董玉瑋,顧鑫玥,莊聰林,朱曹凱,苗敬芝,劉飛
(1.徐州工程學(xué)院食品與生物工程學(xué)院,江蘇 徐州 221018;2.徐州生物工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 徐州 221006)
牛蒡(Arctium lappa L.)又名鼠黏草、蒡翁菜、東洋參,為菊科兩年生草本植物。牛蒡根、莖、葉、果實均可食用。牛蒡主要種植于山東蒼山縣和江蘇省徐州市沛縣、豐縣[1]。牛蒡根莖含有多糖、揮發(fā)油、牛蒡酸、多酚、醛類及黃酮類等成分[2],富含纖維素[3]和氨基酸[4],具有防癌抗癌[5]、排除毒素[6]、降低膽固醇[7]和延緩衰老[8]等功效。牛蒡根纖維素含量高,如果采用常規(guī)焙烤[9]加工,容易導(dǎo)致產(chǎn)品口感粗糙、苦澀。牛蒡茶是以牛蒡根為原料,經(jīng)切片、高溫烘烤制成的綠色茶品,既很好地保留了牛蒡根的營養(yǎng)保健作用,又極大改善了其口感,攜帶方便,因此備受消費者歡迎。
牛蒡茶常見的加工工藝有3種。工藝1:傳統(tǒng)型,一般采用先晾曬后加熱(250℃~300℃);工藝2:改良型,不再晾曬而直接加熱(160℃~200℃);工藝3:微波真空干燥工藝(前期75℃~85℃,后期65℃~75℃,真空度0.07 MPa~0.08 MPa)。由于加工工藝的不同,醇類、醛類、酯類、萜烯類等風味物質(zhì)[10]易受到烘烤溫度、時間等因素影響,導(dǎo)致其組成和含量發(fā)生變化[11],進而對產(chǎn)品風味產(chǎn)生影響。因此加工工藝是影響牛蒡茶特征性風味物質(zhì)組成的首要因素。
對風味物質(zhì)成分的檢測首先需要富集和提取茶樣中的揮發(fā)性物質(zhì),再利用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(gas chromatography-mass spectrometry,GC-MS) 技術(shù)進行分析與測定。風味物質(zhì)提取的方法主要有頂空-固相萃取法 (headspace-solid phase micro extraction,HSSPME)[12]、同步蒸餾-萃取法[13]、水蒸氣蒸餾法等[14]。其中頂空-固相萃取法是提取樣品揮發(fā)性成分的經(jīng)典方法。其原理是進樣針在一定條件、一定溫度下對固體進行吸附萃取,然后在氣相色譜分析儀上進行脫附注射。與液-液萃取相比,頂空-固相萃取法重復(fù)性好、富集倍數(shù)大。龔雪等[15]采用GC-MS對黔茶和福鼎大白茶分析發(fā)現(xiàn),(E)-4,8-二甲基-1,3,7-壬三烯、吲哚、己酸葉醇酯等9種物質(zhì)在黔茶和福鼎大白茶中存在極顯著性差異。王秋霜等[16]采用GC-MS檢測發(fā)現(xiàn),花蜜香是廣東單叢紅茶典型的香氣特征。屠玥之等[17]利用GS-MS檢測發(fā)現(xiàn),工藝條件改良后的發(fā)酵牛蒡茶其醛類、醇類、酸類風味物質(zhì)含量明顯增加。目前尚缺少對牛蒡茶特征性風味物質(zhì)的檢測和分析。
江蘇徐州豐縣、沛縣和山東臨沂蘭陵縣是我國牛蒡茶的重要生產(chǎn)基地,本文選擇這些地區(qū)的牛蒡茶為研究對象,涉及3種常見的加工工藝,采用GC-MS技術(shù)和主成分分析(principal component analysis,PCA),確定其特征性風味物質(zhì),以期為牛蒡茶的進一步開發(fā)與利用提供理論支撐。
牛蒡茶:9份牛蒡茶樣品來源于徐州市豐縣、沛縣,臨沂市蘭陵縣,原料品種均為柳川理想,涉及3種加工工藝。樣品信息見表1。
