冷热破碎工艺对小包装番茄酱贮藏期间非酶褐变的影响

赵文启，李珍慈，宿胜男，陈国刚，王陈强，江 英,*

（1.石河子大学食品学院，新疆 石河子 832003；2.新疆冠农果茸集团股份有限公司技术中心，新疆 库尔勒 841000）

番茄是一年生茄科草本植物，色泽鲜艳，酸甜可口，含有机酸、VC、番茄红素、可溶性糖等多种营养元素。全世界有总产量30%的番茄用于加工，其中番茄酱占番茄加工制品总量的65%以上[1-2]。目前，加工番茄的工艺有热破碎工艺和冷破碎工艺两种。冷破碎工艺主要在高质量分数36%~38%的酱中使用，而热破碎工艺主要在低质量分数28%~30%的酱中使用[2]。热破碎工艺的主要特点是迅速降低酶类对果胶质的分解作用，但由于处理时间较长和持续高温，番茄籽中的胶体物质易于流出，造成一些物质的损失[3]。在色泽方面，热破碎产品色泽多暗红，而冷破碎产品鲜红明亮[3]。在气味和滋味方面，冷破碎工艺对保留原番茄的滋味和气味比热破碎工艺更好[3]。在红色素方面，热破碎工艺产品的红色素比冷破碎工艺产品损失大[3]。另外，番茄籽经过长时间高温处理，在打浆过程中会有少许黄色素混入产品，对红色素指标造成干扰，若控制不当还会形成黄斑[3]。在贮藏方面，生产企业发现在番茄酱贮藏过程中会发生非酶褐变，造成产品变色以及营养、品质和风味的降低，缩短了贮藏周期[4]。因此，解决番茄酱贮藏期非酶褐变的相关问题显得十分必要。

针对果蔬贮藏与加工过程中的非酶褐变，国内外学者进行了很多相关研究。王素雅等[5]对香蕉汁贮藏过程中的非酶褐变进行了研究，结果表明：还原糖与氨基化合物发生的美拉德反应是造成香蕉汁贮藏期间非酶褐变的主要原因。Buedo等[6]研究发现：美拉德反应是浓缩桃汁褐变的主要成因，37℃贮存112 d后总氨基酸含量减少60%，其中天门冬氨酸的减少占总氨基酸减少量的71%。韩燕等[7]对鲜橙汁冷藏期间色泽变化进行了研究，表明橙汁色泽参数变化与类胡萝卜素和VC含量的变化呈显著正相关，与褐变指数呈显著负相关。Johnson等[8]认为橙汁的非酶褐变与糖和氨基酸的反应、VC变化均有关，而Solomon等[9]认为橘汁在贮藏期间的非酶褐变则主要是抗坏血酸降解导致的。Mudahar等[10]研究表明：高糖、低pH的番茄汁极易发生褐变反应，导致5-羟甲基糠醛（HMF）的积累，造成褐变，在有酸性物质特别是有机酸存在的情况下加热会产生呋喃类的物质，己糖产生HMF即为主要的呋喃衍生物。目前，针对番茄酱贮藏期间非酶褐变的研究相对较少。本研究以番茄酱的加工工艺为切入点，通过对冷热破番茄酱中与非酶褐变相关指标的测定，探究冷、热破番茄酱在贮藏期间发生非酶褐变的主要原因以及冷、热破工艺对番茄酱非酶褐变的影响，以期为提高番茄酱产品货架期提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

1.1.1 材料与试剂

可溶性固形物含量分别为36°Brix和28°Brix的冷、热破碎复合铝箔小包装番茄酱各2 000 g，由新疆石河子宝路番茄酱有限公司提供。

偏磷酸、碳酸钠、氢氧化钠、无水乙醇、95%乙醇、甲醇、甲醛、甲苯、冰醋酸、异丙醇、蔗糖、葡萄糖、果糖、对甲苯胺、巴比妥酸、氨基酸。

1.1.2 试剂与仪器

Neofuge 15R型台式高速冷冻离心机，HH-8型数显电热恒温水浴锅，WP-25A型恒温培养箱，722型光栅分光光度计，BS223S型电子天平，2010-LCA型液相色谱仪。

1.2 方法

1.2.1 试验设计

将冷、热破复合铝箔小包装番茄酱分别放置于20℃及35℃的环境中贮藏12个月，每1个月对两种番茄酱进行相关指标的检测，各项指标均进行三次平行测定，结果取平均值。

1.2.2 测定项目与方法

1.2.2.1 褐变指数

取1 g番茄酱并与20 mL 95%乙醇混合，混合均匀后在7 000 r/min条件下离心10 min，上清液在420 nm处测定吸光度。蒸馏水作空白，以420 nm处的吸光度A420表示褐变指数。

