響應面法優(yōu)化超臨界二氧化碳萃取醬鴨揮發(fā)性風味物質的工藝

王 強，鄧澤元,*，范亞葦，胡蔣寧，劉 蓉，李 靜，趙麗萍，杜金平

(1.南昌大學 食品科學與技術國家重點實驗室，江西 南昌 330047；2.湖北省農業(yè)科學院，湖北 武漢 430064)

響應面法優(yōu)化超臨界二氧化碳萃取醬鴨揮發(fā)性風味物質的工藝

王 強1，鄧澤元1,*，范亞葦1，胡蔣寧1，劉 蓉1，李 靜1，趙麗萍1，杜金平2

(1.南昌大學 食品科學與技術國家重點實驗室，江西 南昌 330047；2.湖北省農業(yè)科學院，湖北 武漢 430064)

采用響應面法優(yōu)化超臨界二氧化碳萃取醬鴨揮發(fā)性風味物質的工藝，探討萃取壓力、萃取溫度和萃取時間對風味物質萃取比率的影響。結果表明：揮發(fā)性風味物質的萃取比率隨萃取壓力和萃取溫度的升高而降低；隨萃取時間的增大而升高，但達一定程度后又呈現下降趨勢；分析所得的回歸方程確定最佳工藝修正參數為萃取壓力11MPa、萃取溫度41℃、萃取時間60min，在此條件下醬鴨揮發(fā)性風味物質的萃取比率為83.45%；GC-MS分析表明萃取物中有60種成分，大部分萃取物是脂質氧化和美拉德反應的產物，如醛類、酮類、脂肪烴、芳香烴、酯類、雜環(huán)類化合物。

醬鴨；超臨界二氧化碳；揮發(fā)性風味物質

鴨肉具有低脂肪、低膽固醇、高蛋白等營養(yǎng)特點，其脂肪酸熔點低，易于消化吸收，同其他肉類相比，鴨肉含有較多的B族維生素、VE和煙酸，能有效抵抗腳氣病、神經炎等多種炎癥，可緩解心肌梗死等心臟疾病，有益于心臟健康[1]。肉鴨大多加工成制品銷售，其中醬鴨因其滋味濃郁而且不油膩，深受消費者歡迎。醬鴨制品的加工是以我國傳統烹飪技術為基礎，原料肉經預煮后，再用醬油等調味料和香辛料加水煮制而成。因其工藝精湛、風味獨特，深受廣大消費者歡迎，并在各地創(chuàng)造了一批名特優(yōu)產品。揮發(fā)性風味物質是影響肉制品風味的重要因素，也是影響消費者接受醬鴨制品的重要因素。醬鴨揮發(fā)性風味物質的研究對于食品工業(yè)，特別是食品風味工業(yè)具有重要意義。

超臨界流體技術在近幾十年來發(fā)展迅速，在食品、醫(yī)藥、化工、材料科學、環(huán)境科學、分析技術等領域己得到廣泛的應用。因二氧化碳臨界溫度和臨界壓力低(31.06℃，7.39MPa)，對中、低分子質量和非極性的天然產物有較強的親和力，而且具有環(huán)境友好的特點，超臨界二氧化碳技術廣泛用于功能性油脂、揮發(fā)性油、生物堿、苷類、香豆素類、萜類的提取[2-3]。許多研究者成功地從不同的肉制品中獲得了風味物質[4-5]，Merkle等[6]用超臨界二氧化碳萃取技術獲得了與最初來源極具相似并且比其他萃取方法更高質量的風味成分。Major[7]通過細微改變流體密度的方法從熱不穩(wěn)定的樣品中分離得出不同種類的揮發(fā)性成分。

本實驗以鴨肉為研究對象，采用響應面法研究壓力、溫度和時間對超臨界二氧化碳萃取醬鴨中揮發(fā)性風味物質的影響，得出萃取的最優(yōu)工藝，且對揮發(fā)性風味成分進行檢測。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

醬鴨(剔除骨頭) 南昌市購。

HA120-50-01型超臨界流體裝置 江蘇南通華安超臨界萃取公司；7890-7000B氣質聯用儀 Agilent公司。1.2方法

1.2.1 超臨界二氧化碳萃取工藝

將醬鴨在－18℃冷凍24h后切成約0.5cm薄片，然后粉碎，稱取粉碎的樣品100g，裝入萃取釜中，設定萃取溫度(40～50℃)、分離溫度(35～45℃)，待溫度恒定時調節(jié)萃取壓力(10～20MPa)，萃取一定時間后將提取物于分離釜底部放出收集。

