微波真空干燥輔助不同方法提取紅油香椿嫩芽揮發性成分的分析比較

楊　慧,王趙改,*,王曉敏,史冠瑩,張　樂,梁萬平

(1.河南省農業科學院農副產品加工研究中心,河南鄭州 450002;2.駐馬店市農業科學院資源環境研究所,河南駐馬店 463000)

?

微波真空干燥輔助不同方法提取紅油香椿嫩芽揮發性成分的分析比較

楊慧1,王趙改1,*,王曉敏1,史冠瑩1,張樂1,梁萬平2

(1.河南省農業科學院農副產品加工研究中心,河南鄭州 450002;2.駐馬店市農業科學院資源環境研究所,河南駐馬店 463000)

為了分析不同方法提取香椿揮發性成分的差異,采用頂空固相微萃取法(HS-SPME)、超臨界二氧化碳法(SFE-CO2)、超聲波輔助乙醚法(UWE)提取真空微波干燥處理后的香椿揮發性風味物質,并利用GC-MS對提取的樣品進行檢測、分析及鑒定。結果表明,頂空固相微萃取法共檢測出71種風味物質,主要為烯類、酮類與醇類;超臨界二氧化碳法檢測出56種風味物質,主要為烯類、醛類與醇類;超聲波輔助乙醚法可檢測出68種風味物質,主要為烯類。HS-SPME法檢測的醛類、含硫類、酮類、醇類、酯類、烴類等相對含量最高,UWE法檢測的烯類相對含量最高。HS-SPME法還檢測出其它兩種方法未檢測到的含硫類物質——二丙烯基硫醚和叔十六硫醇,這些物質與其它化合物共同賦予了香椿獨特的風味。三種方法在提取香椿揮發性化合物種類、組分、相對含量存在差異,HS-SPME法能最大程度的提取香椿揮發性成分,較真實、全面的反映香椿香氣特征。

香椿,揮發性成分,頂空固相微萃取,超臨界CO2,超聲波輔助乙醚,提取

香椿(Toonasinensis(A.Juss)Roem),為楝科香椿屬落葉喬木[1],是我國特有的木本蔬菜,因其獨特的香氣而得名。香椿嫩芽營養價值極高,據測定,每100 g新鮮香椿嫩芽中含有蛋白質9.8 g、脂肪0.8 g、糖類7.2 g、粗纖維2.78 g、胡蘿卜素0.93 mg、多種維生素和礦物質元素如Ca、P、Fe、K、Zn等。此外,香椿富含多種活性成分,如黃酮、皂苷、生物堿、萜類,其根、樹皮、種子等均可入藥,藥用價值極高[2],且其生長過程中自身可以分泌驅蟲物質,無需噴藥,是名副其實的綠色蔬菜,深受國內外消費者的喜愛[3]。

近年來,隨著香椿蔬菜化栽培的推廣,香椿的研究主要集中在選育、繁殖[4]、栽培、保鮮、活性成分提取[5-9]等,對香椿香氣的研究較晚。然而香椿獨特香氣是其重要的品質特性,直接影響著食用價值和商業價值。因此,香椿香氣的分析對理論上生理生化的研究、實踐中保鮮與加工具有雙重意義。目前提取香椿香氣傳統的方法有水蒸氣蒸餾法[10]、同時蒸餾萃取法[11]、超臨界CO2萃取法(SFE-CO2)、乙醚超聲波萃取法(UWE-C2H5OC2H5)[1]等。而頂空固相微萃取技術(HS-SPME)因其萃取效率高、重現性好、無干擾等優點[12],近幾年廣受科研工作者的推崇。然而研究表明,香椿香氣成分極為復雜,含有萜烯類、含硫類、醛類、酯類等多種揮發性風味物質[13],每種提取方法原理不同,所檢測到的香氣物質是否一致,差異是否顯著等,尚不清楚。陳叢瑾[1]曾用超臨界CO2、乙醚超聲波、乙醚微波、微波水蒸氣4種取方法提取50 ℃烘干的香椿揮發油并進行了比較研究,而頂空固相微萃取與其它提取方法的比較尚無報道。

