潘少香,鄭曉冬,劉雪梅,閆新煥,孟曉萌,宋 燁

(中華全國供銷合作總社濟南果品研究院,山東濟南 250014)

干燥方式對生姜揮發(fā)性成分的影響

潘少香,鄭曉冬,劉雪梅,閆新煥,孟曉萌,宋 燁*

(中華全國供銷合作總社濟南果品研究院,山東濟南 250014)

研究不同干燥方式對生姜揮發(fā)性香氣成分的影響,采用氣相色譜和質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(Gas Chromatography-Mass Spectrometer,GC-MS)對生姜揮發(fā)性香氣成分進行檢測,并采用主成分分析法對測定結(jié)果進行分析,建立香氣質(zhì)量綜合評價模型,通過主成分綜合得分評價干燥生姜樣品的香氣品質(zhì)。結(jié)果表明:不同干燥方法處理生姜樣品的揮發(fā)性成分與鮮姜樣品有較大差異,鮮姜樣品綜合得分最高,噴霧干燥全姜粉次之,熱風(fēng)干燥樣品得分最低。說明鮮姜樣品的香氣成分是最好的,噴霧干燥處理比熱風(fēng)干燥更能保持生姜香氣風(fēng)味。

生姜,干燥,揮發(fā)性成分,主成分分析

生姜指姜屬植物的塊根莖,別名紫姜、生姜、鮮姜、老姜。生姜化學(xué)成分復(fù)雜,包括碳水化合物、蛋白質(zhì)、維生素、礦物質(zhì)、辛辣素、油脂及少量揮發(fā)性油分。生姜因其特殊的風(fēng)味,被廣泛的應(yīng)用于烹調(diào)香料、調(diào)味料和草藥。生姜風(fēng)味的感官特性主要是姜精油這種物質(zhì)賦予,姜精油是生姜中的揮發(fā)性油分,它為生姜提供了香氣和風(fēng)味。生姜不易保鮮,新鮮原料難以滿足市場需要和人們的消費需求。

目前生姜產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀,以簡單加工為主,將新鮮果蔬直接干制加工成果蔬粉,是近幾年來出現(xiàn)的一種新趨勢[1]。姜粉作為附加值較高的產(chǎn)品,加工工藝不同使產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊。研究表明生姜的風(fēng)味化學(xué)成分因其地理位置[2]、品種[3]、提取方法[4]以及加工方式[5]的不同而產(chǎn)生差異。干制加工可以降低樣品水分含量抑制微生物的生長,但是干燥會導(dǎo)致物料揮發(fā)性香氣成分的損失[6],同時會產(chǎn)生一些新的化合物[7]。國內(nèi)果蔬粉加工采用的干燥方式主要有噴霧干燥、熱風(fēng)干燥等,其中以噴霧干燥方式制粉居多[1]。

由于生姜的揮發(fā)性成分種類很多,實驗結(jié)果采用主成分分析法分析。主成分分析是一種多元統(tǒng)計分析技術(shù),它是一種降維或者把多個指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個綜合指標(biāo)來反映原來指標(biāo)的方法,主成分分析的目的是簡化數(shù)據(jù)和揭示變量間的關(guān)系。目前主成分分析法已廣泛應(yīng)用于食品中香味成分的分析。實驗通過主成分分析法對不同處理生姜樣品的揮發(fā)性成分進行區(qū)分從而對生姜粉的不同干燥方式進行區(qū)分和評價,建立生姜香氣質(zhì)量主成分評價模型,本文通過對姜粉產(chǎn)品香氣成分分析旨在為村鎮(zhèn)農(nóng)產(chǎn)品采后初加工提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材料及儀器

生姜 為萊蕪生姜,樣品購自濟南市歷下區(qū)吉祥苑農(nóng)貿(mào)市場。

BGR-240電熱鼓風(fēng)干燥箱 上海博訊實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠;噴霧干燥機 上海沃迪機械;高速萬能粉碎機 天津市泰斯特儀器有限公司;UM3打漿機、PDA膠體磨 德國奧拓公司;Agilent 7890-5975氣質(zhì)聯(lián)用儀 美國安捷倫公司;DB-5 MS柱 美國安捷倫公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品處理方法 熱風(fēng)干燥和噴霧干燥參考畢金峰[19]方法并略有改動。