表1 牛蒡茶原料產(chǎn)地及其加工工藝Table 1 Raw material origin and processing technology of burdock tea
C3~C9、C10~C25 正構(gòu)混標烷烴標準品:美國 Sigma-Aldrich公司;二氯甲烷、氯化鈉(均為分析純):南京晚晴化玻儀器有限公司。
7890A-5975C氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀:美國安捷倫科技有限公司;50/30 μm CAR/PDMS/DVB萃取纖維頭:美國SUPELCO公司;FA21040電子天平:上海精密科學(xué)儀器有限公司;BPG-9156A精密鼓風干燥箱:上海一恒科學(xué)儀器有限公司。
1.3.1 揮發(fā)性成分的提取
采用HS-SPME法。準確稱取4.0 g磨碎的牛蒡茶置于20 mL頂空瓶中,加入5 mL沸水,迅速擰緊瓶蓋。于60℃水浴條件下平衡5 min后,用萃取纖維頭60℃下萃取40 min,然后于250℃進樣口解吸5 min。
1.3.2 GC-MS條件
1.3.2.1 GC條件
色譜柱為HP-INNOWAX毛細管柱(30m×0.25mm×0.25 μm);載氣為 He,流速 1 mL/min,分離比 5∶1;進樣溫度為250℃;升溫程序為起始溫度為40℃,保持5min,以8℃/min,升至250℃,保持5 min。
1.3.2.2 MS條件
電子電離源,能量為70 eV;離子源溫度為230℃,四極桿溫度為150℃,接口溫度為250℃,掃描范圍為m/z 30~400。
對采集到的揮發(fā)性成分質(zhì)譜圖經(jīng)計算機檢索,與NIST和Wiley譜庫提供的標準質(zhì)譜圖對照,人工解析并確認正反匹配度>90(最大值為100)的作為鑒定結(jié)果,同時結(jié)合相對保留時間等參數(shù)對部分組分進一步分析[18],采用峰面積歸一法計算揮發(fā)性成分相對百分比含量。以相對含量為響應(yīng)變量對牛蒡茶揮發(fā)性成分進行主成分分析,繪制載荷矩陣和得分圖,根據(jù)公式(1)計算風味物質(zhì)活性值(odor active values,OAVs),根據(jù)公式(2)計算相對氣味活性值(relative odor activity value,ROAV)[19],判斷每種風味物質(zhì)對牛蒡茶香氣輪廓的貢獻大小。利用SPSS 20.0軟件處理數(shù)據(jù)并作圖。
式中:ROAVi為揮發(fā)性物質(zhì)i的相對氣味活性值;OAVi為揮發(fā)性物質(zhì)i的氣味活性值;OAVmax為各揮發(fā)性物質(zhì)最大的氣味活性值。
經(jīng)過GC-MS分析,9份牛蒡茶共檢測出97種揮發(fā)性成分,其中酮類12種,醛類19種,酯類12種,醇類7種,烷烴類15種,酸類7種,吡嗪類9種,其他(呋喃、烯)類17種。9份牛蒡茶GC-MS總離子流圖經(jīng)合并處理后見圖1,含量占比見圖2。
圖1 牛蒡茶揮發(fā)性成分的總離子流程圖Fig.1 Total ion flow chart of volatile components of burdock tea
圖2 牛蒡茶主要揮發(fā)性成分占比Fig.2 Proportion of major volatile components in burdock tea
