基于主成分分析法综合评价四种干燥方式对芜菁脆片香气品质的影响

,,,,,,,,*

(1.辽宁大学轻型产业学院,辽宁沈阳 110036;2.辽宁行政学院,辽宁沈阳 110061;3.江苏省农业科学院农产品加工研究所,江苏南京 210014)

芜菁(BrassicarapaL.)别名蔓菁,是十字花科,芸薹属芸薹种,能形成肉质根的2年生草本植物,欧洲、美洲和亚洲均有种植[1]。在中国,芜菁是我国少数民族地区常见的药食两用植物[2]。中医认为,芜菁味甘、辛、苦,性温,无毒;具有开胃消食,下气宽中,止咳化痰,利湿解毒,温和脾胃之功效。对治疗寒积腹痛、食欲不振、食积不化、黄疽、乳痈以及皮肤疖肿等症效果显著[3],其还具有一定抗氧化、降血糖及提高缺氧耐受性的作用[4-5]。

因为芜菁具有强烈的芥辣味,对于大多数人不容易接受,所以可以将芜菁进行加工处理、改善风味,使其更为广大消费者所接受。而近年来发展起来的果蔬脆片是一种受国内外消费者青睐的休闲食品[6]。为了开发更多的芜菁食品的种类,将芜菁进行干制加工,制成芜菁脆片,为芜菁脆片的加工提供理论和实践依据。近年来,真空冷冻干燥(freeze drying,FD)、变温压差膨化干燥(explosion puffing drying,EPD)、红外干燥(infrared drying,ID)等现代干制技术得到了广泛应用,已经在芒果脆片[7]、香蕉脆片[8]、苹果脆片[9-10]和红薯脆片等[11]休闲食品上得以应用,但其对芜菁脆片的加工质量的影响鲜有报道。

香气成分是影响果蔬制品加工风味品质的重要因素之一[12]。尽管已有文献报导了鲜芜菁[1]、芜菁子[13]和芜菁花朵[14]的香气构成,但芜菁加工制品,尤其是其干制产品的香气还未见报道,而在干制加工过程中,挥发性芳香物质容易损失和变化,因此不同干制方式制得的产品,其香气成分也存在着极大地差异[15-16]。因而,本实验采用FD、EPD、ID和AD共4种干燥方式对芜菁进行干制处理,运用顶空固相微萃取-气相色谱质谱联用法(HS-SPME-GC-MS)技术对4种芜菁脆片的风味成分进行分析鉴别,并且采用SPSS软件进行主成分分析(PCA),构造芜菁脆片香气品质的评价模型以及主成分得分分布图来对其香气结果进行分析,旨为芜菁脆片的加工提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

材料:芜菁(BrassicarapaL.)[17]选用其肉质根;产地:四川大凉山;采集日期2017年11月;氯化钠、柠檬酸、蔗糖 国药集团化学试剂有限公司。

GZX-9.76MBE型电热鼓风干燥机 上海博讯实业有限公司医疗设备;SCIENTEZ-10N型冷冻干燥机 宁波新芝生物科技股份有限公司;HW-0红外干燥箱 天津市顺诺仪器科技有限公司;QDPH10-1型果蔬膨化干燥机 天津勤德新材料科技有限公司;TSQ 8000 EVO型气相色谱串联质谱分析仪 赛默飞世尔科技公司;手动进样手柄、萃取针 (CAR/PDMS,75 μm) 美国supelco公司。

1.2 实验方法

1.2.1 芜菁脆片的干燥 芜菁经清洗、去皮、切片(5 cm×4 cm×4 mm)、于100 ℃的1.5%氯化钠和0.2%柠檬酸混合溶液中热烫1 min、冷却10 min至室温、于20 ℃的20%蔗糖溶液浸泡1 h(料液比1∶3)、然后-18 ℃预冻12 h。参考李宝玉[18]等和沈静[19]等进行预实验并选择最优条件进行干燥操作,将最终得到芜菁脆片封入自封袋,于干燥器中室温保存。

