干燥方式对生姜挥发性成分的影响

潘少香,郑晓冬,刘雪梅,闫新焕,孟晓萌,宋 烨

(中华全国供销合作总社济南果品研究院,山东济南 250014)

干燥方式对生姜挥发性成分的影响

潘少香,郑晓冬,刘雪梅,闫新焕,孟晓萌,宋 烨*

(中华全国供销合作总社济南果品研究院,山东济南 250014)

研究不同干燥方式对生姜挥发性香气成分的影响,采用气相色谱和质谱联用技术(Gas Chromatography-Mass Spectrometer,GC-MS)对生姜挥发性香气成分进行检测,并采用主成分分析法对测定结果进行分析,建立香气质量综合评价模型,通过主成分综合得分评价干燥生姜样品的香气品质。结果表明:不同干燥方法处理生姜样品的挥发性成分与鲜姜样品有较大差异,鲜姜样品综合得分最高,喷雾干燥全姜粉次之,热风干燥样品得分最低。说明鲜姜样品的香气成分是最好的,喷雾干燥处理比热风干燥更能保持生姜香气风味。

生姜,干燥,挥发性成分,主成分分析

生姜指姜属植物的块根茎,别名紫姜、生姜、鲜姜、老姜。生姜化学成分复杂,包括碳水化合物、蛋白质、维生素、矿物质、辛辣素、油脂及少量挥发性油分。生姜因其特殊的风味,被广泛的应用于烹调香料、调味料和草药。生姜风味的感官特性主要是姜精油这种物质赋予,姜精油是生姜中的挥发性油分,它为生姜提供了香气和风味。生姜不易保鲜,新鲜原料难以满足市场需要和人们的消费需求。

目前生姜产业的现状,以简单加工为主,将新鲜果蔬直接干制加工成果蔬粉,是近几年来出现的一种新趋势[1]。姜粉作为附加值较高的产品,加工工艺不同使产品质量参差不齐。研究表明生姜的风味化学成分因其地理位置[2]、品种[3]、提取方法[4]以及加工方式[5]的不同而产生差异。干制加工可以降低样品水分含量抑制微生物的生长,但是干燥会导致物料挥发性香气成分的损失[6],同时会产生一些新的化合物[7]。国内果蔬粉加工采用的干燥方式主要有喷雾干燥、热风干燥等,其中以喷雾干燥方式制粉居多[1]。

由于生姜的挥发性成分种类很多,实验结果采用主成分分析法分析。主成分分析是一种多元统计分析技术,它是一种降维或者把多个指标转化为少数几个综合指标来反映原来指标的方法,主成分分析的目的是简化数据和揭示变量间的关系。目前主成分分析法已广泛应用于食品中香味成分的分析。实验通过主成分分析法对不同处理生姜样品的挥发性成分进行区分从而对生姜粉的不同干燥方式进行区分和评价,建立生姜香气质量主成分评价模型,本文通过对姜粉产品香气成分分析旨在为村镇农产品采后初加工提供依据。

1 材料和方法

1.1 材料及仪器

生姜 为莱芜生姜,样品购自济南市历下区吉祥苑农贸市场。

BGR-240电热鼓风干燥箱 上海博讯实业有限公司医疗设备厂;喷雾干燥机 上海沃迪机械;高速万能粉碎机 天津市泰斯特仪器有限公司;UM3打浆机、PDA胶体磨 德国奥拓公司;Agilent 7890-5975气质联用仪 美国安捷伦公司;DB-5 MS柱 美国安捷伦公司。

1.2 实验方法

1.2.1 样品处理方法 热风干燥和喷雾干燥参考毕金峰[19]方法并略有改动。

对照鲜姜处理工艺:生姜→洗净晾干→打浆。

热风干燥粉处理工艺:生姜→洗净晾干切成2～3 mm左右的生姜片→80 ℃电热鼓风干燥箱热风干燥6 h(关键控制点)→粉碎过80目筛→热风干燥姜粉。

全姜喷雾干燥粉处理工艺:生姜→洗净晾干→打浆机粗破碎后过胶体磨然后190目筛过滤→喷雾干燥(进风口温度180 ℃,出风口温度100 ℃,进料转子转速40 r/min)(关键控制点)→全姜喷雾干燥粉。

