四种干燥方式对小米椒理化性质及抗氧化能力的影响

陈宇昱,王颖瑞,周 辉,叶美玲,丁胜华,秦 丹,蒋立文,邓放明,王蓉蓉,*

(1.湖南农业大学食品科学技术学院,湖南长沙 410128;2.湖南省发酵食品工程技术研究中心,湖南长沙 410128;3.盐津铺子食品股份有限公司,湖南长沙 410000;4.湖南省农产品加工研究所,湖南长沙 410125)

辣椒(CapsicumannuumL.)又名牛角椒、辣茄、番椒,为茄科辣椒属一年或多年生草本植物。2018年全球辣椒种植面积约为199万公顷,年产量为3677万吨[1],其产值和效益不断增加。辣椒富含VC、多酚、辣椒红素、辣椒素等多种成分,具有抗菌、祛寒、除湿、抗氧化、降低胆固醇等功效[2]。新鲜辣椒含水量较高,采后易腐烂变质[3],失去商品价值。因此,常将其加工成多种产品,如干辣椒[4]、辣椒酱[5]、剁辣椒[6-7]等。其中,干制可有效降低产品含水量,抑制微生物生长,同时具有操作简单、成本低、便于贮藏等优点,仍是目前辣椒加工的主要方式。然而,辣椒干制过程不单是一个脱水的传热传质过程,还伴随着诸多生化反应,影响产品的理化品质[4]。

目前,已有很多研究集中在比较不同干燥方式对辣椒理化品质的影响,尤其是辣椒素、辣椒碱、类胡萝卜素、多酚等品质的变化。但由于辣椒原料、评价指标等因素差异,不同干燥方式对辣椒品质的影响也不尽相同。Maurya等[8]发现冷冻干燥相比于日晒干燥、热风干燥和微波真空干燥能最大限度地减少辣椒中色素、辣椒素和β-胡萝卜素的损失。张爱民等[9]发现热风干燥和自然干燥对干辣椒的蛋白质、粗纤维、粗脂肪等营养品质影响不大,但自然干燥相对热风干燥对辣椒红素、辣椒素类物质的影响较小。叶万军等[10]也发现自然晒干的辣椒其色泽和辣椒红素含量优于电热恒温干燥法。曹珍珍等[11]采用日晒、热风和中短波红外处理小米椒,发现高温短时干燥有利于多酚和辣椒碱类化合物的保留,低温长时干燥促进多酚和辣椒碱类化合物的降解,不同干燥方式对类胡萝卜素含量没有显著影响。Speranza等[12]发现,同自然晾晒及冷冻干燥相比,热风干燥对类胡萝卜素含量影响不大,但能显著降低VC含量和抗氧化能力。孙芝杨等[13]发现电热恒温干制(80 ℃/20 min)的样品VC保留率为44.5%,优于自然晾晒及微波干制。然而,果胶和游离氨基酸作为决定辣椒质构及风味的重要组分,关于不同干燥方式对两者的影响目前仍未见研究。

本文采用冷冻干燥、热风干燥、红外干燥和自然晾晒四种方式处理小米椒,研究其对小米椒理化性质和抗氧化能力的影响,包括色泽、褐变度、果胶组分、游离氨基酸、总酚和抗氧化能力,尤其是小米椒中不同果胶组分及游离氨基酸的变化,以期为辣椒干燥品质调控提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

新鲜小米椒 湖南长沙;乙醇、丙酮、二甲亚砜、三氯甲烷、甲醇、无水乙酸钠、乙二胺四乙酸、乙酸、硼氢化钠(分析纯) 国药集团化学试剂有限公司;D-半乳糖醛酸标准品(色谱纯) 购自Sigma-Aldrich上海贸易有限公司;氨基酸标准品(色谱纯) 购自北京拜尔迪生物技术有限公司。

