3-咖啡酰奎尼酸對水果干燥過程中5-羥甲基糠醛形成和色度的影響

周康寧 - 鄭 潔 歐仕益 - 裴珂晗,2 -,2

(1. 暨南大學(xué)食品科學(xué)與工程系，廣東 廣州 510632；2. 株洲千金藥業(yè)股份有限公司，湖南 株洲 412000)

干燥是水果行業(yè)的傳統(tǒng)加工方式，通過控制水果中的水分含量，抑制酶和微生物引起的食品腐敗，延長水果的貨架期[1]。水果含有豐富的還原糖、抗壞血酸、色素和酚類等物質(zhì)，在干燥過程中會通過美拉德反應(yīng)、己糖脫水反應(yīng)等形成5-HMF[2-3]，或發(fā)生酶促褐變、色素降解、抗壞血酸氧化等反應(yīng)造成水果顏色加深，影響產(chǎn)品品質(zhì)[4]。

5-HMF是食品中常見的內(nèi)源性污染物，對人體黏膜、橫紋肌和內(nèi)臟具有刺激和損傷作用[5]，具有基因毒性和遺傳毒性[6]，廣泛存在于干制水果、咖啡、烘焙制品中。同時，綠原酸含量豐富的水果如李子，其干果制品5-HMF的含量很高，且不同水果的干果制品中5-HMF含量差異也很明顯[7]。綠原酸是一類由奎尼酸和數(shù)目不等的咖啡酸經(jīng)酯化反應(yīng)縮合而成的酚酸[8]，在菠蘿、草莓、藍(lán)莓等水果中已發(fā)現(xiàn)71種綠原酸及其衍生物[9-10]。其中，單咖啡酰奎尼酸(包括3-咖啡酰奎尼酸、4-咖啡酰奎尼酸和5-咖啡酰奎尼酸)在水果、蔬菜和咖啡中的含量占綠原酸總量的67%以上[11]。3種單咖啡酰奎尼酸中，3-咖啡酰奎尼酸(3-CQA)在水果中含量最高。前期研究發(fā)現(xiàn)：在糖酸反應(yīng)體系中，綠原酸對5-HMF的影響與pH有關(guān)，在pH為2.80和3.70時，綠原酸抑制5-HMF生成，而在pH為4.70和5.70時，綠原酸對5-HMF的形成有促進(jìn)作用[12]；在葡萄糖/天冬酰胺體系中，綠原酸可以通過促進(jìn)3-脫氧奧蘇糖的形成來促進(jìn)果糖脫水體系和果糖/天冬氨酸體系中5-HMF的生成[13]；在果汁加熱體系中綠原酸也對5-HMF的形成有促進(jìn)作用[14]。

試驗擬以新鮮水果為原料，采用浸泡的方式添加綠原酸，探討熱風(fēng)干燥過程中3-CQA對不同干制水果中5-HMF形成和色度的影響，為水果熱加工制品中5-HMF和褐變的控制提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

蘋果、雪梨、杏果、三華李：市售；

5-HMF：純度≥98%，北京百靈威科技有限公司；

蔗糖、葡萄糖、果糖：分析純，上海晶純生化科技股份有限公司；

3-CQA：純度≥98%，湖南懷化盛德生物科技有限公司；

3,5-二硝基水楊酸：分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；

甲醇、苯酚、碳酸鈣、酒石酸鉀鈉、無水亞硫酸鈉：分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠；

乙腈：色譜純，美國Mallinckrodt Baker公司；

鹽酸(分析純)、甲酸(色譜純)：天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；

液相用水：華潤怡寶食品飲料(深圳)有限公司。

1.1.2 主要儀器設(shè)備

高效液相色譜儀：LC-20AT型，配備SPD-M20A 光電二極管陣列檢測器，日本Shimadzu公司；

離子色譜儀：ICS-2500型，配備ED50A 脈沖安培檢測器，美國Dionex公司；

真空干燥箱：DZX-6020B型，上海福瑪實驗設(shè)備有限公司；

低速離心機(jī)：KDC-12型，安徽中科中佳科學(xué)儀器有限公司；

紫外-可見光分光光度計：UV-9600型，北京瑞利分析儀器有限公司；

恒溫振蕩器：SHA-BA型，江蘇省金壇市醫(yī)療儀器廠；

臺式數(shù)控超聲波清洗儀：KQ-500D型，東莞市科橋超聲波設(shè)備有限公司；

二兩裝高速中藥粉碎機(jī)：111型，瑞安市永歷制藥機(jī)械有限公司；

全自動白度計：WS-3C型，北京康光儀器有限公司；

集熱式磁力加熱攪拌器：DF-Ⅱ型，常州市偉嘉儀器制造公司；

旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀：N-1100型，上海愛朗儀器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 水果組分的測定 分別取4種新鮮水果(蘋果、雪梨、杏果和三華李)可食部分150 g，加水勻漿后，測定水果中的5-HMF、3-CQA和糖含量。

