HSSPME結合GCMS分析真空冷凍干燥香椿中揮發性成分

孫曉健,于鵬飛,李晨晨,劉常金,*

(1.天津科技大學新農村發展研究院,天津 300457;2.天津科技大學食品工程與生物技術學院,天津 300457)

香椿,又稱香椿芽,是我國獨有的樹上佳蔬,不僅具有較高的營養價值,還具有極大的藥用價值[1-2]。香椿因其獨特的香氣而廣受消費者的喜愛,但是目前香椿的香氣成分還無法確定。經相關研究[3-6]最終確定香椿呈味物質為2-疏基-2,3-二氫-3,4-二甲基噻吩。李楠等[7]、姬曉悅等[8]進一步證實了呈味物質成分并發現有機硫化物與香椿特征性風味密切相關。

香椿的保鮮貯藏方法很多,但貯藏期短且無法保證香椿質量。隨著真空冷凍干燥技術(簡稱凍干技術)在果蔬加工中的應用[9-11],很多學者致力于香椿凍干技術研究。呂開斌[12]采用凍干技術得到的干制香椿明顯優于腌漬及普通冷藏后的香椿制品,并且延長了保質期,冷水浸泡一段時間后,可與新鮮香椿一樣直接進行加工食用。Sang等[13]、趙美香等[14]在呂開斌[12]之后比較了不同干燥方式對香椿品質的影響,發現凍干能夠最大程度保持香椿的主要營養成分。

香椿的獨特風味與其中的含硫物質成分密切相關[6,15-17],目前凍干技術對與香椿特征性風味有關的物質成分的影響還未有報道。本研究首先對凍干香椿的萃取條件進行確定,確定最佳萃取條件,在最佳萃取條件基礎上采用HS-SPME結合GC-MS對比分析凍干處理前后香椿中有機硫化物的變化,為真空冷凍干燥技術在香椿貯藏應用中提供一定的理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

香椿嫩芽 采自天津科技大學生物技術實習基地,香椿自然生長,且香氣濃厚。

FA1104A電子天平 上海精天電子儀器有限公司;JR-2集熱式磁力加熱攪拌器 天津市歐諾儀器儀表有限公司;HT200H SPME手動進樣器、30/50 μm PDMS/DVB萃取頭、65 μm PDMS/DVB萃取頭、75 μm CAR/PDMS萃取頭、100 μm PDMS萃取頭 美國Supelco公司;40 mL透明萃取瓶 上海安譜公司;TF-SFD-50真空冷凍干燥 北京德天佑科技發展有限公司;Agilent 7890氣相色譜-質譜聯用儀 美國安捷倫公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品制備 準確稱取香椿完整葉片原料10.0 g,-20 ℃條件下預凍24 h,移至真空冷凍干燥設備中(-45 ℃)進行凍干處理24 h。將凍干后的香椿在研缽中碾碎并轉移至40 mL頂空瓶中,置于4 ℃冷藏柜待用。

準確稱取新鮮香椿10.0 g于研缽中,快速碾碎至有香氣散發,并轉移至40 mL頂空瓶中,并用封口膜封住頂空瓶口,置于4 ℃冷藏柜[17]，用于與優化萃取條件之后制得的凍干香椿揮發性成分分析。

1.2.2 萃取條件的選擇

1.2.2.1 萃取頭篩選 按照1.2.1制備凍干樣品,分別采用30/50 μm PDMS/DVB、65 μm PDMS/DVB、75 μm CAR/PDMS、100 μm PDMS/DVB萃取頭在60 ℃條件下吸附30 min后,在氣相色譜-質譜聯用儀中手動進樣進行解析[4,18]。

1.2.2.2 萃取溫度的選擇 采用最佳萃取頭,保持其他因素不變,探究不同萃取溫度(40、50、60、70、80 ℃)對凍干香椿揮發性物質成分的吸附效果的影響。比較不同萃取溫度下揮發性物質成分的總峰面積。

1.2.2.3 萃取時間考察 在最佳萃取溫度下,選用最佳萃取頭在不同萃取時間(20、30、40、50、60 min)下對凍干香椿揮發性成分進行吸附,比較不同萃取時間下揮發性物質成分的總峰面積。

1.2.2.4 萃取條件有效性驗證 在最佳萃取條件下,稱取相同樣品采用相同的色譜條件進行3次重復試驗,統計檢測到的物質中具有代表性的五種化合物的保留時間以及峰面積,并分別計算保留時間以及峰面積的相對標準偏差(RSD)。

1.2.3 二點檢驗法 以隨機的方式同時提供給感官評價員兩個樣品,要求評價員對兩個樣品進行比較,判定并描述樣品之間香氣強弱。

1.2.4 氣相色譜-質譜條件 HP-225石英彈性毛細管柱(30.0 m×250 μm×0.25 μm),載氣為氦氣(99.999%),流速為1.0 mL/min,柱溫采用程序升溫:初溫40 ℃,保持3 min后以4 ℃/min升至150 ℃,保持4 min,再以8 ℃/min升至250 ℃,保持3 min;進樣口溫度230 ℃;分流比5∶1,電離方式為EI,離子源溫度為230 ℃,掃描方式為全掃描。采用計算機檢索與質譜檢索庫NIST14.L進行初步定性分析,結合人工譜圖分析確定化合物。采用峰面積歸一法確定各化合物所對應的含量。參考李楠等人的方法[7,19]。

1.3 數據處理

采用計算機檢索與質譜檢索庫NIST14.L進行初步定性分析,結合人工譜圖分析確定化合物。采用峰面積歸一法確定各化合物所對應的含量。采用Origin 9.0進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 萃取條件的確定

