超声波处理对红葡萄酒总酚、总黄酮含量及自由基清除活性的影响

申 远,张清安,易 璇,张晓莉,颜艳英

(1.陕西师范大学食品工程与营养科学学院,陕西西安 710062;2.北京师范大学鄂尔多斯附属学校,内蒙古鄂尔多斯 017010)

超声波处理对红葡萄酒总酚、总黄酮含量及自由基清除活性的影响

申 远1,2,张清安1，*,易 璇1,张晓莉1,颜艳英1

(1.陕西师范大学食品工程与营养科学学院,陕西西安 710062;2.北京师范大学鄂尔多斯附属学校,内蒙古鄂尔多斯 017010)

应用超声波处理红葡萄酒,探讨超声因素(超声频率,超声功率,超声处理温度,超声时间)对红葡萄酒中总酚、总黄酮含量及自由基清除活性的影响。结果表明超声处理会使红葡萄酒总酚含量、总黄酮含量与自由基清除活性显著降低(p<0.05)。超声处理红葡萄酒后,其抗氧化活性与其总酚含量呈高度正相关,回归方程为y=0.0270x+38.806(R2=0.9007,p<0.01);其抗氧化活性与其总黄酮含量亦存在一定线性关系,回归方程为y=0.0592x+37.357(R2=0.4970,p<0.05)。在本文实验条件下根据实验结果可以推知,超声处理后红葡萄酒自由基清除活性的降低,部分是由于总酚含量和总黄酮含量降低所引起的。

超声波,红葡萄酒,总酚,总黄酮,自由基清除活性

超声波是指频率为20 kHz及以上的声波,可通过其化学效应,机械效应和空化作用对食品内物质的状态、组成、结构和功能等产生影响,从而改变其理化性质[1-2]。

超声波处理技术现已被证实可以用于加速酒类陈化:李卉[3]等人研究发现超声波处理可以加速红葡萄酒陈化,使感官值大幅提高;冷慧娟[4]发现进行超声处理可以极大改善红酒感官;Chang[5]研究证实超声波处理可以加速米酒陈化,显著改善酒品;Chang和Chen[6]研究表明超声波处理可以加速玉米酒的陈化;Zheng[7]等人研究发现超声波可以用于青梅酒的催熟。而超声波对活性物质(例如酚类物质)的降解作用亦是不可忽视的,Zhang[8]等人研究了单一超声因素(超声频率,超声功率,超声处理温度,超声时间)对酚类物质降解的影响,表明超声处理可诱导溶于乙醇溶液中的酚类物质大量降解(红葡萄酒即是一种乙醇溶液),酚类物质是红葡萄酒中主要的抗氧化活性物质[9],酚类物质含量变化可能导致红葡萄酒抗氧化活性变化;同时黄酮亦是红葡萄酒中起抗氧化作用的主要物质[10]。故有必要研究超声处理对红葡萄酒中总酚、总黄酮含量及其抗氧化活性的影响,本文以超声波处理红葡萄酒,研究超声处理因素对红葡萄酒总酚含量、总黄酮含量及抗氧化活性的影响,为超声波技术在红葡萄酒领域应用提供理论依据。

表1 超声波处理频率对红葡萄酒总酚、总黄酮含量及自由基清除活性的影响

注:*同一行数据后不同字母表示在p<0.05水平上的显著性差异,表2～表4同。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

红葡萄酒 西安九茶酒业有限公司2013年产师原牌赤霞珠干红葡萄酒;DPPH自由基 福林酚试剂 Sigma-Aldrich公司;没食子酸,无水乙醇,碳酸钠 天津市天力化学试剂有限公司;亚硝酸钠,氯化铝,氢氧化钠 天津市科密欧化学试剂有限公司。

生化培养箱 上海申贤恒温设备厂;JA12002型电子天平 上海科仪厂;TU-1810型紫外可见分光光度计 北京普析通用仪器有限公司;PHS-3B 型精密pH计 上海雷磁仪电科学仪器厂;KQ-300VDE型数控超声波清洗机 江苏省昆山市超声仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 超声处理频率对红葡萄酒酚类物质含量和抗氧化活性的影响 取红葡萄酒50 mL于100 mL具塞磨口瓶中。在温度20 ℃,超声功率300 W下,分别以45、80、100 kHz超声波进行处理,考察超声频率对酒样总酚、总黄酮含量和抗氧化活性的影响。

