大蒜風味物質超聲制備的工藝優化

王 璨,許 楠,曹雁平,王少甲,郭 睿

(北京工商大學化學與環境工程學院,北京 100048)

大蒜風味物質超聲制備的工藝優化

王 璨,許 楠,曹雁平＊,王少甲,郭 睿

(北京工商大學化學與環境工程學院,北京 100048)

采用混合均勻設計優化了非超聲、不同超聲場制備大蒜風味物質的工藝,考察了超聲頻率、超聲強度、時間、液料比等因素對大蒜風味物質得率的影響。超聲制備最佳工藝條件為雙頻交變超聲 28/40kHz,超聲強度 0.45W·cm-2,時間 20min,液料比 8∶1,制備能力值為 0.061mg·g-1·min-1,相對于非超聲、單頻超聲、雙頻復合超聲制備能力值分別提高了 144.0%、17.3%、84.8%。

混合均勻設計,超聲頻率,超聲強度,風味物質

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新鮮大蒜 山東蒼山;5,5′-二硫代雙 (2-硝基苯甲酸,DTNB)、Hepes Sigma公司;L-半胱氨酸、NaOH 北京化學試劑公司,分析純。

紫外可見分光光度計 Spectrumlab 53 上海棱光技術有限公司;分析天平 T B-214 Denver Instrument;低溫恒溫槽 DCW-3506 寧波新芝生物科技股份有限公司;JXD-02型超聲處理器 北京金星超聲波設備技術有限公司;多功能食品加工機HR7633 PH IL IPS。

1.2 實驗方法

實驗選用新鮮大蒜,搗碎后立即與一定比例的去離子水混合進行實驗,實驗中固定反應杯中蒜泥和水的總質量為 300g,根據實驗方案調整好超聲設備頻率與功率,實驗系統裝置見圖 1。達到反應時間后盡快離心取上清液進行大蒜風味物質得率的檢測(每次取三個樣品,每組做兩個平行,濃度變化在 5%以內數據可用)。

1.2.1 工藝流程 大蒜→去皮→洗凈→搗碎→加水超聲輔助酶解→離心分離(8000r/min、4℃、5min)→上清液→檢測

圖1 組合超聲系統立體圖

1.2.2 大蒜風味物質得率的測定 采用比色法測定大蒜風味物質的得率[6-7]。取 10mmol/L的半胱氨酸溶液 5mL于試管中,加入 1mL上清液,在 26℃保溫15min后,取 1mL上述反應混合液于 100mL容量瓶中,加水至刻度。再取稀釋后的混合液 4.5mL與1.5mmol/L的DTNB溶液 0.5mL在 26℃保溫 15min,于 412nm下測定吸光度 (A);把 1mL上清液換為去離子水,測得原始吸光度(A0)。計算公式如下：

式中：M：大蒜風味物質得率,即單位質量大蒜產生風味物質的質量 (mg·g-1);ΔA412：吸光度值之差,即A0-A;β：反應液稀釋倍數;Mr：風味物質平均分子量,以大蒜素計 (162g·mol-1);α：液料比 (mL·g-1); 2：一分子風味物質可以與兩分子 L-半胱氨酸反應; 14150：摩爾吸光系數 (1cm光徑)。

1.2.3 制備能力值(PA)的確定 為評價不同制備工藝,特提出制備能力值作為評價指標。制備能力值(PA)是指單位時間、單位原料 (大蒜)可以獲得的大蒜風味物質的質量。計算公式如下：

式中：PA：制備能力值 (mg·g-1·min-1);M：大蒜風味物質得率(mg·g-1);t：反應時間(min)。

1.2.4 單因素實驗

1.2.4.1 非超聲條件下最佳pH的確定 固定液料比4∶1、時間 30min、溫度 30℃不變,所需去離子水 pH分別取 5.5、6.0、6.5、7.0、7.5,作 pH與大蒜風味物質得率的關系曲線,可得到蒜氨酸酶非超聲條件下的最佳pH。

1.2.4.2 非超聲條件下最佳溫度的確定 固定液料比 4∶1、時間 30min、反應所需去離子水 pH6.5不變,溫度分別取 20、25、30、35、40℃,作溫度與大蒜風味物質得率的關系曲線,可得到蒜氨酸酶非超聲條件下的最佳溫度。

1.2.4.3 超聲條件下最佳 pH的確定 固定液料比4∶1、時間 30min、溫度 30℃、超聲頻率 50kHz、超聲強度 0.5W·cm-2不變,所需去離子水 pH分別取 5.5、6.0、6.5、7.0、7.5,作 pH與大蒜風味物質得率的關系曲線,可得到蒜氨酸酶超聲條件下的最佳 pH。

1.2.4.4 超聲條件下最佳溫度的確定 固定液料比4∶1、時間 30min、反應所需去離子水 pH6.5、超聲頻率50kHz、超聲強度 0.5W·cm-2不變,溫度分別取 20、25、30、35、40℃,作溫度與大蒜風味物質得率的關系曲線,可得到蒜氨酸酶超聲條件下的最佳溫度。

