超聲輔助雙相浸提制備香椿風味油工藝優化及其貯藏品質研究

蔣鵬飛,趙甜甜,趙麗麗,史冠瑩,張樂,王趙改*

1(河南省農業科學院農副產品加工研究中心,河南 鄭州,450002)2(河南工業大學 糧油食品學院,河南 鄭州,450001)

香椿為楝科香椿屬落葉喬木,已有2 300多年的栽培歷史,是我國特有的集材、菜、藥于一體的珍貴木本植物,在全國22個省區均有規?；N植[1-2]。香椿由于風味獨特、營養價值高而深受消費者喜愛,是理想的綠色保健食品,具有很大的市場開發潛力[3-4]。但每年香椿嫩芽大量上市均集中在清明前后,一般在2周之后便開始木質化失去鮮食商品價值[5],香椿短暫的市場供給遠遠不能滿足人們的需求,如何將可食性的香椿特征風味進行高效制備濃縮值得研究關注。

香椿中鑒定出的揮發性物質有100多種,其中大部分是含硫類、萜烯類、烴類、醛類、酮類及酚類等[6-7]。最新研究表明,順式/反式-2-巰基-3,4-二甲基-2,3-二氫噻吩、(E,E)-, (E,Z)-和(Z,Z)-二-1-丙烯基二硫化物等含硫類化學組分是香椿特征風味的主要貢獻者[8-9]。據BLOCK等[10]報道,硫醚類化合物化學性質極其不穩定,同時在80 ℃容易受溫度的影響發生變化,且隨著溫度的升高而轉變成噻吩失去其特征風味。目前從香辛植物中制備風味物質的方法主要有壓榨法、水蒸氣蒸餾法、溶劑萃取法等[11-12]。對于熱敏性風味物質來說,溶劑萃取是較好的選擇,但其后期過濾工藝操作麻煩,增加生產成本且易造成風味物質損失。

油脂具有脂類疏水基團,能將非極性或弱極性風味物質溶解,對風味物質具有一定的包埋作用,以食用油為油質載體,采用油脂萃取工藝,使得脂溶性的風味成分能夠較好保留。鑒于此,結合香椿中含硫特征風味物質在高溫下受熱易分解,研究團隊提出了雙相液體萃取溫度可獨立調控、提取過程動靜結合的水-油雙相萃取技術[13]。本研究以冷凍干燥香椿為研究對象,借助超聲波輔助手段,利用水-玉米油雙相浸提技術制備香椿風味油,采用單因素試驗和正交試驗對其工藝條件進行優化,并對提取制備的香椿風味油的貯藏品質進行檢測分析,以期為含硫類風味化合物的組分解析和體外穩定提供理論基礎,同時為含硫化合物在風味形成、后期調香技術及商品化應用等方面提供重要的技術支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

干燥香椿:為保證樣品的一致性,香椿(幼芽,長約10 cm)于2022年4月2日采自河南省登封市三一香椿示范基地,采摘當天低溫運回實驗室,分揀除雜后,完整的香椿枝條進行真空冷凍干燥。干燥結束后進行粉碎處理,碎粒長度為5～8 mm,備用。

玉米油,山東省長壽花食品股份有限公司;內標2-甲基-3-庚酮,德國DR公司;正構烷烴C6～C30(色譜純),美國Supelco公司。

1.2 儀器與設備

VFD-2000A真空冷凍干燥機,上海比朗儀器制造有限公司;SB-5200DTD型超聲波清洗機,寧波新芝生物科技股份有限公司;8890A-5977B型GC-MS、HP-5MS石英毛細管色譜(30 m×0.25 mm×0.25 μm),美國Agilent公司;頂空固相微萃取裝置[包括手持式手柄,50/30 μm二乙烯基苯/羧甲基/聚二甲基硅氧烷(DVB/CAR/PDMS)萃取頭],美國Supelco公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 超聲輔助雙相浸提香椿風味油樣品制備