2.1.1 萃取頭選擇 本實驗對四種萃取頭進行考察,比較色譜峰的總面積(圖1)可以看出,采用65 μm PMDS/DVB的萃取頭進行萃取時,總色譜峰面積最大,說明采用該萃取頭萃取化合物時效果最好。

圖1 不同萃取頭對揮發性物質成分的萃取效果的影響

2.1.2 萃取溫度的選擇 圖2為萃取溫度對總峰面積的影響。由圖2可知,隨著溫度升高,揮發性物質成分的總峰面積逐漸增加,在60 ℃時達到最大值。這是因為隨著溫度升高,香椿中揮發性成分的擴散速度也逐漸增大,因此提高了揮發性成分的萃取效率;但是當溫度增加到一定程度時,過高的溫度會使已經吸附的物質不斷解析[4]。綜合以上結果,萃取溫度在60 ℃時萃取效果最好。

圖2 萃取溫度對總峰面積的影響

2.1.3 萃取時間的選擇 萃取時間結果見圖3。由圖3可知,隨著萃取時間的延長,得到的色譜峰面積逐漸增加,在萃取40 min后,峰面積達到最大,萃取50 min時,峰面積略有下降。這是因為在達到吸附平衡前,萃取針吸附量隨萃取時間的增加而增加,達到平衡之后,吸附量不再隨時間延長而有所改變[4]。因此在萃取40 min時,吸附效果最好。

圖3 萃取時間對總峰面積的影響

2.1.4 萃取條件有效性驗證 取相同樣品在60 ℃的條件下,采用65 μm PDMS/DVB型號的萃取頭萃取40 min在1.2.4的條件下重復試驗3次,統計具有代表性的五種含硫化合物的保留時間以及峰面積,并分別計算保留時間以及峰面積的相對標準偏差(RSD)[5]。計算結果(表1)顯示,3次重復試驗峰面積中,選取的代表性化合物峰面積的RSD均小于6.6%,其色譜峰保留時間的RSD均小于2.5%,表明該萃取條件具有良好的重復性,方法有效可行。

表1 5種具有代表性的香椿揮發性成分峰面積和保留時間的相對標準偏差

2.2 新鮮香椿與凍干香椿揮發性成分分析

在已優化的HS-SPME萃取條件的基礎上,結合GC-MS對凍干香椿揮發性成分進行分析,并與新鮮香椿中揮發性成分進行了比較。GC-MS分析得到的總離子流圖如圖4、圖5。

圖4 新鮮香椿揮發性成分GC-O-MS總離子色譜圖

圖5 凍干香椿揮發性成分GC-O-MS總離子色譜圖

由圖4、圖5可知,在新鮮香椿和凍干香椿中分別檢測出72種、66種揮發性物質成分,大致可以分為含硫類化合物、萜烯類化合物、酯類、醇類、酮類、醛類、烯烴類以及含氮類等。由表2中可知,新鮮香椿經凍干處理后,萜烯類物質含量有所降低,酯類、醇類等物質含量有所增高,但與香椿風味有關的有機硫化物的相對含量無明顯變化。采用二點檢驗法對比凍干前后的香椿香氣強弱,在50位感官評價者的描述中發現:92%的感官評價者認為凍干前后的香椿無明顯的味道變化。在香椿風味研究中,含硫類物質被認為是香椿主要呈味物質[5,20-23]。因此對新鮮香椿及凍干香椿中含硫物質成分進行進一步分析,分析結果見表3。

表2 新鮮香椿與凍干香椿揮發性硫化物成分含量比較

表3 新鮮香椿與凍干香椿揮發性硫化物成分

在對香椿有機硫化物尤其是與香椿特征性風味有關的硫化物的進一步分析中發現:香椿經凍干后,其揮發性硫化物的總含量無明顯變化;其中具有新鮮大蒜味的硫化丙烯[7]在新鮮香椿與凍干香椿中的含量分別為0.55%、0.58%;張杰[4]、劉常金等[5]的研究中已經證實2-巰基-3,4-二甲基-2,3-二氫噻吩為香椿特征性風味物質,具有蒸煮香椿味,經凍干處理前后的香椿中2-巰基-3,4-二甲基-2,3-二氫噻吩的含量為48.35%、48.08%;具有洋蔥、硫磺味的2,5-二甲基噻吩的含量均為0.14%;同樣具有洋蔥、硫磺味道的3,4-二甲基噻吩在凍干前后的香椿中的含量分別為4.19%、4.21%。香椿經凍干處理前后,其中與香椿特殊性風味有關的揮發性物質成分無明顯變化,經感官嗅聞測定,凍干前后的香椿味道無明顯區別,因此凍干技術在一定程度上能夠較好的保持香椿獨特風味。

3 結論

本研究優化頂空固相微萃取(HS-SPME)對凍干香椿揮發性成分進行萃取富集,運用單因素實驗萃取條件進行確定,通過單因素實驗并結合分析得到凍干香椿最佳萃取條件為采用65 μm PDMS/DVB 萃取頭60 ℃萃取40 min,在此條件下,驗證實驗結果表明該萃取條件穩定可行,具有較好的重復性;利用GC-MS對新鮮香椿及凍干香椿進行揮發性成分分析,發現凍干處理前后的香椿的揮發性成分主要為含硫類、萜烯類、醇類、酯類等,且兩種香椿味道無明顯差異;對與香椿特征性風味有關的揮發性有機硫化物進行著重分析比較,發現凍干后的香椿中與香椿風味有關的物質如硫化丙烯、2-巰基-3,4-二甲基-2,3-二氫噻吩、2,5-二甲基噻吩、3,4-二甲基噻吩的含量無明顯變化,即凍干技術能較好的保持香椿的風味。因此真空冷凍干燥技術在香椿貯藏及香椿風味保持等方面具有較大的應用前景。