高溫熱風干燥對棗中游離氨基酸含量的影響

許利平,黃貴元,劉崇盛,張麗娜,梁淼,許高燕,李瑞麗,吳兆明,高陽*

1(浙江中煙工業有限責任公司,浙江 杭州,310008)2(鄭州輕工業大學 食品與生物工程學院,河南 鄭州,450002)

棗,又名大棗或紅棗,是鼠李科植物棗樹的成熟果實。棗是一種營養豐富、功能效果良好的水果,主要分布在歐洲和亞洲大多數地區[1]。鮮棗的保質期較短,因此多被干制并加工成相關產品食用[2]。棗的傳統干燥方式主要是曬干和風干,但傳統干燥方式受氣候條件影響較大、干燥周期長,已逐漸被熱風干燥、冷凍干燥、熱泵干燥、真空干燥、短中波紅外輻射和瞬時控制壓降干燥以及組合干燥技術所取代[3]。熱風干燥被廣泛應用于谷物、水果、蔬菜等食品的干燥,具有投資低、管理方便等優點[4]。但關于棗的熱風干燥研究多集中在低溫加熱方式(50～70 ℃),干燥時間相對較長[5]。在較高熱風干燥溫度下進行大棗的干燥及成分研究相對較少,考察相對較高溫度的干燥條件對大棗品質的影響對于指導大棗加工有重要意義。

氨基酸是人體健康的基本營養素[6]。棗中氨基酸的含量和組成影響其風味和生物活性[7]。研究發現,棗中至少含有12種主要氨基酸,它們的種類和含量因品種、成熟期和加工方法的不同而有所區別[8]。棗中的游離氨基酸在食品加工過程中對產品質量起著重要作用[9],因此,明確高溫干燥過程中大棗游離氨基酸的動態變化規律,了解其營養價值和風味的變化,可為制定大棗干制新工藝,提升棗粉品質提供支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

實驗原料為新鄭大棗,新鄭市棗健康食品有限公司，三乙胺、異硫氰酸苯酯,純度≥98%,百靈威科技有限公司;正己烷(色譜純),天津市大茂化學試劑廠;乙腈(色譜純),北京迪馬科技有限公司;20種氨基酸標準品,純度≥99%,上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

1260高效液相色譜儀配備G4212 B二極管陣列檢測器,美國Agilent公司;TG16-WS高速離心機,湖南滬康離心機有限公司;EL204電子天平,德國MettLler-Toledo儀器(上海)有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品的干制

挑選大小均勻一致、外觀完整、無病蟲害的大棗,去核切碎,分別于110、120、130、140、150 ℃條件下熱風干燥不同時間(20、30、40、50、60 min),各時間點取出樣品,用于測定水分;剩余樣品真空冷凍干燥48 h,粉碎并過40目篩,將其置于自封袋中,于-20 ℃條件下保存。

1.2.2 水分的測定

參照肯生葉等[10]的方法,略加改動,具體步驟如下:

標準曲線的繪制:以丙酮為內標,配制質量濃度為15 mg/mL的丙酮-甲醇內標溶液。稱取適量水,加入內標溶液,定容,配制水分質量濃度為0、5、10、15、20、25和30 mg/mL的標準溶液,然后采用氣相色譜-熱導檢測器測定,并繪制標準曲線,結果如表1所示。

棗中水分的測定:精確稱取1.000 g烘焙后大棗,加入20 mL內標溶液,超聲(400 W)萃取60 min。色譜條件:色譜柱Porapak Q(80～100目,2.0 m×1/8 in×2.0 mm);進樣口溫度150 ℃;程序升溫110 ℃保持1 min,以10 ℃/min的速率升至150 ℃,保持3 min,然后以30 ℃/min的速率升至220 ℃,保持5 min;檢測器溫度250 ℃;載氣為高純氮氣,載氣流速5 mL/min;進樣方式為不分流進樣;進樣量0.5 μL。

1.2.3 游離氨基酸的測定

混合標準儲備液的配制:準確稱取適量的20種氨基酸標準品,置于25 mL容量瓶中,加入蒸餾水使其充分溶解并定容至刻度,得到20種氨基酸的混標溶液。從20種氨基酸的混標溶液中取5 mL、4 mL、3 mL、2 mL、1 mL、0. 2 mL、10 μL,置于10 mL容量瓶中,加水定容后搖勻,得20種氨基酸不同濃度的混合標準儲備液。