準確稱取20 g香椿凍干粉置于雙相浸提裝置,為了能夠更好地激發香椿風味,在大量試驗基礎上,按料液比1∶20(g∶mL)加水,室溫靜置30 min,再按料液比1∶10(g∶mL)添加玉米油,用封口膜封口。打開超聲波開關,根據需要設置溫度、時間、功率等超聲條件。同時通過調節冷卻水流速控制油相溫度為20 ℃,浸提結束后,先用紗布進行粗過濾,再倒入分液漏斗。上層為油相,經過濾及除水后得到雙相浸提油樣,裝到棕色頂空瓶中放在-30 ℃冰箱中用于下步分析。

1.3.2 單因素試驗設計

按照1.3.1節的方法進行制備,利用單因素試驗分別對超聲溫度、超聲時間、超聲功率3個因素進行梯度探討。探究不同超聲溫度(30、40、50、60、70 ℃)、超聲時間(20、30、40、50、60 min)、超聲功率(150、180、210、240、270 W)對香椿風味油含硫類揮發性成分相對含量的影響。初定條件為超聲溫度50 ℃、超聲時間40 min、超聲功率210 W。

1.3.3 正交試驗設計

在單因素試驗結果基礎上,以超聲溫度、超聲時間、超聲功率作為含硫類揮發性成分相對含量的考察因素,選取3個水平,采用L9(34)正交表設計試驗,通過超聲波輔助優化香椿風味油的制備工藝條件,得出含硫類揮發性成分的最大相對含量,最終確定最佳工藝條件,正交試驗因素及水平設計如表1所示。

表1 L9 (34)正交試驗因素及水平設計表Table 1 The design of factors and levels of L9 (34) orthogonal test

1.3.4 貯藏試驗設計

利用1.3.3節確定的最優超聲條件制備一批香椿風味油,按照200 g/瓶規格采用透明玻璃瓶包裝,分別在4 ℃(277 K)、室溫25 ℃(298 K)、40 ℃(313 K)、50 ℃(323 K)及60 ℃(333 K)溫度條件下避光貯藏,分別每隔7 d進行酸價和過氧化值(peroxide value,POV)的測定,每隔14 d進行揮發性成分的測定。

1.3.5 檢測分析方法

1.3.5.1 酸價測定

酸價的測定按照GB 5009.229—2016《食品中酸價的測定》中第一法 冷溶劑 指示劑滴定法,每間隔7 d測定1次,前后56 d共測定9次,并重復3次取平均值。

1.3.5.2 POV測定

POV的測定按照GB 5009.227—2016《食品中過氧化值的測定》中第一法 滴定法,每間隔7 d測定1次,前后56 d共測定9次,并重復3次取平均值。

1.3.5.3 揮發性成分檢測分析

頂空固相微萃取:準確稱取(5.00±0.001) g香椿風味油于20 mL固相微萃取頂空瓶中,密封后于40 ℃水浴中平衡15 min,插入經250 ℃老化后的50/30 μm DVB/CAR/PDMS萃取頭,萃取40 min后取出萃取頭,插入GC-MS進樣口250 ℃解吸5 min,同時開始采集保留時間和色譜峰強度等相關數據。

GC條件:HP-5MS石英毛細管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm);載氣He(純度>99.999%),柱流速1 mL/min,無分流比;進樣口溫度250 ℃。程序升溫:初溫40 ℃,保持3 min;以2 ℃/min的速率升溫至70 ℃,保持2 min;以5 ℃/min升至150 ℃,保持2 min,以10 ℃/min升至230 ℃。

MS條件:四極桿溫度150 ℃,EI離子源溫度230 ℃;輔助加熱器溫度250 ℃;掃描方式為全掃描,掃描范圍m/z40～800 u。

化合物定性與定量:將GC-MS檢測到的揮發性成分的質譜圖與GC-MS儀器內置的NIST17.LIB譜庫中的質譜圖進行比較,初步確定匹配度≥70%的化合物。在相同的色譜條件下分析同源系列的正構烷烴(C6～C30),計算出檢測到的化合物的保留指數(retention index,RI),并將其與NIST數據庫中同一毛細管柱的RI進行比較。將經過RI值比對后的峰作為確認,采用峰面積歸一化法計算各組分的相對含量。

