方珂 ，張靜瑤，張忠飛，李教勇，牛宇戈，陸維盈

1.上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院（上海 200240）；2.上海市食品研究所有限公司（上海 200235）；3.廣東省粵北食藥資源利用與保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，韶關(guān)學(xué)院（韶關(guān) 512005）

番茄和番茄制品（如汁、醬、沙司、果泥等）是一類廣受消費(fèi)者歡迎的健康食品[1]。其營養(yǎng)豐富，富含維生素、礦物質(zhì)、類胡蘿卜素、酚類[2-3]和黃酮類等營養(yǎng)物質(zhì)，受到消費(fèi)者青睞。其中的類胡蘿卜素類的番茄紅素，不僅賦予番茄制品鮮艷的色澤，同時(shí)具有良好的生物活性功能，可預(yù)防癌癥、動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)生，減輕體內(nèi)氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)[4]。

番茄醬作為一種主要的番茄制品，其加工工藝主要包括打漿、破碎、過濾、濃縮、滅菌。在加工過程中，溫度、壓力、機(jī)械破壞等都會(huì)對番茄中的各種組分產(chǎn)生破壞和影響，從而影響番茄制品的營養(yǎng)品質(zhì)和風(fēng)味品質(zhì)。加工過程中不同工藝對營養(yǎng)成分的影響規(guī)律，以及風(fēng)味物質(zhì)，尤其是風(fēng)味劣變因子的確定與快速檢測技術(shù)缺乏深入研究[5]。

因此，以番茄醬為研究對象，分析番茄醬加工過程中不同工藝條件下營養(yǎng)組分和風(fēng)味物質(zhì)的變化，明確品質(zhì)關(guān)鍵控制點(diǎn)和標(biāo)志性風(fēng)味劣變因子，為提升番茄醬質(zhì)量和改進(jìn)加工工藝提供數(shù)據(jù)支持。針對風(fēng)味劣變因子，基于紅外快速檢測結(jié)合偏最小二乘法建?？蓪︼L(fēng)味劣變因子的含量進(jìn)行快速檢測。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

1.1.1 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

飛利浦HR2168型攪拌機(jī)（荷蘭PHILIPS公司）；R-215型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀、V-700型真空泵和B-491型水浴鍋（瑞士BUCHI公司）；EUROSTAR攪拌器和A11型研磨粉碎機(jī)（德國IKA公司）；ARIAS 500型折光儀（美國Reichert公司）；ColorQuest XE分光光度計(jì)（美國HunterLab公司）；infinite M200 PRO型酶標(biāo)儀（瑞士TECAN公司）；AllegraTM X-22R型冷凍離心機(jī)（美國BECKMAN COULTER公司）；N-EVAPTM 112型氮吹儀（美國Organomation Associates Inc.公司）；KH-500E型超聲波清洗器（昆山禾創(chuàng)超聲儀器有限公司）；冷凍干燥機(jī)（美國LABCONCO公司）；ACQUITY UPLC超高液相色譜系統(tǒng)、ACQUITY ELSD蒸發(fā)光檢測器和Empower色譜工作平臺(tái)（美國Waters公司）；Agilent 1260型HPLC高效液相色譜系統(tǒng)和G1351D 1260型二極管陣列檢測器（美國Agilent公司）；7890A-5975C氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（GCMS）；色譜柱DB-wax（30 m×0.25 mm×0.25 μm，美國Agilent公司）；色譜柱Carotenoid C30（150×4.6 mm，5 μm，日本YMC公司）；AntarisⅡ近紅外光譜儀（美國Thermo Fisher公司）。

1.1.2 原料與試劑

原料番茄采購自本地市場；無水甲醇、無水乙醇（常熟市鴻盛精細(xì)化工有限公司）；PBS粉（無錫傲銳東源生物科技有限公司）；濃鹽酸、碳酸鈉、沒食子酸、氫氧化鈉、蘆?。ㄉ虾Ａ璺寤瘜W(xué)試劑有限公司）；亞硝酸鈉、硝酸鋁（國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）；甲基叔丁基醚、番茄紅素、維生素C、β-胡蘿卜素（美國Sigma公司）；乙腈（中國阿達(dá)瑪斯公司）。

