甘蔗汁富含多种氨基酸、微量元素,生物活性物质,是营养丰富的天然饮料[1-2]。在印度的医药和养生学领域,甘蔗汁还用于治疗和预防黄疸、低血压等疾病[3]。然而甘蔗汁糖度高,容易受到微生物侵染,发霉褐变,货架期短。近年来,低温等离子体杀菌技术因具有温度低、杀菌效果好、无残留等特点,而受到国内外学者的广泛关注[4-5]。有研究表明低温等离子体能够产生光电子、离子和活性自由基团,进而杀灭大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、芽孢杆菌、弗氏柠檬酸杆菌等微生物[6-7],在液体食品杀菌领域有良好的应用前景。
随着研究的不断深入,低温等离子体杀菌技术还被证实能够有效维持果蔬汁的品质。BURSA
等[8]在研究低温等离子体对沙果汁多酚稳定性的影响时发现,虽然花青素有所损失,但羟基肉桂酸的含量有显著提升。DIVA等[9]的研究表明低温等离子体处理能够使橙汁中的低聚果糖得到良好的保护,不影响其产品功效。XIANG等[10]认为低温等离子体对苹果汁的pH和颜色有一定的影响,对可溶性固形物、还原糖和总酚则影响不大。经低温等离子体处理的梨汁多酚和维生素C比巴氏杀菌分别高26.5%和20.6%,同时具备较高的抗氧化能力[11]。然而,对于液体食品尤其是甘蔗汁挥发性物质在低温等离子体处理过程中的变化研究较少。
挥发性风味物质是构成食品风味的重要因素,在影响消费者选择上起重要作用。前期研究表明甘蔗汁富含多种醇类、醛类挥发性物质[12],并且在热处理、超滤处理和辐照处理过程中都有较严重的损失[13]。近年来,顶空固相微萃取气质谱联用(headspace solid phase microextraction gas chromatography mass spectrometry,HS-SPME-GC-MS)结合电子鼻技术已广泛应用于食品挥发风味物质的检测与分析,已有学者利用GC-MS结合电子鼻研究了加工工艺对食用菌[14]、食用油[15]等挥发性物质的影响,试验结果证明了两种技术的结合,可以起到良好的验证和补充作用,更好地分析食品的香气特征,指导生产实践。因此,本研究利用介质阻挡放电等离子体设备对甘蔗汁进行灭菌处理,基于HS-SPME-GC-MS和电子鼻探讨灭菌时间、电源电压等加工参数对甘蔗汁香气特征的影响,以期为甘蔗汁加工工艺的优化提供参考,为低温等离子技术在果蔬汁领域的应用提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
所用甘蔗品种为雪蔗(Saccharum officinarumLinn.cv.Xuezhe),从福建省甘蔗工程技术研究中心试验田获取,收获后立即在实验室进行清洗和榨汁,并通过0.07 mm的滤网进行过滤,甘蔗汁于-4 ℃储存。4-叔丁基环己醇标准品,NaCl(分析纯),阿拉丁(中国上海)。
1.2 仪器与设备
小型榨汁机,中国浙江省永康食品机械厂;CTB-2000S介质阻挡放电等离子体设备,南京苏曼等离子科技有限公司;Aglient 5 975-7890A气相色谱-质谱联用仪,美国Aglient公司;DTH-100干式恒温器,杭州米欧仪器有限公司;PDMS/CAR/DVB萃取头,美国Supelco公司;PEN3.5电子鼻,德国Airsense Analytics GmBh公司。
1.3 实验方法
1.3.1 低温等离子体处理
利用介质阻挡放电等离子体设备在不同电源电压(40、50、60、70 kV)和处理时间(1、2、3、4 min)下对150 mL甘蔗汁进行灭菌处理,处理后立即进行挥发性物质和电子鼻检测,未进行低温等离子体灭菌处理的样品作为对照组。
1.3.2 挥发性物质的测定
甘蔗汁的挥发性物质含量根据MASTELLO等[16]和汪鹏等[17]的研究,采用顶空固相微萃取(HS-SPME)与GC-MS结合的方法进行检测。将添加有1.5 g NaCl和5 μL 4-叔丁基环己醇(0.03 g/L)的甘蔗汁样品(10 mL)装入20 mL顶空瓶中并密封,将老化后的萃取头伸入顶空瓶在50 ℃下萃取30 min,随后在GC-MS进样口解析2 min,采用无分流进样。色谱条件:石英毛细管柱,DB-WAX(60 m×320 μm,0.25 μm),载气为He(1.2 mL/min),进样口温度250 ℃。柱温箱程序升温:(1)35 ℃保持5 min;(2)以3 ℃/min的速率升至70 ℃;(3)以10 ℃/min的速度升至240 ℃,并保持2 min。
质谱条件:电离方法为EI, 离子源温度230 ℃,电子能量70 eV,全扫描模式,扫描质量范围为:m/z35～550。