前期干燥實驗結果表明,真空微波干燥較熱風干燥更好的保持香椿的品質,且大大降低了熱風干燥因溫度高、時間長對揮發性風味物質的影響。因此為了最大程度的保持香椿揮發性風味物質,實驗首先采用微波真空技術對香椿嫩芽進行干燥預處理,然后分別采用頂空固相微萃取、超臨界CO2萃取、超聲波輔助乙醚3種方法對香椿香氣成分進行提取和分析鑒定,旨在為香椿采后綜合開發利用提供一定理論基礎,推動香椿產業更廣、更深發展。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

香椿品種為紅油香椿,于2015年12月中旬采自河南省中牟縣老田家香椿合作社溫棚。

Agilent 7890A-5975C GC-MS[HP-5MS毛細管色譜柱(30 m×0.25μm×0.25μm)]、頂空固相微萃取裝置(包括手持式手柄,50/30μm DVB/CAR/PDMS,15 mL頂空瓶)美國安捷倫公司;超臨界CO2萃取裝置杭州華黎泵業有限公司;真空微波干燥(KL-2D-6KW)廣州凱棱工業用微波設備有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1樣品預處理選取長度約15 cm、新鮮、健壯、成熟度相對一致的香椿嫩芽,分批放于真空度為80 kPa、功率1800 W、溫度35 ℃的真空微波干燥設備中進行干燥,粉碎后過30目篩備用。

1.2.2頂空固相微萃取法稱取1.0 g香椿粉末于15 mL頂空瓶里,密封后于40 ℃水浴中平衡15 min,插入50/30μm DVB/CAR/PDMS萃取頭,萃取30 min后取出萃取頭,插入GC-MS解析5 min[14]。

1.2.3超臨界CO2萃取法稱取200 g香椿粉末裝入萃取釜中,設定萃取壓力為25 MPa,萃取溫度40 ℃,CO2流量為20 L/h,解析釜壓力5.2 MPa,分離溫度35 ℃,萃取時間120 min[14]。分離得到棕褐色物質約1.5 g,儲存于冰箱備用。

1.2.4超聲波輔助乙醚萃取法稱取100 g香椿粉末裝入錐形瓶中,按料液比1∶2加入乙醚超聲萃取(超聲功率240 W,萃取時間30 min/次,萃取溫度40 ℃,共萃取3次),合并萃取液過濾,加入無水Na2SO4干燥后,5000 r/min離心20 min,上清液去除乙醚后得約0.5 g濃稠物,儲存于冰箱備用。

1.2.5GC-MS分析條件GC條件:HP-5MS石英毛細管柱(30 m×0.25 μm×0.25 μm);載氣He2,進樣口溫度250 ℃,無分流比,柱流速1 mL/min。程序升溫:初溫40 ℃,保持3 min,以5 ℃/min的速率升溫至150 ℃,保持2 min,以8 ℃/min的速率升至230 ℃,保持5 min結束。

MS條件:四級桿150 ℃,離子源230 ℃,輔助加熱器250 ℃,電子轟擊電離(electron impact,EI),全掃描質量參數40～800 U。

1.3數據處理

采用Origin 8.6軟件進行繪圖,香椿揮發性成分根據質譜數據和氣質聯用標準圖譜進行檢索分析、定性;將相似度大于800的成分的峰面積歸一化法計算各組分的相對含量。

2　結果與分析

2.1不同方法提取香椿揮發性成分的分析鑒定結果

將閾值設為18,對3種提取方法的樣品進行GC-MS分析,得到香椿揮發性風味物質的總離子色譜圖,如圖1所示。3種提取方法得到的香椿提取物揮發性成分出峰時間主要集中在18～35 min。每個色譜峰通過NIST 08.LIB 質譜圖庫進行檢索分析,并結合相關文獻、資料進行人工鑒定,3種提取方法共檢測出121種成分,其中采用頂空固相微萃取分離鑒定出71種化合物,占總組分相對質量分數的90.67%,從超臨界二氧化碳萃取物中分離鑒定出56種化合物,占總組分相對質量分數的99.32%,從超聲波輔助乙醚萃取物中分離鑒定出68種化合物,占總組分相對質量分數的91.98%。推測在頂空固相微萃取過程中處理過程較溫和,免去了長時間高溫高壓的影響,故而提取揮發性成分種類多于其它兩種方法[15]。