1.2 試驗(yàn)方法與儀器條件

1.2.1 番茄醬加工過程樣品的制備

番茄醬加工過程實(shí)驗(yàn)室模擬包括清洗、制漿、熱破碎、去皮去籽、濃縮及殺菌等。選取約1 kg新鮮番茄，要求充分成熟、色澤鮮艷。清洗：用純水洗凈番茄表面的污物、沙土，除去果蒂。制漿：番茄切碎后，倒入勻漿杯內(nèi)，在常溫下攪碎果肉，成為番茄漿液。熱破碎：將第一步打碎的番茄漿液攪拌杯，放入85 ℃水浴中，用臺(tái)式攪拌機(jī)機(jī)械攪拌15 min。去皮去籽：將第一步打碎的番茄漿液放入打漿機(jī)中，加入濾網(wǎng)，將皮、籽分離出來。濃縮：將上一步過濾網(wǎng)分離出的番茄汁放入旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)裝置中，設(shè)置水浴85 ℃，可溶性固形物含量達(dá)到28%~30%時(shí)，停止加熱。殺菌：將濃縮后番茄汁液轉(zhuǎn)移至玻璃瓶中密封，沸水中加熱30 min，封裝。上述每一步操作取樣3份，每份50 mL，作為3次平行操作用，貼上標(biāo)簽后放入-80 ℃冰箱過夜，用冷凍真空干燥脫水處理，干燥后樣品放入-20 ℃冰箱備用。

蔡連成認(rèn)為，領(lǐng)軍企業(yè)的擔(dān)當(dāng)不單單體現(xiàn)于技術(shù)的領(lǐng)先，更在于一份對社會(huì)、對行業(yè)的責(zé)任心。 “比如，綠色包裝就是我們的責(zé)任”，他舉例說。“環(huán)境保護(hù)人人有責(zé)。綠色包裝其實(shí)就是企業(yè)和個(gè)人的責(zé)任，甚至是社會(huì)和國家的責(zé)任。當(dāng)然，綠色包裝也可以體現(xiàn)產(chǎn)品自身的優(yōu)勢，給消費(fèi)者帶來一種綠色的感覺。我一向認(rèn)為，環(huán)保的這份責(zé)任心比企業(yè)發(fā)展更重要?！?/p>

1.2.2 總酚含量變化

稱取0.1 g的樣品，加入3 mL甲醇，渦旋；超聲提取20 min，在4 500 r/min離心5 min，收集上清液，加入3 mL甲醇，重復(fù)提取3次，合并上清液，氮?dú)獯抵粮稍?，加? mL 50%乙醇。樣品避光，放入-4 ℃保存，留待檢測。

在125 μL樣品提取液中加入500 μL蒸餾水，加入125 μL福林酚使用液；室溫下，避光反應(yīng)6 min，加入1.25 mL 7% Na2CO3溶液和1 mL蒸餾水。充分混合后，將體系避光反應(yīng)1.5 h，用酶標(biāo)儀在760 nm波長處測定吸光度。以同比例的去離子水和試劑的混合液作為空白對照。使用沒食子酸繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.2.3 總黃酮含量變化

稱取0.1 g樣品，加入3 mL甲醇，渦旋；超聲提取20 min，在4 500 r/min離心5 min，收集上清液，加入3 mL甲醇，重復(fù)提取3次，合并上清液，氮?dú)獯抵粮稍?，加? mL 50%乙醇。樣品避光，放入-4 ℃保存，留待檢測。

在125 μL樣品提取液中加入500 μL蒸餾水，加入125 μL福林酚使用液；室溫下，避光反應(yīng)6 min，加入1.25 mL 7% Na2CO3溶液和1 mL蒸餾水。充分混合后，將體系避光反應(yīng)1.5 h。吸取1.00 mL樣品提取液，置于10 mL容量瓶中，加入0.4 mL 5% NaNO2，搖勻，放置6 min；加入0.4 mL 10% Al(NO3)3，搖勻，放置6 min；加入4.0 mL 5% NaOH，加水至刻度，搖勻，放置15 min。使用酶標(biāo)儀在500 nm波長處測定吸光度，以同比例去離子水和試劑的混合液作為空白對照。以蘆丁為參照物，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線并計(jì)算總黃酮含量。

