生姜酵素發酵前后風味物質的變化

邱大東, 周梨萍, 郭文宇, 李俊剛, 2

（1.四川百善緣實業有限公司, 四川綿陽 621000；2.綿陽師范學院生命科學與技術學院, 四川綿陽 621000）

1 概述

1.1 酵素

酵素是指以一種或多種水果、新鮮蔬菜為原料, 經酵母菌、乳酸菌、醋酸菌等復合菌種發酵而成的含有特定生物活性成分的產品, 現在酵素的英文名為“Jiaosu”。酵素被日本稱為“酶”“enzyme”, 具有催化功能[1-2]。

微生物酵素具有一定的功能性, 含有很多營養物質, 如礦物質、維生素、酶等, 還具有抗菌防御、消炎、延緩衰老、抗感染和抗氧化去除自由基等功能[3-6]。

1.2 生姜及生姜酵素

生姜, 姜科姜屬植物, 是一種多年生的藥食同源的一種草本植物, 主要成分有揮發性的姜精油, 非揮發性的生姜多糖、生姜蛋白酶、姜辣素及一些二苯基庚烴類的物質[7]。生姜具有抗腫瘤[8]、抗炎[9]、抑菌和抗氧化作用[10-11], 應用于醫藥領域、化妝品和食品領域。

生姜酵素是由生姜原汁經乳酸菌發酵而成, 含有大量易被吸收的活性成分, 如姜辣素、姜油酮、姜烯酚、姜醇、多種維生素、蛋白酶、纖維素等。具有誘食、排毒、促進消化道和抗氧化、抗衰老、防腐抑菌等作用。Ademosun Mary T等人[12]評估了生姜果汁飲料的抗氧化性能, 血糖指數和碳水化合物水解酶活性。Nadabe dos Santos Reis等人[13]小試規模水蒸氣蒸餾法提取生姜精油的色譜及微形態分析。周穎等人[14]探討生姜酵素復合菌發酵過程中生物活性成分含量及其抗氧化活性的變化。目前, 國內外生姜酵素風味物質的研究報道較少, 市場未見生姜酵素產品流通。

試驗以生姜原汁經乳酸菌發酵生產的生姜酵素為研究對象, 比較生姜原汁、生姜酵素發酵前后代謝產物變化情況, 為生姜的綜合性開發和生姜酵素功能性研究提供理論基礎。

2 材料和方法

2.1 材料

2.1.1 試驗原料

（1）生姜原汁。將生姜去除雜質, 用清水浸泡, 充分洗凈, 再用純凈水清洗, 切碎, 生姜∶水=1∶3打漿, 于80℃下滅菌15 min, 冷卻備用。

（2）生姜酵素。將滅菌后的生姜原汁放入發酵罐, 按5%接入乳酸菌復合菌液, 于37℃下恒溫發酵, 定時測定理化指標。

2.1.2 主要器材

UV-1100型紫外可見分光光度計, 上海美析儀器有限公司產品；SYC-B型電熱恒溫調速振蕩器, 上海新苗醫療器械制造有限公司產品；FA3014N型電子天平, 上海菁海儀器有限公司產品；GCMS-QP2020型氣相色譜-質譜聯用儀, 日本島津公司產品。

2.2 試驗方法

2.2.1 風味物質的分離濃縮

準確量取生姜原汁和生姜酵素各100 mL放入250 mL分液漏斗中, 加入無水乙醚50 mL, 劇烈振蕩多次, 加入約0.5 g氯化鈉, 靜置30 min待分層, 取上層清液, 加無水硫酸鈉過濾。重復提取2次, 合并提取液, 于40℃下用旋轉蒸發器濃縮減壓蒸餾, 最終得到約0.5 mL具有濃郁香氣的橘黃色溶液, 待進樣。

2.2.2 色譜條件設定

（1）GC條件[15]。柱箱溫度為50℃, 進樣口溫度230℃, 不分流進樣, 進樣時間1 min, He作為載氣, 流量控制方式為線速度, 壓力為53.5 kPa, 總流量為50.0 mL/min, 柱流量為1.00 mL/min, 線速度36.3 cm/sce, 吹掃流量為3.0 mL/min。色譜柱為SH-Rxi-SSil MS（30 m×0.25 mm, 0.25μm）, 升溫程序設置為50℃保持2 min, 以10℃/min的升溫速率升至230℃, 保持5 min。

（2）MS條件。離子源溫度為230℃, 接口溫度為250℃, 溶劑延遲時間為1.5 min, 使用儀器規定的電壓, 電子源。

（3）揮發性成分定性方法。采用GC-MS Postmm Analysis軟件完成, 未知化合物采用Wiley和NIST譜庫進行檢索, 根據所得譜圖進行匹配分析。與數據庫對比, 匹配度＞85%的鑒定結果才予以確認。

