萄中的應用提供一定的數據參考和技術支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

1.1.1 樣品采集

選擇種植于甘肅省張掖市高臺縣祁連莊園的釀酒葡萄‘蛇龍珠’為原材料,采自2020年。

1.1.2 試劑與標準品

花色苷標準品(花青素-3-O-葡萄糖苷、花翠素-3-O-葡萄糖苷、甲基花青素-3-O-葡萄糖苷、甲基花翠素-3-O-葡萄糖苷、二甲花翠素-3-O-葡萄糖苷),法國Extrasynthese公司;非花色苷酚類物質標準品(原兒茶酸、4-羥基苯甲酸、4-羥基肉桂酸、咖啡酸、芥子酸、阿魏酸、槲皮素、香草酸、龍膽酸等),美國Sigama-Aidrich公司;甲醇、乙酸乙酯、甲酸、乙腈(均為色譜級),美國Fisher公司;福林-肖卡試劑,廈門海標科技有限公司;無水Na2CO3、干沒食子酸、KCl、CH3COONa、NaNO2、AlCl3和NaOH,國藥集團化學試劑有限公司;蘆丁標品,上海源葉生物科技有限公司;K2S2O5溶液,天津市濱?？频匣瘜W試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

1200系列高效液相色譜儀串聯6410B三重串聯四級桿質譜儀(配有G1322A真空脫氣機、G1312B二元高壓梯度泵、G1367C自動進樣器、G1316B柱溫箱、G1314C VWD檢測器)、Poroshell 120 EC-C18色譜柱(50 mm×2.1 mm,2.7 μm),美國安捷倫科技有限公司;L2-600/1超高壓設備,天津華泰森淼生物工程技術股份有限公司;TU-1810PC紫外可見分光光度計,北京普析通用儀器有限責任公司;RE-6000A旋轉蒸發儀,上海亞榮生化儀器廠;TGL-16M型冷凍離心機,湖南湘儀實驗室儀器開發有限公司;PHS-3E pH計,上海雷磁有限責任公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 原料預處理

挑選新鮮釀酒葡萄,剔除霉爛和雜物后去梗,將葡萄果粒包裝后抽真空,再對葡萄進行超高壓處理。處理條件為不同壓力(100、200、300、400、500 MPa)與時間(25 min)和溫度(15 ℃)的組合;不同時間(5、15、25、35、45 min)與壓力(300 MPa)和溫度(15 ℃)的組合。超高壓處理后破碎,每1 L加入0.5 mL的K2S2O5溶液,4 ℃浸漬24 h后,紗布過濾再10 000 r/min離心10 min,離心后的葡萄汁超低溫保存待測。

1.3.2 基礎理化指標的測定

pH、總糖參照GB/T 15038—2006《葡萄酒、果酒通用分析方法》中的方法,顏色、總花色苷和總酚參照李寧寧[12]的方法,總黃酮參照蘇鵬飛[13]的方法。

1.3.3 花色苷酚

采用高效液相色譜儀,樣品測定前經0.45 μm濾膜過濾,進樣量5 μL。洗脫采用的流動相為:0.1%(體積分數)的甲酸水溶液為A相,含0.1%甲酸的甲醇乙腈溶液(V甲醇∶V乙腈=1∶1)為B相。洗脫程序為10%到46%的B相持續28 min,46%至10%B相1 min,后運行程序5 min。流動相流速為0.4 mL/min,柱溫55 ℃。質譜采用ESI離子源,正離子模式,噴霧電壓為4 kV,離子源溫度150 ℃,干燥氣溫度350 ℃,流量12 L/h,霧化器壓力35 psi,檢測器為多反應監測模式?；ㄉ盏亩ㄐ砸罁榛ㄉ漳鸽x子譜庫和經過碰撞誘導裂解(collision induced dissociation, CID)產生的子離子譜庫。各花色苷衍生物的含量根據建立的標準曲線進行定量。

1.3.4 非花色苷酚

樣品前處理:取20 mL葡萄汁,用20 mL乙酸乙酯連續萃取3次,合并有機相部分于旋轉蒸發儀45 ℃濃縮至干,殘留物甲醇溶解定容至2 mL后儲存于-80 ℃待液相分析用。進樣前經0.45 μm有機膜過濾。