1.2.4 番茄紅素和胡蘿卜素含量測定

稱取0.1 g樣品，加入3 mL氯仿，渦旋；超聲提取20 min，在4 500 r/min離心5 min，收集氯仿層，加入3 mL氯仿，重復(fù)提取3次，合并氯仿層，氮?dú)獯抵粮稍铮尤? mL甲基叔丁基醚（MTBE）。樣品避光，放入-4 ℃保存，留待檢測。檢測時(shí)，取0.2 mL，用0.22 μm孔徑的有機(jī)相超濾膜過濾。

類胡蘿卜素采用高效液相色譜法進(jìn)行檢測。色譜條件：液相系統(tǒng)為HPLC配DAD二極管陣列檢測器；色譜柱YMC C30150×4.6 mm；柱溫30 ℃；分析時(shí)間15 min；進(jìn)樣量10 μL；流動(dòng)相A采用MTBE，流動(dòng)相B采用甲醇作為濃度梯度洗脫；流速0.7 mL/min。檢測器DAD，波長440 nm，470 nm。

1.2.5 標(biāo)志性風(fēng)味物質(zhì)的篩選

進(jìn)樣溫度260 ℃；分流比為無分流；載氣采用氦氣（99.999%）；流量1 mL/min；柱溫40 ℃保持5 min，后以5 ℃/min升至250 ℃，保持5 min；接口溫度260 ℃；離子源溫度230 ℃；四極桿溫度150 ℃；電離方式EI+，70 eV；檢測器電壓2 306 V；掃描方式為全掃描；質(zhì)量范圍20~400；NIST 2011譜庫。

SPME的條件：CTC三位一體自動(dòng)進(jìn)樣器萃取頭，50/30 μm DVB/CAR，戊醛on PDMS，溫度50 ℃，振蕩時(shí)間15 min，萃取時(shí)間30 min，振蕩速度250 r/min，解析時(shí)間4 min，GC循環(huán)時(shí)間57 min。

1.2.6 戊醛紅外譜圖的測定

醛類標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制：在天平秤上，分別吸取250 mg戊醛于50 mL燒杯中，用適量無水乙醇溶解后轉(zhuǎn)移至50 mL容量瓶，以乙醇定容后分別得到質(zhì)量濃度5 mg/mL的戊醛溶液，作為標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)藏液。將2種標(biāo)準(zhǔn)溶液分別吸取9，8，7，6，5，4，3，2和1 mL于10 mL容量瓶，加入無水乙醇定容，分別稀釋制成4.5，4.0，3.5，3.0，2.5，2.0，1.5，1.0和0.5 mg/mL的標(biāo)準(zhǔn)液。

2, 4-二硝基苯肼衍生液的配制：準(zhǔn)確稱取0.15 g 2, 4-二硝基苯肼于50 mL燒杯中，加入5 mL磷酸，攪拌使2, 4-二硝基苯肼充分溶解，轉(zhuǎn)移至50 mL棕色容量瓶中，用乙腈定容后，混合均勻。

吸取4.9 mL市售新鮮番茄汁于多個(gè)50 mL離心管中，每管分別添加100 μL不同濃度梯度的戊醛標(biāo)準(zhǔn)溶液（5.0，4.5，4.0，3.5，3.0，2.5，2.0，1.5，1.0和0.5 mg/mL的戊醛溶液），渦旋混合均勻，使番茄汁中戊醛質(zhì)量濃度分別為100，90，80，70，60，50，40，30，20和10 μg/mL。每種濃度重復(fù)3次平行取樣。向每個(gè)離心管中加入25 mL無水乙醇，超聲提取15 min，以4 500 r/min離心10 min，取5 mL上層萃取液于新的50 mL離心管中，加入5 mL 2, 4-二硝基苯肼衍生液，渦旋30 s，充分混合，常溫下反應(yīng)30 min，。吸取少量反應(yīng)后的樣液滴加到ATR（Ge晶體）上，用紅外光譜儀掃描測量，波長范圍為400~4 000 cm-1，掃描次數(shù)為32。

