基于主成分分析法綜合評(píng)價(jià)四種干燥方式對(duì)蕪菁脆片香氣品質(zhì)的影響

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(1.遼寧大學(xué)輕型產(chǎn)業(yè)學(xué)院,遼寧沈陽 110036;2.遼寧行政學(xué)院,遼寧沈陽 110061;3.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所,江蘇南京 210014)

蕪菁(BrassicarapaL.)別名蔓菁,是十字花科,蕓薹屬蕓薹種,能形成肉質(zhì)根的2年生草本植物,歐洲、美洲和亞洲均有種植[1]。在中國,蕪菁是我國少數(shù)民族地區(qū)常見的藥食兩用植物[2]。中醫(yī)認(rèn)為,蕪菁味甘、辛、苦,性溫,無毒;具有開胃消食,下氣寬中,止咳化痰,利濕解毒,溫和脾胃之功效。對(duì)治療寒積腹痛、食欲不振、食積不化、黃疽、乳癰以及皮膚癤腫等癥效果顯著[3],其還具有一定抗氧化、降血糖及提高缺氧耐受性的作用[4-5]。

因?yàn)槭忀季哂袕?qiáng)烈的芥辣味,對(duì)于大多數(shù)人不容易接受,所以可以將蕪菁進(jìn)行加工處理、改善風(fēng)味,使其更為廣大消費(fèi)者所接受。而近年來發(fā)展起來的果蔬脆片是一種受國內(nèi)外消費(fèi)者青睞的休閑食品[6]。為了開發(fā)更多的蕪菁食品的種類,將蕪菁進(jìn)行干制加工,制成蕪菁脆片,為蕪菁脆片的加工提供理論和實(shí)踐依據(jù)。近年來,真空冷凍干燥(freeze drying,FD)、變溫壓差膨化干燥(explosion puffing drying,EPD)、紅外干燥(infrared drying,ID)等現(xiàn)代干制技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用,已經(jīng)在芒果脆片[7]、香蕉脆片[8]、蘋果脆片[9-10]和紅薯脆片等[11]休閑食品上得以應(yīng)用,但其對(duì)蕪菁脆片的加工質(zhì)量的影響鮮有報(bào)道。

香氣成分是影響果蔬制品加工風(fēng)味品質(zhì)的重要因素之一[12]。盡管已有文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)了鮮蕪菁[1]、蕪菁子[13]和蕪菁花朵[14]的香氣構(gòu)成,但蕪菁加工制品,尤其是其干制產(chǎn)品的香氣還未見報(bào)道,而在干制加工過程中,揮發(fā)性芳香物質(zhì)容易損失和變化,因此不同干制方式制得的產(chǎn)品,其香氣成分也存在著極大地差異[15-16]。因而,本實(shí)驗(yàn)采用FD、EPD、ID和AD共4種干燥方式對(duì)蕪菁進(jìn)行干制處理,運(yùn)用頂空固相微萃取-氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用法(HS-SPME-GC-MS)技術(shù)對(duì)4種蕪菁脆片的風(fēng)味成分進(jìn)行分析鑒別,并且采用SPSS軟件進(jìn)行主成分分析(PCA),構(gòu)造蕪菁脆片香氣品質(zhì)的評(píng)價(jià)模型以及主成分得分分布圖來對(duì)其香氣結(jié)果進(jìn)行分析,旨為蕪菁脆片的加工提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

材料:蕪菁(BrassicarapaL.)[17]選用其肉質(zhì)根;產(chǎn)地:四川大涼山;采集日期2017年11月;氯化鈉、檸檬酸、蔗糖 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

