不同提取方式对比分析姜油中的风味物质

徐宗季,何海艳,袁 建,何 荣,鞠兴荣,*

(1.南京财经大学食品科学与工程学院/江苏省现代粮食流通与安全协同创新中心/江苏高校粮油质量安全控制及深加工重点实验室,江苏南京 210023;2.江苏经贸职业技术学院,江苏南京 211100)



不同提取方式对比分析姜油中的风味物质

徐宗季1,何海艳2,袁 建1,何 荣1,鞠兴荣1,*

(1.南京财经大学食品科学与工程学院/江苏省现代粮食流通与安全协同创新中心/江苏高校粮油质量安全控制及深加工重点实验室,江苏南京 210023;2.江苏经贸职业技术学院,江苏南京 211100)

本文以生姜为原料,通过两种不同的提取方式研究姜油中的风味物质,采用气质联用(GC-MS)技术对得到的样品进行风味物质的测定,并运用主成分分析法(PCA)比较两种不同的提取方式所得到的风味物质之间的区别。结果表明:超临界CO2萃取法得到的姜油共检测出83个峰,乙醇浸提法共检测出51个峰,得到的风味物质主要有6大类,包括烯烃类、酮/酚类、酸酯类、醛类、醇类和烷烃类,其中贡献率最大的是烯烃类和酮/酚类,累计贡献率达到95.544%。超临界CO2萃取得到的姜油不仅感官品质上优于乙醇浸提法得到的姜油,其风味物质的相对含量也明显多于乙醇浸提法得到的姜油,为以后姜油风味物质的开发利用提供一定的参考依据。

生姜油,GC-MS,风味物质,主成分分析

生姜(ginger)是我国传统调味料之一,因其具有独特的风味和辛辣口感,深受广大群众的喜爱。生姜精油作为生姜的提取物,基本包含了生姜的独特风味和辛辣口感,但不同的提取方法得到的风味物质的种类和含量都不相同。生姜油的提取方法有水蒸气蒸馏法、溶剂浸提法、压榨法、超声波法、液体 CO2浸提法和超临界 CO2萃取法[1]等,根据加工方法和所含成分的不同,可以得到姜精油和姜油树脂两种深加工产品[2]。

目前,关于生姜油的提取方法和成分研究有很多报道,李加兴等[3]研究了超临界CO2萃取生姜精油的工艺优化,发现最佳实验条件下生姜的出油率可达到1.81%;常大伟等[4]利用亚临界技术得到了高提取率和高品质的风味姜油;李辉等[5]通过正交实验研究了水蒸气蒸馏法提取生姜精油的最佳工艺条件;何文珊等[6]研究了生姜不同有机溶剂提取物的GC-MS分析,发现有机溶剂的极性对实验结果有影响;赵林敏等[7]通过GC-MS分析了石油醚萃取得到的江永香姜姜油树脂,初步检测出24种化合物多为烯烃类物质;史先振等[8]利用固相微萃取-气相色谱-质谱法分析比较了铜陵白姜与白姜蜜饯中的风味物质;欧海军等[9]采用HPLC法测定生姜中姜黄素类风味物质的含量;王丽等[10]通过高效液相色谱-电喷雾四级杆飞行时间质谱分析了生姜中的姜辣素类风味物质。

本次研究主要通过超临界CO2萃取法和乙醇浸提法得到生姜精油,初步从感官品质上分析了两者之间的差异,并运用GC-MS技术对两种不同提取方式得到的姜油中的风味物质进行了鉴别、分类,通过主成分分析法(PCA)对结果进行比较、分析,并运用风味物质的总离子图对分析结果进行了准确性的验证,旨在为以后姜油风味物质的开发和研究提供重要的参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