1.2.2 不同浸泡時間下3-CQA對蘋果干燥體系中5-HMF形成的影響 將新鮮蘋果切成直徑為3.0 cm，厚度為1 mm的小圓片，取300片蘋果片在1 500 mL 5 mmol/L 3-CQA溶液中分別浸泡0，15，30，45，60，90，120 min。蘋果片浸泡后吸干水分，將其均分為兩組，一組直接提取測定其中的3-CQA，一組置于70 ℃恒溫干燥箱中干燥24 h。

提取測定：取烘干或浸泡的蘋果片3片粉碎后加入30 mL甲醇，超聲波提取30 min，3 500 r/min離心20 min，取上清液，重復(fù)3次。40 ℃旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)收集上清液，將濃縮物用水溶解，經(jīng)0.45 μm微孔濾膜過濾后，測定水果體系中5-HMF和3-CQA含量。

1.2.3 蘋果干燥過程中5-HMF、3-CQA和水分含量變化 將新鮮蘋果切成直徑為3.0 cm，厚度為1 mm的小圓片后，400片蘋果片分為兩組：空白組直接置于70 ℃恒溫鼓風(fēng)干燥箱中分別干燥1，2，3，4，5，6，12，18，24 h；3-CQA組在1 000 mL 5 mmol/L 3-CQA溶液中浸泡30 min 后置于70 ℃恒溫鼓風(fēng)干燥箱中干燥。待其冷卻后，稱重，按式(1)計算水分含量，并對蘋果片中的5-HMF和3-CQA進(jìn)行提取測定。

(1)

式中：

W——水分含量，%；

m0——蘋果片總質(zhì)量，g；

m1——蘋果片中干物質(zhì)質(zhì)量，g；

mi——干燥后蘋果片質(zhì)量，g。

1.2.4 不同處理條件下3-CQA對4種干制水果中5-HMF形成和色度的影響 將新鮮水果(蘋果、雪梨、杏果和三華李)切成直徑為3.0 cm，厚度為1 mm的小圓片，每組50片，分別用以下4種方式處理：

① 處理A：沸水熱燙120 s，置于250 mL去離子水中浸泡；

② 處理B：直接放入250 mL去離子水中浸泡；

③ 處理C：沸水熱燙120 s，置于250 mL 5 mmol/L的 3-CQA溶液中浸泡；

④ 處理D：直接放入250 mL 5 mmol/L 3-CQA溶液中浸泡。

按各處理浸泡30 min后，吸干水分，將水果片置于70 ℃恒溫干燥箱中干燥6 h，取出冷卻至室溫，用色度儀測定其色度參數(shù)，并測定水果片中的5-HMF和3-CQA含量。

1.2.5 分析方法

(1) 還原糖含量的測定：參照文獻(xiàn)[15]，采用3,5-二硝基水楊酸法對新鮮水果中的還原糖進(jìn)行測定，根據(jù)實際樣品情況，修改如下。

新鮮水果還原糖的提取：取2.00 g水果在50 mL錐形瓶中勻漿，加入0.30 g無水碳酸鈣和20 mL去離子水，在80 ℃以150 r/min振蕩30 min。待其冷卻后，3 500 r/min離心20 min，取上清液定容至25 mL，得到還原糖提取液。

取1 mL提取液、1 mL去離子水和1.5 mL DNS試劑，加入25 mL具塞比色管，混合均勻后，沸水浴加熱5 min，冷卻至室溫，定容至25 mL，在540 nm處測定吸光度。采用不同濃度的葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)溶液繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

(2) 總糖含量的測定：參照文獻(xiàn)[16]，修改如下，取2 mL新鮮水果提取物，加入2 mL 2 mol/L HCl和1 mL去離子水，80 ℃水浴加熱20 min。冷卻后用2 mol/L NaOH中和，定容至10 mL，按照1.2.5(1)測定還原糖的方法測定新鮮水果中的總糖含量。