1.2.2.2 番茄酱的成分分析

5-HMF含量的测定：参照李良等[11]的方法。葡萄糖、果糖、蔗糖的测定：采用高效液相色谱法[12]，Agilent Zorbax carbohydrate 柱(4.6 mm × 250 mm，5.0 μm)；流动相为乙腈-水（75∶25(V/V)）；柱温 30 ℃；检测池温度35℃；流速1.0 mL/min，进样量20 μL。氨基酸含量的测定：参照GB 5009.124—2016[13]的方法，采用氨基酸全自动分析仪进行分析。氨基酸态氮的测定：参照GB 5009.235—2016[14]的方法。VC含量：采用2,6-二氯酚靛酚滴定法测定[15]。pH测定：酸度计测定，参照GB/T 12456—2008[16]的方法。番茄红素含量采用甲苯甲醇抽取法测定[17]。可滴定酸的测定：滴定法，以柠檬酸表示，参照GB/T 12456—2008[16]的方法。还原糖含量的测定：直接滴定法，参照GB 5009.7—2016[18]的方法。

1.2.3 数据处理

采用SPSS 19.0和Origin 8.5进行试验数据处理。

2 结果与分析

2.1 贮藏过程中番茄酱褐变指数A420的变化

由图1可以看出，贮藏期间，在20℃条件下贮藏的冷破（CP）、热破（TP）番茄酱褐变指数A420增加缓慢。35℃条件下贮藏的冷、热破番茄酱在前4个月变化不明显，从第4个月开始变化明显加快。两种温度条件下的冷破番茄酱褐变指数均比热破番茄酱高。综上，贮藏温度对番茄酱的褐变有一定的影响，贮藏温度越高且时间越长，褐变越明显。相比热破番茄酱，冷破番茄酱的褐变更快。因此缩短贮藏期和降低贮藏温度可有效抑制褐变速率。

2.2 贮藏过程中番茄酱中氨基酸态氮含量的变化

由图2可知，经过12个月的贮藏，冷、热破番茄酱在20℃条件下贮藏过程中氨基酸态氮含量（AANC）变化不显著。而在35℃条件下，冷破番茄酱的氨基酸态氮含量最终损失约68.82%，热破番茄酱的氨基酸态氮最终损失约62.01%，氨基酸态氮的含量因贮藏时间的延长和温度升高而持续降低。在贮藏过程中，氨基酸与还原糖发生美拉德反应是造成两种番茄酱中氨基酸态氮损失的主要原因[19]。

由图3和图4所示，经高效液相色谱法分析得出：冷破番茄酱的氨基酸在35℃条件下达到最高损失率。其中，谷氨酸、天冬氨酸、缬氨酸损失率分别为65.5%、42.3%、36.82%。热破番茄酱的氨基酸同样在35℃条件下达到最高损失率。其中，谷氨酸、天冬氨酸、苯丙氨酸损失率分别为41.4%、25.3%、21.82%。

2.3 贮藏过程中番茄酱中VC含量的变化

如图5所示，经过12个月的贮藏，冷、热破番茄酱在贮藏期间呈下降的趋势。两种番茄酱的VC含量因贮藏时间的延长而显著下降（P＜0.05），说明VC氧化反应是两种番茄酱贮藏期间非酶褐变的原因之一。热破番茄酱在35℃和20℃贮藏损失率分别为75.3%、34.94%，冷破番茄酱则分别为69.87%、35.52%，这说明较高的贮藏温度对VC含量变化的影响十分显著。

2.4 贮藏过程中番茄酱中番茄红素含量的变化

由图6可知，经过12个月的贮藏，两种番茄酱的番茄红素含量（LYCC）因贮藏时间的延长和温度升高而下降，但变化不显著，即使在35℃条件下，冷、热破番茄酱的损失率也仅为15.51%和11.74%。可见，两种番茄酱的番茄红素含量损失不大，说明了两种番茄酱在贮藏期间番茄红素含量变化稳定。

2.5 贮藏过程中番茄酱中5-HMF含量的变化

如图7所示，经过12个月的贮藏，冷、热破番茄酱中5-HMF的含量因贮藏时间的延长和温度升高而增加。在20℃条件下贮藏的两种番茄酱变化不显著，但在35℃条件下变化显著（P＜0.05），说明两种番茄酱中5-HMF的形成依赖高温。5-HMF由焦糖化反应和美拉德反应产生，其含量能直接反映果蔬产品在加工或贮藏期间的褐变程度，是非酶褐变和美拉德反应的重要指示物质[20]。综上所述，美拉德反应是番茄酱发生非酶褐变的原因之一。