新鲜生姜 产地山东莱芜。

乙醇(AR) 国药集团化学试剂有限公司;高速万能粉碎机 天津市泰斯特仪器有限公司;HH-4数显恒温水浴锅 国华电器有限公司;CCA-1111旋转蒸发仪 上海爱朗仪器有限公司;7071超临界CO2萃取装置 USA;7890A-5975C气质联用分析仪 美国安捷伦公司。

表3 两种提取方法姜油的感官评定Table 3 Sensory evaluation of ginger oil of different extraction conditions

1.2 实验方法

1.2.1 姜粉的制备 新鲜生姜清洗干净,切成4 mm左右的薄片置于干净的托盘中,放入60 ℃的烘箱中8 h,然后将干燥后的生姜粉碎,过30目筛,备用。

1.2.2 超临界CO2萃取生姜油 参考文献[3]中超临界CO2萃取的工艺条件和预实验结果显示:超临界CO2萃取法中萃取压力对实验结果影响最大,其他因素(萃取温度、萃取时间、CO2流量)影响较小,所以本次研究固定萃取温度55 ℃,萃取时间2.5 h,CO2流量350 kg/h不变,萃取压力分别为18、20、22、25 MPa。称取400 g左右的生姜粉,然后按照上述萃取条件设置参数进行萃取,得到提取物。取10 mg提取物溶解于甲醇溶液中,用10 mL的容量瓶定容,然后过0.45 μm微孔滤膜至10 μL的进样瓶中,待测,编号1、2、3、4。

1.2.3 乙醇浸提生姜油 参考文献[11]中的方法,固定料液比为1∶8,浸提方式为恒温水浴锅中加热浸提12 h,然后真空抽滤获得浸提液,通过旋转蒸发仪获得提取物。取10 mg提取物溶解于甲醇溶液中,用10 mL的容量瓶定容,然后过0.45 μm微孔滤膜至10 μL的进样瓶中,待测,编号5、6、7、8、9、10，见表1。

表1 乙醇浸提法样品编号Table 1 Sample number under ethanol extraction conditions

1.2.4 生姜油GC-MS分析条件 气相色谱条件:毛细管色谱柱HP-5(30 m×0.25 mm×0.25 μm);载气:氦气;流速:1 mL/min;时间间隔:1 s;进样量:1 μL;分流比:10∶1;升温程序:柱初温80 ℃(保留3 min),然后以20 ℃/min升至140 ℃(保留2 min),再以6 ℃/min升至230 ℃(保留3 min),再以15 ℃/min升至260 ℃(保留5 min)。质谱条件:电喷雾离子源(ESI);电离能:70 eV;接口温度:250 ℃;电子源温度:230 ℃;质谱扫描范围:m/z 45～550。

1.2.5 感官评定方法 在实验室团队中选取10名研究人员,将得到的生姜油配制成不同浓度,分别让10名研究人员进行感官评定。通过一段时间的实验培训,最终选取8名研究人员参加本次实验的感官评定,感官评定的具体标准见下表2。

表2 感官评定标准Table 2 Sensory evaluation standards

1.2.6 数据处理 样品中风味物质的定性由计算机检索与NIST08标准质谱库匹配得到。风味物质的定量分析采用峰面积归一化法,求得各样品中风味物质的相对含量。应用SPSS17.0软件对姜油中的风味物质进行主成分分析。

2 结果与讨论

2.1 两种提取方法姜油的感官评定

由表3可以看出,两种不同的提取方法所得到的生姜油之间还是有明显区别的。乙醇浸提法得到的生姜油色泽呈黄色透明状,口感辛辣但略带苦味,辛香味较淡。超临界CO2萃取得到的生姜油色泽呈橙黄色半透明状,口感上是姜独有的辛辣味,辛香味浓郁。

2.2 两种提取方法姜油的GC-MS分析结果

表4 风味物质主成分贡献率百分比Table 4 The percentage contribution of the main components of volatile substances

