微波真空干燥辅助不同方法提取红油香椿嫩芽挥发性成分的分析比较

杨　慧,王赵改,*,王晓敏,史冠莹,张　乐,梁万平

(1.河南省农业科学院农副产品加工研究中心,河南郑州 450002;2.驻马店市农业科学院资源环境研究所,河南驻马店 463000)



微波真空干燥辅助不同方法提取红油香椿嫩芽挥发性成分的分析比较

杨慧1,王赵改1,*,王晓敏1,史冠莹1,张乐1,梁万平2

(1.河南省农业科学院农副产品加工研究中心,河南郑州 450002;2.驻马店市农业科学院资源环境研究所,河南驻马店 463000)

为了分析不同方法提取香椿挥发性成分的差异,采用顶空固相微萃取法(HS-SPME)、超临界二氧化碳法(SFE-CO2)、超声波辅助乙醚法(UWE)提取真空微波干燥处理后的香椿挥发性风味物质,并利用GC-MS对提取的样品进行检测、分析及鉴定。结果表明,顶空固相微萃取法共检测出71种风味物质,主要为烯类、酮类与醇类;超临界二氧化碳法检测出56种风味物质,主要为烯类、醛类与醇类;超声波辅助乙醚法可检测出68种风味物质,主要为烯类。HS-SPME法检测的醛类、含硫类、酮类、醇类、酯类、烃类等相对含量最高,UWE法检测的烯类相对含量最高。HS-SPME法还检测出其它两种方法未检测到的含硫类物质——二丙烯基硫醚和叔十六硫醇,这些物质与其它化合物共同赋予了香椿独特的风味。三种方法在提取香椿挥发性化合物种类、组分、相对含量存在差异,HS-SPME法能最大程度的提取香椿挥发性成分,较真实、全面的反映香椿香气特征。

香椿,挥发性成分,顶空固相微萃取,超临界CO2,超声波辅助乙醚,提取

香椿(Toonasinensis(A.Juss)Roem),为楝科香椿属落叶乔木[1],是我国特有的木本蔬菜,因其独特的香气而得名。香椿嫩芽营养价值极高,据测定,每100 g新鲜香椿嫩芽中含有蛋白质9.8 g、脂肪0.8 g、糖类7.2 g、粗纤维2.78 g、胡萝卜素0.93 mg、多种维生素和矿物质元素如Ca、P、Fe、K、Zn等。此外,香椿富含多种活性成分,如黄酮、皂苷、生物碱、萜类,其根、树皮、种子等均可入药,药用价值极高[2],且其生长过程中自身可以分泌驱虫物质,无需喷药,是名副其实的绿色蔬菜,深受国内外消费者的喜爱[3]。

近年来,随着香椿蔬菜化栽培的推广,香椿的研究主要集中在选育、繁殖[4]、栽培、保鲜、活性成分提取[5-9]等,对香椿香气的研究较晚。然而香椿独特香气是其重要的品质特性,直接影响着食用价值和商业价值。因此,香椿香气的分析对理论上生理生化的研究、实践中保鲜与加工具有双重意义。目前提取香椿香气传统的方法有水蒸气蒸馏法[10]、同时蒸馏萃取法[11]、超临界CO2萃取法(SFE-CO2)、乙醚超声波萃取法(UWE-C2H5OC2H5)[1]等。而顶空固相微萃取技术(HS-SPME)因其萃取效率高、重现性好、无干扰等优点[12],近几年广受科研工作者的推崇。然而研究表明,香椿香气成分极为复杂,含有萜烯类、含硫类、醛类、酯类等多种挥发性风味物质[13],每种提取方法原理不同,所检测到的香气物质是否一致,差异是否显著等,尚不清楚。陈丛瑾[1]曾用超临界CO2、乙醚超声波、乙醚微波、微波水蒸气4种取方法提取50 ℃烘干的香椿挥发油并进行了比较研究,而顶空固相微萃取与其它提取方法的比较尚无报道。