對照鮮姜處理工藝:生姜→洗凈晾干→打漿。

熱風(fēng)干燥粉處理工藝:生姜→洗凈晾干切成2～3 mm左右的生姜片→80 ℃電熱鼓風(fēng)干燥箱熱風(fēng)干燥6 h(關(guān)鍵控制點)→粉碎過80目篩→熱風(fēng)干燥姜粉。

全姜噴霧干燥粉處理工藝:生姜→洗凈晾干→打漿機粗破碎后過膠體磨然后190目篩過濾→噴霧干燥(進風(fēng)口溫度180 ℃,出風(fēng)口溫度100 ℃,進料轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速40 r/min)(關(guān)鍵控制點)→全姜噴霧干燥粉。

姜汁噴霧干燥粉處理工藝:生姜→洗凈晾干→打漿機粗破碎后榨汁→姜汁噴霧干燥(進風(fēng)口溫度180 ℃,出風(fēng)口溫度100 ℃,進料轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速40 r/min)(關(guān)鍵控制點)→姜汁噴霧干燥粉。

姜渣熱風(fēng)干燥粉處理工藝:生姜→洗凈晾干→打漿機粗破碎后榨汁→姜渣80 ℃電熱鼓風(fēng)干燥箱熱風(fēng)干燥4 h(關(guān)鍵控制點)→粉碎過80目篩→姜渣熱風(fēng)干燥粉。

1.2.2 揮發(fā)性成分提取 參考龐雪莉[8]方法并略有改動。取生姜漿/粉6 g放入15 mL樣品萃取瓶中,置于固相微萃取工作臺上于40 ℃水浴中平衡20 min;將固相微萃取器萃取頭通過瓶蓋聚四氟乙烯隔墊插入樣品萃取瓶的頂空,推出吸附頭使其暴露于萃取瓶頂空蒸汽中萃取20 min后縮回纖維頭,迅速將針管插入氣相色譜儀的進樣口,推出纖維頭熱解析3 min,同時啟動氣相色譜儀采集數(shù)據(jù)。

1.2.3 色譜與質(zhì)譜條件

1.2.3.1 色譜條件 DB-5石英毛細(xì)管柱(30 m×0.25 mm,0.25 um);升溫程序:柱初始溫度50 ℃維持2 min,以3 ℃/min升到150 ℃維持5 min,以1 ℃/min升到155 ℃維持1 min,以20 ℃/min升到250 ℃維持1 min,進樣口溫度250 ℃,載氣流速1 mL/min,分流比為50∶1。

1.2.3.2 質(zhì)譜條件 離子源溫度230 ℃,電離方式為EI,電子能量70 eV,掃描質(zhì)量范圍29～400 u。

1.2.4 揮發(fā)性成分的定性和定量

1.2.4.1 定性分析 采取譜庫檢索保留指數(shù)方法:a.未知圖譜與NIST08庫圖譜對比,對匹配度大于90%的物質(zhì)予以確認(rèn);b.保留指數(shù)鑒定:采用相同的升溫程序,以C8～C18的正構(gòu)烷烴做標(biāo)準(zhǔn),以其保留時間計算樣品物質(zhì)的保留指數(shù)(RI),并與有關(guān)文獻[17-18]進行比較。

1.2.4.2 定量分析 按峰面積歸一化法算出樣品中各個組分的相對含量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS13.0主成分分析法。將數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理以后,做因子分析,得到主成分的方差貢獻表。根據(jù)軟件給出的成分矩陣表,求出不同變量相應(yīng)的主成分特征向量,特征向量和標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)的乘積即為變量的主成分負(fù)荷量,則不同樣品的主成分得分可得[13-15]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同干燥方式處理生姜揮發(fā)性成分分析