（4）定量方法。采用面積歸一法, 將色譜圖中的共有峰面積值相加作為峰總面積, 然后用每個峰面積比上總面積即為該物質的相對含量。

3 結果與分析

3.1 生姜原汁、生姜酵素總離子色譜圖及總離子色譜對比圖

用GC-MS法測定后, 根據Wiley和NIST譜庫進行檢索及對質譜圖的峰進行分析, 確定每種峰所代表的物質。

GC-MS法測定生姜原液風味物質的總離子色譜圖見圖1, GC-MS法測定生姜酵素風味物質的總離子色譜圖見圖2, 風味物質總離子色譜對比圖見圖3。

圖1 GC-MS法測定生姜原液風味物質的總離子色譜圖

圖2 GC-MS法測定生姜酵素風味物質的總離子色譜圖

圖3 風味物質總離子色譜對比圖

由圖1～圖3可知, 生姜原液和生姜酵素的風味物質的種類及含量有很大的差別。生姜原液中檢出66種風味物質, 生姜酵素中檢出68種風味物質, 生姜酵素中的風味物質比生姜原液多, 但是生姜原液中風味物質的含量較大, 峰面積普遍比生姜酵素的峰面積大。

3.2 生姜原汁、生姜酵素風味物質成分及含量

根據Wiley和NIST譜庫進行檢索及對質譜圖的峰進行分析, 將所得的物質的英文名字在CAS中檢索出其代表的物質的中文名及其相對含量。

生姜原液和生姜酵素風味物質比較見表1。

表1 生姜原液和生姜酵素風味物質比較

由表1可知, 確定了生姜原液中的38種化學成分, 生姜酵素中的42種化學成分, 生姜原液中確定的成分占總成分的69.31%, 生姜酵素中確定的成分占總成分的76.94%, 在已鑒別的風味物質成分中, 生姜原液和生姜酵素中相同的風味成分有18種, 其中含量最高的是崁烯和甲基庚烯酮, 但是在總成分中, 生姜原液中香芹酚的含量最高, 達到23.21%, 生姜酵素中桉葉油醇的含量占總成分的28.48%, 香芹酚具有抗氧化、抗炎、抗癌的作用, 在生姜酵素中未檢測到, 可能是生姜原汁經益生菌發酵分解成為小分子化合物。桉葉油醇有樟腦氣息和清涼的草藥味道, 具有殺菌和殺蟲作用, 多用于醫藥和食品香料, 還常用作防腐劑。

生姜原液中檢測出來的風味物質主要有萜烯類、醛類、醇類、酯類、酮類、烴類等, 其中萜烯類化合物的占比較大, 萜烯類物質通常是強顯味物質, 這類風味物質的存在使生姜具有了香辣的氣味。

生姜酵素中檢測出來的風味物質主要是單萜類、醇類、酯類等, 其中桉葉油醇是使生姜酵素帶有辛冷氣味的單萜類物質, 生姜酵素中還帶有香蕉或蘋果等水果香, 并有一定的刺激感和澀味, 這是酵素中的乳酸已酯和乙酸異戊酯等酯類風味物質呈現出來的。

蒎烯、β-水芹烯、正辛醛、鄰-異丙基苯、香芹酚、乙酰胺, 2-甲基-丙酸-1-甲基-1-(4-甲基-3-環己烯-1-基)乙酯、香茅醛、香葉醇、反式-2-癸烯醛、檸檬醛、2-十一酮、2-十一醇6,6-二甲基雙環庚-2-烯-2-乙酸甲酯、β-石竹烯、6,10-二甲基-5,9-十一雙烯-2-酮、(+)-1,7-二表-β-雪松烯、佛術烯、大牛兒烯、α-法呢烯、反式-橙花叔醇這些物質只在生姜原液中存在, 而在生姜酵素中并未檢出, 經過研究發現, 未在生姜酵素中檢出的風味物質大多數是只溶于醇類等有機溶劑而不溶于水的, 這些風味物質都屬于大分子物質, 發酵過程中在微生物的作用下被分解成了小分子物質。存在于生姜酵素中的風味物質則大多數是酯類, 在生姜酵素發酵過程中, 益生菌產生的酸與醇發生酯化反應, 就會生成酯類, 這也是發酵現象的表征。生姜原液中萜烯類物質基本上代表了生姜的風味特征, 雖然經過發酵后的莰烯、甲基庚烯酮、α-水芹烯、香茅醛、乙酸香茅酯、乙酸香葉酯、(+)-環苜蓿烯、(-)-AlpHa-蒎烯的含量明顯下降, 但在發酵后的生姜酵素中仍保留下一些, 這些被保留下來的風味物質會使生姜酵素帶有生姜獨特的風味。生姜酵素中的酯類和醇類占比較大, 使得酵素帶有發酵飲品獨特的醇香味和酒精的味道, 但更加柔和, 減少了辛辣味和刺激性。

4 結論

對風味物質的測定采用直接頂空進樣相比于劉金敏等人[15]使用的頂空固相微萃取方式進樣而言, 直接頂空進樣的試驗步驟更簡潔, 使用的儀器更少。在做風味物質檢測的前處理時, 首先考慮的是用蒸餾萃取法將生姜原液和生姜酵素中的風味物質萃取出來, 經無水硫酸鈉脫水再經旋轉蒸發儀蒸發濃縮, 得到濃縮液直接進樣由氣質聯用法進行測定, 但是提取出來的濃縮液的風味物質損失過多, 之后采用的是直接頂空進樣法對風味物質進行檢測的。

生姜中的化合物主要是揮發油、姜辣素和二苯基庚烷3種, 揮發油中的化合物主要是單萜烯類及其氧化物、倍單萜類及其氧化物, 姜辣素中主要是姜酚、姜烯酚等, 在生姜原液中檢測到的化合物主要是生姜中的揮發油成分, 如單萜類化合物崁烯, 受前處理方法和檢測方法的影響, 導致生姜原液的檢測結果與生姜本身的成分具有一定差異。