樣品溶液的制備:準確稱取大棗樣品1.000 g,加10 mL蒸餾水,渦旋振蕩15 min,隨后將其置于高速離心機中,于10 000 r/min的條件下離心20 min,取上清液備用。

衍生試劑的配制、溶液的衍生以及色譜條件均參照李江含等[11]的方法進行。以氨基酸的濃度(x)作為橫坐標,峰面積(y)為縱坐標,繪制其標準曲線,回歸方程及相關系數見表1。樣品中的游離氨基酸含量結果以mg/g DW(干重)表示。

1.2.4 數據處理

統計分析使用SPSS 21軟件進行,用鄧肯多重比較驗證了不同干燥條件下游離氨基酸在P<0.05水平上的差異顯著性;游離氨基酸的熱圖和層次聚類分析采用Morpheus在線軟件進行;采用R 4.1.1對各指標進行相關性分析,并進行視圖呈現。

2 結果與分析

2.1 干燥大棗含水率及游離氨基酸含量變化

2.1.1 含水率變化

圖1 為不同干燥溫度下大棗的含水率隨時間的變化曲線,可見不同干燥溫度下樣品的含水率在開始時迅速下降,并隨著干燥時間的延長而持續下降,這與前人的研究結果一致[12]。大棗初始含水率為48.49%,干燥60 min后,不同干燥溫度后的大棗含水率較為接近,分別為3.29%、2.76%、2.15%、2.05%和1.60%。與傳統低溫熱風干燥相比[13],高溫熱風干燥模式下,樣品含水率降低至10%左右所需的時間相對較短,均少于20 min,表明高溫干燥可以提高棗的干燥效率,顯著降低能耗和干燥時間。

表1 水及20種氨基酸的線性回歸方程及相關系數Table 1 Linear regression equations and correlation coefficients of water and 20 amino acids

另外,在干燥前期,樣品的含水率并不完全是隨著干燥溫度的升高而降低的,但隨著干燥時間的延長,140～150 ℃干燥樣品含水率的下降速率明顯增大。這是由于棗樣品表面在高溫條件下會出現結皮,抑制了棗中游離水的散失;繼續加熱時,隨著糖分子結合的水被除去,棗表面的結皮結構被破壞,又引起棗樣品中的水分快速散失[14]。

圖1 不同干燥溫度棗含水率變化Fig.1 Changes in moisture content of jujube at different drying temperatures

2.1.2 不同干燥條件下大棗中的游離氨基酸含量

表2給出了各干燥條件下棗中游離氨基酸的含量。新鄭大棗中共檢測出了16種游離氨基酸。其中,未高溫干燥新鄭大棗中脯氨酸含量最高,占游離氨基酸總量的84.81%,天冬氨酸的含量僅次于脯氨酸,為(1.301±0.026) mg/g DW,占游離氨基酸總量的6.83%,這與丁勝華等[15]的研究結果一致。棗中脯氨酸含量較高可能是因為棗樹生長過程中受到高鹽、干旱或者低溫等逆環境的脅迫[7]。此外,在新鄭大棗中還檢測到了正纈氨酸,已有的研究結果表明正纈氨酸對于消炎和治療老年癡呆有一定的作用[16]。與RAHMAN等[17]和SONG等[18]的研究結果不同的是,谷氨酸和精氨酸并未在本研究中發現,這可能與棗的品種有關。

高溫干燥對于棗中游離氨基酸含量有著顯著影響。不同的游離氨基酸在不同干燥溫度下,含量變化各不相同。脯氨酸含量整體呈現出隨著干燥溫度和干燥時間不斷降低的變化趨勢,僅在干燥溫度為110 ℃,干燥時間為60 min時,脯氨酸的含量出現明顯上升。150 ℃干燥時,脯氨酸含量的下降幅度最大,由最高(D0)的(16.167±1.010) mg/g DW,降低至最低(D55)的(0.276±0.010) mg/g DW,降幅達98.29%。D11的游離氨基酸總量高于D0,這是因為天冬氨酸和絲氨酸等組成蛋白質的氨基酸含量在110 ℃加熱20 min后出現了升高。這些游離氨基酸含量的升高可能與熱風干燥過程中蛋白質的酶水解有關。值得注意的是,一般認為棗果在熱加工過程中堿性氨基酸更易發生美拉德反應,致使其含量降低[15]，但在本研究中,賴氨酸的含量在較高的干燥溫度下(120～150 ℃)出現了顯著升高,由(0.021±0.002) mg/g DW(D0)升至(0.170±0.002) mg/g DW(D55),增幅達709.52%。

