響應(yīng)面法優(yōu)化超臨界二氧化碳萃取醬鴨揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的工藝

王 強(qiáng)，鄧澤元,*，范亞葦，胡蔣寧，劉 蓉，李 靜，趙麗萍，杜金平

(1.南昌大學(xué) 食品科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330047；2.湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，湖北 武漢 430064)

響應(yīng)面法優(yōu)化超臨界二氧化碳萃取醬鴨揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的工藝

王 強(qiáng)1，鄧澤元1,*，范亞葦1，胡蔣寧1，劉 蓉1，李 靜1，趙麗萍1，杜金平2

(1.南昌大學(xué) 食品科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330047；2.湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，湖北 武漢 430064)

采用響應(yīng)面法優(yōu)化超臨界二氧化碳萃取醬鴨揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的工藝，探討萃取壓力、萃取溫度和萃取時(shí)間對風(fēng)味物質(zhì)萃取比率的影響。結(jié)果表明：揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的萃取比率隨萃取壓力和萃取溫度的升高而降低；隨萃取時(shí)間的增大而升高，但達(dá)一定程度后又呈現(xiàn)下降趨勢；分析所得的回歸方程確定最佳工藝修正參數(shù)為萃取壓力11MPa、萃取溫度41℃、萃取時(shí)間60min，在此條件下醬鴨揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的萃取比率為83.45%；GC-MS分析表明萃取物中有60種成分，大部分萃取物是脂質(zhì)氧化和美拉德反應(yīng)的產(chǎn)物，如醛類、酮類、脂肪烴、芳香烴、酯類、雜環(huán)類化合物。

醬鴨；超臨界二氧化碳；揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)

鴨肉具有低脂肪、低膽固醇、高蛋白等營養(yǎng)特點(diǎn)，其脂肪酸熔點(diǎn)低，易于消化吸收，同其他肉類相比，鴨肉含有較多的B族維生素、VE和煙酸，能有效抵抗腳氣病、神經(jīng)炎等多種炎癥，可緩解心肌梗死等心臟疾病，有益于心臟健康[1]。肉鴨大多加工成制品銷售，其中醬鴨因其滋味濃郁而且不油膩，深受消費(fèi)者歡迎。醬鴨制品的加工是以我國傳統(tǒng)烹飪技術(shù)為基礎(chǔ)，原料肉經(jīng)預(yù)煮后，再用醬油等調(diào)味料和香辛料加水煮制而成。因其工藝精湛、風(fēng)味獨(dú)特，深受廣大消費(fèi)者歡迎，并在各地創(chuàng)造了一批名特優(yōu)產(chǎn)品。揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)是影響肉制品風(fēng)味的重要因素，也是影響消費(fèi)者接受醬鴨制品的重要因素。醬鴨揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的研究對于食品工業(yè)，特別是食品風(fēng)味工業(yè)具有重要意義。

超臨界流體技術(shù)在近幾十年來發(fā)展迅速，在食品、醫(yī)藥、化工、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、分析技術(shù)等領(lǐng)域己得到廣泛的應(yīng)用。因二氧化碳臨界溫度和臨界壓力低(31.06℃，7.39MPa)，對中、低分子質(zhì)量和非極性的天然產(chǎn)物有較強(qiáng)的親和力，而且具有環(huán)境友好的特點(diǎn)，超臨界二氧化碳技術(shù)廣泛用于功能性油脂、揮發(fā)性油、生物堿、苷類、香豆素類、萜類的提取[2-3]。許多研究者成功地從不同的肉制品中獲得了風(fēng)味物質(zhì)[4-5]，Merkle等[6]用超臨界二氧化碳萃取技術(shù)獲得了與最初來源極具相似并且比其他萃取方法更高質(zhì)量的風(fēng)味成分。Major[7]通過細(xì)微改變流體密度的方法從熱不穩(wěn)定的樣品中分離得出不同種類的揮發(fā)性成分。

本實(shí)驗(yàn)以鴨肉為研究對象，采用響應(yīng)面法研究壓力、溫度和時(shí)間對超臨界二氧化碳萃取醬鴨中揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的影響，得出萃取的最優(yōu)工藝，且對揮發(fā)性風(fēng)味成分進(jìn)行檢測。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