101-2AB电热鼓风干燥箱 天津市泰斯特仪器有限公司;LGJ-25G冷冻干燥机 北京四环福瑞科仪科技发展有限公司;SAK-505红外烘干机 泰州圣泰科红外科技有限公司;LC-20A高效液相色谱仪、LCMS-8045三重四极杆质谱仪 岛津仪器有限公司;T6可见分光光度计 北京普析通用仪器有限责任公司。

1.2 实验方法

1.2.1 原料处理 选择成熟度一致、大小均一、颜色均匀、无病虫害和机械损伤的小米椒,洗净、沥干表面水分备用。

1.2.2 干燥试验

1.2.2.1 热风干燥 取适量上述小米椒,置于电热鼓风干燥箱中,温度65 ℃,风速2.5 m/s[5],干燥至恒重后取出,经粉碎机粉碎后抽真空包装,于-20 ℃储存备用。

1.2.2.2 红外干燥 取适量上述小米椒,置于红外烘干机中,温度65 ℃、辐照功率1350 W[5],干燥至恒重后取出,经粉碎机粉碎后抽真空包装,于-20 ℃储存备用。

1.2.2.3 真空冷冻干燥 取适量上述小米椒,置于冷冻干燥机中,冷阱温度-50 ℃,绝对压力为5 Pa[2],干燥至恒重后取出,经粉碎机粉碎后抽真空包装,于-20 ℃储存备用。

1.2.2.4 自然晾晒 取适量上述小米椒,置于电热鼓风干燥箱中,将温度调至25 ℃模拟自然晾晒[2],干燥至恒重后取出,经粉碎机粉碎后抽真空包装,于-20 ℃储存。

1.2.3 色泽测定 参考曹珍珍[14]的方法,用Color Quest XE测定干制辣椒的L*值(明度),a*值(红色度)和b*值(黄色度),并计算ΔE。

1.2.4 褐变度测定 参考陈思齐等[15]的方法,取粉碎后的辣椒样品0.25 g,加入6 mL 95%乙醇,溶解90 min后于3000 r/min离心15 min,在420 nm处测定上清液的吸光值,以95%的乙醇溶液为空白对照。

1.2.5 细胞壁物质 制取参考Ding等[16]的方法,取50 g上述辣椒粉末样品于烧杯中,加入200 mL 80%乙醇,然后将烧杯置于沸水浴中煮沸20 min,经400目滤布过滤后,去掉滤液,重复上述步骤两次。滤渣用200 mL 90%二甲基亚砜水溶液于4 ℃过夜。过滤后的滤渣加入200 mL氯仿甲醇溶液中溶解15 min,用丙酮洗涤至样品变白,残留物即为细胞壁物质(cell wall material,CWM),于35 ℃烘干至恒重。

1.2.6 果胶组分含量测定 果胶组分的提取及测定参考丁胜华等[17]的方法。1.00 g CWM加入100 mL超纯水,25 ℃磁力搅拌4 h,然后400目纱布过滤,重复上述步骤两次,收集滤液,采用分子截流量为3000 u的透析膜透析24 h采集果胶溶液,冻干即为水溶性果胶(water solute pectin,WSP);残渣再用120 mL 0.05 mol/L的二乙胺四乙酸溶液(含0.1 mol/L的醋酸钠,pH=6.5)在25 ℃振荡溶解4 h,按上述条件提取过滤两次,合并滤液冻干,即为螯合性果胶(chelate-solute pectin,CSP);滤渣再用20 mL 50 mmol/L Na2CO3溶液(含20 mmol/L NaBH4)在25 ℃振荡溶解4 h,重复上述条件提取过滤两次,冻干后放入干燥器中备用,即为碱溶性果胶(sodium carbonate solute pectin,SSP)。将上述提取的三种果胶组分利用分光光度计在520 nm处分别测定其含量,结果用mg D-半乳糖醛酸/g DW表示。

