3-咖啡酰奎尼酸对水果干燥过程中5-羟甲基糠醛形成和色度的影响

周康宁 - 郑 洁 欧仕益 - 裴珂晗,2 -,2

(1. 暨南大学食品科学与工程系，广东 广州 510632；2. 株洲千金药业股份有限公司，湖南 株洲 412000)

干燥是水果行业的传统加工方式，通过控制水果中的水分含量，抑制酶和微生物引起的食品腐败，延长水果的货架期[1]。水果含有丰富的还原糖、抗坏血酸、色素和酚类等物质，在干燥过程中会通过美拉德反应、己糖脱水反应等形成5-HMF[2-3]，或发生酶促褐变、色素降解、抗坏血酸氧化等反应造成水果颜色加深，影响产品品质[4]。

5-HMF是食品中常见的内源性污染物，对人体黏膜、横纹肌和内脏具有刺激和损伤作用[5]，具有基因毒性和遗传毒性[6]，广泛存在于干制水果、咖啡、烘焙制品中。同时，绿原酸含量丰富的水果如李子，其干果制品5-HMF的含量很高，且不同水果的干果制品中5-HMF含量差异也很明显[7]。绿原酸是一类由奎尼酸和数目不等的咖啡酸经酯化反应缩合而成的酚酸[8]，在菠萝、草莓、蓝莓等水果中已发现71种绿原酸及其衍生物[9-10]。其中，单咖啡酰奎尼酸(包括3-咖啡酰奎尼酸、4-咖啡酰奎尼酸和5-咖啡酰奎尼酸)在水果、蔬菜和咖啡中的含量占绿原酸总量的67%以上[11]。3种单咖啡酰奎尼酸中，3-咖啡酰奎尼酸(3-CQA)在水果中含量最高。前期研究发现：在糖酸反应体系中，绿原酸对5-HMF的影响与pH有关，在pH为2.80和3.70时，绿原酸抑制5-HMF生成，而在pH为4.70和5.70时，绿原酸对5-HMF的形成有促进作用[12]；在葡萄糖/天冬酰胺体系中，绿原酸可以通过促进3-脱氧奥苏糖的形成来促进果糖脱水体系和果糖/天冬氨酸体系中5-HMF的生成[13]；在果汁加热体系中绿原酸也对5-HMF的形成有促进作用[14]。

试验拟以新鲜水果为原料，采用浸泡的方式添加绿原酸，探讨热风干燥过程中3-CQA对不同干制水果中5-HMF形成和色度的影响，为水果热加工制品中5-HMF和褐变的控制提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料与试剂

苹果、雪梨、杏果、三华李：市售；

5-HMF：纯度≥98%，北京百灵威科技有限公司；

蔗糖、葡萄糖、果糖：分析纯，上海晶纯生化科技股份有限公司；

3-CQA：纯度≥98%，湖南怀化盛德生物科技有限公司；

3,5-二硝基水杨酸：分析纯，国药集团化学试剂有限公司；

甲醇、苯酚、碳酸钙、酒石酸钾钠、无水亚硫酸钠：分析纯，天津市大茂化学试剂厂；

乙腈：色谱纯，美国Mallinckrodt Baker公司；

盐酸(分析纯)、甲酸(色谱纯)：天津市科密欧化学试剂有限公司；

液相用水：华润怡宝食品饮料(深圳)有限公司。

1.1.2 主要仪器设备

高效液相色谱仪：LC-20AT型，配备SPD-M20A 光电二极管阵列检测器，日本Shimadzu公司；

离子色谱仪：ICS-2500型，配备ED50A 脉冲安培检测器，美国Dionex公司；

真空干燥箱：DZX-6020B型，上海福玛实验设备有限公司；

低速离心机：KDC-12型，安徽中科中佳科学仪器有限公司；

紫外-可见光分光光度计：UV-9600型，北京瑞利分析仪器有限公司；

恒温振荡器：SHA-BA型，江苏省金坛市医疗仪器厂；

台式数控超声波清洗仪：KQ-500D型，东莞市科桥超声波设备有限公司；

二两装高速中药粉碎机：111型，瑞安市永历制药机械有限公司；

全自动白度计：WS-3C型，北京康光仪器有限公司；

集热式磁力加热搅拌器：DF-Ⅱ型，常州市伟嘉仪器制造公司；

旋转蒸发仪：N-1100型，上海爱朗仪器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 水果组分的测定 分别取4种新鲜水果(苹果、雪梨、杏果和三华李)可食部分150 g，加水匀浆后，测定水果中的5-HMF、3-CQA和糖含量。

