不同产地香椿嫩芽主要营养成分、活性物质及挥发性成分分析

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(河南省农业科学院农副产品加工研究中心,河南郑州 450000)

香椿[Toonasinensis(A.Juss.)Rome]属于楝科香椿属植物,是我国特有的集材、菜、药于一体的珍贵木本植物,广泛分布于我国大部分地区,以安徽、河南、河北和山东栽培最多[1-2]。香椿全株具有特殊香气,其嫩芽芳香可口,且生长过程中自身能够分泌驱虫抗菌物质,无需施用农药,被称为“绿色保健蔬菜”[3]。香椿嫩芽营养丰富,其所含的蛋白质、氨基酸、维生素C和钙、磷等矿物元素在蔬菜中均名列前茅,并且还含亚油酸、亚麻酸、棕榈酸等不饱和脂肪酸,以及多种人体必需的微量元素如铁、锌、锰等[4-5]。近些年的研究发现,香椿具有显著的抗氧化、抑菌、抗癌、降血糖等生物活性,其物质基础是香椿中含有的多酚、黄酮、多糖、皂苷、生物碱等重要的活性成分[6-7],此外,香椿由于具有独特的香气,对香椿的挥发性成分研究也较多,香椿嫩芽中的挥发性成分主要包括萜类化合物、芳香族化合物、脂肪族化合物和含氮含硫类化合物[8-10]。

近年来,随着香椿的广泛栽培种植,研究者对香椿中的化学成分包括营养成分、活性成分以及挥发性成分进行了多方面的研究,其成分组成及含量受多种因素影响,如产地、品种、栽培环境及采收期等[11]。刘常金等[12]研究了不同产地香椿老叶中黄酮和皂苷含量的差异,结果显示,北方香椿老叶中的黄酮和皂苷含量明显高于南方,植株在活性物质积累方面具有明显优势。王昌禄等[13]比较了河南、湖北、陕西三地采集的香椿籽样品的挥发油含量和化学成分的差异,研究发现主要成分中仅有9种相同,各主要成分含量差异明显,香椿籽中挥发油的主要成分与香椿籽产地密切相关。王晓敏等[14]对河南4个产地的香椿的基本成分和风味物质进行了分析测定,结果表明,香椿的基本成分及挥发性风味物质呈现明显的产地差异性。从以上可以看出,目前对构成香椿特有品质并起主要作用的化学成分的组成和含量随地域性变化规律方面的研究尚不系统,已有的研究工作仅仅是涉及到个别成分分析或产地来源,不能为香椿高品质加工提供指导。因此为了较全面系统地分析不同产地香椿资源优势,本研究选取河南、陕西、山东、山西以及湖北省6个产地规模化露地栽培的红油香椿嫩芽为材料,对其主要营养成分、活性物质及挥发性成分进行分析测定,以期为香椿加工产品的开发、质量控制及产地鉴别提供理论依据,同时为香椿的产业化及开发应用提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

本实验所采用的香椿嫩芽 均为红油香椿,分别来自于河南新乡原阳县、河南桐柏县、山西永济、山东淄博、陕西安康、湖北十堰凤凰沟村,不同地区样品均在2017年4月份香椿嫩芽头茬时采摘,选取新鲜、无病虫害、长度为15～20 cm的香椿嫩芽,切碎后加液氮研磨,得到香椿湿样,冷冻备用。

标准品:牛血清白蛋白(优级纯)、人参皂苷(优级纯)、盐酸小檗碱(优级纯)、芦丁(优级纯) 北京索莱宝生物科技有限公司;无水葡萄糖、抗坏血酸(维生素C) 天津市化学试剂六厂三分厂;没食子酸标准品 天津市光复精细化工研究所;其他试剂 均为国产分析纯。

ME204E型电子天平 梅特勒托利多仪器(上海)有限公司;H1850R型高速冷冻离心机 湖南湘仪公司;SB-5200DTD型超声波清洗机 宁波新芝生物科技股份有限公司;QL-901型旋涡混合器 海门市其林贝尔仪器制造有限公司;GENESYS 10S型紫外-可见分光光度计 美国热电公司;Agilent 7890A-5975C气相色谱-质谱联用仪(HP-5MS 毛细管色谱柱(30 m×0.25 μm×0.25 μm)、配有顶空固相微萃取装置(包括手持式手柄,50/30 μm DVB/CAR/PDMS,15 mL顶空瓶)) 美国安捷伦公司。

1.2 实验方法

1.2.1 营养成分测定

1.2.1.1 可溶性蛋白含量测定 以牛血清白蛋白(BSA)为标准品,采用考马斯亮蓝染色法测定可溶性蛋白含量[15],可溶性蛋白含量测定标准曲线方程为y=0.008x-0.1935(R2=0.9947)。