利用頂空固相微萃取對生姜揮發(fā)性成分進行提取,結(jié)果見表1。在鮮姜樣品中共檢測到44種香氣成分,占總含量的93.56%;在熱風(fēng)干燥全姜粉中共檢測到38種香氣成分,占總含量的95.51%;在全姜噴霧干燥粉中共檢測到36種香氣成分,占總含量的87.25%;在姜汁噴霧干燥粉中共檢測到38種香氣成分,占總含量的95.87%;在姜渣熱風(fēng)干燥粉中共檢測到37種香氣成分,占總含量的96.09%。不同處理樣品的香氣成分種類如圖1和圖2。從圖1中可以看出生姜的揮發(fā)性成分主要是單萜烯和倍半萜烯以及醇、醛、酯類化合物。Ngozichukwuka P Igoli研究發(fā)現(xiàn)生姜揮發(fā)性成分中倍半萜烯占70%,單萜只占3.5%[9]。

圖1 不同處理生姜的不同揮發(fā)性成分種類數(shù)Fig.1 The number of aroma components in different treatments of ginger

圖2 不同處理生姜的單萜和倍半萜類化合物的種類數(shù)Fig.2 The number of monoterpenes and sesquiterpenes in different treatments of ginger

表1 不同方法處理的生姜揮發(fā)性香氣成分及其相對含量

續(xù)表

對生姜風(fēng)味貢獻作用最大的主要是一系列單萜類化和物,如香茅醛、香葉醛、橙花醛等,氧化倍半萜烯類含量較少但對生姜風(fēng)味影響較大[10]。從圖2中可以看出與對照鮮姜相比,各干燥處理生姜樣品的倍半萜烯類化合物種類均有所減少,而單萜類化合物種類均有所增加。一方面可能是由于高溫處理導(dǎo)致倍半萜類化合物分解向單萜類化合物轉(zhuǎn)化,另一方面可能是由于鮮姜水分含量高,限制了部分單萜類化合物的揮發(fā)[16]。與鮮姜相比生姜中的關(guān)鍵揮發(fā)性成分香茅醛、香葉醛、橙花醛等含量均有所下降,這可能是由于化合物結(jié)構(gòu)的變化,氧化化合物脫氧所導(dǎo)致的,例如醛類化合物脫氧生成相應(yīng)的醇類化合物[16],在干燥過程中橙花醇含量的升高就證明了這一點。選取5種不同處理樣品的58種揮發(fā)性成分作為主成分分析變量進行統(tǒng)計。

表3 4個主成分的特征向量與載荷

續(xù)表

2.2 香氣成分的主成分分析

利用分析軟件SPSS13.0對5種處理的生姜樣品的58種揮發(fā)性香氣成分進行主成分分析,得到主成分的特征值和貢獻率見表2,由表2可以看出軟件分離出四個主成分累積貢獻率達100%,第一主成分貢獻率62.289%,第二主成分貢獻率19.715%,第三主成分貢獻率10.505%,第四主成分貢獻率7.491%。由此可見,四個主成分能夠完全代表揮發(fā)性香氣成分的變化規(guī)律。

表2 4個主成分特征值及其貢獻率

由表3可知,第一主成分反應(yīng)的指標(biāo)有鄰異丙基甲苯、4-蒈烯、香茅醛、表姜烯酮、姜烯、石竹烯、香檸檬烯、α-古蕓烯、長葉烯、g-蓽澄茄烯、雙環(huán)倍半水芹烯、人參烯、甘香烯等的變異信息,指標(biāo)反應(yīng)的是鮮姜中的特有成分和含量比例比其他處理樣品高的香氣成分。第二主成分反應(yīng)的指標(biāo)有α-水芹烯、α-雪松烯、2-十一烷酮、桃金娘烯醛、萜品烯、萜品油烯等的變異信息,指標(biāo)反應(yīng)的是噴霧干燥全姜粉中含量比例比其他處理高的香氣成分。第三主成分反應(yīng)的指標(biāo)有桉油精、龍腦、樟腦的變異信息,指標(biāo)反應(yīng)的是兩種熱風(fēng)干燥粉含量相似的成分。第四主成分反應(yīng)的指標(biāo)有檜萜醇、z-β-法尼烯的變異信息,指標(biāo)反應(yīng)的是熱風(fēng)干燥全姜粉的特有成分。

