制汁和灭菌方法对藕汁挥发性成分及香气的影响

顾艳阳,牛丽影,李大婧,刘春泉,肖丽霞

1(扬州大学 食品科学与工程学院,江苏 扬州,225000) 2(江苏省农业科学院农产品加工研究所,江苏 南京,210014)

藕为睡莲科植物莲(NelunbonuciferaGaertn)的肥大根状茎,是我国产量最高的水生蔬菜,种植区域则以长江流域最为集中[1]。根据莲藕淀粉含量及质地特点,可分为粉藕与脆藕,一般来讲,粉藕多用来熟食与制粉,脆藕则更适宜鲜食与制汁[2]。

莲藕鲜食风味脆甜清新,熟食则温厚醇香,与谷物有些许相似,又有其独特之处。但长期以来对莲藕及其制品风味的研究不足。近几年,藕的风味研究开始引起重视,包括溶剂提取法[3-5]、水蒸气蒸馏法[5]、固相微萃取法[6]等风味成分提取方法,品种及加工方式造成的风味成分差异等均已有报道。研究结果显示不同的风味成分提取方法、不同的原料、不同的加工方式检测到的挥发性成分存在很大的差异,如溶剂提取法往往检测到大量的烷类和酯类[3-5],而固相微萃取法检测到的则更多为醛类和醇类[6]。

莲藕汁及饮料由20世纪90年代开始商业化生产,压榨法与匀浆制汁法是常用的制汁方法,而高温灭菌也是为达到商业货架期的常用措施[7-8]。热杀菌是藕汁加工中常见的杀菌方式,可使藕汁获得特有的熟藕香,而新型非热杀菌方式如超高压技术目前在鲜切藕[9]、藕丁[10]、藕汁[11]加工中开始应用,并表现出良好的应用前景。但是藕汁的风味研究尚未见报道。

本文对江苏脆藕分别进行压榨法和匀浆法制汁,采用顶空固相微萃取-气相色谱-质谱(headspace solid phase microextraction-GC-MS,HS-SPME-GC-MS)法比较了高温蒸汽灭菌(autoclaving,AU)和超高压(high pressure processing,HPP)非热加工2种处理方式对挥发性成分和香气感官描述的影响,并采用主成分分析法对不同制汁和灭菌方式造成的藕汁风味变化进行分析,为藕汁的风味调控和评价提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 莲藕汁的制作

鲜藕购自南京市孝陵卫菜市场。采用2种制汁方法：(1)将鲜藕纵切为条块状,置于原汁机压榨,汁渣分离,取汁液4 000 r/min离心20 min,除去淀粉及粗纤维,取上清液为生榨藕汁;(2)将鲜藕切为厚度小于0.2 cm的碎片,加入胶体研磨,静置后过100目滤布,再将汁液同(1)条件离心,得到匀浆汁。

将2种方法制取的藕汁分别分为3份∶1份为鲜榨汁;1份灌装入玻璃饮料瓶,置于灭菌锅中,升温至121 ℃下保持15 min;另1份采用蒸煮袋包装,置于HPP设备的容压舱内,升压至400 MPa并维持10 min。

1.2 仪器与设备

JYZ-E6T型原汁机,九阳股份有限公司;JMS-50C型胶体磨,廊坊市廊通机械有限公司;Agilent 7890A/5975C型气相色谱质谱联用仪,美国Agilent公司;固相微萃取装置,美国Supelco公司;HPP 600 Mpa/3～5 L HPP设备,包头科发高压科技有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 挥发性成分的HS-SPME萃取

取藕汁5 mL于20 mL样品瓶,加入1.6 g NaCl,40 ℃水浴,400 r/min搅拌下平衡20 min后插入萃取头萃取20 min。

1.3.2 挥发性成分的GC-MS测定

色谱柱为DB-Wax毛细管色谱柱(30 m×0.25 mm,0.25 μm),离子源温度200 ℃,质量扫描范围30～450 u。升温程序：起始柱温40 ℃,以5 ℃/min升温至90 ℃;再以10 ℃/min升温至230 ℃,保留15 min。进样口温度与接口温度均为250 ℃。

1.3.3 挥发性成分的定性定量

由安捷伦工作站(MSD ChemStation E.02.00.493)进行,定性方法采用NIST08质量分析数据库进行检索,结合文献资料,对样品中各挥发性物质进行鉴定(正反匹配度≥800);挥发性成分的含量以自由单位107峰面积表示,即其数值为峰面积/107。相对含量则以各成分占总峰面积的百分比表示。