挥发性物质的定性和半定量分析:通过与NIST 8.0谱库进行对比分析,保留质谱数据匹配度高于60的化合物。根据C8～C25正构烷烃的测定结果,计算各化合物的保留指数(retention index,RI),通过与文献报道的结果进行比较,对挥发性物质进行鉴定。
根据各组分的峰面积(相对于4-叔丁基环己醇内标)计算被测组分的相对含量,结果表示为mg/L。每组进行3次平行试验。
1.3.3 电子鼻表征
参考WANG等[12]的方法。取10 mL甘蔗汁样品于500 mL三角瓶中,用封口膜密封,在室温(约25 ℃)下平衡30 min后进行电子鼻检测。样品手动进样,气体流量200 mL/min,清洗时间80 s,归零时间10 s,数据采集时间80 s,每隔1 s测量计数,将60 s处的信号作为电子鼻分析的数据。
1.3.4 数据分析
各指标均重复测定3次,采用Microsoft Excel 2013对数据进行整理和作图,并采用JMP 10.0进行样品间的显著性差分析,P<0.05,差异显著。由电子鼻自带的Win Muster软件进行PCA分析,使用TBtools软件进行聚类分析。
2 结果与分析
2.1 挥发性物质分析
表1为不同低温等离子体处理条件对甘蔗汁挥发性物质组成和含量的影响,共检测出33种挥发性化合物,包括7种醇、11种醛、4种酸、4种酮、6种呋喃和2种硫化物。其中,在未处理的甘蔗汁中共含有7种挥发性物质,主要为醇类(1-戊醇、正己醇、1-辛烯-3-醇、环戊醇)和醛类(己醛、壬醛、葵醛)化合物,这些物质具有一定的果香、花香、青草香和酒香[18-19],共同构成了甘蔗汁独特的风味特征。
在低温等离子处理过程中,随着电源电压的升高,挥发性物质的种类逐渐增加。醇类物质在低电压条件下明显减少,在高电压下则能较好地保留,同时还有乙醇和1,4-丁二醇产生。低温等离子体处理会促进己醛的生成,但壬醛和葵醛则有不同程度的损失。WIBOWO等[20]认为醛类物质的损失可能是其在加工过程中转化成了相应的酸类物质,本试验中己酸和壬酸的生成也进一步证实了该观点。此外,低温等离子体处理的甘蔗汁中新增了2-辛烯醛(黄瓜香)、苯甲醛(杏仁香)、苯乙醛(花香)等8种醛类物质,进一步丰富了甘蔗汁的呈香物质,对甘蔗汁的花果香的呈香有一定的促进作用。
电压越高酸类物质的种类越多,50 kV处理的甘蔗汁中开始出现乙酸,60 kV处理3 min以上的甘蔗汁中开始出现丙酸和己酸,70 kV处理的甘蔗汁中可以检测到壬酸。CAPPATO等[21]和SILVEIRA等[22]在低温等离子体处理的乳清饮料也检测到了乙酸等多种酸类物质。
呋喃具有面包和杏仁味[23],其含量随着灭菌电压的升高和处理时间的延长而增加,使甘蔗汁的颜色和气味发生变化。有研究表明呋喃类物质的产生与美拉德反应有关[24],YU等[25]的研究证实了虽然低温等离子体处理过程中的温度较低,但仍可能发生美拉德反应。本文中呋喃类物质的形成,进一步证明了低温等离子体处理会诱导美拉德反应的发生。
除了50 kV处理1 min的甘蔗汁样品,其他低温等离子体处理的样品中均检测到硫化物。挥发性硫化物具有较低的阈值,在低浓度情况就会产生强烈的刺激性气味。有学者证实了含硫氨基酸是硫化物的重要反应前体,其生成机理可能与蛋氨酸参与的Strecker降解反应有关[20]。而WANG等[26]的研究结果表明雪甘蔗汁中蛋氨酸含量为80.34 mg/L,显著高于其他品种的果甘蔗汁,为挥发性硫化物的产生提供了必要的前体物质。
综上所述,虽然低温等离子体处理能够促进甘蔗汁产生更多的已醛,但是也会有较多酸、呋喃、硫化物产生,对甘蔗汁香气品质有潜在的不良影响。
2.2 电子鼻分析
图1所示为低温等离子体处理甘蔗汁的电子鼻响应图。40 kV处理的样品与对照组样品的香气轮廓相似,其他电压下则存在一定差异。电子鼻的10个传感器中,S2、S7和S9具有较高的响应值,且在低温等离子体处理过程中有明显的变化,说明其对氮氧化物、硫化物和芳香族化合物的变化较敏感[27]。在40 kV下,S7和S9的响应值均高于对照样品,S2低于对照样品,但三者均随着处理电压的升高而降低,S7和S9逐渐接近甚至低于对照样品。处理时间越长,S7和S9值越高,S2则呈现相反的趋势,这些变化可能与硫化物、醇、醛等物质的含量在加工过程中的波动有关。
a-40 kV;b-50 kV;c-60 kV;d-70 kV
图1 不同处理甘蔗汁的电子鼻雷达图
Fig.1 Electronic nose radar diagrams of sugarcane juice treated under different conditions
