干燥方式對生姜揮發性成分的影響

潘少香,鄭曉冬,劉雪梅,閆新煥,孟曉萌,宋 燁

(中華全國供銷合作總社濟南果品研究院,山東濟南 250014)

干燥方式對生姜揮發性成分的影響

潘少香,鄭曉冬,劉雪梅,閆新煥,孟曉萌,宋 燁*

(中華全國供銷合作總社濟南果品研究院,山東濟南 250014)

研究不同干燥方式對生姜揮發性香氣成分的影響,采用氣相色譜和質譜聯用技術(Gas Chromatography-Mass Spectrometer,GC-MS)對生姜揮發性香氣成分進行檢測,并采用主成分分析法對測定結果進行分析,建立香氣質量綜合評價模型,通過主成分綜合得分評價干燥生姜樣品的香氣品質。結果表明:不同干燥方法處理生姜樣品的揮發性成分與鮮姜樣品有較大差異,鮮姜樣品綜合得分最高,噴霧干燥全姜粉次之,熱風干燥樣品得分最低。說明鮮姜樣品的香氣成分是最好的,噴霧干燥處理比熱風干燥更能保持生姜香氣風味。

生姜,干燥,揮發性成分,主成分分析

生姜指姜屬植物的塊根莖,別名紫姜、生姜、鮮姜、老姜。生姜化學成分復雜,包括碳水化合物、蛋白質、維生素、礦物質、辛辣素、油脂及少量揮發性油分。生姜因其特殊的風味,被廣泛的應用于烹調香料、調味料和草藥。生姜風味的感官特性主要是姜精油這種物質賦予,姜精油是生姜中的揮發性油分,它為生姜提供了香氣和風味。生姜不易保鮮,新鮮原料難以滿足市場需要和人們的消費需求。

目前生姜產業的現狀,以簡單加工為主,將新鮮果蔬直接干制加工成果蔬粉,是近幾年來出現的一種新趨勢[1]。姜粉作為附加值較高的產品,加工工藝不同使產品質量參差不齊。研究表明生姜的風味化學成分因其地理位置[2]、品種[3]、提取方法[4]以及加工方式[5]的不同而產生差異。干制加工可以降低樣品水分含量抑制微生物的生長,但是干燥會導致物料揮發性香氣成分的損失[6],同時會產生一些新的化合物[7]。國內果蔬粉加工采用的干燥方式主要有噴霧干燥、熱風干燥等,其中以噴霧干燥方式制粉居多[1]。

由于生姜的揮發性成分種類很多,實驗結果采用主成分分析法分析。主成分分析是一種多元統計分析技術,它是一種降維或者把多個指標轉化為少數幾個綜合指標來反映原來指標的方法,主成分分析的目的是簡化數據和揭示變量間的關系。目前主成分分析法已廣泛應用于食品中香味成分的分析。實驗通過主成分分析法對不同處理生姜樣品的揮發性成分進行區分從而對生姜粉的不同干燥方式進行區分和評價,建立生姜香氣質量主成分評價模型,本文通過對姜粉產品香氣成分分析旨在為村鎮農產品采后初加工提供依據。

1 材料和方法

1.1 材料及儀器

生姜 為萊蕪生姜,樣品購自濟南市歷下區吉祥苑農貿市場。

BGR-240電熱鼓風干燥箱 上海博訊實業有限公司醫療設備廠;噴霧干燥機 上海沃迪機械;高速萬能粉碎機 天津市泰斯特儀器有限公司;UM3打漿機、PDA膠體磨 德國奧拓公司;Agilent 7890-5975氣質聯用儀 美國安捷倫公司;DB-5 MS柱 美國安捷倫公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品處理方法 熱風干燥和噴霧干燥參考畢金峰[19]方法并略有改動。

對照鮮姜處理工藝:生姜→洗凈晾干→打漿。

熱風干燥粉處理工藝:生姜→洗凈晾干切成2～3 mm左右的生姜片→80 ℃電熱鼓風干燥箱熱風干燥6 h(關鍵控制點)→粉碎過80目篩→熱風干燥姜粉。

全姜噴霧干燥粉處理工藝:生姜→洗凈晾干→打漿機粗破碎后過膠體磨然后190目篩過濾→噴霧干燥(進風口溫度180 ℃,出風口溫度100 ℃,進料轉子轉速40 r/min)(關鍵控制點)→全姜噴霧干燥粉。