1.2.5 均勻實驗方案及結果 在蒜氨酸酶催化的最佳溫度和最佳 pH下,非超聲、單頻超聲、雙頻組合超聲制備大蒜風味物質的混合水平均勻設計實驗方案和實驗數據分別見表 1～表 3。

表1 非超聲實驗方案及實驗數據

表 2 單頻超聲實驗方案及實驗數據

1.2.6 各因素對大蒜風味物質得率影響程度的評價利用 DPS軟件[8]中的偏最小二乘法處理實驗數據,通過標準化回歸系數 (SRC)無量綱地比較各因素對制備大蒜風味物質影響的程度,SRC評價標準見表4。

表4 使用標準化回歸系數評價各因素對制備工藝影響的標準

2 結果與討論

2.1 非超聲、超聲制備大蒜風味物質最佳溫度與最佳pH的確定

表 3 雙頻組合超聲實驗方案及實驗數據

由圖2和圖3可知,超聲條件下內源蒜氨酸酶催化的最佳溫度和最佳 pH與非超聲條件下相同,最佳溫度 35℃,最佳 pH6.5。

圖 2 溫度對大蒜風味物質得率的影響

圖3 pH對大蒜風味物質得率的影響

2.2 各因素對非超聲制備大蒜風味物質工藝的影響

利用偏最小二乘法處理實驗數據,通過標準化回歸系數無量綱比較非超聲制備中各單因素及復合因素對大蒜風味物質的影響程度。由圖 4可以看出,在非超聲制備中,液料比對實驗結果影響比較顯著,為正相關,說明液料比越大越有利于提高制備效果;在時間-液料比雙因素共同作用中,復合因素對實驗結果影響不明顯。根據優化得到的非超聲條件下各個考察指標的最佳條件和最佳條件下大蒜風味物質得率如表5所示。

2.3 各因素對單頻超聲制備大蒜風味物質工藝的影響

圖 4 非超聲制備大蒜風味物質得率的標準化回歸系數注：1：X1時間;2：X2液料比;3：X1X2。

利用偏最小二乘法處理實驗數據,通過標準化回歸系數無量綱比較單頻超聲制備中各單因素及復合因素對大蒜風味物質的影響程度。由圖 5可以看出,在單頻超聲制備中,超聲頻率對實驗結果影響為負相關,說明較低的超聲頻率有利于提高實驗效果;液料比對實驗結果影響比較顯著,為正相關,說明液料比越大越有利于提高實驗效果,與非超聲制備的趨勢一致;超聲強度和時間對實驗結果影響雖然為正相關,但影響并不明顯,說明超聲強度和時間并不是越大越好,適當超聲強度和時間有利于提高實驗效果;在雙因素共同作用中,各復合因素對實驗結果影響均不明顯。根據優化得到的單頻超聲條件下各個考察指標的最佳條件和最佳條件下大蒜風味物質得率如表 5所示。

圖 5 單頻超聲制備大蒜風味物質得率的標準化回歸系數注：1：X1超聲頻率;2：X2超聲強度;3：X3液料比; 4：X4時間;5：X1X2;6：X1X3;7：X1X4; 8：X2X3;9：X2X4;10：X3X4;圖 6、圖 7同。

2.4 各因素對雙頻復合超聲制備大蒜風味物質工藝的影響

利用偏最小二乘法處理實驗數據,通過標準化回歸系數無量綱比較雙頻復合超聲制備中各單因素及復合因素對大蒜風味物質的影響程度。由圖 6可以看出,在雙頻復合超聲制備中,液料比對實驗結果影響比較顯著,為正相關,說明液料比越大越有利于提高實驗效果,趨勢與非超聲和單頻相同;超聲強度和時間對實驗結果影響雖然為正相關,但影響并不明顯,說明超聲強度和時間并不是越大越好,適當超聲強度和時間有利于提高實驗效果,趨勢與單頻超聲一致;在雙因素共同作用中,超聲強度-時間對實驗結果的影響比較顯著,為負相關,說明并不是超聲強度越大、時間越長對實驗結果越好,這也與單因素對實驗結果的影響一致。根據優化得到的雙頻復合超聲條件下各個考察指標的最佳條件和最佳條件下大蒜風味物質得率如表 5所示。

表 5 不同制備方法最優工藝的比較

圖6 雙頻復合超聲制備大蒜風味物質得率的標準化回歸系數

2.5 各因素對雙頻交變超聲制備大蒜風味物質工藝的影響

利用偏最小二乘法處理實驗數據,通過標準化回歸系數無量綱的比較雙頻交變超聲制備中各單因素及復合因素對大蒜風味物質的影響程度。由圖 7可以看出,在雙頻交變超聲制備中,液料比對實驗結果影響比較顯著,為正相關,說明液料比越大越有利于提高實驗效果,趨勢與前面保持一致;超聲強度和超聲頻率對實驗結果影響雖然為正相關,但影響并不明顯,說明超聲強度和超聲頻率并不是越大越好,適當超聲強度和超聲頻率有利于提高實驗效果;時間對實驗結果影響為負相關,說明較短的時間有利于提高實驗效果;在雙因素共同作用中,超聲強度-時間對實驗結果的影響比較顯著,為負相關,說明并不是超聲強度越大、時間越長對實驗結果越好,這也與雙頻復合制備的趨勢一致。根據優化得到的雙頻交變超聲條件下各個考察指標的最佳條件和最佳條件下大蒜風味物質得率如表 5所示。

