付军伟,赵 育,任娜梅,周 琦,裴亚利,朱莉莉,张宝善
(1.陕西师范大学 食品工程与营养科学学院,西安 710119; 2.陕西师范大学陕西省果品蔬菜深加工技术研究中心, 西安 710119)
食醋是人们生活中常用的一种调味品,具有调节机体血糖平衡、促进钙吸收、减轻疲劳和刺激食欲等功效[1-2]。番茄是世界上广泛种植的蔬菜,中国南北方也均有种植。番茄及其制品中含有多种营养成分,包括有机酸、氨基酸、矿物质、酚类化合物、类胡萝卜素和维生素等[3-5]。因此,以番茄为原料生产的番茄醋被认为是一种含有番茄衍生功能成分的功能性食品[6]。近年来,关于番茄醋生产工艺及其功能特性的研究逐渐增多[7-9],但有关番茄醋及其不同发酵阶段产物中抗氧化成分和色泽的变化鲜有报道。因此,研究番茄醋各发酵阶段产物中抗氧化成分和色泽及不同处理如加热、光照、金属离子等对番茄醋生产和贮藏有重要意义。Georgé等[10]研究发现热加工可以使黄番茄中β-胡萝卜素质量分数显著降低,红番茄和黄番茄中总酚和维生素C质量分数显著降低;低压干燥法降低了红番茄中胡萝卜素质量分数,总酚质量分数在红番茄中得以保留而在黄番茄中却降低,与此同时,2种番茄中维生素C质量分数没有受到影响。Santos[11]研究旋转托盘干燥对番茄沙司片中抗氧化成分、色泽和复水率的影响,结果表明在干燥温度60 ℃、旋转托盘中空气流速为0.6 m·s-1条件下,番茄红素、抗坏血酸和总酚含量的降解达到最小化,对亮度(L*)和黄色值(b*)没有影响。Ordóezsantos等[12]研究超声处理对灯笼果中维生素C、总酚和类胡萝卜素质量分数以及色泽的影响,结果表明超声处理可以提高灯笼果中类胡萝卜素、总酚和视黄醇的利用率。赵美佳[13]对番茄醋酸饮料发酵工艺及抗氧化能力变化进行研究,通过正交法确定番茄醋酸饮料酒精发酵和醋酸发酵最佳工艺,并发现其铁还原能力、DPPH自由基清除率、羟自由基清除率下降,超氧阴离子自由基清除率上升。陈菁等[14]研究不同因素对辣椒红色素稳定性的影响,结果发现温度、光照、氧化剂和酸都会降低辣椒红色素的稳定性,而NaCl离子强度对其没有影响。由于抗氧化成分是番茄醋中比较重要的的营养成分,色泽也是反映番茄醋感官品质的重要特性,因此,本研究通过测定番茄汁、番茄酒和番茄醋中抗氧化成分含量及色差值,明确番茄醋发酵过程中抗氧化成分含量和色泽的变化情况;研究热处理、金属离子、光照对番茄醋不同发酵阶段产物中抗氧化成分含量和色泽的影响,为番茄醋的发酵生产和贮藏提供理论依据。
供试番茄、番茄酒和番茄醋均由陕西省西安市西优番茄研究所提供,番茄品种为‘粉提’。
没食子酸标准品、β-胡萝卜素标准品、抗坏血酸标准品均购自Sigma-Aldrich公司。硫酸铜、氯化钙、硫酸镁、三氯化铁、硫酸钠、乙酸乙酯等,均为国产分析纯试剂,均购自天津市天力化学试剂有限公司。
1.2.1 番茄醋发酵工艺流程 番茄→清洗→打浆破碎→番茄汁→酶解(40 ℃,2 h)→过滤→成分调整(糖度)→杀菌(80 ℃,20 min)→酒精发酵(接入酵母菌)→番茄酒→醋酸发酵(接入醋酸菌)→番茄醋→过滤→装瓶→密封杀菌、冷却→成品
1.2.2 番茄醋不同发酵阶段产物中抗氧化成分含量的测定 在室温条件下取未处理的番茄汁、番茄酒和番茄醋各100 mL,按照“1.3”中各抗氧化成分指标测定其含量,并将其作为各处理的初始值。
1.2.3 热处理 对番茄汁、番茄酒和番茄醋分别在40、60、80 ℃进行热处理,每隔10 min吸取样品测定其类胡萝卜素质量分数、总酚质量浓度和色差值,持续加热60 min。
1.2.4 金属离子处理 取不同浓度(10、20、30 mmol·L-1)的金属离子溶液(Cu2+、Fe3+、Mg2+、Ca2+、Na+),分别加入到番茄汁、番茄酒和番茄醋中,使之避光放置30 min,测定其类胡萝卜素质量分数、总酚质量浓度以及色差值。
