不同品種石榴加工特性及風味物質的比較研究

李浩然,張磊,,李建貴,侯彩云,李景明,3*

1(中國農業大學 食品科學與營養工程學院,北京,100083)2(新疆農業大學 林學與風景園林學院,新疆 烏魯木齊,830052)3(四川成都中農大現代農業產業研究院,四川 成都,611430)

石榴(PunicagranatumL.)屬于石榴科石榴屬落葉灌木或喬木,也被稱作安石榴、山力葉、丹若等,我國種植石榴的歷史悠久,自西漢張謇出使西域引入至今已有2 000多年的歷史[1],因其較強的環境適應能力,石榴在我國分布十分廣泛[2],我國石榴種質資源豐富,主產區有陜西、新疆、山東、河南、四川、云南等,陜西石榴栽植以臨潼為主產區,主要品種有臨選1號、大紅甜等[3],新疆產區栽植地主要集中在喀什、和田等地,品種主要為酸石榴、甜石榴[4]。

長期研究證明,石榴作為一種健康食品,具有改善血壓、抗衰老、預防炎癥和癌癥的功效[5-6],這與石榴較高的抗氧化能力和豐富的酚類物質[7]有關,而且石榴從果皮到籽都有極高的利用價值[8-9]。目前我國石榴消費以鮮食為主,對于深加工產品及相關研究較少,且對于適宜加工品種尚不明確[10]。目前已有關于石榴不同品種基本理化指標和品質評價的研究[11-12],缺少關于香氣組成方面的對比研究,風味關系到果汁的受歡迎程度,是加工中的重要參考指標,因此研究不同石榴品種的香氣差異具有重要意義。

本研究以來自新疆的2個和陜西的8個主要栽培品種為研究對象,對其主要品質指標進行檢測分析,運用主成分分析(principal component analysis,PCA)法,對不同品種的品質進行分析;在風味物質方面,采用頂空固相微萃取結合氣相色譜/質譜(headspace-solid phase microextraction-gas chromatography/mass spectrometry,HS-SPME-GC/MS)技術進行檢測,對不同石榴品種的香氣組成進行分析評價。通過對比不同石榴品種的基本品質指標和特征性香氣,旨在篩選適于果汁加工的石榴品種,為石榴果汁加工產業應用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

本試驗所用黑鉆、凈皮甜、驪山紅、臨選1號、臨選2號、大紅甜、臨潼星、大黃皮石榴采購于陜西臨潼石榴紅生態科技園,千籽紅、賽檸檬石榴采購于和田地區策勒縣策勒林木良種科技繁育示范基地,由專業人員采摘和篩選出成熟果實。選取新鮮的、無病害的果實,洗去表面灰塵,去皮后將果肉榨汁,將制取的新鮮石榴汁置于-20 ℃條件下儲藏,備用。

BSA124S-CW型分析天平,德國塞利多斯公司;17-1650-01-1161型紫外可見分光光度計,北京普析通用儀器有限責任公司;Aglient 7890B型氣相色譜儀、毛細管色譜柱(HP-INNOWAX 60 m×0.25 mm×0.25 μm)、Aglient 5977B型質譜儀,美國Agilent公司;聚二甲基硅氧烷/碳篩/二乙苯烯(polydimethylsiloxane/carboxen/divinylbenzene,PDMS/CAR/DVB)萃取頭,美國Supelco公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 主要品質指標測定

出汁率測定:稱取約2 kg新鮮石榴,榨汁后稱量所得果汁質量與果實質量之比即為出汁率;單果重測定:選取新鮮洗凈的完整石榴,使用天平稱量其質量;百粒重測定:隨機選取并稱量100粒石榴果粒;可溶性固性物測定參照GB/T 12143—2008《飲料通用分析方法》中可溶性固形物含量測量方法進行;總酸測定參照GB 12456—2021《食品安全國家標準 食品中總酸的測定》中pH電位法進行;總糖測定參照SB/T 10203—1994《果汁通用試驗方法》中直接滴定法進行;總酚測定采用Folin-Ciocalteu法[13];總花色苷測定采用pH示差法[14];色澤測定參考王飛等[15]的方法,參照GB/T 7621—2008《均勻色空間和色差公式》中的方法計算得L*、a*、b*;使用過氧化物酶(peroxidase,POD)和多酚氧化酶(polyphenol oxidase,PPO)活性檢測試劑盒(比色法)檢測不同品種石榴汁樣品中的酶活性。每個指標測定重復3次,取平均值。

