超聲波處理對紅葡萄酒總酚、總黃酮含量及自由基清除活性的影響

申 遠,張清安,易 璇,張曉莉,顏艷英

(1.陜西師范大學食品工程與營養科學學院,陜西西安 710062;2.北京師范大學鄂爾多斯附屬學校,內蒙古鄂爾多斯 017010)

超聲波處理對紅葡萄酒總酚、總黃酮含量及自由基清除活性的影響

申 遠1,2,張清安1，*,易 璇1,張曉莉1,顏艷英1

(1.陜西師范大學食品工程與營養科學學院,陜西西安 710062;2.北京師范大學鄂爾多斯附屬學校,內蒙古鄂爾多斯 017010)

應用超聲波處理紅葡萄酒,探討超聲因素(超聲頻率,超聲功率,超聲處理溫度,超聲時間)對紅葡萄酒中總酚、總黃酮含量及自由基清除活性的影響。結果表明超聲處理會使紅葡萄酒總酚含量、總黃酮含量與自由基清除活性顯著降低(p<0.05)。超聲處理紅葡萄酒后,其抗氧化活性與其總酚含量呈高度正相關,回歸方程為y=0.0270x+38.806(R2=0.9007,p<0.01);其抗氧化活性與其總黃酮含量亦存在一定線性關系,回歸方程為y=0.0592x+37.357(R2=0.4970,p<0.05)。在本文實驗條件下根據實驗結果可以推知,超聲處理后紅葡萄酒自由基清除活性的降低,部分是由于總酚含量和總黃酮含量降低所引起的。

超聲波,紅葡萄酒,總酚,總黃酮,自由基清除活性

超聲波是指頻率為20 kHz及以上的聲波,可通過其化學效應,機械效應和空化作用對食品內物質的狀態、組成、結構和功能等產生影響,從而改變其理化性質[1-2]。

超聲波處理技術現已被證實可以用于加速酒類陳化:李卉[3]等人研究發現超聲波處理可以加速紅葡萄酒陳化,使感官值大幅提高;冷慧娟[4]發現進行超聲處理可以極大改善紅酒感官;Chang[5]研究證實超聲波處理可以加速米酒陳化,顯著改善酒品;Chang和Chen[6]研究表明超聲波處理可以加速玉米酒的陳化;Zheng[7]等人研究發現超聲波可以用于青梅酒的催熟。而超聲波對活性物質(例如酚類物質)的降解作用亦是不可忽視的,Zhang[8]等人研究了單一超聲因素(超聲頻率,超聲功率,超聲處理溫度,超聲時間)對酚類物質降解的影響,表明超聲處理可誘導溶于乙醇溶液中的酚類物質大量降解(紅葡萄酒即是一種乙醇溶液),酚類物質是紅葡萄酒中主要的抗氧化活性物質[9],酚類物質含量變化可能導致紅葡萄酒抗氧化活性變化;同時黃酮亦是紅葡萄酒中起抗氧化作用的主要物質[10]。故有必要研究超聲處理對紅葡萄酒中總酚、總黃酮含量及其抗氧化活性的影響,本文以超聲波處理紅葡萄酒,研究超聲處理因素對紅葡萄酒總酚含量、總黃酮含量及抗氧化活性的影響,為超聲波技術在紅葡萄酒領域應用提供理論依據。

表1 超聲波處理頻率對紅葡萄酒總酚、總黃酮含量及自由基清除活性的影響

注:*同一行數據后不同字母表示在p<0.05水平上的顯著性差異,表2～表4同。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

紅葡萄酒 西安九茶酒業有限公司2013年產師原牌赤霞珠干紅葡萄酒;DPPH自由基 福林酚試劑 Sigma-Aldrich公司;沒食子酸,無水乙醇,碳酸鈉 天津市天力化學試劑有限公司;亞硝酸鈉,氯化鋁,氫氧化鈉 天津市科密歐化學試劑有限公司。

生化培養箱 上海申賢恒溫設備廠;JA12002型電子天平 上海科儀廠;TU-1810型紫外可見分光光度計 北京普析通用儀器有限公司;PHS-3B 型精密pH計 上海雷磁儀電科學儀器廠;KQ-300VDE型數控超聲波清洗機 江蘇省昆山市超聲儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 超聲處理頻率對紅葡萄酒酚類物質含量和抗氧化活性的影響 取紅葡萄酒50 mL于100 mL具塞磨口瓶中。在溫度20 ℃,超聲功率300 W下,分別以45、80、100 kHz超聲波進行處理,考察超聲頻率對酒樣總酚、總黃酮含量和抗氧化活性的影響。

