趙 偉 黃佳琪
(1. 吉林省經(jīng)濟(jì)管理干部學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130012;2. 吉林省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院,吉林 長(zhǎng)春 130012)
藍(lán)莓,學(xué)名越橘,原產(chǎn)于北美洲。藍(lán)莓是花青素類物質(zhì)的重要來源,相關(guān)研究[1]表明富含花青素的藍(lán)莓提取物具有較強(qiáng)的抗氧化能力且可改善兒童的學(xué)習(xí)能力和記憶力。Si等[2]的研究結(jié)果表明富含花青素的藍(lán)莓提取物能夠預(yù)防人類氧化損傷和神經(jīng)退行性變。Cheng等[3]的研究也表明藍(lán)莓提取物能夠很大程度減少機(jī)體DNA損傷并有效抑制癌細(xì)胞增殖,防止機(jī)體組織癌變。但藍(lán)莓含水量較高,采摘后貯藏時(shí)間較短,因此干制是維持其品質(zhì),提高其貯藏期的有效手段。目前熱風(fēng)干燥方法常用于藍(lán)莓的干制加工,雖然熱風(fēng)干燥儀器設(shè)備成本較低,操作較為簡(jiǎn)便但研究[4]表明此法干燥后的藍(lán)莓品質(zhì)較差,尤其是花青素類物質(zhì)降解嚴(yán)重、活性降低。其他干燥方式如真空冷凍干燥,產(chǎn)品品質(zhì)較好,但耗能較大,維護(hù)成本較高,儀器設(shè)備操作復(fù)雜因而不適用于果蔬制品的大規(guī)模生產(chǎn)加工[5]。
遠(yuǎn)紅外干燥是一種優(yōu)良的果蔬干燥方法[6],該法通過遠(yuǎn)紅外輻射產(chǎn)生電磁波使物料表面升溫,由于物料內(nèi)部溫度較低而產(chǎn)生溫度梯度差,水分由內(nèi)向外快速擴(kuò)散從而使果蔬水分快速蒸發(fā)。研究擬將遠(yuǎn)紅外干燥技術(shù)應(yīng)用于藍(lán)莓的干燥中,并與傳統(tǒng)熱風(fēng)干燥進(jìn)行對(duì)比,探究不同干燥方式下藍(lán)莓主要花青素的降解特性、多酚氧化酶(PPO)酶活性及抗氧化能力變化,以期提高藍(lán)莓干燥品質(zhì),減少干燥過程中花青素類物質(zhì)的降解。
藍(lán)莓:于2021年7月采自山東威海,品種為北高叢藍(lán)莓品種“藍(lán)豐”,采摘時(shí)遵循隨機(jī)性原則選取無病蟲害、無機(jī)械損傷、全紫成熟期藍(lán)莓,采摘完畢后迅速預(yù)冷并帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行品質(zhì)分析及后續(xù)干燥試驗(yàn);
乙醇、氯化鈉、磷酸二氫鉀、鹽酸、甲酸、磷酸氫二鉀、鄰苯二酚、聚乙烯聚吡咯烷酮(PVPP)及曲拉通X-405(TritionX-405):分析純,天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司;
水溶性維生素E(Trolox)、2,2-聯(lián)氮-二(3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸)二銨鹽(ABTS)及2,2-二苯基-1-吡啶并肼基(DPPH):色譜純,美國(guó)Sigma公司。
鼓風(fēng)干燥機(jī):DHG-9140型,上海億恒有限公司;
遠(yuǎn)紅外輻射干燥裝置:YHG-300-S型,上海博泰試驗(yàn)設(shè)備有限公司;
超高效液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜儀:Thermo Vanquish型,美國(guó)賽默飛世爾科技公司公司;
紫外—可見分光光度計(jì):UV-mini1240型,日本島津公司。