表2 不同干燥條件下大棗中各游離氨基酸含量Table 2 The content of free amino acids in jujube under different drying conditions

2.1.3 必需和藥用氨基酸含量變化

新鄭大棗中檢測出了6種游離必需氨基酸,包括苯丙氨酸、甲硫氨酸、賴氨酸、蘇氨酸、纈氨酸和異亮氨酸,其總含量在不同干燥溫度下的變化如圖2-a所示。干燥溫度小于130 ℃時,必需氨基酸含量呈現出隨時間延長緩慢降低的趨勢,分別由(0.581±0.015) mg/g DW(D0)降低至(0.416±0.004) mg/g DW(D15)和(0.333±0.002) mg/g DW(D25)。而干燥溫度達到130 ℃后,必需氨基酸含量呈現出隨時間先降低后升高的趨勢,特別是140～150 ℃的高溫下干燥樣品,當干燥時間延長至60 min時,必需氨基酸含量顯著增加到(1.623±0.055) mg/g DW和(1.582±0.018) mg/g DW。

依據王成等[19]和POLIS等[16]的結論,新鄭大棗中檢測出了7種游離藥用氨基酸,分別為天冬氨酸、甘氨酸、苯丙氨酸、甲硫氨酸、賴氨酸、酪氨酸和正纈氨酸,其總含量在不同干燥溫度下的變化如圖2-b所示。藥用氨基酸含量的變化趨勢和必需氨基酸稍有不同。干燥溫度為110 ℃時,藥用氨基酸含量隨時間呈現出先上升后下降的變化趨勢。而干燥溫度為120～130 ℃時,隨著干燥時間的延長,藥用氨基酸的含量略有起伏,但變化不大。與必需氨基酸類似的是,在干燥溫度為140～150 ℃時,藥用氨基酸含量呈現出隨時間先降低后升高的趨勢,并且在干燥30 min后,藥用氨基酸含量快速增加,增幅分別為67.96%和91.93%。游離氨基酸含量的降低與加熱過程中發生美拉德反應有關,而其含量的升高則可能是棗中的蛋白質發生熱解[20]。

a-必需氨基酸;b-藥用氨基酸圖2 不同干燥溫度棗中必需和藥用氨基酸含量變化Fig.2 Changes in the content of essential and medicinal amino acids in jujube at different drying temperatures

2.1.4 風味氨基酸含量變化

風味氨基酸的劃分參照ROTZOLL等[21]的結果,分為鮮味氨基酸(天冬氨酸)、甜味氨基酸(絲氨酸、甘氨酸、蘇氨酸、丙氨酸、脯氨酸)、苦味氨基酸(組氨酸、酪氨酸、纈氨酸、異亮氨酸、苯丙氨酸、賴氨酸)和咸味氨基酸(甲硫氨酸、半胱氨酸),其含量在不同干燥溫度下的變化如圖3所示。

由圖3可知,110 ℃干燥下,鮮味和苦味氨基酸呈現出先上升后下降的變化趨勢,而咸味氨基酸則是不斷下降。120 ℃干燥下,鮮味和咸味氨基酸含量呈現出隨時間延長上升的趨勢,而苦味氨基酸則是不斷下降。130 ℃干燥下,鮮味氨基酸呈先下降后上升趨勢,而苦味和咸味氨基酸含量則分別呈現出隨時間延長下降和上升的趨勢。當干燥溫度達到140 ℃后,鮮味和苦味氨基酸含量呈現出先下降后上升的趨勢,而咸味氨基酸則是不斷上升,并且在干燥30 min后,隨著干燥時間的延長,三者的含量會快速上升。各干燥溫度下,大棗內的甜味氨基酸含量在整個干燥過程中整體均呈現降低的趨勢,僅當干燥溫度為110 ℃時,甜味氨基酸含量在干燥60 min時出現明顯升高;另外,干燥溫度越高,大棗中甜味氨基酸含量隨時間延長降低的速率越快。大棗中風味游離氨基酸含量的變化在一定程度上可以反映棗風味的變化,從上述可以看出,高溫干燥會對棗的風味造成一定的不良影響。但高溫干燥會使棗中揮發性香味成分的含量增加,并賦予大棗焦甜香,使其具有獨特的風味[5]。