姜汁噴霧干燥粉處理工藝:生姜→洗凈晾干→打漿機粗破碎后榨汁→姜汁噴霧干燥(進風口溫度180 ℃,出風口溫度100 ℃,進料轉子轉速40 r/min)(關鍵控制點)→姜汁噴霧干燥粉。

姜渣熱風干燥粉處理工藝:生姜→洗凈晾干→打漿機粗破碎后榨汁→姜渣80 ℃電熱鼓風干燥箱熱風干燥4 h(關鍵控制點)→粉碎過80目篩→姜渣熱風干燥粉。

1.2.2 揮發性成分提取 參考龐雪莉[8]方法并略有改動。取生姜漿/粉6 g放入15 mL樣品萃取瓶中,置于固相微萃取工作臺上于40 ℃水浴中平衡20 min;將固相微萃取器萃取頭通過瓶蓋聚四氟乙烯隔墊插入樣品萃取瓶的頂空,推出吸附頭使其暴露于萃取瓶頂空蒸汽中萃取20 min后縮回纖維頭,迅速將針管插入氣相色譜儀的進樣口,推出纖維頭熱解析3 min,同時啟動氣相色譜儀采集數據。

1.2.3 色譜與質譜條件

1.2.3.1 色譜條件 DB-5石英毛細管柱(30 m×0.25 mm,0.25 um);升溫程序:柱初始溫度50 ℃維持2 min,以3 ℃/min升到150 ℃維持5 min,以1 ℃/min升到155 ℃維持1 min,以20 ℃/min升到250 ℃維持1 min,進樣口溫度250 ℃,載氣流速1 mL/min,分流比為50∶1。

1.2.3.2 質譜條件 離子源溫度230 ℃,電離方式為EI,電子能量70 eV,掃描質量范圍29～400 u。

1.2.4 揮發性成分的定性和定量

1.2.4.1 定性分析 采取譜庫檢索保留指數方法:a.未知圖譜與NIST08庫圖譜對比,對匹配度大于90%的物質予以確認;b.保留指數鑒定:采用相同的升溫程序,以C8～C18的正構烷烴做標準,以其保留時間計算樣品物質的保留指數(RI),并與有關文獻[17-18]進行比較。

1.2.4.2 定量分析 按峰面積歸一化法算出樣品中各個組分的相對含量。

1.3 數據分析

采用SPSS13.0主成分分析法。將數據進行標準化處理以后,做因子分析,得到主成分的方差貢獻表。根據軟件給出的成分矩陣表,求出不同變量相應的主成分特征向量,特征向量和標準化數據的乘積即為變量的主成分負荷量,則不同樣品的主成分得分可得[13-15]。

2 結果與分析

2.1 不同干燥方式處理生姜揮發性成分分析

利用頂空固相微萃取對生姜揮發性成分進行提取,結果見表1。在鮮姜樣品中共檢測到44種香氣成分,占總含量的93.56%;在熱風干燥全姜粉中共檢測到38種香氣成分,占總含量的95.51%;在全姜噴霧干燥粉中共檢測到36種香氣成分,占總含量的87.25%;在姜汁噴霧干燥粉中共檢測到38種香氣成分,占總含量的95.87%;在姜渣熱風干燥粉中共檢測到37種香氣成分,占總含量的96.09%。不同處理樣品的香氣成分種類如圖1和圖2。從圖1中可以看出生姜的揮發性成分主要是單萜烯和倍半萜烯以及醇、醛、酯類化合物。Ngozichukwuka P Igoli研究發現生姜揮發性成分中倍半萜烯占70%,單萜只占3.5%[9]。

圖1 不同處理生姜的不同揮發性成分種類數Fig.1 The number of aroma components in different treatments of ginger

圖2 不同處理生姜的單萜和倍半萜類化合物的種類數Fig.2 The number of monoterpenes and sesquiterpenes in different treatments of ginger

表1 不同方法處理的生姜揮發性香氣成分及其相對含量

續表

對生姜風味貢獻作用最大的主要是一系列單萜類化和物,如香茅醛、香葉醛、橙花醛等,氧化倍半萜烯類含量較少但對生姜風味影響較大[10]。從圖2中可以看出與對照鮮姜相比,各干燥處理生姜樣品的倍半萜烯類化合物種類均有所減少,而單萜類化合物種類均有所增加。一方面可能是由于高溫處理導致倍半萜類化合物分解向單萜類化合物轉化,另一方面可能是由于鮮姜水分含量高,限制了部分單萜類化合物的揮發[16]。與鮮姜相比生姜中的關鍵揮發性成分香茅醛、香葉醛、橙花醛等含量均有所下降,這可能是由于化合物結構的變化,氧化化合物脫氧所導致的,例如醛類化合物脫氧生成相應的醇類化合物[16],在干燥過程中橙花醇含量的升高就證明了這一點。選取5種不同處理樣品的58種揮發性成分作為主成分分析變量進行統計。

