番茄紅素中丙酮產(chǎn)生的影響因素及控制措施探討

張曉芳,楊清山,栗 星,周 麗,連運河,鐵曉威

(1.河北省天然色素工程技術(shù)研究中心,河北邯鄲 057250;2.晨光生物科技集團股份有限公司,河北邯鄲 057250;3.歐陸分析科技集團,江蘇蘇州 215000)

番茄紅素中丙酮產(chǎn)生的影響因素及控制措施探討

張曉芳1,2,楊清山1,2,栗 星1,2,周 麗1,2,連運河1,2,鐵曉威3

(1.河北省天然色素工程技術(shù)研究中心,河北邯鄲 057250;2.晨光生物科技集團股份有限公司,河北邯鄲 057250;3.歐陸分析科技集團,江蘇蘇州 215000)

利用頂空氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用對番茄紅素揮發(fā)性物質(zhì)的成分進行定性分析,建立了頂空氣相色譜法檢測番茄紅素中丙酮的方法,該方法簡單便捷,準確性高。以丙酮的含量變化為依據(jù),考察氧氣、放置溫度及光照等因素對番茄紅素中丙酮殘留量的影響。結(jié)果表明:在番茄紅素存儲過程中采取抽真空隔絕氧氣、控溫5 ℃以內(nèi)及避光放置的措施,可有效將番茄紅素中丙酮的殘留量控制在50 mg/kg以內(nèi)。

番茄紅素,丙酮,影響因素,控制措施

番茄紅素是以番茄醬和番茄皮渣為原料,經(jīng)萃取、分離和精制得到的一種植物提取物,屬于類胡蘿卜素的一種,它是目前自然界中被發(fā)現(xiàn)的最強的抗氧化劑之一[1-3],其抗氧化能力是VE的100倍,具有預防前列腺炎、預防和抑制腫瘤、提高免疫力和延緩衰老、預防心血管疾病等功能[4-9]。番茄紅素已經(jīng)被世界糧農(nóng)組織/世界衛(wèi)生組織(FAO/WHO)及聯(lián)合國食品添加聯(lián)合專家委員會(JECFA)認定為A類營養(yǎng)素,在保健品、食品和化妝品行業(yè)有著廣泛的應用[10-12]。

番茄紅素具有強抗氧化能力,在加工和存放過程中,易發(fā)生氧化降解和異構(gòu)化,降解產(chǎn)物為醛酮類化合物[13]。番茄紅素降解和異構(gòu)化不僅使產(chǎn)品營養(yǎng)價值降低,而且部分降解產(chǎn)物對人體有毒害作用[14-15]。

頂空氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)在未知揮發(fā)物中分析和鑒別已經(jīng)得到了廣泛應用[16-20],本文通過頂空氣相色譜-質(zhì)譜定性研究發(fā)現(xiàn)番茄紅素有丙酮的存在。在番茄紅素的生產(chǎn)過程中是不使用丙酮溶劑的,丙酮的發(fā)現(xiàn)使我們對番茄紅素的結(jié)構(gòu)有更深層次的認識。已有多名學者對丙酮產(chǎn)生的機理和來源進行過研究,張連富[14]指出番茄紅素在存放過程中會發(fā)生氧化降解產(chǎn)生丙酮等產(chǎn)物,趙小皖[15]研究也發(fā)現(xiàn)番茄紅素降解產(chǎn)物含有酮類、醛類、烯烴類和呋喃類等物質(zhì),但對于丙酮的產(chǎn)生影響因素和控制措施方面卻沒有研究。

國標對番茄紅素中正己烷及乙酸乙酯殘留量限量為50 mg/kg[21],但對于丙酮殘留量沒有要求。然而國外高端客戶對番茄紅素的丙酮限量提出了明確要求,為200 mg/kg,由此帶來的貿(mào)易壁壘已經(jīng)影響了國內(nèi)番茄紅素行業(yè)的健康發(fā)展。

本文采用頂空氣相色譜法定量檢測番茄紅素中丙酮殘留量,分別考察了氧氣、光照及溫度對番茄紅素中丙酮產(chǎn)生的影響情況,并結(jié)合實際生產(chǎn)確定了能夠保證該指標符合要求的生產(chǎn)工藝及存儲方式,為提高番茄紅素產(chǎn)品品質(zhì)、保障番茄紅素類消費品的食品安全提供幫助。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