FD工艺参数:真空度恒定为60 Pa,冷阱表面温度设置为-40～-45 ℃,干燥时间14 h,最终含水率5.63%。

EPD工艺参数:膨化温度80～85 ℃,压力差0.3 MPa,保持5～10 min;抽空温度70～75 ℃,抽空时间90 min,总干燥时间195 min,最终含水率5.51%。

ID工艺参数:真空度0.025～0.03 MPa,温度70 ℃,干燥时间240 min,最终含水率4.86%。

AD工艺参数:风速2.3 m/s,温度70 ℃,干燥时间120 min,最终含水率4.92%。

1.2.2 香气成分的测定方法

1.2.2.1 香气成分提取 将干燥好的芜菁脆片粉碎,取2 g粉末[20]转移到用羧基-聚二甲基硅氧烷(CAR/PDMS,75 μm)纤维制成的4 mL SPME小瓶中。将小瓶放在50 ℃水浴锅中加热平衡20 min,再将萃取针头插入小瓶中上1/3处,用手柄将石英纤维头推出,暴露至样品瓶顶空气体中,50 ℃萃取60 min,用手柄将纤维头推回针头内,将萃取针头拔出,插入GC-MS进样器中,于250 ℃解吸2 min,同时启动仪器进行GC-MS检测。参考蔡倩等[21]的方法进行色谱与质谱的测定。

1.2.2.2 色谱条件 色谱柱:TG-5MS毛细管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm);载气:氦气;流量:1 mL/min,不分流进样。程序升温:起始温度40 ℃,保持3 min,以3 ℃/min升温速度升至80 ℃,保留1 min,再以5 ℃/min的速率升至150 ℃,保持1 min,再以10 ℃/min的速率升至280 ℃,保持2 min。

1.2.2.3 质谱条件 离子源:电子轰击电离(EI),电子能量:70 eV,离子源温度:300 ℃,接口温度:280 ℃,传输线温度:300 ℃,四级杆温度:280 ℃,扫描质量范围33～800 m/z。

1.2.2.4 香气成分定性定量方法 定性:经过GC-MS所带的NIST图谱库和Willey图谱库对芜菁脆片挥发性风味成分进行解析,确认挥发性风味成分的各化学组成,选择正反匹配度均大于800(最大值1000)的成分作为鉴定结果。定量:采用图谱库工作站数据处理系统按峰面积归一化法进行定量分析[22],求得各化学成分在挥发性风味物质中的相对含量。

1.3 数据处理与分析

采用SPSS 23.0数据处理软件,对风味成分进行主成分分析。将数据标准化后,以芜菁脆片所检测出的风味成分的相对含量矩阵为指标,用SPSS对其进行主成分分析,得出主成分的特征根及特征向量,以风味物质累计贡献率达到98%以上为标准,确定主成分个数以及每个主成分所反映的因子。依据主成分特征向量和主成分的方差贡献率得出芜菁脆片风味品质的评价模型,根据该模型计算出不同干制方式所得芜菁脆片风味品质的综合得分及相关得分分布图。

2 结果与分析

2.1 不同干燥处理的芜菁脆片总离子流图

采用HS-SPME-GC-MS技术对芜菁脆片的风味成分进行检测,然后在质谱库中进行检索分析,得到不同干燥处理的芜菁脆片风味物质种类及其相对含量,总离子流图见图1。

图1 FD(A),EPD(B),ID(C)与AD(D)脆片香气总离子流图Fig.1 Total ion chromatograms of aroma compounds in FD(A),EPD(B),ID(C)and AD(D)dried chips

2.2 不同干制处理的芜菁脆片香气成分种类及其含量

由表1可知，从4种干制方式处理的芜菁脆片中一共鉴定出50种香气成分,其中分别从FD、EPD、ID、AD4种芜菁脆片鉴定出挥发成分22、17、15、15种,各自有效组成的峰面积分别占总挥发物质峰面积的94.86%、99.14%、95.03%、95.57%。