GZX-9.76MBE型電熱鼓風(fēng)干燥機(jī) 上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備;SCIENTEZ-10N型冷凍干燥機(jī) 寧波新芝生物科技股份有限公司;HW-0紅外干燥箱 天津市順諾儀器科技有限公司;QDPH10-1型果蔬膨化干燥機(jī) 天津勤德新材料科技有限公司;TSQ 8000 EVO型氣相色譜串聯(lián)質(zhì)譜分析儀 賽默飛世爾科技公司;手動(dòng)進(jìn)樣手柄、萃取針 (CAR/PDMS,75 μm) 美國supelco公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 蕪菁脆片的干燥 蕪菁經(jīng)清洗、去皮、切片(5 cm×4 cm×4 mm)、于100 ℃的1.5%氯化鈉和0.2%檸檬酸混合溶液中熱燙1 min、冷卻10 min至室溫、于20 ℃的20%蔗糖溶液浸泡1 h(料液比1∶3)、然后-18 ℃預(yù)凍12 h。參考李寶玉[18]等和沈靜[19]等進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)并選擇最優(yōu)條件進(jìn)行干燥操作,將最終得到蕪菁脆片封入自封袋,于干燥器中室溫保存。

FD工藝參數(shù):真空度恒定為60 Pa,冷阱表面溫度設(shè)置為-40～-45 ℃,干燥時(shí)間14 h,最終含水率5.63%。

EPD工藝參數(shù):膨化溫度80～85 ℃,壓力差0.3 MPa,保持5～10 min;抽空溫度70～75 ℃,抽空時(shí)間90 min,總干燥時(shí)間195 min,最終含水率5.51%。

ID工藝參數(shù):真空度0.025～0.03 MPa,溫度70 ℃,干燥時(shí)間240 min,最終含水率4.86%。

AD工藝參數(shù):風(fēng)速2.3 m/s,溫度70 ℃,干燥時(shí)間120 min,最終含水率4.92%。

1.2.2 香氣成分的測(cè)定方法

1.2.2.1 香氣成分提取 將干燥好的蕪菁脆片粉碎,取2 g粉末[20]轉(zhuǎn)移到用羧基-聚二甲基硅氧烷(CAR/PDMS,75 μm)纖維制成的4 mL SPME小瓶中。將小瓶放在50 ℃水浴鍋中加熱平衡20 min,再將萃取針頭插入小瓶中上1/3處,用手柄將石英纖維頭推出,暴露至樣品瓶頂空氣體中,50 ℃萃取60 min,用手柄將纖維頭推回針頭內(nèi),將萃取針頭拔出,插入GC-MS進(jìn)樣器中,于250 ℃解吸2 min,同時(shí)啟動(dòng)儀器進(jìn)行GC-MS檢測(cè)。參考蔡倩等[21]的方法進(jìn)行色譜與質(zhì)譜的測(cè)定。

1.2.2.2 色譜條件 色譜柱:TG-5MS毛細(xì)管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm);載氣:氦氣;流量:1 mL/min,不分流進(jìn)樣。程序升溫:起始溫度40 ℃,保持3 min,以3 ℃/min升溫速度升至80 ℃,保留1 min,再以5 ℃/min的速率升至150 ℃,保持1 min,再以10 ℃/min的速率升至280 ℃,保持2 min。

1.2.2.3 質(zhì)譜條件 離子源:電子轟擊電離(EI),電子能量:70 eV,離子源溫度:300 ℃,接口溫度:280 ℃,傳輸線溫度:300 ℃,四級(jí)桿溫度:280 ℃,掃描質(zhì)量范圍33～800 m/z。

1.2.2.4 香氣成分定性定量方法 定性:經(jīng)過GC-MS所帶的NIST圖譜庫和Willey圖譜庫對(duì)蕪菁脆片揮發(fā)性風(fēng)味成分進(jìn)行解析,確認(rèn)揮發(fā)性風(fēng)味成分的各化學(xué)組成,選擇正反匹配度均大于800(最大值1000)的成分作為鑒定結(jié)果。定量:采用圖譜庫工作站數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)按峰面積歸一化法進(jìn)行定量分析[22],求得各化學(xué)成分在揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)中的相對(duì)含量。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SPSS 23.0數(shù)據(jù)處理軟件,對(duì)風(fēng)味成分進(jìn)行主成分分析。將數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后,以蕪菁脆片所檢測(cè)出的風(fēng)味成分的相對(duì)含量矩陣為指標(biāo),用SPSS對(duì)其進(jìn)行主成分分析,得出主成分的特征根及特征向量,以風(fēng)味物質(zhì)累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到98%以上為標(biāo)準(zhǔn),確定主成分個(gè)數(shù)以及每個(gè)主成分所反映的因子。依據(jù)主成分特征向量和主成分的方差貢獻(xiàn)率得出蕪菁脆片風(fēng)味品質(zhì)的評(píng)價(jià)模型,根據(jù)該模型計(jì)算出不同干制方式所得蕪菁脆片風(fēng)味品質(zhì)的綜合得分及相關(guān)得分分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同干燥處理的蕪菁脆片總離子流圖