醬鴨(剔除骨頭) 南昌市購。

HA120-50-01型超臨界流體裝置 江蘇南通華安超臨界萃取公司；7890-7000B氣質(zhì)聯(lián)用儀 Agilent公司。1.2方法

1.2.1 超臨界二氧化碳萃取工藝

將醬鴨在－18℃冷凍24h后切成約0.5cm薄片，然后粉碎，稱取粉碎的樣品100g，裝入萃取釜中，設(shè)定萃取溫度(40～50℃)、分離溫度(35～45℃)，待溫度恒定時(shí)調(diào)節(jié)萃取壓力(10～20MPa)，萃取一定時(shí)間后將提取物于分離釜底部放出收集。

1.2.2 揮發(fā)性成分萃取比率

將萃取物進(jìn)行GC-MS分析，確定其化學(xué)組成，采用峰面積歸一法進(jìn)行定量分析，計(jì)算出揮發(fā)性物質(zhì)(表4中的60種物質(zhì))占總萃取物的比率。

1.2.3 響應(yīng)面試驗(yàn)方案

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平表Table1 Factors and levels in the response surface design

利用響應(yīng)面分析法對醬鴨揮發(fā)油提取工藝條件進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選取萃取壓力、溫度和時(shí)間3個(gè)因素(表1)，用Box-Behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理優(yōu)化工藝參數(shù)。

1.2.4 GC-MS分析

將超臨界二氧化碳萃取產(chǎn)物完全溶于三氯甲烷中，定容至10mL，過0.45μm濾膜，采用GC-MS進(jìn)行分析。GC條件：色譜柱為HP-5MS(0.25mm×30m，0.25μm)；載氣：氦氣，1mL/min；進(jìn)樣口溫度：250℃；分流進(jìn)樣量：1μL；分流比：1:20；柱溫升溫程序：初始60℃，保持1min，以10℃/min速度升溫至180℃，保持10min；以2.5℃/min速度升溫至280℃，保持20min。

MS條件：電離方式為EI；離子源溫度150℃；四級桿溫度150℃；接口溫度280℃；電子能量70eV；質(zhì)量掃描范圍為50～500u。

2 結(jié)果與分析

2.1 響應(yīng)面分析方案及結(jié)果

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table2 Response surface design matrix and experimental results

采用SAS 8.0 (SAS Institute Inc.)對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，數(shù)據(jù)經(jīng)多元擬合后得到回歸方程如下：

其中，R2=0.9747、R2Adj=0.9329，表明回歸方程與實(shí)際值具有高度擬合性。

由表3可知，回歸模型P=0.001571＜0.01，表明模型極顯著，失擬項(xiàng)P=0.1408＞0.05，不顯著，說明該模型擬合程度良好，可以用此模型對醬鴨揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的超臨界CO2提取效果進(jìn)行分析和預(yù)測。由回歸模型系數(shù)顯著性檢驗(yàn)結(jié)果可知，模型的一次項(xiàng)X2、X3對揮發(fā)性物質(zhì)超臨界萃取的線性效應(yīng)極顯著，而X1為影響顯著；二次項(xiàng)X12、X22、X32對揮發(fā)性物質(zhì)超臨界萃取的曲面效應(yīng)顯著，3個(gè)因素的交互作用效果不顯著。表明各影響因素對萃取比率的影響不是簡單的線性關(guān)系。

表3 回歸方程的ANOVA分析Table3 Variance analysis for the fitted regression model

2.2 響應(yīng)曲面分析與優(yōu)化

響應(yīng)面圖直觀地反映了各自變量對響應(yīng)值的影響，并且從圖上可形象地看出最佳參數(shù)以及各參數(shù)之間的相互作用。圖1(A)是在萃取時(shí)間為60min時(shí)壓力和溫度的響應(yīng)曲面，隨著萃取壓力和萃取溫度的增加，揮發(fā)性風(fēng)味成分的萃取比率在不斷增大，當(dāng)萃取壓力和溫度分別升高到11.5MPa、41℃左右時(shí)，萃取比率達(dá)最大，而萃取壓力和溫度繼續(xù)升高時(shí)，揮發(fā)性成分的萃取比率又會(huì)隨之下降。