1.3.1 干燥條件 取500 g藍(lán)莓分別放置于熱風(fēng)干燥箱及遠(yuǎn)紅外輻射干燥箱中進(jìn)行干燥,設(shè)置熱風(fēng)干燥溫度為60 ℃或70 ℃,風(fēng)速為2 m/s;遠(yuǎn)紅外干燥溫度與風(fēng)速皆與熱風(fēng)干燥相同,每隔1 h取樣測(cè)量花青素含量,干燥終點(diǎn)為藍(lán)莓含水量在10%以內(nèi)。
1.3.2 藍(lán)莓果實(shí)花青素含量測(cè)定 藍(lán)莓果實(shí)中花青素類物質(zhì)的提取參考Zhou等[7]的方法并稍作修改。取50 g藍(lán)莓分別添加1.5 g纖維素酶及1.5 g果膠酶并在4 ℃下充分研磨,混合物于黑暗環(huán)境放置2 h后加入50 mL含有0.1%檸檬酸的75%乙醇溶液,混合物在4 ℃、8 000×g條件下離心后收集上清液,殘?jiān)貜?fù)上述提取步驟3次,合并上清液在40 ℃下旋轉(zhuǎn)蒸發(fā),殘留物使用50 mL含有0.1%檸檬酸的75%乙醇溶液溶解,測(cè)定前將其置于4 ℃黑暗條件下保存。
利用高效液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜法對(duì)藍(lán)莓中的花青素進(jìn)行定性及定量分析,流動(dòng)相A為水—甲酸—乙腈(V水∶V甲酸∶V乙腈=87∶10∶3),流動(dòng)相B為水—甲酸—乙腈(V水∶V甲酸∶V乙腈=40∶10∶50),使用如下梯度程序進(jìn)行洗脫:0~4 min,10%~14% B;4~6 min,14%~20% B;6~10 min,20%~30% B;10~15 min,30%~10% B,流速為1.0 mL/min,色譜柱為反相C18色譜柱(1.8 μm, 2.1 mm×100 mm),進(jìn)樣量為2.0 μL,柱溫為35 ℃。電噴霧電離分析設(shè)置為正離子模式,氮?dú)鉃榕鲎矚怏w。質(zhì)譜參數(shù)設(shè)置參考Li等[8]研究方法。
1.3.3 動(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì)算 一階方程[式(1)]、二階方程[式(2)]及半衰期方程[式(3)]常用來描述果蔬加工過程中花青素類物質(zhì)的降解過程,其計(jì)算公式[9]:
c=c0exp(-kt),
(1)
(2)
(3)
式中:
t——干燥時(shí)間,h;
c0、c——藍(lán)莓鮮果及干燥至t時(shí)刻藍(lán)莓果實(shí)的花青素含量,mg/g DW;
k——速率常數(shù)。
1.3.4 熱力學(xué)參數(shù)計(jì)算 不同干燥條件下藍(lán)莓花青素降解活化能按式(4)計(jì)算[10]。
(4)
式中:
Ea——藍(lán)莓花青素降解活化能,kJ/mol;
k1、k2——60,70 ℃下干燥速率常數(shù);
T1、T2——60,70 ℃的開爾文攝氏度值;
R——常數(shù),其值為8.314 J/(mol·K)。
干燥過程花青素降解的焓(ΔH,kJ/mol)、吉布斯自由能(ΔG,kJ/mol)及熵(ΔS,kJ/mol/K)值計(jì)算式分別為式(5)、式(6)及式(7)。
ΔH=Ea-RT,
(5)
(6)
(7)
式中:
h——普朗克常數(shù),其值為6.626 2×10-34J·s;
kB——玻爾茲曼常數(shù),其值為1.380 6×10-23J/K。
1.3.5 多酚氧化酶的測(cè)定 PPO的提取與測(cè)定參考Terefe等[11]的方法,并稍作修改。將2 g藍(lán)莓樣品與2 mL 0.2 mol/L的磷酸鹽緩沖液(pH 6.5)充分混合,磷酸鹽緩沖液中含有1 mol/L的NaCl及體積分?jǐn)?shù)為1%的曲拉通X-100。混合物充分震蕩后離心(14 000×g,4 ℃)。收集上清液,殘?jiān)貜?fù)提取兩次,合并上清液進(jìn)行PPO酶活性分析。
