新疆庫(kù)爾勒香梨果醋香氣萃取條件優(yōu)化研究

魏長(zhǎng)慶，王永瑞，劉文玉

(石河子大學(xué) 食品學(xué)院，新疆 石河子 832000)

新疆庫(kù)爾勒香梨果醋香氣萃取條件優(yōu)化研究

魏長(zhǎng)慶，王永瑞，劉文玉*

(石河子大學(xué) 食品學(xué)院，新疆 石河子 832000)

采用HS-SPME/GC-MS聯(lián)用方法對(duì)經(jīng)發(fā)酵優(yōu)化后的新疆庫(kù)爾勒香梨果醋揮發(fā)性香氣成分進(jìn)行了初步分析，初步建立了庫(kù)爾勒香梨果醋揮發(fā)性香氣組分分析的方法。結(jié)果表明：采用50/30 μm DVB/CAR/PDMS萃取頭，在磁力攪拌條件下，萃取溫度為45 ℃，添加電解質(zhì)的量為0.2 g/mL，萃取時(shí)間為20 min時(shí)梨醋中的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)能最大程度地?fù)]發(fā)、吸附；經(jīng)HS-SPME/GC-MS分析，從梨醋中共檢測(cè)出來的揮發(fā)性成分有35種，主要包括4種烷烴類、3種醛類、2種酮類、8種醇類、7種酸類、9種酯類以及2種其他物質(zhì)，其中，酯類、醇類和酸類占已鑒定出總揮發(fā)性成分的73.6%，分析效果良好。

新疆庫(kù)爾勒香梨；梨醋；香氣；萃取；優(yōu)化

新疆庫(kù)爾勒香梨(PyrusbretschneideriRehd.)為薔薇科、梨屬中的白梨品種，是新疆乃至我國(guó)特有的特優(yōu)水果。由于庫(kù)爾勒香梨其本身皮薄肉嫩、汁多味甘并且富含多種的礦物質(zhì)、維生素、氨基酸等對(duì)人體有益的微量營(yíng)養(yǎng)成分，使得庫(kù)爾勒香梨?zhèn)涫車?guó)內(nèi)外廣大消費(fèi)者的青睞，每年為新疆創(chuàng)造大量源源不斷的外匯[1]。因此，庫(kù)爾勒香梨也是新疆和兵團(tuán)重點(diǎn)發(fā)展和推廣的特色種植果品。梨醋是近年來發(fā)展起來并逐漸受到消費(fèi)者喜愛的梨果加工產(chǎn)品，庫(kù)爾勒香梨果醋的出現(xiàn)不僅能較好地解決新疆梨果產(chǎn)業(yè)產(chǎn)量大、產(chǎn)品單一、銷售難、價(jià)格低廉的問題，更有利于新疆梨果產(chǎn)業(yè)開拓出新的市場(chǎng)，打造出良好的品牌效應(yīng)。

庫(kù)爾勒香梨果醋(Korla pear vinegar，縮寫KPV)是以庫(kù)爾勒香梨為原料發(fā)酵而成的酒精含量低并具有水果香味的果醋飲品。醋中含有的多酚類物質(zhì)對(duì)人體有著重要的保健功能。首先它能夠減輕動(dòng)脈粥樣硬化，抑制各類炎癥以及預(yù)防心腦血管等疾?。豢梢蕴岣呷梭w的免疫力并具有抗氧化、抗衰老的作用；可以預(yù)防和治療癌癥以及一些現(xiàn)代流行病，如肥胖等疾??；庫(kù)爾勒香梨果醋等產(chǎn)品的出現(xiàn)恰好符合現(xiàn)代人們適當(dāng)飲酒、健康飲食的生活理念[2-6]。庫(kù)爾勒香梨果醋品質(zhì)優(yōu)劣與其所具有的特征香氣成分有著重要的關(guān)系，如何準(zhǔn)確、快速檢測(cè)出其特征香氣成分已成為庫(kù)爾勒香梨果醋產(chǎn)品生產(chǎn)加工過程中以及產(chǎn)品優(yōu)劣鑒別中亟待解決的問題。

