可食牡丹鲜花酶法制汁及主成分HPLC-Q-TOF-MS/MS鉴定

向进乐1,3,赵胜娟1,3,马丽苹1,金文刚2,费鹏1,3,樊金玲1,朱文学1*

1(河南科技大学 食品与生物工程学院,河南 洛阳,471023) 2(陕西理工大学 生工学院,陕西 汉中,723001) 3(河南省食品原料工程技术研究中心,河南 洛阳,471023)

摘 要以“凤丹”牡丹鲜花为原料,研究酶处理制备牡丹鲜花汁工艺;采用高效液相色谱与四极杆飞行时间串联质谱(high performance liquid chromatography coupled with quadrupole time-of-flight tandem mass spectrometry,HPLC-Q-TOF-MS-MS)联用技术分析牡丹鲜花汁中化学物质。结果表明,由果胶酶、纤维素酶和木瓜蛋白酶组成的复合酶制剂(质量比1∶2∶1)能提高牡丹鲜花出汁率,达22.3%。复合酶处理的条件为∶酶添加量0.15%(质量分数),酶解温度50 ℃,酶解时间90 min。鉴定了牡丹鲜花汁中的20个主要成分,包括3个有机酸、8个酚酸、7个黄酮以及2个单萜糖苷。酚酸和黄酮苷是牡丹鲜花汁中主要活性成分,主要以没食子酸、没食子酰葡萄糖、没食子酰单宁、芹菜素葡萄糖苷、芹菜素新橘皮糖苷和山奈酚二葡萄糖苷等形式存在。研究结果为牡丹鲜花制汁方法以及牡丹鲜花液态功能食品开发提供理论依据。

关键词牡丹鲜花;复合酶法;制汁;没食子酸衍生物;黄酮苷

牡丹( Paeonia suffruticosa)为毛茛科芍药属木本植物,有“花中之王”的美誉,分布于我国大部分地区,在洛阳、菏泽、彭州等地有大量种植[1]。除作为重要的观赏植物,牡丹花还有很高的食用价值[2-3]。研究人员通过大鼠亚慢性毒性试验[4]和小鼠急性毒性试验[5]证实了牡丹花的食用安全性。“凤丹”牡丹花于2013年经国家卫计委批准,正式成为新食品原料[6],也是目前唯一被批准的花朵可食的牡丹品种。可食牡丹花营养素丰富,包括糖分、有机酸、维生素和矿物质等,还含有酚酸、没食子单宁、黄酮、多糖等多种生物活性成分[2,5,7-9]。牡丹花营养和保健食品的开发是延伸牡丹产业链的重要途经之一,已报道的牡丹花食品包括牡丹花茶、牡丹鲜花饼、牡丹花酸奶、牡丹花营养酒、牡丹花饮料、牡丹花脯等[7,10]

牡丹花的色系、品种繁多,较常作为药用,其药用成分的分析与鉴定的报道较多,鉴定的主要小分子活性成分有四类:(1)没食子酸及其衍生物,包括没食子酸、没食子酸甲酯、没食子酰葡萄糖苷、没食子单宁等[9,11-13];(2)黄酮糖苷类,包括槲皮素糖苷、山奈酚糖苷、芹菜素糖苷、异鼠李亭糖苷、金圣草素糖苷等[9,13-16];(3)花色苷类,包括矢车菊糖苷、天竺葵糖苷、芍药花青苷等[9,16-17];(4)单萜糖苷类,包括芍药苷、乙酰芍药苷、氧化芍药苷、苯甲酰芍药苷、牡丹皮苷等[11-13]

“凤丹”牡丹属于白色系牡丹花,不含花色素[9],具有食用安全性[6]。闫慧娇等[18]分离鉴定了“凤丹”花瓣中的1个黄酮类化合物(kaempferol-3,7-di-O-β-D-glucopyranoside), 2个没食子酸鞣质,分别为1-O-galloyl-β-D-glucose和1,2,3,4,6-trigalloyl-β-D-glucose。付磊[19]也报道了“凤丹”牡丹花的总酚、总黄酮含量以及抗氧化活性。但目前对可食用的“凤丹”牡丹花及其鲜花汁中的主要有机酸、多酚物质以及萜类等成分的系统鉴定的研究报道较少。