1.2.2 超聲處理功率對紅葡萄酒酚類物質含量和抗氧化活性的影響 取紅葡萄酒50 mL于100 mL具塞磨口瓶中。在溫度20 ℃,超聲功率100 kHz下,分別以超聲功率120、180、240、300 W進行處理,考察超聲功率對酒樣總酚、總黃酮含量和抗氧化活性的影響。

1.2.3 超聲處理溫度對紅葡萄酒酚類物質含量和抗氧化活性的影響 取紅葡萄酒50 mL于100 mL具塞磨口瓶中。分別在超聲溫度為20、30、40、50、60 ℃下,用超聲頻率為100 kHz、功率為300 W超聲波進行處理,考察超聲處理溫度對酒樣總酚、總黃酮含量和抗氧化活性的影響。

1.2.4 超聲處理時間對紅葡萄酒酚類物質含量和抗氧化活性的影響 取紅葡萄酒50 mL于100 mL具塞磨口瓶中。在超聲溫度為20 ℃下,用超聲頻率為100 kHz、功率為300 W超聲波分別處理20、40、60、80、100 min,考察超聲處理時間對酒樣總酚、總黃酮含量和抗氧化活性的影響。

1.2.5 總酚測定方法 參考Rapisarda[11]等人的方法進行。

1.2.6 總黃酮測定方法 參考Peinado[12]等人的方法進行。

1.2.7 DPPH自由基清除活性測定方法 參考Zhang[13]等人的方法。

1.3 數據分析

通過Microsoft Office Excel 2010和IBM SPSS Statistics 2.0軟件進行數據處理,所用分析方法包括LSD法多重比較,線性回歸分析。

2 結果與分析

2.1 總酚含量測定標準曲線

按照1.2.5的方法制作標準曲線,標準曲線線性方程為:y=5.3071x+0.0085,相關系數R2=0.9990;其中,y為吸光度,x為沒食子酸標準溶液濃度(mg/mL)。

2.2 總黃酮含量測定標準曲線

按照1.2.6的方法制作標準曲線,標準曲線線性方程為:y=0.1x-0.0037,相關系數R2=0.9991。y為吸光度,x為蘆丁標準溶液濃度(mg/mL)。

2.3 超聲處理頻率對紅葡萄酒總酚、總黃酮含量和自由基清除活性的影響

由表1可知,與未處理樣品相比,超聲處理使紅葡萄酒中總酚含量和總黃酮含量均呈現顯著降低趨勢。以80 kHz超聲波處理后的酒樣總酚含量最低;處理后酒樣中總黃酮含量呈現先下降后上升的趨勢;隨著超聲波頻率的升高,酒樣抗氧化活性呈現了先平穩后又增強的趨勢,但最高值仍低于未處理酒樣。

從超聲波的“剪切作用”和產生自由基的聲化學作用這兩方面進行探討[8]。一方面,超聲波的剪切作用會使得多酚和黃酮等物質發生裂解使含量降低;另一方面,超聲波會產生空化現象,空化氣泡急劇崩潰閉合從而產生瞬間的高溫、高壓,水分子會裂解成羥基自由基和氫離子自由基[14-15],自由基反應導致紅酒內酚類物質和黃酮類物質的降解;另外,超聲波頻率越低,其剪切作用越強;頻率越高,其聲化學效應越強,產生的自由基越多[16-17]。

表2 超聲波處理功率對紅葡萄酒總酚、總黃酮含量及自由基清除活性的影響

表3 超聲波處理溫度對紅葡萄酒總酚、總黃酮含量及自由基清除活性的影響

表4 超聲波處理時間對紅葡萄酒總酚、總黃酮含量及自由基清除活性的影響

所以45 kHz頻率處理酒樣總酚含量低于100 kHz處理酒樣。而80 kHz處理酒樣總酚和總黃酮含量均最低,可能是此頻率剪切作用和聲化學作用相結合達到最強,而導致了此頻率下兩種物質有最高的降解率。

2.4 超聲處理功率對紅葡萄酒總酚、總黃酮含量和自由基清除活性的影響

由表2可見,隨著超聲處理功率的升高,酒樣的總酚含量整體上呈現了顯著的先下降后上升變化趨勢,超聲處理功率為240 W的酒樣總酚含量最低。樣品總黃酮含量呈現緩慢降低趨勢。隨著超聲處理功率的增加樣品抗氧化活性呈現顯著下降趨勢。