1.2.2 超声处理功率对红葡萄酒酚类物质含量和抗氧化活性的影响 取红葡萄酒50 mL于100 mL具塞磨口瓶中。在温度20 ℃,超声功率100 kHz下,分别以超声功率120、180、240、300 W进行处理,考察超声功率对酒样总酚、总黄酮含量和抗氧化活性的影响。

1.2.3 超声处理温度对红葡萄酒酚类物质含量和抗氧化活性的影响 取红葡萄酒50 mL于100 mL具塞磨口瓶中。分别在超声温度为20、30、40、50、60 ℃下,用超声频率为100 kHz、功率为300 W超声波进行处理,考察超声处理温度对酒样总酚、总黄酮含量和抗氧化活性的影响。

1.2.4 超声处理时间对红葡萄酒酚类物质含量和抗氧化活性的影响 取红葡萄酒50 mL于100 mL具塞磨口瓶中。在超声温度为20 ℃下,用超声频率为100 kHz、功率为300 W超声波分别处理20、40、60、80、100 min,考察超声处理时间对酒样总酚、总黄酮含量和抗氧化活性的影响。

1.2.5 总酚测定方法 参考Rapisarda[11]等人的方法进行。

1.2.6 总黄酮测定方法 参考Peinado[12]等人的方法进行。

1.2.7 DPPH自由基清除活性测定方法 参考Zhang[13]等人的方法。

1.3 数据分析

通过Microsoft Office Excel 2010和IBM SPSS Statistics 2.0软件进行数据处理,所用分析方法包括LSD法多重比较,线性回归分析。

2 结果与分析

2.1 总酚含量测定标准曲线

按照1.2.5的方法制作标准曲线,标准曲线线性方程为:y=5.3071x+0.0085,相关系数R2=0.9990;其中,y为吸光度,x为没食子酸标准溶液浓度(mg/mL)。

2.2 总黄酮含量测定标准曲线

按照1.2.6的方法制作标准曲线,标准曲线线性方程为:y=0.1x-0.0037,相关系数R2=0.9991。y为吸光度,x为芦丁标准溶液浓度(mg/mL)。

2.3 超声处理频率对红葡萄酒总酚、总黄酮含量和自由基清除活性的影响

由表1可知,与未处理样品相比,超声处理使红葡萄酒中总酚含量和总黄酮含量均呈现显著降低趋势。以80 kHz超声波处理后的酒样总酚含量最低;处理后酒样中总黄酮含量呈现先下降后上升的趋势;随着超声波频率的升高,酒样抗氧化活性呈现了先平稳后又增强的趋势,但最高值仍低于未处理酒样。

从超声波的“剪切作用”和产生自由基的声化学作用这两方面进行探讨[8]。一方面,超声波的剪切作用会使得多酚和黄酮等物质发生裂解使含量降低;另一方面,超声波会产生空化现象,空化气泡急剧崩溃闭合从而产生瞬间的高温、高压,水分子会裂解成羟基自由基和氢离子自由基[14-15],自由基反应导致红酒内酚类物质和黄酮类物质的降解;另外,超声波频率越低,其剪切作用越强;频率越高,其声化学效应越强,产生的自由基越多[16-17]。

表2 超声波处理功率对红葡萄酒总酚、总黄酮含量及自由基清除活性的影响

表3 超声波处理温度对红葡萄酒总酚、总黄酮含量及自由基清除活性的影响

表4 超声波处理时间对红葡萄酒总酚、总黄酮含量及自由基清除活性的影响

所以45 kHz频率处理酒样总酚含量低于100 kHz处理酒样。而80 kHz处理酒样总酚和总黄酮含量均最低,可能是此频率剪切作用和声化学作用相结合达到最强,而导致了此频率下两种物质有最高的降解率。

2.4 超声处理功率对红葡萄酒总酚、总黄酮含量和自由基清除活性的影响

由表2可见,随着超声处理功率的升高,酒样的总酚含量整体上呈现了显著的先下降后上升变化趋势,超声处理功率为240 W的酒样总酚含量最低。样品总黄酮含量呈现缓慢降低趋势。随着超声处理功率的增加样品抗氧化活性呈现显著下降趋势。