1.2.2 不同浸泡时间下3-CQA对苹果干燥体系中5-HMF形成的影响 将新鲜苹果切成直径为3.0 cm，厚度为1 mm的小圆片，取300片苹果片在1 500 mL 5 mmol/L 3-CQA溶液中分别浸泡0，15，30，45，60，90，120 min。苹果片浸泡后吸干水分，将其均分为两组，一组直接提取测定其中的3-CQA，一组置于70 ℃恒温干燥箱中干燥24 h。

提取测定：取烘干或浸泡的苹果片3片粉碎后加入30 mL甲醇，超声波提取30 min，3 500 r/min离心20 min，取上清液，重复3次。40 ℃旋转蒸发收集上清液，将浓缩物用水溶解，经0.45 μm微孔滤膜过滤后，测定水果体系中5-HMF和3-CQA含量。

1.2.3 苹果干燥过程中5-HMF、3-CQA和水分含量变化 将新鲜苹果切成直径为3.0 cm，厚度为1 mm的小圆片后，400片苹果片分为两组：空白组直接置于70 ℃恒温鼓风干燥箱中分别干燥1，2，3，4，5，6，12，18，24 h；3-CQA组在1 000 mL 5 mmol/L 3-CQA溶液中浸泡30 min 后置于70 ℃恒温鼓风干燥箱中干燥。待其冷却后，称重，按式(1)计算水分含量，并对苹果片中的5-HMF和3-CQA进行提取测定。

(1)

式中：

W——水分含量，%；

m0——苹果片总质量，g；

m1——苹果片中干物质质量，g；

mi——干燥后苹果片质量，g。

1.2.4 不同处理条件下3-CQA对4种干制水果中5-HMF形成和色度的影响 将新鲜水果(苹果、雪梨、杏果和三华李)切成直径为3.0 cm，厚度为1 mm的小圆片，每组50片，分别用以下4种方式处理：

① 处理A：沸水热烫120 s，置于250 mL去离子水中浸泡；

② 处理B：直接放入250 mL去离子水中浸泡；

③ 处理C：沸水热烫120 s，置于250 mL 5 mmol/L的 3-CQA溶液中浸泡；

④ 处理D：直接放入250 mL 5 mmol/L 3-CQA溶液中浸泡。

按各处理浸泡30 min后，吸干水分，将水果片置于70 ℃恒温干燥箱中干燥6 h，取出冷却至室温，用色度仪测定其色度参数，并测定水果片中的5-HMF和3-CQA含量。

1.2.5 分析方法

(1) 还原糖含量的测定：参照文献[15]，采用3,5-二硝基水杨酸法对新鲜水果中的还原糖进行测定，根据实际样品情况，修改如下。

新鲜水果还原糖的提取：取2.00 g水果在50 mL锥形瓶中匀浆，加入0.30 g无水碳酸钙和20 mL去离子水，在80 ℃以150 r/min振荡30 min。待其冷却后，3 500 r/min离心20 min，取上清液定容至25 mL，得到还原糖提取液。

取1 mL提取液、1 mL去离子水和1.5 mL DNS试剂，加入25 mL具塞比色管，混合均匀后，沸水浴加热5 min，冷却至室温，定容至25 mL，在540 nm处测定吸光度。采用不同浓度的葡萄糖标准溶液绘制标准曲线。

(2) 总糖含量的测定：参照文献[16]，修改如下，取2 mL新鲜水果提取物，加入2 mL 2 mol/L HCl和1 mL去离子水，80 ℃水浴加热20 min。冷却后用2 mol/L NaOH中和，定容至10 mL，按照1.2.5(1)测定还原糖的方法测定新鲜水果中的总糖含量。