由表2可知前兩個主成分的累積貢獻率達到82%,基本上可以解釋大部分揮發(fā)性香氣成分的變異信息。根據(jù)58種揮發(fā)性成分的相對含量以及主成分的特征值和系數(shù)載荷計算出5種生姜樣品主成分值,以第一主成分值為橫坐標(biāo),第二主成分值為縱坐標(biāo)作散點圖(圖3)。由圖3可以看出,五種生姜樣品主要分為四區(qū)域,對照鮮姜樣品在第一主成分上與其它樣品明顯分開,其它四種樣品在第二主成分上差別較大,熱風(fēng)干燥的兩種樣品區(qū)域比較接近,這說明干燥后的姜粉樣品揮發(fā)性成分與鮮姜的揮發(fā)性成分在第一主成分上有很大的不同,干燥工藝對鮮姜的揮發(fā)性成分改變比較明顯,不同干燥處理的生姜樣品的揮發(fā)性成分也有所不同。

表4 主成分綜合成績得分表

圖3 5種處理生姜樣品主成分散點圖Fig.3 PCA biplot for five orange varieties

圖4由58 種香氣成分的第一主成分值為橫坐標(biāo)、第二主成分值為縱坐標(biāo)作散點圖而得。 圖4結(jié)合圖3可知,影響鮮姜揮發(fā)性香氣成分主要集中在第一主成分正半軸,按影響力從大到小排列分別是鄰異丙基甲苯,4-蒈烯,香茅醛,表姜烯酮,姜烯,石竹烯,香檸檬烯,α-古蕓烯,長葉烯,g-蓽澄茄烯,雙環(huán)倍半水芹烯,α-panasinsene,甘香烯,香葉醛,古巴烯,α-蒎烯,橙花醛,其中包括影響生姜風(fēng)味的關(guān)鍵性揮發(fā)性成分香葉醛和橙花醛[12]。影響噴霧干燥生姜揮發(fā)性香氣成分主要集中在第二主成分正半軸,按影響力從大到小排列分別是α-水芹烯,α-雪松烯,2-十一烷酮,桃金娘烯醛,萜品烯,萜品油烯,芳樟醇,α-萜品烯,4-萜烯醇。影響熱風(fēng)干燥生姜揮發(fā)性香氣成分主要集中在第二主成分負(fù)半軸,按影響力從大到小排列分別是(Z)-3,7-二甲基-1,3,6-十八烷三烯,龍腦(醇),檜萜醇,z-β-法尼烯,α-香橙烯,橙花醇,姜烯,環(huán)蒜頭烯,羅勒烯。

圖4 58種香氣成分主成分散點圖Fig.4 PCA biplot for 58 identified aroma components

2.3 不同處理生姜樣品評價模型的建立及香氣質(zhì)量分析

由于主成分分析中前4個主成分反映了58個指標(biāo)變量的全部信息,可知利用前4個主成分進行不同干燥處理生姜樣品揮發(fā)性香氣成分質(zhì)量評價是可行的,可用F1、F2、F3、F4這4個新的綜合指標(biāo)來替代原來的58種香氣成分指標(biāo)對生姜樣品進行分析,得到生姜香氣成分的前4個主成分的線性關(guān)系式分別為:

F1=-0.004x1+0.027x2+0.027x3-0.006x4+…+0.027x55+0.027x56-0.028x57+0.027x58

F2=0.044x1-0.015x2+0.010x3-0.029x4+…-0.011x55-0.011x56+0.008x57-0.011x58

F3=-0.137x1+0.016x2-0.035x3+0.07x4+…+0.014x55+0.014x56-0.003x57+0.014x58

F4=-0.038x1+0.015x2+0.002x3-0.187x4+…+0.002x55+0.002x56-0.01x57+0.002x58

以每個主成分的特征值的方差貢獻率βi(i=1,2,3,4,……,k)為加權(quán)系數(shù),利用綜合評價函數(shù)F=β1F1+β2F2+…+βkFk,建立綜合評價模型 F=0.623F1+0.197F2+0.105F3+0.075F4,計算各樣本得分然后對生姜樣品的香氣質(zhì)量進行評價。由表4可知,主成分F1、F2、F3、F4得分最高的分別是鮮姜樣品、噴霧干燥全姜粉、姜渣熱風(fēng)干燥粉和熱風(fēng)干燥全姜粉,綜合得分排名分別是鮮姜樣品、噴霧干燥全姜粉、姜汁噴霧干燥粉、熱風(fēng)干燥全姜粉、姜渣熱風(fēng)干燥粉。這說明鮮姜樣品的香氣成分是最好的,噴霧干燥處理比熱風(fēng)干燥更能保持生姜香氣風(fēng)味,全姜處理的樣品的香氣風(fēng)味優(yōu)于姜汁或姜渣單獨處理的香氣風(fēng)味。