前期干燥实验结果表明,真空微波干燥较热风干燥更好的保持香椿的品质,且大大降低了热风干燥因温度高、时间长对挥发性风味物质的影响。因此为了最大程度的保持香椿挥发性风味物质,实验首先采用微波真空技术对香椿嫩芽进行干燥预处理,然后分别采用顶空固相微萃取、超临界CO2萃取、超声波辅助乙醚3种方法对香椿香气成分进行提取和分析鉴定,旨在为香椿采后综合开发利用提供一定理论基础,推动香椿产业更广、更深发展。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

香椿品种为红油香椿,于2015年12月中旬采自河南省中牟县老田家香椿合作社温棚。

Agilent 7890A-5975C GC-MS[HP-5MS毛细管色谱柱(30 m×0.25μm×0.25μm)]、顶空固相微萃取装置(包括手持式手柄,50/30μm DVB/CAR/PDMS,15 mL顶空瓶)美国安捷伦公司;超临界CO2萃取装置杭州华黎泵业有限公司;真空微波干燥(KL-2D-6KW)广州凯棱工业用微波设备有限公司。

1.2实验方法

1.2.1样品预处理选取长度约15 cm、新鲜、健壮、成熟度相对一致的香椿嫩芽,分批放于真空度为80 kPa、功率1800 W、温度35 ℃的真空微波干燥设备中进行干燥,粉碎后过30目筛备用。

1.2.2顶空固相微萃取法称取1.0 g香椿粉末于15 mL顶空瓶里,密封后于40 ℃水浴中平衡15 min,插入50/30μm DVB/CAR/PDMS萃取头,萃取30 min后取出萃取头,插入GC-MS解析5 min[14]。

1.2.3超临界CO2萃取法称取200 g香椿粉末装入萃取釜中,设定萃取压力为25 MPa,萃取温度40 ℃,CO2流量为20 L/h,解析釜压力5.2 MPa,分离温度35 ℃,萃取时间120 min[14]。分离得到棕褐色物质约1.5 g,储存于冰箱备用。

1.2.4超声波辅助乙醚萃取法称取100 g香椿粉末装入锥形瓶中,按料液比1∶2加入乙醚超声萃取(超声功率240 W,萃取时间30 min/次,萃取温度40 ℃,共萃取3次),合并萃取液过滤,加入无水Na2SO4干燥后,5000 r/min离心20 min,上清液去除乙醚后得约0.5 g浓稠物,储存于冰箱备用。

1.2.5GC-MS分析条件GC条件:HP-5MS石英毛细管柱(30 m×0.25 μm×0.25 μm);载气He2,进样口温度250 ℃,无分流比,柱流速1 mL/min。程序升温:初温40 ℃,保持3 min,以5 ℃/min的速率升温至150 ℃,保持2 min,以8 ℃/min的速率升至230 ℃,保持5 min结束。

MS条件:四级杆150 ℃,离子源230 ℃,辅助加热器250 ℃,电子轰击电离(electron impact,EI),全扫描质量参数40～800 U。

1.3数据处理

采用Origin 8.6软件进行绘图,香椿挥发性成分根据质谱数据和气质联用标准图谱进行检索分析、定性;将相似度大于800的成分的峰面积归一化法计算各组分的相对含量。

2　结果与分析

2.1不同方法提取香椿挥发性成分的分析鉴定结果

将阈值设为18,对3种提取方法的样品进行GC-MS分析,得到香椿挥发性风味物质的总离子色谱图,如图1所示。3种提取方法得到的香椿提取物挥发性成分出峰时间主要集中在18～35 min。每个色谱峰通过NIST 08.LIB 质谱图库进行检索分析,并结合相关文献、资料进行人工鉴定,3种提取方法共检测出121种成分,其中采用顶空固相微萃取分离鉴定出71种化合物,占总组分相对质量分数的90.67%,从超临界二氧化碳萃取物中分离鉴定出56种化合物,占总组分相对质量分数的99.32%,从超声波辅助乙醚萃取物中分离鉴定出68种化合物,占总组分相对质量分数的91.98%。推测在顶空固相微萃取过程中处理过程较温和,免去了长时间高温高压的影响,故而提取挥发性成分种类多于其它两种方法[15]。