(3) 糖組分含量的測定：稱取2.00 g果肉加入2 mL去離子水，在研缽中研磨，將研磨液倒入15 mL離心管中，再加入2 mL去離子水對果肉進(jìn)行研磨，重復(fù)3次，超聲波提取30 min，3 500 r/min離心20 min，取上清液定容至10 mL，得到新鮮水果糖組分提取液[17]。取2 mL提取液，用0.1 mol/L NaOH 調(diào)節(jié)pH至10.0，采用離子色譜法測定果汁體系中的蔗糖、葡萄糖和果糖含量：色譜柱為AminoPac?PA-10(2 mm×250 mm，5 μm)；檢測器為ED50A脈沖安培檢測器；洗脫條件：0.24 mol/L NaOH作為流動相，流速0.2 mL/min，柱溫30 ℃。分別選取蔗糖、葡萄糖和果糖標(biāo)準(zhǔn)溶液，采用同樣方法測定并繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

(4) 5-HMF測定：采用HPLC法[18]。色譜柱為Zorbax?SB-Aq C18(4.6 mm×250 mm，5 μm)；檢測器為SPD-M20A光電二極管陣列檢測器；洗脫條件：流動相為純水，流速0.6 mL/min，柱溫40 ℃，檢測波長284 nm。采用不同濃度的5-HMF標(biāo)準(zhǔn)溶液繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

(5) 3-CQA含量的測定：采用HPLC法[19]。色譜柱為Zorbax?SB-Aq C18(4.6 mm×250 mm，5 μm)；檢測器為SPD-M20A光電二極管陣列檢測器；洗脫條件：流動相為1.0%甲酸—水溶液與乙腈的混合液(體積比91∶9)，流速0.5 mL/min，柱溫40 ℃，檢測波長324 nm。采用上述方法選用3-CQA標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行測定并繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

(6) 色度測定：利用全自動白度計對水果干燥體系樣品的色度參數(shù)L*，a*，b*值進(jìn)行測定，分別按式(2)～(4)計算樣品色彩飽和度、色調(diào)角和色度差[20-21]。

C*=(a*2+b*2)1/2，

(2)

Ho=tan-1(b*/a*)，

(3)

ΔE=(ΔL*2+Δa*2+Δb*2)1/2，

(4)

式中：

C*——色彩飽和度；

H°——色調(diào)角；

ΔE——色度差；

L*——樣品的亮度；

a*——樣品的紅綠值；

b*——樣品的黃藍(lán)值。

1.2.6 數(shù)據(jù)分析 每處理重復(fù)5次。試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 21.0軟件進(jìn)行方差分析，并在P<0.05水平下進(jìn)行Duncans顯著性差異分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 4種新鮮水果中5-HMF、3-CQA和糖組分含量

如表1所示，4種新鮮水果中均未檢測到5-HMF，但都含有3-CQA，含量從低到高依次為雪梨、蘋果、杏果、三華李。其中，三華李的3-CQA含量約為雪梨的3倍。在糖組分方面，總糖含量從高到低依次為蘋果、杏果、雪梨和三華李。各水果中還原糖占總糖比例均超過50%，最高為三華李(77%)。進(jìn)一步對比4種水果的糖組分：杏中蔗糖和葡萄糖含量最高，果糖含量最低；雪梨中葡萄糖和蔗糖含量最低；蘋果中果糖含量最高，同時含有較高的葡萄糖和蔗糖；三華李中果糖和葡萄糖含量相當(dāng)。

2.2 不同浸泡時間下3-CQA對水果干燥過程中5-HMF形成的影響

糖類是影響5-HMF形成的重要因素之一，在單糖中僅有果糖和葡萄糖能夠形成5-HMF，且果糖烯醇化速度比葡萄糖更快[22]。因此，選用果糖含量最高且3-CQA含量較低的蘋果為后續(xù)研究對象，研究在不同浸泡時間下，3-CQA對蘋果干燥過程中5-HMF形成的影響。

由圖1可知，蘋果經(jīng)干燥后會生成5-HMF，且經(jīng)3-CQA浸泡會促進(jìn)5-HMF的形成。浸泡時間越長，滲入蘋果細(xì)胞間隙或細(xì)胞內(nèi)部的3-CQA越多，蘋果干燥體系生成的5-HMF也逐漸增多。這一現(xiàn)象表明：3-CQA對5-HMF形成的促進(jìn)作用與其浸泡時間呈正相關(guān)。同時，延長浸泡時間使得3-CQA與多酚氧化酶間作用更加充分，生成的大量醌型3-CQA可能通過Strecker降解來促進(jìn)5-HMF的生成[23-24]。

表1 4種水果中5-HMF、3-CQA和糖組分的含量?