当超声波功率增加时,超声波密度会增加,空化效应的压强增大、温度升高、自由基产生量增加,此极限环境会诱发和促进红酒内的一系列化学反应发生和进行[18]。同时,超声波强度增加必然会导致超声波声幅增大,声幅越大空化效应也越剧烈[19],空化效应越发剧烈则其所产生的声化学效应也越强,进而影响红酒内的相关化学变化的发生和进行。所以随着超声波功率的升高,总酚和总黄酮含量呈现总体下降的趋势。而在超声波密度达到一定值以后,声幅反而会受到限制,所以处理功率为240 W时降解率最高可能是由于在超声功率为240 W时声幅和超声波密度共同作用最强,而导致两种物质降解最多。

2.5 超声处理温度对红葡萄酒总酚、总黄酮含量和自由基清除活性的影响

由表3可知,与未处理组相比,经处理酒样总酚含量显著下降,后随着超声处理温度的升高,呈现先稳定后上升的趋势,处理温度为60 ℃酒样总酚含量最高,但仍显著低于未处理酒样;酒样总黄酮含量呈现先升高后降低再升高的波动趋势;酒样自由基清除活性呈显著降低趋势,其中50 ℃超声处理酒样DPPH自由基清除活性最低。

在超声波处理过程中,超声波处理温度升高会导致超声波声效率显著下降[20],声效率发生下降则会导致空化效应减弱,导致其声化学效应、声物理效应等效应的减弱,而这些效应减弱则势必会导致超声波降解效应减弱,温度最高(60 ℃)时降解效应最弱,所以随着超声波处理温度的增加,红酒中总酚含量呈现了基本稳定而后来上升的趋势。另外值得一提的是,因为高温时超声波效率较低,故在使用超声波进行红酒催熟时不建议使用50、60 ℃等较高温度。

2.6 超声处理时间对红葡萄酒总酚、总黄酮含量和抗氧化活性的影响

由表4所示,处理后酒样总酚含量发生显著变化,随着超声时间的延长,总酚含量总体呈先下降后稍上升并趋于稳定的趋势;而超声处理酒样总黄酮含量则呈现先趋于稳定后下降的趋势。在自由基清除活性方面:酒样自由基清除活性呈现显著降低趋势。

在超声波诱导产生羟基自由基的初期,自由基产生量随着时间的延长呈现单调递增,后期逐渐趋于稳定[21];另外,在超声处理过程的初期阶段是自由基产生和积累的过程,而随着时间的延长自由基的产生越来越缓慢[22],诱导物质分解的能力也就越弱,故会导致这种随着时间的延长酚类和黄酮类物质分解速率减缓的现象出现。而在60 min以后,可能由于超声波的剪切作用继续作用于酚类和黄酮类物质,导致其进一步分解,相关活性基团暴露出来[23],而使得在测定的时候,得到总酚含量增加的结果。

2.7 超声处理后酒样总酚含量与抗氧化活性的相关性分析

由图1、图2可知,以样品总酚含量x为横坐标,自由基清除活性y为纵坐标,运用SPSS 20.0软件拟合得回归方程y=0.0270x+38.806(相关系数R2=0.9007,F值=172.372,p<0.01);样品总黄酮含量x为横坐标,自由基清除活性y为纵坐标,拟合得回归方程y=0.0592x+37.357(相关系数R2=0.4970,F值=18.773,p<0.05)。样品的抗氧化活性与总黄酮含量呈一定线性关系、与总酚含量高度相关,这与胡博然[9]等人和Fernandez-Pachan[10]等人的研究结论相一致,认为红葡萄酒清除自由基能力大部分来自于酚类物质,另一部分来自于黄酮类物质和其他生物活性物质。

图1 超声处理后红葡萄酒总酚含量和抗氧化活性的相关性Fig.1 Correlation between total phenolic content and antioxidant capacity of red wine after sonication

图2 超声处理后红葡萄酒总黄酮含量和抗氧化活性的相关性Fig.2 Correlation between total flavonoid content and antioxidant capacity of red wine after sonication

