冷冻干燥温度对荠菜挥发性成分的影响

张 丽， 刘腾飞， 薛妍君， 杨代凤， 董明辉， 汝 骅， 郁志芳

(1.苏州市职业大学，江苏 苏州215104; 2.苏州市农业科学院，江苏 苏州215155; 3.南京农业大学，江苏 南京210095)

荠菜( Capsella bursa-pastoris L.) ，十字花科荠菜属，营养丰富，具有较高的营养价值和医疗保健功效［1］。荠菜富含多种氨基酸，气味呈现特有的草叶清香和蔬果香气，味道鲜美至极。在常温下荠菜的贮藏期较短，影响其风味和食用价值［2］。采用合适的干燥技术，将荠菜加工成干制品，既可满足不同的消费需求，又能有效延长荠菜产品的供应时间。

冷冻干燥对热敏性物质特别适用，产品活性成分、营养成分、色泽、芳香物质的保留率极高，基本接近鲜品，在食品工业具有广泛的应用［3］。华平等［4］研究发现冷冻干燥较好地保持了百合原有的色泽、质地和营养成分，终产品具有速溶和快速复水等优点。冷冻干燥可以有效防止乌龙茶挥发性成分的损失和热敏感物质的氧化变质，从而更好地保留茶叶的新鲜度、保留挥发性成分和营养成分［5］。

挥发性成分作为衡量荠菜品质的重要指标，荠菜中各种挥发性及半挥发性化合物共同作用形成了其特征滋气味体系［6］。本研究采用不同的冷冻干燥温度对新鲜荠菜进行干制处理并对终产品的挥发性成分物质进行分析和比较，为寻找荠菜最佳干燥工艺及提高荠菜综合利用效率提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

荠菜采自南京郊外，挑选成熟度一致、无机械损伤且无病虫害的荠菜作为试验材料，经除杂、清洗，剪除根部后沥干水分备用。无水乙醇、丙酮、浓硫酸、冰醋酸、四水合钼酸铵、偏磷酸、二水合草酸、乙二胺四乙酸二钠等均为分析纯。

1.2 仪器与设备

Trace GC-MS 气相色谱-质谱联用仪购自美国Thermo 公司，Tri-Plus 自动进样器购自美国Thermo公司，50/30μmDVB/CAR/PDMS 萃取头购自美国Supelco 公司，15 ml 萃取瓶购自安捷伦科技有限公司，冷冻干燥机购自西班牙Telstar 公司，HH-6 型数显恒温水浴锅购自国华电器有限公司，UV-2802 型紫外-可见分光光度计购自尤尼柯( 上海) 仪器有限公司，GL-20G-Ⅱ型高速离心机购自上海安亭科学仪器厂，DJ300 型精密电子天平购自上海精密科学仪器有限公司，FW100 型万能粉碎机购自天津市泰斯特仪器有限公司，XW-80A 微型漩涡混合仪购自上海沪西分析仪器。

1.3 方法

1.3.1 冷冻干燥 称取上述备用荠菜50 g，－20℃预冻6 h，设置冷肼温度为－85 ℃，真空度0.5 MPa，加热板温度取5 ℃、10 ℃、15 ℃、20 ℃4 个水平［7］。样品冻干至恒质量，干燥过程结束，并将干制品及时转移至干燥器中保存。

1.3.2 挥发性成分分析［8］将50/30 μm DVB/CAR/PDMS 固相微萃取头在气相色谱仪进样口老化，老化温度270 ℃、时间1 h。将荠菜鲜样切成1 cm 长的小段，随机取样于液氮中研磨成细粉状，将荠菜干制品使用不锈钢粉碎机粉进行粉碎，每次粉碎15 s，间隔30 s，粉碎时间为60 s。准确称取荠菜粉末2.0 g 于15 ml 萃取瓶中，用聚四氟乙烯衬里的硅橡胶垫密封后置于50 ℃水浴锅中平衡20 min，用50/30 μm DVB/CAR/PDMS 固相微萃取头在50 ℃萃取40 min，萃取吸附结束后将萃取头插入GC-MS进样口250 ℃解析3 min。

色谱柱: HP-5MS 色谱柱(30 m× 0.25 mm，0.25 μm) ;升温程序: 初温35 ℃，保持2 min，以5℃/min 的速度上升到80 ℃，保持1 min; 再以8℃/min上升至180 ℃，保留1 min;最后以10 ℃/min上升至250 ℃，保留2 min;进样口温度250 ℃，载气为He 气，柱流量1 ml/min，不分流进样。

质谱条件: 电子能量70 eV，检测温度240 ℃，离子源温度200 ℃，连接线温度260 ℃，电离方式EI，灯丝电流150 μA，质量扫描范围( m/z)33 ～540。