由圖1、圖2可知,牛蒡茶的揮發(fā)性成分保留時間大多在10 min~29 min,說明9份牛蒡茶揮發(fā)性成分相對含量總量接近,反映出其加工工藝原理基本一致。
揮發(fā)性成分香型[20]和分析結(jié)果見表2。
表2 9份牛蒡茶揮發(fā)性成分分析結(jié)果Table 2 Analysis results of volatile components of 9 burdock tea
續(xù)表2 9份牛蒡茶揮發(fā)性成分分析結(jié)果Continue table 2 Analysis results of volatile components of 9 burdock tea
續(xù)表2 9份牛蒡茶揮發(fā)性成分分析結(jié)果Continue table 2 Analysis results of volatile components of 9 burdock tea
由表2可知,經(jīng)過GC-MS分析,共檢測到9類揮發(fā)性物質(zhì),具體如下。
醛類在9份牛蒡茶揮發(fā)性物質(zhì)含量中占比最大,為11.47%~24.57%,共19種。其中己醛、糠醛、甲基糠醛、2-甲基-丙醛在9份牛蒡茶中均有檢出。己醛、異戊醛、2-甲基-丙醛、辛醛主要貢獻了牛蒡茶中的甜香、果香[21]。2-甲基丁醛、庚醛、糠醛、苯甲醛、甲基糠醛則貢獻了木香、咖啡、杏仁香味??啡┖空急?.31%~14.16%,是制作香料的重要原料[22]。2-甲基-丙醛占比0.21%~2.06%,可配制焦糖和各種水果型香精[23],苯甲醛具有杏仁香氣。
酮類在9份牛蒡茶揮發(fā)性物質(zhì)含量中占比為6.52%~24.99%,共計21種,對整體香氣有著重要作用。1-(2-呋喃基)-乙酮占2.32%~8.34%,有煙草烘烤香氣。2-乙?;量┖繛?.93%~4.02%,具有較濃郁甜香、奶香,多用于咖啡、茶葉、堅果類食用香精的制作[24]。2,3-二氫-3,5-二羥基-6-甲基-4H-吡喃-4-酮含量為1.67%~14.07%,呈現(xiàn)泥土、烘烤香味,廣泛存在于茶類香氣物質(zhì)中。
醇類共有7種物質(zhì),占揮發(fā)性物質(zhì)含量的0.49%~7.50%。其中正戊醇呈雜醇油氣味[25]。苯甲醇、苯乙醇、2-丁基-2-辛烯醇則貢獻了草木清香、花香和甜味。其中2-丁基-2-辛烯醇是重要的制藥原料[26]。2-呋喃乙醇可用于工業(yè)制樹脂、膠黏體等中間體物質(zhì)制備[27]。
吡嗪類共有9種物質(zhì),在9份牛蒡茶揮發(fā)性物質(zhì)含量中占比 2.09%~18.41%。2,5-二甲基吡嗪、2,6-二甲基吡嗪、3-乙基-2,5-二甲基-吡嗪在9份牛蒡茶中均有檢出,主要貢獻了奶香、烘烤與杏仁香氣。2-乙基-6-甲基吡嗪、三甲基吡嗪、甲基吡嗪也有檢出,可賦予牛蒡茶肉香、烤香、可可香氣[28]。
烷烴類分布較為分散,在9份牛蒡茶揮發(fā)性物質(zhì)含量中占比0.39%~8.14%,其中1-乙烯基-1-甲基-2,4-二(丙-1-烯-2-基)環(huán)己烷占比為0.12%~7.19%,其在藥理上能針對多種癌癥標志物起到抗腫瘤作用[29]。
酯類分布也較為分散,共計14種,其中棕櫚酸乙酯、磷酸三乙酯、棕櫚酸乙酯檢出較多。苯甲酸芐酯為(4-亞甲基-5-羰基-3-四氫呋喃基)-苯甲酸甲酯經(jīng)過熱裂解產(chǎn)生的衍生物,常出現(xiàn)于食品消毒殺菌的農(nóng)產(chǎn)品中[30]。乙酸糠酯與棕櫚酸乙酯則多用于食用香精、食品調(diào)味中[31],呈現(xiàn)微弱奶香味、蠟香及水果清香。