1.2.2 揮發性風味物質測定

頂空固相微萃取方法:參考CHEN等[16]的方法并稍作修改。稱取5.0 mL石榴果汁樣品,置于10 mL頂空進樣瓶中,隨后加入1.00 g NaCl和10 μL內標溶液(4-甲基-2-戊醇,乙醇溶,0.126 3 g/10 mL),放入磁力攪拌轉子,用帶有聚四氟乙烯隔墊的聚乙烯瓶蓋擰緊后置于磁力攪拌臺,使樣品瓶在40 ℃下平衡30 min。隨后將老化后(270 ℃,30 min)的DVB/CAR/PDMS(50/30 μm)三相萃取頭插入樣品瓶頂空部分,令萃取頭頂端距離樣品液面約1 cm,在40 ℃恒溫下繼續攪拌吸附30 min,待樣品瓶中的香氣物質在氣、液、固三相中達到平衡,將萃取頭拔出,備檢測使用。每個品種重復3次。

氣相色譜-質譜條件:參考LAN等[17]的方法并稍作修改。高純He流速1 mL/min;進樣口溫度250 ℃,熱解析時間8 min。柱溫箱的升溫程序為:60 ℃保持1 min,然后以3 ℃/min的速度升溫至220 ℃,保持2 min。質譜電離方式為EI,離子源溫度230 ℃,電離能70 eV,四級桿溫度150 ℃,質譜接口溫度280 ℃,質量掃描范圍30～350 u。每個樣品做3次重復。

定性定量方法:定性分析在Agilent化學工作站(Agilent Technologies, Inc.)離線軟件上進行。定量分析采用外標法。以蒸餾水配制含有100 g/L葡萄糖和10 g/L蘋果酸的基質,用于稀釋溶于乙醇的各種標準品母液,配制成連續梯度的工作液,對工作液進行相同條件下的HS-SPME-GC-MS分析,以香氣標準品濃度為y軸,香氣標準品與內標的峰面積比值為x軸繪制標準曲線。對于有標準品的香氣化合物使用相應的標準曲線進行定量,對于沒有標準品的香氣化合物使用C原子數相近、化學結構相似的標準品的標準曲線進行定量。

香氣活性值(odor activity value, OAV)計算如公式(1)所示:

OAV=ρ/T

(1)

式中:ρ,化合物在樣品中的質量濃度,μg/L;T,對應化合物在溶液中的感覺閾值,μg/L。

1.3 數據分析

使用Excel 2016進行數據處理;使用IBM SPSS Statistics 25進行顯著性分析,顯著性水平為P<0.05;使用SMICA 14.1進行PCA;使用MetaboAnalyst 2.0(http://www.metaboanalyst.ca/)進行熱圖分析。

2 結果與分析

2.1 不同品種石榴主要品質指標測定結果

測定10個品種石榴果汁的出汁率、單果重、百粒重、pH、可溶性固形物、總酸、總糖等指標,結果見表1。在出汁率方面,大紅甜、大黃皮、千籽紅、賽檸檬出汁率較低,在30%左右,說明其含水率較低,其他品種出汁率在40%以上,臨潼星出汁率最高,可達50.62%,較高的出汁率有利于果汁加工。黑鉆單果重最高,每個果實質量可達640 g,千籽紅單果質量最低,只有300 g左右。來自新疆的兩個品種籽粒較小,千籽紅百粒重最低,賽檸檬次之。黑鉆和千籽紅可溶性固形物含量接近17 °Brix,最高的為賽檸檬,含量為17.87 °Brix,其他品種的石榴汁可溶性固形物含量在14 °Brix左右。賽檸檬作為酸石榴品種,總酸含量最高(24.03 g/L),黑鉆次之,其余品種總酸含量都在5.00 g/L以下。來自新疆的石榴品種千籽紅和賽檸檬的總糖含量顯著高于其他品種,這可能與新疆獨特的氣候條件有關[18]。酚類化合物是石榴中的重要營養成分,具有一定的抗氧化作用[19],總酚含量最高的為黑鉆(1.13 g/L),賽檸檬次之(0.93 g/L)?？偦ㄉ蘸孔罡咭彩呛阢@,高達50.46 mg/L,顯著高于其他品種,除黑鉆外含量較高的還有千籽紅、大黃皮和賽檸檬。在CIELAB顏色體系中,L*表示明暗度,即L*越高說明亮度越高,a*代表紅綠色,b*代表黃藍色,前者越高說明樣品越偏向紅色調,后者越高說明樣品越偏向黃色調[20],黑鉆具有最高的a*和最低的L*、b*,呈現出黑寶石般的深紅色,其次為千籽紅,也呈現較深的紅色調,其余品種L*、a*、b*差異較小,色澤相近,均呈大紅色、鮮紅色。PPO和POD廣泛存在于各種水果中,其活力的大小關系到氧化反應的快慢[21],千籽紅的2種酶活力均為最高,表明其果汁最有可能發生氧化褐變,不利于加工后保存,黑鉆的PPO活力(5.67 U/mL)顯著低于其他品種,氧化褐變反應較慢。