采用HS-SPME-GC-MS技術(shù)對(duì)蕪菁脆片的風(fēng)味成分進(jìn)行檢測(cè),然后在質(zhì)譜庫中進(jìn)行檢索分析,得到不同干燥處理的蕪菁脆片風(fēng)味物質(zhì)種類及其相對(duì)含量,總離子流圖見圖1。

圖1 FD(A),EPD(B),ID(C)與AD(D)脆片香氣總離子流圖Fig.1 Total ion chromatograms of aroma compounds in FD(A),EPD(B),ID(C)and AD(D)dried chips

2.2 不同干制處理的蕪菁脆片香氣成分種類及其含量

由表1可知，從4種干制方式處理的蕪菁脆片中一共鑒定出50種香氣成分,其中分別從FD、EPD、ID、AD4種蕪菁脆片鑒定出揮發(fā)成分22、17、15、15種,各自有效組成的峰面積分別占總揮發(fā)物質(zhì)峰面積的94.86%、99.14%、95.03%、95.57%。

根據(jù)表1可知,4種干制處理的蕪菁脆片中的香氣成分均含有酯類、酮類和醇類。FD蕪菁脆片中揮發(fā)性物質(zhì)包括酯類7種(19.31%),砜類1種(1.81%),醛類2種(27.43%),酮類2種(0.44%),醇類4種(1.07%),醚類3種(2.52%),雜原子類1種(46.64%),烷類2種(0.80%);EPD蕪菁脆片中揮發(fā)性物質(zhì)包括酸類1種(8.81%),酯類5種(9.58%),腈類4種(72.95%),酮類1種(0.02%),醇類2種(1.96%),胺類1種(3.23%),醚類1種(0.95%),雜原子類2種(2.50%);ID蕪菁脆片中揮發(fā)性物質(zhì)包括酯類2種(2.73%),腈類3種(67.60%),酮類4種(21.86%),醇類3種(4.22%),胺類1種(3.23%),烷類2種(0.36%);AD蕪菁脆片中揮發(fā)性物質(zhì)包括酯類3種(5.23%),砜類1種(10.92%),腈類2種(52.35%),醛類1種(23.88%),酮類6種(6.23%),醇類1種(0.05%),烷類1種(1.34%)。

2.2.1 不同干燥處理的蕪菁脆片共有的香氣成分 從表1中可以看出來,4種干制處理的蕪菁脆片中共有的揮發(fā)性物質(zhì)只有 2-甲基-丙酸,1-(1,1-二甲基乙基)-2-甲基-1,3-丙二基酯1種,其中AD中的相對(duì)含量較高(>1%)為1.33%。

此外,除了FD其他三種干制方式的蕪菁脆片均含有5-己腈和苯代丙腈,其中5-己腈在EPD、ID和AD中的含量分別為34.94%、32.10%和16.78%;苯代丙腈在EPD、ID和AD中的含量分別為15.00%、30.69%和35.57%。

2.2.2 不同干燥處理的蕪菁脆片特有的香氣成分 不同干制處理的蕪菁脆片具有著不同的揮發(fā)性物質(zhì),結(jié)果見表1。在香氣成分的相對(duì)含量較高的標(biāo)準(zhǔn)下(>1%),FD處理的樣品中所特有的香氣成分為異硫氰酸環(huán)丙酯(9.24%)、2-氯乙基芐基砜(1.81%)、正己醛(26.85%)和2-疊氮-2,3,3-三甲基丁烷(46.64%)共4種,總相對(duì)含量84.54%。