1.2.5 光照处理 将番茄汁、番茄酒和番茄醋分别置于不同光照条件下(太阳光照射、紫外灯照射、室内避光),每隔1 h取样,测定其类胡萝卜素质量分数、总酚质量浓度以及色差值。
1.3.1 类胡萝卜素质量分数 参照吕爽[15]的方法进行改进。称取25 g样品于250 mL锥形瓶中,加入50 mL的乙酸乙酯,然后进行超声辅助提取,提取温度40 ℃,提取时间15 min,提取功率100 W。提取结束后,用旋转蒸发仪在40 ℃下进行真空浓缩,最后用丙酮定容至25 mL,452 nm波长条件下测定吸光度,以丙酮代替提取液作空白对照,以β-胡萝卜素标准溶液作标准曲线,回归方程为y=0.016 1x-0.005 6,相关系数R2=0.999 4,回归方程线性关系良好。类胡萝卜素质量分数通过下面的公式计算。重复测定3次。β-胡萝卜素质量分数(μg·g-1)=(k×C×V)/M式中:k表示稀释倍数;C表示提取液中β-胡萝卜素质量浓度(μg·mL-1);V表示提取液蒸干后定容体积(mL);M表示样品质量(g)。
1.3.2 总酚质量浓度 参照GB/T 8313-2008中总酚测定方法[16]。精确移取稀释10倍的样品1 mL,加入5 mL 10%的福林酚试剂,混匀。在0.5~8 min内加入4 mL 7.5% Na2CO3溶液,混匀,避光反应1 h,在765 nm波长下测定吸光值。以1 mL蒸馏水代替样品作空白对照,以没食子酸标准溶液作标准曲线,回归方程y=0.011 8x+0.011 5,相关系数R2=0.993 7,回归方程线性关系良好。总酚质量浓度以每毫升样品中所含没食子酸当量表示,单位为 μg·mL-1。重复测定3次。
1.3.3 抗坏血酸质量分数 参照参考文献[17]中2,6-二氯酚靛酚法测定。
1.3.4 色差值 室温下黑板调零,以标准白板作为标准。将处理好的样品取2 mL于色差仪镜头前,记录L*、a*、b*值,并通过下面公式计算色差值△E。重复测定3次。
采用Microsoft Excel 2013和DPS 7.5对数据进行处理分析。
番茄醋不同发酵阶段产物中抗氧化成分含量和色差值见表1。由表1可以看出,番茄汁、番茄酒和番茄醋中抗氧化成分含量和色差值存在显著性差异。与番茄汁相比,番茄醋中类胡萝卜素下降9.85 μg·g-1,总酚下降300.85 μg·mL-1,抗坏血酸未检出;番茄酒中类胡萝卜素下降7.21 μg·g-1,总酚下降144.07 μg·mL-1,抗坏血酸质量分数仅余0.32 mg·hg-1。与番茄渣中抗氧化成分含量比较,可以看出番茄汁、番茄酒中损失的抗氧化成分含量并未转移到渣中,表明发酵使得番茄汁和番茄渣中的抗氧化成分发生了降解损失。与番茄汁相比,番茄醋的L*下降9.36,a*升高1.97,b*升高19.46,色差值△E升高21.68,说明发酵可以使色泽的亮度下降,红色值和黄色值升高,且黄色值变化最显著,番茄醋的颜色最终为深褐色。
表1 番茄醋不同发酵阶段产物中抗氧化成分和色差值比较Table 1 Comparison of antioxidant compositions and color values among different fermentation products of tomato vinegar
注:“-”表示未检测,“nd”表示未检出。不同小写字母表示组间有显著差异(P<0.05)。下同。
Note:“-” means undetected, “nd” means not detectable.The values marked by different lowercase letters are significantly different (P<0.05).The same below.