根据表1可知,4种干制处理的芜菁脆片中的香气成分均含有酯类、酮类和醇类。FD芜菁脆片中挥发性物质包括酯类7种(19.31%),砜类1种(1.81%),醛类2种(27.43%),酮类2种(0.44%),醇类4种(1.07%),醚类3种(2.52%),杂原子类1种(46.64%),烷类2种(0.80%);EPD芜菁脆片中挥发性物质包括酸类1种(8.81%),酯类5种(9.58%),腈类4种(72.95%),酮类1种(0.02%),醇类2种(1.96%),胺类1种(3.23%),醚类1种(0.95%),杂原子类2种(2.50%);ID芜菁脆片中挥发性物质包括酯类2种(2.73%),腈类3种(67.60%),酮类4种(21.86%),醇类3种(4.22%),胺类1种(3.23%),烷类2种(0.36%);AD芜菁脆片中挥发性物质包括酯类3种(5.23%),砜类1种(10.92%),腈类2种(52.35%),醛类1种(23.88%),酮类6种(6.23%),醇类1种(0.05%),烷类1种(1.34%)。

2.2.1 不同干燥处理的芜菁脆片共有的香气成分 从表1中可以看出来,4种干制处理的芜菁脆片中共有的挥发性物质只有 2-甲基-丙酸,1-(1,1-二甲基乙基)-2-甲基-1,3-丙二基酯1种,其中AD中的相对含量较高(>1%)为1.33%。

此外,除了FD其他三种干制方式的芜菁脆片均含有5-己腈和苯代丙腈,其中5-己腈在EPD、ID和AD中的含量分别为34.94%、32.10%和16.78%;苯代丙腈在EPD、ID和AD中的含量分别为15.00%、30.69%和35.57%。

2.2.2 不同干燥处理的芜菁脆片特有的香气成分 不同干制处理的芜菁脆片具有着不同的挥发性物质,结果见表1。在香气成分的相对含量较高的标准下(>1%),FD处理的样品中所特有的香气成分为异硫氰酸环丙酯(9.24%)、2-氯乙基苄基砜(1.81%)、正己醛(26.85%)和2-叠氮-2,3,3-三甲基丁烷(46.64%)共4种,总相对含量84.54%。

EPD处理的样品中所特有的香气成分为5-己炔酸(8.81%)、羟基乙酸苯甲酯(1.20%)、环丙基乙腈(19.97%)、3-甲基-4-庚醇(1.93%)、1-苯甲酰氨基-N-苄基-1-[α-(2-吡啶基硫代)亚苄基]乙酰胺(3.23%)和1-(2-甲基-1-丙烯基)氮丙啶(2.49%)共6种,总相对含量34.70%。

ID处理的样品中所特有的香气成分为3,4,4,-三甲基-5(4H)-异恶唑酮(20.06%)和α-甲苯磺酰胺(3.23%)共2种,总相对含量23.29%。

AD处理的样品中所特有的香气成分为苄基甲基砜(10.92%)、反,顺-2,6-壬二烯醛(23.88%)和1-苯基-5-甲基-1-己酮(2.88%)共3种,总相对含量37.68%。

2.2.3 香气成分分类分析 芜菁中含有糖、蛋白质等物质在干制过程中特别是加热的条件下,容易发生分解形成复杂的复合香气系统[23]，不仅如此,浸糖的芜菁脆片拥有着更高的糖含量,这会使香气系统更加复杂。

从4种干制方式处理的芜菁脆片中,检测到了酸类、酯类、砜类、腈类、醛类、酮类、醇类、胺类、醚类、杂原子类、烃类共计11种香气成分(表1与表2)。

表1 不同干制芜菁脆片香气成分的 GC-MS 分析结果Table 1 GC-MS analysis results of aroma compounds in turnip chips dried by different methods

续表

表2 不同干制芜菁脆片香气成分种类及相对含量Table 2 The groups and amounts of aroma compounds in turnip chips dried by different methods

