枸杞干制過程中褐變反應研究

胡云峰,唐裕軒,李寧寧,胡晗艷,朱彥華

(1.天津科技大學食品工程與生物技術學院,天津 300457; 2.寧夏早康枸杞股份有限公司,寧夏中衛 755100)

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枸杞干制過程中褐變反應研究

胡云峰1,唐裕軒1,李寧寧1,胡晗艷1,朱彥華2

(1.天津科技大學食品工程與生物技術學院,天津 300457; 2.寧夏早康枸杞股份有限公司,寧夏中衛 755100)

從寧夏枸杞干制過程中色澤變化入手,測定與色澤變化相關的主要活性物質的變化,研究枸杞干制中褐變反應,以期為枸杞干制生產中的色澤保護技術提供依據。結果表明:隨著干制的進行,多酚氧化酶活性逐漸降低,結合枸杞色差值的變化,確定枸杞熱風干制前期有酶促褐變的發生。此外,枸杞熱風干制后期,不同溫度下還原糖和氨基酸態氮的含量都成下降趨勢,枸杞色差值逐漸增大,且增速放緩,5-羥甲基糠醛含量逐漸下降,且溫度越高越有利于美拉德反應發生。根據各非酶褐變特點,確定了枸杞熱風干制后期有美拉德反應褐變存在。

枸杞,酶促褐變,非酶促褐變,美拉德反應

枸杞是我國重要的藥食同源類植物資源,在衛生部公布的63種藥食兩用的名單居于榜首[1]。我國對枸杞的利用有兩千多年的歷史,其花朵、果實、葉子、樹根都有藥用價值,是珍貴的中藥材和滋補保健食品[2]。

我國枸杞干制廣泛采用曬干或烘干等傳統技術,但是生產成本高、有效成分損失大和品質差等缺點明顯[3]。為了彌補傳統技術的不足,在此基礎上研究出了熱風干燥、真空冷凍干燥、微波干燥和遠紅外干燥等干燥技術,其中熱風干燥中枸杞干果酶的活性和呼吸作用能很快受到抑制,其營養物質損失較少、顏色鮮艷、褐變較輕、水分含量低,是比較適合工業生產的一種方法[4]。枸杞干制過程中除失水外,外觀最明顯的就是色澤的變化,由鮮紅色變為暗紅色,隨著貯藏期的延長,干枸杞色澤會變得更深。為得到鮮紅色干枸杞,目前在某些產區甚至存在著利用二氧化硫浸泡鮮枸杞再進行干制加工的不當行為[5]。

果蔬加工中經常會出現色澤變化,其中褐變是一種廣泛存在的變色現象[6],根據褐變反應的主要條件和機理不同,可將褐變大體分為酶促褐變和非酶褐變。酶促褐變的發生需要在氧存在的條件下,由多酚氧化酶作用,將鄰位的酚氧化成醌,醌快速聚合成褐色色素而引起組織褐變[7]。非酶褐變為在不需要氧化酶作為催化劑就可以進行的褐變反應,主要有美拉德反應、焦糖化反應和抗壞血酸氧化等,一般來說,溫度相差10 ℃,褐變反應速度相差3～5倍[8]。

目前,枸杞干制過程中的色澤變化少有人研究,本課題從枸杞熱風干燥時的色澤變化入手,研究了枸杞干制中褐變反應,以期通過本次研究能為枸杞干制生產色澤保護技術提供理論依據,為生產出高品質的干枸杞提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新鮮枸杞 采摘于寧夏早康枸杞有限責任公司果園,品種為中寧1號,采后2 h內立即運回公司0 ℃冷庫預冷2 h,裝盒,冷藏包裝空運回實驗室,置于溫度為(4±1) ℃、相對濕度為90%的冷庫中備用。實驗選擇顏色鮮艷、大小均勻、無機械損傷的新鮮枸杞,其含水率為78.5%;氫氧化鈉(分析純)、亞鐵氰化鉀(分析純)、硫酸鋅(分析純) 天津市北方天醫化學試劑廠;甲醛(分析純) 國藥集團化學試劑有限公司;5-羥甲基糠醛(標準品) 天津市化學試劑三廠。

