生姜酵素发酵前后风味物质的变化

邱大东, 周梨萍, 郭文宇, 李俊刚, 2

（1.四川百善缘实业有限公司, 四川绵阳 621000；2.绵阳师范学院生命科学与技术学院, 四川绵阳 621000）

1 概述

1.1 酵素

酵素是指以一种或多种水果、新鲜蔬菜为原料, 经酵母菌、乳酸菌、醋酸菌等复合菌种发酵而成的含有特定生物活性成分的产品, 现在酵素的英文名为“Jiaosu”。酵素被日本称为“酶”“enzyme”, 具有催化功能[1-2]。

微生物酵素具有一定的功能性, 含有很多营养物质, 如矿物质、维生素、酶等, 还具有抗菌防御、消炎、延缓衰老、抗感染和抗氧化去除自由基等功能[3-6]。

1.2 生姜及生姜酵素

生姜, 姜科姜属植物, 是一种多年生的药食同源的一种草本植物, 主要成分有挥发性的姜精油, 非挥发性的生姜多糖、生姜蛋白酶、姜辣素及一些二苯基庚烃类的物质[7]。生姜具有抗肿瘤[8]、抗炎[9]、抑菌和抗氧化作用[10-11], 应用于医药领域、化妆品和食品领域。

生姜酵素是由生姜原汁经乳酸菌发酵而成, 含有大量易被吸收的活性成分, 如姜辣素、姜油酮、姜烯酚、姜醇、多种维生素、蛋白酶、纤维素等。具有诱食、排毒、促进消化道和抗氧化、抗衰老、防腐抑菌等作用。Ademosun Mary T等人[12]评估了生姜果汁饮料的抗氧化性能, 血糖指数和碳水化合物水解酶活性。Nadabe dos Santos Reis等人[13]小试规模水蒸气蒸馏法提取生姜精油的色谱及微形态分析。周颖等人[14]探讨生姜酵素复合菌发酵过程中生物活性成分含量及其抗氧化活性的变化。目前, 国内外生姜酵素风味物质的研究报道较少, 市场未见生姜酵素产品流通。

试验以生姜原汁经乳酸菌发酵生产的生姜酵素为研究对象, 比较生姜原汁、生姜酵素发酵前后代谢产物变化情况, 为生姜的综合性开发和生姜酵素功能性研究提供理论基础。

2 材料和方法

2.1 材料

2.1.1 试验原料

（1）生姜原汁。将生姜去除杂质, 用清水浸泡, 充分洗净, 再用纯净水清洗, 切碎, 生姜∶水=1∶3打浆, 于80℃下灭菌15 min, 冷却备用。

（2）生姜酵素。将灭菌后的生姜原汁放入发酵罐, 按5%接入乳酸菌复合菌液, 于37℃下恒温发酵, 定时测定理化指标。

2.1.2 主要器材

UV-1100型紫外可见分光光度计, 上海美析仪器有限公司产品；SYC-B型电热恒温调速振荡器, 上海新苗医疗器械制造有限公司产品；FA3014N型电子天平, 上海菁海仪器有限公司产品；GCMS-QP2020型气相色谱-质谱联用仪, 日本岛津公司产品。

2.2 试验方法

2.2.1 风味物质的分离浓缩

准确量取生姜原汁和生姜酵素各100 mL放入250 mL分液漏斗中, 加入无水乙醚50 mL, 剧烈振荡多次, 加入约0.5 g氯化钠, 静置30 min待分层, 取上层清液, 加无水硫酸钠过滤。重复提取2次, 合并提取液, 于40℃下用旋转蒸发器浓缩减压蒸馏, 最终得到约0.5 mL具有浓郁香气的橘黄色溶液, 待进样。

2.2.2 色谱条件设定

（1）GC条件[15]。柱箱温度为50℃, 进样口温度230℃, 不分流进样, 进样时间1 min, He作为载气, 流量控制方式为线速度, 压力为53.5 kPa, 总流量为50.0 mL/min, 柱流量为1.00 mL/min, 线速度36.3 cm/sce, 吹扫流量为3.0 mL/min。色谱柱为SH-Rxi-SSil MS（30 m×0.25 mm, 0.25μm）, 升温程序设置为50℃保持2 min, 以10℃/min的升温速率升至230℃, 保持5 min。

（2）MS条件。离子源温度为230℃, 接口温度为250℃, 溶剂延迟时间为1.5 min, 使用仪器规定的电压, 电子源。

（3）挥发性成分定性方法。采用GC-MS Postmm Analysis软件完成, 未知化合物采用Wiley和NIST谱库进行检索, 根据所得谱图进行匹配分析。与数据库对比, 匹配度＞85%的鉴定结果才予以确认。