丙酮 色譜純,賽默飛世爾;N、N-二甲基甲酰胺(DMF) 色譜純,Cleman Chemical;番茄紅素樣品 晨光生物科技集團股份有限公司。

Agilent 7890A-7000B型氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀 美國Agilent公司,配有Agilent 7697A全自動頂空進樣器;HP-5 MS毛細管柱 30 m×0.25 mm×0.25 μm,美國Agilent公司;GC-2010 Plus氣相色譜儀 配FID檢測器,日本島津制作所;OPTIMA-WAX毛細管柱(30 m×0.32 mm×0.25 μm) 德國MACHEREY-NAGEL公司;TH-300B超聲清洗儀 濟寧天華超聲電子儀器公司。

1.2 標準溶液的制備

精確稱取丙酮0.1000 g(精確至0.0001 g)于100 mL容量瓶中,用DMF稀釋溶解至刻度,充分搖勻。置于4 ℃冰箱密封保存,作為標準儲備液。準確吸取上述儲備液0.3 mL于20 mL頂空瓶中,加入4.7 mL DMF,得到濃度60 mg/L的標準工作液。分別吸取0.05、0.1、0.5、1、2、5 mL的儲備液,用DMF補足至5 mL,得到10～1000 mg/L的標準曲線梯度液。

1.3 儀器分析條件

1.3.1 頂空進樣氣相色譜條件 使用OPTIMA-WAX毛細管柱,設定初始柱溫40 ℃,保持3 min;以3.5 ℃/min的速率升至65 ℃,保持1 min;再以20 ℃/min的速率升至220 ℃,保持5 min。載氣為高純氮氣(>99.999%),載氣流量為3.0 mL/min。分流比35∶1,進樣量1 mL。進樣口溫度220 ℃,檢測器溫度238 ℃。頂空瓶溫80 ℃,定量環(huán)溫度85 ℃,傳輸線溫度100 ℃;頂空瓶平衡時間40 min,氣相循環(huán)時間30 min。

1.3.2 頂空氣相色譜-質(zhì)譜條件 使用HP-5 MS毛細管柱,初始柱溫40 ℃,保持3 min;以3.5 ℃/min的速率升至65 ℃,保持1 min;再以20 ℃/min的速率升至220 ℃,保持5 min。載氣為高純氦氣(>99.999%),載氣流速為3.0 mL/min。分流比30∶1,進樣量1 mL。進樣口溫度240 ℃;轉(zhuǎn)接線溫度280 ℃;電離方式EI;電子能量70 eV;離子源溫度230 ℃;四級桿溫度150 ℃;掃描范圍m/z 20～450,采集方式為單離子掃描和全掃描結(jié)合的模式。

1.4 實驗步驟

1.4.1 前處理 精密稱定番茄紅素樣品0.5000 g置于20 mL棕色頂空瓶中,準確加入5 mL DMF,加蓋密封,超聲溶解后混合均勻,在30 min內(nèi)進行檢測。

1.4.2 定量測定 按照確定的頂空氣相色譜條件,采用單點定量法對番茄紅素中丙酮殘留進行定量分析。

1.4.3 定性分析 按照確定的頂空氣相色譜-質(zhì)譜條件進行檢測,將番茄紅素中揮發(fā)性物質(zhì)的質(zhì)譜圖同標準譜庫(NIST 2008)進行對比,對番茄紅素中的揮發(fā)性成分進行定性分析。

1.5 番茄紅素中丙酮檢測方法驗證

1.5.1 線性范圍和檢出限 將1.2制備的標準曲線梯度液,按照1.3.1儀器參數(shù)條件進行檢測,確定方法線性范圍及檢出限。

1.5.2 方法回收率和精密度 準確稱取0.500 g番茄紅素樣品于頂空瓶中,分別加入含有5、50、200 μg的DMF 5 mL,驗證加標回收率;每個濃度重復檢測6次,驗證檢測精密度。

1.6 不同因素對番茄紅素中丙酮的影響

選取同一份番茄紅素樣品,分別考察空氣、光照和溫度條件對番茄紅素放置過程中丙酮含量的影響情況。

1.6.1 空氣的影響 將混合均勻的番茄紅素使用鋁箔袋分裝出7份,每份10 g左右,其中6份采用真空包裝,剩余1份敞口放置,所有樣品均在避光條件下25 ℃左右放置。分裝前檢測樣品中的丙酮含量作為原始值,每天檢測敞口放置的樣品,每天檢測1份真空包裝的樣品,連續(xù)檢測7 d。

1.6.2 光照的影響 將混合均勻的番茄紅素使用鋁箔袋和透明塑料袋各分裝出6份,每份10 g左右,采用真空包裝,白天分別置于自然光照及避光環(huán)境下進行對照,晚上均放置于避光環(huán)境中,控制溫度25 ℃左右。分裝前檢測樣品中的丙酮含量作為原始值,以實際光照的時間記錄實驗時間,每隔4 h分別檢測兩個樣品中丙酮含量,連續(xù)檢測6次。