XQ501電子水分測定儀 上海郎平儀器儀表有限公司;CR-10型自動測色色差計 柯盛行儀器有限公司;18系列紫外可見分光光度計 北京普析通用儀器有限責任公司;DL-101型電熱恒溫熱風干燥箱 天津市中環實驗電爐有限公司;KQ2200DE型數控超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司;JJ300電子分析天平 美國雙杰(兄弟)集團有限公司;TDZ5-WS多管架自動離心機 湘儀離心機儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 枸杞熱風干制過程中酶促褐變反應研究 將新鮮枸杞放在PP聚丙烯托盤內,置于60 ℃的干燥箱中,進行干制,直至枸杞的濕基含水率降到15%以下,定期取樣測定相關指標,設3組平行實驗[9]。

1.2.2 枸杞熱風干制過程中非酶褐變反應研究 在枸杞熱風干制實驗中,60 ℃干制15 h的枸杞酶已失活,濕基含水率在30%～35%左右,所以實驗選擇60 ℃干制15 h的枸杞果,將其放在PP聚丙烯托盤內,依據實驗情況,溫度越高,美拉德反應速率越快[8],故分別置于65、70、80 ℃,相對濕度65%的恒溫恒濕箱中進行實驗,定期取樣測定相關指標,設5組平行實驗[10]。

1.2.3 理化指標測定方法

1.2.3.1 色澤測定 使用色差計測定枸杞L*、a*、b*值,并計算出值。每次隨機選取5枚枸杞測定,在其表面取相對2個點測定,取平均值[11]。

1.2.3.2 多酚氧化酶活性測定 參照杜德紅等[12]使用分光光度法測定枸杞中多酚氧化酶活性。

1.2.3.3 還原糖含量測定 采用國標[13]GB/T 5009.7-2008的方法測定。

1.2.3.4 氨基酸態氮含量測定 參照王東燕等[14]使用電位滴定法測定枸杞中氨基酸態氮的含量。

1.2.3.5 羥甲基糠醛(HMF)含量測定 參照安東等[15]使用分光光度計法測定枸杞HMF含量。

2 結果與分析

2.1 枸杞熱風干制過程中酶促褐變反應研究

2.1.1 枸杞多酚氧化酶催化反應進程曲線 圖1是枸杞多酚氧化酶催化反應進程曲線,由圖可以看到,枸杞的PPO反應速度在60 s內呈直線上升趨勢,60 s以后反應速度變得緩慢。因此,為了準確表示PPO催化速度,應該測定酶促反應的初始速度,即研究多酚氧化酶活性應以直線部分來確定反應時間。所以實驗過程中在60 s即在1 min內測定酶的活性是有實際意義的。

圖1 枸杞PPO催化反應進程曲線Fig.1 PPO reaction process curve of Lycium barbarum

2.1.2 枸杞熱風干制過程中多酚氧化酶活性的變化 根據枸杞多酚氧化酶反應進程曲線規律,PPO活性測定實驗設計采用每15 s測定一次吸光度值A,共測定5次,即觀察1 min內吸光度的變化情況,將所測PPO的吸光度值與反應時間進行曲線擬合,得到一元線性回歸方程,使用斜率,即回歸系數(k)來表示酶活性大小。不同時間擬合所得曲線及回歸系數情況見表1。

表1 枸杞PPO活性變化

表1得到的一元回歸方程系數k即為對應時間點的枸杞PPO活性。根據回歸系數k的變化表明,整個干制過程中,枸杞多酚氧化酶活性一直處于下降趨勢,說明持續熱風作用對多酚氧化酶活性具有一定的抑制作用。張輝[16]的研究得到了同樣的結論:經過熱處理的甜瓜,組織中果膠酶和多酚氧化酶活性均出現了明顯的下降。

將一元回歸方程系數均值k與干制時間h進行曲線擬合,得到枸杞干制過程中多酚氧化酶活性隨干燥時間變化曲線(圖2)。由PPO活性變化曲線可發現其變化規律呈S型,干燥初期酶活性較高,隨著熱風干燥時間延長,酶活性逐漸降低。干燥到9～12 h時PPO活性出現快速下降。生物酶類是一種具有高效催化活性的高分子物質,大部分為蛋白質。酶催化作用條件較溫和,其活性受pH、溫度、電磁波等許多因素影響。枸杞長時間的高溫干燥作用,使得大部分的多酚氧化酶遭到破壞,活性大幅度降低。枸杞干燥達到18 h后,酶活性下降變緩,21 h后酶活性趨于穩定,不再發生明顯變化,此時多酚氧化酶活性已經很低。