图1　3种方法萃取香椿风味物质的总离子流色谱图Fig.1　Total ion-currents chromatograms of flavor components extracted by three methods from Toonasinensis注:(A)HS-SPME;(B)SFE-CO2;(C)UWE-C2H5OC2H5。

2.2不同方法提取香椿挥发性成分的组成、种类分析

进一步分析3种提取方法对香椿挥发性成分组分的差异,可以得到每种提取方法对于各类挥发性成分的特异性和广谱性。采用面积归一法计算各挥发性物质的相对含量如表2所示。将3种方法香椿风味物质分为以下几类:醛类、烯类、含硫类、酮类、醇类、酯类、烃类、其它等,3种方法提取香椿挥发性成分在组分和种类存在差异。

由图2可知,HS-SPME法主要为烯类、酮类与醇类,相对含量分别为32.53%、12.73%和15.85%,SFE-CO2法主要为烯类、醛类与醇类,相对含量分别为85.25%、3.52%和3.84%,UWE法主要为烯类,相对含量达88.06%。由图3知,HS-SPME、SFE-CO2、UWE三种方法提取香椿挥发性风味化合物种类不同,其中烯类化合物种类最多,分别有26、30和40种。

图2　3种提取方法下香椿挥发性成分不同类别相对含量比较Fig.2　Comparison of relative content of volatile components extracted by three methods from Toonasinensis

图3　3种提取方法下香椿挥发性成分种类比较Fig.3　Comparison of types of volatile components extracted by three methods from Toonasinensis

3种方法提取的香椿挥发物中共同存在的化合物有25种(烯类14种、含硫类1种、酮类2种、醇类2种、其它类4种、烃类1种、酯类1种),分别为2,4-二甲基噻吩、π榄香烯、π荜澄茄油烯、丁子香酚、依兰烯、古巴烯、β-榄香烯、雪松烯、石竹烯、异喇叭烯、π-愈创木烯、(-)-α-雪松烯、4-亚环乙烯基-3,3-二甲基-2-戊酮、β-蛇床烯、α-蛇床烯、桉双烯酮、d-杜松烯、(-)-斯巴醇、异香澄烯环氧化物、愈创蓝油烃、合金欢醇乙酸酯、喇叭烯氧化物、香橙烯氧化物及2种未知物。

续表

续表

续表

续表

2.3不同提取方法下香椿挥发性成分分析

含硫类对香椿独特风味起着决定性作用,往往具有较低的感知阈值和较高的气味强[2],存在于大蒜[26]、加热的韭菜[27]、切开的洋葱[28]等一些代表性的食物中。据气味嗅闻实验即GC-O结果表明,含硫类化合物呈现大蒜的辛辣、洋葱、硫磺等刺激性味道[2,13],是香椿香味的独特之处。由表1知,3种提取方法中,HS-SPME法提取的香椿挥发性化合物中含硫类相对含量达6.42%,明显高于SFE-CO2(0.11%)和UWE(0.04%)两种方法。推测因含硫类性质活泼[12],较易受SFE-CO2或UWE提取过程中时间、温度影响,造成其破坏、损失严重,而HS-SPME萃取条件温和、萃取时间短,挥发性物质破坏、损失较小。HS-SPME法检测到的含硫类化合物主要为2,4-二甲基噻吩、二丙烯基硫醚和叔十六硫醇,其中叔十六硫醇相对含量仅次于2,4-二甲基噻吩,为2.594%,但该物质的香气特征几乎没有报道,需要进一步研究。研究表明香椿特征香气物质为2-巯基-2,3-二氢-3,4-二甲基噻吩,是由二丙烯基二硫醚加热形成的[2]。HS-SPME法检测到2,4-二甲基噻吩,与前人检测的2,5-二甲基噻吩、3,4-二甲基噻吩[2]互为同分异构体,推测也是由2-巯基-2,3-二氢-3,4-二甲基噻吩失去一个-H2S生成的。