提取方法:主成分分析法。GC-MS鉴定结果:对10个样品进行了GC-MS分析鉴定,结果显示:超临界CO2萃取的姜油样品(1、2、3、4)中共检测出83个峰,其中Area Pct≥0.2的有38种:烯烃13种,酮/酚类4种,酯类7种,醛类6种,醇类3种,烷烃类5种;乙醇浸提的姜油样品(5、6、7、8、9、10)中共检测出51个峰,其中Area Pct≥0.2的有29种:烯烃9种,酮/酚类3种,酯类5种,醛类3种,醇类3种,烷烃类6种。超临界CO2萃取和乙醇浸提所得的姜油主要成分均为姜烯、姜黄烯和姜酮，其含量分别为32.655%、13.046%、6.215%和16.702%、8.225%和12.228%。

2.3 两种提取方法姜油风味物质主成分分析(PCA)

进行主成分分析时,由于单一的风味物质变量数目较多,为了更加方便的分析数据且不丢失原有的信息,将10个样品中的风味物质划分为烯烃类、酮/酚类、酯类、醛类、醇类、烷烃类6大类,再剔除那些与指标不相关或相关系数较小的变量,使每次主成分分析的变量小于或等于样本量(本实验中样本量为10),最终找出有效的风味物质与实验样品的关系[12]。

表5 成分矩阵Table 5 Ingredient matrix

提取方法:主成分分析法。

为了使后面具体分析姜油中的风味物质更加方便,首先对6大类物质进行主成分分析,得到6大类风味物质的主成分贡献率表4,成分矩阵表5。

通过表4可以看出,根据主成分特征值大于1的原则,前2个主成分累计方差贡献率达到95.544%,所以,可以用这2个主成分较好的代替上述6大类成分来分析与判断样品品质。

结合表5可以看出,决定第一主成分大小的主要是烯烃类物质,其贡献率为77.718%,称其为烯烃因子。决定第二主成分大小的主要是酮/酚类物质,其贡献率为18.366%,称其为酮/酚因子。下面主要对这2个主成分进行讨论。

2.3.1 烯烃类 采用SPSS17.0软件对烯烃类风味物质进行主成分分析,按照剔除最小特征值的主成分中对应的特征向量最大绝对值的权值所对应的变量原则,每次剔除一个变量,然后对剩余变量进行主成分分析,分别可以得到样品得分图和主成分载荷图。样品得分图可以很直观的反映出在不同的提取条件下得到的姜油品质不同,主成分载荷图可以反映出具体样品对应的特征性物质[13]。对烯烃类物质进行了5次剔除后,得到9个指标,具体样品得分图见图1,主成分载荷图见图2。

图1 样品得分图Fig.1 Sample score

图2 烯烃类物质在主成分上的载荷图Fig.2 Olefins compounds in the principal components of the load diagram

由图1可以看出,超临界CO2萃取的样品(1号、2号、3号、4号)分布在第三、第四象限,在压力最适的条件下得到的风味物质也越多;乙醇浸提法的样品(5号、6号、7号)分布的比较散乱,第一、二、三象限都有,说明乙醇浸提法中温度对风味物质的影响最大;乙醇浸提法的样品(8号、9号、10号)分布在第一、二象限,说明在乙醇浸提法中乙醇浓度对风味物质的影响次之;再结合图2可以看出,超临界萃取3号样品对应的特征性风味物质是β-倍半水芹烯和罗汉柏烯;乙醇浸提9号样品对应的特征性风味物质是姜烯。分析特征性风味物质不同的原因:超临界 CO2萃取法得到的多为挥发性萜类物质,如β-倍半水芹烯、β-甜没药烯、α-姜黄烯等,这是生姜呈香呈味的重要原因[14];而乙醇浸提法得到的多为非挥发性物质。

2.3.2 酮/酚类 对酮/酚类物质进行了3次剔除,得到5个指标,具体样品得分图见图3,主成分载荷图见图4。

图3 样品得分图Fig.3 Sample score

图4 酮/酚类物质在主成分上的载荷图Fig.4 Ketones/phenols in the principal components of the load diagram