1.3.4 藕汁香气的定量感官描述法

参照GB/T 16291.1—2012优选出6个评价员,年龄26～45岁,所有评价员均具有藕加工品的消费经历,经过描述词与标度培训,采用5点强度标度进行评价,即：1,感觉不到;2,刚刚能感觉到;3,能感觉到;4,感觉明显;5,感觉很强烈。在进行风味评价时,藕汁样品各取100 mL于相同的250 mL茶色广口瓶中,40 ℃水浴30 min后,取出轻轻晃动并距瓶口2 cm处嗅闻并进行评分,香气描述词定义见表1。

表1 藕汁香气感官评价描述词的定义Table 1 Odor descriptive words for lotus root juice

续表1

1.4 统计方法

采用Origin pro 2016进行堆积柱形图及散点图的绘制。采用JMP 10进行主成分分析。

2 结果与分析

2.1 挥发性成分种类和数量比较

图1表示了2种方法制取的藕汁在AU和HPP灭菌后挥发性成分种类和数量的变化。新鲜压榨(fresh squeezed,FS)的藕汁中检测到13种成分,醇类8种、醛类1种、烃类2种和酯类2种;经HPP处理后(FS+HPP)检出成分数量和种类增加为21种,醇类12种,醛类3种,酸类1种,烃类4种,肟类1种;经过AU(FS+AU)后,检出成分增加为48种,醇类12种,醛类10种,酮类2种,酸类1种,烃类5种,酯类1种,含硫类4种,杂环类12种,肟类1种。

匀浆法制取的藕汁与压榨法制取的藕汁在挥发性成分组成上略有不同,新鲜匀浆(fresh homogenate,FH)的藕汁中检测到总计19种成分,醇类12种,醛类3种,酸类1种,烃类2种,肟类1种;经HPP处理(FH+HPP)后成分数量共20种,醇类11种,醛类4种,酸类1种,烃类3种,肟类1种。经过AU(FH+AU)后,检出醇类10种,醛类7种,酮类1种,烃类5种,酯类1种,含硫类2种,杂环类3种,肟类1种。

2种方法获得的新鲜藕汁中,匀浆法检测到了更多的醇类和醛类物质。经HPP处理后,醛类和烃类物质数量增加为二者共同的特点。经高温蒸汽处理后,2种鲜藕汁中挥发性成分数量均大幅增加,由13和19种分别增加至48和30种。

图1 不同藕汁中各类挥发性成分数量的比较Fig.1 Number of classified volatile components in different lotus root juice samples

图2为各样品中不同类别挥发性成分峰面积比较。2种方法制作的藕汁挥发性成分总峰面积在热杀菌及HPP处理后变化趋势一致,即AU处理的样品总峰面积最高,其次为HPP处理样品,未经灭菌处理的藕汁总峰面积最低。压榨法的藕汁挥发性成分较少(即总峰面积较低),但相比匀浆法对HPP处理和AU处理更为敏感,FS+HPP和FS+AU总峰面积分别为FS的6.89和19.53倍,而FH+HPP和FH+AU仅为FH的1.23和1.40倍(图2-a)。

从图2-b可以看出,6种藕汁中除FS+AU外,其他5个样品中挥发性成分均以醇类物质峰面积最大,峰面积百分比高达70.97%～93.40%。AU处理的2个样品含硫成分大幅增加为其突出特点,FS+AU和FH+AU中硫化物峰面积分别为总峰面积的55.56%和19.49%。另外,杂环类和酮类物质的出现也是AU处理的特点,在FS+AU中二者分别为3.9%和0.28%,在FH+AU中二者分别为0.18%和0.38%。在FS和FH中,烃类和醛类也是含量较丰的物质,4个样品中烃类物质占比4.34%～22.45%,醛类则为0.51%～3.03%。HPP处理后藕汁中醇类、醛类物质增加,FS+HPP较FS醇类和醛类分别增加了8.09和4.38倍,而FH+HPP较FH醇类和醛类分别增加了1.41和3.81倍。

a-峰面积堆积柱形图;b-峰面积百分比堆积柱形图图2 GC-MS测定的不同藕汁中各类挥发性成分峰面积比较Fig.2 GC-MS peak area of classified volatile components in different lotus root juice samples