本研究以“凤丹”牡丹鲜花为原料,通过酶法提高牡丹鲜花出汁率,可为牡丹花液态食品开发提供生产基料。采用高效液相色谱与四极杆飞行时间串联质谱(high performance liquid chromatography coupled with quadrupole time-of-flight tandem mass spectrometry,HPLC-Q-TOF-MS-MS)联用技术分析可食牡丹鲜花汁中主要化学物质,以期为可食牡丹花保健食品的开发提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

“凤丹”牡丹鲜花:采摘于河南科技大学牡丹园;果胶酶(20 U/mg)、纤维素酶(30 U/mg)、木瓜蛋白酶(50 U/mg):上海蓝季科技发展有限公司;Folin-Ciocalteu试剂:上海荔达生物科技有限公司;没食子酸、没食子酸甲酯标准品、甲酸、色谱甲醇:Sigma公司。

1.2 仪器与设备

HWS-26恒温水浴锅、恒温鼓风干燥箱,上海齐欣科学仪器有限公司;台式离心机,湖南湘仪离心机仪器有限公司;打浆机,九阳卫厨有限公司;UV-2350 型紫外分光光度计,上海优尼科; Waters 2695高效液相色谱仪(连接有二元泵、微型真空脱气机、自动进样器717 plus、柱温箱、PDA检测器、Q-TOF -MS质谱检测器),美国Waters公司。

1.3 试验方法

1.3.1 牡丹鲜花制汁工艺

工艺流程:

牡丹鲜花→清洗→蒸汽处理→加水破碎→酶解处理→榨汁→牡丹鲜花汁→离心→分析测定

技术要点:

牡丹鲜花清洗、沥干、蒸汽杀青处理1 min,冷却备用;杀青后的牡丹花按原料∶水=1∶4(质量比),加入纯水破碎打浆;牡丹花浆加入酶制剂进行处理,然后压榨取汁。

1.3.2 牡丹鲜花浆酶解工艺

(1)酶制剂的筛选:按牡丹鲜花浆液质量分别加入0.1%(质量分数)的果胶酶、纤维素酶和木瓜蛋白酶,在40 ℃水浴酶解120 min后压榨取汁,以空白(未进行酶水解)为对照,计算牡丹鲜花出汁率、测定牡丹鲜花汁总酚含量。

(2)酶制剂的配比:果胶酶∶纤维素酶∶木瓜蛋白酶按照1∶1∶1,1∶2∶1,1∶3∶1,2∶2∶1的质量比形成复合酶制剂,按总酶用量0.1%(质量分数)加入牡丹花浆液,在40 ℃水浴酶解120 min,压榨取汁,计算出汁率。

(3)酶解温度:加入0.1%(质量分数)的复合酶制剂,分别在30、40、50、60 ℃水浴酶解120 min,压榨取汁。

(4)复合酶制剂的加入量:将优化后的组合酶制剂分别加入不同量0.1%,0.15%,0.2%,0.25%(质量分数)的复合酶制剂,50 ℃水浴酶解120 min,压榨取汁。

(5)酶解时间:添加0.15%(质量分数)的复合酶制剂,50 ℃水浴酶解30,60,90,120 min,压榨取汁,计算出汁率。

1.3.3 出汁率的计算

牡丹鲜花出汁率的计算参考向进乐等[20]的方法,按照公式(1)计算:

出汁率

(1)

1.3.4 总酚含量测定

牡丹鲜花汁总酚采用Folin-Ciocalteu比色法[21]测定,以没食子酸作标准曲线,线性回归方程为y=0.232 9x - 0.007 2(R2=0.996 3)。总酚含量以没食子酸计(mg/L)。

1.3.5 HPLC色谱条件

Gemini 5μm C18 110A色谱柱(150 mm×4.6 mm Phenomenex,美国)。柱温35 ℃,进样量10 μL,流速0.9 mL/min,分析时间70 min,二极管阵列检测器(DAD)在210~600 nm扫描。二元梯度洗脱液:流动相A(0.1%的甲酸水溶液),流动相B(含0.1%甲酸的色谱甲醇),洗脱程序如表1所示。