因此，本研究擬采用實(shí)驗(yàn)室優(yōu)化發(fā)酵后的新疆庫(kù)爾勒香梨果醋為研究對(duì)象，通過采用頂空固相微萃取(HS-SPME)采集條件的優(yōu)化，對(duì)梨醋主要揮發(fā)性成分進(jìn)行GC-MS分析，以期為新疆庫(kù)爾勒香梨果醋特征香氣成分分析和品質(zhì)監(jiān)控提供理論依據(jù)和技術(shù)支持[7]。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新疆庫(kù)爾勒香梨果醋樣品：由石河子大學(xué)果蔬加工技術(shù)工程中心提供，樣品分析之前密封保存于密封充氮玻璃瓶(4 ℃)中。

C16～C23正構(gòu)烷烴、乙酸乙酯、辛酸乙酯、甲酸乙酯、2-甲基苯甲醛、正己醇、乙酸、3-甲基-丁醛、反-2-己烯醛、己醇、戊醇、苯乙醇、乙酸、丙酸及環(huán)己醇：均為色譜級(jí)，購(gòu)自上海Sigma分公司。

TRACE MS 氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀 美國(guó)Finnigan質(zhì)譜公司；GC-14A氣相色譜儀 日本島津公司；SPME手動(dòng)進(jìn)樣手柄、50/30 μm DVB/CAR/PDMS固相微萃取頭、65 μm PDMS/DVB 美國(guó)Supelco公司；85-2恒溫磁力攪拌器 金壇市新航儀器廠；EL204 電子天平 上海Mettler Toledo公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 揮發(fā)性物質(zhì)的萃取

按照SUPELCO公司推薦的條件，在使用萃取頭之前將65 μm PDMS/DVB、50/30 μm DVB/CAR/PDMS 萃取頭進(jìn)行老化。老化是在250 ℃、載氣流量為2 mL/min的條件下進(jìn)行，老化的時(shí)間為90 min，老化至無干擾峰出現(xiàn)即老化完成。準(zhǔn)確稱量2.00 g的梨醋樣品于15 mL頂空瓶中，加蓋后密封，放置于恒溫水浴進(jìn)行攪拌吸附，保持20 min左右。待固相微萃取萃取頭吸附一定時(shí)間后，于GC進(jìn)樣250 ℃解吸，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集[8]。

1.2.2 氣相色譜和質(zhì)譜條件

色譜條件：DB-WAX石英毛細(xì)管柱 (30 m×0.25 μm i.d.×0.25 μm df, 美國(guó)Supelco公司)；載氣：He，0.9 mL/min恒速流動(dòng)。進(jìn)樣口溫度250 ℃，不分流進(jìn)樣；程序升溫：40 ℃保持3 min，以6 ℃/min上升至120 ℃，再以10 ℃/min上升至230 ℃，保持8 min。

質(zhì)譜條件：EI+，EI離子源溫度200 ℃，電子能量70 eV，燈絲發(fā)射電流200 μA，接口溫度250 ℃，質(zhì)量掃描范圍：33～373 amu。

1.2.3 固相微萃取條件的優(yōu)化

鑒于總峰面積和主峰面積對(duì)梨醋揮發(fā)性香氣成分萃取影響較大，因此本實(shí)驗(yàn)選用總峰面積和主峰面積為考察指標(biāo)進(jìn)行單因素分析，有關(guān)庫(kù)爾勒香梨果醋特征香氣成分的研究報(bào)道較少，結(jié)合庫(kù)爾勒香梨特征香氣分析，本實(shí)驗(yàn)選擇醛類、醇類和酯類等主要揮發(fā)性物質(zhì)的峰面積作為分析萃取效果的主要指標(biāo)因素。按照上述實(shí)驗(yàn)方法，采用單因素選優(yōu)方式對(duì)纖維萃取頭(65 μm PDMS/DVB 和50/30 μm DVB/CAR/PDMS)、磁力攪拌、萃取時(shí)間(5，15，25，35，45 min)以及萃取溫度(30，40，50，60，70 ℃)4個(gè)關(guān)鍵因素進(jìn)行優(yōu)化選擇[9]。