2.2 单一挥发性成分组成差异与分析

表2列出了检测到的每一种挥发性成分的峰面积及相对含量。乙醇为所有样品中含量最高的成分,相对含量为31.95%～84.90%。在压榨汁中峰面积变化范围4.51×107～40.03×107,最低值出现在FS,最高值为FS+AU,二者比值为8.88;在匀浆汁中乙醇峰面积为11.02×107～15.99×107,最低值出现在FH,最高值为FH+HPP,但二者比值仅为1.45。乙醇为含量最高的成分,应该与其分子质量小,挥发性强有关,而且压榨汁经杀菌处理变化幅度大于匀浆汁,说明2种藕汁体系对于风味成分的释放存在差别。除乙醇外,还有C4～C8的直链饱和醇,包括正丁醇、正戊醇、正己醇、正庚醇、正辛醇,还有具支链的异丁醇、异戊醇、2-乙基己醇,1-辛烯-3醇、芳樟醇、苯甲醇和糠醇。其中正丁醇和2-乙基己醇在水煮藕中也有报道[6]。醇类物质往往是酒类的香气活性成分[12],但其香气描述与浓度及多成分组合比例有关,据Flavornet数据库的风味描述[13],乙醇为甜香,正丁醇和正戊醇为水果香,正己醇和2-乙基己醇则具有花香或青草香,正庚醇和1-辛烯-3醇为蘑菇香,芳樟醇和苯甲醇则往往被描述为花香。鉴于醇类在无热处理藕汁中的绝对优势,可以推测醇类物质应该为藕汁特有的清甜香气的主要贡献成分。而糠醇仅出现在2个热加工的藕汁样品中,它的形成来自美拉德反应,是红糖的香气活性成分,被描述为焦糖香,烘烤香[14],应与加热后藕汁的风味有关。

与醇类物质相比,醛类物质检出数量较少,相对含量较低。醛类物质中,正己醛表现出与HPP处理相关的特点,即在压榨法制取的藕汁中仅在HPP处理的样品中检测出,而FH虽有正己醛检出,但经过HPP处理后显著增加,FH+HPP中正己醛的峰面积为FH的12.23倍。说明HPP处理促进了正己醛的生成与释放,类似的现象在HPP处理黄瓜等生鲜果蔬中也有报道[15],本研究中匀浆法制取的藕汁中检测到更多的正己醛,这说明匀浆法可能较压榨法更促进了脂氧合酶途径中脂肪酸的氧化[16],并且可能由于匀浆藕汁体系中保留了更多的酶和底物脂肪酸[17],才能在HPP处理后正己醛大幅上升。

壬醛为所有样品唯一的共有醛类,在压榨和匀浆2种藕汁中均表现为鲜榨

酮类物质与醛类物质类似,主要来自脂肪的氧化,酮类物质仅在AU样品中检出,说明其生成或释放与受热有关。其中5-甲基-2-庚烯-4-酮具核桃、坚果的香气[13],仅在FS+AU中检出。酸类物质仅检测到少量乙酸,这与水蒸气蒸馏法和乙醇提取法检测到水煮藕中多种C14～C20的长链脂肪酸[5]不同,分析原因应该与研究中采用的制汁与萃取方法有关,大分子脂肪酸应主要存在于藕的固体形态中,而且挥发性弱,因此在藕汁的顶空萃取中检测不到。

烃类为只含有碳和氢元素的化合物。甲苯和萘在所有藕汁中均有检出,而邻二甲苯、间二甲苯、苯乙烯仅在FH+AU中检出,1-甲基萘在FS+HPP和FS+AU中检出,联苯则仅在FS+AU中检出。苯及其同系物是常见的食品挥发性物质,在茶[19]、火腿[20]等食物中均有报道。但是在不同的食品体系中,对风味的贡献与描述是不同的,如在火腿中,对二甲苯产生烟熏的香味,邻二甲苯产生的则是甜糖果的风味[20]。而萘、1-甲基萘、联苯,在一些谷物风味研究中被描述为木头味、土味和甜味[21]。

另外,与溶剂萃取或水蒸气蒸馏法可检测到大量的烷类和酯类不同,藕汁的挥发性成分中仅检测到一种烷类,环辛烷,长链烷类物质多具有较高的阈值,对烹煮谷物的香气有贡献[21],并且烷类和酯类因具有较低的极性,可以认为主要存在于莲藕的固体组成中,而藕汁中较少。