取100 μL PPO酶提取物加入到3 mL 0.05 mol/L的磷酸鈉緩沖液(pH 6.5)中,此磷酸鹽緩沖液含有0.07 mol/L的鄰苯二酚。空白對(duì)照組為0.2 mol/L的磷酸鹽緩沖液(pH 6.5)代替PPO酶提取物,混合物利用紫外分光光度計(jì)在420 nm處連續(xù)測(cè)定10 min內(nèi)混合物的吸光度變化。PPO活性定義為每克樣品每分鐘內(nèi)吸光度增加0.01為1個(gè)酶活力單位(U)。
1.3.6 抗氧化能力測(cè)定 藍(lán)莓果實(shí)的抗氧化能力以DPPH自由基清除能力及ABTS+自由基清除能力表示,藍(lán)莓果實(shí)抗氧化物質(zhì)的提取步驟:取10 g藍(lán)莓加入50 mL 80%的甲醇充分勻漿后超聲處理20 min。后將其置于10 000×g下離心(4 ℃),收集上清液,重復(fù)提取步驟兩次后合并上清液,在45 ℃下對(duì)混合溶液進(jìn)行真空蒸發(fā),殘余物重新溶解于80%甲醇中,最終體積為25 mL。測(cè)定前將提取液置于-20 ℃黑暗環(huán)境下保存。藍(lán)莓提取物抗氧化能力測(cè)定參考具體步驟參考張存艷等[12]的方法。
1.3.7 數(shù)據(jù)分析 使用SPSS 18.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,所有數(shù)據(jù)來自3個(gè)獨(dú)立試驗(yàn),并表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。Tukey檢驗(yàn)用于分析平均值之間的差異及所得數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性。P<0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
如圖1所示,共檢測(cè)到6種花青素類物質(zhì),包括2種飛燕草類、1種矢車菊素類、1種矮牽牛素類及2種錦葵色素類。飛燕草素-3-O-半乳糖苷(D3G)及矢車菊素-3-O-葡萄糖苷(C3G)為藍(lán)莓中最主要的單體花青素,這也與Lin等[13]的研究結(jié)果一致,其中藍(lán)莓中D3G與C3G的含量分別達(dá)到了56.30,40.98 mg/100 g,這2種花青素含量總和占所檢測(cè)到的所有花青素含量的81.4%,此外還檢測(cè)到較低含量的飛燕草素-3-O-阿拉伯糖苷(D3A)、矮牽牛素-3-O-葡萄糖苷(P3G)、錦葵色素-3-O-半乳糖苷(M3G)及錦葵色素-3-O-阿拉伯糖苷(P3G)。鑒于D3G與C3G在藍(lán)莓果實(shí)中含量較高,因此將其作為后續(xù)干燥過程花青素類物質(zhì)降解的主要指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定。
小寫字母不同表示差異顯著(P<0.05)
2.2.1 干燥過程中D3G與C3G的保留率 花青素結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定極容易在熱加工過程中遭到破壞而降解,使得藍(lán)莓的活性功能下降,不同干燥方式(熱風(fēng)及遠(yuǎn)紅外干燥)及干燥溫度(60,70 ℃)下藍(lán)莓果實(shí)中2種主要花青素(D3G及C3G)的保留率如圖2所示。由圖2可知,2種干燥方式下花青素降解趨勢(shì)類似,即在干燥初期花青素含量快速下降,后期下降趨勢(shì)放緩,與Zhou等[10]針對(duì)桑葚花青素?zé)峤到庋芯拷Y(jié)果類似。