姜汁喷雾干燥粉处理工艺:生姜→洗净晾干→打浆机粗破碎后榨汁→姜汁喷雾干燥(进风口温度180 ℃,出风口温度100 ℃,进料转子转速40 r/min)(关键控制点)→姜汁喷雾干燥粉。

姜渣热风干燥粉处理工艺:生姜→洗净晾干→打浆机粗破碎后榨汁→姜渣80 ℃电热鼓风干燥箱热风干燥4 h(关键控制点)→粉碎过80目筛→姜渣热风干燥粉。

1.2.2 挥发性成分提取 参考庞雪莉[8]方法并略有改动。取生姜浆/粉6 g放入15 mL样品萃取瓶中,置于固相微萃取工作台上于40 ℃水浴中平衡20 min;将固相微萃取器萃取头通过瓶盖聚四氟乙烯隔垫插入样品萃取瓶的顶空,推出吸附头使其暴露于萃取瓶顶空蒸汽中萃取20 min后缩回纤维头,迅速将针管插入气相色谱仪的进样口,推出纤维头热解析3 min,同时启动气相色谱仪采集数据。

1.2.3 色谱与质谱条件

1.2.3.1 色谱条件 DB-5石英毛细管柱(30 m×0.25 mm,0.25 um);升温程序:柱初始温度50 ℃维持2 min,以3 ℃/min升到150 ℃维持5 min,以1 ℃/min升到155 ℃维持1 min,以20 ℃/min升到250 ℃维持1 min,进样口温度250 ℃,载气流速1 mL/min,分流比为50∶1。

1.2.3.2 质谱条件 离子源温度230 ℃,电离方式为EI,电子能量70 eV,扫描质量范围29～400 u。

1.2.4 挥发性成分的定性和定量

1.2.4.1 定性分析 采取谱库检索保留指数方法:a.未知图谱与NIST08库图谱对比,对匹配度大于90%的物质予以确认;b.保留指数鉴定:采用相同的升温程序,以C8～C18的正构烷烃做标准,以其保留时间计算样品物质的保留指数(RI),并与有关文献[17-18]进行比较。

1.2.4.2 定量分析 按峰面积归一化法算出样品中各个组分的相对含量。

1.3 数据分析

采用SPSS13.0主成分分析法。将数据进行标准化处理以后,做因子分析,得到主成分的方差贡献表。根据软件给出的成分矩阵表,求出不同变量相应的主成分特征向量,特征向量和标准化数据的乘积即为变量的主成分负荷量,则不同样品的主成分得分可得[13-15]。

2 结果与分析

2.1 不同干燥方式处理生姜挥发性成分分析

利用顶空固相微萃取对生姜挥发性成分进行提取,结果见表1。在鲜姜样品中共检测到44种香气成分,占总含量的93.56%;在热风干燥全姜粉中共检测到38种香气成分,占总含量的95.51%;在全姜喷雾干燥粉中共检测到36种香气成分,占总含量的87.25%;在姜汁喷雾干燥粉中共检测到38种香气成分,占总含量的95.87%;在姜渣热风干燥粉中共检测到37种香气成分,占总含量的96.09%。不同处理样品的香气成分种类如图1和图2。从图1中可以看出生姜的挥发性成分主要是单萜烯和倍半萜烯以及醇、醛、酯类化合物。Ngozichukwuka P Igoli研究发现生姜挥发性成分中倍半萜烯占70%,单萜只占3.5%[9]。

图1 不同处理生姜的不同挥发性成分种类数Fig.1 The number of aroma components in different treatments of ginger

图2 不同处理生姜的单萜和倍半萜类化合物的种类数Fig.2 The number of monoterpenes and sesquiterpenes in different treatments of ginger