1.2.7 游离氨基酸含量测定 游离氨基酸提取参考王馨雨等[18]的方法,采用液相色谱质谱联用仪测定含量,称取干燥的辣椒粉末样品0.1 g,置于50 mL离心管中,加入15 mL的超纯水溶解,室温下超声波提取30 min,8000×g离心,离心时间10 min,取上清液,重复3次,收集离心完的上清液定容至100 mL。取适量提取液稀释5倍,过0.22 μm水系微孔滤膜得待测液。色谱条件:C18(2.1 mm×100 mm×3 μm)色谱柱;流动相A为水-0.1%甲酸溶液、流动相B为乙腈-0.1%甲酸溶液,流速为0.2 mL/min,柱温为40 ℃,进样量0.5 μL。质谱条件:离子化模式:ESI+;扫描方式:多反应检测(MRM);雾化器流量:3.0 L/min;加热气流量10 L/min;碰撞气:氩气;干燥气流量10.0 L/min;加热块温度:400.0 ℃;DL温度:250.0 ℃。结果用mg/g表示。各化合物具体质谱检测条件如表1所示。

表1 质谱检测参数

1.2.8 总酚含量测定 总酚含量的测定参考Hao等[19]的方法,采用Folin-Ciocalteu比色法,使用分光光度计在765 nm进行测定,含量用μg GA/mg DW表示。

1.2.9 抗氧化能力测定 DPPH·清除能力、ABTS+·清除能力、FRAP清除能力的测定参考Choi等的方法[20],采用分光光度计,分别在517、732、593 nm测定,抗氧化性活性用mg VC/g DW表示。

1.3 数据处理

采用Excel 2016软件对测定数据进行整理统计,计算平均值、标准差;运用Origin 2019进行作图;采用SPSS 23.0对数据进行单因素方差分析,采用t检验,P<0.05表示差异显著。

2 结果与分析

2.1 干燥方式对辣椒色泽的影响

四种干燥方式对辣椒色泽的影响如表2所示。对于L*值而言,热风干燥的样品L*值最高,为45.07±0.55;其次为红外干燥和冷冻干燥,自然晾晒的辣椒L*值最低为43.24±0.23。对于a*值而言,自然晾晒的样品a*值最高为28.54±0.31,而热风干燥的样品a*值最低为23.63±0.79。对于b*而言,冷冻干燥、热风干燥与红外干燥的样品间b*值无显著差异(P>0.05),而自然晾晒的样品b*值显著(P<0.05)低于其他三种干燥方式,仅为15.04±0.15。ΔE代表样品的色泽变化,相比于冷冻干燥,自然晾晒的ΔE最高为32.26±0.34,且自然晾晒和冷冻干燥间差异不显著(P>0.05),而热风干燥的ΔE显著(P<0.05)低于其他三种方式,仅为28.60±0.98,这可能是由于热风干燥温度较高,且处理时间较长,促进了褐变反应的发生。总体而言,同其他干燥方式相比,自然晾晒能较好得保持辣椒的色泽。

表2 四种干燥方式对辣椒色泽的影响

2.2 干燥方式对辣椒褐变度的影响

褐变度是反映干燥品质的重要参数。从图1可知,同冷冻干燥相比,红外干燥和热风干燥的样品褐变度显著(P<0.05)增加,这可能是由于两者处理的温度较高,一定程度上增加了辣椒褐变的发生。然而,同其他三种干燥方式相比,自然晾晒的样品其褐变度最低,仅为1.65±0.63,这与上述色泽的变化一致,表明自然晾晒能较好得保持辣椒的表观品质。