1.6.3 溫度的影響 將混合均勻的番茄紅素樣品使用鋁箔袋分裝12份,每份10 g左右,采用真空包裝。將樣品分成3組,每組4份,分別置于5 ℃(冷藏庫條件)、20 ℃(室溫條件)和35 ℃(高溫條件)條件下避光放置。分裝前檢測樣品中的丙酮含量作為原始值,每隔2 d檢測不同溫度存放的樣品1份,連續(xù)檢測4次。

1.7 番茄紅素生產(chǎn)工藝驗證

根據(jù)番茄紅素實際的生產(chǎn)工藝,見圖1,對番茄紅素生產(chǎn)加工過程中的各個環(huán)節(jié)進行取樣檢測,并對最終的成品每隔15 d檢測一次,連續(xù)檢測6次。

圖1 番茄紅素調(diào)配工藝流程圖Fig.1 The process flow diagram of lycopene production

2 結(jié)果與分析

2.1 番茄紅素中丙酮的定性鑒定

按照確定的儀器參數(shù)條件及樣品處理方法,得到了番茄紅素樣品中揮發(fā)性成分的全掃描總離子流圖和質(zhì)譜圖。通過對比丙酮標樣及標準譜庫(丙酮的特征離子為m/z 27、m/z 43和m/z 58),確定了番茄紅素中揮發(fā)性成分中確實存在丙酮成分。

圖2 番茄紅素中揮發(fā)性物質(zhì)的總離子流圖和丙酮質(zhì)譜圖Fig.2 The total ion chromatography of volatile substances in lycopene and the mass spectrum of acetone

2.2 番茄紅素中丙酮的定量測定

2.2.1 線性范圍和檢出限 以峰面積對應質(zhì)量濃度繪制標準曲線,結(jié)果表明:方法在10～1000 mg/kg范圍內(nèi)有較好的線性,線性方程為y=33.768 x+373.77,相關(guān)系數(shù)R2=0.9989。通過稀釋標準溶液,根據(jù)S/N=3確定丙酮的儀器檢出限為1 mg/kg,方法檢出限為10 mg/kg。

2.2.2 方法回收率和精密度 分析加標回收率及精密度數(shù)據(jù),結(jié)果表明:番茄紅素中丙酮檢測的加標回收率為90.1%～104.6%,檢測精密度RSD≤3.0%,說明該方法檢測準確性較高。具體結(jié)果見表1。

表1 加標回收率與精密度測試結(jié)果Table 1 Test results of recoveries and precisions

2.3 番茄紅素中丙酮產(chǎn)生的影響因素

2.3.1 氧氣對番茄紅素中丙酮的影響 將番茄紅素放置于裸露空氣、真空兩種條件下,其丙酮含量變化見圖3。

圖3 氧氣對番茄紅素中丙酮產(chǎn)生的影響Fig.3 Effect of oxygen on acetone of lycopene

番茄紅素是具有13個雙鍵的不飽和烯烴,對氧氣的敏感程度很高,易與氧氣結(jié)合發(fā)生氧化降解。在裸露空氣、抽真空兩種條件下存放,丙酮的釋放量也存在較大的差異,特別是裸露空氣存放,丙酮含量成倍數(shù)的增加。因此,在生產(chǎn)、包裝和存儲過程中,對番茄紅素進行抽真空隔絕空氣處理,能夠抑制番茄紅素發(fā)生降解,進而控制丙酮釋放量在一定范圍內(nèi)。

2.3.2 光照對番茄紅素中丙酮產(chǎn)生的影響 設置不同的光照條件,實驗番茄紅素中丙酮的含量變化,結(jié)果見圖4。

圖4 光照對番茄紅素中丙酮的影響Fig.4 Effect of illumination on acetone of lycopene

番茄紅素在光照的條件下,先氧化后降解為小分子量的化合物,而且光照條件下,番茄紅素氧化降解和異構(gòu)化是同時發(fā)生的。番茄紅素在光照條件和避光放置的前12 h時間里,丙酮含量均呈較快的上升趨勢,避光放置的樣品在12 h后趨于穩(wěn)定,而光照條件下的樣品在16 h后才能趨于穩(wěn)定。從整體上看,光照條件下的丙酮含量水平要遠高于避光條件,說明光照會加速番茄紅素中丙酮的產(chǎn)生。因此,在生產(chǎn)、包裝和存儲過程中,對番茄紅素進行避光措施,延緩番茄紅素的降解和異構(gòu)化,可控制產(chǎn)品中的丙酮限量。