當超聲波功率增加時,超聲波密度會增加,空化效應的壓強增大、溫度升高、自由基產生量增加,此極限環境會誘發和促進紅酒內的一系列化學反應發生和進行[18]。同時,超聲波強度增加必然會導致超聲波聲幅增大,聲幅越大空化效應也越劇烈[19],空化效應越發劇烈則其所產生的聲化學效應也越強,進而影響紅酒內的相關化學變化的發生和進行。所以隨著超聲波功率的升高,總酚和總黃酮含量呈現總體下降的趨勢。而在超聲波密度達到一定值以后,聲幅反而會受到限制,所以處理功率為240 W時降解率最高可能是由于在超聲功率為240 W時聲幅和超聲波密度共同作用最強,而導致兩種物質降解最多。

2.5 超聲處理溫度對紅葡萄酒總酚、總黃酮含量和自由基清除活性的影響

由表3可知,與未處理組相比,經處理酒樣總酚含量顯著下降,后隨著超聲處理溫度的升高,呈現先穩定后上升的趨勢,處理溫度為60 ℃酒樣總酚含量最高,但仍顯著低于未處理酒樣;酒樣總黃酮含量呈現先升高后降低再升高的波動趨勢;酒樣自由基清除活性呈顯著降低趨勢,其中50 ℃超聲處理酒樣DPPH自由基清除活性最低。

在超聲波處理過程中,超聲波處理溫度升高會導致超聲波聲效率顯著下降[20],聲效率發生下降則會導致空化效應減弱,導致其聲化學效應、聲物理效應等效應的減弱,而這些效應減弱則勢必會導致超聲波降解效應減弱,溫度最高(60 ℃)時降解效應最弱,所以隨著超聲波處理溫度的增加,紅酒中總酚含量呈現了基本穩定而后來上升的趨勢。另外值得一提的是,因為高溫時超聲波效率較低,故在使用超聲波進行紅酒催熟時不建議使用50、60 ℃等較高溫度。

2.6 超聲處理時間對紅葡萄酒總酚、總黃酮含量和抗氧化活性的影響

由表4所示,處理后酒樣總酚含量發生顯著變化,隨著超聲時間的延長,總酚含量總體呈先下降后稍上升并趨于穩定的趨勢;而超聲處理酒樣總黃酮含量則呈現先趨于穩定后下降的趨勢。在自由基清除活性方面:酒樣自由基清除活性呈現顯著降低趨勢。

在超聲波誘導產生羥基自由基的初期,自由基產生量隨著時間的延長呈現單調遞增,后期逐漸趨于穩定[21];另外,在超聲處理過程的初期階段是自由基產生和積累的過程,而隨著時間的延長自由基的產生越來越緩慢[22],誘導物質分解的能力也就越弱,故會導致這種隨著時間的延長酚類和黃酮類物質分解速率減緩的現象出現。而在60 min以后,可能由于超聲波的剪切作用繼續作用于酚類和黃酮類物質,導致其進一步分解,相關活性基團暴露出來[23],而使得在測定的時候,得到總酚含量增加的結果。

2.7 超聲處理后酒樣總酚含量與抗氧化活性的相關性分析

由圖1、圖2可知,以樣品總酚含量x為橫坐標,自由基清除活性y為縱坐標,運用SPSS 20.0軟件擬合得回歸方程y=0.0270x+38.806(相關系數R2=0.9007,F值=172.372,p<0.01);樣品總黃酮含量x為橫坐標,自由基清除活性y為縱坐標,擬合得回歸方程y=0.0592x+37.357(相關系數R2=0.4970,F值=18.773,p<0.05)。樣品的抗氧化活性與總黃酮含量呈一定線性關系、與總酚含量高度相關,這與胡博然[9]等人和Fernandez-Pachan[10]等人的研究結論相一致,認為紅葡萄酒清除自由基能力大部分來自于酚類物質,另一部分來自于黃酮類物質和其他生物活性物質。

圖1 超聲處理后紅葡萄酒總酚含量和抗氧化活性的相關性Fig.1 Correlation between total phenolic content and antioxidant capacity of red wine after sonication

圖2 超聲處理后紅葡萄酒總黃酮含量和抗氧化活性的相關性Fig.2 Correlation between total flavonoid content and antioxidant capacity of red wine after sonication