由图3可以看出,超临界CO2萃取的样品(1号、2号、3号、4号)主要分布在第三、四象限,说明在压力不同的条件下样品中酮类的分布比较散乱,明显的是3号样品对应的特征性风味物质为姜酮;乙醇浸提法的样品(5号、6号、7号、8号、9号、10号)分布无明显规律,无显著的特征性风味物质。再结合图4可以看出,超临界CO2萃取的样品得到的多为姜酮和2-丁酮,而乙醇浸提法得到的多为姜酚、4-乙基-2-甲氧基苯酚、甲基壬基酮。分析可能的原因:超临界CO2萃取法不仅能得到挥发性物质,还能得到大量的非挥发性物质,萃取率也明显高于溶剂浸提[15],姜酮类物质就属于特征性非挥发性物质;而乙醇浸提法得到的产物多为酚类物质,可能的原因是溶剂极性的不同会对酚类物质的提取有影响[6],溶剂的极性越小,生姜中水溶性酚类物质的溶解度越小。

2.4 样品总离子图分析

下面列举了两个样品总离子图进行说明和分析:超临界萃取压力为22 MPa和乙醇浸提浓度为85%,温度60 ℃。

超临界萃取压力22 MPa：在此条件下,运用GC-MS分析,共鉴定出83个峰,其中12个共有峰构成该样品图谱的稳定结构峰,样品总离子图谱见下图5。

图5 超临界CO2萃取生姜油的总离子图Fig.5 TIC chromatography of supercritical CO2 extraction

由图5可以看出,构成稳定结构峰的12个峰中,其中9号峰积分面积最大且最稳定,因此选择为参照峰(S)。以其相对保留时间和峰面积为1,分别计算各特征峰相对保留时间、相对峰面积[16]。12个共有峰的化学成分及特征参数见表6。

表6 12个共有峰化学成分及特征参数Table 6 Chemical constituents and data of 12 common peaks

进一步结合表6可以看出,在超临界压力为22 MPa的条件下,样品中12个共有峰的化学成分分别为柠檬醛、β-榄香烯、α-法呢烯、月桂酸甲酯、罗汉柏烯、2-丁酮、姜烯、α-姜黄烯、姜酮、6-姜酚、3-吡啶乙酸、天然辣椒素。其中烯烃类所占比例最大且峰面积最高,所以对风味物质的影响大小为烯烃类>酮/酚类>酸酯类>醛类>其他类。李霞等[17]研究指出,姜油中烯烃类和酮/酚类两大类物质是构成生姜风味物质的有效成分,这印证了本次实验的准确性。

乙醇浸提浓度为85%,温度60 ℃：在此条件下,运用GC-MS分析,共鉴定出51个峰,其中12个共有峰构成该样品图谱的稳定结构峰,样品总离子图谱见下图6。

图6 乙醇浸提法生姜油的总离子图Fig.6 TIC chromatography of ethanol extraction

由图6可以看出,构成稳定结构峰的12个峰中,其中10号峰积分面积较大且最稳定,因此选择为参照峰(S)。以其相对保留时间和峰面积为1,分别计算各特征峰相对保留时间、相对峰面积。12个共有峰的化学成分及特征参数见表7。