1.3.6 數據分析

試驗數據采用Excel 2007軟件進行初步處理,然后用SPSS 21.0軟件進行數據顯著性分析,最后采用Origin 8.6軟件繪制圖表。所有試驗數據均以平均值±標準差計算,不同行小寫字母表示樣品差異顯著(P<0.05)。每組實驗至少重復3次。

2 結果與分析

2.1 超聲溫度對香椿風味油含硫類揮發性成分相對含量的影響

如圖1所示,隨著溫度的升高,含硫類揮發性成分的相對含量呈先增加后降低的趨勢。在溫度較低時,抑制了凍干香椿粉中含硫類揮發性成分的析出與擴散,導致其相對含量低。在50 ℃時,含硫類揮發性成分相對含量最高,為(73.19±0.56)%。當溫度繼續升高,加速了揮發性物質的散失,含硫類化合物熱敏性強,易通過縮合反應、分子重排、熱降解等反應形成衍生物[14]。綜上考慮,選擇50 ℃作為含硫類揮發性成分的最佳溫度。

2.2 超聲時間對香椿風味油含硫類揮發性成分相對含量的影響

如圖2所示,隨著時間的延長,含硫類揮發性成分相對含量呈現先上升后下降的趨勢,在超聲時間為40 min時,含硫類揮發性成分相對含量達到最大值,為(73.39±0.76)%。當超聲時間在20～40 min,由于超聲時間過短,使含硫類揮發性成分不能充分溶解釋放;當超聲時間>40 min時,含硫類揮發性成分在長時間作用下發生分解散失使其相對含量降低。郭曉蕾等[15]采用超聲波輔助萃取肉桂精油,超聲時間和超聲密度對肉桂精油提取率的影響規律,與本試驗結果相符合。故綜合考慮,確定超聲提取最佳時間為40 min。

2.3 超聲功率對香椿風味油含硫類揮發性成分相對含量的影響

如圖3所示,隨著超聲功率由150 W增加至240 W,含硫類揮發性成分相對含量呈上升趨勢,這是因為香椿特征含硫風味化合物的形成是一種酶促反應[16],隨著超聲功率的增大,超聲波的空化作用也增大,使細胞迅速破碎[17],增加了香椿風味酶的酶促反應,從而使含硫類揮發性成分相對含量增加。當功率為240 W時,相對含量達到最大(75.12±0.45)%,繼續增大超聲功率,相對含量出現下降趨勢,可能由于超聲功率過大,引起空化作用增強,風味酶結構遭到破壞,導致含硫類風味形成受阻[18]。綜上,選取240 W作為超聲提取最佳功率。

圖3 超聲功率對含硫類揮發性成分相對含量的影響Fig.3 Effect of ultrasonic power on the relative contents of sulfur-containing volatile components

2.4 超聲輔助提取正交試驗結果分析

由表2直觀分析可以看出,影響香椿風味油含硫類揮發性成分相對含量的因素主次順序依次為A(超聲溫度)>B(超聲時間)>C(超聲功率)。由表3方差分析可知,超聲溫度對含硫類揮發性成分相對含量具有極顯著影響(P<0.01);超聲時間和超聲功率對含硫類揮發性成分相對含量均有顯著影響(P<0.05)。獲得最高含硫類揮發性成分相對含量的理論最佳工藝條件組合為A2B3C2(M號),即提取溫度50 ℃,提取時間50 min,提取功率240 W,香椿風味油中含硫類揮發性成分相對含量可能是最高的。為驗證正交試驗的預測結果,特將M號與正交試驗表中含硫類揮發性成分相對含量較高的6號和4號進行了重復對比試驗,試驗結果是M號含硫類揮發性成分相對含量為(78.05±0.12)%,6號為(75.89±0.22)%,4號為(75.09±0.18)%,M號試驗的含硫類揮發性成分相對含量確實是最高的,說明正交試驗預測的準確性。因此,香椿風味油含硫類揮發性成分的最佳制備工藝確定為在50 ℃、240 W的條件下提取50 min,含硫類揮發性成分釋放更完全。