表3 4個主成分的特征向量與載荷

續表

2.2 香氣成分的主成分分析

利用分析軟件SPSS13.0對5種處理的生姜樣品的58種揮發性香氣成分進行主成分分析,得到主成分的特征值和貢獻率見表2,由表2可以看出軟件分離出四個主成分累積貢獻率達100%,第一主成分貢獻率62.289%,第二主成分貢獻率19.715%,第三主成分貢獻率10.505%,第四主成分貢獻率7.491%。由此可見,四個主成分能夠完全代表揮發性香氣成分的變化規律。

表2 4個主成分特征值及其貢獻率

由表3可知,第一主成分反應的指標有鄰異丙基甲苯、4-蒈烯、香茅醛、表姜烯酮、姜烯、石竹烯、香檸檬烯、α-古蕓烯、長葉烯、g-蓽澄茄烯、雙環倍半水芹烯、人參烯、甘香烯等的變異信息,指標反應的是鮮姜中的特有成分和含量比例比其他處理樣品高的香氣成分。第二主成分反應的指標有α-水芹烯、α-雪松烯、2-十一烷酮、桃金娘烯醛、萜品烯、萜品油烯等的變異信息,指標反應的是噴霧干燥全姜粉中含量比例比其他處理高的香氣成分。第三主成分反應的指標有桉油精、龍腦、樟腦的變異信息,指標反應的是兩種熱風干燥粉含量相似的成分。第四主成分反應的指標有檜萜醇、z-β-法尼烯的變異信息,指標反應的是熱風干燥全姜粉的特有成分。

由表2可知前兩個主成分的累積貢獻率達到82%,基本上可以解釋大部分揮發性香氣成分的變異信息。根據58種揮發性成分的相對含量以及主成分的特征值和系數載荷計算出5種生姜樣品主成分值,以第一主成分值為橫坐標,第二主成分值為縱坐標作散點圖(圖3)。由圖3可以看出,五種生姜樣品主要分為四區域,對照鮮姜樣品在第一主成分上與其它樣品明顯分開,其它四種樣品在第二主成分上差別較大,熱風干燥的兩種樣品區域比較接近,這說明干燥后的姜粉樣品揮發性成分與鮮姜的揮發性成分在第一主成分上有很大的不同,干燥工藝對鮮姜的揮發性成分改變比較明顯,不同干燥處理的生姜樣品的揮發性成分也有所不同。

表4 主成分綜合成績得分表

圖3 5種處理生姜樣品主成分散點圖Fig.3 PCA biplot for five orange varieties

圖4由58 種香氣成分的第一主成分值為橫坐標、第二主成分值為縱坐標作散點圖而得。 圖4結合圖3可知,影響鮮姜揮發性香氣成分主要集中在第一主成分正半軸,按影響力從大到小排列分別是鄰異丙基甲苯,4-蒈烯,香茅醛,表姜烯酮,姜烯,石竹烯,香檸檬烯,α-古蕓烯,長葉烯,g-蓽澄茄烯,雙環倍半水芹烯,α-panasinsene,甘香烯,香葉醛,古巴烯,α-蒎烯,橙花醛,其中包括影響生姜風味的關鍵性揮發性成分香葉醛和橙花醛[12]。影響噴霧干燥生姜揮發性香氣成分主要集中在第二主成分正半軸,按影響力從大到小排列分別是α-水芹烯,α-雪松烯,2-十一烷酮,桃金娘烯醛,萜品烯,萜品油烯,芳樟醇,α-萜品烯,4-萜烯醇。影響熱風干燥生姜揮發性香氣成分主要集中在第二主成分負半軸,按影響力從大到小排列分別是(Z)-3,7-二甲基-1,3,6-十八烷三烯,龍腦(醇),檜萜醇,z-β-法尼烯,α-香橙烯,橙花醇,姜烯,環蒜頭烯,羅勒烯。