表7 12个共有峰化学成分及特征参数Table 7 Chemical constituents and data of 12 common peaks

以10号峰为参照峰(S),结合表7可以看出,在乙醇浸提浓度为85%,温度60 ℃的条件下,样品中12个共有峰的化学成分分别为癸醛、α-松油醇、香叶醇、甲基壬基甲酮、α-法呢烯、棕榈酸甲酯、β-甜没药烯、α-姜黄烯、姜烯、姜酮、6-姜酚、二十七烷酸甲酯。通过和许舒雯等[18]研究结果比较发现:生姜中主要的风味物质有6种是相同的,其它不同的原因可能是许舒雯等采用了索氏提取的方法。本次实验结果中仍以烯烃类物质所占比例最多,但姜酮类等非挥发性物质有明显增加,酸酯类及醛类等挥发性风味物质明显减少,这与战琨友等[19]研究的是一致的,因为乙醇浸提法得到的多为非挥发性的物质,而超临界CO2萃取既能提取到挥发性的物质又能提取到非挥发性的物质。所以分析比较可以得出乙醇浸提法中各类物质对风味物质的影响大小为烯烃类>酮/酚类>醇类>醛类>酸酯类>其他类。

3 结论

本次研究主要通过两种不同的提取方式对比分析了姜油中的风味物质,比较发现:超临界CO2萃取和乙醇浸提法得到的样品中风味物质的种类大致相同,主要有6大类:烯烃类,酮/酚类,酸酯类,醇类,醛类,烷烃类。运用主成分分析法(PCA)得出贡献率大小依次为烯烃类>酮/酚类>酸酯类>醛类>醇类>烷烃类,其中烯烃类贡献率达到77.178%,酮/酚类贡献率达到18.366%,说明不管哪种提取方法,烯烃类物质和酮/酚类物质都是对姜油风味起主要作用的物质。GC-MS分析表明,超临界CO2萃取得到的姜油风味物质主要成分为姜烯、姜黄烯和姜酮,含量分别为32.655%、13.046%和6.215%,而乙醇浸提所得姜油的姜烯、姜黄烯和姜酮的含量分别为16.702%、8.225%和12.228%。由此可见,超临界CO2萃取法对风味物质有较高的萃取率,而乙醇浸提法得到更多的姜酮类物质。因为不同的提取方法得到的化学成分和含量有所差异,所以生产实践中可以根据不同的应用目的,采取不同的姜油提取方法。

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Comparison and analysis of Ginger oil flavor substances by different extraction ways

XU Zong-ji1,HE Hai-yan2,YUAN Jian1,HE Rong1,JU Xing-rong1,*

(1.College of Food Science and Engineering/Collaborative Innovation Center for Modern Grain Circulation and Safety/Key Laboratory of Grains and Oils Quality Control and Processing,Nanjing University of Finance and Economics,Nanjing 210023,China;2.Jiangsu Vocational Institute of Commerce,Nanjing 211100,China)

Thevolatilecompoundsingingerwereextractedbytwomethods,usinggaschromatography-massspectrometry(GC-MS)toanalyzetheextractedvolatilesubstancesofthesamples.Andprincipalcomponentanalysis(PCA)wasadoptedtoinvestigatetheirflavorsandcomparetheirdifferences.AccordingtotheanalysisbyGC-MS,83peakswereseperatedbysupercriticalCO2extractionand51peaksseperatedbyethanolextraction,themainlyweresixcategoriesvolatilecompounds,includingolefins,ketones/phenols,acidesters,aldehydes,alcohols,andalkanes,inwhicholefinsandketone/phenolsmadeasignificantcontribution,andthecumulativecontributionratewas95.544%.ThesensoryqualityofthegingeroilbysupercriticalCO2extractionwasbetterthanbyethanolextraction,andtherelativecontentofvolatilesubstanceswasalsosignificantlyhigherthanethanolextractionmethod,whichprovidedareferenceforfuturedevelopmentandutilizationofgingeroil.

gingeroil;GC-MS;volatilecompounds;PCA

2016-04-08

徐宗季(1991-),男,硕士,研究方向：食品安全与营养,E-mail:17768107696@163.com。

*通讯作者:鞠兴荣(1957-),男,博士，教授,研究方向：食品营养、功能食品及农产品深加工研究,E-mail:xingrongju@163.com。

国家科技支撑计划课题(2014BAD04B10);公益性行业科研专项(201313007);江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)。

TS224.4

A

1002-0306(2016)21-0304-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.21.050