图2为不同处理甘蔗汁电子鼻数据的主成分分析图。
图2 不同处理甘蔗汁的电子鼻主成分分析图
Fig.2 Principal component analysis of electronic nose of sugarcane juice treated under different conditions 注:样品名称表示为电压-时间
第一和第二主成分贡献率分别为77.06%和17.77%,累计贡献率为94.83%,表明其可以反映样品的主要特征信息。在第一主成分上,40 kV下处理的样品相距较近,表明该条件下的甘蔗汁香气特征有一定的相似性。50-1和60-1样品有所重叠,但在第一主成分上能够与其他样品有效区别,且与40-1样品距离稍近,说明这两组样品的香气差异不显著,与40-1样品存在一定的相似性。在第二主成分上,对照样品与其他样品没有重叠,且相距甚远,说明低温等离子体处理的甘蔗汁香气与新鲜甘蔗汁差异明显。其他低温等离子体处理的样品无论是在第一主成分还是第二主成分上,均有重叠交叉,无法有效区分,表明高电压、长时间处理的甘蔗汁香气特征极其相似,与对照组相比香气变化非常明显。由电子鼻分析结果可以看出,虽然低温等离子体处理会使甘蔗汁的香气特征发生变化,但在电压为40～60 kV,处理时间为1 min的条件下,变化相对较小。
2.3 聚类分析
为了进一步获得甘蔗汁在不同处理条件下香气特征的变化规律,综合挥发性物质和电子鼻响应值,以欧氏距离为度量标准做出各指标的聚类分析热图(图3),图中曲线粗略反映了各类指标随电压的变化规律。
图3 不同处理甘蔗汁的挥发性物质和电子鼻表征聚类分析热图
Fig.3 Cluster heat map of volatile compounds and electronic nose data of sugarcane juice treated under different conditions
蓝色代表低含量或低响应值,红色代表高含量或高响应值,热图中颜色越深代表该指标数值越大。低温等离子体对甘蔗汁挥发性物质的影响非常复杂,根据各指标的变化趋势,可以近似分为8个大类。A类包括电子鼻S1、S2、S3、S5、S7、S9传感器和丙酮,这类指标(除丙酮和S9外)在对照组和低电压处(40和50 kV)数值较高,且随着电压的升高而逐渐降低。B类仅有葵醛一种物质,其仅在对照组和50 kV、2 min处理的样品有较高的含量。C类包括3种酸类物质、3种呋喃类物质和羟基丙酮,这7种挥发性物质在70 kV、3 min处理的样品中含量最高。D类表现出的特点是在50 kV、4 min条件下达到最高值,共涉及到2种醇类物质和5种具有积极香气特征的醛类物质。S4传感器在40 kV、4 min条件下达到最大响应值,被单独划分为E类。F类共有5种挥发性物质,包括正已醇、β-罗兰酮和3种呋喃类物质,这些物质在50 kV和70 kV下均有较高的含量。G类中的8个指标在高电压下有较高的值,这组聚类结果还表明了S6的响应值可能与1-戊醇和1-辛烯-3-醇有关。H类共包括3种醛类物质、2种硫化物和2个电子鼻传感器,这类指标在各电压下均有一定的数值,其中醛类物质在50 kV、3 min条件下含量较高,而乙硫醇和S8、S10的峰值则集中在70 kV条件下,而且S8和S10的响应值可能与乙硫醇的含量存在一定的相关性。综合比较上述8类指标的特点,可知50 kV下会有较多的芳香醛类物质产生,而70 kV下则有大量的酸、呋喃和硫化物生成。A、B、D类指标对甘蔗汁的香气有积极的影响,由图2中各类指标随电压的变化规律曲线可以看出,低电压处理的甘蔗汁在这3类指标有较高的值,即低电压(40或50 kV)处理可以使甘蔗汁保持原有的香气特征。
3 结论
低温等离子体处理对甘蔗汁的香气特征有很大的影响。醇、醛类香气化合物在低温等离子体处理过程中存在不同程度的损失。随着电源电压的升高,甘蔗汁中挥发性物质的种类逐渐增加,酸、呋喃和硫化物等物质的产生会对甘蔗汁风味品质有潜在的不良影响。电子鼻结果表明,40 kV处理的样品与对照组样品的香气轮廓最相似,且在40～60 kV下,处理时间为1 min的条件下,甘蔗汁香气特征变化较小。由聚类分析可知,电子鼻 S8和S10的响应值可能与乙硫醇的含量存在一定的相关性,50 kV下会有较多的芳香醛类物质产生。综合考虑电子鼻和挥发性物质的变化,在40或50 kV下处理1 min,甘蔗汁能够较好地保持原有的香气特征。
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