2.6 贮藏过程中番茄酱可滴定酸、还原糖含量和pH的变化

由图8可以看出，经过12个月的贮藏，两种温度条件的冷破番茄酱中可滴定酸含量均高于热破番茄酱。冷破番茄酱的起始可滴定酸含量为7.36%，热破番茄酱则为6.85%。这是由于热破碎工艺的加工温度较高且处理时间较长，造成酸性物质损失率高。在35℃条件下，两种番茄酱的可滴定酸含量变化显著（P＜0.05），说明高温促使酸度的增加。

由图9所示，在35℃条件下冷破番茄酱的还原糖含量最终损失22.01%，热破番茄酱最终损失19.44%，两者均下降显著（P＜0.05）。

由图10可知，贮藏过程中两种番茄酱的pH因贮藏时间的延长和温度的升高而下降，番茄酱酸度也随之增加。

综上所述，造成番茄酱可滴定酸含量和pH变化有两个原因，即在美拉德反应作用下，氨基酸碱性基团消失以及羰氨与糖反应的中间产物分解为糖醛酸等酸性物质，两者均导致番茄酱酸度增加[21]。而造成番茄酱糖含量发生变化的原因是氨基酸与还原糖之间的美拉德反应和低pH时蔗糖转化为还原糖，前者导致还原糖含量下降，后者导致还原糖含量增加。

2.7 贮藏过程中番茄酱各指标间的相关性分析

根据表1得出，冷破碎番茄酱各指标间的相关性不同。在20℃贮藏条件下，褐变指数A420与还原糖、5-HMF呈极显著正相关（P＜0.01），与番茄红素、VC、氨基酸态氮呈极显著负相关（P＜0.01）。随着5-HMF的不断产生，番茄酱的褐变程度增加，而番茄红素、VC、氨基酸态氮的含量减少。在35℃贮藏条件下，A420与各指标间的相关性与20℃贮藏条件基本一致。

由表2可知，热破碎番茄酱各指标间的相关性与冷破碎番茄酱基本一致。这说明影响美拉德反应的相关指标氨基酸态氮、5-HMF、VC及番茄红素均对番茄酱的色泽变化有显著的影响。由于番茄红素损失率低，因此影响番茄酱色泽变化的主要原因是美拉德反应及VC的氧化分解。

表1 不同贮藏温度下冷破番茄酱各主要指标参数间相关性(R)矩阵Table 1 Correlation matrix between main parameters of tomato paste during cold break process under different storage temperatures

表2 不同贮藏温度下热破番茄酱各主要指标参数间相关性(R)矩阵Table 2 Correlation matrix between main parameters of tomato paste under hot break process on different storage temperatures

续表2 不同贮藏温度下热破番茄酱各主要指标参数间相关性(R)矩阵Continue table 2 Correlation matrix between main parameters of tomato paste under hot break process on different storage temperatures

2.8 贮藏过程中番茄酱果糖、葡萄糖、蔗糖的变化

为了探究美拉德反应中参与反应的主要糖类，通过高效液相色谱法分析后得出：冷破、热破番茄酱中所含有的糖主要是果糖、葡萄糖和蔗糖，其中蔗糖的含量相对较少。如图11~13所示，在12个月的贮藏过程中，果糖、葡萄糖和蔗糖均呈现下降趋势。在35℃贮藏条件下，冷破、热破番茄酱的果糖、葡萄糖和蔗糖含量均发生较大变化，其中热破番茄酱中果糖、葡萄糖、蔗糖的损失率分别达到了53.4%、32.4%、33.3%；冷破番茄酱中果糖、葡萄糖、蔗糖的损失率分别达到了56.7%、34.1%、27.1%。在20℃贮藏条件下，两种番茄酱的果糖、葡萄糖和蔗糖的变化不显著。这说明温度是影响番茄酱糖类损失的重要因素之一，而糖类损失是因为参与了美拉德反应，故美拉德反应同样受到温度影响，即温度升高对美拉德反应有促进作用。

2.9 模拟体系

为了深入探究不同加工工艺对番茄酱非酶褐变的影响以及VC氧化反应和美拉德反应对非酶褐变的贡献大小，进行模拟体系试验。由前文可知，两种番茄酱中所含有的糖主要包括果糖、葡萄糖和蔗糖，其中蔗糖的含量较少；两种番茄酱中氨基酸含量最多的为天冬氨酸和谷氨酸，且两者在番茄酱贮藏中的损失率分别为第一和第二，故最具代表性。两种番茄酱模拟体系各物质含量具体见表3和表4。