1.2.4 樣品GC-MS分析

樣品預(yù)處理方法同1.2.1，GC條件和MS條件同1.2.2，固相微萃取條件采用1.2.3優(yōu)化結(jié)果。將密封后頂空瓶置于磁力攪拌器下攪拌15 min后，用固相微萃取裝置手動(dòng)的將萃取頭插入進(jìn)樣瓶中，保持萃取頭距樣品液面約 5 mm高度，先在60 ℃恒溫水浴中以及磁力攪拌條件下保溫50 min后，直接將萃取頭注入氣相色譜儀進(jìn)樣口脫附5 min。

2 結(jié)果與分析

2.1 纖維萃取頭的選擇

萃取頭的涂層和厚度是影響分析靈敏度的關(guān)鍵因素。SPME萃取頭是利用石英纖維頭表面涂漬高分子化學(xué)材料層的吸附性，對(duì)檢測(cè)對(duì)象的揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行富集，然后在氣相色譜進(jìn)樣器中進(jìn)行熱解吸并分析，極大提高了樣品分析效率，是現(xiàn)代精密色譜分析工作中常用的樣品預(yù)處理技術(shù)。本實(shí)驗(yàn)根據(jù)不同涂層萃取頭的吸附特性，選擇了2種商業(yè)SPME萃取頭65 μm PDMS/DVB和50/30 μm DVB/CAR/PDMS涂層進(jìn)行優(yōu)化選擇。

圖1 萃取頭對(duì)萃取效果的影響Fig.1 Effect of extraction head on extraction efficiency

由圖1可知，PDMS/DVB的富集效果無論是總峰面積還是主峰面積均小于DVB/CAR/PDMS，這主要是因?yàn)?0/30 μm DVB/CAR/PDMS是雙極性的，該萃取頭的復(fù)合涂層可通過互相補(bǔ)充來增加揮發(fā)性物質(zhì)的萃取容量，適于C3～C20的大范圍分析，萃取得到梨醋揮發(fā)性香氣物質(zhì)的種類和含量都高于PDMS/DVB萃取頭，課題組在庫(kù)爾勒香梨果醋香氣萃取研究中也得到類似的結(jié)果。因此，本實(shí)驗(yàn)選用50/30 μm DVB/CAR/PDMS作為庫(kù)爾勒香梨果醋揮發(fā)性成分分析的萃取頭。

2.2 攪拌過程對(duì)萃取效果的影響

在庫(kù)爾勒香梨果醋揮發(fā)性物質(zhì)SPME萃取過程中，由于磁力攪拌的作用使得待測(cè)揮發(fā)性物質(zhì)加速由液相向氣相擴(kuò)散，在該過程中揮發(fā)性物質(zhì)擴(kuò)散速率會(huì)受攪拌速度、液相體系組成、體系溫度等因素影響，因此使用磁力攪拌已廣泛應(yīng)用于SPME萃取[10]。本實(shí)驗(yàn)對(duì)比了磁力攪拌對(duì)庫(kù)爾勒香梨果醋揮發(fā)性成分萃取效果的影響，見圖2。

圖2 磁力攪拌對(duì)萃取效果的影響Fig.2 Effect of magnetic stirring on extraction efficiency

利用DVB/CAR/PDMS作為萃取頭，考察磁力攪拌對(duì)庫(kù)爾勒香梨果醋揮發(fā)性成分萃取效果的影響。由圖2可知，攪拌后的庫(kù)爾勒香梨果醋揮發(fā)性成分的總峰面積明顯大于未攪拌的庫(kù)爾勒香梨果醋揮發(fā)性成分的總峰面積，但主峰面積變化不大，這可能與萃取頭的吸附平衡狀態(tài)有關(guān)。由此看來，在庫(kù)爾勒香梨果醋中，某些揮發(fā)性成分含量很少或者說揮發(fā)性較低，可以通過攪拌加速其揮發(fā)度，并被萃取頭順利吸附，為避免后期分析中對(duì)影響梨醋特征性香氣成分的遺漏，本實(shí)驗(yàn)選擇磁力攪拌的方式。