表1 不同方法处理的生姜挥发性香气成分及其相对含量

续表

对生姜风味贡献作用最大的主要是一系列单萜类化和物,如香茅醛、香叶醛、橙花醛等,氧化倍半萜烯类含量较少但对生姜风味影响较大[10]。从图2中可以看出与对照鲜姜相比,各干燥处理生姜样品的倍半萜烯类化合物种类均有所减少,而单萜类化合物种类均有所增加。一方面可能是由于高温处理导致倍半萜类化合物分解向单萜类化合物转化,另一方面可能是由于鲜姜水分含量高,限制了部分单萜类化合物的挥发[16]。与鲜姜相比生姜中的关键挥发性成分香茅醛、香叶醛、橙花醛等含量均有所下降,这可能是由于化合物结构的变化,氧化化合物脱氧所导致的,例如醛类化合物脱氧生成相应的醇类化合物[16],在干燥过程中橙花醇含量的升高就证明了这一点。选取5种不同处理样品的58种挥发性成分作为主成分分析变量进行统计。

表3 4个主成分的特征向量与载荷

续表

2.2 香气成分的主成分分析

利用分析软件SPSS13.0对5种处理的生姜样品的58种挥发性香气成分进行主成分分析,得到主成分的特征值和贡献率见表2,由表2可以看出软件分离出四个主成分累积贡献率达100%,第一主成分贡献率62.289%,第二主成分贡献率19.715%,第三主成分贡献率10.505%,第四主成分贡献率7.491%。由此可见,四个主成分能够完全代表挥发性香气成分的变化规律。

表2 4个主成分特征值及其贡献率

由表3可知,第一主成分反应的指标有邻异丙基甲苯、4-蒈烯、香茅醛、表姜烯酮、姜烯、石竹烯、香柠檬烯、α-古芸烯、长叶烯、g-荜澄茄烯、双环倍半水芹烯、人参烯、甘香烯等的变异信息,指标反应的是鲜姜中的特有成分和含量比例比其他处理样品高的香气成分。第二主成分反应的指标有α-水芹烯、α-雪松烯、2-十一烷酮、桃金娘烯醛、萜品烯、萜品油烯等的变异信息,指标反应的是喷雾干燥全姜粉中含量比例比其他处理高的香气成分。第三主成分反应的指标有桉油精、龙脑、樟脑的变异信息,指标反应的是两种热风干燥粉含量相似的成分。第四主成分反应的指标有桧萜醇、z-β-法尼烯的变异信息,指标反应的是热风干燥全姜粉的特有成分。

由表2可知前两个主成分的累积贡献率达到82%,基本上可以解释大部分挥发性香气成分的变异信息。根据58种挥发性成分的相对含量以及主成分的特征值和系数载荷计算出5种生姜样品主成分值,以第一主成分值为横坐标,第二主成分值为纵坐标作散点图(图3)。由图3可以看出,五种生姜样品主要分为四区域,对照鲜姜样品在第一主成分上与其它样品明显分开,其它四种样品在第二主成分上差别较大,热风干燥的两种样品区域比较接近,这说明干燥后的姜粉样品挥发性成分与鲜姜的挥发性成分在第一主成分上有很大的不同,干燥工艺对鲜姜的挥发性成分改变比较明显,不同干燥处理的生姜样品的挥发性成分也有所不同。

表4 主成分综合成绩得分表

图3 5种处理生姜样品主成分散点图Fig.3 PCA biplot for five orange varieties

图4由58 种香气成分的第一主成分值为横坐标、第二主成分值为纵坐标作散点图而得。 图4结合图3可知,影响鲜姜挥发性香气成分主要集中在第一主成分正半轴,按影响力从大到小排列分别是邻异丙基甲苯,4-蒈烯,香茅醛,表姜烯酮,姜烯,石竹烯,香柠檬烯,α-古芸烯,长叶烯,g-荜澄茄烯,双环倍半水芹烯,α-panasinsene,甘香烯,香叶醛,古巴烯,α-蒎烯,橙花醛,其中包括影响生姜风味的关键性挥发性成分香叶醛和橙花醛[12]。影响喷雾干燥生姜挥发性香气成分主要集中在第二主成分正半轴,按影响力从大到小排列分别是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。影响热风干燥生姜挥发性香气成分主要集中在第二主成分负半轴,按影响力从大到小排列分别是(Z)-3,7-二甲基-1,3,6-十八烷三烯,龙脑(醇),桧萜醇,z-β-法尼烯,α-香橙烯,橙花醇,姜烯,环蒜头烯,罗勒烯。