1.2.7 紅外快速預(yù)測模型的建立

運(yùn)用化學(xué)計(jì)量學(xué)對所得紅外數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理，提取紅外譜圖中與戊醛含量變化相關(guān)的有效信息，建立快速預(yù)測模型。采用主成分分析（principal component analysis，PCA）對整體紅外數(shù)據(jù)進(jìn)行探索性分析。主成分按方差響應(yīng)大小排序，表示為PC1，PC2和PC3等，其中PC1包含最多信息。PCA分析結(jié)果以主成分得分圖的形式直觀呈現(xiàn)。偏最小二乘分析（partial least squares，PLS）用于進(jìn)一步建立戊醛的定量預(yù)測模型。采用拉丁劃分法將原始數(shù)據(jù)集劃分為訓(xùn)練集和測試集，訓(xùn)練集用于構(gòu)建最終的偏最小二乘回歸模型（PLSR），而測試集用于評價(jià)模型預(yù)測能力。在建立PLSR模型時(shí)，潛變量（Latent variables，LVs）數(shù)量的選擇尤為重要，過多的LVs會(huì)造成模型的過擬合[6]。因此，采用bootstrapped Latin partition程序（10 bootstraps和5-fold Latin partition，BLP）確定最佳LVs的數(shù)值[7]。所有數(shù)據(jù)處理程序都是在個(gè)人電腦上使用MATLAB R2019a（MathWorks，Natick，Massachusetts，USA）編寫的內(nèi)部腳本進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 總酚含量變化

從圖1可以看出，與最初制漿的番茄漿液相比，熱破碎以后總酚含量有一定下降。但是與熱破碎過程相比，熱濃縮和殺菌過程導(dǎo)致總酚含量進(jìn)一步下降。由于熱濃縮的樣品是在熱破碎的樣品基礎(chǔ)上進(jìn)行試驗(yàn)，而殺菌過程又是在熱濃縮樣品基礎(chǔ)上進(jìn)行試驗(yàn)。所以加熱時(shí)間更長，導(dǎo)致熱效應(yīng)對總酚含量傷害產(chǎn)生疊加作用。結(jié)果也顯示，經(jīng)過殺菌過程的樣品總酚含量低于熱濃縮的樣品總酚含量，熱濃縮的樣品總酚含量又低于熱破碎的樣品總酚含量。結(jié)果表明，加熱的時(shí)間增加越多將導(dǎo)致總酚含量下降越為嚴(yán)重。此外，經(jīng)過濾以后，與最初制漿的番茄漿液相比總酚含量反而有所增加。推測是過濾過程實(shí)際上仍舊是一個(gè)攪拌和粉碎過程，只是多加一個(gè)過濾網(wǎng)。此操作過程對番茄籽和番茄皮進(jìn)一步進(jìn)行粉碎。番茄籽和番茄皮本身就含有一定量的酚，從圖中的第6個(gè)柱狀體高度可見，其含量約相當(dāng)于番茄漿液的50%。因此，固體顆粒番茄籽和番茄皮中的酚在經(jīng)過進(jìn)一步粉碎后，又有小部分釋放到液體中，從而提高經(jīng)過濾后番茄汁中總酚的含量。有文獻(xiàn)報(bào)道[8]，番茄醬的加工過程中隨著加熱時(shí)間不同對營養(yǎng)成分產(chǎn)生不同影響。用110 ℃，15 min或110 ℃，30 min的短時(shí)間熱處理會(huì)增加番茄紅素、總酚類化合物、黃酮類化合物的含量。