3 結(jié)論

實驗對鮮姜及不同干燥方式處理生姜樣品的揮發(fā)性香氣成分進行分析,發(fā)現(xiàn)干燥處理會對生姜的揮發(fā)性香氣成分造成影響,同時不同干燥方式對生姜揮發(fā)性香氣成分的影響也是不同的。結(jié)果表明,生姜樣品的揮發(fā)性香氣成分主要是單萜烯和倍半萜烯以及醇、醛、酯類化合物,倍半萜烯類化合物相對含量最高,其次是單萜烯類化合物。干燥處理導(dǎo)致的生姜中倍半萜烯類化合物相對含量下降,單萜烯類化合物含量升高。與鮮姜相比生姜中的關(guān)鍵揮發(fā)性成分香茅醛、香葉醛、橙花醛等含量均有所下降,導(dǎo)致鮮姜的特有風(fēng)味有所下降。噴霧干燥和熱風(fēng)干燥處理對生姜的揮發(fā)性香氣成分造成的影響,有相同之處,也有不同之處,相同之處在于兩種處理方式均為干燥處理方式,均導(dǎo)致了香茅醛、香葉醛、橙花醛等成分含量的下降,鮮姜的特有風(fēng)味的損失。不同之處在于兩種干燥方式處理過程不一樣,熱風(fēng)干燥過程長時間高溫處理,噴霧干燥屬于瞬時高溫處理,因此造成不同揮發(fā)性成分含量的差異。

主成分分析法分析不同干燥樣品的揮發(fā)性成分,提取了4個主成分,累計方差貢獻率達100%,能反映所有變量的原有信息建立香氣質(zhì)量綜合評價模型,通過主成分綜合得分評價干燥生姜樣品的香氣品質(zhì),結(jié)果表明,鮮姜樣品綜合得分最高,噴霧干燥全姜粉次之。說明鮮姜樣品的香氣成分是最好的,噴霧干燥處理比熱風(fēng)干燥處理得分更高,說明噴霧干燥處理生姜風(fēng)味與鮮姜樣品更接近,噴霧干燥比熱風(fēng)干燥更能保持鮮姜的風(fēng)味。

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The difference of aroma quality of ginger treated with different drying methods

PAN Shao-xiang,ZHENG Xiao-dong,LIU Xue-mei,YAN Xin-huan,MENG Xiao-meng,SONG Ye*

(Jinan Fruit Research Institute,All China Federation of Supply & Marketing Co-operatives,Jinan 250014,China)

Gas Chromatography-Mass Spectrometer(GC-MS)were applied in the experiment to analyze aroma compounds of ginger treated with different drying methods,and principal component analysis(PCA)were adopted to investigate the influence of different drying methods on ginger flavors. The evaluation model of the aroma quality was established to evaluate the aroma quality of ginger treated with different drying methods. The results showed that obvious differences of aroma compounds were found between ginger treated with different drying methods and fresh ginger. The composite scores of fresh sample was highest,then was the spraying drying whole ginger powder. Hot air drying sample was the last. These showed that the aroma quality of fresh ginger was best and the spray drying could maintain aroma quality of ginger better than hot air drying.

ginger;drying;flavors;principal component analysis(PCA)

2016-05-04

潘少香(1989-)，男，碩士，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品加工及貯藏,E-mail:panshaoxiang@126.com。

*通訊作者:宋燁(1981-)，女，在讀博士，副研究員，研究方向：食品的分析檢測和質(zhì)量控制,E-mail:249895221@qq.com。

十二五國家科技支撐計劃項目(2014BAL07B05)。

TS201.1

B

1002-0306(2016)24-0000-00

10.13386/j.issn1002-0306.2016.24.000