烯类是香椿挥发性化合物中相对含量最高、种类最多的一类化合物,对香椿风味起着重要作用。表1中,HS-SPME、SFE-CO2、UWE三种方法检测到烯类相对含量分别为32.53%、85.25%和88.06%。HS-SPME法检测到相对含量较高的有雪松烯(2.00%)和β-马揽烯(4.31%),SFE-CO2法主要有石竹烯(12.49%)、β-蛇床烯(8.48%)、α-蛇床烯(12.35%)、金合欢烯(11.12%)和d-杜松烯(8.89%),UWE法主要有石竹烯(11.29%)、(-)-g-杜松烯(10.09%)、d-杜松烯(8.60%)和β-榄香烯(7.55%)。研究表明,烯类大多具有酯香、花香、水果香、甜香等比较柔和的气味,起到调和含硫化合物刺激性的作用。另据文献记载,植物的抗病性可能与烯类化合物的大量存在有关[29],推测这也正是香椿在生长过程中极少发生病害的原因之一。

醛类物质的化学性质较活泼,在一定条件下易被还原或氧化,在香椿挥发性成分中相对含量较低,一般呈果香和花香气味,阈值很低,对香椿总体风味特征有重要影响。HS-SPME和SFE-CO2法检测到醛类相对含量分别为5.31%和3.52%,高于UWE法(仅0.14%)。HS-SPME和SFE-CO2法相对含量较高的醛类化合物分别为2-(4-甲基-6-(2,6,6-三甲基环己-1-烯)己烷-1,3,5-三烯基)环己-1-烯-1-甲醛和(E,E)-2,4-庚二烯醛。有研究表明,己醛具有青草味、腥味,庚醛具有果香,苯甲醛具有令人愉快的坚果香,壬醛具有鱼腥味,2,4-庚二烯醛具有青草香味[30]等。这些均可能对香椿总体风味起加和作用。

HS-SPME法较其它两种方法提取的香椿挥发性成分中,醇类化合物相对含量最高,达15.85%,明显高于SFE-CO2(3.84%)和UWE(0.75%)法。HS-SPME法醇类化合物中三十七烷醇相对含量最高,达7.57%。而醇类物质一般阈值较高,但对整体风味贡献较小[31]。

酯类通常呈现出水果香的味道[31],在香椿挥发性物质中相对含量较低。三种方法检测出酯类相对含量分别为3.48%(HS-SPME法)、1.40%(SFE-CO2法)和0.20%(UWE法)。

烃类化合物主要包括芳香烃和烷烃类。其中HS-SPME检测出烃类相对含量最高(8.20%),SFE-CO2法相对含量最低(0.10%)。检测的烷烃类主要为长链脂肪烃类物质,主要集中在C12～C17之间。

其它类化合物中,HS-SPME、SFE-CO2、UWE三种方法同时检测到两种萜烯类氧化物(异香澄烯环氧化物、喇叭烯氧化物),此外HS-SPME法检测的还有吡嗪、酸等化合物。尽管这些化合物相对含量较低,但其阈值较低,都具有重要的感官特征,对香椿复杂的香气可能产生一定的影响。

3　结论

通过分析,微波真空预处理辅助不同方法提取的香椿挥发性成分组分、相对含量、种类等存在差异。三种方法共同存在的化合物共25种;从香椿挥发性成分的组分看,HS-SPME法主要为烯类、酮类与醇类,SFE-CO2法主要为烯类、醛类与醇类,UWE法主要为烯类;从各类挥发性成分的相对含量看,HS-SPME法检测的醛类、含硫类、酮类、醇类、酯类、烃类等相对含量均高于SFE-CO2、UWE两种方法;从化合物种类来看,HS-SPME检测出最多,且醛类、含硫类、酯类、烃类、其他类均多于其它两种方法。从香味分析,含硫类物质因呈现刺激性味道,与香椿特征香味有关,因此HS-SPME法主要香气物质推测为2,4-二甲基噻吩、二丙烯基硫醚和叔十六硫醇,相对含量分别为3.29%、0.54%和2.59%,而SFE-CO2和UWE两种方法主要为2,4-二甲基噻吩,且相对含量较低(0.11%和0.04%),同时烯类、醛类、酯类醇类等化合物的存在中和了这种刺激性的味道,各香气成分间的相互作用,共同构成了香椿独特的香气风味。

[1]陈丛瑾,黄克瀛,李姣娟,等.不同方法提取香椿芽挥发油的比较研究[J].分析实验室,2009,29(1):30-35.