3 討論

本研究的研究結論與Zhang[8]等人的結論相一致,證明超聲波是可以誘導酚類物質顯著降解。

紅酒需要陳化才能具有最佳飲用品質[24]。在自然陳化過程中,酒中酚類物質在微量氧氣的作用下發生一系列氧化、縮合等反應,隨著時間的推移酚類物質的形態和分類發生變化,使酒的口感、顏色等特性有所改善[24-25];而隨著自然微氧氧化進行,具有抗氧化性的活性物質勢必會有部分被反應掉導致酒的抗氧化活性有所降低[26]。超聲波可以誘導產生自由基,加快了紅酒內部氧化過程,對紅酒品質改善有較大作用[3-4,24],雖然超聲波處理紅葡萄酒,會使其抗氧化活性有所降低,但此變化是超聲波促進紅酒老化、改善酒品的結果,故研究和使用超聲波技術處理和催陳紅酒非常有實際意義。

綜合本文的實驗結果,僅從盡量不使紅酒中主要抗氧化活性物質降解而導致自由基清除活性降低角度考慮,本實驗條件下建議超聲波處理參數為:頻率100 kHz,功率180 W,處理溫度20 ℃,處理20 min。

4 結論

以超聲波處理紅葡萄酒,研究了超聲波頻率、超聲波功率、處理溫度、處理時間等超聲波因素對紅葡萄酒總酚含量、總黃酮含量及自由基清除活性的影響。研究發現:超聲處理會使紅葡萄酒總酚含量、總黃酮含量與自由基清除活性顯著降低;在測定的超聲條件下酒樣中總酚含量、總黃酮含量和自由基清除活性變化趨勢基本一致;超聲處理紅葡萄酒后,其總酚含量與其抗氧化活性呈高度正相關,線性回歸方程為y=0.0270x+38.806(R2=0.9007,F=172.372,p<0.01);總黃酮含量與其抗氧化活性亦呈一定線性關系,線性方程為y=0.0592x+37.357(R2=0.4970,F=18.773,p<0.05);在本文實驗條件下根據實驗結果可以推知:超聲處理導致紅葡萄酒抗氧化活性下降,部分是由于超聲處理導致總酚含量和總黃酮含量的降低所造成的。僅從盡量不使得紅酒中主要抗氧化活性物質降解而導致自由基清除活性降低,在本文實驗條件下建議的超聲波處理參數為:超聲波頻率100 kHz,超聲波功率180 W,超聲處理溫度20 ℃,處理20 min。

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Effect of ultrasound on total phenolic,flavonoid content and free radical scavenging activity of red wine

SHEN Yuan1,2,ZHANG Qing-an1,*,YI Xuan1,ZHANG Xiao-li1,YAN Yan-ying1

(1.School of Food Engineering and Nutrition Sciences,Shaanxi Normal University,Xi’an,710062,China;2.Ordos School Attached to Beijing Normal University,Ordos,017010,China)

Ultrasound technology was applied to process red wine,effects of ultrasound frequency,ultrasound power,ultrasound treatment temperature and ultrasound time on total phenolic content,total flavonoid content and free radical scavenging activity of red wine were investigated. Research result showed total phenolic content,total flavonoid content and radical scavenging activity activity of red wine were decreased significantly after ultrasonication. There was significant correlation between antioxidant activity and total phenolic content(y=0.0270x+38.806,R2=0.9007,p<0.01). The antioxidant activity and total flavonoid content were also in a significant correlation(y=0.0592x+37.357,R2=0.4970,p<0.05). According to the results obtained,free radical scavenging activity of red wine were decreased significantly after ultrasonication,and the degradation of total phenolic content and total flavonoid content induced by ultrasound might basically explain this phenomenon.

ultrasound;red wine;total phenolic content;total flavonoid content;free radical scavenging activity

2015-01-26

申遠(1989-)，男，碩士研究生，研究方向：食品超聲波化學與化學教學, E-mail:jlaushawn@yeah.net。

*通訊作者:張清安(1976-)，男，博士，副教授,研究方向：食品加工高新技術應用基礎研究、食品功能成分開發，E-mail:qinganzhang@snnu.edu.cn。

國家自然科學基金青年科學基金項目(31101324)；陜西省自然科學基金項目(2015JM3097)；西安市科技局技術轉移促進工程項目(CXY1434(5))；中央高校基本科研業務費專項(GK201404006)。

TS261

A

1002-0306(2015)23-0111-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.23.014