圖1 各因素交互作用對揮發(fā)性成分萃取比率影響的響應(yīng)曲面圖Fig.1 Response surface plot illustrating the interactive effects of any two factors on the ratio between volatile components and total extract

萃取壓力15MPa、溫度45℃條件下，萃取溫度和時(shí)間、萃取壓力和時(shí)間對揮發(fā)性成分萃取比率影響的響應(yīng)曲面分別見圖1(B)、1(C)。隨著萃取時(shí)間的延長，萃取比率隨之增高，當(dāng)時(shí)間大于60min左右時(shí)，萃取比率又呈下降趨勢。

2.3 最佳工藝條件的優(yōu)化

對模型方程取一階偏導(dǎo)數(shù)等于零，求解得揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的最佳超臨界提取工藝為萃取壓力11.5MPa、溫度41.5℃、時(shí)間61.3min?？紤]到實(shí)際操作，對提取條件修正為萃取壓力11MPa、萃取溫度41℃、時(shí)間為60min，在此條件下醬鴨揮發(fā)性成分的萃取比率為83.45%，與理論評分值83.87%基本一致。因此，基于響應(yīng)曲面法所得的優(yōu)化提取工藝參數(shù)準(zhǔn)確可靠，具有實(shí)用價(jià)值。

2.4 醬鴨揮發(fā)性成分的GC-MS鑒定

在最佳工藝條件下萃取的醬鴨揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)用GC-MS分析，并通過NIST OSs.LIB和NIST OS.LIB譜圖庫自動(dòng)檢索獲得目標(biāo)組分的初步鑒定結(jié)果，再結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)資料進(jìn)行人工譜圖解析，最終確定醬鴨揮發(fā)性成分的化學(xué)組成，采用峰面積歸一法進(jìn)行定量分析，計(jì)算出揮發(fā)性物質(zhì)化學(xué)組分的相對含量，結(jié)果見表4。

由表4可知，在醬鴨中共檢測出60種揮發(fā)性化合物，其中包括酸類13種、酮類3種、醛類10種、烴烯類14種、酯類15種、雜環(huán)類3種、其他類2種。醬鴨的風(fēng)味物質(zhì)主要來源于加工過程中所發(fā)生的氨基酸熱降解反應(yīng)和美拉德反應(yīng)等復(fù)雜反應(yīng)。

3 討 論

3.1 壓力、溫度和時(shí)間對超臨界CO2萃取醬鴨揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)影響顯著。隨著萃取壓力、溫度和時(shí)間的升高，揮發(fā)性風(fēng)味成分的萃取比率在不斷增大，當(dāng)升高到某一值時(shí)，揮發(fā)性成分萃取比率達(dá)到最大；繼續(xù)升高時(shí)，萃取比率又隨之下降。因?yàn)檩腿毫Φ纳呤笴O2密度增加，從而提高對弱極性化合物在超臨界CO2中的溶解性[8]，同時(shí)還會(huì)減少分子間的傳質(zhì)距離，增加溶質(zhì)與溶劑間的傳質(zhì)效率。當(dāng)壓力超過11.5MPa時(shí)，CO2密度較大，增加了脂質(zhì)的萃取，揮發(fā)性成分萃取比率相對降低。同樣萃取溫度達(dá)41℃后揮發(fā)性成分萃取比率顯下降趨勢，主要是當(dāng)體系低溫時(shí)，升溫增加物質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)占主導(dǎo)而利于萃?。划?dāng)體系達(dá)到一定的溫度時(shí)，升溫降低CO2的密度占主導(dǎo)，降低溶質(zhì)在二氧化碳中的傳質(zhì)速度，使物質(zhì)溶解度降低而不利于萃取[9]；此外溫度升高，增加脂質(zhì)的萃取，使揮發(fā)性成分萃取比率也相對降低。同理萃取時(shí)間61min后揮發(fā)性成分萃取比率呈下降趨勢，也可能是因?yàn)椴灰兹芙獾闹|(zhì)萃取比率升高而使揮發(fā)性成分萃取比率相對降低之故。

表4 醬鴨揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)成分Table4 GC-MS identified volatile flavor compounds and their relative contents in sauced duck