1.2.2 揮發(fā)性成分萃取比率

將萃取物進行GC-MS分析，確定其化學組成，采用峰面積歸一法進行定量分析，計算出揮發(fā)性物質(表4中的60種物質)占總萃取物的比率。

1.2.3 響應面試驗方案

表1 響應面試驗設計因素水平表Table1 Factors and levels in the response surface design

利用響應面分析法對醬鴨揮發(fā)油提取工藝條件進行優(yōu)化。根據預實驗結果，選取萃取壓力、溫度和時間3個因素(表1)，用Box-Behnken中心組合試驗設計原理優(yōu)化工藝參數。

1.2.4 GC-MS分析

將超臨界二氧化碳萃取產物完全溶于三氯甲烷中，定容至10mL，過0.45μm濾膜，采用GC-MS進行分析。GC條件：色譜柱為HP-5MS(0.25mm×30m，0.25μm)；載氣：氦氣，1mL/min；進樣口溫度：250℃；分流進樣量：1μL；分流比：1:20；柱溫升溫程序：初始60℃，保持1min，以10℃/min速度升溫至180℃，保持10min；以2.5℃/min速度升溫至280℃，保持20min。

MS條件：電離方式為EI；離子源溫度150℃；四級桿溫度150℃；接口溫度280℃；電子能量70eV；質量掃描范圍為50～500u。

2 結果與分析

2.1 響應面分析方案及結果

表2 響應面試驗設計及結果Table2 Response surface design matrix and experimental results

采用SAS 8.0 (SAS Institute Inc.)對所得數據進行回歸分析，數據經多元擬合后得到回歸方程如下：

其中，R2=0.9747、R2Adj=0.9329，表明回歸方程與實際值具有高度擬合性。

由表3可知，回歸模型P=0.001571＜0.01，表明模型極顯著，失擬項P=0.1408＞0.05，不顯著，說明該模型擬合程度良好，可以用此模型對醬鴨揮發(fā)性風味物質的超臨界CO2提取效果進行分析和預測。由回歸模型系數顯著性檢驗結果可知，模型的一次項X2、X3對揮發(fā)性物質超臨界萃取的線性效應極顯著，而X1為影響顯著；二次項X12、X22、X32對揮發(fā)性物質超臨界萃取的曲面效應顯著，3個因素的交互作用效果不顯著。表明各影響因素對萃取比率的影響不是簡單的線性關系。

表3 回歸方程的ANOVA分析Table3 Variance analysis for the fitted regression model

2.2 響應曲面分析與優(yōu)化

響應面圖直觀地反映了各自變量對響應值的影響，并且從圖上可形象地看出最佳參數以及各參數之間的相互作用。圖1(A)是在萃取時間為60min時壓力和溫度的響應曲面，隨著萃取壓力和萃取溫度的增加，揮發(fā)性風味成分的萃取比率在不斷增大，當萃取壓力和溫度分別升高到11.5MPa、41℃左右時，萃取比率達最大，而萃取壓力和溫度繼續(xù)升高時，揮發(fā)性成分的萃取比率又會隨之下降。

圖1 各因素交互作用對揮發(fā)性成分萃取比率影響的響應曲面圖Fig.1 Response surface plot illustrating the interactive effects of any two factors on the ratio between volatile components and total extract

萃取壓力15MPa、溫度45℃條件下，萃取溫度和時間、萃取壓力和時間對揮發(fā)性成分萃取比率影響的響應曲面分別見圖1(B)、1(C)。隨著萃取時間的延長，萃取比率隨之增高，當時間大于60min左右時，萃取比率又呈下降趨勢。

2.3 最佳工藝條件的優(yōu)化

對模型方程取一階偏導數等于零，求解得揮發(fā)性風味物質的最佳超臨界提取工藝為萃取壓力11.5MPa、溫度41.5℃、時間61.3min。考慮到實際操作，對提取條件修正為萃取壓力11MPa、萃取溫度41℃、時間為60min，在此條件下醬鴨揮發(fā)性成分的萃取比率為83.45%，與理論評分值83.87%基本一致。因此，基于響應曲面法所得的優(yōu)化提取工藝參數準確可靠，具有實用價值。

2.4 醬鴨揮發(fā)性成分的GC-MS鑒定

在最佳工藝條件下萃取的醬鴨揮發(fā)性風味物質用GC-MS分析，并通過NIST OSs.LIB和NIST OS.LIB譜圖庫自動檢索獲得目標組分的初步鑒定結果，再結合相關文獻資料進行人工譜圖解析，最終確定醬鴨揮發(fā)性成分的化學組成，采用峰面積歸一法進行定量分析，計算出揮發(fā)性物質化學組分的相對含量，結果見表4。