[2]张杰.香椿挥发性成分的分析及其呈香机理的研究[D].天津:天津科技大学,2013.6.

[3]王赵改,王晓敏,杨慧,等.茬口及栽培环境对香椿黄酮含量和清除DPPH能力的影响[J].天津农业科学,2015,21(11):42-46.

[4]唐强,李志辉,吴际友,等.毛红椿无性系扦插繁殖实验研究[J].中南林业科技大学学报,2015,35(1):67-70.

[5]Changjin Liu,Hongying Wan,Jie Zhang,et al.Quantitative Identification and Antioxidant ActivityInVitroof Phenolic Compounds from the Old Leaves ofToonasinensis[J]. Proceedings of the 2012 International Conference on Applied Biotechnology(ICAB 2012),2014,249:523-533.

[6]顾芹英,李慧华,秦冬,等.RP-HPLC法测定香椿叶中槲皮素-3-O-α-L-鼠李糖苷[J].中成药,2014(3):577-579.

[7]Yu-feng Su,Yu-Chiao Yang,Hseng-Kuang Hsu,et al.Toonasinensisleaf extract has antinociceptive effect comparable with non-steroidal anti-inflammatory agents in mouse writhing test[J]. BMC Complementary and Alternative Medicine,2015(3):1-4.

[8]韩凤波,陈静雅.不同采收期对香椿总黄酮和总皂苷含量的影响[J].北方园艺,2014(2):159-160.

[9]王成.张京芳.张颜,等. 不同生长期香椿抗氧化作用及多酚氧化酶同工酶分析[J].食品科学,2013,34(17):10-14.

[11]李贵军,汪帆.香椿嫩叶挥发油化学成分的GC-MS分析[J].安徽化工,2014,40(3):85-88.

[11]吴艳霞.香椿茎挥发油化学成分分析[J].农业科技通讯,2013(5):147-148.

[12]Steffen A,Paw Liszyn J. Analysis of flavor volatiles using headspace solid-phase micro-extraction[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry,1996,44(8):2187-2193.

[13]刘常金,张杰,周争艳,等.GC-MS分析比较3个特产香椿品种的挥发性成分[J].食品科学,2013,24(20):261-267.

[14]Mu R,WangX,LiuS,et al.Rapid Determination of Volatile Compounds inToonasinensis(A.Juss.)Roem by MAE-HS-SPME Followed by GC-MS[J].Chromatographia,2007,65(7):463-467.

[15]谢婧,徐俐,张秋红,等.顶空固相微萃取法提取菜籽油挥发性风味成分[J].食品科学,2013,34(12):281-285.

[16]廖华军. 莪术-三棱药对配伍挥发油成分GC-MS分析[J].辽宁中医药大学学报,2014(8):74-78.

[17]董然,南敏伦,刘洪章. 长白山特有种单头橐吾的挥发油成分研究[J].安徽农业科学,2009,37(36):17900-17901.

[18]姚亮,黄健军.冰糖草挥发油化学成分的GC-MS分析[J].中国实验方剂学杂志,2012,18(5):101-103.

[19]郑怀舟,汪滢,黄儒珠.含笑叶、花挥发油成分的GC-MS分析[J].福建林业科技,2011,38(1):53-56.

[20]李崇晖,黄明忠,黄少华,等.4种石斛属植物花朵挥发性成分分析[J].热带亚热带植物学报,2015,23(4):454-462.

[21]袁雷,钟国辉,权红,等. 西藏大花红景天挥发油成分GC-MS分析[J].中国实验方剂学杂志,2012,18(23):67-70.

[22]包呼和牧区乐. 水蒸汽蒸馏和超临界CO2萃取对蒙药文冠木挥发油萃取的比较[J].内蒙古民族大学学报:自然科学版,2013,28(5):528-531.