圖1 番茄醬加工過程中總酚含量變化

2.2 總黃酮含量變化

從圖2可以看出，經(jīng)過熱破碎、熱濃縮和殺菌過程的樣品相對于番茄漿液總黃酮含量有明顯下降。加熱對總黃酮量會(huì)產(chǎn)生一定影響，使總黃酮含量下降約30%。然而，雖然這3次加工過程中加熱時(shí)間是累積增加的，但是這種累積增加的熱效應(yīng)并沒有進(jìn)一步影響黃酮含量。3種樣品中的總黃酮量在經(jīng)過前期影響后，含量卻基本保持恒定，似乎對后期加熱不再敏感。經(jīng)過濾以后的樣品中總黃酮含量與番茄漿液中的含量基本保持不變，不像酚類化合物在此過程中會(huì)有進(jìn)一步釋放。然而皮和籽中總黃酮含量相對較多，結(jié)果表明黃酮類化學(xué)物質(zhì)主要存在于籽和皮中，不易釋放到主要以水溶性物質(zhì)組成的番茄漿液中。

圖2 番茄醬加工過程中總黃酮含量

2.3 胡蘿卜素和番茄紅素含量變化

從圖3可以看出，與番茄漿液中β-胡蘿卜素含量相比，經(jīng)熱破碎過程后β-胡蘿卜素有進(jìn)一步釋放，隨后的濃縮和殺菌是繼續(xù)加熱過程，這2個(gè)過程造成了β-胡蘿卜素成分含量有所下降，但其含量仍能維持與番茄漿液中基本相當(dāng)?shù)乃健＝Y(jié)果表明，短時(shí)間加熱能促進(jìn)β-胡蘿卜素成分釋放并溶解到主要以水溶性物質(zhì)組成的番茄漿液中，但是長時(shí)間加熱會(huì)造成β-胡蘿卜素成分被破壞或降解。此外，經(jīng)過濾后β-胡蘿卜素成分有大幅提高。此過濾過程實(shí)際上仍是一個(gè)攪拌和粉碎過程，只是多加一個(gè)過濾網(wǎng)。這樣做實(shí)際就對番茄籽和番茄皮進(jìn)一步進(jìn)行粉碎，所以有更多的β-胡蘿卜素成分從番茄籽和番茄皮中釋放并溶解到番茄漿液中。與之相反，由于番茄籽和番茄皮中的β-胡蘿卜素成分被大量釋放后，造成其本身所含成分的量大幅減少。

圖3 番茄醬加工過程中β-胡蘿卜素含量變化

從圖4可以看出，與番茄漿液中番茄紅素的含量相比，經(jīng)熱破碎過程后番茄紅素有進(jìn)一步釋放。隨后的濃縮和殺菌是繼續(xù)加熱過程，這2個(gè)過程造成番茄紅素成分含量有所下降，但其含量仍能維持在高于番茄漿液中的水平。結(jié)果表明，短時(shí)間加熱能促進(jìn)番茄紅素成分釋放并溶解到主要以水溶性物質(zhì)組成的番茄漿液中，但是長時(shí)間加熱會(huì)造成番茄紅素成分被破壞或降解。此外，經(jīng)過濾后番茄紅素成分有大幅提高。此過程實(shí)際上仍舊是一個(gè)攪拌和粉碎過程，只是多加一個(gè)過濾網(wǎng)。這樣做實(shí)際上就對番茄籽和番茄皮進(jìn)一步進(jìn)行粉碎，所以有更多的番茄紅素成分從番茄籽和番茄皮中釋放并溶解到番茄漿液中。與之相反，由于番茄籽和番茄皮中的番茄紅素成分被大量釋放后，造成其本身所含成分的量大幅減少。

圖4 番茄醬加工過程中番茄紅素含量變化

2.4 標(biāo)志性風(fēng)味物質(zhì)的篩選

應(yīng)用SPME-GC/MS技術(shù)，采集并分析加工過程不同階段的番茄制品（包括番茄原漿、熱破碎漿、濾液、濃縮液）中的風(fēng)味物質(zhì)，得到的GC-MS總離子流圖，如圖5所示。篩選出7種變化顯著的風(fēng)味物質(zhì)（表1），除戊醛外，其他幾種物質(zhì)的含量在后續(xù)的加工中均有下降趨勢，而戊醛含量卻有急劇上升，可見番茄制品的加工過程會(huì)產(chǎn)生大量戊醛，并因此很大程度影響番茄的風(fēng)味。后續(xù)對戊醛模型進(jìn)行建立。