酸類共有7種物質(zhì),在9份牛蒡茶揮發(fā)性物質(zhì)含量中占比1.56%~13.37%。其中,醋酸含量占比為1.56%~9.26%,主要用于復(fù)合型香氣的調(diào)制,有著刺鼻酸味。羊油酸占比2.54%~3.67%,可配制食用香精,呈現(xiàn)羊膻味。戊酸與壬酸具有果香、奶香。
其他類包含烯、胺、呋喃類化合物,總體含量較低,占比0.50%~3.67%,含量分布較為分散,對總體香氣影響較小。其中2-戊基呋喃在多數(shù)牛蒡茶中均有檢出,含量占比0.20%~2.26%,具有果香、泥土及類似蔬菜的香味[32]。二甲基亞砜為玉米貝殼香氣,常用于合成食品調(diào)味劑,在醫(yī)藥工業(yè)中作為某些藥物的原料及載體,有消炎止痛、利尿、鎮(zhèn)靜等作用[33]。
9份牛蒡茶共檢出97種化合物,較難篩出特征香氣物質(zhì)。為降低分析難度,去除個別牛蒡茶中特有且含量較低的物質(zhì),采用數(shù)據(jù)分析軟件對其主成分提取,主成分的特征值及方差貢獻率見表3,主成分載荷矩陣見表4。
表3 主成分的特征值和方差貢獻率Table 3 Eigenvalues and variance contribution rates of principal components
表4 主成分載荷矩陣Table 4 Principal component load matrix
續(xù)表4 主成分載荷矩陣Continue table 4 Principal component load matrix
由表3可知,從9份牛蒡茶中共提取出了8個主成分,累計貢獻率為100%,前4個主成分累計貢獻率為89.865%,說明該數(shù)學(xué)模型可靠,能夠反映全面的變量信息。
對主成分1貢獻較大的香氣成分有2-乙基-6-甲基吡嗪、2-乙?;拎ぁ⒄齑?、戊醛、3-乙基-2,5-二甲基-吡嗪、2-丁基-2-辛烯醇、十二烷、己醛、2-戊基呋喃、2,6-二甲基吡嗪、羊油酸、2,5-二甲基吡嗪、甲基吡嗪、1-氯戊烷、2-己烯、3-甲基十一烷等,賦予牛蒡茶略苦澀、堅果烘烤、焦糖、可可和蘋果香氣。
對主成分2貢獻較大的香氣成分有醋酸、辛醛、2-乙基-5-甲基吡嗪、2-呋喃乙醇、庚酸、壬酸、壬醛。PC2累計方差貢獻率為29.593%,賦予醋酸、橙香、肉香、烤香、果香、奶香和玫瑰香。
對主成分3貢獻率較大的香氣成分有糠醛、磷酸三乙酯、2,4-雙(1,1-二甲基乙基)-苯酚、(2R,4AR,5R,8AS)-十氫-5-羥基-α-,α-,4A-三甲基-8-亞甲基-2-萘甲醇,賦予杏仁香氣。
對主成分4貢獻率較大的香氣成分有庚醛、戊酸、苯乙醛、5-羥甲基糠醛、1-(2-呋喃基)-乙酮、六硫環(huán)辛烷,呈現(xiàn)堅果、奶香和風信子香氣。
主成分5、主成分6、主成分7、主成分8貢獻率較小,4個累計貢獻率為10.135%。
本試驗選擇前2個主成分因子進行分析。得分圖和載荷圖分別見圖3和圖4。
圖3 主成分得分圖Fig.3 Score plot of principal component
圖4 主成分載荷圖Fig.4 Loading plot of principal component
如圖3和圖4所示,9份牛蒡茶風味成分具有較為明顯的區(qū)域分布特征。2、7、8、9號牛蒡茶較為接近,3、4、5、6號牛蒡茶較為接近,1號牛蒡茶與其他牛蒡茶分布較遠,與其他牛蒡茶香氣區(qū)別較大。
為了更深入確定牛蒡茶主體風味物質(zhì),引入OAVs概念,進一步甄選最能代表牛蒡茶風味的成分。根據(jù)風味物質(zhì)相對含量及閾值[34]計算OAVs,結(jié)果見表5。
