枸杞干制过程中褐变反应研究

胡云峰,唐裕轩,李宁宁,胡晗艳,朱彦华

(1.天津科技大学食品工程与生物技术学院,天津 300457; 2.宁夏早康枸杞股份有限公司,宁夏中卫 755100)



枸杞干制过程中褐变反应研究

胡云峰1,唐裕轩1,李宁宁1,胡晗艳1,朱彦华2

(1.天津科技大学食品工程与生物技术学院,天津 300457; 2.宁夏早康枸杞股份有限公司,宁夏中卫 755100)

从宁夏枸杞干制过程中色泽变化入手,测定与色泽变化相关的主要活性物质的变化,研究枸杞干制中褐变反应,以期为枸杞干制生产中的色泽保护技术提供依据。结果表明:随着干制的进行,多酚氧化酶活性逐渐降低,结合枸杞色差值的变化,确定枸杞热风干制前期有酶促褐变的发生。此外,枸杞热风干制后期,不同温度下还原糖和氨基酸态氮的含量都成下降趋势,枸杞色差值逐渐增大,且增速放缓,5-羟甲基糠醛含量逐渐下降,且温度越高越有利于美拉德反应发生。根据各非酶褐变特点,确定了枸杞热风干制后期有美拉德反应褐变存在。

枸杞,酶促褐变,非酶促褐变,美拉德反应

枸杞是我国重要的药食同源类植物资源,在卫生部公布的63种药食两用的名单居于榜首[1]。我国对枸杞的利用有两千多年的历史,其花朵、果实、叶子、树根都有药用价值,是珍贵的中药材和滋补保健食品[2]。

我国枸杞干制广泛采用晒干或烘干等传统技术,但是生产成本高、有效成分损失大和品质差等缺点明显[3]。为了弥补传统技术的不足,在此基础上研究出了热风干燥、真空冷冻干燥、微波干燥和远红外干燥等干燥技术,其中热风干燥中枸杞干果酶的活性和呼吸作用能很快受到抑制,其营养物质损失较少、颜色鲜艳、褐变较轻、水分含量低,是比较适合工业生产的一种方法[4]。枸杞干制过程中除失水外,外观最明显的就是色泽的变化,由鲜红色变为暗红色,随着贮藏期的延长,干枸杞色泽会变得更深。为得到鲜红色干枸杞,目前在某些产区甚至存在着利用二氧化硫浸泡鲜枸杞再进行干制加工的不当行为[5]。

果蔬加工中经常会出现色泽变化,其中褐变是一种广泛存在的变色现象[6],根据褐变反应的主要条件和机理不同,可将褐变大体分为酶促褐变和非酶褐变。酶促褐变的发生需要在氧存在的条件下,由多酚氧化酶作用,将邻位的酚氧化成醌,醌快速聚合成褐色色素而引起组织褐变[7]。非酶褐变为在不需要氧化酶作为催化剂就可以进行的褐变反应,主要有美拉德反应、焦糖化反应和抗坏血酸氧化等,一般来说,温度相差10 ℃,褐变反应速度相差3～5倍[8]。

目前,枸杞干制过程中的色泽变化少有人研究,本课题从枸杞热风干燥时的色泽变化入手,研究了枸杞干制中褐变反应,以期通过本次研究能为枸杞干制生产色泽保护技术提供理论依据,为生产出高品质的干枸杞提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

新鲜枸杞 采摘于宁夏早康枸杞有限责任公司果园,品种为中宁1号,采后2 h内立即运回公司0 ℃冷库预冷2 h,装盒,冷藏包装空运回实验室,置于温度为(4±1) ℃、相对湿度为90%的冷库中备用。实验选择颜色鲜艳、大小均匀、无机械损伤的新鲜枸杞,其含水率为78.5%;氢氧化钠(分析纯)、亚铁氰化钾(分析纯)、硫酸锌(分析纯) 天津市北方天医化学试剂厂;甲醛(分析纯) 国药集团化学试剂有限公司;5-羟甲基糠醛(标准品) 天津市化学试剂三厂。