圖 7 雙頻交變超聲制備大蒜風味物質得率的標準化回歸系數

2.6 最優工藝對比

由表 5可以看出,超聲制備的時間均比非超聲短,可以解釋為超聲能夠加速酶促反應速率,從而加速大蒜風味物質的生成速率,證明適當的超聲頻率和超聲強度能夠提高蒜氨酸酶的活性。雙頻交變超聲條件下的制備能力值最高,為 0.061mg·g-1·min-1,相對于非超聲、單頻超聲和雙頻復合超聲條件下的制備能力值分別提高了 144.0%、17.3%、84.8%。

3 結論

3.1 非超聲條件下內源蒜氨酸酶催化的最佳溫度和最佳 pH與超聲條件下相同,最佳溫度 35℃,最佳pH6.5。

3.2 液料比對實驗結果影響比較顯著,且為正相關;實驗中并不是超聲頻率、超聲強度和時間越大越好,適當的超聲頻率、超聲強度和時間有利于提高制備效果。

3.3 不同超聲輔助方法制備大蒜風味物質的制備能力值排序為：雙頻交變超聲 ＞單頻超聲 ＞雙頻復合超聲。

3.4 優化的工藝條件是：雙頻交變超聲 28/40kHz,超聲強度 0.45W·cm-2,酶解時間 20min,液料比8∶1,提取能力值為 0.061mg·g-1·min-1,相對于非超聲、單頻超聲、雙頻復合超聲制備能力值分別提高了144.0%、17.3%、84.8%。

3.5 超聲能夠加速大蒜風味物質的生成速率,縮短反應時間,超聲輔助制備大蒜風味物質的工藝有明顯的技術優勢,有工業推廣價值。

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Opt im ization for preparation process of flavor compounds in garlic by ultrasound

WANG Can,XU Nan,CAO Yan-ping＊,WANG Shao-jia,GUO Rui
(College of Chemistry and Environment Engineering,Beijing Technology and BusinessUniversity,Beijing 100048,China)

A hyb irl and uniform des ign was used to op t im ize the p rocess for trad itiona l m e thod and ultrasoundenhanced technology of flavor comp ounds in ga rlic.The effec ts of ultrasonic frequency,ultrasonic intens ity,t im e and liquid-to-solid ra te on yie ld of flavor comp ounds in ga rlic we re inves tiga ted.The op t im um cond itions we re ob ta ined as follows：dua l-frequency a lte rnant28/40kHz,ultrasonic intens ity0.45W·cm-2,reac tion t im e20m in, liquid-to-solid ra te8∶1.Unde r these cond itions,p rep a ra tion ab ility(PA)was0.061m g·g-1·m in-1.PA of dua lfrequency a lte rnantwas inc reased by144.0%、17.3%、84.8%sep a ra te ly,in comp a rison w ith the trad itiona lm e thod, s ing le frequency and dua l-frequency.

hyb ril and uniform des ign;ultrasonic frequency;ultrasonic intens ity;flavor comp ounds

TS255.1

A

1002-0306(2010)04-0080-05

大蒜 (百合科植物 A llium L.的鱗莖)是傳統的食品調味用辛香料,現已證明它具有抗菌、抗病毒、抗血栓、降壓降脂、抗氧化、提高機體免疫等功能[1],其主要的生物活性物質是大蒜中的蒜氨酸和內源蒜氨酸酶反應生成的含硫有機化合物,包括大蒜素(allicin)、烯丙基二硫化物、烯丙基三硫化物等幾十種成分[2-3],也是大蒜的風味物質。超聲波是物質介質中的一種彈性機械波,作為一種物理的能量形式,在食品、生物、化工等行業有廣泛的應用。邱樹毅等[4]研究發現超聲處理可使固定化脂肪酶的酯交換反應速度提高 3～4倍。高大維等[5]研究超聲波對固定化糖化酶催化水解淀粉的作用,結果表明,超聲波使固定化酶的酶活力提高兩倍多,而不改變其 pH和溫度特性。顯然,利用超聲強化大蒜所含內源蒜氨酸酶活性,提高大蒜風味物質得率,是有價值和意義的。實驗采用混合水平均勻設計的方法優化不同的超聲場條件下制備大蒜風味物質的工藝,考察了各因素對大蒜風味物質得率的影響,并用制備能力值評價不同工藝。

2009-09-16 ＊通訊聯系人

王璨 (1984-),男,碩士研究生,研究方向：植物資源綜合利用。

國家 863高技術研究發展項目(2007AA10Z306)資助。