芜菁脆片中主要的酸类化合物是5-己炔酸,是EPD芜菁脆片的主要香气成分之一(8.81%)。其可能是由于EPD过程中压力急速的变化导致分解反应所产生的。

酯类化合物:FD的低温和真空状态使其干制品保留了较多挥发性脂类(19.31%),而EPD膨化后的干制也是在真空下进行的,其脂类也得到了一定的保留(9.58%)。FD芜菁脆片中有较多的3-丁烯基异硫氰酸酯(6.21%)和异硫氰酸环丙酯(9.24%),而EPD芜菁脆片只含有较多的3-丁烯基异硫氰酸酯(7.35%)。一部分异硫氰酸酯具有强烈的辛辣味,同时也具有芳香味[24]。其中,异硫氰酸烯丙酯和异硫氰酸酯及其类似化合物组成了十字花科植物的辛辣风味的物质即芥子油[24-25]。这两种酯类更加体现了芜菁脆片的芥辣味,在芜菁香气成分中有着十分显著和重要的作用。

砜类化合物:苄基甲基砜在AD芜菁脆片中有一定的含量(10.92%)。砜类化合物一般是由硫醚氧化而成,与后文中AD中不含有硫醚化合物相吻合。

腈类化合物:硫代葡萄糖苷经芥子酶的降解生成的配糖体又可降解为硫氰酸酯、异硫氰酸酯或脱去硫原子而形成腈[26-27]。腈类化合物是EPD、ID、AD的主要香气成分之一,其含量分别为:72.95%、67.60%、52.35%。

醛类化合物:一般认为是由油脂的自动氧化产生[28],并且其阈值较低,给予清香、果香和坚果香的芳香特质[29-30]。醛类化合物中,正己醛是苹果、草莓、香蕉和桃子等水果的嗅感成分,其在FD中比较丰富(26.85%),反,顺-2,6-壬二烯醛具有紫罗兰和黄瓜似香气[31],其在AD中比较丰富(23.88%)。

酮类化合物:酯类在加热时转化成酮类等物质[18],与此同时,处理温度高也使得美拉德反应向着更为复杂的方向进行,产生大量酮类等物质[32]。所以酮类在ID(21.86%)与AD(6.23%)中有着较高的含量,与前文酯类在ID(2.73%)与AD(5.23%)的含量较低相符合。

醇类化合物:在ID中有4.22%,其中5-甲基-5-己烯-2-醇是ID芜菁脆片中醇类化合物的主要成分(4.04%)。醇类化合物在FD、EPD和AD中的含量分别为:1.07%、1.96%和0.05%。醇类虽然其阈值较高,但其与香气的组成关系密切[33]。

胺物质类化合物:在EPD和ID中均有少量存在(均为3.23%)。

醚类化合物:3-丁烯基乙烯基硫醚在FD(1.78%)和EPD(0.95%)中少量存在。硫醚会表现出刺鼻的味道,是十字花科植物的典型香气。硫醚会在一定条件下转化成砜类化合物[34],与前文中FD和EPD中几乎不含有砜类化合物相吻合。

杂原子类化合物:在FD中的高达46.64%(2-叠氮-2,3,3-三甲基丁烷)。与此同时,杂原子类化合物在EPD中也少量存在,其含量为2.50%。

烷烃类化合物:烷烃类物质主要来源于脂肪酸烷氧自由基的断裂,烷烃类物质含量的差别可能是由于其前体物脂肪酸的差别造成的[35]。只有EPD没有烷烃类化合物，与前文只有EPD含有酸类化合物相吻合。并且,烷烃类化合物在芜菁脆片中种类不多,且含量不多。烷烃类化合物的阈值较高,对芜菁脆片的风味贡献不大[31]。

2.3 主成分分析

2.3.1 芜菁脆片香气成分主成分分析 将4种不同干制处理的芜菁脆片的挥发性成分按照其官能团分为11类,见表2。对此11类挥发性成分的主成分分析结果见表3。根据表3,前三个主成分的累积贡献率近似达到100%,可以基本上有效地解释所有变量的原有信息,因此,选择这三个主成分作为香气成分数据分析的有效主成分。