XQ501电子水分测定仪 上海郎平仪器仪表有限公司;CR-10型自动测色色差计 柯盛行仪器有限公司;18系列紫外可见分光光度计 北京普析通用仪器有限责任公司;DL-101型电热恒温热风干燥箱 天津市中环实验电炉有限公司;KQ2200DE型数控超声波清洗器 昆山市超声仪器有限公司;JJ300电子分析天平 美国双杰(兄弟)集团有限公司;TDZ5-WS多管架自动离心机 湘仪离心机仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 枸杞热风干制过程中酶促褐变反应研究 将新鲜枸杞放在PP聚丙烯托盘内,置于60 ℃的干燥箱中,进行干制,直至枸杞的湿基含水率降到15%以下,定期取样测定相关指标,设3组平行实验[9]。

1.2.2 枸杞热风干制过程中非酶褐变反应研究 在枸杞热风干制实验中,60 ℃干制15 h的枸杞酶已失活,湿基含水率在30%～35%左右,所以实验选择60 ℃干制15 h的枸杞果,将其放在PP聚丙烯托盘内,依据实验情况,温度越高,美拉德反应速率越快[8],故分别置于65、70、80 ℃,相对湿度65%的恒温恒湿箱中进行实验,定期取样测定相关指标,设5组平行实验[10]。

1.2.3 理化指标测定方法

1.2.3.1 色泽测定 使用色差计测定枸杞L*、a*、b*值,并计算出值。每次随机选取5枚枸杞测定,在其表面取相对2个点测定,取平均值[11]。

1.2.3.2 多酚氧化酶活性测定 参照杜德红等[12]使用分光光度法测定枸杞中多酚氧化酶活性。

1.2.3.3 还原糖含量测定 采用国标[13]GB/T 5009.7-2008的方法测定。

1.2.3.4 氨基酸态氮含量测定 参照王东燕等[14]使用电位滴定法测定枸杞中氨基酸态氮的含量。

1.2.3.5 羟甲基糠醛(HMF)含量测定 参照安东等[15]使用分光光度计法测定枸杞HMF含量。

2 结果与分析

2.1 枸杞热风干制过程中酶促褐变反应研究

2.1.1 枸杞多酚氧化酶催化反应进程曲线 图1是枸杞多酚氧化酶催化反应进程曲线,由图可以看到,枸杞的PPO反应速度在60 s内呈直线上升趋势,60 s以后反应速度变得缓慢。因此,为了准确表示PPO催化速度,应该测定酶促反应的初始速度,即研究多酚氧化酶活性应以直线部分来确定反应时间。所以实验过程中在60 s即在1 min内测定酶的活性是有实际意义的。

图1 枸杞PPO催化反应进程曲线Fig.1 PPO reaction process curve of Lycium barbarum

2.1.2 枸杞热风干制过程中多酚氧化酶活性的变化 根据枸杞多酚氧化酶反应进程曲线规律,PPO活性测定实验设计采用每15 s测定一次吸光度值A,共测定5次,即观察1 min内吸光度的变化情况,将所测PPO的吸光度值与反应时间进行曲线拟合,得到一元线性回归方程,使用斜率,即回归系数(k)来表示酶活性大小。不同时间拟合所得曲线及回归系数情况见表1。

表1 枸杞PPO活性变化

表1得到的一元回归方程系数k即为对应时间点的枸杞PPO活性。根据回归系数k的变化表明,整个干制过程中,枸杞多酚氧化酶活性一直处于下降趋势,说明持续热风作用对多酚氧化酶活性具有一定的抑制作用。张辉[16]的研究得到了同样的结论:经过热处理的甜瓜,组织中果胶酶和多酚氧化酶活性均出现了明显的下降。

将一元回归方程系数均值k与干制时间h进行曲线拟合,得到枸杞干制过程中多酚氧化酶活性随干燥时间变化曲线(图2)。由PPO活性变化曲线可发现其变化规律呈S型,干燥初期酶活性较高,随着热风干燥时间延长,酶活性逐渐降低。干燥到9～12 h时PPO活性出现快速下降。生物酶类是一种具有高效催化活性的高分子物质,大部分为蛋白质。酶催化作用条件较温和,其活性受pH、温度、电磁波等许多因素影响。枸杞长时间的高温干燥作用,使得大部分的多酚氧化酶遭到破坏,活性大幅度降低。枸杞干燥达到18 h后,酶活性下降变缓,21 h后酶活性趋于稳定,不再发生明显变化,此时多酚氧化酶活性已经很低。