實驗所采用的液相和質譜系統,除了離子源采用負離子模式,其他參數與花色苷的檢測方法相同。

1.4 數據分析與統計

花色苷酚和非花色苷酚數據在Mass Hunter上分析,每種物質含量均以經過標準曲線換算后的質量濃度表示。使用SPSS 19.0分析軟件中Duncan法對數據進行顯著性檢驗。圖形采用Origin 2021繪制。

2 結果與分析

2.1 超高壓處理對常見基礎理化指標的影響

通過比較不同壓力和時間超高壓處理的蛇龍珠葡萄果實總糖和pH數據可知(表1和表2),總糖含量分別在224.23～229.89 g/L和223.78～229.88 g/L的范圍內變化(P>0.05),表明超高壓操作未對其含量產生明顯影響,這與CHANG等[14]研究結果相似。但與總糖的結果不同,實驗中的pH數據卻顯示不同壓力水平會引起樣品中H+濃度的變化,導致pH值產生波動,考慮這可能與超高壓技術會影響果汁的流變特性[15],進而改變果實內H+分布有關。

表1 不同壓力處理對總糖、pH和顏色的影響Table 1 Effects of different pressure treatments on total sugar, pH and color

表2 不同時間處理對總糖、pH和顏色的影響Table 2 Effects of different time treatments on total sugar, pH and color

由此可以得出,超高壓處理后的蛇龍珠葡萄汁顏色加深、紅色加強、色澤的飽和度更高,這將有利于保持和改善處理后葡萄汁的呈色狀態。TORRES-OSSANDN等[17]研究認為,超高壓處理引起的顏色變化與其酚類物質影響直接相關。為此,本實驗對其酚類物質進行測定,以具體研究超高壓處理下酚類物質的變化情況。

2.2 超高壓處理對基礎理化指標的影響

由圖1可知,隨處理壓力的增加,供試樣品中總花色苷、總黃酮和總酚均表現出含量增加的變化,特別是當壓力水平在500 MPa時,上述物質的含量出現峰值,由最初的137.04、215.35和936.67 mg/L,提高至151.72、230.61、1 027.58 mg/L,與對照相比均呈現顯著變化(P<0.05)。這與高壓作用會引起細胞結構的破壞,促進細胞內多酚物質的溶出有關,并在一定程度也解釋了超高壓處理使樣品色澤得到改善的原因。此外,實驗發現,盡管高壓會促進酚類物質的滲出,但處理過程也會發生由于高壓降解導致多酚含量的降低。例如,超高壓處理在300～400 MPa出現的波動,這一現象與劉鳳霞[15]觀察的結果相似,不過具體的原因還需做進一步的分析。

a-總花色苷壓力組;b-總黃酮壓力組;c-總酚壓力組圖1 不同壓力處理對酚類物質的影響Fig.1 Effects of different pressure treatments on phenolic compounds注:不同小寫字母表示差異顯著,P<0.05(下同)。

由圖2可知,對不同超高壓處理時間進行比較發現,隨著處理時間的增加,供試樣品中總花色苷、總黃酮和多酚含量呈現先升高后降低的變化,并均在35 min時達到峰值,與對照相比,分別提高了7.97%、8.72%和10.35%。之后,由于操作時間的延長(45 min),各酚類物質出現不同程度的降低,但含量依舊較對照高出3.85%～5.50%。

a-總花色苷時間組;b-總黃酮時間組;c-總酚時間組圖2 不同時間處理對酚類物質的影響Fig.2 Effects of different time treatments on phenolic compounds

2.3 超高壓處理對各酚類化合物的影響

葡萄中的酚類化合物根據其結構特征和性質特點可主要可分為花色苷酚和非花色苷酚兩大類。由表3可知,樣品中非花色苷酚共鑒定出5種酚酸類化合物、11種黃酮醇類化合物和2種黃烷-3-醇類化合物,以及花色苷酚共鑒定出5種未?；ㄉ?、2種乙?；ㄉ蘸?種香豆?；ㄉ?其中黃酮醇類化合物的含量最高,占全體酚類化合物的47.51%,其次是未?；ㄉ?、乙?；ㄉ蘸头铀犷惢衔?而黃烷-3-醇類化合物和香豆?；ㄉ盏暮肯鄬^低,僅以痕量形式存在。