(3) 糖组分含量的测定：称取2.00 g果肉加入2 mL去离子水，在研钵中研磨，将研磨液倒入15 mL离心管中，再加入2 mL去离子水对果肉进行研磨，重复3次，超声波提取30 min，3 500 r/min离心20 min，取上清液定容至10 mL，得到新鲜水果糖组分提取液[17]。取2 mL提取液，用0.1 mol/L NaOH 调节pH至10.0，采用离子色谱法测定果汁体系中的蔗糖、葡萄糖和果糖含量：色谱柱为AminoPac®PA-10(2 mm×250 mm，5 μm)；检测器为ED50A脉冲安培检测器；洗脱条件：0.24 mol/L NaOH作为流动相，流速0.2 mL/min，柱温30 ℃。分别选取蔗糖、葡萄糖和果糖标准溶液，采用同样方法测定并绘制标准曲线。

(4) 5-HMF测定：采用HPLC法[18]。色谱柱为Zorbax®SB-Aq C18(4.6 mm×250 mm，5 μm)；检测器为SPD-M20A光电二极管阵列检测器；洗脱条件：流动相为纯水，流速0.6 mL/min，柱温40 ℃，检测波长284 nm。采用不同浓度的5-HMF标准溶液绘制标准曲线。

(5) 3-CQA含量的测定：采用HPLC法[19]。色谱柱为Zorbax®SB-Aq C18(4.6 mm×250 mm，5 μm)；检测器为SPD-M20A光电二极管阵列检测器；洗脱条件：流动相为1.0%甲酸—水溶液与乙腈的混合液(体积比91∶9)，流速0.5 mL/min，柱温40 ℃，检测波长324 nm。采用上述方法选用3-CQA标准溶液进行测定并绘制标准曲线。

(6) 色度测定：利用全自动白度计对水果干燥体系样品的色度参数L*，a*，b*值进行测定，分别按式(2)～(4)计算样品色彩饱和度、色调角和色度差[20-21]。

C*=(a*2+b*2)1/2，

(2)

Ho=tan-1(b*/a*)，

(3)

ΔE=(ΔL*2+Δa*2+Δb*2)1/2，

(4)

式中：

C*——色彩饱和度；

H°——色调角；

ΔE——色度差；

L*——样品的亮度；

a*——样品的红绿值；

b*——样品的黄蓝值。

1.2.6 数据分析 每处理重复5次。试验数据采用SPSS 21.0软件进行方差分析，并在P<0.05水平下进行Duncans显著性差异分析。

2 结果与分析

2.1 4种新鲜水果中5-HMF、3-CQA和糖组分含量

如表1所示，4种新鲜水果中均未检测到5-HMF，但都含有3-CQA，含量从低到高依次为雪梨、苹果、杏果、三华李。其中，三华李的3-CQA含量约为雪梨的3倍。在糖组分方面，总糖含量从高到低依次为苹果、杏果、雪梨和三华李。各水果中还原糖占总糖比例均超过50%，最高为三华李(77%)。进一步对比4种水果的糖组分：杏中蔗糖和葡萄糖含量最高，果糖含量最低；雪梨中葡萄糖和蔗糖含量最低；苹果中果糖含量最高，同时含有较高的葡萄糖和蔗糖；三华李中果糖和葡萄糖含量相当。

2.2 不同浸泡时间下3-CQA对水果干燥过程中5-HMF形成的影响

糖类是影响5-HMF形成的重要因素之一，在单糖中仅有果糖和葡萄糖能够形成5-HMF，且果糖烯醇化速度比葡萄糖更快[22]。因此，选用果糖含量最高且3-CQA含量较低的苹果为后续研究对象，研究在不同浸泡时间下，3-CQA对苹果干燥过程中5-HMF形成的影响。