? “—”表示未檢測到；同列字母不同代表樣品間存在顯著性差異(P<0.05)。

字母不同代表不同處理間5-HMF或3-CQA含量存在顯著差異(P<0.05)

圖1 不同浸泡時間下3-CQA對蘋果干燥過程中5-HMF形成的影響

Figure 1 Effect of soaking with 3-CQA solution at different time on 5-HMF formation in apple crisps after drying at 70 ℃ for 24 h (n=5)

2.3 干燥過程蘋果中5-HMF、3-CQA和水分含量變化

在蘋果干燥過程中，水分含量隨著干燥時間的延長而減少，5-HMF含量隨著干燥時間的延長而增加。由于己糖脫水生成5-HMF時，會產(chǎn)生2分子以上的水，因此，在低水分含量體系中，含水量增高抑制5-HMF形成，而含水量降低則促進(jìn)5-HMF生成[25]。蘋果干燥1 h后，水分含量由92.8%下降至0.9%左右(見圖2)，體系中開始有5-HMF生成(見圖3)。當(dāng)干燥6 h后，體系中水分含量趨近于0(見圖2)，5-HMF生成速率減緩。3-CQA的添加促進(jìn)了干燥體系中5-HMF的形成：空白組干燥12 h后蘋果片中HMF含量達(dá)(2.9±0.1) μg/g的5-HMF，而3-CQA組為(5.7±0.1) μg/g(見圖3)；隨著加熱時間的延長，3-CQA越促進(jìn)體系中5-HMF的形成。此外，在蘋果干燥過程中，3-CQA隨著干燥時間的延長而減少(見圖4)，是由于3-CQA具有熱不穩(wěn)定性[26]，在蘋果干燥過程中發(fā)生了熱降解。前1 h，3-CQA含量發(fā)生驟降，隨著干燥時間的延長，其減少速率下降。

2.4 不同處理條件下3-CQA對水果干燥過程中5-HMF形成和色度變化的影響

2.4.1 5-HMF形成 4種水果均含有大量的游離還原糖，因此，在水果干燥過程中，果糖等己糖會脫水形成5-HMF，蔗糖會水解成葡萄糖和果糖，它們進(jìn)一步脫水形成5-HMF[27]。經(jīng)檢測，4種水果經(jīng)70 ℃干燥后均產(chǎn)生了5-HMF，三華李果干中產(chǎn)生的5-HMF含量最高，其次為杏果、蘋果和雪梨(表2)。糖類是5-HMF形成的重要反應(yīng)底物，且在蔗糖，葡萄糖和果糖中，果糖烯醇化速度最快[28]。因此，果糖含量最高的蘋果直接經(jīng)去離子水浸泡后干燥產(chǎn)生的5-HMF含量約是雪梨的20倍。3-CQA可以促進(jìn)果汁加熱體系中5-HMF的形成[14]；從而，3-CQA含量豐富的三華李直接用去離子水浸泡后干燥產(chǎn)生的5-HMF含量約是雪梨的130倍。同時，經(jīng)3-CQA浸泡后的水果干燥后形成的5-HMF含量高于未經(jīng)3-CQA浸泡的水果，如：經(jīng)3-CQA浸泡的雪梨果干中5-HMF含量是未浸泡雪梨果干的10倍左右；說明3-CQA也能促進(jìn)水果干燥體系中5-HMF的形成。而經(jīng)熱燙處理的水果片干燥產(chǎn)生的5-HMF遠(yuǎn)少于未熱燙的水果片。以三華李為例，未經(jīng)熱燙且浸泡于去離子水中的水果片干燥生成的5-HMF含量約為經(jīng)熱燙處理組的35倍。由于水果干燥過程中5-HMF主要是通過葡萄糖和果糖在酸性條件脫水產(chǎn)生的，因此，熱燙過程水果片中水溶性糖類的流失可能是熱燙處理組5-HMF含量降低的原因。

圖(a)中由于干燥1 h內(nèi)水分含量下降明顯，添加繪制圖(b)展示1 h后水分含量變化

圖2 不同干燥時間下蘋果水分含量變化

Figure 2 Changes in moisture content in apple after drying at 70 ℃ for different time