圖2 枸杞熱風干制過程中PPO活性變化曲線Fig.2 PPO activity change curve of Lycium barbarum in hot wind drying

2.1.3 枸杞熱風干制過程中色差值的變化 以新鮮枸杞的顏色值作為基準,對枸杞干制過程中的色差值進行計算,色差值的變化情況見圖3。色差值與色度值(L*、a*、b*)呈相反的變化趨勢,呈現出隨著干燥的進行一直在增加的趨勢,說明枸杞隨著干燥褐變程度逐漸加大。0～9 h間ΔE變化曲線陡峭,ΔE增加迅速,這與多酚氧化酶活性變化曲線一致,9 h之前多酚氧化酶活性較大,大量酶促褐變反應發生,致使枸杞顏色逐漸加深,色差值增加;9 h之后,PPO活性迅速下降,ΔE增加變慢,曲線變緩;21 h后枸杞的PPO活性已經很低,無明顯變化,但枸杞表面的顏色卻一直在加深,ΔE具有繼續增大的趨勢,這說明枸杞顏色發生變化的影響機制不止酶促反應一種。

圖3 枸杞干制過程中ΔE變化曲線Fig.3 ΔE change curve of Lycium barbarum L in dried process

2.2 枸杞熱風干制過程中非酶褐變反應研究

非酶褐變主要包括美拉德反應、焦糖化反應和抗壞血酸氧化等,這類褐變發生不需要生物酶作為催化劑。焦糖化反應需要高溫,一般140～170 ℃,常規的食品加工過程中一般不會發生。抗壞血酸氧化主要發生在果汁飲料褐變中,尤其是柑橘類果汁的變色。因此,本實驗主要研究枸杞熱風干燥中美拉德反應產生的非酶褐變。

2.2.1 枸杞美拉德反應中顏色的變化 圖4所示為不同溫度下枸杞顏色變化情況。L*、a*、b*值的變化與前期熱風干制過程相同。枸杞最明顯的變化是顏色由紅色變為黑褐色,反映為L*、a*、b*值下降,尤其是代表紅色的a*值。熱風的溫度越高,顏色值曲線越陡峭,顏色變化越大。反應后期,三個值的變化趨于平緩,這可能與反應物的消耗和生成物的積累有關。

圖4 不同溫度下枸杞顏色的變化Fig.4 The change of Lycium barbarum color under the different temperature注:(a)L*值的變化；(b)a*值的變化(c)；b*值的變化。

枸杞的色差值變化曲線如圖5所示,色差值ΔE隨加熱時間延長呈增加的趨勢,在加熱的0～30 h間曲線陡峭,ΔE增加迅速,30 h之后,ΔE增加趨勢變緩。這種變化是因為實驗初期美拉德反應的原料-還原糖和氨基酸態氮充足,大量褐變反應發生,致使枸杞顏色加深,ΔE增加;隨著反應的進行,原料不斷被消耗,含量下降,同時大量的產物積累,致使反應“受阻”,ΔE增加變慢,曲線變緩。

圖5 枸杞褐變中ΔE的變化Fig.5 The change of ΔE in Lycium barbarum browning

多項研究表明[17]:美拉德反應的終產物—類黑精的分子量一般都大于10 ku,并且分子量的大小依賴于加熱強度。在美拉德反應初期,形成低分子量的類黑素分子,伴隨其他美拉德反應,小分子聚合成大分子,形成高分子量的類黑素分子。這也是后期色差值變化減緩的一個原因。

2.2.2 枸杞美拉德反應中還原糖和氨基酸態氮含量的變化 還原糖、氨基酸態氮是美拉德反應的反應物,其含量的變化在一定程度上能夠說明枸杞美拉德反應的進展情況。從圖6、圖7中可以看出,不同溫度下,還原糖、氨基酸態氮含量都出現了減小的趨勢。但是不同溫度下,還原糖、氨基酸態氮含量減小速率存在差異性,65 ℃溫度條件下,其變化趨勢最為平緩,80 ℃溫度條件下,其變化趨勢最劇烈,而70 ℃條件下,其變化趨勢介于二者之間。