圖4 58種香氣成分主成分散點圖Fig.4 PCA biplot for 58 identified aroma components

2.3 不同處理生姜樣品評價模型的建立及香氣質量分析

由于主成分分析中前4個主成分反映了58個指標變量的全部信息,可知利用前4個主成分進行不同干燥處理生姜樣品揮發性香氣成分質量評價是可行的,可用F1、F2、F3、F4這4個新的綜合指標來替代原來的58種香氣成分指標對生姜樣品進行分析,得到生姜香氣成分的前4個主成分的線性關系式分別為:

F1=-0.004x1+0.027x2+0.027x3-0.006x4+…+0.027x55+0.027x56-0.028x57+0.027x58

F2=0.044x1-0.015x2+0.010x3-0.029x4+…-0.011x55-0.011x56+0.008x57-0.011x58

F3=-0.137x1+0.016x2-0.035x3+0.07x4+…+0.014x55+0.014x56-0.003x57+0.014x58

F4=-0.038x1+0.015x2+0.002x3-0.187x4+…+0.002x55+0.002x56-0.01x57+0.002x58

以每個主成分的特征值的方差貢獻率βi(i=1,2,3,4,……,k)為加權系數,利用綜合評價函數F=β1F1+β2F2+…+βkFk,建立綜合評價模型 F=0.623F1+0.197F2+0.105F3+0.075F4,計算各樣本得分然后對生姜樣品的香氣質量進行評價。由表4可知,主成分F1、F2、F3、F4得分最高的分別是鮮姜樣品、噴霧干燥全姜粉、姜渣熱風干燥粉和熱風干燥全姜粉,綜合得分排名分別是鮮姜樣品、噴霧干燥全姜粉、姜汁噴霧干燥粉、熱風干燥全姜粉、姜渣熱風干燥粉。這說明鮮姜樣品的香氣成分是最好的,噴霧干燥處理比熱風干燥更能保持生姜香氣風味,全姜處理的樣品的香氣風味優于姜汁或姜渣單獨處理的香氣風味。

3 結論

實驗對鮮姜及不同干燥方式處理生姜樣品的揮發性香氣成分進行分析,發現干燥處理會對生姜的揮發性香氣成分造成影響,同時不同干燥方式對生姜揮發性香氣成分的影響也是不同的。結果表明,生姜樣品的揮發性香氣成分主要是單萜烯和倍半萜烯以及醇、醛、酯類化合物,倍半萜烯類化合物相對含量最高,其次是單萜烯類化合物。干燥處理導致的生姜中倍半萜烯類化合物相對含量下降,單萜烯類化合物含量升高。與鮮姜相比生姜中的關鍵揮發性成分香茅醛、香葉醛、橙花醛等含量均有所下降,導致鮮姜的特有風味有所下降。噴霧干燥和熱風干燥處理對生姜的揮發性香氣成分造成的影響,有相同之處,也有不同之處,相同之處在于兩種處理方式均為干燥處理方式,均導致了香茅醛、香葉醛、橙花醛等成分含量的下降,鮮姜的特有風味的損失。不同之處在于兩種干燥方式處理過程不一樣,熱風干燥過程長時間高溫處理,噴霧干燥屬于瞬時高溫處理,因此造成不同揮發性成分含量的差異。

主成分分析法分析不同干燥樣品的揮發性成分,提取了4個主成分,累計方差貢獻率達100%,能反映所有變量的原有信息建立香氣質量綜合評價模型,通過主成分綜合得分評價干燥生姜樣品的香氣品質,結果表明,鮮姜樣品綜合得分最高,噴霧干燥全姜粉次之。說明鮮姜樣品的香氣成分是最好的,噴霧干燥處理比熱風干燥處理得分更高,說明噴霧干燥處理生姜風味與鮮姜樣品更接近,噴霧干燥比熱風干燥更能保持鮮姜的風味。

[1]畢金峰. 國內外果蔬粉加工技術與產業現狀及展望[J]. 中國食品學報,2013,3(13):8-14.

[2]Bailey-Shaw Y A.,Williams L,Junor G,Green C E,et al. Changes in the contents of oleoresin and pungent bioactive principles of Jamaican ginger(Zingiber officinale Roscoe.)during maturation[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry,2008,56(14):5564-5571.

[3]Wohlmuth H,Smith M K,Brooks L O,et al,Essential oil composition of diploid and tetraploid clones of ginger(Zingiber officinale roscoe)grown in Australia[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry,2006，54(4):1414-1419.