表1 十個品種石榴果汁主要品質指標Table 1 Main quality indexes of 10 varieties of pomegranate juice

2.2 不同品種石榴主要品質主成分分析

對以上不同品種石榴汁的主要品質指標數據進行PCA,提取到4個特征值>1的主成分,如表2所示,主成分1、主成分2和主成分3的貢獻率分別為43.1%、23.7%和14.2%,累計方差貢獻率達到81%。

表2 主成分的特征值及貢獻率Table 2 Eigenvalues and contribution rate of the principal components

由圖1可知,主成分1與出汁率、百粒重、L*具有明顯正相關關系,主成分2與總糖、總酸、可溶性固形物含量、b*具有明顯正相關關系,主成分3與POD、a*具有明顯正相關關系。其中賽檸檬和千籽紅得分落在主成分2的較高正向區間,表明總酸、總糖含量明顯區別于其他品種,千籽紅POD活力較高,與主成分3正相關;黑鉆得分落在主成分1和2的負向區間,這與其較高的總酚和總花色苷含量有關,且a*較高,是色澤方面比較突出的品種;而其他品種主要與主成分1成正相關關系,且重疊現象明顯,說明PCA不能將這7種有效區分。

a-PCA得分圖;b-載荷圖圖1 不同品種石榴果汁主要品質指標PCA得分圖和載荷圖Fig.1 PCA score diagram and loading diagram of main quality indexes of different varieties of pomegranate juice注:A-黑鉆;B-凈皮甜;C-驪山紅;D-臨選1號;E-臨選2號;F-大紅甜;G-臨潼星;H-大黃皮;I-千籽紅;J-賽檸檬(下同)。

2.3 不同品種石榴揮發性風味物質分析

經過GC-MS對10個不同品種石榴汁中的香氣物質進行定性、定量分析,共鑒定出34種香氣成分,其中醇類物質種類最多,有15種,醛類7種,酮類6種,酯類4種,其他物質2種。所有物質均在已有的石榴香氣研究中被報道[22]。

在10個石榴品種中,所有品種共有的香氣物質有15種,以醇類為主,其中黑鉆品種香氣種類最為豐富,鑒定出27種化合物,其中包括特有香氣物質7種;大黃皮中香氣物質種類最少,僅有20種。

OAV是指香氣物質含量與其嗅覺閾值之比[23],常用來表示某香氣物質對整體香氣的貢獻程度,易被人所感知,對樣品的香氣特征貢獻較大[24],因此在風味研究中對香氣結果進行OAV分析具有重要意義。

如表3所示,在石榴汁中發現11種揮發性成分OAV>1,其中包含4種醇類、5種醛類、1種酮類和1種酯類,這些物質都已作為石榴的特征性香氣成分在已有研究中被報道[25-26],其中正辛醛、正己醇、壬醛和(E,E)-2,4-壬二烯醛OAV較高,對石榴汁的香氣組成貢獻較大,分別能帶來一定的柑橘味、水果香、玫瑰香和脂肪味。在10個石榴品種中,黑鉆、千籽紅和臨選1號都具有最多的OAV>1的香氣物質種類,均為7種,說明黑鉆和臨選1號的特征性香氣物質最豐富,其中OAV較高的正己醇、壬醛和2-己烯醛能夠呈現果香和花香。

表3 不同品種石榴中OAV>1的揮發性化合物Table 3 Volatile compounds with OAV higher than 1 in different varieties of pomegranate juice

2.4 不同品種石榴揮發性風味物質PCA和熱圖分析

為進一步對比不同石榴品種的揮發性化合物含量的差異,對10個品種的石榴果汁的揮發性化合物數據進行PCA。提取到5個特征值大于1的主成分,如表4所示,提取前3個主成分,主成分1、主成分2和主成分3方差貢獻率分別為40.5%、22.3%和15.6%,累計方差貢獻率達到78.3%,說明這3個主成分可以解釋原始數據78.3%的信息,具備較高的代表性。

表4 主成分的特征值及貢獻率Table 4 Eigenvalues and contribution rate of the principal components