1.2.1.2 抗坏血酸含量测定 抗坏血酸VC含量测定参考Gao等的方法[16],VC含量测定标准曲线方程为y=0.0549x-0.0096(R2=0.9996)。

1.2.2 活性物质测定

1.2.2.1 总黄酮含量测定 以芦丁为标准品,采用硝酸铝显色法[17]测定总黄酮含量,总黄酮含量测定标准曲线方程为y=2.1525x+0.0158(R2=0.992)。

1.2.2.2 总皂苷含量测定 以人参皂苷为标准品,采用香草醛-冰乙酸比色法[18]测定总皂苷含量,总皂苷含量测定标准曲线方程为y=3.9353x-0.0365(R2=0.993)。

1.2.2.3 总生物碱含量测定 以盐酸小檗碱为标准品,用分光光度法[19]测定总生物碱含量,总生物碱含量测定标准曲线方程为y=62.625x-0.0086(R2=0.989)。

1.2.2.4 总多酚含量测定 以没食子酸为标准品,采用福林酚法[20]测定总多酚含量,总多酚含量测定标准曲线方程为y=3.969x+0.0502(R2=0.9988)。

1.2.2.5 总多糖含量测定 以无水葡萄糖为标准品,采用苯酚-硫酸显色法测定总多糖含量[21],总多糖含量测定标准曲线方程为y=11.185x-0.0374(R2=0.9986)。

1.2.3 挥发性成分分析 顶空固相微萃取(headspace solid phase microextraction,HS-SPME)条件:称取1.0 g液氮研磨处理过的香椿湿样于15 mL 顶空瓶里,密封后于40 ℃水浴中平衡15 min,插入50/30 μm DVB/CAR/PDMS萃取头,萃取30 min 后取出萃取头,插入GC-MS解析5 min。

色谱条件:HP-5MS石英毛细管柱(30 m×0.25 μm×0.25 μm);载气He;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。

质谱条件:四级杆150 ℃,离子源温度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,检索图库为NIST08.LIB。

定性和定量:将阈值设为18,采用HS-SPME-GC-MS联用技术进行检索分析、定性,同时与NIST08.LIB质谱库相匹配,并参考资料、文献等进行人工鉴定;将相似度大于800的峰作为确认,采用峰面积归一法计算各组分的相对含量。

1.3 数据处理

运用DPS软件对实验数据进行处理,用邓肯多重比较法检验差异显著性,5%为显著水平。

2 结果与分析

2.1 不同产地香椿的可溶性蛋白含量

可溶性蛋白含量是果蔬品质和营养的一个重要评价指标,许多可溶性蛋白参与果蔬生理生化代谢过程的调控,与果蔬的生长发育、成熟衰老、抗逆性等密切相关[22]。由图1可知,山东淄博香椿嫩芽中可溶性蛋白含量最高,达0.74%;河南桐柏和陕西安康两个地区香椿嫩芽中可溶性蛋白含量较低,分别为0.51%和0.36%,与其他产地差异显著(p<0.05),其他产地之间差异不显著(p>0.05)。

图1 不同产地香椿的可溶性蛋白含量Fig.1 Total soluble protein contents ofToona sinensis from different growing areas

2.2 不同产地香椿的维生素C含量

维生素C也称抗坏血酸,广泛存在于植物组织中,是鉴定水果蔬菜产品品质的一个重要指标。同时也是人体需求量最大的一种维生素,具有显著的抗氧化和降血胆固醇、减缓动脉粥样硬化等作用,此外还具有预防和治疗坏血病,促进铁的吸收、细胞间质的生长,对辅助治疗缺铁性贫血有一定的作用,在营养与疾病防治中发挥着重要作用[23]。不同产地的香椿嫩芽中的VC含量如图2所示。由图2可知,河南桐柏的香椿嫩芽中的VC含量最高,达0.83%,与其他产地差异显著(p<0.05),其余所有产地的香椿嫩芽中的VC含量在0.40～0.58 mg/g之间。

图2 不同产地香椿维生素C含量Fig.2 Total vitamin C contents ofToona sinensis from different growing areas