由表4可知，在醬鴨中共檢測出60種揮發(fā)性化合物，其中包括酸類13種、酮類3種、醛類10種、烴烯類14種、酯類15種、雜環(huán)類3種、其他類2種。醬鴨的風味物質主要來源于加工過程中所發(fā)生的氨基酸熱降解反應和美拉德反應等復雜反應。

3 討 論

3.1 壓力、溫度和時間對超臨界CO2萃取醬鴨揮發(fā)性風味物質影響顯著。隨著萃取壓力、溫度和時間的升高，揮發(fā)性風味成分的萃取比率在不斷增大，當升高到某一值時，揮發(fā)性成分萃取比率達到最大；繼續(xù)升高時，萃取比率又隨之下降。因為萃取壓力的升高使CO2密度增加，從而提高對弱極性化合物在超臨界CO2中的溶解性[8]，同時還會減少分子間的傳質距離，增加溶質與溶劑間的傳質效率。當壓力超過11.5MPa時，CO2密度較大，增加了脂質的萃取，揮發(fā)性成分萃取比率相對降低。同樣萃取溫度達41℃后揮發(fā)性成分萃取比率顯下降趨勢，主要是當體系低溫時，升溫增加物質的擴散系數占主導而利于萃?。划旙w系達到一定的溫度時，升溫降低CO2的密度占主導，降低溶質在二氧化碳中的傳質速度，使物質溶解度降低而不利于萃取[9]；此外溫度升高，增加脂質的萃取，使揮發(fā)性成分萃取比率也相對降低。同理萃取時間61min后揮發(fā)性成分萃取比率呈下降趨勢，也可能是因為不易溶解的脂質萃取比率升高而使揮發(fā)性成分萃取比率相對降低之故。

表4 醬鴨揮發(fā)性風味物質成分Table4 GC-MS identified volatile flavor compounds and their relative contents in sauced duck

3.2 醬鴨風味物質中的醛類、酮類、酸類等羰基化合物主要來源于鴨肉中的不飽和脂肪酸，在醬鴨制作過程中由于蛋白質的水解，導致游離氨基酸含量增加[10]，氨基酸和多肽在較高溫度下熱降解，通過脫氨、脫羧，形成醛、酮等[11]。含硫化合物的形成可能是美拉德反應和Strecker反應形成的[12]。而雜環(huán)化合物等主要是由于還原糖和氨基酸之間發(fā)生復雜的美拉德反應所產生的化合物[13]。

值得注意的是己醛、E,E-2,4-癸二烯醛、二甲基三硫、2-甲基-3-呋喃硫醇等幾種化合物。己醛具有清香青草氣味，來自ω-6不飽和脂肪酸[14]；E,E-2,4-癸二烯醛具有油炸食品的脂香味[15]，醛類是脂肪降解的主要產物，一般閾值很低，具有脂肪香味，可能構成肉品種的特征性風味。二甲基三硫化合物是蔥屬植物的特征，Farmer[16]認為二甲基三硫化合物是由蛋氨酸降解產生的；2-甲基-3-呋喃硫醇具有肉香味，并且這些含硫含氮含氧雜環(huán)化合物在肉中大多以很低的濃度存在，但是它們的閾值非常低并且具有重要的感官特性[17]。因此，醬鴨的風味物質部分可能來源于加工過程還原糖、氨基酸和脂肪的反應產物。

4 結 論

本實驗研究了超臨界二氧化碳萃取醬鴨揮發(fā)性風味物質的萃取工藝，并采用超臨界二氧化碳萃取和GC-MS聯用技術檢測分析了醬鴨中揮發(fā)性風味物質的組成。綜合分析回歸模型確定的超臨界二氧化碳萃取最佳工藝修正參數為萃取壓力11MPa、溫度41℃、時間60min，在此條件下的萃取率為83.45%。萃取物中含有醛、酮、酯類、雜環(huán)類等60種成分，這些風味化合物主要來源于加工過程中所發(fā)生的氨基酸熱降解反應和美拉德反應等復雜反應。

[1]王劼, 張水華. 肉類風味的研究[J]. 中國調味品, 2001(8): 31-35.

[2]曾志將, 樊兆斌, 謝國秀, 等. 蜂膠CO2超臨界萃取研究[J]. 江西農業(yè)大學學報, 2006, 28(5): 769-771.