表2 超聲輔助提取正交試驗結果Table 2 Results of ultrasonic-assisted extraction orthogonal experiment

表3 正交試驗結果方差分析Table 3 Result of variance analysis

2.5 香椿風味油在不同貯藏溫度下品質的變化

2.5.1 香椿風味油在不同貯藏溫度下酸價的變化

酸價是對化合物(例如脂肪酸)或混合物中游離羧酸基團數量的一個計量標準,是脂肪中游離脂肪酸含量的標志,酸價越小,說明油脂質量品質越好[19]。由圖4可知,香椿風味油初始酸價只有(0.18±0.02) mg/g,在4、25、40、50、60 ℃條件下經過56 d的持續高溫氧化后酸價分別升高到(0.26±0.01)、(0.30±0)、(0.56±0.02)、(1.08±0.03)、(1.17±0.07) mg/g。隨著時間的延長,香椿風味油的酸價逐漸升高,尤其是在加熱條件下,升高的速度更快。這可能是因為油脂在貯藏期間,在微生物、水和熱的作用下發生緩慢水解反應,產生游離脂肪酸,在持續高溫的影響下脂肪酶的活性提高,加速脂肪分解,從而積累游離脂肪酸,使酸價升高[20]。

圖4 香椿風味油在不同貯藏溫度下酸價變化曲線Fig.4 Acidity value of T. sinensis flavor oil at different storage temperatures

2.5.2 香椿風味油在不同貯藏溫度下POV的變化

POV是衡量油脂酸敗程度的指標,在貯藏過程中,油脂中不飽和脂肪酸被氧化形成活性很強的過氧化物,POV越大表示油脂的氧化酸敗程度越嚴重[21]。由圖5可知,香椿風味油在不同溫度條件下POV隨貯藏時間的延長而增加。溫度是影響油脂氧化的一個關鍵因素,溫度越高,香椿風味油的POV越高;低溫條件下POV增加幅度較緩,高溫條件下POV上升較快。例如,4 ℃條件下經56 d氧化后,POV從最初的(2.32±0.17) mmol/kg升高到(2.83±0.36) mmol/kg,而60 ℃時最終POV卻高達(55.14±0.75) mmol/kg,已經嚴重超過了國標的規定范圍,可能是因為浸提玉米油中含有不飽和脂肪酸,在高溫與長時間接觸空氣的情況下,不飽和脂肪酸中的大量雙鍵會不斷發生氧化,待雙鍵完全消耗才會終止氧化[22]。

圖5 香椿風味油在不同貯藏溫度下POV變化曲線Fig.5 POV of T. sinensis flavor oil at different storage temperatures

2.5.3 香椿風味油揮發性成分變化

基于貯藏過程中酸價和POV的變化情況,為了更加明顯地看到香椿風味油的變化規律,本文重點比較分析香椿風味油在4、60 ℃貯藏條件下揮發性成分變化情況,并比較初始香椿風味油和第56天后揮發性成分的組成變化,結果如圖6和表4所示。香椿風味油主要揮發性成分是含硫類物質和醛類物質,但對其特征風味起決定性作用的卻是含硫類化合物。含硫類化合物具有較低的感知閾值和較高的氣味強度,呈現類似于大蒜的辛辣、洋蔥、硫磺等刺激性味道,不僅是香椿香味獨特的重要貢獻者,也是目前新鮮香椿中公認的重要揮發性物質[23-24]。而醛類物質作為脂肪分解或氧化產物,通常表現出脂肪香味,是油脂風味物質的主要構成部分,廣泛存在于大豆油、玉米油等油脂中[25]。