[4]Gong F,Fung Y S,Liang Y Z. Determination of volatile components in ginger using gas chromatography-mass spectrometry with resolution improved by data processing techniques[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry,2004，52(21):6378-6383.

[5]Variyar P S,Gholap A S,Sharma A. Changes in flavor components in irradiated fresh ginger(Zingiber officinale)rhizomes during storage[J]. Journal of Herbs,Spices and Medicinal Plants,2006,12(12):25-35.

[6]Phoungchandang S,Saentaweesuk S. Effect of two stage,tray and heat pump assisted-dehumidified drying on drying characteristics and qualities of dried ginger[J]. Food and Bioproducts Processing,2010,17:335-347.

[7]Chen C C,Ho C T. Volatile compounds in ginger oil generated by thermal treatment[J]. ACS Symposium Series,1989,409:366-375.

[8]龐雪莉. FD-GC-O和OAV方法鑒定哈密瓜香氣活性成分研究[J]. 中國食品報,2012,1(6):174-181.

[9]Ngozichukwuka P Igoli and Zak Obanu. The volatile components of wild ginger(Siphonochilus aethiopicus(Schweinf)B.l Burtt)[J]. African Journal of Food Science,2011,5(9):541-549.

[10]葛毅強,倪元穎.生姜精油的研究新進展[J].中國調味品,2004(9):3-9.

[11]Ngozichukwuka P,Igoli and Zak Obanu. The volatile components of wild ginger(Siphonochilus aethiopicus(Schweinf)B.l Burtt)[J]. African Journal of Food Science,2011,5(9):541-549.

[12]Keiko Yamaguchi,Tatsuo Kato. The effects of high hydrostatic pressure treatment on the flavor and color of grated ginger[J]. Biosci. Biotechnol. Biochem,2010,74(10):1981-1986.

[13]薛毅,陳立萍.統計建模與R軟件[M].北京:清華大學出版社,2007.

[14]余錦華,楊維權.多元統計分析與應用[M].廣州:中山大學出版社,2005.

[15]袁志發,周靜芋.多元統計分析[M].北京:科學出版社,2002.

[16]S H Ding,K J An. Effect of drying methods on volatiles of Chinese ginger(Zingiber officinale Roscoe)[J]. Food and Bioproducts Processing,2012,90:515-524.

[17]John P B,Amanda L J. Effects of drying on flavour compounds in Australian-grown ginger(Zingiber of?cinale)[J]. Journal of the Science of Food and Agriculture,2000,80:209-215.

[18]崔儉杰,李瓊. 中國不同產地姜油揮發性成分的對比分析[J]. 香料香精化妝品,2011,1:1-5.

[19]畢金峰,陳瑞娟. 不同干燥方式對胡蘿卜粉微粉品質的影響[J]. 中國食品學報,2015,15(1):136-141.

The difference of aroma quality of ginger treated with different drying methods

PAN Shao-xiang,ZHENG Xiao-dong,LIU Xue-mei,YAN Xin-huan,MENG Xiao-meng,SONG Ye*

(Jinan Fruit Research Institute,All China Federation of Supply & Marketing Co-operatives,Jinan 250014,China)

Gas Chromatography-Mass Spectrometer(GC-MS)were applied in the experiment to analyze aroma compounds of ginger treated with different drying methods,and principal component analysis(PCA)were adopted to investigate the influence of different drying methods on ginger flavors. The evaluation model of the aroma quality was established to evaluate the aroma quality of ginger treated with different drying methods. The results showed that obvious differences of aroma compounds were found between ginger treated with different drying methods and fresh ginger. The composite scores of fresh sample was highest,then was the spraying drying whole ginger powder. Hot air drying sample was the last. These showed that the aroma quality of fresh ginger was best and the spray drying could maintain aroma quality of ginger better than hot air drying.

ginger;drying;flavors;principal component analysis(PCA)

2016-05-04

潘少香(1989-)，男，碩士，研究方向：農產品加工及貯藏,E-mail:panshaoxiang@126.com。

*通訊作者:宋燁(1981-)，女，在讀博士，副研究員，研究方向：食品的分析檢測和質量控制,E-mail:249895221@qq.com。

十二五國家科技支撐計劃項目(2014BAL07B05)。

TS201.1

B

1002-0306(2016)24-0000-00

10.13386/j.issn1002-0306.2016.24.000