表3 提取3个主成分的特征值以及贡献率Table 3 Eigenvalues and contribution rate of the three principal components

各个主成分在各变量因子之间的载荷值表示了该主成分对该因子所能反应的真实程度。根据表3和表4可知第一主成分的贡献率为55.244%,主要反映了腈类、醛类和胺类3类香气成本的变异信息;第二主成分的贡献率为29.665%,主要反映了砜类的变异信息;第三主成分的贡献率为15.091%主要反映了酸类和酮类的变异信息。另外,从表4中可以看出,第一主成分和醛类呈高度正相关关系,和腈类与胺类呈高度负相关关系;第二主成分和砜类呈高度负相关关系;第三主成分和酮类呈高度正相关关系,和酸类呈高度负相关关系。

表4 主成分的特征向量与载荷矩阵Table 4 Principal component eigenvectors and loading matrix

2.3.2 基于主成分分析建立香气品质评价模型 因为前三个主成分可以解释不同干制处理芜菁脆片的11类香气成分近似100%的变异信息,所以根据前三个主成分的特征向量,用F1、F2和F3三个新的综合指标来代替原来的11类香气成分,进行香气品质的综合评价(表4),得到的芜菁脆片香气成分的线性关系式分别为:

F1=-0.171X1+0.307X2+0.177X3-0.368X4+0.391X5-0.245X6-0.314X7-0.381X8+0.274X9+0.320X10+0.275X11

F2=0.295X1+0.362X2-0.468X3-0.139X4-0.145X5-0.223X6+0.151X7+0.192X8+0.405X9+0.292X10-0.406X11

F3=-0.570X1-0.005X2-0.240X3-0.260X4+0.031X5+0.534X6+0.443X7+0.002X8+0.062X9+0.247X10+0.049X11

式中,F1、F2和F3分别代表综合主成分值得分值相对越大,脆片风味品质越好。

将表3中特征向量进行标准化处理,与所对应的三个主成分的方差贡献率做内积,得到综合风味品质的评价函数F的表达式为:

F=0.55244F1+0.29665F2+0.15091F3

根据以上几个式子得到的风味评价综合得分值及排序,见表5。根据表5可知,第一主成分得分最高的是FD,结合图2,在综合评价得分中,FD得分最高,为24.70171,其次为AD、EPD、ID。由此可见,FD芜菁脆片可以更好地维持芜菁的香气品质。

表5 标准化后主成分综合得分表Table 5 The composite scores table of principal components after standardization

图2 不同干制芜菁脆片的香气得分坐标图Fig.2 The coordinate diagram of sample score

2.3.3 不同干制芜菁脆片香气品质的综合评价 不同干制处理方式的芜菁脆片的香气成分经过主成分分析表现出了明显的差异,其中FD的综合得分最高,香气品质最佳,其次为AD、EPD、ID。其原因可能是FD其低温和真空的环境使其获得了最高的品质。AD干制时间较短,获得了相对较好的品质,而EPD及ID虽然呈真空状态,但其干燥时间较长,导致其品质较低。由此可见,主成分分析可作为不同干制处理方式芜菁脆片香气品质的潜在评价方法,规避了对挥发性成分单一相对含量评价的不足和风味阈值评价的弊端。

3 结论

将HS-SPME-GC-MS提取分析的不同干燥方式的芜菁脆片的香气成分,运用主成分分析法进行分析评分,可以得出FD芜菁脆片的综合得分最高,其香气品质依次优于AD、EPD和ID。另外,由于香气的品质不仅与香气的成分和含量有关,还与香气的阈值和互相间的协调作用有关。本实验只检测分析了前者,但对后者尚未确定,因此对芜菁脆片香气品质难以做出更加深入的结论,我们将于后续的研究中逐渐将其探索清楚。