2.3 不同产地香椿的活性成分分析

由表1可以看出,从不同产地来看,山西永济总黄酮含量最高,达14.08 mg/g,远远高于其他产地,且差异显著(p<0.05);在总生物碱方面,山西永济和山东淄博含量较高,与其他产地差异显著(p<0.05);在总多糖方面,山西永济含量最高,达9.27 g/100 g,显著高于其他产地(p<0.05),其次为山东淄博,河南新乡和河南桐柏无显著性差异(p>0.05),陕西安康含量最低;在总多酚方面,不同产地差异显著(p<0.05),其中山西永济含量最高;在总皂苷方面,山西永济含量最高,达4.31 g/100 g,与其他产地差异显著(p<0.05),其次为河南桐柏,河南新乡含量最低,其余三个地区无显著性差异(p>0.05)。总体来说,山西永济香椿在总黄酮、总生物碱、总多糖、总多酚、总皂苷含量都较高,明显优于其他几个产地,这可能与不同产地光照、水分、气候、土壤等种植条件差异性有关。因此,在选择加工或栽培原料来源时,可根据产品对性质要求选择适宜的产地取材。此外,目前研究对象主要集中在我国中半部省份,要确切阐明产地对香椿活性成分的影响以及积累规律,还需要进一步扩大样品范围至全国,从产地的气候条件、土壤类型以及栽培环境等等方面进行深入的研究。

表1 不同产地香椿活性成分比较Table 1 Active composition of Toona sinensis from different growing areas

2.4 不同产地香椿的挥发性成分比较

不同产地香椿嫩芽挥发性成分总离子图及其相对含量见图3、表2所示。

图3 不同产地香椿挥发性成分的总离子图Fig.3 Total ion chromatograms of volatile compounds in Toona sinensis from different growing areas注:A.河南新乡;B.河南桐柏;C. 山西永济;D.山东淄博;E.陕西安康;F.湖北十堰。

6个产地香椿嫩芽中共检出87种挥发性物质,其中河南新乡检出16种,河南桐柏33种,山西永济29种,山东淄博28种,陕西安康33种,湖北十堰陆35种。挥发性成分包括萜烯类26种、芳香烃类11种、醛类10种、酯类8种、醇类8种、酮类6种、含硫类5种、烷烃类3种、呋喃类2种及其他物质8种。各类挥发性成分相对含量及种类如表2及图4所示,6个产地相对含量较高的均为萜烯类、醛类和含硫类物质,所占比例分别为90.63%、87.54%、69.01%、89.03%、84.99%、77.42%,并且萜烯类物质在不同产地中的种类均最多,其中山东淄博含萜烯类物质最多,为14种;湖北十堰含醛类物质和含硫类物质最多,分别为8种和4种。

图4 不同产地香椿各类挥发性成分种类Fig.4 Types of volatile compounds in Toona sinensis from different growing areas

表2 不同产地香椿挥发性成分及其相对含量Table 2 Volatile compounds and their relative contents in Toona sinensis from different growing areas

续表

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由表2可知,不同产地香椿嫩芽共检出6种共有化合物,分别为2-己烯醛、β-环柠檬醛、2,4-二甲基噻吩、2-巯基-2,3-二氢-3,4-二甲基噻吩、古巴烯和[1R-(1R*,4Z,9S*)]-4,11,11-4,11,11-三甲基-8-亚甲基-二环[7.2.0]十一碳-4-烯,并且6种共有化合物在不同产地样品中的相对含量之和占比在46.72%～83.40%之间,其中河南新乡6种共有组分的相对含量之和占比达83.40%,构成了香椿嫩芽的主要香气成分,由此可见,不同产地的香椿嫩芽挥发性成分具有一定的相似性。

萜烯类物质是香椿挥发性成分中种类最多的一类化合物,6个产地分别检出5、13、6、14、9、8种化合物,其中山东淄博萜烯类相对含量最高,达48.87%,其次为湖北十堰31.03%。香椿中的萜烯类物质主要包括古巴烯、[1R-(1R*,4Z,9S*)]-4,11,11-4,11,11-三甲基-8-亚甲基-二环[7.2.0]十一碳-4-烯、1,5,9,9-四甲基-(-)-三环[6.2.1.0(4,11)]十一碳-5-异丁香烯、石竹烯、π石竹烯、蛇麻烯-(v1)、π-愈创木烯、β-蛇床烯等,其中古巴烯和[1R-(1R*,4Z,9S*)]-4,11,11-4,11,11-三甲基-8-亚甲基-二环[7.2.0]十一碳-4-烯在6个产地香椿中均有检出,山东淄博检出的古巴烯相对含量最高,达7.87%,湖北十堰检出的[1R-(1R*,4Z,9S*)]-4,11,11-4,11,11-三甲基-8-亚甲基-二环[7.2.0]十一碳-4-烯相对含量最高,达20.10%。山东淄博检出7种萜烯类化合物,在其他产地未发现,河南桐柏检出5种萜烯类化合物,在其他产地未发现。研究表明萜烯类化合物大多具有花香、甜香以及果香等香气[24],对香椿的香气起着重要的作用。