EPD處理的樣品中所特有的香氣成分為5-己炔酸(8.81%)、羥基乙酸苯甲酯(1.20%)、環(huán)丙基乙腈(19.97%)、3-甲基-4-庚醇(1.93%)、1-苯甲酰氨基-N-芐基-1-[α-(2-吡啶基硫代)亞芐基]乙酰胺(3.23%)和1-(2-甲基-1-丙烯基)氮丙啶(2.49%)共6種,總相對(duì)含量34.70%。

ID處理的樣品中所特有的香氣成分為3,4,4,-三甲基-5(4H)-異惡唑酮(20.06%)和α-甲苯磺酰胺(3.23%)共2種,總相對(duì)含量23.29%。

AD處理的樣品中所特有的香氣成分為芐基甲基砜(10.92%)、反,順-2,6-壬二烯醛(23.88%)和1-苯基-5-甲基-1-己酮(2.88%)共3種,總相對(duì)含量37.68%。

2.2.3 香氣成分分類分析 蕪菁中含有糖、蛋白質(zhì)等物質(zhì)在干制過程中特別是加熱的條件下,容易發(fā)生分解形成復(fù)雜的復(fù)合香氣系統(tǒng)[23]，不僅如此,浸糖的蕪菁脆片擁有著更高的糖含量,這會(huì)使香氣系統(tǒng)更加復(fù)雜。

從4種干制方式處理的蕪菁脆片中,檢測(cè)到了酸類、酯類、砜類、腈類、醛類、酮類、醇類、胺類、醚類、雜原子類、烴類共計(jì)11種香氣成分(表1與表2)。

表1 不同干制蕪菁脆片香氣成分的 GC-MS 分析結(jié)果Table 1 GC-MS analysis results of aroma compounds in turnip chips dried by different methods

續(xù)表

表2 不同干制蕪菁脆片香氣成分種類及相對(duì)含量Table 2 The groups and amounts of aroma compounds in turnip chips dried by different methods

蕪菁脆片中主要的酸類化合物是5-己炔酸,是EPD蕪菁脆片的主要香氣成分之一(8.81%)。其可能是由于EPD過程中壓力急速的變化導(dǎo)致分解反應(yīng)所產(chǎn)生的。

酯類化合物:FD的低溫和真空狀態(tài)使其干制品保留了較多揮發(fā)性脂類(19.31%),而EPD膨化后的干制也是在真空下進(jìn)行的,其脂類也得到了一定的保留(9.58%)。FD蕪菁脆片中有較多的3-丁烯基異硫氰酸酯(6.21%)和異硫氰酸環(huán)丙酯(9.24%),而EPD蕪菁脆片只含有較多的3-丁烯基異硫氰酸酯(7.35%)。一部分異硫氰酸酯具有強(qiáng)烈的辛辣味,同時(shí)也具有芳香味[24]。其中,異硫氰酸烯丙酯和異硫氰酸酯及其類似化合物組成了十字花科植物的辛辣風(fēng)味的物質(zhì)即芥子油[24-25]。這兩種酯類更加體現(xiàn)了蕪菁脆片的芥辣味,在蕪菁香氣成分中有著十分顯著和重要的作用。

砜類化合物:芐基甲基砜在AD蕪菁脆片中有一定的含量(10.92%)。砜類化合物一般是由硫醚氧化而成,與后文中AD中不含有硫醚化合物相吻合。

腈類化合物:硫代葡萄糖苷經(jīng)芥子酶的降解生成的配糖體又可降解為硫氰酸酯、異硫氰酸酯或脫去硫原子而形成腈[26-27]。腈類化合物是EPD、ID、AD的主要香氣成分之一,其含量分別為:72.95%、67.60%、52.35%。