2.3.3 溫度對番茄紅素中丙酮產(chǎn)生的影響 根據(jù)實際生產(chǎn)過程的條件設置不同的溫度條件5、20、35 ℃,實驗番茄紅素中丙酮的變化,結(jié)果見圖5。

圖5 溫度對番茄紅素中丙酮產(chǎn)生的影響Fig.5 Effect of temperature on acetone of lycopene

番茄紅素的熱氧化降解[15]符合一級動力學模型,溫度越高降解越快,而且番茄紅素先異構(gòu)化再降解。在避光隔氧的情況下,隨著放置時間的延長,不同溫度下的番茄紅素樣品均存在丙酮上升的現(xiàn)象。其中,5 ℃條件下放置的番茄紅素穩(wěn)定性最好,放置8 d后丙酮含量增長50%左右,并趨于穩(wěn)定;35 ℃條件下放置的番茄紅素穩(wěn)定性最差,放置10 d后丙酮含量增長200%,且仍有上升趨勢。因此,溫度的升高會加速番茄紅素中丙酮的產(chǎn)生,在番茄紅素存儲和運輸過程中,應盡量保持較低的溫度,能夠延緩番茄紅素發(fā)生降解產(chǎn)生丙酮。

2.4 番茄紅素生產(chǎn)應用效果分析

根據(jù)以上實驗結(jié)論,確定了氧氣、溫度和光照等因素對番茄紅素中丙酮產(chǎn)生的影響情況,結(jié)合生產(chǎn)實際情況,對各個工段及倉庫存儲過程中樣品進行丙酮含量監(jiān)測,得到丙酮變化規(guī)律見圖6。

圖6 番茄紅素生產(chǎn)存儲過程中丙酮變化情況Fig.6 The change of acetone during production storage in lycopene

番茄紅素粗品外觀和均勻性較差,必須經(jīng)歷粉碎混勻的過程才能得到成品,在此過程中由于產(chǎn)品與空氣的充分接觸、粉碎時的高溫影響,造成了大量丙酮的產(chǎn)生,丙酮含量甚至提升40倍以上。采用真空干燥工藝,有效地實現(xiàn)了番茄紅素中丙酮的去除,丙酮含量降低至10 mg/kg的水平。為了防止丙酮的產(chǎn)生,對最終成品采取了真空、低溫和避光等措施的包裝條件,實現(xiàn)了產(chǎn)品中的丙酮含量有效控制。采取控制措施后的番茄紅素產(chǎn)品存放3個月,丙酮含量從10.3 mg/kg上升至26.1 mg/kg,能夠控制在50 mg/kg以內(nèi),符合國外高端客戶要求的200 mg/kg限量要求。

3 結(jié)論

本文通過實驗,確定了采取真空包裝、避光和低溫存放等措施能夠有效地抑制番茄紅素中丙酮的產(chǎn)生,并且運用到實際的生產(chǎn)過程中,生產(chǎn)出滿足市場需求的高端番茄紅素產(chǎn)品。研究中確定丙酮是番茄紅素遇到外部環(huán)境條件變化后自然降解的產(chǎn)物,本文為引導國家監(jiān)督檢測部門正確客觀制定番茄紅素中溶劑殘留的行業(yè)標準提供理論基礎,同時對于生產(chǎn)企業(yè)研究更簡單、更便捷的措施以控制番茄紅素中丙酮的產(chǎn)生提供方向。

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Discussion on the influence factors and control measures of acetone in lycopene

ZHANG Xiao-fang1,2,*,YANG Qing-shan1,2,LI Xing1,2,
ZHOU Li1,2,LIAN Yun-he1,2,TIE Xiao-wei3

(1.Hebei Engineering Technology Research Center of Natural Pigments,Handan 057250,China; 2.Chenguang Biotech Group Co.，Ltd.,Handan 057250,China; 3.Eurofins Scientific Group,Suzhou 215000,China)

Headspace gas chromatography-mass spectrum was used to analyse the components of volatile compounds in lycopene qualitatively,and a method for the determination of the residue amount of acetone in lycopene by headspace gas chromatography was established. The method was convenient,and the result was accurate. Take the content of acetone as evidence,the effect of oxygen,temperature and light on the release of acetone from lycopene were inspected. The results showed that vacuum,low temperature under 5 ℃ and dark conditions during the production and storage,could control the residue amounts of acetone from lycopene within 50 mg/kg.

kycopene;acetone;influence factors;control measures

2016-11-01

張曉芳(1986-)，女，大學本科，工程師，主要從事天然產(chǎn)物方面的研究，E-mail:zhangxiaofang3737@126.com。

國家國際科技合作專項(2014DFA31220)。

TS202.3

B

1002-0306(2017)08-0272-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.08.044