浓缩苹果汁加工过程挥发性风味物质变化规律*

郑宇，刘畅，李林洁，白晓磊，李淑静，郑文杰，王敏

1(天津科技大学生物工程学院，工业发酵微生物教育部重点实验室，天津，300457)

2(天津出入境检验检疫局动植物与食品检测中心，天津，300461)

我国是世界第一大浓缩苹果汁生产和出口国，2010年以来，出口量基本保持在60万 t左右［1-2］。苹果的挥发性风味物质是构成其风味和品质的重要特征之一，目前已知的组分超过了300种，主要包括醇类、酯类、醛类、烯类等，但只有20～40种主要挥发性风味物质直接影响苹果香味特性，是构成浓缩苹果汁苹果特征香气最重要的组分［3-6］，其中正己醇、反-2-己烯醛和乙酸丁酯是公认在苹果产品风味中占有重要地位的风味物质［7-8］

浓缩苹果汁加工生产的主要工序为苹果的拣选、破碎、榨汁、前巴氏杀菌、酶解澄清、超滤、树脂吸附、蒸发浓缩、后巴氏杀菌和无菌灌装［9-10］。加工过程中温度、压力等条件以及酶解、超滤等工序均会导致一些挥发性风味物质浓度发生变化甚至消失，同时加工过程还会通过化学反应生成新的风味物质，从而影响浓缩果汁风味［11］。Aguilar-Rosas等比较了高温瞬时热处理杀菌和高压脉冲非热处理杀菌对苹果汁挥发性风味物质的影响，发现2种方式处理后苹果汁挥发性风味物质均明显减少，高压脉冲处理对产品风味的影响小于高温瞬时杀菌［12］。阮美娟等利用气相色谱-质谱分析了菠萝汁中挥发性风味物质在浓缩过程中的变化，发现在真空浓缩过程中原果汁风味物质减少，菠萝香味变淡［13］。

浓缩苹果汁作为重要食品原料，其风味对产品品质有重要影响，浓缩苹果汁加工生产过程中其挥发性风味物质种类和含量均有较大变化，然而，目前对浓缩苹果汁生产全过程主要挥发性风味物质组成及其变化规律的认识仍不深入。本研究采用顶空固相微萃取与气相色谱-质谱联用技术，从原料果开始对浓缩苹果汁加工全过程挥发性风味物质进行分析。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 样品

山西临猗某浓缩苹果汁生产车间取样。根据浓缩苹果汁生产工艺流程，选择原料果、果浆酶解、压榨、前巴氏杀菌、果胶酶解、超滤、树脂吸附、蒸发浓缩、后巴氏杀菌、成品等10个关键点进行取样。取样后放入冰盒中立即带回实验室保存于4℃冰箱中。

1.1.2 仪器与设备

美国安捷伦公司Agilent 7890A GC-5975 MS气-质联用仪;美国安捷伦公司HP-5毛细管柱(30 m×250 μm ×0.25 μm);Supelco 公司75 μm CAR/PDMS固相微萃取头。

1.2 实验方法

1.2.1 浓缩苹果汁加工过程挥发性风味物质变化规律分析

采用顶空固相微萃取与气相色谱-质谱联用技术，分别对浓缩苹果汁加工过程10个样品的挥发性风味物质进行分析，研究其在加工过程中种类、浓度等变化规律。

1.2.2 分析方法

1.2.2.1 顶空固相微萃取方法

取2 g样品和4 mL水置于20 mL样品瓶中，每个样品分别加入2 g NaCl促进挥发性风味物质挥发，加入1 μL 1.6 mg/mL 2-辛醇作为内标，40℃加热平台上平衡10 min，将萃取头插入250℃的GC进样口老化30 min后插入已平衡好的样品瓶中进行吸附。吸附完成后，插入GC进样口，进行解吸。原料果样品制备过程:将原料果切成小块后在研钵内磨成果浆即为原料果样品。

1.2.2.2 气相色谱-质谱仪器条件

(1)气相色谱条件:Agilent HP-5毛细管柱，氦载气流速1 mL/min，进样口温度250℃，不分流。升温程序为:柱温起始温度35℃，维持1 min后以1℃/min速率增加至70℃，维持2 min，再以5℃/min速率升温至230℃，维持5 min，共75 min。

(2)质谱检测条件:接口温度为280℃，电离方式EI加电离源，离子源温度230℃，四极杆温度150℃，电子能量70 eV，捕获方式为全扫描(30～600 m/z)。