醛類化合物:一般認(rèn)為是由油脂的自動(dòng)氧化產(chǎn)生[28],并且其閾值較低,給予清香、果香和堅(jiān)果香的芳香特質(zhì)[29-30]。醛類化合物中,正己醛是蘋果、草莓、香蕉和桃子等水果的嗅感成分,其在FD中比較豐富(26.85%),反,順-2,6-壬二烯醛具有紫羅蘭和黃瓜似香氣[31],其在AD中比較豐富(23.88%)。

酮類化合物:酯類在加熱時(shí)轉(zhuǎn)化成酮類等物質(zhì)[18],與此同時(shí),處理溫度高也使得美拉德反應(yīng)向著更為復(fù)雜的方向進(jìn)行,產(chǎn)生大量酮類等物質(zhì)[32]。所以酮類在ID(21.86%)與AD(6.23%)中有著較高的含量,與前文酯類在ID(2.73%)與AD(5.23%)的含量較低相符合。

醇類化合物:在ID中有4.22%,其中5-甲基-5-己烯-2-醇是ID蕪菁脆片中醇類化合物的主要成分(4.04%)。醇類化合物在FD、EPD和AD中的含量分別為:1.07%、1.96%和0.05%。醇類雖然其閾值較高,但其與香氣的組成關(guān)系密切[33]。

胺物質(zhì)類化合物:在EPD和ID中均有少量存在(均為3.23%)。

醚類化合物:3-丁烯基乙烯基硫醚在FD(1.78%)和EPD(0.95%)中少量存在。硫醚會(huì)表現(xiàn)出刺鼻的味道,是十字花科植物的典型香氣。硫醚會(huì)在一定條件下轉(zhuǎn)化成砜類化合物[34],與前文中FD和EPD中幾乎不含有砜類化合物相吻合。

雜原子類化合物:在FD中的高達(dá)46.64%(2-疊氮-2,3,3-三甲基丁烷)。與此同時(shí),雜原子類化合物在EPD中也少量存在,其含量為2.50%。

烷烴類化合物:烷烴類物質(zhì)主要來源于脂肪酸烷氧自由基的斷裂,烷烴類物質(zhì)含量的差別可能是由于其前體物脂肪酸的差別造成的[35]。只有EPD沒有烷烴類化合物，與前文只有EPD含有酸類化合物相吻合。并且,烷烴類化合物在蕪菁脆片中種類不多,且含量不多。烷烴類化合物的閾值較高,對(duì)蕪菁脆片的風(fēng)味貢獻(xiàn)不大[31]。

2.3 主成分分析

2.3.1 蕪菁脆片香氣成分主成分分析 將4種不同干制處理的蕪菁脆片的揮發(fā)性成分按照其官能團(tuán)分為11類,見表2。對(duì)此11類揮發(fā)性成分的主成分分析結(jié)果見表3。根據(jù)表3,前三個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率近似達(dá)到100%,可以基本上有效地解釋所有變量的原有信息,因此,選擇這三個(gè)主成分作為香氣成分?jǐn)?shù)據(jù)分析的有效主成分。

表3 提取3個(gè)主成分的特征值以及貢獻(xiàn)率Table 3 Eigenvalues and contribution rate of the three principal components

各個(gè)主成分在各變量因子之間的載荷值表示了該主成分對(duì)該因子所能反應(yīng)的真實(shí)程度。根據(jù)表3和表4可知第一主成分的貢獻(xiàn)率為55.244%,主要反映了腈類、醛類和胺類3類香氣成本的變異信息;第二主成分的貢獻(xiàn)率為29.665%,主要反映了砜類的變異信息;第三主成分的貢獻(xiàn)率為15.091%主要反映了酸類和酮類的變異信息。另外,從表4中可以看出,第一主成分和醛類呈高度正相關(guān)關(guān)系,和腈類與胺類呈高度負(fù)相關(guān)關(guān)系;第二主成分和砜類呈高度負(fù)相關(guān)關(guān)系;第三主成分和酮類呈高度正相關(guān)關(guān)系,和酸類呈高度負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表4 主成分的特征向量與載荷矩陣Table 4 Principal component eigenvectors and loading matrix