图2 枸杞热风干制过程中PPO活性变化曲线Fig.2 PPO activity change curve of Lycium barbarum in hot wind drying

2.1.3 枸杞热风干制过程中色差值的变化 以新鲜枸杞的颜色值作为基准,对枸杞干制过程中的色差值进行计算,色差值的变化情况见图3。色差值与色度值(L*、a*、b*)呈相反的变化趋势,呈现出随着干燥的进行一直在增加的趋势,说明枸杞随着干燥褐变程度逐渐加大。0～9 h间ΔE变化曲线陡峭,ΔE增加迅速,这与多酚氧化酶活性变化曲线一致,9 h之前多酚氧化酶活性较大,大量酶促褐变反应发生,致使枸杞颜色逐渐加深,色差值增加;9 h之后,PPO活性迅速下降,ΔE增加变慢,曲线变缓;21 h后枸杞的PPO活性已经很低,无明显变化,但枸杞表面的颜色却一直在加深,ΔE具有继续增大的趋势,这说明枸杞颜色发生变化的影响机制不止酶促反应一种。

图3 枸杞干制过程中ΔE变化曲线Fig.3 ΔE change curve of Lycium barbarum L in dried process

2.2 枸杞热风干制过程中非酶褐变反应研究

非酶褐变主要包括美拉德反应、焦糖化反应和抗坏血酸氧化等,这类褐变发生不需要生物酶作为催化剂。焦糖化反应需要高温,一般140～170 ℃,常规的食品加工过程中一般不会发生。抗坏血酸氧化主要发生在果汁饮料褐变中,尤其是柑橘类果汁的变色。因此,本实验主要研究枸杞热风干燥中美拉德反应产生的非酶褐变。

2.2.1 枸杞美拉德反应中颜色的变化 图4所示为不同温度下枸杞颜色变化情况。L*、a*、b*值的变化与前期热风干制过程相同。枸杞最明显的变化是颜色由红色变为黑褐色,反映为L*、a*、b*值下降,尤其是代表红色的a*值。热风的温度越高,颜色值曲线越陡峭,颜色变化越大。反应后期,三个值的变化趋于平缓,这可能与反应物的消耗和生成物的积累有关。

图4 不同温度下枸杞颜色的变化Fig.4 The change of Lycium barbarum color under the different temperature注:(a)L*值的变化；(b)a*值的变化(c)；b*值的变化。

枸杞的色差值变化曲线如图5所示,色差值ΔE随加热时间延长呈增加的趋势,在加热的0～30 h间曲线陡峭,ΔE增加迅速,30 h之后,ΔE增加趋势变缓。这种变化是因为实验初期美拉德反应的原料-还原糖和氨基酸态氮充足,大量褐变反应发生,致使枸杞颜色加深,ΔE增加;随着反应的进行,原料不断被消耗,含量下降,同时大量的产物积累,致使反应“受阻”,ΔE增加变慢,曲线变缓。

图5 枸杞褐变中ΔE的变化Fig.5 The change of ΔE in Lycium barbarum browning

多项研究表明[17]:美拉德反应的终产物—类黑精的分子量一般都大于10 ku,并且分子量的大小依赖于加热强度。在美拉德反应初期,形成低分子量的类黑素分子,伴随其他美拉德反应,小分子聚合成大分子,形成高分子量的类黑素分子。这也是后期色差值变化减缓的一个原因。

2.2.2 枸杞美拉德反应中还原糖和氨基酸态氮含量的变化 还原糖、氨基酸态氮是美拉德反应的反应物,其含量的变化在一定程度上能够说明枸杞美拉德反应的进展情况。从图6、图7中可以看出,不同温度下,还原糖、氨基酸态氮含量都出现了减小的趋势。但是不同温度下,还原糖、氨基酸态氮含量减小速率存在差异性,65 ℃温度条件下,其变化趋势最为平缓,80 ℃温度条件下,其变化趋势最剧烈,而70 ℃条件下,其变化趋势介于二者之间。