由圖2可知,PCA得分圖直觀體現了各品種石榴的香氣組成差異。來自陜西的6個品種(臨選1號、臨選2號、驪山紅、大黃皮、臨潼星、大紅甜)離散程度較低,說明這些品種的香氣結構比較相似,可以歸為一類;黑鉆區分于其他品種的主要成分為正庚醇、2-庚醇、1-戊醇、苯乙酮、6-甲基-5-庚烯-2-酮和苯甲酸乙酯等香氣物質,這些物質主要呈現出花香、果香、櫻桃、香蕉、薄荷以及面包等味道;賽檸檬和千籽紅與主成分2和主成分3呈正相關關系,主要與正己醇、葉醇、2-己烯醛、正己醛和芳樟醇等香氣物質相關,這些物質主要呈現出果香、青草味、蘋果、李子、柑橘、玫瑰等味道;凈皮甜與主成分2呈負相關關系,和辛醛、仲辛酮、壬醇、壬醛等高度關聯,這些物質呈現出柑橘、橙子、玫瑰、木蘭花等味道。因此可以說,黑鉆果香更明顯,賽檸檬和千籽紅帶有更多青草味,凈皮甜的風味中柑橘、橙子特征更突出。

a-PCA得分圖;b-載荷圖圖2 不同品種石榴果汁揮發性化合物PCA得分圖和載荷圖Fig.2 PCA score diagram and loading diagram of volatile compounds of different varieties of pomegranate juice

對不同石榴品種的香氣物質進行聚類分析,得到圖3,可將香氣物質大致分為4類。第Ⅰ類主要有萘、6-甲基-5-庚烯-2-酮、4-甲基-2-戊酮、1-戊醇、(E,E)-2,4-壬二烯醛、2-庚醇等,這些物質在黑鉆中含量較高;第Ⅱ類包括2-己烯醛、甲酸己酯、正己醇、正己醛、葉醇、糠醛、己酸乙酯、芳樟醇,這些物質在賽檸檬和千籽紅中含量較高;第Ⅲ類包括苯甲酸甲酯、辛醇、1-辛烯-3-醇、苯乙烯、2-壬酮、正庚醇、α-萜烯醇和香葉基丙酮,這些物質是臨選1號、臨選2號、驪山紅、大黃皮、臨潼星、大紅甜中的主要香氣物質;第Ⅳ類包括壬醛、壬醇、正辛醛、仲辛酮、苯乙醇,是凈皮甜中的主要香氣成分。

圖3 不同品種石榴果汁揮發性化合物熱圖Fig.3 Heatmap of volatile compounds of different varieties of pomegranate juice

3 結論與討論

石榴果實的加工適宜性受多重因素的影響,本研究通過對10個石榴品種的主要品質指標和香氣組成進行測定和分析,以更好了解不同石榴果汁品質特性,對新疆地區未來石榴引種、產品深加工、產業發展升級起到一定參考意義。

結果表明,不同石榴品種在主要品質指標和香氣組成上存在明顯差異。臨潼星具有最高的出汁率(50.6%)和百粒重(64.78 g),黑鉆石榴品種具備最高的總酚、總花色苷含量和最低的多酚氧化酶活性,分別為1.13 g/L、50.46 g/L和5.67 U/mL,一定程度上說明其具備較高的營養價值和較為耐儲存;新疆石榴品種千籽紅和賽檸檬的總糖含量位居第一和第二,分別為176.8 g/L和169.8 g/L,同時二者的可溶性固形物含量、總酚含量和總花色苷含量也位居前列。通過PCA,基于以上品質特征對不同品種進一步區分,驗證了各品種與各項指標的相關性。

通過SPME-GC-MS對10個品種石榴的香氣物質進行鑒定和分析,共檢測到33種香氣成分,其中共有物質15種,醇類和醛類是石榴的主要香氣成分。黑鉆品種香氣種類最多。進一步進行OAV分析、PCA和熱圖分析,發現11種OAV>1的特征香氣成分,包括正己醛、正己醇、壬醛等,它們主要為石榴貢獻了果香、花香、生青味等香氣,通過PCA和熱圖分析,對不同品種石榴的香氣進行區分,發現千籽紅和賽檸檬在香氣構成上具有一定的相似性,陜西品種中黑鉆和凈皮甜與其他品種表現出明顯的差異性。

因此,陜西品種黑鉆具有高出汁率、耐儲存、高花色苷、果香豐富等特點,適合作為NFC果汁的原料;新疆品種千籽紅和賽檸檬單果重和出汁率較低,果香較弱,但因其高糖、高酸、高花色苷的特點,適合開發復配果汁飲料或果酒。