2.3.2 基于主成分分析建立香氣品質(zhì)評(píng)價(jià)模型 因?yàn)榍叭齻€(gè)主成分可以解釋不同干制處理蕪菁脆片的11類香氣成分近似100%的變異信息,所以根據(jù)前三個(gè)主成分的特征向量,用F1、F2和F3三個(gè)新的綜合指標(biāo)來代替原來的11類香氣成分,進(jìn)行香氣品質(zhì)的綜合評(píng)價(jià)(表4),得到的蕪菁脆片香氣成分的線性關(guān)系式分別為:

F1=-0.171X1+0.307X2+0.177X3-0.368X4+0.391X5-0.245X6-0.314X7-0.381X8+0.274X9+0.320X10+0.275X11

F2=0.295X1+0.362X2-0.468X3-0.139X4-0.145X5-0.223X6+0.151X7+0.192X8+0.405X9+0.292X10-0.406X11

F3=-0.570X1-0.005X2-0.240X3-0.260X4+0.031X5+0.534X6+0.443X7+0.002X8+0.062X9+0.247X10+0.049X11

式中,F1、F2和F3分別代表綜合主成分值得分值相對(duì)越大,脆片風(fēng)味品質(zhì)越好。

將表3中特征向量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,與所對(duì)應(yīng)的三個(gè)主成分的方差貢獻(xiàn)率做內(nèi)積,得到綜合風(fēng)味品質(zhì)的評(píng)價(jià)函數(shù)F的表達(dá)式為:

F=0.55244F1+0.29665F2+0.15091F3

根據(jù)以上幾個(gè)式子得到的風(fēng)味評(píng)價(jià)綜合得分值及排序,見表5。根據(jù)表5可知,第一主成分得分最高的是FD,結(jié)合圖2,在綜合評(píng)價(jià)得分中,FD得分最高,為24.70171,其次為AD、EPD、ID。由此可見,FD蕪菁脆片可以更好地維持蕪菁的香氣品質(zhì)。

表5 標(biāo)準(zhǔn)化后主成分綜合得分表Table 5 The composite scores table of principal components after standardization

圖2 不同干制蕪菁脆片的香氣得分坐標(biāo)圖Fig.2 The coordinate diagram of sample score

2.3.3 不同干制蕪菁脆片香氣品質(zhì)的綜合評(píng)價(jià) 不同干制處理方式的蕪菁脆片的香氣成分經(jīng)過主成分分析表現(xiàn)出了明顯的差異,其中FD的綜合得分最高,香氣品質(zhì)最佳,其次為AD、EPD、ID。其原因可能是FD其低溫和真空的環(huán)境使其獲得了最高的品質(zhì)。AD干制時(shí)間較短,獲得了相對(duì)較好的品質(zhì),而EPD及ID雖然呈真空狀態(tài),但其干燥時(shí)間較長,導(dǎo)致其品質(zhì)較低。由此可見,主成分分析可作為不同干制處理方式蕪菁脆片香氣品質(zhì)的潛在評(píng)價(jià)方法,規(guī)避了對(duì)揮發(fā)性成分單一相對(duì)含量評(píng)價(jià)的不足和風(fēng)味閾值評(píng)價(jià)的弊端。

3 結(jié)論

將HS-SPME-GC-MS提取分析的不同干燥方式的蕪菁脆片的香氣成分,運(yùn)用主成分分析法進(jìn)行分析評(píng)分,可以得出FD蕪菁脆片的綜合得分最高,其香氣品質(zhì)依次優(yōu)于AD、EPD和ID。另外,由于香氣的品質(zhì)不僅與香氣的成分和含量有關(guān),還與香氣的閾值和互相間的協(xié)調(diào)作用有關(guān)。本實(shí)驗(yàn)只檢測(cè)分析了前者,但對(duì)后者尚未確定,因此對(duì)蕪菁脆片香氣品質(zhì)難以做出更加深入的結(jié)論,我們將于后續(xù)的研究中逐漸將其探索清楚。