[23]沈强. 腊梅花精油提取工艺及成分比较[D].重庆：西南大学,2009.12.

[24]刘金龙,郑小江,郑威,等. 油桐品种五爪桐含油量及桐油质量研究[J].湖北农业科学,2011,50(10):2031-2035.

[25]王世永. 吴茱萸挥发油的提取分离、鉴定及抗氧化和抗菌活性研究[D].武汉：华中农业大学,2008.6.

[26]Kyung K H.Thermal generation and antimicrobial activity of unusual heterocyclic Sulfur compounds in garlic[J].Food Science and Biotechnology,2008,17(5):1032-1037.

[27]Wang S,YangS,Ren Let al.Determination of Organophosphorus Pesticides in Leeks(Allium porrum L.)by GC—FPD[J].Chromatographia,2009,69(1):79-84.

[28]Eady C C,KamoiT,Kato M,et al.Silencing onion lachrymatory factor synthase causes a significant change in the sulfur secondary metabolite profile[J].Plant physiology,2008,147(4):2096-2106.

[29]GershenzonJ,DudarevaN.The function of terpene natural products in the natural world[J].Nature Chemical Biology,2007,3(7):408-414.

[30]徐永霞,刘滢,仪淑敏,等.大菱鲆鱼体不同部位的挥发性成分分析[J].中国食品学报,2014,14(6):236-243.

[31]SerkanS,Gonca GC. Analysis of volatile compounds of wild gilthead sea bream(Sparus aurata)by simultaneous distillation-extraction(SDE)and GC-MS[J]. Microchem J,2009,93(2):232-235.

[32]曲宏宏,段文艳,唐学燕,等. 不同样品采集方法对米糠风味物质测定的影响[J].食品工业科技,2013,34(4):84-88.

Comparison of volatiles extracted by different approaches fromToonasinensisdried by microwave-vacuum

YANG Hui1,WANG Zhao-gai1,*,WANG Xiao-min1,SHI Guan-ying1,ZHANG Le1,LIANG Wan-ping2

(1.Agricultural Products Processing Center,Henan Academy of Agricultural Sciences,Zhengzhou 450002,China; 2.Institute of Resources and Environment,Zhumadian City of Agricultural Sciences,Zhumadian 463000,China)

In order to analyze the difference of volatiles,the volatile components ofToonasinensisdried by microwave-vacuum were extracted by headspace solid-phase micro-extraction(HS-SPME),supercritical carbon dioxide(SFE-CO2)and ultrasonic wave with ether(UWE).The results qualitatively identified by GC-MS showed that 71 volatile compounds were detected by HS-SPME and alkenes,ketones,alcohols were the major constituents.58 volatile compounds were detected by SFE-CO2and alkenes,aldehydes,alcohols were the major constituents. 68 volatile compounds were detected by UWE and alkenes were the major constituents. The relative contents of aldehydes,sulfur,ketones,alcohols,esters,hydrocarbons,detected by HS-SPME were all at the higer level,while alkenes by UWE were the highest. The 1-(1-Propenylthio)propane and tert-hexadecanethiol were only detected by HS-SPME,which played an important role in unique flavor ofToonasinensis. There were differences in species,components and relative contents of volatile compounds extracted by three different methods,and HS-SPME could extract characterized components ofToonasinensisto the utmost and reflect the characteristics of its aroma better.

Toonasinensis;volatiles;Headspace solid phase micro-extraction(HS-SPME);supercritical carbon dioxide(SFE-CO2);ultrasonic wave with ether(UWE);extract

2016-03-03

杨慧(1986-)，女，硕士，助理研究员，主要从事农产品保鲜与加工研究，E-mail：yanghui1222@163.com。

王赵改(1980-)，女，博士，副研究员，主要从事农产品保鲜与加工研究，E-mail：zgwang1999@126.com。

河南省财政预算项目(豫财预(2016)79号)；河南省财政预算项目(20148410)；中央财政农业技术推广补助资金(豫财农(2014)315号)。

TS255.1

A

1002-0306(2016)17-0272-09

10.13386/j.issn1002-0306.2016.17.045