大蒜風味物質(zhì)超聲制備的工藝優(yōu)化

王 璨,許 楠,曹雁平,王少甲,郭 睿

(北京工商大學化學與環(huán)境工程學院,北京 100048)

大蒜風味物質(zhì)超聲制備的工藝優(yōu)化

王 璨,許 楠,曹雁平＊,王少甲,郭 睿

(北京工商大學化學與環(huán)境工程學院,北京 100048)

采用混合均勻設(shè)計優(yōu)化了非超聲、不同超聲場制備大蒜風味物質(zhì)的工藝,考察了超聲頻率、超聲強度、時間、液料比等因素對大蒜風味物質(zhì)得率的影響。超聲制備最佳工藝條件為雙頻交變超聲 28/40kHz,超聲強度 0.45W·cm-2,時間 20min,液料比 8∶1,制備能力值為 0.061mg·g-1·min-1,相對于非超聲、單頻超聲、雙頻復合超聲制備能力值分別提高了 144.0%、17.3%、84.8%。

混合均勻設(shè)計,超聲頻率,超聲強度,風味物質(zhì)

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新鮮大蒜 山東蒼山;5,5′-二硫代雙 (2-硝基苯甲酸,DTNB)、Hepes Sigma公司;L-半胱氨酸、NaOH 北京化學試劑公司,分析純。

紫外可見分光光度計 Spectrumlab 53 上海棱光技術(shù)有限公司;分析天平 T B-214 Denver Instrument;低溫恒溫槽 DCW-3506 寧波新芝生物科技股份有限公司;JXD-02型超聲處理器 北京金星超聲波設(shè)備技術(shù)有限公司;多功能食品加工機HR7633 PH IL IPS。

1.2 實驗方法

實驗選用新鮮大蒜,搗碎后立即與一定比例的去離子水混合進行實驗,實驗中固定反應(yīng)杯中蒜泥和水的總質(zhì)量為 300g,根據(jù)實驗方案調(diào)整好超聲設(shè)備頻率與功率,實驗系統(tǒng)裝置見圖 1。達到反應(yīng)時間后盡快離心取上清液進行大蒜風味物質(zhì)得率的檢測(每次取三個樣品,每組做兩個平行,濃度變化在 5%以內(nèi)數(shù)據(jù)可用)。

1.2.1 工藝流程 大蒜→去皮→洗凈→搗碎→加水超聲輔助酶解→離心分離(8000r/min、4℃、5min)→上清液→檢測

圖1 組合超聲系統(tǒng)立體圖

1.2.2 大蒜風味物質(zhì)得率的測定 采用比色法測定大蒜風味物質(zhì)的得率[6-7]。取 10mmol/L的半胱氨酸溶液 5mL于試管中,加入 1mL上清液,在 26℃保溫15min后,取 1mL上述反應(yīng)混合液于 100mL容量瓶中,加水至刻度。再取稀釋后的混合液 4.5mL與1.5mmol/L的DTNB溶液 0.5mL在 26℃保溫 15min,于 412nm下測定吸光度 (A);把 1mL上清液換為去離子水,測得原始吸光度(A0)。計算公式如下：

式中：M：大蒜風味物質(zhì)得率,即單位質(zhì)量大蒜產(chǎn)生風味物質(zhì)的質(zhì)量 (mg·g-1);ΔA412：吸光度值之差,即A0-A;β：反應(yīng)液稀釋倍數(shù);Mr：風味物質(zhì)平均分子量,以大蒜素計 (162g·mol-1);α：液料比 (mL·g-1); 2：一分子風味物質(zhì)可以與兩分子 L-半胱氨酸反應(yīng); 14150：摩爾吸光系數(shù) (1cm光徑)。

1.2.3 制備能力值(PA)的確定 為評價不同制備工藝,特提出制備能力值作為評價指標。制備能力值(PA)是指單位時間、單位原料 (大蒜)可以獲得的大蒜風味物質(zhì)的質(zhì)量。計算公式如下：

式中：PA：制備能力值 (mg·g-1·min-1);M：大蒜風味物質(zhì)得率(mg·g-1);t：反應(yīng)時間(min)。

1.2.4 單因素實驗

1.2.4.1 非超聲條件下最佳pH的確定 固定液料比4∶1、時間 30min、溫度 30℃不變,所需去離子水 pH分別取 5.5、6.0、6.5、7.0、7.5,作 pH與大蒜風味物質(zhì)得率的關(guān)系曲線,可得到蒜氨酸酶非超聲條件下的最佳pH。