表3 不同壓力處理對酚類化合物的影響 單位:mg/LTable 3 Effects of different pressure treatments on phenolic compounds

酚酸類化合物主要存在于釀酒葡萄的果皮和果肉中,由于分子結構中含有較多羥基,因此具有較強的抗氧化性和自由基清除能力[19]。由表3可知,酚酸類化合物總量隨壓力升高而逐漸降低,在500 MPa時其總量最低,由對照的4.19 mg/L降至1.23 mg/L。其中原兒茶酸和龍膽酸在500 MPa時與對照相比分別降低了21.15%和3.03%(P<0.05),阿魏酸則在400 MPa時含量劇烈下降了53.13%(P<0.05)。對于4-羥基苯甲酸和沒食子酸則分別在200 MPa和500 MPa后無檢出。

黃酮醇類化合物主要存在于葡萄果皮中,多以糖苷態的形式存在。由表3可知,在400 MPa處理下黃酮醇類化合物含量明顯升高(148.92 mg/L),與對照相比增加近51.05%,而其他壓力處理和對照之間卻無明顯差別(P>0.05)。試樣中黃酮醇類按照其各自的含量高低呈現如下的排列順序:槲皮素類>山奈酚類>丁香亭類>異鼠李素類>楊梅酮類。其中,槲皮素類化合物中非糖苷化的槲皮素在壓力處理下出現含量的降低,由對照的0.59 mg/L,分別降至100和200 MPa時的0.39和0.07 mg/L(P<0.05),并在300 MPa后無檢出。而其糖苷類衍生物(槲皮素-3-O-鼠李糖苷、槲皮素-3-O-半乳糖苷、槲皮素-3-O-葡萄糖苷和槲皮素-3-O-葡萄糖醛酸苷等)均在400 MPa超高壓處理后表現出含量的增加,與對照相比提高了18.93%～70.61%(P<0.05)。類似的情況在山奈酚類化合物中也表現出400 MPa時含量明顯增加的變化,其中山奈酚-3-O-半乳糖苷和山奈酚-3-O-葡萄糖苷分別由最初的2.54和14.86 mg/L增加至4.76和28.4 mg/L(P<0.05)。此外,楊梅酮-3-O-葡萄糖苷、異鼠李素-3-O-葡萄糖苷和丁香亭-3-O-葡萄糖苷也呈現先增加后降低的趨勢,并均在400 MPa處理時達到峰值,分別增加了0.14、3.20和3.02 mg/L(P<0.05)。

研究顯示,通常釀酒葡萄中黃烷-3-醇類化合物的寡聚體以二聚體居多,主要存在于葡萄的果皮和果籽中,本實驗檢測到2種黃烷-3-醇二聚體(原花色素B1和原花色素B2)。在未加壓的對照樣品中,實驗無原花色素B1和原花色素B2物質的檢出,但通過超高壓處理,原花色素B1和原花色素B2在超高壓處理后均有所增加,但與前述黃酮醇類化合物變化不同,2種化合物在100 MPa下含量最高(為5.57和2.73 mg/L,P<0.05)。

花色苷酚是紅葡萄中的主要呈色物質。由表3可知,在超高壓處理下,花色苷酚總量呈現先增加后下降的變化,并在400 MPa時含量達到峰值,這與前文中總花色苷的變化情況一致,與對照相比提高25.14%(P<0.05)。其中,甲基花青素和二甲花翠素的3-O-葡萄糖苷分別從對照組的7.64和84.06 mg/L增加至400 MPa時的8.10和90.48 mg/L(P<0.05),二者的乙?；苌锓謩e從對照的0.00和13.01 mg/L增加至400 MPa時的1.01和30.54 mg/L(P<0.05)。而花青素、花翠素和甲基花翠素的3-O-葡萄糖苷等花色苷酚化合物卻在不同壓力處理后出現不同程度的變化,其中花青素-3-O-葡萄糖苷在400 MPa時與對照相比提高了0.46 mg/L(P<0.05)。