2.2.1 类胡萝卜素质量分数的变化 表2显示,热处理对类胡萝卜素产生显著影响。与未处理的番茄汁、番茄酒和番茄醋相比,在相同的热处理温度下,随着热处理时间延长,番茄汁、番茄酒和番茄醋中类胡萝卜素质量分数逐渐降低,且在相同的热处理时间下,随着温度的升高,类胡萝卜素质量分数明显下降。且番茄汁、番茄酒和番茄醋中类胡萝卜素质量分数下降程度不同。
由表2可以看出,相同加热时间内,40 ℃下番茄汁、番茄酒和番茄醋中类胡萝卜素质量分数显著高于80 ℃(P<0.05),表明番茄汁、番茄酒和番茄醋中的类胡萝卜素在低温下相对稳定,高温可降低类胡萝卜素稳定性,加快类胡萝卜素降解。在40 ℃下加热10 min,番茄汁、番茄酒和番茄醋中类胡萝卜素的保留率分别为97.55%、60.11%和90.00%,但在40 ℃下加热60 min,类胡萝卜素的保留率分别下降为39.60%、50.92%和45.71%。而在80 ℃下加热60 min,番茄汁类胡萝卜素质量分数从12.65 μg·g-1降低到1.59 μg·g-1,损失率达87.43%,番茄酒和番茄醋的损失率分别为79.96%和85.36%。
由表3可以看出,随着金属离子浓度的升高,番茄汁、番茄酒和番茄醋中类胡萝卜素质量分数下降幅度增大,表明金属离子的存在可以破坏类胡萝卜素的稳定性。与其他金属离子相比,Cu2+和Fe3+对类胡萝卜素质量分数影响存在显著性差异。当离子浓度为30 mmol·mL-1时,Cu2+使番茄汁、番茄酒和番茄醋中类胡萝卜素分别降低6.74、2.67和1.64 μg·g-1;Fe3+使番茄汁、番茄酒和番茄醋中类胡萝卜素分别降低6.49、3.04和1.46 μg·g-1。Ca2+、Mg2+和Na+对类胡萝卜素影响不大,在30 mmol·mL-1浓度下,类胡萝卜素保留率均在66%以上。
由表4可以看出,不同光照条件对番茄汁、番茄酒和番茄醋中类胡萝卜素影响不同,其中太阳光对其类胡萝卜素影响最显著。同时照射7 h,太阳光使得番茄汁、番茄酒和番茄醋中类胡萝卜素的损失率最大,分别为95.81%、92.46%、91.58%。紫外光次之,且随着照射时间延长,类胡萝卜素残存率逐渐下降。室内避光条件下,番茄汁、番茄酒和番茄醋中类胡萝卜素质量分数保留率都在75%以上。
表2 热处理对番茄醋各发酵阶段产物中类胡萝卜素质量分数的影响Table 2 Effect of heat treatment on carotenoids mass fraction among different fermentation products of tomato vinegar μg·g-1
表3 金属离子对番茄醋各发酵阶段产物中类胡萝卜素质量分数的影响Table 3 Effect of metal ions on carotenoids mass fraction among different fermentation products of tomato vinegar μg·g-1
2.2.2 总酚质量浓度的变化 由表5中可以看出,热处理对番茄汁、番茄酒和番茄醋中总酚质量浓度均有显著影响。在相同温度下,随着热处理时间的延长,番茄汁、番茄酒和番茄醋中总酚质量浓度均下降,高温处理下总酚损失最为严重,80 ℃处理60 min,番茄汁、番茄酒和番茄醋中总酚损失量分别为366.95、127.12、170.59 μg·mL-1,而在低温下加热不会使总酚质量浓度发生显著性降低,40 ℃下加热60 min,番茄汁、番茄酒和番茄醋中总酚保留率分别为88.14%、78.99%、71.41%。在同一热处理时间下,随着热处理温度的升高,番茄汁、番茄酒和番茄醋中总酚质量浓度也呈下降趋势,同时加热60 min 80 ℃下番茄汁、番茄酒和番茄醋中总酚损失率比40 ℃下其损失率分别高52.33%、8.72%和34.41%。
表4 光照对番茄醋各发酵阶段产物中类胡萝卜素质量分数的影响Table 4 Effect of light on carotenoids mass fraction among different fermentation products of tomato vinegar μg·g-1
表5 温度对番茄醋各发酵阶段产物中总酚质量浓度的影响Table 5 Effect of heat treatment on total phenols mass concentration among different fermentation products of tomato vinegar μg·mL-1
从表6可以看出Ca2+、Mg2+和Na+对番茄酒和番茄醋总酚的稳定性影响不大,浓度30 mmol·mL-1处理30 min,总酚的保存率均在72%以上,而Ca2+、Mg2+和Na+使得番茄汁中总酚保留率均在40%以下。番茄汁和番茄醋的总酚在Cu2+和Fe3+存在时损失严重,浓度30 mmol·mL-1处理30 min, Cu2+造成番茄汁和番茄醋中总酚损失率分别达68.20%、66.67%;Fe3+引起总酚质量浓度损失率分别达63.01%、66.04%,然而番茄酒中总酚损失率较小,分别为28.34%、27.75%。