图1 四种干燥方式对辣椒褐变度的影响

2.3 干燥方式对辣椒果胶组分含量的影响

果胶存在于细胞壁的初生层和中胶层中,起增强细胞强度的作用。随着果蔬软化的发生,果蔬中WSP和CSP含量会增加,SSP含量明显减少。不同干燥方式对辣椒中不同果胶组分的影响如表3所示。就WSP而言,与冷冻干燥相比,其他三种干燥方式显著(P<0.05)提高了WSP的含量,尤其是红外干燥和热风干燥处理组,其WSP含量分别为124.23±26.47 mg D-半乳糖醛酸/g DW和92.92±12.19 mg D-半乳糖醛酸/g DW。这主要是由于热风干燥与红外干燥温度较高,干燥过程中辣椒细胞结构被破坏,加大了聚半乳糖酸酶、纤维素酶和相应底物发生催化水解的几率,纤维素和果胶分子链的缩短,导致可溶性果胶组分含量增加。此外,经高温干燥处理的辣椒其果胶组分会发生β-消除反应和酸水解,也会导致果胶物质的降解[21]。因此,经热风干燥和红外干燥的WSP含量和总果胶含量显著(P<0.05)高于冷冻干燥和自然晾晒。就CSP含量而言,四种干燥方式处理的辣椒间差异不显著(P>0.05)。但与其他方式相比,热风干燥处理的辣椒含量最高为1.59±0.63 mg D-半乳糖醛酸/g DW,产生这种现象的原因可能是由于高温长时间处理导致新的鳌合性果胶组分产生。Plat等[22]也发现了类似的结果,其表明经热烫(蒸汽加热)预处理的胡萝卜在70 ℃热风干燥后的CSP含量要高于未热烫处理组。就SSP而言,同冷冻干燥相比,其他三种干燥方式SSP含量有所增加。其中,红外干燥与冷冻干燥间差异不显著(P>0.05),而热风干燥和自然晾晒的样品其含量显著(P<0.05)高于冷冻干燥,尤其是自然晾晒其含量为16.17±1.09 mg D-半乳糖醛酸/g DW,这可能是因为在较长的干燥过程中酶未被钝化,导致SSP含量增加。

表3 四种干燥方式对辣椒果胶组分含量的影响(mg D-半乳糖醛酸/g DW)

2.4 干燥方式对辣椒游离氨基酸含量的影响

由表4可知,辣椒中共检出23种游离氨基酸,其中必需氨基酸9种(苏氨酸、缬氨酸、色氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、甲硫氨酸、赖氨酸、酪氨酸),非必需氨基酸12种(丝氨酸、脯氨酸、甘氨酸、谷氨酰胺、谷氨酸、胱氨酸、天冬氨酸、丙氨酸、天冬酰胺、r-氨基丁酸、瓜氨酸、鸟氨酸),半必需氨基酸2种(精氨酸、组氨酸)。相比傅维等[23]对小米椒的研究检出的16种氨基酸,多检测出了7种(色氨酸、脯氨酸、谷氨酰胺、天冬酰胺、r-氨基丁酸、瓜氨酸、鸟氨酸),这一方面可能是因为其采用高温酸解的提取方法破坏了部分游离氨基酸,另一方面也可能是辣椒种类品种差异所致。就游离氨基酸种类而言,各种干燥方式之间存在差异。红外干燥和热风干燥处理的辣椒中未检出胱氨酸,可能因为在热加工过程中胱氨酸被破坏所致[24];而自然晾晒和红外干燥处理的辣椒中未检出瓜氨酸。同冷冻干燥相比,就游离氨基酸总量而言,冷冻干燥及自然晾晒与红外干燥和热风干燥方式之间差异显著(P<0.05),相比冷冻干燥(13.290±0.860 mg/g DW),其他三种干燥方式都不同程度上降低了总游离氨基酸的含量。其中,自然晾晒与冷冻干燥处理样品总游离氨基酸含量差异不显著(P>0.05),而红外干燥和热风干燥处理的样品其总游离氨基酸含量显著(P<0.05)低于冷冻干燥,分别为6.73±0.260和7.94±0.100 mg/g DW,这可能是由于热风干燥及红外干燥处理温度较高,还原糖与氨基酸类物质发生美拉德反应,从而降低了游离氨基酸含量[25-26]。

表4 四种干燥方式对辣椒游离氨基酸含量的影响

游离态氨基酸呈味特性可分为四类:鲜味氨基酸、甜味氨基酸、苦味氨基酸和芳香族氨基酸[27]。不同干燥方式对呈味氨基酸含量的影响如图2所示。各种干燥方式获得的辣椒其呈味氨基酸构成基本相似,辣椒中甜味氨基酸含量最高,其次为鲜味氨基酸及苦味氨基酸,最少的是芳香族氨基酸。