相同干燥方式下,60 ℃干燥條件下2種主要的花青素保留率較高,Aramwit等[14]也報(bào)道了富含花青素類的漿果干燥溫度應(yīng)低于70 ℃。在相同干燥溫度下,遠(yuǎn)紅外干燥藍(lán)莓的花青素保留率更高,60 ℃干燥溫度下D3G含量較熱風(fēng)干燥提高了13.9%,70 ℃干燥溫度下D3G含量較熱風(fēng)干燥提高了12.6%;60 ℃干燥溫度下C3G含量較熱風(fēng)干燥提高了13.7%,70 ℃干燥溫度下C3G含量較熱風(fēng)干燥提高了12.4%。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因?yàn)橄嗤稍餃囟认逻h(yuǎn)紅外干燥效率較高,減少了藍(lán)莓果實(shí)與氧氣的接觸時(shí)間,減少了花青素類物質(zhì)的氧化,因此其保留率較高。在藍(lán)莓的干燥過程中無論是D3G還是C3G均在遠(yuǎn)紅外60 ℃干燥條件下保留率最高,分別為25.09%,22.89%。相同條件下C3G的保留率略高于D3G,這可能與其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有關(guān)[10]。圖2結(jié)果顯示相同干燥方式下,提升干燥溫度能夠降低C3G及D3G的保留率,這是由于花青素結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,遇熱易分解導(dǎo)致[14]。此外,結(jié)果顯示熱風(fēng)60 ℃干燥條件下D3G及C3G的保留率高于遠(yuǎn)紅外70 ℃干燥條件,單純利用干燥速率快慢無法解釋其產(chǎn)生的原因,出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可能是多種因素的集合,即在70 ℃干燥溫度下雖然提高了干燥速率,減少了花青素類物質(zhì)與氧氣的接觸時(shí)間,但溫度過高,花青素對(duì)熱敏感,高溫加速了其結(jié)構(gòu)的破壞[9]。說明在所選的溫度梯度內(nèi),溫度較干燥方式更能影響花青素的保留,這也與Zhou等[10]的研究結(jié)果類似,即溫度是影響花青素降解的主要因素。
圖2 不同干燥條件下藍(lán)莓果實(shí)中D3G與C3G的保留率Figure 2 Retention rates of D3G and C3G in blueberry fruits under different drying conditions
2.2.2 干燥過程中D3G與C3G的降解動(dòng)力學(xué)模型 為了進(jìn)一步闡明不同干燥方式下藍(lán)莓中主要花青素的降解特性的差異,計(jì)算不同干燥條件下藍(lán)莓果實(shí)花青素降解的一階及二階模型擬合值,結(jié)果見表1。一階模型的擬合值R2為0.668 9~0.886 5,明顯低于二階模型的擬合值(0.914 5~0.945 6)。因此相較于一階模型,二階模型的擬合效果更好,能夠更好地描述藍(lán)莓在不同干燥條件下花青素的降解過程。
表1 不同干燥方式下D3G及C3G降解的一階及二階模型的R2值
2.2.3 干燥過程中D3G與C3G的二階降解模型參數(shù)計(jì)算 基于二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型,經(jīng)計(jì)算得到了不同干燥方式下藍(lán)莓干燥過程中D3G及C3G降解的動(dòng)力學(xué)速率常數(shù)(k)和半衰期(t1/2)值,結(jié)果見表2。