醛类物质也是香椿挥发性成分中相对含量较高的一类物质,其在不同产地中相对含量占比为20.92%～40.59%。不同产地检测出的共有醛类物质为2-己烯醛和β-环柠檬醛,其中2-己烯醛相对含量最高,在5.94%～37.28%之间,相关研究表明,2-己烯醛是植物叶片气味的主要成分,在遇到高温环境时该物质的含量会急剧升高[25],而β-环柠檬醛在不同产地中的相对含量在0.33%～1.48%之间,该物质阈值极低,具有柠檬型清香气味[26]。湖北十堰共检出8种醛类物质,有4种在其他产地未发现。这些醛类物质对香椿的总体香气有一定的贡献作用。

含硫类物质一般具有较低的阈值和较强的气味,呈现出类似于大蒜、洋葱、韭菜等刺激性味道[27-28],对香椿的独特风味起着关键性作用。6个产地共检测出5种含硫类物质,分别为噻吩类化合物、硫醚类化合物、硫醇类化合物,相对含量在19.24%～49.32%之间。不同产地检测出的共有含硫类物质为2,4-二甲基噻吩和2-巯基-2,3-二氢-3,4-二甲基噻吩,研究表明,香椿的特征香气物质为2-巯基-2,3-二氢-3,4-二甲基噻吩[29],而不同产地中检测出的2,4-二甲基噻吩相对含量最高,在14.49%～36.63%之间,推测是由于2-巯基-2,3-二氢-3,4-二甲基噻吩加热不稳定,失去一个H2S分子生成的。此外,二(1-丙烯基)硫醚、二丙烯基硫醚以及1-(乙巯基)-2-甲基-1-丙烯都是化学性质非常不稳定的化合物,都容易转化为噻吩类物质,这也是这些化合物呈现出相似的离子碎片的原因。

酯、醇类和酮类物质也是构成香椿香气成分的重要组成部分,6个产地共检出酯类8种、醇类8种、酮类6种,山西永济酯类物质相对含量最高,达到16.92%,而酮类物质在山东淄博和陕西安康地区未检出。由于酯、醇类和酮类物质大多具有不同的果香、花香、清香等香气味道,且阈值一般较低[30],可能对香椿中含硫类物质的刺激性气味起到一定的中和作用。

芳香烃类化合物种类也较多,在不同产地共检出11种,相对含量在2.03%～7.30%之间,检出3种烷烃类化合物,烃类化合物的阈值较高,一般对香气的贡献率不大。此外,山西永济和湖北十堰各检测出1种呋喃类化合物,分别为4,5,5a,6,6a,6b-六氢-4,4,6b-三甲基-2-(1-甲基乙烯基)-2H-环丙烷[g]苯并呋喃和3-甲基呋喃,6个产地香椿还检出8种其他类物质,包括杂环化合物、烯烃氧化物以及酚醌化合物。

3 结论

结果表明,红油香椿嫩芽中的主要营养成分、活性物质及挥发性香气成分呈现明显的产地差异性。山东淄博香椿嫩芽中可溶性蛋白含量最高(0.74%),河南桐柏香椿嫩芽中的VC含量最高(0.83%)。在活性物质方面,山西永济香椿在总黄酮、总生物碱、总多糖、总多酚和总皂苷含量都明显高于其他产地。6个产地香椿嫩芽共检出87种挥发性物质,其中河南新乡检出16种,河南桐柏33种,山西永济29种,山东淄博28种,陕西安康33种,湖北十堰陆35种。不同产地相对含量较高的为萜烯类、醛类和含硫类物质,且检出种类最多的均为萜烯类物质。不同产地香椿嫩芽共检出6种共有化合物,分别为2-己烯醛、β-环柠檬醛、2,4-二甲基噻吩、2-巯基-2,3-二氢-3,4-二甲基噻吩、古巴烯和[1R-(1R*,4Z,9S*)]-4,11,11-4,11,11-三甲基-8-亚甲基-二环[7.2.0]十一碳-4-烯,其中含硫类尤其是噻吩类物质与香椿的特征香味有关,同时萜烯类、醛类、酯类、醇类、酮类等化合物共同组成了香椿嫩芽的挥发性成分,各香气成分间相互作用,最终使香椿呈现出其独特的香气风味。

综合分析由于气候、土壤等生长栽培条件的差异,不同产地香椿嫩芽在主要营养成分、活性物质以及挥发性香气成分方面表现出较大的差异,从而导致其感官风味上的差异,因此可以根据加工特性及产品用途选择合适的产地,达到高品质产品的要求。