1.2.2.3 化合物定性和定量方法

对浓缩苹果汁加工过程中的挥发性风味物质进行GC-MS分析，各组分质谱在NIST08质谱库中进行检索(化合物的匹配度为80 以上)，并参考相关文献［8，14-15］初步确定化合物种类，在此基础上通过保留指数法进一步定性。样品中加入1 μL 1.6 mg/mL 2-辛醇作为内标物进行相对定量。每个化合物相对浓度按照挥发性风味物质峰面积与内标物峰面积比值计算，然后按照压榨出汁率86%，蒸发浓缩7倍换算为该化合物在每克果浆挥发性物质中的相对浓度。以上实验均做3个平行。

1.2.3 数据处理

采用Excel和OrginPro 8.1软件对数据进行分析处理，采用SIMCA-P 11.5软件对浓缩苹果汁加工过程中挥发性风味物质进行主成分分析(principal component analysis，PCA)。

2 结果与分析

2.1 浓缩苹果汁加工过程挥发性物质种类和浓度变化

浓缩苹果汁加工过程共检测到79种挥发性风味物质(如表1所示)，主要为醇类、酯类、醛类、烯类、酮类、芳香类、酚类和烷烃类等，其中酯类的种类数目最多达到33种，醛类10种，醇类7种。这些化合物在浓缩苹果汁加工过程中变化规律如图1(A)所示。从化合物种类来看，呈现先增加后降低的趋势，终产品浓缩苹果汁中共检测出19种化合物。果浆酶解后挥发性风味物质的数量最多，随后逐渐下降。其中果浆酶解后样品中挥发性风味物质种类数目比原料果中增加了约1倍，达到了34种，这是由于果浆酶是一种含有果胶裂解酶、聚半乳糖醛酸酶、糖苷酶组成的复合酶，可将果胶中的半乳糖醛酸分解为小分子的挥发性化合物释放出来，而且还能降解一些糖苷键，使果汁中键合态的芳香物质前体变为游离态的芳香物质，增加了芳香物质种类［16-17］。同时浓缩苹果汁生产过程中还产生了多种烷烃类物质。加工过程各种化合物的相对浓度则呈现逐渐下降的趋势，在原料果中最高。经过果浆酶解和敞开式压榨后分别降低了49.69%和20.19%。最终在成品中检测出的挥发性风味物质总相对浓度最低。蒸发浓缩能够将大量的水分蒸发达到浓缩的目的，同时许多挥发性化合物也一起被蒸发出去，导致挥发性风味物质总相对浓度降低［18］。

表1 浓缩苹果汁加工过程中挥发性风味物质的变化Table 1 Changes of volatile flavour compounds in the concentrated apple juice production process 单位:μg/g

续表1

续表1

续表1

图1 浓缩苹果汁加工过程中挥发性风味物质种类和相对浓度变化Fig.1 Change of volatile flavour compounds during the concentrated apple juice production process

按化合物种类和浓度对各类化合物进行了分类分析，表2表明在生产过程中醇类和酯类化合物的种类降低最多，说明这些化合物由于沸点较低，在浓缩苹果汁加工过程中逐渐降低。表3显示在生产过程中醇类、酯类、醛类为主要的挥发性风味物质。在原料果中酯类的种类最多，浓度较高，这与前人得到的酯类挥发性风味物质是构成苹果特征香气最重要的组分这一结论一致［3-6］。

2.2 浓缩苹果汁加工过程中挥发性风味物质主成分分析

在对浓缩苹果汁加工过程中挥发性风味物质变化分析的基础上，采用统计学软件(SIMCA-P 11.5)进行了主成分分析，进一步分析了挥发性风味物质的变化规律。

对浓缩苹果汁加工过程中79种挥发性风味物质进行主成分分析，结果如图2(A)所示，其中主成分1、主成分2和主成分3分别代表了79种挥发性风味物质总体信息的40.08%，25.26%和16.38%，3个主成分总共代表了总体信息的81.72%，能较好地代表样品的总体信息。主成分分析图中，距离大小说明样品在主成分上的差别程度，距离越大差别越明显［19］。图2(A)表明蒸发浓缩、后巴氏杀菌和成品之间样品的差异较小，原料果、果浆酶解、前巴氏杀菌、超滤和蒸发浓缩工序之间样品的差异较大。

表2 浓缩苹果汁加工过程挥发性风味物质种类比例变化 单位:%Table 2 Proportion of volatile flavor compounds during the concentrated apple juice production