表1 二元梯度洗脱程序[22]
Table 1 Binary gradient elution program

时间/min流动相A/%流动相B/%0964188218357030585842704060

1.3.6 质谱条件[22]

飞行时间质谱(Q-TOF-MS)采用负离子模式(ESI-),一级质谱扫描范围100~1 500 m/z,分辨率5 000。全质谱扫描条件:毛细管电压1.45 kV,锥孔电压30 V;锥孔气体(He)和去溶剂化气体(N2)流速分别设定为45 L/h,900 L/h。离子化温度120 ℃,去溶剂化温度250 ℃。二级质谱碰撞能量设定为20,30,45 V,获取MS/MS图。

1.3.7 统计分析

采用DPS 6.55进行数据处理,实验重复3次,结果用表示,显著性差异以不同字母表示(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 牡丹鲜花酶处理制汁工艺优化

2.1.1 酶制剂的选择

酶处理能显著提高果蔬汁、茶汁等液态食品的出汁率、澄清度、营养和功能成分以及香气,在液态食品加工中有非常广泛的用途[23-25]。常用的酶制剂主要是果胶酶、纤维素酶、蛋白酶、单宁酶以及β-葡萄糖苷酶等[23,26]。牡丹鲜花杀青后打浆,分别添加0.1%(质量分数)的果胶酶、纤维素酶、木瓜蛋白酶,40 ℃酶解120 min,压榨取汁。计算出汁率,测定牡丹鲜花汁总酚含量。不同酶制剂对牡丹花出汁率和总酚含量的影响结果如表2所示。

表2 不同酶制剂对牡丹花出汁率和总酚含量的影响
Table 2 Effects of different enzymes treatment onyield and total phenol content of peony juice

酶制剂 出汁率/%总酚/(mg·L-1)空白对照 61.4±3.5a326.1±18.0a果胶酶 67.1±5.6bc311.7±19.5a纤维素酶 71.5±4.8c309.3±14.8a木瓜蛋白酶65.8±3.8b318.2±16.6a

注:a,b,c不同字母表示差异显著性(P<0.05)。下同。

由表2可以看出,3种酶制剂均能显著提高牡丹鲜花出汁率,而总酚浓度差异变化不显著。由于牡丹鲜花汁液产量显著增加,说明酶处理能提高牡丹花酚类物质的得率。纤维素酶处理后牡丹鲜花出汁率最高。

2.1.2 酶制剂的复配

复合酶制剂的应用往往能起到协同效果,提高出汁率和产品质量[23,25,27]。本研究从提高出汁率、减少沉淀、提高牡丹花鲜汁的稳定性,并一定程度上改善牡丹花鲜汁的风味品质等方面,研究了纤维素酶、果胶酶、木瓜蛋白酶复配制剂处理对牡丹花浆的影响。由表2可知,纤维素酶有更好的效果,故在复合酶配比时适当增大纤维素酶的比例,加酶质量为浆液质量的0.1%。

复合酶制剂不同配比对出汁率的影响如图1所示。可以看出,果胶酶∶纤维素酶∶木瓜蛋白酶(质量比)为1∶2∶1和2∶2∶1出汁率较高。果胶酶∶纤维素酶∶木瓜蛋白酶=1∶2∶1(质量比)处理后,相比于未经酶处理,牡丹鲜花出汁率能提高约20%。故本研究中以该复配比作为复合酶使用。

图1 复合酶制剂不同配比对牡丹花出汁率的影响
Fig.1 Effects of formulations of compound enzyme treatment on yield of peony juice
注:图中不同小写字母代表差异显著(P<0.05)。下同。

2.1.3 复合酶处理温度

酶处理温度对酶制剂的催化活力有显著影响,不同酶制剂以及复合酶制剂的最佳催化能力不同[27]。以2.1.2中优化的果胶酶∶纤维素酶∶木瓜蛋白酶=1∶2∶1 的复合酶制剂处理牡丹鲜花浆,不同温度条件复合酶处理对出汁率的影响如图2。可以看出,30~60 ℃,相比30 ℃,较高的酶解温度能显著提高牡丹鲜花出汁率。酶解温度在50 ℃时出汁率最高,其次是40 ℃,两者无显著差异。