圖3 不同干燥時間下蘋果中5-HMF的變化

Figure 3 Changes in 5-HMF in apple after drying at 70 ℃ for different time

圖4 不同干燥時間下蘋果中3-CQA的變化

Figure 4 Changes in 3-CQA in apple after drying at 70 ℃ for different time

去離子水組經(jīng)熱燙后，水果片中的3-CQA含量降低；而3-CQA組，熱燙處理后的水果片對3-CQA的吸收量增多。因為在熱燙過程中液泡中的水分子攜帶一些水溶性物質(zhì)如3-CQA、糖和無機(jī)鹽等從細(xì)胞內(nèi)滲透到細(xì)胞外[29]，導(dǎo)致水果片中3-CQA流失。而對于3-CQA組，熱燙處理的水果片的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜處于失活狀態(tài)，無法正常控制細(xì)胞吸水和失水，大量3-CQA進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部；且熱燙處理會使細(xì)胞內(nèi)多酚氧化酶部分或全部失活，阻止了3-CQA的氧化。因此，水果片經(jīng)熱燙處理并浸泡于3-CQA溶液中能夠顯著增加其內(nèi)部3-CQA含量。

2.4.2 色度變化 4種水果熱風(fēng)干燥前后的色度參數(shù)如表3所示，水果干燥后L*值下降，而a*值、b*值和C*值增加，說明水果在干燥過程中發(fā)生了褐變反應(yīng)[30]。從表3可知，新鮮蘋果和杏果的H°均在55°左右，其色調(diào)呈橙紅色；而雪梨接近90°，色調(diào)為黃色。此外，三華李的H°為40°，以紅紫色為主，是因為其含有大量的花青素。蘋果、杏果和三華李經(jīng)干燥后，H°變化不大，都集中在50°左右，呈現(xiàn)橙紅色。

表2 不同處理下3-CQA對水果干燥過程中5-HMF形成的影響?

? 小寫字母不同代表同一水果不同處理間存在顯著性差異(P<0.05)，大寫字母不同代表同一處理不同水果間存在顯著性差異(P<0.05)。

表3 不同處理下3-CQA對水果干燥過程中色度的影響?

? “—”代表未計算；字母不同代表同一水果不同處理間的差異顯著(P<0.05)。

在4種水果中，雪梨的色度受不同處理方式的影響最大，而杏果和三華李的色度變化小。水果片經(jīng)熱燙后，L*值較高，則亮度高且更加通透，而未經(jīng)熱燙處理的果片L*值較低。此現(xiàn)象可能是因為：① 水果經(jīng)熱燙處理后，多酚氧化酶失活，不能發(fā)生酶促褐變[31]。② 水果經(jīng)熱燙處理后，可溶性糖類部分流失[29]，己糖脫水反應(yīng)底物減少，以己糖脫水為主的非酶褐變程度降低[7]。因此，經(jīng)熱燙后的水果片在干燥過程中，褐變程度較低，亮度大。直接浸泡3-CQA的水果片，其L*值最低，C*值較高。由于此處理下多酚氧化酶未失活且在高濃度的3-CQA浸泡下，水果片在浸泡和干燥過程前期中均發(fā)生酶促褐變。此外，在干燥過程，3-CQA會促進(jìn)水果中己糖脫水[14]，加劇非酶褐變程度。總的來說，在4種處理方式中，直接用水浸泡的水果片的色度變化最小，而直接浸泡3-CQA溶液的色度變化最大。

3 結(jié)論

3-CQA是水果中含量最高的綠原酸，試驗通過模擬水果熱風(fēng)干燥的工業(yè)化加工條件，研究了3-CQA對水果干燥體系中5-HMF形成的影響和色度變化。結(jié)果表明：3-CQA對水果干燥過程中5-HMF的形成有促進(jìn)作用，并增加水果褐變程度；傳統(tǒng)果蔬加工過程中的熱燙處理在滅酶的同時，對降低干燥過程中5-HMF生成量也有顯著效果。文章從3-CQA和糖的角度解釋了不同的水果果干制品中5-HMF差異的原因，因此，實際生產(chǎn)可選擇綠原酸含量較少的水果作為水果果干制品的原料，并注意加工過程中糖的用量和種類；同時嚴(yán)格控制熱燙處理，將綠原酸剩余量作為熱燙處理指標(biāo)之一，優(yōu)化熱燙過程。試驗僅模擬了最常見的熱風(fēng)干燥方式進(jìn)行研究，為了更加全面地對水果干燥過程中的5-HMF和色度進(jìn)行控制，綠原酸在其他干燥方式下對5-HMF形成和色度的影響及機(jī)制也有待完善。