a-4 ℃;b-60 ℃

表4 香椿風味油揮發性成分組成Table 4 The volatile components of T. sinensis flavor oil

由圖6可知,在4、60 ℃貯藏條件下,香椿風味油中含硫類物質的相對含量隨貯藏時間的延長呈下降趨勢,醛類、烴類、酮類、酸類、其他類物質的相對含量呈上升趨勢,尤其是醛類物質上升最為明顯。由圖4-a可知,在4 ℃貯藏條件下,前28 d內香椿風味油風味物質變化較小,主要以含硫類物質和醛類物質為主,相對含量分別維持在75%左右和20%左右;但后28 d含硫類物質相對含量降到23%左右,醛類物質相對含量上升到63%左右。由圖4-b可知,在60 ℃貯藏條件下,香椿風味油中含硫類物質的相對含量下降趨勢明顯,由最初的(78.04±0.89)%下降到(2.41±0.56)%;而醛類物質相對含量呈現明顯上升趨勢,由最初的(20.84±0.22)%上升到(77.03±0.89)%;烴類、酮類、酸類、其他類物質相對含量也均增加。

由表4所示,在第0天時,香椿風味油中檢測到的具有香椿特征香氣的含硫類物質是(E,Z)-二-1-丙烯基二硫化物、(E,E)-二-1-丙烯基二硫化物、2-巰基-3,4-二甲基-2,3-二氫噻吩,相對含量合計高達(37.89±0.75)%;在4 ℃貯藏第56天時僅剩(6.56±0.28)%,而在60 ℃貯藏第56天時未檢測到,可能因為香椿中2-巰基-3,4-二甲基-2,3-二氫噻吩、二(1-丙烯基)硫醚、二丙烯基硫醚等含硫類化合物易揮發、結構不穩定。在第0天時,香椿風味油中檢測到的醛類物質主要是己醛(9.61±0.98)%和(E)-2-己烯醛(7.66±0.33)%,而在4 ℃和60 ℃貯藏第56天時,醛類物質主要是己醛、(E)-2-庚烯醛、(E,E)-2,4-癸二烯醛。隨著貯藏時間的延長,香椿風味油還檢測到酮類、酸類和呋喃類物質,這可能是因為油脂在貯藏過程中發生一系列氧化酸敗反應,產生小分子的醛、酮、酸等揮發性物質[26],這與POV的變化趨勢一致。

風味是食品感官質量的重要指標,是食品能否為消費者接受的主要因素之一,也是食品企業占領市場、創造高利潤的競爭核心。但揮發性成分在加工及貯藏過程中易發生變化,研究原料及加工制品的揮發性成分對農產品的生產和應用具有一定的指導作用。綜上所述,含硫類和醛類物質作為香椿風味油的主要揮發性成分,特別是含硫類物質對香椿風味油的風味品質起決定性作用。貯藏溫度對香椿風味油揮發性成分影響顯著,溫度越高,含硫類物質顯著下降,醛類物質顯著上升,風味損失和轉化嚴重。本試驗主要是對香椿風味油在不同貯藏溫度和時間下的揮發性成分進行檢測分析,但關于如何抑制這種氧化酸敗有待進一步研究。

3 結論

通過單因素試驗和正交試驗優化可以得出影響香椿風味油含硫類揮發性成分相對含量的主次順序為:超聲溫度>超聲時間>超聲功率,確定的最優工藝參數為超聲溫度50 ℃,超聲時間50 min,超聲功率240 W,利用此工藝生產的香椿風味油中含硫類揮發性成分的相對含量為(78.05±0.12)%。隨著貯藏時間的延長,香椿風味油的酸價和POV逐漸升高,且貯藏溫度越高,上升趨勢越明顯;含硫類和醛類物質作為香椿風味油的主要揮發性成分,尤其是含硫類物質對香椿風味油的風味品質起關鍵性作用,貯藏溫度越高,含硫類物質顯著下降,醛類物質顯著上升,風味損失和轉化嚴重。本實驗不僅提供了一種高效制備香椿含硫類揮發性成分的加工方法,而且對香椿風味油貯藏過程中的品質變化進行檢測分析,以期為含硫類物質在風味形成、后期調香技術及商品化應用等方面提供重要的技術支撐。