由表2可知,D3G和C3G降解的k值分別為1.070~1.692,1.104~2.001 L/(mol·h);D3G和C3G降解的t1/2值分別為1.05~1.66,1.22~2.21 h;D3G和C3G均在60 ℃遠(yuǎn)紅外干燥條件下得到最低的k值及最高的t1/2值;相同干燥方式,70 ℃干燥條件下D3G及C3G的k值較高,t1/2值較低,與Qiu等[15]關(guān)于紫薯在不同干制溫度下花青素降解規(guī)律一致,產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因?yàn)榛ㄇ嗨貙?duì)熱較為敏感,高溫促進(jìn)花青素快速分解。此外,關(guān)于藍(lán)莓在固體基質(zhì)干燥過程中的降解動(dòng)力學(xué)研究較少且集中于液體基質(zhì)藍(lán)莓汁中花青素的降解,研究[16]表明在液體基質(zhì)中花青素降解遵循一階數(shù)學(xué)模型,而不是試驗(yàn)所得的二階模型,產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因可能為固體基質(zhì)與液體基質(zhì)中花青素?zé)峤到饽J酱嬖诓町?。Patras等[17]研究結(jié)果表明液體樣品中的花青素降解是在等溫條件下進(jìn)行的,但固體或半固體食物(如水果、蔬菜、果渣和谷物)中的花青素降解過程不是等溫的。藍(lán)莓在不同干燥方式下不同部位的溫度受熱不均勻,導(dǎo)致藍(lán)莓不同部位的花色苷降解速率不一致。此外,藍(lán)莓是一個(gè)具有細(xì)胞結(jié)構(gòu)的固體體系,花青素被包裹在液泡中,這也與花青素在液體中的分散狀態(tài)不同。隨著干燥時(shí)間的延長(zhǎng)和含水量的降低,細(xì)胞結(jié)構(gòu)逐漸被破壞,孔隙率增加,這可能是導(dǎo)致花青素在固體基質(zhì)中與液體基質(zhì)中存在降解差異的主要原因[18]。
表2 不同干燥方式下D3G及C3G降解的二階模型參數(shù)值?
2.2.4 干燥過程中D3G與C3G的降解熱力學(xué)參數(shù) 由表3可知,不同干燥方式下藍(lán)莓果實(shí)的Ea值之間存在顯著性差異(P<0.05),并且無論是D3G還是C3G,經(jīng)遠(yuǎn)紅外干燥后它們的Ea值較高(D3G為37.4 kJ/mol,C3G為49.7 kJ/mol),表明遠(yuǎn)紅外干燥藍(lán)莓花青素的降解反應(yīng)更難被激活。如表3所示,所有干燥組的ΔH值皆為正數(shù),這驗(yàn)證了花青素降解是吸熱反應(yīng)[19]。高溫為花青素降解提供了更多的能量,加速了其降解產(chǎn)物的形成過程,縮短了到達(dá)能量屏障所需的時(shí)間。但在此研究中提升干燥溫度并不能顯著提高反應(yīng)的ΔH值,與Mercali等[20]的研究結(jié)果一致。經(jīng)遠(yuǎn)紅外干燥的D3G及C3G的ΔH值明顯高于熱風(fēng)干燥組的(D3G組提高了19.8%,C3G組提高了9.1%),表明干燥方式能夠顯著影響花青素降解的ΔH值,這也與Zhou等[10]的研究結(jié)果一致。研究中所有干燥組花青素降解的ΔG值均為正數(shù)且數(shù)值較為接近,表明不同干燥方式處理藍(lán)莓其花青素的降解是非自發(fā)反應(yīng)。相同干燥方式下,升高溫度對(duì)D3G及C3G降解過程的ΔS值無明顯影響。相同干燥溫度下經(jīng)遠(yuǎn)紅外干燥的藍(lán)莓花青素的ΔS值的絕對(duì)值顯著低于熱風(fēng)干燥組的,表明遠(yuǎn)紅外干燥組中花青素降解產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)自由度低于反應(yīng)前,經(jīng)遠(yuǎn)紅外干燥后初始體系與熱力學(xué)平衡之間的距離被縮短,花青素降解的反應(yīng)性相對(duì)較低。這也解釋了為何遠(yuǎn)紅外干燥組花青素保留率較高。
表3 不同干燥方式下D3G及C3G降解的熱力學(xué)參數(shù)值?