[3]韓玉謙, 隋曉, 馮曉梅, 等,. 超臨界CO2萃取蜂膠有效成分的研究[J]. 精細化工, 2003, 20(7): 422- 424.

[4]WU C M, LIOU S E. Volatile components of water-boiled duck meat and cantonese style roasted duck[J]. J Agric Food Chem, 1992, 40(5): 838-841.

[5]UM K W, BAILEY M E, OARKE A D, et al. Concentration and identification of volatile compounds from heated beef fat using supercritical CO2 extraction-gas liquid chromatography/mass spectrometry[J]. J Agric Food Chem, 40(9): 1641-1646.

[6]MERKLE J A, LARICK D K. Concentration of beef fat volatiles with supercritical carbon dioxide[J]. J Food Sci, 1994, 59(3): 478-483.

[7]MAJOR R E. Supercritical fluid extractions: an introduction[J]. LC-GC Int, 1991, 4: 10-17.

[8]XU Xiang, GAO Yanxiang, LIU Guangmin, et al. Optimization of supercritical carbon dioxide extraction of sea buckthorn oil using response surface methodology[J]. LWT-Food Sci Technol, 2008, 41(7): 1223-1231.

[9]BERNARDO G, ONETO C, ANRUNES P, et al. Extraction of lipids from cherry seed oil using supercritical carbon dioxide[J]. Eur Food Res Technol, 2001, 212(2): 170-174.

[10]宋煥祿. 食品風味化學[M]. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2007: 34-36.

[11]趙旭壯. 肉品風味形成與美拉德反應[J]. 肉類工業(yè), 2006(1): 14-16.

[12]PEREZ J M, FLORES M, TOLDRA F. Effect of pork meat proteins on the binding of volatile compounds[J]. Food Chemistry, 2008, 108: 1226-1233.

[13]高堯來. 美拉德反應與肉的風味[J]. 廣州食品工業(yè)科技, 2003, 20(1): 91-94.

[14]ELMORE J S, MOTTRAM D S, ENSER M, et al. Effect of the polyunsaturated fatty acid composition of beef muscle on the profile of aroma volatiles[J]. J Agric Food Chem, 1999, 25: 1619-1625.

[15]李建軍, 文杰, 陳繼蘭, 等. 烘烤雞肉揮發(fā)性風味物的微捕集和GCMS分析[J]. 分析測試學報, 2003, 22(1): 58-61.

[16]FARMER L J. Poultry meat flavor[M]// RICHARDSON R I, MEAD G C. Poultry meat science symposium. Oxford, UK: CAB I Pub1ishing, 1999: 36-38.

[17]MOTTRAM D S. Flavor formation in meat and meat products: a review [J]. Food Chem, 1998, 62(4): 415-424.

Optimization of Supercritical Carbon Dioxide Extraction of Volatile Components from Sauced Duck Using Response Surface Methodology

WANG Qiang1，DENG Ze-yuan1,*，FAN Ya-wei1，HU Jiang-ning1，LIU Rong1，LI Jing1，ZHAO Li-ping1，DU Jin-ping2
(1. State Key Labortory of Food Science and Technology, Nanchang University, Nanchang 330047, China；2. Hubei Academy of Agricultural Sciences, Wuhan 430064, China)

Response surface methodology (RSM) was employed to optimize the supercritical CO2extraction conditions for volatile components from sauced duck. The effects of extraction pressure, temperature and duration on the ratio between volatile components and total extract were investigated. Results indicated that the ratio between volatile components and total extract was decreased with the increase of extraction temperature and pressure, while the ratio exhibited an initial increase and a final decrease with the increase of extraction time. The optimal extraction pressure, extraction temperature and extraction time were determined to be 11 MPa, 41 ℃ and 60 min, respectively. The ratio between volatile components and total extract was up to 83.45% under these optimal extraction conditions. A total of 60 volatile compounds were identified in extract by GC-MS. Most of these volatile compounds were lipid oxidation and Maillard-reaction products, such as aldehydes, ketones, aliphatic hydrocarbons, aromatic hydrocarbons, esters and heterocyclic compounds.

sauced suck；supercritical carbon dioxide；volatile components

TS207.3

A

1002-6630(2010)20-0187-05

2010-06-29

國家現代農業(yè)(水禽)產業(yè)技術體系資助項目(nycytx-45)

王強(1986—)，男，碩士研究生，研究方向為食品科學。E-mail：37109094@163.com

*通信作者：鄧澤元(1963—)，男，教授，博士，研究方向為脂肪酸及天然產物。E-mail：dengzy28@yahoo.com.cn