3 讨论

本研究的研究结论与Zhang[8]等人的结论相一致,证明超声波是可以诱导酚类物质显著降解。

红酒需要陈化才能具有最佳饮用品质[24]。在自然陈化过程中,酒中酚类物质在微量氧气的作用下发生一系列氧化、缩合等反应,随着时间的推移酚类物质的形态和分类发生变化,使酒的口感、颜色等特性有所改善[24-25];而随着自然微氧氧化进行,具有抗氧化性的活性物质势必会有部分被反应掉导致酒的抗氧化活性有所降低[26]。超声波可以诱导产生自由基,加快了红酒内部氧化过程,对红酒品质改善有较大作用[3-4,24],虽然超声波处理红葡萄酒,会使其抗氧化活性有所降低,但此变化是超声波促进红酒老化、改善酒品的结果,故研究和使用超声波技术处理和催陈红酒非常有实际意义。

综合本文的实验结果,仅从尽量不使红酒中主要抗氧化活性物质降解而导致自由基清除活性降低角度考虑,本实验条件下建议超声波处理参数为:频率100 kHz,功率180 W,处理温度20 ℃,处理20 min。

4 结论

以超声波处理红葡萄酒,研究了超声波频率、超声波功率、处理温度、处理时间等超声波因素对红葡萄酒总酚含量、总黄酮含量及自由基清除活性的影响。研究发现:超声处理会使红葡萄酒总酚含量、总黄酮含量与自由基清除活性显著降低;在测定的超声条件下酒样中总酚含量、总黄酮含量和自由基清除活性变化趋势基本一致;超声处理红葡萄酒后,其总酚含量与其抗氧化活性呈高度正相关,线性回归方程为y=0.0270x+38.806(R2=0.9007,F=172.372,p<0.01);总黄酮含量与其抗氧化活性亦呈一定线性关系,线性方程为y=0.0592x+37.357(R2=0.4970,F=18.773,p<0.05);在本文实验条件下根据实验结果可以推知:超声处理导致红葡萄酒抗氧化活性下降,部分是由于超声处理导致总酚含量和总黄酮含量的降低所造成的。仅从尽量不使得红酒中主要抗氧化活性物质降解而导致自由基清除活性降低,在本文实验条件下建议的超声波处理参数为:超声波频率100 kHz,超声波功率180 W,超声处理温度20 ℃,处理20 min。

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Effect of ultrasound on total phenolic,flavonoid content and free radical scavenging activity of red wine

SHEN Yuan1,2,ZHANG Qing-an1,*,YI Xuan1,ZHANG Xiao-li1,YAN Yan-ying1

(1.School of Food Engineering and Nutrition Sciences,Shaanxi Normal University,Xi’an,710062,China;2.Ordos School Attached to Beijing Normal University,Ordos,017010,China)

Ultrasound technology was applied to process red wine,effects of ultrasound frequency,ultrasound power,ultrasound treatment temperature and ultrasound time on total phenolic content,total flavonoid content and free radical scavenging activity of red wine were investigated. Research result showed total phenolic content,total flavonoid content and radical scavenging activity activity of red wine were decreased significantly after ultrasonication. There was significant correlation between antioxidant activity and total phenolic content(y=0.0270x+38.806,R2=0.9007,p<0.01). The antioxidant activity and total flavonoid content were also in a significant correlation(y=0.0592x+37.357,R2=0.4970,p<0.05). According to the results obtained,free radical scavenging activity of red wine were decreased significantly after ultrasonication,and the degradation of total phenolic content and total flavonoid content induced by ultrasound might basically explain this phenomenon.

ultrasound;red wine;total phenolic content;total flavonoid content;free radical scavenging activity

2015-01-26

申远(1989-)，男，硕士研究生，研究方向：食品超声波化学与化学教学, E-mail:jlaushawn@yeah.net。

*通讯作者:张清安(1976-)，男，博士，副教授,研究方向：食品加工高新技术应用基础研究、食品功能成分开发，E-mail:qinganzhang@snnu.edu.cn。

国家自然科学基金青年科学基金项目(31101324)；陕西省自然科学基金项目(2015JM3097)；西安市科技局技术转移促进工程项目(CXY1434(5))；中央高校基本科研业务费专项(GK201404006)。

TS261

A

1002-0306(2015)23-0111-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.23.014