1.2.4.2 非超聲條件下最佳溫度的確定 固定液料比 4∶1、時間 30min、反應(yīng)所需去離子水 pH6.5不變,溫度分別取 20、25、30、35、40℃,作溫度與大蒜風味物質(zhì)得率的關(guān)系曲線,可得到蒜氨酸酶非超聲條件下的最佳溫度。

1.2.4.3 超聲條件下最佳 pH的確定 固定液料比4∶1、時間 30min、溫度 30℃、超聲頻率 50kHz、超聲強度 0.5W·cm-2不變,所需去離子水 pH分別取 5.5、6.0、6.5、7.0、7.5,作 pH與大蒜風味物質(zhì)得率的關(guān)系曲線,可得到蒜氨酸酶超聲條件下的最佳 pH。

1.2.4.4 超聲條件下最佳溫度的確定 固定液料比4∶1、時間 30min、反應(yīng)所需去離子水 pH6.5、超聲頻率50kHz、超聲強度 0.5W·cm-2不變,溫度分別取 20、25、30、35、40℃,作溫度與大蒜風味物質(zhì)得率的關(guān)系曲線,可得到蒜氨酸酶超聲條件下的最佳溫度。

1.2.5 均勻?qū)嶒灧桨讣敖Y(jié)果 在蒜氨酸酶催化的最佳溫度和最佳 pH下,非超聲、單頻超聲、雙頻組合超聲制備大蒜風味物質(zhì)的混合水平均勻設(shè)計實驗方案和實驗數(shù)據(jù)分別見表 1～表 3。

表1 非超聲實驗方案及實驗數(shù)據(jù)

表 2 單頻超聲實驗方案及實驗數(shù)據(jù)

1.2.6 各因素對大蒜風味物質(zhì)得率影響程度的評價利用 DPS軟件[8]中的偏最小二乘法處理實驗數(shù)據(jù),通過標準化回歸系數(shù) (SRC)無量綱地比較各因素對制備大蒜風味物質(zhì)影響的程度,SRC評價標準見表4。

表4 使用標準化回歸系數(shù)評價各因素對制備工藝影響的標準

2 結(jié)果與討論

2.1 非超聲、超聲制備大蒜風味物質(zhì)最佳溫度與最佳pH的確定

表 3 雙頻組合超聲實驗方案及實驗數(shù)據(jù)

由圖2和圖3可知,超聲條件下內(nèi)源蒜氨酸酶催化的最佳溫度和最佳 pH與非超聲條件下相同,最佳溫度 35℃,最佳 pH6.5。

圖 2 溫度對大蒜風味物質(zhì)得率的影響

圖3 pH對大蒜風味物質(zhì)得率的影響

2.2 各因素對非超聲制備大蒜風味物質(zhì)工藝的影響

利用偏最小二乘法處理實驗數(shù)據(jù),通過標準化回歸系數(shù)無量綱比較非超聲制備中各單因素及復合因素對大蒜風味物質(zhì)的影響程度。由圖 4可以看出,在非超聲制備中,液料比對實驗結(jié)果影響比較顯著,為正相關(guān),說明液料比越大越有利于提高制備效果;在時間-液料比雙因素共同作用中,復合因素對實驗結(jié)果影響不明顯。根據(jù)優(yōu)化得到的非超聲條件下各個考察指標的最佳條件和最佳條件下大蒜風味物質(zhì)得率如表5所示。

2.3 各因素對單頻超聲制備大蒜風味物質(zhì)工藝的影響

圖 4 非超聲制備大蒜風味物質(zhì)得率的標準化回歸系數(shù)注：1：X1時間;2：X2液料比;3：X1X2。

利用偏最小二乘法處理實驗數(shù)據(jù),通過標準化回歸系數(shù)無量綱比較單頻超聲制備中各單因素及復合因素對大蒜風味物質(zhì)的影響程度。由圖 5可以看出,在單頻超聲制備中,超聲頻率對實驗結(jié)果影響為負相關(guān),說明較低的超聲頻率有利于提高實驗效果;液料比對實驗結(jié)果影響比較顯著,為正相關(guān),說明液料比越大越有利于提高實驗效果,與非超聲制備的趨勢一致;超聲強度和時間對實驗結(jié)果影響雖然為正相關(guān),但影響并不明顯,說明超聲強度和時間并不是越大越好,適當超聲強度和時間有利于提高實驗效果;在雙因素共同作用中,各復合因素對實驗結(jié)果影響均不明顯。根據(jù)優(yōu)化得到的單頻超聲條件下各個考察指標的最佳條件和最佳條件下大蒜風味物質(zhì)得率如表 5所示。