图6 不同温度下枸杞中还原糖含量变化Fig.6 The change of reducing sugar content in Lycium barbarum under the different temperature

图7 不同温度下枸杞中氨基酸态氮含量变化Fig.7 The change of amino nitrogen content in Lycium barbarum under the different temperature

不同加工条件下,温度越高,还原糖、氨基酸态氮含量下降地越快,说明美拉德反应越快。综上所述,枸杞在该加热条件下发生了美拉德反应,并且温度越高越有利于美拉德褐变反应的发生。

2.2.3 枸杞美拉德反应中5-羟甲基糠醛的变化 5-HMF(羟甲基糠醛)是美拉德反应中产生的重要中间产物,其积累会导致黑变发生,故能用于预测黑变速率。图8是80 ℃温度条件下随褐变反应进行枸杞中5-HMF含量的变化曲线。初期5-HMF的积累比较平缓,18～42 h之间曲线变得陡峭,积累速率大幅度增加,说明大量的还原糖和氨基酸态氮参与了褐变反应,42 h之后羰基化合物和氨基化合物作为反应物在美拉德反应中不断被消耗,生成5-HMF的积累量达到平稳状态,积累速率有所下降;此外5-HMF是美拉德终产物类黑素的来源途径之一,在类黑素积累量增加的过程中,5-HMF逐渐被消耗。因此,枸杞中5-HMF含量的这种变化规律说明枸杞确实发生了美拉德反应。

图8 80 ℃下枸杞褐变反应中5-HMF含量的变化Fig.8 The change of HMF in Lycium barbarum browning

3 结论

热风干制初期枸杞多酚氧化酶活性随干制进行活性逐渐降低,最后几乎为0,此外,色差值的变化曲线也与多酚氧化酶活性变化曲线一致,结合枸杞色差值的变化,确定枸杞热风干制前期有酶促褐变的发生。

枸杞热风干制后期,美拉德反应的色差值逐渐减小,在不同温度下还原糖和氨基酸态氮的含量都成下降趋势,5-羟甲基糠醛作为美拉德反应中间产物,其含量逐渐下降。根据各非酶褐变特点,确定了枸杞热风干制后期有美拉德反应褐变存在,在相对湿度为65%的条件下,温度越高,越有利于美拉德反应发生。

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Study on browning reaction in hot air drying processing ofLyciumbarbarum

HU Yun-feng1,TANG Yu-xuan1,LI Ning-ning1,HU Han-yan1,ZHU Yan-hua1

(1.Tianjin University of Science and Technology,Food Engineering and Biotechnology Institute,Tianjin 300457,China; 2.Ningxia Zaokang Lycium Barbarum Limited by Share Ltd,Zhongwei 755100,China)

This paper took the color changes ofLyciumbarbarumfrom Ningxia as raw material,the main active substances related to color change were determined,the browning reaction in hot air drying processing was studied,which could provide some theoretical basis and reference for the protection of color changes in hot air drying processing ofLyciumbarbarum. Result showed that with the development of the drying,the activity of PPO decreased gradually,with the change of color value ofLyciumbarbarum,enzymatic browning reaction occurred in the early stage of the drying process. In addition,the contents of reducing sugar and amino acid nitrogen decreased at different temperatures in the late stage of the hot air drying,the color value of theLyciumbarbarumincreased gradually,and growth is slowing,and the content of 5-HMF decreased gradually,and a higher temperature was in favor of Maillard reaction,according to the characteristics of non enzymatic browning,we confirmed Maillard reaction happened inLyciumbarbarumon hot air drying later period.

Lyciumbarbarum;enzymatic browning reaction;non enzymatic browning reaction;Maillard reaction

2016-05-20

胡云峰(1966-),女,硕士，研究员,研究方向:农产品贮藏与加工技术研究与开发，E-mail:hu-yf@163.com。

TS255.1

A

1002-0306(2016)22-0159-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.22.023