2.3 添加電解質(zhì)(NaCl)對(duì)萃取效果的影響

在庫(kù)爾勒香梨果醋揮發(fā)性香氣物質(zhì)萃取過程中加入電解質(zhì)NaCl可促進(jìn)香氣物質(zhì)的揮發(fā)度，提高SPME萃取效率，與此同時(shí)，也可能存在揮發(fā)性香氣物質(zhì)與樣品體系中的鹽離子因發(fā)生靜電作用而導(dǎo)致分析物進(jìn)入纖維涂層的能力降低的現(xiàn)象。電解質(zhì)NaCl (0.2 g/mL)的加入與否對(duì)胡麻油香氣成分萃取效果的影響見圖3。

圖3 無機(jī)鹽(NaCl)添加對(duì)萃取效果的影響Fig.3 Effect of inorganic salt (NaCl) addition on extraction efficiency

由圖3可知，NaCl的加入對(duì)KPV揮發(fā)性香氣物質(zhì)萃取效果的影響較為顯著，而陳超等研究發(fā)現(xiàn)炒籽胡麻油中添加NaCl，SPME對(duì)揮發(fā)性香氣物質(zhì)的萃取效果并不明顯，這可能與測(cè)定體系中含水量低有關(guān)。多數(shù)果類香氣成分的萃取與NaCl的加入密切相關(guān)，NaCl的加入增大了溶液的離子強(qiáng)度，降低了揮發(fā)性物質(zhì)與水分的結(jié)合程度[11]。如韓素芳等[12]報(bào)道NaCl加入量對(duì)百香果香氣物質(zhì)萃取效果影響顯著。

2.4 萃取溫度對(duì)萃取效果的影響

萃取溫度對(duì)KPV揮發(fā)性香氣物質(zhì)的萃取是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的過程，隨著KPV樣品體系溫度的升高，揮發(fā)性物質(zhì)分子運(yùn)動(dòng)速度加快，萃取平衡所需要的時(shí)間縮短，使得萃取分析的速度逐漸加快，隨著體系溫度的升高，會(huì)逐漸導(dǎo)致萃取頭對(duì)待測(cè)物的解吸，分析效率降低，所以在使用SPME萃取揮發(fā)性物質(zhì)時(shí)有必要考察其最佳萃取溫度范圍。

圖4 萃取溫度對(duì)萃取效果的影響Fig.4 Effect of extraction temperature on extraction efficiency

在上述因素優(yōu)化的基礎(chǔ)上，考察不同萃取溫度對(duì)KPV揮發(fā)性物質(zhì)萃取效果的影響。由圖4可知，隨著SPME體系萃取溫度的升高，總峰面積和主峰面積均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，總峰面積在45 ℃時(shí)達(dá)到最大，而主峰面積在40 ℃時(shí)達(dá)到最大，但與45 ℃時(shí)峰面積相比相差不大，但隨著溫度的繼續(xù)升高，低沸點(diǎn)揮發(fā)性物質(zhì)在SPME競(jìng)爭(zhēng)吸附中處于弱勢(shì)地位，綜合考慮，選用45 ℃作為KPV揮發(fā)性香氣物質(zhì)的最適SPME萃取溫度。