圖 5 單頻超聲制備大蒜風味物質(zhì)得率的標準化回歸系數(shù)注：1：X1超聲頻率;2：X2超聲強度;3：X3液料比; 4：X4時間;5：X1X2;6：X1X3;7：X1X4; 8：X2X3;9：X2X4;10：X3X4;圖 6、圖 7同。

2.4 各因素對雙頻復合超聲制備大蒜風味物質(zhì)工藝的影響

利用偏最小二乘法處理實驗數(shù)據(jù),通過標準化回歸系數(shù)無量綱比較雙頻復合超聲制備中各單因素及復合因素對大蒜風味物質(zhì)的影響程度。由圖 6可以看出,在雙頻復合超聲制備中,液料比對實驗結(jié)果影響比較顯著,為正相關(guān),說明液料比越大越有利于提高實驗效果,趨勢與非超聲和單頻相同;超聲強度和時間對實驗結(jié)果影響雖然為正相關(guān),但影響并不明顯,說明超聲強度和時間并不是越大越好,適當超聲強度和時間有利于提高實驗效果,趨勢與單頻超聲一致;在雙因素共同作用中,超聲強度-時間對實驗結(jié)果的影響比較顯著,為負相關(guān),說明并不是超聲強度越大、時間越長對實驗結(jié)果越好,這也與單因素對實驗結(jié)果的影響一致。根據(jù)優(yōu)化得到的雙頻復合超聲條件下各個考察指標的最佳條件和最佳條件下大蒜風味物質(zhì)得率如表 5所示。

表 5 不同制備方法最優(yōu)工藝的比較

圖6 雙頻復合超聲制備大蒜風味物質(zhì)得率的標準化回歸系數(shù)

2.5 各因素對雙頻交變超聲制備大蒜風味物質(zhì)工藝的影響

利用偏最小二乘法處理實驗數(shù)據(jù),通過標準化回歸系數(shù)無量綱的比較雙頻交變超聲制備中各單因素及復合因素對大蒜風味物質(zhì)的影響程度。由圖 7可以看出,在雙頻交變超聲制備中,液料比對實驗結(jié)果影響比較顯著,為正相關(guān),說明液料比越大越有利于提高實驗效果,趨勢與前面保持一致;超聲強度和超聲頻率對實驗結(jié)果影響雖然為正相關(guān),但影響并不明顯,說明超聲強度和超聲頻率并不是越大越好,適當超聲強度和超聲頻率有利于提高實驗效果;時間對實驗結(jié)果影響為負相關(guān),說明較短的時間有利于提高實驗效果;在雙因素共同作用中,超聲強度-時間對實驗結(jié)果的影響比較顯著,為負相關(guān),說明并不是超聲強度越大、時間越長對實驗結(jié)果越好,這也與雙頻復合制備的趨勢一致。根據(jù)優(yōu)化得到的雙頻交變超聲條件下各個考察指標的最佳條件和最佳條件下大蒜風味物質(zhì)得率如表 5所示。

圖 7 雙頻交變超聲制備大蒜風味物質(zhì)得率的標準化回歸系數(shù)

2.6 最優(yōu)工藝對比

由表 5可以看出,超聲制備的時間均比非超聲短,可以解釋為超聲能夠加速酶促反應(yīng)速率,從而加速大蒜風味物質(zhì)的生成速率,證明適當?shù)某曨l率和超聲強度能夠提高蒜氨酸酶的活性。雙頻交變超聲條件下的制備能力值最高,為 0.061mg·g-1·min-1,相對于非超聲、單頻超聲和雙頻復合超聲條件下的制備能力值分別提高了 144.0%、17.3%、84.8%。