圖1　3種方法萃取香椿風味物質的總離子流色譜圖Fig.1　Total ion-currents chromatograms of flavor components extracted by three methods from Toonasinensis注:(A)HS-SPME;(B)SFE-CO2;(C)UWE-C2H5OC2H5。

2.2不同方法提取香椿揮發性成分的組成、種類分析

進一步分析3種提取方法對香椿揮發性成分組分的差異,可以得到每種提取方法對于各類揮發性成分的特異性和廣譜性。采用面積歸一法計算各揮發性物質的相對含量如表2所示。將3種方法香椿風味物質分為以下幾類:醛類、烯類、含硫類、酮類、醇類、酯類、烴類、其它等,3種方法提取香椿揮發性成分在組分和種類存在差異。

由圖2可知,HS-SPME法主要為烯類、酮類與醇類,相對含量分別為32.53%、12.73%和15.85%,SFE-CO2法主要為烯類、醛類與醇類,相對含量分別為85.25%、3.52%和3.84%,UWE法主要為烯類,相對含量達88.06%。由圖3知,HS-SPME、SFE-CO2、UWE三種方法提取香椿揮發性風味化合物種類不同,其中烯類化合物種類最多,分別有26、30和40種。

圖2　3種提取方法下香椿揮發性成分不同類別相對含量比較Fig.2　Comparison of relative content of volatile components extracted by three methods from Toonasinensis

圖3　3種提取方法下香椿揮發性成分種類比較Fig.3　Comparison of types of volatile components extracted by three methods from Toonasinensis

3種方法提取的香椿揮發物中共同存在的化合物有25種(烯類14種、含硫類1種、酮類2種、醇類2種、其它類4種、烴類1種、酯類1種),分別為2,4-二甲基噻吩、π欖香烯、π蓽澄茄油烯、丁子香酚、依蘭烯、古巴烯、β-欖香烯、雪松烯、石竹烯、異喇叭烯、π-愈創木烯、(-)-α-雪松烯、4-亞環乙烯基-3,3-二甲基-2-戊酮、β-蛇床烯、α-蛇床烯、桉雙烯酮、d-杜松烯、(-)-斯巴醇、異香澄烯環氧化物、愈創藍油烴、合金歡醇乙酸酯、喇叭烯氧化物、香橙烯氧化物及2種未知物。

續表

續表

續表

續表

2.3不同提取方法下香椿揮發性成分分析

含硫類對香椿獨特風味起著決定性作用,往往具有較低的感知閾值和較高的氣味強[2],存在于大蒜[26]、加熱的韭菜[27]、切開的洋蔥[28]等一些代表性的食物中。據氣味嗅聞實驗即GC-O結果表明,含硫類化合物呈現大蒜的辛辣、洋蔥、硫磺等刺激性味道[2,13],是香椿香味的獨特之處。由表1知,3種提取方法中,HS-SPME法提取的香椿揮發性化合物中含硫類相對含量達6.42%,明顯高于SFE-CO2(0.11%)和UWE(0.04%)兩種方法。推測因含硫類性質活潑[12],較易受SFE-CO2或UWE提取過程中時間、溫度影響,造成其破壞、損失嚴重,而HS-SPME萃取條件溫和、萃取時間短,揮發性物質破壞、損失較小。HS-SPME法檢測到的含硫類化合物主要為2,4-二甲基噻吩、二丙烯基硫醚和叔十六硫醇,其中叔十六硫醇相對含量僅次于2,4-二甲基噻吩,為2.594%,但該物質的香氣特征幾乎沒有報道,需要進一步研究。研究表明香椿特征香氣物質為2-巰基-2,3-二氫-3,4-二甲基噻吩,是由二丙烯基二硫醚加熱形成的[2]。HS-SPME法檢測到2,4-二甲基噻吩,與前人檢測的2,5-二甲基噻吩、3,4-二甲基噻吩[2]互為同分異構體,推測也是由2-巰基-2,3-二氫-3,4-二甲基噻吩失去一個-H2S生成的。