3.2 醬鴨風(fēng)味物質(zhì)中的醛類、酮類、酸類等羰基化合物主要來源于鴨肉中的不飽和脂肪酸，在醬鴨制作過程中由于蛋白質(zhì)的水解，導(dǎo)致游離氨基酸含量增加[10]，氨基酸和多肽在較高溫度下熱降解，通過脫氨、脫羧，形成醛、酮等[11]。含硫化合物的形成可能是美拉德反應(yīng)和Strecker反應(yīng)形成的[12]。而雜環(huán)化合物等主要是由于還原糖和氨基酸之間發(fā)生復(fù)雜的美拉德反應(yīng)所產(chǎn)生的化合物[13]。

值得注意的是己醛、E,E-2,4-癸二烯醛、二甲基三硫、2-甲基-3-呋喃硫醇等幾種化合物。己醛具有清香青草氣味，來自ω-6不飽和脂肪酸[14]；E,E-2,4-癸二烯醛具有油炸食品的脂香味[15]，醛類是脂肪降解的主要產(chǎn)物，一般閾值很低，具有脂肪香味，可能構(gòu)成肉品種的特征性風(fēng)味。二甲基三硫化合物是蔥屬植物的特征，F(xiàn)armer[16]認(rèn)為二甲基三硫化合物是由蛋氨酸降解產(chǎn)生的；2-甲基-3-呋喃硫醇具有肉香味，并且這些含硫含氮含氧雜環(huán)化合物在肉中大多以很低的濃度存在，但是它們的閾值非常低并且具有重要的感官特性[17]。因此，醬鴨的風(fēng)味物質(zhì)部分可能來源于加工過程還原糖、氨基酸和脂肪的反應(yīng)產(chǎn)物。

4 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)研究了超臨界二氧化碳萃取醬鴨揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的萃取工藝，并采用超臨界二氧化碳萃取和GC-MS聯(lián)用技術(shù)檢測分析了醬鴨中揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的組成。綜合分析回歸模型確定的超臨界二氧化碳萃取最佳工藝修正參數(shù)為萃取壓力11MPa、溫度41℃、時(shí)間60min，在此條件下的萃取率為83.45%。萃取物中含有醛、酮、酯類、雜環(huán)類等60種成分，這些風(fēng)味化合物主要來源于加工過程中所發(fā)生的氨基酸熱降解反應(yīng)和美拉德反應(yīng)等復(fù)雜反應(yīng)。

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Optimization of Supercritical Carbon Dioxide Extraction of Volatile Components from Sauced Duck Using Response Surface Methodology

WANG Qiang1，DENG Ze-yuan1,*，F(xiàn)AN Ya-wei1，HU Jiang-ning1，LIU Rong1，LI Jing1，ZHAO Li-ping1，DU Jin-ping2
(1. State Key Labortory of Food Science and Technology, Nanchang University, Nanchang 330047, China；2. Hubei Academy of Agricultural Sciences, Wuhan 430064, China)

Response surface methodology (RSM) was employed to optimize the supercritical CO2extraction conditions for volatile components from sauced duck. The effects of extraction pressure, temperature and duration on the ratio between volatile components and total extract were investigated. Results indicated that the ratio between volatile components and total extract was decreased with the increase of extraction temperature and pressure, while the ratio exhibited an initial increase and a final decrease with the increase of extraction time. The optimal extraction pressure, extraction temperature and extraction time were determined to be 11 MPa, 41 ℃ and 60 min, respectively. The ratio between volatile components and total extract was up to 83.45% under these optimal extraction conditions. A total of 60 volatile compounds were identified in extract by GC-MS. Most of these volatile compounds were lipid oxidation and Maillard-reaction products, such as aldehydes, ketones, aliphatic hydrocarbons, aromatic hydrocarbons, esters and heterocyclic compounds.

sauced suck；supercritical carbon dioxide；volatile components

TS207.3

A

1002-6630(2010)20-0187-05

2010-06-29

國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)(水禽)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系資助項(xiàng)目(nycytx-45)

王強(qiáng)(1986—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)槭称房茖W(xué)。E-mail：37109094@163.com

*通信作者：鄧澤元(1963—)，男，教授，博士，研究方向?yàn)橹舅峒疤烊划a(chǎn)物。E-mail：dengzy28@yahoo.com.cn