表5 牛蒡茶中風味物質(zhì)閾值及OAVsTable 5 Flavor substance threshold and OAVs in burdock tea
根據(jù)表5可知,OAVs較高的風味物質(zhì)有異戊醛、2,5-二甲基吡嗪、壬醛、己醛、2-乙?;量?、苯甲醛、2-戊基呋喃、2-呋喃乙醇、3-乙基-2,5-二甲基-吡嗪、5-羥甲基糠醛共10種。其中2,5-二甲基吡嗪、2-乙?;量?、己醛的OAVs在9份牛蒡茶中均較高,苯甲醛、2-戊基呋喃的OAVs排名次之。
按照表1中3種加工工藝對應(yīng)的牛蒡茶編號,結(jié)合表5數(shù)據(jù),分析不同加工工藝的牛蒡茶主體風味物質(zhì)差異。工藝1制備的牛蒡茶(3、4、5號)特征風味物質(zhì)有己醛、2,5-二甲基吡嗪、2,6-二甲基吡嗪、3-乙基-2,5-二甲基-吡嗪、異戊醛、糠醛、苯甲醛、5-羥甲基糠醛、2-呋喃乙醇、三甲基吡嗪、2-戊基呋喃。其中己醛、2,5-二甲基吡嗪、2,6-二甲基吡嗪、3-乙基-2,5-二甲基-吡嗪含量高于其他工藝牛蒡茶。主要香氣類型為烘烤、可可風味,略帶果木清香。2,5-二甲基吡嗪活性值較高,是影響該工藝牛蒡茶香氣的特征物質(zhì)。
工藝2制備的牛蒡茶(2、6、7號)特征性風味物質(zhì)有 1-(2-呋喃基)-乙酮、2,3-二氫-3,5-二羥基-6-甲基-4H-吡喃-4-酮、異戊醛、己醛、甲基糠醛、2-丁基-2-辛烯醇、2-戊基呋喃。其中1-(2-呋喃基)-乙酮、2,3-二氫-3,5-二羥基-6-甲基-4H-吡喃-4-酮、糠醛、2-丁基-2-辛烯醇、2-戊基呋喃的含量高于其他工藝牛蒡茶。1-(2-呋喃基)-乙酮活性值較高,是影響該工藝牛蒡茶香氣的特征物質(zhì)。
工藝3制備的牛蒡茶(1、8、9號)特征性風味物質(zhì)有 3-乙基-2,5-二甲基-吡嗪、3-甲基-1,2-環(huán)戊二酮、1-(2-呋喃基)-乙酮、2-乙?;量?、異戊醛、己醛、壬醛、甲基糠醛、5-羥甲基糠醛、2-呋喃乙醇、羊油酸、2,5-二甲基吡嗪、2,6-二甲基吡嗪、2-戊基呋喃。其中 3-甲基-1,2-環(huán)戊二酮、異戊醛、己醛、壬醛、2-乙?;量?、羊油酸、3-乙基-2,5-二甲基-吡嗪含量高于其他工藝牛蒡茶,其他風味物質(zhì)含量均衡。異戊醛活性值較高,是影響該工藝牛蒡茶香氣的特征物質(zhì)。2-乙?;量┗钚灾迪鄬に?牛蒡茶較低,因此苦澀香味更輕微。
9種牛蒡茶中的揮發(fā)性成分被分為7個香氣屬性,將每個香氣屬性中的揮發(fā)性物質(zhì)的ROAV相加,通過雷達圖表征,即為3種加工工藝牛蒡茶的香氣輪廓圖,見圖5。
如圖5所示,蘋果和烘烤香味對牛蒡茶香氣貢獻最大,工藝1的牛蒡茶具有更多的泥土香氣,工藝2的牛蒡茶蘋果和堅果香氣更突出,工藝3的牛蒡茶杏仁和玫瑰香氣更濃,工藝1和工藝3的牛蒡茶其烘烤香味較工藝2的更強。
牛蒡茶是以天然牛蒡根為原料,經(jīng)加熱烘烤制成的保健茶品,具有抗氧化、抗炎、預(yù)防糖尿病及癌癥的作用。本研究對9份牛蒡茶風味物質(zhì)進行分析發(fā)現(xiàn),共檢測出97種揮發(fā)性成分,其中酮類12種,醛類19種,酯類12種,醇類7種,烷烴類15種,酸類7種,吡嗪類9種,其他(呋喃、烯)類17種,以醛類化合物為主。醛類物質(zhì)種類最多,含量豐富且閾值較低,對總體風味具有重要貢獻,其中異戊醛含量較高且閾值較低(4.5 μg/kg)。主要特征香氣成分有異戊醛、2,5-二甲基吡嗪、壬醛、己醛、2-乙?;量⒈郊兹?、2-戊基呋喃、2-呋喃乙醇、3-乙基-2,5-二甲基-吡嗪、5-羥甲基糠醛等10種,貢獻了牛蒡茶堅果、奶香、烘烤、泥土清香等特殊香氣。