藕汁中检测到4种酯类,其中甲酸丁酯和甲酸异戊酯仅在FS中检出,而邻苯二甲酸二乙酯和甲酸己酯则分别仅在FH+AU和FS+AU中检出。果蔬中的酯类大多来自醇类和羧酸类的酯化反应,并具有水果的香气。如甲酸异戊酯具有新鲜和苹果味[22],甲酸丁酯、甲酸己酯具有水果和绿叶香气[14],这些酯类在压榨制取的鲜汁或HPP处理的匀浆汁中含量较高,说明压榨汁中的酯类香气成分可能更易在后续加工中损失,而在匀浆制取的藕汁中,其酯类成分则在加工后得以生成或释放。另外,在LI等[4]对藕风味成分的报道中邻苯二甲酸二丁酯为含量最高的成分,可达挥发性成分总量的40%,甚至58%～65%,但这个成分为常见的增塑剂,因此推测与工业废水的污染有关。本文中检测到邻苯二甲酸二乙酯,有可能来自于环境污染,但在挥发性成分中的比例很低,尚不足0.1%。

含硫化合物的增加为AU处理样品的显著特点。硫化物往往来自于氨基酸或蛋白质的降解,甲硫醚和二甲基二硫醚仅在AU处理样品中检出。硫醚类物质因挥发性强,在FS+AU和FH+AU中相对含量达到55.56%和21.60%,而在鲜榨及HPP处理的样品中未检测到。二甲基二硫醚对玉米的香气有贡献[23],也普遍在藕制品中检测出[24]。二甲基亚砜则为二甲基硫醚的氧化产物,在玉米汁中已有报道[25]。

杂环类成分仅在AU处理的藕汁中检测到,可分为呋喃、吡嗪、噻唑等化学结构。其中2-正戊基呋喃在韩丽娟等[6]研究中也有报道,而吡嗪类成分首次在莲藕产品中检出。吡嗪类成分往往具有很低的阈值,为很多热加工谷物与坚果的特征香气成分,如甲基吡嗪则呈现玉米的焦香与谷物的气息,2,6-二甲基吡嗪、2,3,5-三甲基吡嗪对麦芽香的作用[26]。另外,2-乙酰基噻唑是甜玉米罐头的香气活性成分[23]。在以往对水煮藕风味成分的研究中,未能检测到吡嗪类成分,可能与水煮藕中糊化的淀粉影响风味成分的挥发[16,27],或因固液混合形式萃取[6]及溶剂提取与浓缩[3-5],造成挥发性成分损失有关。

在藕汁中还检测到1种肟类化合物,甲氧基苯肟。肟作为一种含氮化合物,在生物中普遍存在,在植物中最主要的代谢途径来自于氨基酸,与防御和应答机制有关[28]。在竹笋[29]、萝卜[30]等中均有报道,在竹笋中为相对含量最高的成分,随处理温度的增加而减少,但在不同的藕汁中其含量相对稳定。

2.3 不同藕汁香气的定量感官描述分析

图3为6种藕汁香气感官分析的雷达图。可以看出气味总强度最高的样品为FS+AU,其次为FH+AU,说明AU显著增强了评价员对藕汁香气的感知,尤其是FS+AU,其香气强度评分达到4.40,具有明显感觉到的香气。FH+AU的香气强度略弱于FS+AU,但高于3分,说明可以使评价员确切感觉到香气;其他样品的香气强度则介于2～3,说明香气较弱。根据香气分解属性,强度高于3的有FS+AU及FH+AU的甜香和FS+AU的谷物香。FH+AU的谷物香评分(2.67)显著弱于FS+AU,可能是因为匀浆样品中含有较多的多糖类物质,影响了对香气成分的释放与感知[31]。而果香和青草香则更多的体现在HPP处理的样品,并以FH+HPP气味强度最高。异味在所有样品中均低于2分,并且未表现出显著差异,说明HPP处理和AU处理均不会造成不愉悦异味的产生。