图4 58种香气成分主成分散点图Fig.4 PCA biplot for 58 identified aroma components

2.3 不同处理生姜样品评价模型的建立及香气质量分析

由于主成分分析中前4个主成分反映了58个指标变量的全部信息,可知利用前4个主成分进行不同干燥处理生姜样品挥发性香气成分质量评价是可行的,可用F1、F2、F3、F4这4个新的综合指标来替代原来的58种香气成分指标对生姜样品进行分析,得到生姜香气成分的前4个主成分的线性关系式分别为:

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

以每个主成分的特征值的方差贡献率βi(i=1,2,3,4,……,k)为加权系数,利用综合评价函数F=β1F1+β2F2+…+βkFk,建立综合评价模型 F=0.623F1+0.197F2+0.105F3+0.075F4,计算各样本得分然后对生姜样品的香气质量进行评价。由表4可知,主成分F1、F2、F3、F4得分最高的分别是鲜姜样品、喷雾干燥全姜粉、姜渣热风干燥粉和热风干燥全姜粉,综合得分排名分别是鲜姜样品、喷雾干燥全姜粉、姜汁喷雾干燥粉、热风干燥全姜粉、姜渣热风干燥粉。这说明鲜姜样品的香气成分是最好的,喷雾干燥处理比热风干燥更能保持生姜香气风味,全姜处理的样品的香气风味优于姜汁或姜渣单独处理的香气风味。

3 结论

实验对鲜姜及不同干燥方式处理生姜样品的挥发性香气成分进行分析,发现干燥处理会对生姜的挥发性香气成分造成影响,同时不同干燥方式对生姜挥发性香气成分的影响也是不同的。结果表明,生姜样品的挥发性香气成分主要是单萜烯和倍半萜烯以及醇、醛、酯类化合物,倍半萜烯类化合物相对含量最高,其次是单萜烯类化合物。干燥处理导致的生姜中倍半萜烯类化合物相对含量下降,单萜烯类化合物含量升高。与鲜姜相比生姜中的关键挥发性成分香茅醛、香叶醛、橙花醛等含量均有所下降,导致鲜姜的特有风味有所下降。喷雾干燥和热风干燥处理对生姜的挥发性香气成分造成的影响,有相同之处,也有不同之处,相同之处在于两种处理方式均为干燥处理方式,均导致了香茅醛、香叶醛、橙花醛等成分含量的下降,鲜姜的特有风味的损失。不同之处在于两种干燥方式处理过程不一样,热风干燥过程长时间高温处理,喷雾干燥属于瞬时高温处理,因此造成不同挥发性成分含量的差异。

主成分分析法分析不同干燥样品的挥发性成分,提取了4个主成分,累计方差贡献率达100%,能反映所有变量的原有信息建立香气质量综合评价模型,通过主成分综合得分评价干燥生姜样品的香气品质,结果表明,鲜姜样品综合得分最高,喷雾干燥全姜粉次之。说明鲜姜样品的香气成分是最好的,喷雾干燥处理比热风干燥处理得分更高,说明喷雾干燥处理生姜风味与鲜姜样品更接近,喷雾干燥比热风干燥更能保持鲜姜的风味。

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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，硕士，研究方向：农产品加工及贮藏,E-mail:panshaoxiang@126.com。

*通讯作者:宋烨(1981-)，女，在读博士，副研究员，研究方向：食品的分析检测和质量控制,E-mail:249895221@qq.com。

十二五国家科技支撑计划项目(2014BAL07B05)。

TS201.1

B

1002-0306(2016)24-0000-00

10.13386/j.issn1002-0306.2016.24.000