烯類是香椿揮發性化合物中相對含量最高、種類最多的一類化合物,對香椿風味起著重要作用。表1中,HS-SPME、SFE-CO2、UWE三種方法檢測到烯類相對含量分別為32.53%、85.25%和88.06%。HS-SPME法檢測到相對含量較高的有雪松烯(2.00%)和β-馬攬烯(4.31%),SFE-CO2法主要有石竹烯(12.49%)、β-蛇床烯(8.48%)、α-蛇床烯(12.35%)、金合歡烯(11.12%)和d-杜松烯(8.89%),UWE法主要有石竹烯(11.29%)、(-)-g-杜松烯(10.09%)、d-杜松烯(8.60%)和β-欖香烯(7.55%)。研究表明,烯類大多具有酯香、花香、水果香、甜香等比較柔和的氣味,起到調和含硫化合物刺激性的作用。另據文獻記載,植物的抗病性可能與烯類化合物的大量存在有關[29],推測這也正是香椿在生長過程中極少發生病害的原因之一。

醛類物質的化學性質較活潑,在一定條件下易被還原或氧化,在香椿揮發性成分中相對含量較低,一般呈果香和花香氣味,閾值很低,對香椿總體風味特征有重要影響。HS-SPME和SFE-CO2法檢測到醛類相對含量分別為5.31%和3.52%,高于UWE法(僅0.14%)。HS-SPME和SFE-CO2法相對含量較高的醛類化合物分別為2-(4-甲基-6-(2,6,6-三甲基環己-1-烯)己烷-1,3,5-三烯基)環己-1-烯-1-甲醛和(E,E)-2,4-庚二烯醛。有研究表明,己醛具有青草味、腥味,庚醛具有果香,苯甲醛具有令人愉快的堅果香,壬醛具有魚腥味,2,4-庚二烯醛具有青草香味[30]等。這些均可能對香椿總體風味起加和作用。

HS-SPME法較其它兩種方法提取的香椿揮發性成分中,醇類化合物相對含量最高,達15.85%,明顯高于SFE-CO2(3.84%)和UWE(0.75%)法。HS-SPME法醇類化合物中三十七烷醇相對含量最高,達7.57%。而醇類物質一般閾值較高,但對整體風味貢獻較小[31]。

酯類通常呈現出水果香的味道[31],在香椿揮發性物質中相對含量較低。三種方法檢測出酯類相對含量分別為3.48%(HS-SPME法)、1.40%(SFE-CO2法)和0.20%(UWE法)。

烴類化合物主要包括芳香烴和烷烴類。其中HS-SPME檢測出烴類相對含量最高(8.20%),SFE-CO2法相對含量最低(0.10%)。檢測的烷烴類主要為長鏈脂肪烴類物質,主要集中在C12～C17之間。

其它類化合物中,HS-SPME、SFE-CO2、UWE三種方法同時檢測到兩種萜烯類氧化物(異香澄烯環氧化物、喇叭烯氧化物),此外HS-SPME法檢測的還有吡嗪、酸等化合物。盡管這些化合物相對含量較低,但其閾值較低,都具有重要的感官特征,對香椿復雜的香氣可能產生一定的影響。

3　結論

通過分析,微波真空預處理輔助不同方法提取的香椿揮發性成分組分、相對含量、種類等存在差異。三種方法共同存在的化合物共25種;從香椿揮發性成分的組分看,HS-SPME法主要為烯類、酮類與醇類,SFE-CO2法主要為烯類、醛類與醇類,UWE法主要為烯類;從各類揮發性成分的相對含量看,HS-SPME法檢測的醛類、含硫類、酮類、醇類、酯類、烴類等相對含量均高于SFE-CO2、UWE兩種方法;從化合物種類來看,HS-SPME檢測出最多,且醛類、含硫類、酯類、烴類、其他類均多于其它兩種方法。從香味分析,含硫類物質因呈現刺激性味道,與香椿特征香味有關,因此HS-SPME法主要香氣物質推測為2,4-二甲基噻吩、二丙烯基硫醚和叔十六硫醇,相對含量分別為3.29%、0.54%和2.59%,而SFE-CO2和UWE兩種方法主要為2,4-二甲基噻吩,且相對含量較低(0.11%和0.04%),同時烯類、醛類、酯類醇類等化合物的存在中和了這種刺激性的味道,各香氣成分間的相互作用,共同構成了香椿獨特的香氣風味。

[1]陳叢瑾,黃克瀛,李姣娟,等.不同方法提取香椿芽揮發油的比較研究[J].分析實驗室,2009,29(1):30-35.