由图1可知，苹果经干燥后会生成5-HMF，且经3-CQA浸泡会促进5-HMF的形成。浸泡时间越长，渗入苹果细胞间隙或细胞内部的3-CQA越多，苹果干燥体系生成的5-HMF也逐渐增多。这一现象表明：3-CQA对5-HMF形成的促进作用与其浸泡时间呈正相关。同时，延长浸泡时间使得3-CQA与多酚氧化酶间作用更加充分，生成的大量醌型3-CQA可能通过Strecker降解来促进5-HMF的生成[23-24]。

表1 4种水果中5-HMF、3-CQA和糖组分的含量†

† “—”表示未检测到；同列字母不同代表样品间存在显著性差异(P<0.05)。

字母不同代表不同处理间5-HMF或3-CQA含量存在显著差异(P<0.05)

图1 不同浸泡时间下3-CQA对苹果干燥过程中5-HMF形成的影响

Figure 1 Effect of soaking with 3-CQA solution at different time on 5-HMF formation in apple crisps after drying at 70 ℃ for 24 h (n=5)

2.3 干燥过程苹果中5-HMF、3-CQA和水分含量变化

在苹果干燥过程中，水分含量随着干燥时间的延长而减少，5-HMF含量随着干燥时间的延长而增加。由于己糖脱水生成5-HMF时，会产生2分子以上的水，因此，在低水分含量体系中，含水量增高抑制5-HMF形成，而含水量降低则促进5-HMF生成[25]。苹果干燥1 h后，水分含量由92.8%下降至0.9%左右(见图2)，体系中开始有5-HMF生成(见图3)。当干燥6 h后，体系中水分含量趋近于0(见图2)，5-HMF生成速率减缓。3-CQA的添加促进了干燥体系中5-HMF的形成：空白组干燥12 h后苹果片中HMF含量达(2.9±0.1) μg/g的5-HMF，而3-CQA组为(5.7±0.1) μg/g(见图3)；随着加热时间的延长，3-CQA越促进体系中5-HMF的形成。此外，在苹果干燥过程中，3-CQA随着干燥时间的延长而减少(见图4)，是由于3-CQA具有热不稳定性[26]，在苹果干燥过程中发生了热降解。前1 h，3-CQA含量发生骤降，随着干燥时间的延长，其减少速率下降。

2.4 不同处理条件下3-CQA对水果干燥过程中5-HMF形成和色度变化的影响

2.4.1 5-HMF形成 4种水果均含有大量的游离还原糖，因此，在水果干燥过程中，果糖等己糖会脱水形成5-HMF，蔗糖会水解成葡萄糖和果糖，它们进一步脱水形成5-HMF[27]。经检测，4种水果经70 ℃干燥后均产生了5-HMF，三华李果干中产生的5-HMF含量最高，其次为杏果、苹果和雪梨(表2)。糖类是5-HMF形成的重要反应底物，且在蔗糖，葡萄糖和果糖中，果糖烯醇化速度最快[28]。因此，果糖含量最高的苹果直接经去离子水浸泡后干燥产生的5-HMF含量约是雪梨的20倍。3-CQA可以促进果汁加热体系中5-HMF的形成[14]；从而，3-CQA含量丰富的三华李直接用去离子水浸泡后干燥产生的5-HMF含量约是雪梨的130倍。同时，经3-CQA浸泡后的水果干燥后形成的5-HMF含量高于未经3-CQA浸泡的水果，如：经3-CQA浸泡的雪梨果干中5-HMF含量是未浸泡雪梨果干的10倍左右；说明3-CQA也能促进水果干燥体系中5-HMF的形成。而经热烫处理的水果片干燥产生的5-HMF远少于未热烫的水果片。以三华李为例，未经热烫且浸泡于去离子水中的水果片干燥生成的5-HMF含量约为经热烫处理组的35倍。由于水果干燥过程中5-HMF主要是通过葡萄糖和果糖在酸性条件脱水产生的，因此，热烫过程水果片中水溶性糖类的流失可能是热烫处理组5-HMF含量降低的原因。

图(a)中由于干燥1 h内水分含量下降明显，添加绘制图(b)展示1 h后水分含量变化

图2 不同干燥时间下苹果水分含量变化

Figure 2 Changes in moisture content in apple after drying at 70 ℃ for different time