2.5 萃取時(shí)間對(duì)萃取效果的影響

SPME萃取時(shí)間即分析物在吸附薄膜、頂空和溶液三相中均衡分配所需的時(shí)間，受分配系數(shù)、物質(zhì)的擴(kuò)散速度、樣品基質(zhì)、樣品體積、萃取頭厚度及吸附能力等多元因素的影響。因此，在實(shí)驗(yàn)中，可根據(jù)實(shí)際操作需求，適當(dāng)選擇萃取時(shí)間。本次優(yōu)化是在上述因素優(yōu)化的基礎(chǔ)上，考察不同SPME萃取時(shí)間對(duì)KPV揮發(fā)性物質(zhì)萃取效果的影響。

圖5 萃取時(shí)間對(duì)萃取效果的影響Fig.5 Effect of extraction time on extraction efficiency

由圖5可知，在5～15 min范圍內(nèi)，隨著SPME萃取時(shí)間延長(zhǎng)，總峰面積和主峰面積均有所增加，總峰面積在20 min時(shí)達(dá)到最大，主峰面積在15 min時(shí)達(dá)到最大，20 min后略有降低，但與15 min時(shí)主峰面積相差不大，20 min后主峰面積有了明顯的降低，這主要是由于過長(zhǎng)的萃取時(shí)間可能會(huì)導(dǎo)致?lián)]發(fā)性物質(zhì)發(fā)生解吸，或者增加組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的可能。由此可見，20 min時(shí)吸附動(dòng)態(tài)平衡達(dá)到最佳狀態(tài)，因此選擇最佳萃取時(shí)間為20 min。

2.6庫(kù)爾勒香梨果醋揮發(fā)性香氣成分(SPME/GC-O-MS)分析

2.6.1 KPV揮發(fā)性香氣成分SPME/GC-MS分析

在上述SPME優(yōu)化條件下萃取得到KPV揮發(fā)性物質(zhì)，經(jīng)GC-MS分析所得的總離子色譜圖見圖6。

圖6 庫(kù)爾勒香梨果醋揮發(fā)性物質(zhì)總離子流圖Fig.6 Total ion chromatogram of volatile components in KPV

由圖6可知，各種揮發(fā)性香氣成分的色譜峰尖且窄，說明采用優(yōu)化后的萃取條件萃取庫(kù)爾勒香梨果醋中的揮發(fā)性物質(zhì)，對(duì)KPV揮發(fā)性物質(zhì)組分的分離效果好。結(jié)合已有部分標(biāo)品、標(biāo)準(zhǔn)NIST和WILLY軟件進(jìn)行質(zhì)譜檢索，當(dāng)正反匹配度大于800時(shí)予以鑒定，共鑒定出25種揮發(fā)性物質(zhì)，具體分類及其含量見表1。

注：為化學(xué)物質(zhì)登記號(hào)；#為鑒定方法，RI為保留指數(shù)，MS為質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫(kù)，RS為標(biāo)準(zhǔn)品；-為未檢出。

2.6.2 KPV揮發(fā)性香氣成分GC-O-MS分析

HS-SPME/GC-MS分析技術(shù)在食品香氣分析中起到關(guān)鍵作用，但由于果醋樣品中揮發(fā)性香氣含量較低且種類繁多，香氣成分含量分析準(zhǔn)確性仍存在著一定的不足，因此單純依靠MS很難判斷香氣物質(zhì)的重要性。GC-O(gas chromatography-olfactometry，GC-O)技術(shù)是解決該類問題的理想方法，它能以人鼻作為感官檢測(cè)器，快速、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)果醋中特征香氣的構(gòu)成并根據(jù)對(duì)總體香氣的貢獻(xiàn)進(jìn)行排序，顯著提高了檢測(cè)靈敏度，GC-O-MS聯(lián)用達(dá)到了兩者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的目的，并在食品特征香氣的鑒別中發(fā)揮更大的作用。