[2]張杰.香椿揮發性成分的分析及其呈香機理的研究[D].天津:天津科技大學,2013.6.

[3]王趙改,王曉敏,楊慧,等.茬口及栽培環境對香椿黃酮含量和清除DPPH能力的影響[J].天津農業科學,2015,21(11):42-46.

[4]唐強,李志輝,吳際友,等.毛紅椿無性系扦插繁殖實驗研究[J].中南林業科技大學學報,2015,35(1):67-70.

[5]Changjin Liu,Hongying Wan,Jie Zhang,et al.Quantitative Identification and Antioxidant ActivityInVitroof Phenolic Compounds from the Old Leaves ofToonasinensis[J]. Proceedings of the 2012 International Conference on Applied Biotechnology(ICAB 2012),2014,249:523-533.

[6]顧芹英,李慧華,秦冬,等.RP-HPLC法測定香椿葉中槲皮素-3-O-α-L-鼠李糖苷[J].中成藥,2014(3):577-579.

[7]Yu-feng Su,Yu-Chiao Yang,Hseng-Kuang Hsu,et al.Toonasinensisleaf extract has antinociceptive effect comparable with non-steroidal anti-inflammatory agents in mouse writhing test[J]. BMC Complementary and Alternative Medicine,2015(3):1-4.

[8]韓鳳波,陳靜雅.不同采收期對香椿總黃酮和總皂苷含量的影響[J].北方園藝,2014(2):159-160.

[9]王成.張京芳.張顏,等. 不同生長期香椿抗氧化作用及多酚氧化酶同工酶分析[J].食品科學,2013,34(17):10-14.

[11]李貴軍,汪帆.香椿嫩葉揮發油化學成分的GC-MS分析[J].安徽化工,2014,40(3):85-88.

[11]吳艷霞.香椿莖揮發油化學成分分析[J].農業科技通訊,2013(5):147-148.

[12]Steffen A,Paw Liszyn J. Analysis of flavor volatiles using headspace solid-phase micro-extraction[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry,1996,44(8):2187-2193.

[13]劉常金,張杰,周爭艷,等.GC-MS分析比較3個特產香椿品種的揮發性成分[J].食品科學,2013,24(20):261-267.

[14]Mu R,WangX,LiuS,et al.Rapid Determination of Volatile Compounds inToonasinensis(A.Juss.)Roem by MAE-HS-SPME Followed by GC-MS[J].Chromatographia,2007,65(7):463-467.

[15]謝婧,徐俐,張秋紅,等.頂空固相微萃取法提取菜籽油揮發性風味成分[J].食品科學,2013,34(12):281-285.

[16]廖華軍. 莪術-三棱藥對配伍揮發油成分GC-MS分析[J].遼寧中醫藥大學學報,2014(8):74-78.

[17]董然,南敏倫,劉洪章. 長白山特有種單頭橐吾的揮發油成分研究[J].安徽農業科學,2009,37(36):17900-17901.

[18]姚亮,黃健軍.冰糖草揮發油化學成分的GC-MS分析[J].中國實驗方劑學雜志,2012,18(5):101-103.

[19]鄭懷舟,汪瀅,黃儒珠.含笑葉、花揮發油成分的GC-MS分析[J].福建林業科技,2011,38(1):53-56.

[20]李崇暉,黃明忠,黃少華,等.4種石斛屬植物花朵揮發性成分分析[J].熱帶亞熱帶植物學報,2015,23(4):454-462.

[21]袁雷,鐘國輝,權紅,等. 西藏大花紅景天揮發油成分GC-MS分析[J].中國實驗方劑學雜志,2012,18(23):67-70.

[22]包呼和牧區樂. 水蒸汽蒸餾和超臨界CO2萃取對蒙藥文冠木揮發油萃取的比較[J].內蒙古民族大學學報:自然科學版,2013,28(5):528-531.