（4）定量方法。采用面积归一法, 将色谱图中的共有峰面积值相加作为峰总面积, 然后用每个峰面积比上总面积即为该物质的相对含量。

3 结果与分析

3.1 生姜原汁、生姜酵素总离子色谱图及总离子色谱对比图

用GC-MS法测定后, 根据Wiley和NIST谱库进行检索及对质谱图的峰进行分析, 确定每种峰所代表的物质。

GC-MS法测定生姜原液风味物质的总离子色谱图见图1, GC-MS法测定生姜酵素风味物质的总离子色谱图见图2, 风味物质总离子色谱对比图见图3。

图1 GC-MS法测定生姜原液风味物质的总离子色谱图

图2 GC-MS法测定生姜酵素风味物质的总离子色谱图

图3 风味物质总离子色谱对比图

由图1～图3可知, 生姜原液和生姜酵素的风味物质的种类及含量有很大的差别。生姜原液中检出66种风味物质, 生姜酵素中检出68种风味物质, 生姜酵素中的风味物质比生姜原液多, 但是生姜原液中风味物质的含量较大, 峰面积普遍比生姜酵素的峰面积大。

3.2 生姜原汁、生姜酵素风味物质成分及含量

根据Wiley和NIST谱库进行检索及对质谱图的峰进行分析, 将所得的物质的英文名字在CAS中检索出其代表的物质的中文名及其相对含量。

生姜原液和生姜酵素风味物质比较见表1。

表1 生姜原液和生姜酵素风味物质比较

由表1可知, 确定了生姜原液中的38种化学成分, 生姜酵素中的42种化学成分, 生姜原液中确定的成分占总成分的69.31%, 生姜酵素中确定的成分占总成分的76.94%, 在已鉴别的风味物质成分中, 生姜原液和生姜酵素中相同的风味成分有18种, 其中含量最高的是崁烯和甲基庚烯酮, 但是在总成分中, 生姜原液中香芹酚的含量最高, 达到23.21%, 生姜酵素中桉叶油醇的含量占总成分的28.48%, 香芹酚具有抗氧化、抗炎、抗癌的作用, 在生姜酵素中未检测到, 可能是生姜原汁经益生菌发酵分解成为小分子化合物。桉叶油醇有樟脑气息和清凉的草药味道, 具有杀菌和杀虫作用, 多用于医药和食品香料, 还常用作防腐剂。

生姜原液中检测出来的风味物质主要有萜烯类、醛类、醇类、酯类、酮类、烃类等, 其中萜烯类化合物的占比较大, 萜烯类物质通常是强显味物质, 这类风味物质的存在使生姜具有了香辣的气味。

生姜酵素中检测出来的风味物质主要是单萜类、醇类、酯类等, 其中桉叶油醇是使生姜酵素带有辛冷气味的单萜类物质, 生姜酵素中还带有香蕉或苹果等水果香, 并有一定的刺激感和涩味, 这是酵素中的乳酸已酯和乙酸异戊酯等酯类风味物质呈现出来的。

蒎烯、β-水芹烯、正辛醛、邻-异丙基苯、香芹酚、乙酰胺, 2-甲基-丙酸-1-甲基-1-(4-甲基-3-环己烯-1-基)乙酯、香茅醛、香叶醇、反式-2-癸烯醛、柠檬醛、2-十一酮、2-十一醇6,6-二甲基双环庚-2-烯-2-乙酸甲酯、β-石竹烯、6,10-二甲基-5,9-十一双烯-2-酮、(+)-1,7-二表-β-雪松烯、佛术烯、大牛儿烯、α-法呢烯、反式-橙花叔醇这些物质只在生姜原液中存在, 而在生姜酵素中并未检出, 经过研究发现, 未在生姜酵素中检出的风味物质大多数是只溶于醇类等有机溶剂而不溶于水的, 这些风味物质都属于大分子物质, 发酵过程中在微生物的作用下被分解成了小分子物质。存在于生姜酵素中的风味物质则大多数是酯类, 在生姜酵素发酵过程中, 益生菌产生的酸与醇发生酯化反应, 就会生成酯类, 这也是发酵现象的表征。生姜原液中萜烯类物质基本上代表了生姜的风味特征, 虽然经过发酵后的莰烯、甲基庚烯酮、α-水芹烯、香茅醛、乙酸香茅酯、乙酸香叶酯、(+)-环苜蓿烯、(-)-AlpHa-蒎烯的含量明显下降, 但在发酵后的生姜酵素中仍保留下一些, 这些被保留下来的风味物质会使生姜酵素带有生姜独特的风味。生姜酵素中的酯类和醇类占比较大, 使得酵素带有发酵饮品独特的醇香味和酒精的味道, 但更加柔和, 减少了辛辣味和刺激性。

4 结论

对风味物质的测定采用直接顶空进样相比于刘金敏等人[15]使用的顶空固相微萃取方式进样而言, 直接顶空进样的试验步骤更简洁, 使用的仪器更少。在做风味物质检测的前处理时, 首先考虑的是用蒸馏萃取法将生姜原液和生姜酵素中的风味物质萃取出来, 经无水硫酸钠脱水再经旋转蒸发仪蒸发浓缩, 得到浓缩液直接进样由气质联用法进行测定, 但是提取出来的浓缩液的风味物质损失过多, 之后采用的是直接顶空进样法对风味物质进行检测的。

生姜中的化合物主要是挥发油、姜辣素和二苯基庚烷3种, 挥发油中的化合物主要是单萜烯类及其氧化物、倍单萜类及其氧化物, 姜辣素中主要是姜酚、姜烯酚等, 在生姜原液中检测到的化合物主要是生姜中的挥发油成分, 如单萜类化合物崁烯, 受前处理方法和检测方法的影响, 导致生姜原液的检测结果与生姜本身的成分具有一定差异。