图2 复合酶处理温度对牡丹花出汁率的影响
Fig.2 Effects of temperature of compound enzyme treatment on yield of peony juice

2.1.4 复合酶的添加量

复合酶添加量(质量分数)从0.10%提高0.25%,随着酶制剂使用量的增加,牡丹花出汁率显著升高,结果如图3,当加酶量超过0.15%后出汁率升高不明显。考虑到加工成本,选择添加复合酶制剂质量分数为0.15%。

图3 复合酶制剂添加量对牡丹花出汁率的影响
Fig.3 Effects of amount of compound enzyme on yield of peony juice

2.1.5 复合酶处理时间

复合酶处理时间对牡丹花出汁率的影响如图4所示。随着酶制剂酶解时间延长,牡丹花出汁率逐渐升高,具有显著差异。但酶解时间超过90 min,延长时间出汁率提高效果不显著。考虑到生产效率,酶解时间宜选用90 min。经过复合酶处理90 min,牡丹鲜花出汁率提高22.3%。

图4 复合酶处理时间对牡丹花出汁率的影响
Fig.4 Effects of hydrolysis time on yield of peony juice

2.2 牡丹鲜花汁主要成分的HPLC-Q-TOF-MS/MS鉴定

牡丹花富含多酚、单萜糖苷等功效物质。牡丹鲜花汁液化学组分经高效液相色谱分离、二极管阵列检测器(DAD)扫描,总离子流图(TIC)和基峰图(BPC)如图5所示。飞行时间质谱仪在负离子模式下(TOF-MS-ESI-)扫描结果如图6所示。根据各个组分二级质谱碎片信息以及DAD光谱图,结合标准物质以及文献报道,鉴定了20个主要色谱峰,包括有机酸、酚酸、黄酮和单帖糖苷,鉴定结果如表3所示。

2.2.1 有机酸

成分1的保留时间最短,根据一级质谱[M-H]- m/z 175,DAD显示在265 nm处有最大吸收,结合参考文献[28],鉴定该成分为抗坏血酸。抗坏血酸是牡丹花中的重要水溶性维生素之一[3],说明牡丹鲜花榨汁后Vc得到保留。成分2一级质谱[M-H]- m/z 133,二级质谱碎片m/z 115[M-H-H2O]-;成分3的一级质谱[M-H]- m/z 191,二级质谱碎片m/z 115[M-H-CO2-2×H2O]-,结合参考文献[29]可以判断成分2和3分别为苹果酸和柠檬酸。可以看出牡丹鲜花汁主要有机酸为Vc、苹果酸和柠檬酸。

表3 牡丹鲜花汁主要化学成分的质谱信息和鉴定结果
Table 3 MS/MS information and identified phytochemical compounds in peony juice

成分保留时间/min[M-H]-相对分子质量最大吸收波长/nm分子式碎片离子[M-H]-(强度)定性化合物12.35175265C6H8O6抗坏血酸22.73133C4H6O5115苹果酸33.05191C6H8O7111柠檬酸43.58331278C13H16O10271(18),211(18),169(45),125(15)没食子酰葡萄糖55.07169270C7H6O5125没食子酸a615.18183270C8H8O5168(25),124(100)没食子酸甲酯a724.25449285/330C21H22O11421(20),287(100),259(88),243(8),215(12),179(10),151(10),125(23)圣草酚葡萄糖苷832.92479231/272C23H28O11449(100),431(8),327(20),165(17),121(80)芍药苷937.63609265/345C27H30O16447(60),327(8),285(70),283(72),255(10)山奈酚- 3,7-O-二葡萄糖苷1042.53335278C15H12O9183(100),168(8),124(40)没食子酰没食子酸甲酯1145.47939274/359C41H32O26787(6),769(30),617(12),601(5),465(6),447(6),431(6),295(6),277(6)169(20)五-O-没食子酰葡萄糖1246.721 091280C48H34O30469(100),393(6),317(4),295(5),241(6),169(65),125(30)六-O-没食子酰葡萄糖11347.431 091280C48H34O30939(100),787(8),769(40),617(10),599(4),447(6),431(4),169(5)六-O-没食子酰葡萄糖21447.771 091280C48H34O30939(100),787(8),769(40),617(10),599(4),447(6),431(4),169(5)六-O-没食子酰葡萄糖31548.87447266/365C21H20O11285(65),284(40),257(20),151(40)木犀草素-7-O-葡萄糖苷1649.38599267/339C28H24O15563(20),447(10),313(22),285(30),282(20),269(20),169(40),125(10)山奈酚-3-O-没食子酰葡萄糖苷1749.67431267/340C21H20O10268(100),269(40)芹菜素-7-O-葡萄糖苷1850.15577267/340C27H30O14269(100)芹菜素-7-O-新橘皮糖苷1950.62447265/346C21H20O11285(30),284(52), 255(66),227(52)山奈酚-3-O-葡萄糖苷2055.37629221/298C31H34O14583(30),553(68),535(12),431(15),177(4),165(12),121(100)牡丹皮苷B2157.02493223/308447(100),315(2),149(30),191(10),221(5),131(8),119(8)未知