通过对总离子色谱图峰的分析，经计算机与NIST Library 和Wiley Library 质谱库匹配，挑选出正反匹配度均大于800( 最大值1 000) 的信号峰，根据相对分子质量、化学式及分子结构确定峰物质名称。按峰面积归一化法计算百分含量。

1.3.3 数据统计 采用Excel 2007 对数据结果进行处理。

2 结果与分析

2.1 不同冷冻干燥温度对荠菜芳香成分的影响

本试验采用固相微萃取结合顶空进样，利用GC/MS 方法检测不同冷冻干燥温度对荠菜挥发性成分的种类和相对含量的影响，利用GC/MS 得到总离子色谱峰与NIST Library 和Wiley Library 质谱库匹配，按峰面积归一化法计算相对含量。图1 是不同冷冻干燥温度处理下荠菜的GC-MS 总离子色谱图。

图1 不同冷冻干燥温度下荠菜的GC-MS 总离子色谱图Fig.1 Total ion chromatogram of volatile components in Capsella bursa-pastoris L. freeze-dried at different temperatures by GC-MS

不同冷冻干燥温度处理下荠菜各挥发性成分种类及相对含量见表1，结果显示，5 ℃和20 ℃冷冻干燥制品挥发性成分物质种类最少，分别为42 种和40 种，芳香物质相对含量分别为90.66% 和83.41%，10 ℃冻干荠菜挥发性成分种类最多，为53种，与荠菜鲜样相比，减少11 种。

表1 不同冷冻干燥温度处理下荠菜挥发性成分种类及相对含量Table 1 The varieties and relative amounts of volatile components identified in C. bursa-pastoris samples freeze-dried at different temperatures

2.2 不同冷冻干燥温度对荠菜中醇类物质的影响

4 种冷冻干燥温度下荠菜制品中的醇类化合物种类较集中，主要为1-戊烯-3-醇、叶醇、反式-2-己烯-1-醇、反式-2-壬烯-1-醇、2，6-二甲基环己醇等。其中，仅反式-2-壬烯-1-醇为冷冻干燥过程中的新增醇，其余均为荠菜中原有的醇类化合物。叶醇相对含量在冷冻干燥产品中比荠菜鲜样高，10 ℃冷冻干燥产品叶醇含量最高，为22.68%，与荠菜鲜样相比增加了15.84%，其次为5 ℃产品，叶醇相对含量10.54%。冷冻干燥处理造成了反式-2-己烯-1-醇和2，6-二甲基环己醇含量的降低，15 ℃和20 ℃处理组2 种醇含量损失比其他两组多。1-戊烯-3-醇在10 ℃和15 ℃冷冻干燥产品中含量升高，在5 ℃和20 ℃产品中含量降低，新鲜荠菜中含有的3-甲基-丁醇、2-乙基己醇、四氢吡喃-2-甲醇、辛醇、2-( 苯基亚甲基) 庚醇则在冷冻干燥过程中全部消失，苯乙醇和1-己醇也只在10 ℃和15 ℃制品中检到( 表2) 。醇类化合物在冷冻干燥产品中种类和含量的下降可能与冷冻干燥时间过长有关，虽然加热板温度较其他干燥方式低，但长时间受热对醇类物质尤其是小分子低沸点醇的保留有不利影响［9］。

表2 不同冷冻干燥温度下荠菜醇类物质相对含量Table 2 Relative amounts of alcohol compounds in C. bursa-pastoris L. freeze-dried at different temperatures

2.3 不同冷冻干燥温度对荠菜中醛类物质的影响

由表3 显示，冷冻干燥对荠菜中醛类物质的保留效果最好，除20 ℃冷冻干燥产品中醛种类较荠菜鲜样减少外，其他处理组醛类物质种类数与荠菜鲜样相同或略有增多。5 ℃冷冻干燥制品中醛类物质相对含量最高，这与青叶醛在5 ℃干制品中相对含量的大幅升高有关，青叶醛含量高达22.11%，这也是低温冷冻干燥产品呈现清新的草叶香气的主要原因。10 ℃冷冻干燥处理组醛类物质相对含量也呈现上升趋势，由27.03%升高到29.15%，15 ℃和20℃冷冻干燥处理组终产品总醛含量则分别较荠菜鲜样减少2.59%和6.66%。