表3 浓缩苹果汁加工过程挥发性风味物质含量比例变化 单位:%Table 3 Contents of volatile flavor compounds during the concentrated apple juice production

对浓缩苹果汁加工过程中8类挥发性风味物质进行主成分分析，结果由图2(B)所示，主成分1、主成分2和主成分3分别代表了8类挥发性风味物质总体信息的50.90%，27.14%和15.70%，3个主成分总共代表了总体信息的93.74%，能很好地代表样品的总体信息。蒸发浓缩、后巴氏杀菌工序和成品之间样品的差异较小，超滤和树脂吸附工序样品间差异较小，其余工序样品间差异较大。主成分综合排名结果显示酯类、醇类和醛类得分最高为正值，表明浓缩苹果汁加工过程对这三类挥发性风味物质影响最大，因此本论文重点关注其在浓缩苹果汁加工过程中的变化。

图2 浓缩苹果汁加工过程对挥发性风味物质的影响Fig.2 Effects of concentrated apple juice production process on volatile flavour compounds

2.3 浓缩苹果汁加工过程主要挥发性风味物质种类和浓度的分类变化

成分分析表明浓缩苹果汁加工过程对酯类、醇类和醛类这3类挥发性风味物质影响最大，其分类变化如图3所示。

图3 浓缩苹果汁加工过程中主要挥发性风味物质种类和相对浓度的变化Fig.3 Changes of main volatile flavour compounds during the concentrated apple juice production process

由图3(A)可知果浆酶解、压榨和果胶酶解样品中醇类的种类和相对浓度最高。在苹果浊汁前巴氏杀菌过程中，醇类在较高的温度下挥发，导致种类和浓度分别降低了28.57%和45.47%。超滤后醇类种类和浓度分别下降了50.00%和57.86%，可能是由于这些物质与大分子物质结合，在超滤过程中被截留，也可能是由于这些挥发性风味物质在超滤循环中蒸发所致，前者被认为是超滤后醇类降低的主要原因［20］。在随后减压浓缩与后巴氏杀菌工序中高温条件造成大部分醇类物质挥发，其中蒸发浓缩后醇类相对浓度下降了99.94%。最终成品中醇类的相对浓度为0.02%。

从图3(B)可以看出，在浓缩苹果汁加工过程中酯类挥发性风味物质相对浓度呈现先下降，后升高，最后又下降的趋势。浓缩苹果汁加工过程中果浆酶解后酯类种类增加了106.67%，但浓度却下降了53.88%，这可能是敞开式压榨过程中酯类挥发造成的。果胶酶解后酯类成分相对浓度增加了42.29%，这是因为该工序将果汁中的大分子物质酶解为小分子化合物，并且还可以降解一些糖苷键，使果汁中键合态的风味物质前体变为游离态的挥发性风味物质，从而增加了挥发性风味物质的总量［17］。前巴氏杀菌的高温使得酯类挥发减少。超滤后酯类化合物种类和相对浓度分别下降了34.48%和41.76%。蒸发浓缩后酯类相对浓度下降了85.83%。成品中酯类成分种类和相对浓度比后巴氏杀菌后分别降低了64.29%和82.35%。

从图3(C)可以看出，浓缩苹果汁加工过程中醛类成分种类未有较大改变，而相对浓度却变化较大。在经过果浆酶解和果胶酶解过程后分别下降了97.16%和97.07%。前巴氏杀菌的高温可能使得醇在高温环境下氧化产生醛类［21］，使其相对浓度增加了97.94%。蒸发浓缩使醛类成分挥发，相对浓度降低了94.34%。

综上所述，果浆酶解和果胶酶解工序释放出较多的风味物质;前巴氏杀菌工序使得醇类、酯类化合物含量下降，醛类升高;蒸发浓缩工序由于温度升高，风味物质损失较多。此外，超滤工序后风味物质种类和含量也有明显降低。

3 结论

采用顶空固相微萃取结合气相色谱-质谱技术对浓缩苹果汁加工全过程中挥发性风味物质变化规律进行了分析。浓缩苹果汁加工过程中挥发性风味物质种类减少了21种，相对浓度降低了99.77%;主成分分析表明，浓缩苹果汁加工过程对醇类、酯类和醛类挥发性风味物质影响最大，其浓度分别降低了99.96%，99.93%和99.58%;对浓缩苹果汁加工过程中挥发性风味物质有较大影响的关键工序为酶解、巴氏杀菌、超滤和蒸发浓缩。

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