圖6 不同溫度下枸杞中還原糖含量變化Fig.6 The change of reducing sugar content in Lycium barbarum under the different temperature

圖7 不同溫度下枸杞中氨基酸態氮含量變化Fig.7 The change of amino nitrogen content in Lycium barbarum under the different temperature

不同加工條件下,溫度越高,還原糖、氨基酸態氮含量下降地越快,說明美拉德反應越快。綜上所述,枸杞在該加熱條件下發生了美拉德反應,并且溫度越高越有利于美拉德褐變反應的發生。

2.2.3 枸杞美拉德反應中5-羥甲基糠醛的變化 5-HMF(羥甲基糠醛)是美拉德反應中產生的重要中間產物,其積累會導致黑變發生,故能用于預測黑變速率。圖8是80 ℃溫度條件下隨褐變反應進行枸杞中5-HMF含量的變化曲線。初期5-HMF的積累比較平緩,18～42 h之間曲線變得陡峭,積累速率大幅度增加,說明大量的還原糖和氨基酸態氮參與了褐變反應,42 h之后羰基化合物和氨基化合物作為反應物在美拉德反應中不斷被消耗,生成5-HMF的積累量達到平穩狀態,積累速率有所下降;此外5-HMF是美拉德終產物類黑素的來源途徑之一,在類黑素積累量增加的過程中,5-HMF逐漸被消耗。因此,枸杞中5-HMF含量的這種變化規律說明枸杞確實發生了美拉德反應。

圖8 80 ℃下枸杞褐變反應中5-HMF含量的變化Fig.8 The change of HMF in Lycium barbarum browning

3 結論

熱風干制初期枸杞多酚氧化酶活性隨干制進行活性逐漸降低,最后幾乎為0,此外,色差值的變化曲線也與多酚氧化酶活性變化曲線一致,結合枸杞色差值的變化,確定枸杞熱風干制前期有酶促褐變的發生。

枸杞熱風干制后期,美拉德反應的色差值逐漸減小,在不同溫度下還原糖和氨基酸態氮的含量都成下降趨勢,5-羥甲基糠醛作為美拉德反應中間產物,其含量逐漸下降。根據各非酶褐變特點,確定了枸杞熱風干制后期有美拉德反應褐變存在,在相對濕度為65%的條件下,溫度越高,越有利于美拉德反應發生。

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Study on browning reaction in hot air drying processing ofLyciumbarbarum

HU Yun-feng1,TANG Yu-xuan1,LI Ning-ning1,HU Han-yan1,ZHU Yan-hua1

(1.Tianjin University of Science and Technology,Food Engineering and Biotechnology Institute,Tianjin 300457,China; 2.Ningxia Zaokang Lycium Barbarum Limited by Share Ltd,Zhongwei 755100,China)

This paper took the color changes ofLyciumbarbarumfrom Ningxia as raw material,the main active substances related to color change were determined,the browning reaction in hot air drying processing was studied,which could provide some theoretical basis and reference for the protection of color changes in hot air drying processing ofLyciumbarbarum. Result showed that with the development of the drying,the activity of PPO decreased gradually,with the change of color value ofLyciumbarbarum,enzymatic browning reaction occurred in the early stage of the drying process. In addition,the contents of reducing sugar and amino acid nitrogen decreased at different temperatures in the late stage of the hot air drying,the color value of theLyciumbarbarumincreased gradually,and growth is slowing,and the content of 5-HMF decreased gradually,and a higher temperature was in favor of Maillard reaction,according to the characteristics of non enzymatic browning,we confirmed Maillard reaction happened inLyciumbarbarumon hot air drying later period.

Lyciumbarbarum;enzymatic browning reaction;non enzymatic browning reaction;Maillard reaction

2016-05-20

胡云峰(1966-),女,碩士，研究員,研究方向:農產品貯藏與加工技術研究與開發，E-mail:hu-yf@163.com。

TS255.1

A

1002-0306(2016)22-0159-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.22.023