表4顯示,不同時間超高壓處理可導致蛇龍珠葡萄非花色苷酚和花色苷酚總量在15～35 min和5～45 min時與對照相比分別增加了32.41%～43.19%和10.91%～18.12%(P<0.05)。其中非花色苷酚中黃酮醇類化合物的含量最高,總量在25 min時出現峰值,由最初的98.59 mg/L提高至135.48 mg/L(P<0.05)。槲皮素類化合物中只有槲皮素在超高壓處理后降低,而其他化合物都呈現先增加后減少的趨勢。槲皮素-3-O-葡萄糖醛酸苷、槲皮素-3-O-鼠李糖苷、槲皮素-3-O-半乳糖苷和槲皮素-3-O-葡萄糖苷等都在25 min處理下與對照相比分別提高了25.67%、25.51%、39.24%和43.39%(P<0.05)。同樣地,山奈酚-3-O-半乳糖苷、山奈酚-3-O-葡萄糖苷、異鼠李素-3-O-葡萄糖苷、丁香亭-3-O-葡萄糖苷等也在25 min時增加了15.64%～52.09%。黃烷-3-醇類化合物中的原花色素B1和原花色素B2在對照組檢出量極低,在35 min時含量達到最高,分別增加至12.90和8.21 mg/L(P<0.05),但各處理組之間則無顯著性差異變化(P>0.05)。酚酸類化合物是非花色苷酚中含量最低的一類物質,與黃酮醇類化合物和黃烷-3-醇類化合物變化趨勢相反,5種酚酸類化合物在處理后與對照相比均有不同程度的減少,其中阿魏酸在加壓25 min下與對照相比降低了43.75%(P<0.05)。

表4 不同時間處理對酚類化合物的影響Table 4 Effects of different time treatments on phenolic compounds

由表4可知花色苷酚中未?；ㄉ湛偭吭?5 min時達到峰值,由最初的91.71 mg/L提高至100.62 mg/L(P<0.05)。甲基花青素-3-O-葡萄糖苷和二甲花翠素-3-O-葡萄糖苷是未?；ㄉ罩泻孔罡叩?種物質,均在35 min時含量升至最高,與對照相比分別提高了9.69%和8.73%(P<0.05),而其他3種花色苷酚僅在超高壓處理后出現小幅增加。乙?；ㄉ罩屑谆ㄇ嗨?3-O-乙?；咸烟擒蘸投谆ù渌?3-O-乙?；咸烟擒赵?～45 min時與對照相比分別提高了0.38～0.75和8.73～14.89 mg/L(P<0.05),但不同處理組之間無顯著性變化(P>0.05)。

2.4 超高壓處理影響葡萄的主成分分析

2.4.1 不同壓力處理的主成分分析

為了進一步探討超高壓處理對蛇龍珠葡萄理化指標和酚類化合物的影響,運用Origin軟件對不同條件超高壓處理蛇龍珠葡萄的總糖(1)、pH(2)、顏色(3～8)、總花色苷(9)、總黃酮(10)、總酚(11)、花色苷酚(A1～A8)以及非花色苷酚(N1～N18)類化合物進行主成分分析。

a-壓力組前2主成分因子載荷圖;b-壓力組第1和第3主成分因子載荷圖;c-壓力組聚類樣品分布圖圖3 不同壓力處理的因子載荷圖和聚類樣品分布圖Fig.3 Factor load diagram and cluster sample distribution diagram of different pressure treatments

2.4.2 不同時間處理的主成分分析

如圖4所示,不同時間梯度下,提取主成分的前3個特征值,PC1的貢獻率為47.6%,PC2的貢獻率為27.6%,PC3的貢獻率為11.9%,表明該模型可以反映87.1%的數據變化信息。PC1的正半軸主要反映了除L*值外的顏色指標(4～8)、總花色苷(9)、總黃酮(10)、總酚(11)、丁香亭-3-O-葡萄糖苷(N16)、黃烷-3-醇(N17、N18)、甲基花翠素-3-O-葡萄糖苷(A4)和乙?；ㄉ?A6、A7)等信息,PC2的正半軸反映了除槲皮素和丁香亭-3-O-葡萄糖苷(N7～N15)外全部黃酮醇類化合物的信息,而PC3則主要反映了花青素-3-O-葡萄糖苷(A1)、花翠素-3-O-葡萄糖苷(A3)、4-羥基苯甲酸(N1)和槲皮素(N6)等化合物的信息。由圖4可知,5～45 min壓力處理時位于PC1的正半軸,且35 min處理時PC1的得分最高,因此35 min處理與除L*值外的顏色指標、總花色苷、總黃酮、總酚、丁香亭-3-O-葡萄糖苷、黃烷-3-醇、甲基花翠素-3-O-葡萄糖苷和乙?；ㄉ盏刃畔⒌南嚓P性更強,推測這可以使葡萄紅色加深,并提高酚類化合物的含量。而對照組則位于PC1和PC2的負半軸,主要反映了酚酸類化合物(N1、N3、N5)等信息。值得注意的是,25 min處理位于前3主成分的正半軸且都具有較高的得分,表明25 min處理與山奈酚類化合物(N7、N8)、槲皮素-3-O-半乳糖苷(N10)、槲皮素-3-O-葡萄糖苷(N11)、槲皮素-3-O-葡萄糖醛酸苷(N12)、異鼠李素-3-O-葡萄糖苷(N13)、楊梅酮-3-O-葡萄糖苷(N15)和丁香亭-3-O-葡萄糖苷(N16)等化合物高度相關,表明25 min處理時對黃酮醇類化合物的提升貢獻較大。