图3 不同干燥时间下苹果中5-HMF的变化

Figure 3 Changes in 5-HMF in apple after drying at 70 ℃ for different time

图4 不同干燥时间下苹果中3-CQA的变化

Figure 4 Changes in 3-CQA in apple after drying at 70 ℃ for different time

去离子水组经热烫后，水果片中的3-CQA含量降低；而3-CQA组，热烫处理后的水果片对3-CQA的吸收量增多。因为在热烫过程中液泡中的水分子携带一些水溶性物质如3-CQA、糖和无机盐等从细胞内渗透到细胞外[29]，导致水果片中3-CQA流失。而对于3-CQA组，热烫处理的水果片的细胞壁和细胞膜处于失活状态，无法正常控制细胞吸水和失水，大量3-CQA进入细胞内部；且热烫处理会使细胞内多酚氧化酶部分或全部失活，阻止了3-CQA的氧化。因此，水果片经热烫处理并浸泡于3-CQA溶液中能够显著增加其内部3-CQA含量。

2.4.2 色度变化 4种水果热风干燥前后的色度参数如表3所示，水果干燥后L*值下降，而a*值、b*值和C*值增加，说明水果在干燥过程中发生了褐变反应[30]。从表3可知，新鲜苹果和杏果的H°均在55°左右，其色调呈橙红色；而雪梨接近90°，色调为黄色。此外，三华李的H°为40°，以红紫色为主，是因为其含有大量的花青素。苹果、杏果和三华李经干燥后，H°变化不大，都集中在50°左右，呈现橙红色。

表2 不同处理下3-CQA对水果干燥过程中5-HMF形成的影响†

† 小写字母不同代表同一水果不同处理间存在显著性差异(P<0.05)，大写字母不同代表同一处理不同水果间存在显著性差异(P<0.05)。

表3 不同处理下3-CQA对水果干燥过程中色度的影响†

† “—”代表未计算；字母不同代表同一水果不同处理间的差异显著(P<0.05)。

在4种水果中，雪梨的色度受不同处理方式的影响最大，而杏果和三华李的色度变化小。水果片经热烫后，L*值较高，则亮度高且更加通透，而未经热烫处理的果片L*值较低。此现象可能是因为：① 水果经热烫处理后，多酚氧化酶失活，不能发生酶促褐变[31]。② 水果经热烫处理后，可溶性糖类部分流失[29]，己糖脱水反应底物减少，以己糖脱水为主的非酶褐变程度降低[7]。因此，经热烫后的水果片在干燥过程中，褐变程度较低，亮度大。直接浸泡3-CQA的水果片，其L*值最低，C*值较高。由于此处理下多酚氧化酶未失活且在高浓度的3-CQA浸泡下，水果片在浸泡和干燥过程前期中均发生酶促褐变。此外，在干燥过程，3-CQA会促进水果中己糖脱水[14]，加剧非酶褐变程度。总的来说，在4种处理方式中，直接用水浸泡的水果片的色度变化最小，而直接浸泡3-CQA溶液的色度变化最大。

3 结论

3-CQA是水果中含量最高的绿原酸，试验通过模拟水果热风干燥的工业化加工条件，研究了3-CQA对水果干燥体系中5-HMF形成的影响和色度变化。结果表明：3-CQA对水果干燥过程中5-HMF的形成有促进作用，并增加水果褐变程度；传统果蔬加工过程中的热烫处理在灭酶的同时，对降低干燥过程中5-HMF生成量也有显著效果。文章从3-CQA和糖的角度解释了不同的水果果干制品中5-HMF差异的原因，因此，实际生产可选择绿原酸含量较少的水果作为水果果干制品的原料，并注意加工过程中糖的用量和种类；同时严格控制热烫处理，将绿原酸剩余量作为热烫处理指标之一，优化热烫过程。试验仅模拟了最常见的热风干燥方式进行研究，为了更加全面地对水果干燥过程中的5-HMF和色度进行控制，绿原酸在其他干燥方式下对5-HMF形成和色度的影响及机制也有待完善。