3 結(jié)論

3.1 非超聲條件下內(nèi)源蒜氨酸酶催化的最佳溫度和最佳 pH與超聲條件下相同,最佳溫度 35℃,最佳pH6.5。

3.2 液料比對實驗結(jié)果影響比較顯著,且為正相關(guān);實驗中并不是超聲頻率、超聲強度和時間越大越好,適當?shù)某曨l率、超聲強度和時間有利于提高制備效果。

3.3 不同超聲輔助方法制備大蒜風味物質(zhì)的制備能力值排序為：雙頻交變超聲 ＞單頻超聲 ＞雙頻復合超聲。

3.4 優(yōu)化的工藝條件是：雙頻交變超聲 28/40kHz,超聲強度 0.45W·cm-2,酶解時間 20min,液料比8∶1,提取能力值為 0.061mg·g-1·min-1,相對于非超聲、單頻超聲、雙頻復合超聲制備能力值分別提高了144.0%、17.3%、84.8%。

3.5 超聲能夠加速大蒜風味物質(zhì)的生成速率,縮短反應(yīng)時間,超聲輔助制備大蒜風味物質(zhì)的工藝有明顯的技術(shù)優(yōu)勢,有工業(yè)推廣價值。

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Opt im ization for preparation process of flavor compounds in garlic by ultrasound

WANG Can,XU Nan,CAO Yan-ping＊,WANG Shao-jia,GUO Rui
(College of Chemistry and Environment Engineering,Beijing Technology and BusinessUniversity,Beijing 100048,China)

A hyb irl and uniform des ign was used to op t im ize the p rocess for trad itiona l m e thod and ultrasoundenhanced technology of flavor comp ounds in ga rlic.The effec ts of ultrasonic frequency,ultrasonic intens ity,t im e and liquid-to-solid ra te on yie ld of flavor comp ounds in ga rlic we re inves tiga ted.The op t im um cond itions we re ob ta ined as follows：dua l-frequency a lte rnant28/40kHz,ultrasonic intens ity0.45W·cm-2,reac tion t im e20m in, liquid-to-solid ra te8∶1.Unde r these cond itions,p rep a ra tion ab ility(PA)was0.061m g·g-1·m in-1.PA of dua lfrequency a lte rnantwas inc reased by144.0%、17.3%、84.8%sep a ra te ly,in comp a rison w ith the trad itiona lm e thod, s ing le frequency and dua l-frequency.

hyb ril and uniform des ign;ultrasonic frequency;ultrasonic intens ity;flavor comp ounds

TS255.1

A

1002-0306(2010)04-0080-05

大蒜 (百合科植物 A llium L.的鱗莖)是傳統(tǒng)的食品調(diào)味用辛香料,現(xiàn)已證明它具有抗菌、抗病毒、抗血栓、降壓降脂、抗氧化、提高機體免疫等功能[1],其主要的生物活性物質(zhì)是大蒜中的蒜氨酸和內(nèi)源蒜氨酸酶反應(yīng)生成的含硫有機化合物,包括大蒜素(allicin)、烯丙基二硫化物、烯丙基三硫化物等幾十種成分[2-3],也是大蒜的風味物質(zhì)。超聲波是物質(zhì)介質(zhì)中的一種彈性機械波,作為一種物理的能量形式,在食品、生物、化工等行業(yè)有廣泛的應(yīng)用。邱樹毅等[4]研究發(fā)現(xiàn)超聲處理可使固定化脂肪酶的酯交換反應(yīng)速度提高 3～4倍。高大維等[5]研究超聲波對固定化糖化酶催化水解淀粉的作用,結(jié)果表明,超聲波使固定化酶的酶活力提高兩倍多,而不改變其 pH和溫度特性。顯然,利用超聲強化大蒜所含內(nèi)源蒜氨酸酶活性,提高大蒜風味物質(zhì)得率,是有價值和意義的。實驗采用混合水平均勻設(shè)計的方法優(yōu)化不同的超聲場條件下制備大蒜風味物質(zhì)的工藝,考察了各因素對大蒜風味物質(zhì)得率的影響,并用制備能力值評價不同工藝。

2009-09-16 ＊通訊聯(lián)系人

王璨 (1984-),男,碩士研究生,研究方向：植物資源綜合利用。

國家 863高技術(shù)研究發(fā)展項目(2007AA10Z306)資助。