a-時間組前兩主成分因子載荷圖;b-時間組第一和第三主成分因子載荷圖;c-時間組聚類樣品分布圖圖4 不同時間處理的因子載荷圖和聚類樣品分布圖Fig.4 Factor load diagram and cluster sample distribution diagram of different time treatments

3 討論

酚類化合物對釀酒葡萄的品質至關重要,如何改善其中的酚類物質已成為科研的重點。而最新的研究發現,超高壓能改變細胞膜蛋白質的構象,降低其選擇性,從而使酚類化合物更易于提取,提高處理樣品的酚類含量[20]。

本實驗研究了不同壓力和時間的超高壓處理對蛇龍珠葡萄顏色和酚類化合物的影響。實驗結果表明,400 MPa和25 min處理對樣品的作用效果最好,可顯著提高其總花色苷、總黃酮、總酚、非花色苷酚、花色苷酚等的含量,并使處理樣品顏色向深紅色調方向發展。這一現象與BARBA等[6]的實驗結果類似,該研究發現,通過超高壓處理后藍莓汁總酚含量增加13%～27%,總花色苷和花色苷酚化合物的含量也較未處理增加明顯(在400 MPa/15 min時達到最大值,提高了16%)。此外,超高壓在石榴汁[8]、西番蓮果皮[9]、柚子[10]等的應用中也表現出使樣品酚類含量顯著升高的現象。

然而超高壓處理并非對所有果蔬都有類似的效果。TORRES-OSSANDN等[17]發現濃縮白葡萄汁受超高壓處理會降低酚類含量,并推測這可能與處理造成細胞結構損傷,引起酚類化合物穩定性下降有關。此外,研究顯示,溫度也是超高壓處理的主要控制參數之一,不同溫度會引起樣品中酚類物質的變化。在菠蘿漿的研究中發現,酚類物質在50 ℃時顯著增加,而60或70 ℃時則明顯減少[21]。另外,超高壓處理過程中產生的均衡效應、勒夏特列效應、微觀有序效應會使各種生物大分子的物質結構、狀態等發生一定變化,從而改變其原有性質[22]。同時,高壓會引起體系內物質能量的變化,加速反應進行[23]。再有,由于超高壓處理對酶的鈍化效果較差,因此酚類物質和顏色的變化還有可能和酶的影響相關[15]?？傊?適宜的超高壓條件可以在保持食品本身色香味不變的情況下極大地增加食品的營養。

4 結論

本文以蛇龍珠釀酒葡萄為原料,對其果實施加不同程度的超高壓處理,研究壓力和時間對酚類化合物和理化指標的影響,結果表明:

超高壓處理可造成樣品總花色苷、總黃酮、總酚等含量的增加,特別是在壓力400～500 MPa、時間25～35 min條件下提高顯著。而分析具體的酚類物質發現,各類型酚類物質在超高壓處理下變化表現不同,但在壓力400 MPa和時間5～35 min處理組效果最佳。

主成分分析結果表明400 MPa和25 min處理的作用效果最好,會顯著提高其總花色苷、總黃酮、總酚、黃酮醇類、黃烷醇類、未?；鸵阴；ㄉ辗拥鹊暮?使蛇龍珠葡萄的顏色更加深紅。