大部分醛类物质含量在冷冻干燥过程中有所损失，中间温度处理( 10 ℃和15 ℃冷冻干燥处理组) 损失率较小。荠菜在冷冻干燥过程中消失的醛有巴豆醛、( E，E) -2，4 庚二烯醛、癸醛等，巴豆醛是重要的有机合成中间体，在干燥过程中可作为某些芳香化合物的前体物质，癸醛具有柑橘香和花香气［10］，但这些醛一般在新鲜样品中含量较低。与荠菜鲜样相比，在冷冻干燥过程中共产生6种新醛，如2-甲基正丁醛、正戊醛、2-甲基2-戊烯醛、2-苯基巴豆醛，其中，2-苯基巴豆醛在5 ℃冷冻干燥处理组产品中含量显著高于其他处理组，其所呈现的蜜甜香、可可、红茶似香气对干制品芳香体系的建立有积极作用［11］。正己醛、青叶醛、苯甲醛、苯乙醛为冷冻干燥产品中主要的醛类化合物，相对含量较高。苯乙醛含量在4 种冷冻干燥制品中差异不大，苯甲醛有特殊杏仁气味，在20 ℃干制产品中相对含量较荠菜鲜样升高，但在其他3种温度处理组产品中均降低。

表3 不同冷冻干燥温度下荠菜醛类物质相对含量Table 3 Relative amounts of aldehydes compounds in C. bursa-pastoris L. freeze-dried at different temperatures

2.4 不同冷冻干燥温度对荠菜中酯类物质的影响

在5 ℃和20 ℃下，冷冻干燥产品中酯类物质均只有1 种，前者仅保留了新鲜荠菜中少量乙酸叶醇酯，而后者与荠菜鲜样相比，原有酯类化合物全部消失，生成新的亚硝酸异戊酯。10 ℃和15 ℃冷冻干燥产品中酯类化合物种类大致相同，但含量差别很大，上述2 种干燥条件所得到的干制品都保留了荠菜中典型的酯类化合物乙酸叶醇酯，且10 ℃冷冻干燥产品中乙酸叶醇酯含量为15 ℃的2 倍，正己酸乙酯、二氢猕猴桃内酯和3-己烯酸乙酯为10 ℃和15℃冷冻干燥过程中产生的新酯，相对含量以10 ℃冷冻干燥处理组较高，此外，10 ℃冷冻干燥产品中还检测到相对含量为1.06%的亚硝酸异戊酯( 表4) ，对丰富产品的芳香组分有较大作用［12］。

2.5 不同冷冻干燥温度对荠菜中酮类物质的影响

由表5 可知，5 ℃冷冻干燥产品中酮含量与荠菜鲜样相比稍有降低但差别不大，虽然特征酮类化合物β-紫罗兰酮在冷冻干燥过程中有所损失，但同时生成了3，5-辛二烯-2-酮和甲基庚烯酮。10 ℃以上冷冻干燥产品中酮含量均较荠菜鲜样升高，且20℃冷冻干燥产品中最高，为对照的2.56 倍，β-紫罗兰酮、3，5-辛二烯-2-酮、5-甲基-4-己烯-3-酮为上述3种工艺产品中主要酮类物质，其中β-紫罗兰酮和5-甲基-4-己烯-3-酮含量随加热板温度的升高而降低，3，5-辛二烯-2-酮含量随加热板温度的升高而升高。此外，10 ℃和20 ℃冷冻干燥产品中甲基庚烯酮含量也较高，3-甲基-2-庚酮则仅在10 ℃冷冻干燥产品中检到，但其对芳香体系的贡献作用尚不明确。

表4 不同冷冻干燥温度下荠菜酯类物质相对含量Table 4 Relative amounts of ester compounds in C. bursa-pastoris L. freeze-dried at different temperatures

表5 不同冷冻干燥温度下荠菜酮类物质相对含量Table 5 Relative amounts of ketone compounds in C. bursa-pastoris L. freeze-dried at different temperatures

2.6 不同冷冻干燥温度对荠菜中酸类物质的影响

酸类化合物种类在10 ℃冷冻干燥产品中最为丰富，经SPME 共分离鉴定有效酸类物质8种，比荠菜鲜样增加了5 种，相对含量也由3. 68%上升到10. 75%。新鲜荠菜中的3-氨基-2，3-二氢苯甲酸和2-甲基-4-戊烯酸在10 ℃冷冻干燥产品中得到了较好的保留，相对含量虽有下降但不明显，己酸、4-己烯酸和乙酸在10℃冷冻干燥产品中相对含量较高且高于其他冷冻干燥处理组，为主要酸类成分。反式-3-己烯酸、辛酸、2-甲基丁酸也普遍存在于4 种冷冻干燥产品中，除5 ℃冷冻干燥产品中不含2-甲基丁酸在外，其他均在4 种冷冻干燥产品中检出。各酸类物质含量在4 种冷冻干燥产品中呈现出较强的规律性，即10 ℃冷冻干燥产品中含量最高，其次为5 ℃和15 ℃冷冻干燥产品，20 ℃冷冻干燥产品中酸含量最低( 表6) ，这说明，冷冻干燥温度对荠菜中酸类物质的影响较明显。