注:a通过标准品鉴定,其他成分通过与文献比较质谱和光谱信息判定。

A-总离子流图;B-基峰图
图5 牡丹鲜花汁化学组分的总离子流(TIC)和基峰(BP)图
Fig.5 Total ion chromatography and base peak chromatography of phytochemicals in peony juice

图6 牡丹鲜花汁化学组分TOF-MS-ESI-
Fig.6 TOF-MS-ESI- chromatography of phytochemicals in peony juice

2.2.2 没食子酸衍生物

成分5的一级质谱[M-H]- m/z 169,根据二级质谱信息与没食子酸标准品对照,鉴定为没食子酸。成分4的一级质谱[M-H]- m/z 331;二级质谱主要碎片为[M-H]- m/z 169,是母离子丢失一个己糖基(162 Da),其紫外光谱特征与成分5基本相同,成分4鉴定为没食子酰葡萄糖[13]。成分6一级质谱[M-H]- m/z 183,二级质谱主要碎片[M-H]- m/z 168、m/z 124,与标准品对照,鉴定为没食子酸甲酯。成分10的一级质谱[M-H]- m/z 335;二级质谱主要碎片[M-H]- m/z 183,是母离子丢失一个没食子酰基(152 Da);其紫外光谱特征与没食子酸甲酯基本相同,成分10鉴定为没食子酰没食子酸甲酯。

成分11一级质谱[M-H]- m/z为939,二级质谱碎片[M-H]- m/z 787、m/z 769分别为母离子丢失m/z 152 Da、m/z 170 Da,其他碎片信息显示该成分为含多个没食子酰基的化合物,其紫外光谱特征也与没食子酸基本相同;根据文献[30],成分11鉴定为5-O-没食子酰葡萄糖。成分12~14的一级质谱[M-H]- m/z均为1 091,二级质谱主要碎片[M-H]- m/z 939,是母离子丢失m/z 152 Da的结果,其他子离子碎片信息与成分11一致,根据文献[30-31],成分 12~14鉴定为6-O-没食子酰葡萄糖异构体。从BP图(图5)可以看出,没食子单宁为牡丹鲜花汁中含量较为丰富的多酚物质。

2.2.3 黄酮糖苷

成分7一级质谱[M-H]- m/z 449,二级质谱碎片[M-H]- m/z 287为母离子丢失1个已糖基m/z 162 Da的结果。结合其紫外光谱特征,可以判断成分7为黄酮糖苷。根据参考文献[32],成分7鉴定为圣草酚葡萄糖苷。成分9一级质谱[M-H]- m/z 609,二级质谱主要碎片[M-H]- m/z 447、m/z 285为母离子连续丢失2个已糖基m/z 162 Da的结果。DAD扫描显示典型的黄酮紫外光谱特征,鉴定成分7为山奈酚-3, 7-O-二葡萄糖苷[13]。成分15、16、19同样具有黄酮类化合物典型的紫外光谱特征。根据质谱信息比对文献[13,15],成分15、16、19分别鉴定为木犀草素-7-O-葡萄糖苷,山奈酚-3-O-没食子酰葡萄糖苷,山奈酚-3-O-葡萄糖苷。成分17的一级质谱[M-H]- m/z 431,二级质谱碎片[M-H]- m/z 268、m/z 269为母离子丢失1个已糖基m/z 162 Da的结果,成分17鉴定为芹菜素-7-O-葡萄糖苷[13]。成分18的一级质谱[M-H]- m/z 577,二级质谱碎片[M-H]- m/z 269为母离子丢失1个脱氧己糖-己糖基m/z 308 Da的结果,成分18鉴定为芹菜素-7-O-新橘皮糖苷[15]。黄酮糖苷为牡丹花主要活性成分[9,15],牡丹鲜花汁中黄酮成分以山奈酚和芹菜素的糖苷化合物为主。