[23]沈強. 臘梅花精油提取工藝及成分比較[D].重慶：西南大學,2009.12.

[24]劉金龍,鄭小江,鄭威,等. 油桐品種五爪桐含油量及桐油質量研究[J].湖北農業科學,2011,50(10):2031-2035.

[25]王世永. 吳茱萸揮發油的提取分離、鑒定及抗氧化和抗菌活性研究[D].武漢：華中農業大學,2008.6.

[26]Kyung K H.Thermal generation and antimicrobial activity of unusual heterocyclic Sulfur compounds in garlic[J].Food Science and Biotechnology,2008,17(5):1032-1037.

[27]Wang S,YangS,Ren Let al.Determination of Organophosphorus Pesticides in Leeks(Allium porrum L.)by GC—FPD[J].Chromatographia,2009,69(1):79-84.

[28]Eady C C,KamoiT,Kato M,et al.Silencing onion lachrymatory factor synthase causes a significant change in the sulfur secondary metabolite profile[J].Plant physiology,2008,147(4):2096-2106.

[29]GershenzonJ,DudarevaN.The function of terpene natural products in the natural world[J].Nature Chemical Biology,2007,3(7):408-414.

[30]徐永霞,劉瀅,儀淑敏,等.大菱鲆魚體不同部位的揮發性成分分析[J].中國食品學報,2014,14(6):236-243.

[31]SerkanS,Gonca GC. Analysis of volatile compounds of wild gilthead sea bream(Sparus aurata)by simultaneous distillation-extraction(SDE)and GC-MS[J]. Microchem J,2009,93(2):232-235.

[32]曲宏宏,段文艷,唐學燕,等. 不同樣品采集方法對米糠風味物質測定的影響[J].食品工業科技,2013,34(4):84-88.

Comparison of volatiles extracted by different approaches fromToonasinensisdried by microwave-vacuum

YANG Hui1,WANG Zhao-gai1,*,WANG Xiao-min1,SHI Guan-ying1,ZHANG Le1,LIANG Wan-ping2

(1.Agricultural Products Processing Center,Henan Academy of Agricultural Sciences,Zhengzhou 450002,China; 2.Institute of Resources and Environment,Zhumadian City of Agricultural Sciences,Zhumadian 463000,China)

In order to analyze the difference of volatiles,the volatile components ofToonasinensisdried by microwave-vacuum were extracted by headspace solid-phase micro-extraction(HS-SPME),supercritical carbon dioxide(SFE-CO2)and ultrasonic wave with ether(UWE).The results qualitatively identified by GC-MS showed that 71 volatile compounds were detected by HS-SPME and alkenes,ketones,alcohols were the major constituents.58 volatile compounds were detected by SFE-CO2and alkenes,aldehydes,alcohols were the major constituents. 68 volatile compounds were detected by UWE and alkenes were the major constituents. The relative contents of aldehydes,sulfur,ketones,alcohols,esters,hydrocarbons,detected by HS-SPME were all at the higer level,while alkenes by UWE were the highest. The 1-(1-Propenylthio)propane and tert-hexadecanethiol were only detected by HS-SPME,which played an important role in unique flavor ofToonasinensis. There were differences in species,components and relative contents of volatile compounds extracted by three different methods,and HS-SPME could extract characterized components ofToonasinensisto the utmost and reflect the characteristics of its aroma better.

Toonasinensis;volatiles;Headspace solid phase micro-extraction(HS-SPME);supercritical carbon dioxide(SFE-CO2);ultrasonic wave with ether(UWE);extract

2016-03-03

楊慧(1986-)，女，碩士，助理研究員，主要從事農產品保鮮與加工研究，E-mail：yanghui1222@163.com。

王趙改(1980-)，女，博士，副研究員，主要從事農產品保鮮與加工研究，E-mail：zgwang1999@126.com。

河南省財政預算項目(豫財預(2016)79號)；河南省財政預算項目(20148410)；中央財政農業技術推廣補助資金(豫財農(2014)315號)。

TS255.1

A

1002-0306(2016)17-0272-09

10.13386/j.issn1002-0306.2016.17.045