配制pH与番茄酱稀释液相同的缓冲体系，模拟体系样品以25 mL为单位分别装在具塞试管中。所有模拟体系均在50℃恒温下贮藏，模拟体系的建立根据两种番茄酱中各成分的含量，构建由两种代表性氨基酸、三种糖类以及VC组成的标准番茄酱模拟体系M1。为深入探究褐变产物的来源，通过改变体系物质组成和含量，构建其他 5种体系 M2、M3、M4、M5、M6，六种模拟体系由表3和表4所示。试验每10 d测定一次指标。其中，M2、M3、M4为比较三种单糖在美拉德反应中的作用，M5、M6分别为探究VC氧化反应和美拉德反应对非酶褐变的贡献。

表3 热破番茄酱模拟体系表Table 3 The composition from simulation system of tomato ketchup under hot break process

表4 冷破番茄酱模拟体系表Table 4 The composition from simulation system of tomato ketchup under cold break process

如图14所示，热破番茄酱模拟体系的M6中并未检测到5-HMF，而其他体系均有5-HMF的积累。这说明糖是5-HMF生成的必要条件，氨基酸和VC并不能生成5-HMF。糖受热降解会形成5-HMF，因果糖和葡萄糖在脱水、裂解等化学反应后最终生成5-HMF；而蔗糖在pH＜7条件下水解成为还原糖后才会形成5-HMF[22]。热破模拟体系从第10天贮藏至第60天，只含有葡萄糖的M2中5-HMF从10.68 mg/L增长到40.6 mg/L；只含有果糖的M3中5-HMF从45.29 mg/L增长到533.52 mg/L；只含有蔗糖的M4中5-HMF从30.32 mg/L增长至405.16 mg/L。这说明等量的葡萄糖、果糖和蔗糖形成5-HMF的能力各不相同，果糖是葡萄糖的13倍，是蔗糖的1.3倍；蔗糖为葡萄糖的10倍。这是因为在酸性环境下，果糖进行烯醇化反应比葡萄糖更快且形成呋喃果糖基阳离子的能力强于葡萄糖，更容易生成5-HMF[23-24]。M5中未添加VC，其5-HMF略微少于M1，说明VC氧化分解反应对5-HMF的生成有微弱贡献。

由图15所示，冷破模拟体系中只含有葡萄糖的M2中5-HMF从13.21mg/L增长到72.45mg/L；只含有果糖的M3中5-HMF从63.7mg/L增长到602.73mg/L；只含有蔗糖的M4中5-HMF从42.36 mg/L增长至445.6 mg/L。三种单糖形成5-HMF的能力：果糖是葡萄糖的8.3倍，是蔗糖的1.35倍，蔗糖为葡萄糖的6倍。M5、M6与热破模拟体系类似。这说明冷破模拟体系与热破模拟体系情况相似，即在非酶褐变中，等量的葡萄糖、果糖、蔗糖的贡献不同，贡献由小到大为：葡萄糖＜蔗糖＜果糖。但由于冷、热破番茄酱中蔗糖含量仅为果糖的22.48%和21.83%，因此果糖的降解是冷、热破番茄酱中5-HMF的主要来源。冷破番茄酱含有的果糖多于热破番茄酱，产生了更多的5-HMF，这是冷破番茄酱褐变更快的直接原因。

3 结论

冷、热破两种加工工艺所得产品的指标有很大差异。在为期12个月的贮藏期中，两种番茄酱的糖、氨基酸、VC、番茄红素含量以及pH随贮藏温度的升高和贮藏时间的延长而降低；5-HMF、可滴定酸含量、褐变指数随贮藏温度的升高和贮藏时间的延长而增长。研究结果表明：番茄红素不是引起番茄酱色泽变化的主要原因。美拉德反应与VC氧化分解反应是导致冷、热破番茄酱在贮藏期间发生非酶褐变的主要原因，美拉德反应的主要产物是5-HMF。通过模拟体系，进一步确定了美拉德反应是导致番茄酱在贮藏期间发生非酶褐变的根本原因，且糖是5-HMF生成的必要条件，VC氧化分解反应对5-HMF的生成有微弱贡献。5-HMF的产生主要由果糖决定。因冷破碎工艺温度较低，产品果糖含量较多，所以更容易褐变。