2.2.4 单帖糖苷

成分8和20的一级质谱[M-H]- m/z 479、m/z 629,二级质谱主要碎片与文献[13]报道结果一致,鉴定为芍药苷和牡丹皮苷B。成分21色谱峰响应值也较高,可能为牡丹花中极性较弱的化合物,一级质谱[M-H]- m/z 493,但本研究未能鉴定。

3 结论

可食“凤丹”牡丹鲜花经蒸汽杀青、打浆后,添加果胶酶、纤维素酶、蛋白酶法处理可以提高牡丹鲜花出汁率。由果胶酶∶纤维素酶∶木瓜蛋白酶以质量比1∶2∶1组成的复合酶制剂能显著提高牡丹鲜花出汁率,复合酶处理条件为:酶添加量0.15%(质量分数),酶解温度50 ℃,酶解时间90 min。复合酶法制备的牡丹鲜花汁可以作为牡丹花液态食品生产基料。

高效液相色谱与四极杆飞行时间串联质谱(HPLC-Q-TOF-MS-MS)联用技术可用于定性分析牡丹鲜花汁中主要生物活性物质,鉴定了牡丹鲜花汁中的20个主要成分,其中3个有机酸、8个酚酸、7个黄酮、1个芍药苷以及1个牡丹皮苷。酚酸和黄酮苷是牡丹鲜花汁中主要活性成分,主要包括没食子酸、没食子酰葡萄糖、5-O-没食子酰单宁、6-O-没食子酰单宁、芹菜素7-O-葡萄糖苷、芹菜素7-O-新橘皮糖苷和山奈酚-3,7-O-二葡萄糖苷等。

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Juice production from fresh tree peony flower by enzyme treatment and its phytochemical identification by HPLC-Q-TOF-MS/MS

XIANG Jinle1,3, ZHAO Shengjuan1,3, MA Liping1, JIN Wengang2,FEI Peng1,3,FAN Jinling1, ZHU Wenxue1*

1 (College of Food and Bioengineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471023, China) 2(School of Biological Science and Engineering, Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723001, China) 3(Henan Engineering Research Center of Food Material, Luoyang 471023, China)

Abstract Feasibility of fresh edible peony flower as raw material was explored in liquid functional food production. Juice from fresh ‘Fengdan Bai’ peony flower was obtained by enzymatic treatment followed by phytochemical profile investigated by high performance liquid chromatography coupled with quadrupole time-of-flight tandem mass spectrometry. The results showed that the yield of peony flower juice was improved by 22.3% through treatment with a combination of pectinase, cellulase and papain (in a ratio of 1∶2∶1). The optimized enzyme treatment condition was at 50 ℃ for 90 min with 0.15% enzyme. There were 20 components identified in peony flower juice, including three organic acids, eight phenolic acids, seven flavonoids and two monoglycosides. Phenolic acids and flavonoid glycosides were the main active components and were mainly in the forms of gallic acid, galloyl glucose, gallotannins, apigenin glucoside, apigenin neohesperidoside and kaempferol glucoside. The results provide a basis for processing technology of peony flower juice as well as its application in liquid functional foods.

Key words peony flower; enzyme treatment; juice; gallic acid derivates; flavonoid glycoside

DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.021093

第一作者:博士,副教授(朱文学副教授为通讯作者,E-mail:zwx@haust.edu.cn)。

基金项目:河南省科技攻关项目(编号:172102110019);河南省高校科技创新团队计划(编号:17IRTSTHN016)

收稿日期:2019-05-14,改回日期:2019-06-18