選取花青素保留率較高的60 ℃作為代表性溫度探究干燥方式對(duì)藍(lán)莓果肉中PPO酶的影響,結(jié)果見圖3。由圖3可知,不同干燥方式下藍(lán)莓果肉中PPO酶活性隨干燥時(shí)間的變化趨勢(shì)類似,在干燥時(shí)間為3 h時(shí)遠(yuǎn)紅外干燥PPO酶活性達(dá)到最大值,隨后迅速下降,而熱風(fēng)干燥組PPO酶活性到達(dá)最高點(diǎn)的時(shí)間相對(duì)延后(4 h),出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因是前期果實(shí)溫度升高激活了PPO酶,相同干燥溫度下遠(yuǎn)紅外干燥升溫快速,因此其酶活到達(dá)最高點(diǎn)的時(shí)間較短[15]。Zhou等[10]針對(duì)桑葚的干燥研究也得到了類似的結(jié)論。干燥后期酶活下降的主要原因可能為隨著干燥過程的持續(xù),藍(lán)莓果實(shí)細(xì)胞失水皺縮,PPO酶與氧氣接觸量降低[21]。遠(yuǎn)紅外處理組藍(lán)莓干燥4 h后PPO酶活總體低于熱風(fēng)處理組,出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因可能為紅外輻射促進(jìn)了藍(lán)莓細(xì)胞內(nèi)部水分快速排出,導(dǎo)致細(xì)胞皺縮較熱風(fēng)干燥更為嚴(yán)重,PPO酶與氧氣接觸量較低,PPO酶活性降低,這也是其花青素保留率較高的主要原因[22]。
圖3 干燥方式對(duì)藍(lán)莓中PPO酶活性的影響Figure 3 Effects of different drying methods on PPO enzyme activity in blueberry
由圖4可知,不同干燥方式處理后藍(lán)莓果實(shí)的抗氧化能力顯著降低。不同干燥方式對(duì)藍(lán)莓果實(shí)DPPH及ABTS+自由基清除能力的影響趨勢(shì)類似,均在遠(yuǎn)紅外60 ℃ 時(shí)觀察到了藍(lán)莓干果最高的DPPH及ABTS+自由基清除能力,分別為46.0%及62.1%。此外,不同干燥條件下藍(lán)莓果實(shí)清除DPPH及ABTS+自由基能力與其花青素保留趨勢(shì)類似。綜上,遠(yuǎn)紅外60 ℃條件下干燥藍(lán)莓果實(shí)可能是維持其活性功效的良好條件。
小寫字母不同表示差異顯著(P<0.05)
藍(lán)莓果實(shí)中共檢測(cè)到6種花青素類物質(zhì),其中飛燕草素-3-O-半乳糖苷(D3G)及矢車菊素-3-O-葡萄糖苷(C3G)為藍(lán)莓中最主要的單體花青素,這2種花青素在干燥過程含量迅速下降,60 ℃遠(yuǎn)紅外干燥條件下2種花青素的保留率最高;動(dòng)力學(xué)模型擬合結(jié)果表明二階模型能夠更好地模擬其降解過程。熱力學(xué)參數(shù)分析結(jié)果表明,遠(yuǎn)紅外干燥藍(lán)莓花青素降解的降解活化能及焓值更大,熵值更小。2種干燥方式對(duì)多酚氧化酶酶活性產(chǎn)生了相似的影響,但干燥4 h后遠(yuǎn)紅外干燥組酶活總體低于熱風(fēng)干燥組,這可能是花青素保留率較高的主要原因。對(duì)干燥前后藍(lán)莓果實(shí)的抗氧化能力進(jìn)行分析可知遠(yuǎn)紅外60 ℃時(shí)觀察到了藍(lán)莓干果最高的DPPH及ABTS+自由基清除能力。綜上,相同干燥溫度條件下遠(yuǎn)紅外干燥對(duì)藍(lán)莓花青素降解動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)及多酚氧化酶酶活性具有積極影響,可考慮應(yīng)用至藍(lán)莓干制加工中,以降低花青素類物質(zhì)的降解。