牛蒡茶由醛、酮、醇、吡嗪、烷烴、酯、酸等近百種揮發(fā)成分復(fù)合而成,其揮發(fā)性成分主要來源為原料牛蒡根中非揮發(fā)性物質(zhì)在加熱過程中經(jīng)反應(yīng)衍生產(chǎn)生。醛、酮、烷烴類占比較高,表現(xiàn)出牛蒡茶獨特的清香類型。醛類中糖醛類物質(zhì)在9份牛蒡茶中均有檢出,是迄今為止無法用合成方法制取[35]而只能由植物纖維產(chǎn)生的一種重要物質(zhì)。值得注意的是,在7份牛蒡茶中檢出了由葡萄糖或果糖脫水生成的5-羥甲基糠醛,其化學(xué)性質(zhì)較為活潑,有類似蜂蜜的甜味,并在3份牛蒡茶中檢出了檸檬烯,說明這兩類物質(zhì)無需通過發(fā)酵工藝也可以產(chǎn)生,這不同于屠玥之等[17]的研究結(jié)果。醛類、酮類和烯烴類物質(zhì)相對含量較高,酯類物質(zhì)相對含量較低,可能是由于牛蒡茶中有豐富的抗氧化物質(zhì),保護了易被氧化的風味物質(zhì)。吡嗪類化合物是加熱食品中典型的香味組分,是通過氨基和糖的美拉德反應(yīng)形成的,可賦予牛蒡茶烘烤風味或堅果風味。烯、胺、呋喃類化合物雖然成分含量非常少,但由于其具有較低的閾值,所以也能夠影響牛蒡茶的整體香味。
影響3種加工工藝牛蒡茶香氣的主體物質(zhì)分別是2,5-二甲基吡嗪、1-(2-呋喃基)-乙酮和異戊醛。吡嗪等被認為具有高溫依賴性的化合物,氣味閾值較低,賦予食品堅果、可可味,對牛蒡茶整體香氣有顯著貢獻。工藝1屬于傳統(tǒng)高溫加熱型,堅果香氣更濃,前期晾曬處理有助于縮短加熱時間,保護泥土清香。隨著溫度升高,這些醛、醇類物質(zhì)轉(zhuǎn)化形成新的物質(zhì)。呋喃酮類和呋喃醛類的環(huán)酮分子具有增香的作用,在高于130℃烘烤下容易產(chǎn)生[36]。異戊醛等醛類主要在較低溫度條件下,由氨基酸經(jīng)美拉德反應(yīng)產(chǎn)生,賦予牛蒡茶蘋果和玫瑰風味。工藝2和工藝3由于降低了加熱溫度,更有利于醛、呋喃酮類物質(zhì)的保留。其中工藝3采用了更先進的微波真空干燥技術(shù),變傳統(tǒng)的蒸汽加熱為電加熱,既能夠達到含水率8%以下的牛蒡茶行業(yè)標準,保持牛蒡茶特征性風味物質(zhì),又能滿足低碳節(jié)能環(huán)保的要求,具有很好的示范推廣價值。加熱溫度、加熱時間以及微波真空干燥中的真空度的差異,都可能影響風味物質(zhì)成分和含量,也會影響牛蒡茶中多糖、蛋白質(zhì)、多酚等物質(zhì)的含量[37]。因此揮發(fā)性物質(zhì)與非揮發(fā)性物質(zhì)可能共同賦予了不同工藝牛蒡茶相似和獨特的風味,其相互作用方式及其特定工藝條件與風味物質(zhì)的相關(guān)性等問題還需要進一步研究和探討。
9份來自江蘇徐州豐縣、沛縣和山東臨沂蘭陵縣的牛蒡茶中,共檢測出97種揮發(fā)性成分,包括酮類12種,醛類19種,酯類12種,醇類7種,烷烴類15種,酸類7種,吡嗪類9種,其他(呋喃、烯)類17種,以醛類化合物為主。經(jīng)主成分分析,在64種貢獻較大的風味物質(zhì)中,活性值較高的有2-乙基-6-甲基-吡嗪、2-乙?;拎ぁ⑽烊?、2-丁基-2-辛烯醇等10種成分,賦予其烘烤、蘋果、杏仁且略帶泥土清香的風味,是牛蒡茶的特征性風味物質(zhì)。根據(jù)風味物質(zhì)活性值,判斷3種常見加工工藝的主體風味物質(zhì)分別為2,5-二甲基吡嗪、1-(2-呋喃基)-乙酮和異戊醛。