图3 不同藕汁的香气图谱Fig.3 Aroma profile of different lotus root juice samples

2.4 挥发性成分与定量感官分析的主成分分析

对挥发性成分及香气的感官定量描述结果进行了主成分分析,主成分1与主成分2的载荷图及6个样品的主成分得分图见图4,为便于图示标注,表2挥发性成分按照化学分类与出峰顺序,缩写为化学分类+序号形式,即醇类物质13个,记为alc-1～13;醛类11个,记为ald-1～13;酸类1个,记为acid-1;酮类2个,记为ket-1～2;烃类9个,记为hyd-1～9;酯类4个,记为eas-1～4;硫化物3个,记为sul-1～3;杂环类13个,记为het-1～13,肟类1个,记为oxi-1。图4-a为样品在主成分1和主成分2上的得分图,FH、FS+HPP与FH+HPP在第3象限聚集,说明这3个样品的挥发性成分组成更为接近,主成分1解释了总方差的60.2%,在主成分1上FS的得分最低而FS+AU的得分最高,说明二者的差异最大;主成分2解释了总方差的16.5%,FH+AU在主成分2上的得分最高,并与其他样品区分。结合载荷图(图4-b)分析,在主成分1上载荷值最高的为alc-12即糠醇,其次为ald-5即糠醛,然后为sul-1～3三个硫化物,鉴于糠醛和糠醇是典型的美拉德反应产物,挥发性硫化物往往来自于热裂解,说明主成分1主要体现了样品受热造成的挥发性成分变化。另外,指标载荷值出现了堆叠与重复(图4-b、图4-c),主成分1上载荷高于0.75的挥发性成分共有36个,其中ald-9～11、ket2、hyd-5、hyd-9、eas-3、het-3～13,这18个成分因仅在FS+AU中检出而具有相同的载荷值(图4-c);主成分2上载荷值高于0.96的挥发性成分有5个,分别为hyd-2～5以及eas-4,这5个成分仅在FH+AU中检出,说明烃类物质种类的增多为FH+AU的主要特点。

对于5个感官属性,从载荷图(图4-b)来看,青草香位于第3象限,同在第3象限的挥发性成分有4个,分别为alc-11、hyd-8、ald-2、alc-6,这4个成分中hyd-8仅在HPP处理的2个样品中检出,ald-2仅在FH+HPP中检出,这说明青草香与HPP这种非热处理对挥发性成分的影响密切相关。结合图4-a的样品得分图,在主成分2方向,FH+HPP与FH非常接近,而FS+HPP距FS较远,这说明HPP处理对FS的影响更为明显。甜香、谷物香和总强度更为接近,均位于第2象限,并且3者在主成分1上具有较高的载荷值(>0.75),说明藕汁香气强度的增加主要体现在甜香和谷物香上。果香位于第1象限,距离最近的成分有alc-1即乙醇、acid-1即乙酸、alc-13即苯甲醇,而这3个成分则为水果中常见的挥发性成分。

a-主成分得分图;b-主成分载荷图;c-在主成分1上载荷值>0.75的成分载荷图图4 六种藕汁挥发性成分与感官分析结果的主成分分析图谱Fig.4 Principle component analysis profile of volatile component and sensory attribute of lotus root juice samples注：载荷图内为参照表2挥发性成分列表中化学分类英文名称缩写+序号

总体而言,主成分分析通过二维图的形式,可使样品的挥发性成分与感官属性之间的对应关系以及样品间的差异更为直观的展示。

3 结论

压榨法和匀浆法制作的生鲜藕汁的挥发性成分组成不同,而且压榨藕汁对HPP及AU处理更为敏感。具体表现为FS较FH具有更多的醇类、醛类物质,挥发性成分总量为压榨法的2.82倍。FS在HPP和AU处理后挥发性成分总峰面积上升倍数分别为6.89和19.53,而FH在处理后上升倍数仅为1.23和1.40。FS的挥发性成分对灭菌处理变化更为明显,这种差异可能因为不同制汁方法造成藕汁体系的不同,进而对挥发性成分的生成与释放影响不同。香气的感官描述分析结果则显示AU处理可显著提高香气的总强度,HPP处理对藕汁香气的影响较小,这与挥发性成分峰面积变化一致。

主成分分析可以更好的显示样品差异与测定的多元指标的关系,主成分得分图显示HPP处理样品与未灭菌样品更为接近,而与AU处理样品距离较远,说明HPP处理对藕汁挥发性成分及香气的影响小于AU处理。样品中FS+AU在主成分1上得分最高,而果香、谷物香、甜香、总强度在主成分1上的载荷值为正,同时仅在AU处理样品中检测到的硫化物、杂环类化合物、酮类、烃类等物质均在主成分1上的载荷>0.9并出现聚集,形象的显示了AU处理、挥发性成分、香气感官之间的相关性关系。另外,青草香以及直链醛醇类和仅在HPP处理样品中检测到的烃类物质均分布在载荷图第3象限,与此对应FH、FH+HPP、FS+HPP 3个样品在主成分得分图第3象限聚集,显示了青草香与匀浆处理及HPP处理的相关性。

总之,制汁方法和杀菌方法的不同均会对藕汁挥发性成分和香气造成显著影响,在藕汁风味分析和评价时,需根据研究目的选择适宜的制汁及加工方式。