由圖6和表1可知，除去少量分析時(shí)SPME萃取頭高溫凈化不完全帶來的雜質(zhì)峰，通過 HS-SPME/GC-MS 匹配鑒定出的KPV揮發(fā)性物質(zhì)共有35種，占總揮發(fā)性物質(zhì)的85.6%，主要包括3種醛類、2種酮類、8種醇類、7種酸類、9種酯類、4種烷烴類以及2種其他物質(zhì)，其中，酯類、醇類和酸類占已鑒定出總揮發(fā)性成分的73.6%，由此可知，KPV揮發(fā)性香氣成分主要來源于以上3大類物質(zhì)，該結(jié)果與韓瑨煊等研究的海棠果醋關(guān)鍵揮發(fā)性香氣組成類似[13]。在這35種揮發(fā)性物質(zhì)中，含量比較顯著的主要揮發(fā)性成分有2-己酮、異丁醇、乙醇、乙酸、乙酸甲酯和乙酸己酯等。通過GC-O-MS聯(lián)用分析發(fā)現(xiàn)，這些揮發(fā)性成分主要與果香味、甜香味、花香味、酸味等有關(guān)，因此，初步認(rèn)為這些揮發(fā)性物質(zhì)可能為KPV的特征香氣組成部分，但由于閾值的存在，含量高的揮發(fā)性物質(zhì)未必就是對(duì)KPV整體香氣貢獻(xiàn)高的香氣組成。

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)采用HS-SPME/GC-MS聯(lián)用的方法對(duì)KPV揮發(fā)性香氣成分萃取條件進(jìn)行了優(yōu)化，得到了較佳萃取條件：使用50/30 μm DVB/CAR/PDMS萃取頭，在磁力攪拌的條件下加入0.2 g/mL NaCl電解質(zhì)，設(shè)定45 ℃的萃取溫度、20 min的萃取時(shí)間。在該實(shí)驗(yàn)條件下，KPV中的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)能最大程度地?fù)]發(fā)、吸附及解吸。

采用GC-O-MS對(duì)KPV揮發(fā)性成分進(jìn)行了初步分析，共鑒定出35種揮發(fā)性物質(zhì)，主要包括醛類、酮類、醇類、酸類、酯類、烷烴類以及少數(shù)其他物質(zhì)，其中酯類、醇類和酸類占已鑒定出總揮發(fā)性成分的73.6%，含量比較顯著的主要有2-己酮、異丁醇、乙醇、乙酸、乙酸甲酯和乙酸己酯，這些揮發(fā)性成分主要與果香味、甜香味、花香味、酸味等有關(guān)，因此，初步認(rèn)為這些揮發(fā)性物質(zhì)為KPV的特征香氣組成部分。

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Research on Optimization of Extraction Conditions for Aroma Components in Xinjiang Korla Pear Vinegar

WEI Chang-qing, WANG Yong-rui, LIU Wen-yu*

(College of Food,Shihezi University,Shihezi 832000,China)

The volatile aroma components in Xinjiang Korla pear vinegar (KPV) after optimization of fermentation conditions are analyzed by using HS-SPME/GC-MS coupling method, and the methods for aroma components analysis of Korla pear vinegar are established preliminarily. The results show that SPME extraction is operated under 45 ℃ for 20 min with 0.2 g/mL electrolytes by using 50/30 μm DVB/CAR/PDMS extraction head and magnetic stirrer. There are 35 volatile substances are found in KPV by HS-SPME/GC-MS analysis, including aldehydes (3), ketones (2),alcohols (8), acids (7), esters (9), alkanes (4) and other substances (2). The esters, acids and alcohols account for 73.6% of total volatile components, and it shows a satisfactory experimental result.

Xinjiang Korla pear；pear vinegar；aroma；extraction；optimization

2017-03-20 *通訊作者

石河子大學(xué)重大科技攻關(guān)項(xiàng)目(gxjs2013-zdgg01-02)

魏長(zhǎng)慶(1981-)，男，副教授，博士，研究方向：食品科學(xué)； 劉文玉(1979-)，女，副教授，碩士，研究方向：食品生物技術(shù)。

TS255.47

A

10.3969/j.issn.1000-9973.2017.09.006

1000-9973(2017)09-0026-06