表6 不同冷冻干燥温度下荠菜酸类物质相对含量Table 6 Relative amounts of acid compounds in C. bursa-pastoris L. freeze-dried at different temperatures

2.7 不同冷冻干燥温度对荠菜中烃类物质的影响

由表7 可知，冷冻干燥大大降低了荠菜中烷烃类化合物的种类和含量，5 ～20 ℃冷冻干燥制得的荠菜产品中烃种类分别为2 种、4 种、2 种和3 种，均低于荠菜鲜样中的11 种，相对含量以5 ℃冷冻干燥产品中最低，保留率仅为荠菜鲜样的0.45%，其次为15 ℃冷冻干燥产品，烃类化合物相对含量为0.89%，较荠菜鲜样减少了88.85%。10 ℃冷冻干燥处理荠菜烃类物质损失相对较小，但含量也仅为荠菜鲜样的21.05%，大量含烷烃类化合物的流失对荠菜芳香体系产生极大影响。虽然冷冻干燥过程中也有新物质如5-乙基-2-甲基辛烷生成，但其对挥发性成分整体的弥补作用极微。苯乙烯、2，2，6-三甲基环庚烷、对二氯苯为冷冻干燥产品中保留的烃类化合物，但含量均较荠菜鲜样下降且只存在于部分冷冻干燥产品中。

表7 不同冷冻干燥温度下荠菜烃类物质相对含量Table 7 Relative amounts of hydrocarbon compounds in C. bursa-pastoris L. freeze-dried at different temperatures

2.8 不同冷冻干燥温度对荠菜中其他化合物的影响

由表8 可知，冷冻干燥产品中的其他化合物组分主要为含硫化合物，另有少量呋喃和吡嗪类物质。荠菜中原有的乙醇胺、桉叶油素、谷酰胺等在冷冻干燥产品中均未检出，而有青草香气和果香味的2-正戊基呋喃也在冷冻干燥过程中消失。2-乙基-3，5-二甲基吡嗪和2-甲氧基-3-仲丁基吡嗪是冷冻干燥制品中主要的吡嗪类化合物，前者仅存在于15 ℃和20 ℃冷冻干燥产品中，为冷冻干燥过程新增芳香组分，且在高温加热产品中含量较多，后者含量在高于15 ℃冷冻干燥处理组中含量上升，在低温冷冻干燥过程中含量下降。杂环化合物吡嗪主要使产品呈现烘烤香气［13］，产生机理可能与温度有关。含硫化合物主要包括二甲硫醚、二甲基二硫、二甲三砜和二甲基四硫，其中，二甲硫醚为新增硫化物，可能由其他硫化物裂解产生，15 ℃以上冷冻干燥产品中的二甲硫醚含量显著高于其他冷冻干燥产品，其他硫化物在不同温度冷冻干燥产品中体现出同样的规律，即高温冷冻干燥产品中硫化物含量较高，这也是高温冷冻干燥产品气味较低温冷冻干燥产品明显的原因。二甲基二硫在4 种冷冻干燥产品中的含量均高于荠菜鲜样，二甲基三硫和二甲基四硫则呈现降低趋势。

表8 不同冷冻干燥温度下荠菜其他挥发性物质相对含量Table 8 Relative amounts of other volatile compounds in C. bursa-pastoris L. freeze-dried at different temperatures

3 讨论

本研究结果显示，由于冷冻干燥温度均较低，干燥后气味以青草香为主，烘烤或焦香香味较弱。与其他处理组相比，10 ℃冷冻干燥处理荠菜挥发性成分种类最多，为53 种，气味以青草香为主，烘烤或焦香香味较弱。其中醇类如叶醇、1-戊烯-3-醇、苯乙醇和1-己醇含量较其他处理组高，酯类如亚硝酸异戊酯、乙酸叶醇酯、正己酸乙酯、二氢猕猴桃内酯和3-己烯酸乙酯等相对含量较高，酮类如甲基庚烯酮和3-甲基-2-庚酮含量较高。酸类化合物种类在10 ℃冷冻干燥产品中最为丰富，新鲜荠菜中的3-氨基-2，3-二氢苯甲酸和2-甲基-4-戊烯酸在10 ℃冷冻干燥产品中得到了较好的保留，10 ℃冷冻干燥处理荠菜醛类物质和烃类物质损失相对较小。综上所述，在本试验条件下，在－20 ℃预冻6 h，冷肼温度－85℃，真空度0.5 MPa，加热板温度10 ℃，干燥时间14 h 能够较好地保留荠菜的挥发性成分，这为后期荠菜干制工艺的开发提供了研究基础。

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