2.2 熱圖及層次聚類分析

圖4為不同干燥條件棗中游離氨基酸的熱圖和層次聚類分析。熱圖對數據進行了直觀的視圖呈現,圖中每個彩色方塊對應一個游離氨基酸含量相對值,顏色由藍到紅代表氨基酸含量由小到大。行和列均進行了層次聚類,并根據結果對其重新排序,使相似的結果彼此接近[22]。由圖4可知,干燥樣品D0、D1～D3、D21～D22、D31～D32、D41和D51在同一分類分支上,這表明它們的游離氨基酸分布沒有顯著差異[22]。干燥樣品D43～D45和D53～D55分別分組在兩個分類分支上,這是因為它們之間組氨酸、賴氨酸、酪氨酸和丙氨酸含量差異較大。

此外,由圖4還可知,各游離氨基酸可以大致分為三類。組氨酸、甘氨酸、脯氨酸和半胱氨酸為一類,這是由于它們呈現出隨著干燥程度的加深含量減少的趨勢;絲氨酸、纈氨酸、天冬氨酸、蘇氨酸、異亮氨酸、正纈氨酸、甲硫氨酸、酪氨酸、賴氨酸、丙氨酸和苯丙氨酸為一類,這是由于它們呈現出隨著干燥程度的加深含量增加的趨勢;羥基脯氨酸未和其他游離氨基酸中的一種分為一類,這和其含量變化無明顯規律有關。

a-鮮味氨基酸;b-甜味氨基酸;c-苦味氨基酸;d-咸味氨基酸圖3 不同干燥溫度棗中鮮味、甜味、苦味和咸味氨基酸含量變化Fig.3 Changes in the content of umami, sweet, bitter, and salty amino acids in jujubes at different drying temperatures

圖4 不同干燥條件棗中游離氨基酸的熱圖和層次聚類分析Fig.4 Heat map and hierarchical cluster analysis of free amino acids in jujube in different drying conditions

2.3 相關性分析

對高溫干燥過程中的各變量進行相關性分析,結果見圖5。由圖5可知,游離氨基酸總含量與干燥溫度呈顯著負相關(P<0.05,R=-0.49),而與干燥時間呈極顯著強負相關(P<0.01,R=-0.82),說明游離氨基酸總含量主要受干燥時間的影響。游離氨基酸總含量和甜味氨基酸與含水率呈極顯著正相關,結合游離氨基酸含量和含水率的變化趨勢可知,含水率的降低會對游離氨基酸,特別是游離甜味氨基酸含量的降低產生正面影響。此外,鮮味、苦味、咸味、必需以及藥用氨基酸相互之間呈極顯著正相關,且均與干燥溫度、干燥時間呈現一定程度的正相關關系。這表明這幾類氨基酸在高溫干燥下的含量變化是接近的,并且干燥溫度的升高或干燥時間的延長有利于它們的生成。

圖5 相關系數矩陣熱圖Fig.5 Correlation coefficient matrix heat map注:“*”代表相關性顯著(P<0.05),“**”代表相關性極顯著(P<0.01)

3 結論

利用高效液相色譜-蒸發光散射檢測技術對不同高溫干燥條件下棗中的游離氨基酸進行了測定。結果表明,高溫干燥可以顯著提高棗的干燥效率,縮短干燥時間;干燥溫度對游離氨基酸含量有顯著影響,在干燥溫度達到140 ℃后,隨著干燥時間的延長,必需、藥用、鮮味、苦味和咸味氨基酸含量會快速升高。但甜味氨基酸含量在整個加熱過程中主要呈下降趨勢,且干燥溫度越高,下降速率越快。相關性分析結果顯示,游離氨基酸總含量受到干燥溫度和時間的影響,且干燥時間的影響程度較大;含水率的降低會對游離氨基酸,特別是甜味氨基酸的含量造成負面影響。上述結果為提高大棗干燥效率,精準調控棗中糖組分比例和含量,改善棗品質提供了數據支撐。