表1 番茄加工過程中標(biāo)志性風(fēng)味物質(zhì)

圖5 標(biāo)志性風(fēng)味物質(zhì)的變化規(guī)律分析

2.5 戊醛模型的建立

如圖6所示，添加不同濃度戊醛使得番茄樣本的紅外吸收有明顯增加，且紅外峰的吸收強(qiáng)度會(huì)隨著戊醛濃度的上升有增加趨勢，但具體的戊醛添加濃度僅憑直觀的原始光譜圖判斷明顯存在困難。因此后續(xù)結(jié)合多元統(tǒng)計(jì)分析嘗試自動(dòng)識(shí)別戊醛濃度。

圖6 戊醛的紅外原始平均圖譜（左）和PCA得分圖（右）

戊醛原始數(shù)據(jù)經(jīng)過歸一化處理后進(jìn)行PCA分析，結(jié)果以第一主成分（PC1）和第二主成分（PC2）得分圖的形式展現(xiàn)。如圖5所示，添加戊醛的番茄樣本與空白樣本之間得到顯著區(qū)分，而不同濃度的戊醛添加樣本的區(qū)分度仍然較差，這與原始平均圖譜觀察到的現(xiàn)象一致。由于PCA是一種無監(jiān)督的多元分析方法，其最終結(jié)果判定需要人為干涉[9]，且PCA得分圖中不同濃度的樣本之間存在較大重疊，說明二維得分圖還不足以有效區(qū)分添加戊醛樣本的組間差異。因此，采用一種更強(qiáng)大的模式識(shí)別方法進(jìn)一步建立更好的戊醛預(yù)測模型。

PLS是一種有監(jiān)督的多元分析方法，算法中綜合降維及預(yù)測變量和響應(yīng)變量之間的相關(guān)性[10]。在構(gòu)建模型前，將原始數(shù)據(jù)集劃分為包含80%樣本的訓(xùn)練集和20%樣本的測試集，并通過BLP程序確定最佳LVs個(gè)數(shù)為6，模型預(yù)測結(jié)果如圖7所示。通常，優(yōu)秀的擬合模型需要較低的RMSE和較高的R2（＞0.9）[11]?？梢钥吹剿鶚?gòu)建的PLSR模型對于訓(xùn)練集和測試集均取得優(yōu)異的預(yù)測效果，R2均大于0.9，且殘差值較低。

圖7 PLSR預(yù)測效果

3 結(jié)論

番茄醬加工過程中的營養(yǎng)品質(zhì)變化的關(guān)鍵控制點(diǎn)在于熱破碎和濃縮環(huán)節(jié)。熱破碎的過程的控制要點(diǎn)在于如何提升營養(yǎng)物質(zhì)從細(xì)胞基質(zhì)中釋放的效率。而濃縮環(huán)節(jié)的控制重點(diǎn)在于提升濃縮效率，盡量降低反應(yīng)溫度，縮短蒸發(fā)時(shí)間。其原因在于多酚、黃酮還有類胡蘿卜素的氧化主要集中在這一步驟。

番茄籽中含有豐富的酚類和黃酮類物質(zhì)，因此對番茄醬的加工過程中的副產(chǎn)物皮籽的開發(fā)利用還有很大空間。

建模結(jié)果表明紅外光譜結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)用于番茄制品中不同濃度戊醛劣變因子快速檢測的可能性。然而，紅外光譜結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)預(yù)測番茄樣本中己醛劣變因子的效果較差，這可能與建模所采用的樣本量不夠充分，后續(xù)可通過擴(kuò)大樣本量和嘗試更多種的預(yù)處理方法來建立更優(yōu)異的模型。此外，品質(zhì)劣變往往是由于多個(gè)劣變因子聯(lián)合產(chǎn)生的效果，且戊醛與己醛的特征波峰類似。所以，后續(xù)研究可采用多種目標(biāo)物聯(lián)合進(jìn)行番茄醬的品質(zhì)表征。