图2 四种干燥方式对辣椒呈味氨基酸含量的影响

同冷冻干燥相比,其他三种干燥方式都不同程度上降低辣椒中鲜味氨基酸、苦味氨基酸和芳香族氨基酸的含量,而自然晾晒的样品其甜味氨基酸含量有所增加。鲜味和甜味氨基酸含量总和与苦味氨基酸相比,差值越大,越鲜,且不同氨基酸的味觉感知阈值不同,高含量的氨基酸对食品风味贡献不一定大,因此用滋味活度值(Taste activity values,TAV)进一步对辣椒中各呈味氨基酸进行评价[28-29]。如表5所示,鲜味氨基酸TAV较高,尤其是谷氨酸和天冬氨酸,其在冷冻干燥中的TAV分别高达1.94和0.77,明显高于其他氨基酸的TAV,这更好的反映了鲜味是辣椒中呈味的主要构成组分。

表5 四种干燥方式对辣椒呈味氨基酸TAV的影响

2.5 干燥方式对辣椒总酚含量的影响

四种干燥方式对辣椒总酚含量的影响如图3所示。由图3可知,四种干燥方式获得的辣椒其总酚含量差异不显著(P>0.05)。相比于冷冻干燥,热风干燥处理的辣椒其总酚含量有所升高,其含量高达8.54±2.32 μg GA/mg DW,这可能是由于长时间高温处理在一定程度上促进了酚类由结合态转化为游离态。而自然晾晒和红外干燥一定程度上降低了总酚的含量,尤其是红外干燥处理组,其总酚含量最低,仅为7.36±1.29 μg GA/mg DW。

图3 四种干燥方式对辣椒总酚含量的影响

2.6 干燥方式对辣椒抗氧化能力的比较研究

四种干燥方式对辣椒抗氧化能力的影响如图4所示。由图4可知,四种干燥方式对辣椒DPPH、ABTS自由基清除能力和FRAP的影响基本一致。同冷冻干燥相比,其他三种干燥方式都不同程度上降低了辣椒的抗氧化能力,尤其对于红外干燥处理组,这与其总酚含量的变化趋势基本一致。热风干燥降低辣椒抗氧化能力的原因可能是由于虽然其总酚含量有所升高,但是高温可能会促进VC等其他抗氧化物质的降解,一定程度上降低了其抗氧化活性。

图4 四种干燥方式对辣椒抗氧化能力的影响

3 结论

同冷冻干燥相比,其他三种干燥方式都不同程度上降低了干制辣椒的理化性质和抗氧化能力,表现在色泽劣变、褐变度升高、果胶组分降解、游离氨基酸含量和抗氧化能力降低等方面。同热风干燥和红外干燥相比,自然晾晒对辣椒品质的影响较小,其处理的样品色泽劣变程度低,总酚含量和抗氧化能力维持在较高的水平。此外,自然晾晒的样品果胶降解程度较小,WSP、CSP和SSP含量分别维持在22.39±1.00 mg D-半乳糖醛酸/g DW、1.22±0.22 D-半乳糖醛酸/g DW和16.17±1.09 D-半乳糖醛酸/g DW,游离氨基酸总量保持在11.86±3.110 mg/g DW,这主要与其干燥温度较低有关。而热风干燥和红外干燥处理温度较高,一定程度上促进了褐变反应的发生,降低了产品的表观品质。同时,高温会导致辣椒细胞结构破坏,加大了聚半乳糖酸酶、纤维素酶和相应底物发生催化水解的几率,导致纤维素和果胶分子链缩短,促进果胶的降解。此外,高温处理一定程度上也能加快还原糖与氨基酸类物质发生的美拉德反应,导致游离氨基酸损失。因此,相比于其他三种干燥方式,自然晾晒更适合小米椒干燥,能较好的保持干制小米椒的理化品质。