从表7可以看出,不同的光照强度对总酚的影响不同,其中太阳光引起总酚质量浓度损失最为严重,经太阳光照射7 h之后,番茄汁、番茄酒和番茄醋中总酚质量浓度损失率分别为97.11%、99.50%和96.11%;而紫外光次之,室内避光造成总酚损失最小,因此番茄醋应该避光保存。
2.3.1 热处理的影响 热处理对番茄醋发酵过程中色泽的影响见表8。热处理对番茄汁、番茄酒和番茄醋的L*有显著影响(P<0.05)。随着温度的升高和加热时间的延长,L*均变小,说明热处理使番茄汁、番茄酒和番茄醋的亮度降低;热处理对番茄汁、番茄酒和番茄醋的a*和b*均有显著影响。番茄汁的a*和b*随着热处理温度和时间的增大而减小,说明热处理可使番茄汁的红值和黄值降低,番茄酒和番茄醋的a*和b*随着热处理温度和时间的增大而增大,表明热处理可以增大番茄酒和番茄醋的红值和黄值。整体上,热处理之后番茄汁、番茄酒和番茄醋的色泽均变深。
2.3.2 金属离子的影响 从表9可以看出,在相同金属离子条件下,番茄汁、番茄酒和番茄醋的L*均随着离子浓度的增加而减小,说明高浓度的金属离子可使其亮度下降,其中Cu2+和Fe3+使其下降最为明显,Ca2+、Mg2+、Na+对L*影响不显著。番茄汁和番茄酒的a*随着离子浓度的增加而减小,而番茄醋中,a*随着Cu2+浓度的增大而减小,对于Fe3+、Ca2+、Mg2+、Na+来说,a*随着其浓度的增大而增大,说明在番茄汁和番茄酒中,这5种金属离子可使红值减弱,在番茄汁中,除了Cu2+外,其他金属离子可以使红值加强。对于b*,番茄汁和番茄醋的b*随着金属离子浓度的升高而增大,说明添加金属离子可以使番茄汁和番茄醋的黄值升高;番茄酒的b*随着Fe3+的浓度升高而增大,Cu2+、Ca2+、Mg2+和Na+浓度的升高使得番茄酒的b*减小,说明Fe3+可以使番茄酒的黄值升高,Cu2+、Ca2+、Mg2+和Na+可以使番茄酒的黄值下降。
表6 金属离子对番茄醋各发酵阶段产物中总酚质量浓度的影响Table 6 Effect of metal ions on total phenols mass concentration among different fermentation products of tomato vinegar μg·mL-1
表7 光照对番茄醋各发酵阶段产物中总酚质量浓度的影响Table 7 Effect of lights on total phenols mass concentration among different fermentation products of tomato vinegar μg ·mL-1
2.3.3 光照的影响 由表10可以看出,番茄汁中,随着光照强度和光照时间的增加,L*、a*和b*都逐渐减小。番茄酒中,L*随着光照强度和光照时间的增加而减小,而a*和b*都随着光照强度和光照时间的增加而增大。对于番茄醋而言,随着光照时间的延长,太阳光下L*降低,a*增大,b*减小;紫外光下L*降低,a*增大,b*增大;室温避光下L*降低,a*减小,b*增大。相比而言,室温避光下色泽变化较小,稳定性较高,太阳光引起色泽改变比较显著。
表8 热处理对番茄醋不同发酵阶段产物色泽的影响Table 8 Effect of heat treatment on the color of different fermentation products of tomato vinegar
表9 金属离子对番茄醋不同发酵阶段产物色泽的影响Table 9 Effect of metal ions on the color of different fermentation products of tomato vinegar
表10 光照对番茄醋不同发酵阶段产物色泽的影响Table 10 Effect of light on the color of different fermentation products of tomato vinegar
本研究测定番茄醋各发酵阶段产物中抗氧化成分含量和色差值。结果表明在发酵过程中类胡萝卜素质量分数和总酚质量浓度均呈下降趋势,抗坏血酸在番茄醋中未检出,同时色差值△E逐渐变大,色泽发生显著变化。类胡萝卜素质量分数降低可能是类胡萝卜素在中性条件下相对稳定,对酸和碱的可耐受性差,所以在发酵过程中,酸度增大,降低了类胡萝卜素的稳定性,也可能是由于发酵期间没有完全隔氧导致类胡萝卜素发生了氧化降解[18]。而总酚质量浓度下降的原因可能是由于发酵前期带渣发酵时皮渣层中夹入了较多的空气,增加了发酵液中的溶氧量,加速了多酚的氧化[19]。此外,抗坏血酸在发酵过程全部损失,这可能是由于抗坏血酸在干燥的空气中比较稳定,其水溶液不稳定,遇光和Fe、Cu等金属离子均会加速氧化,遇空气和加热导致其降解[20]。色泽的改变则可能是由于发酵过程中温度变化,发酵罐的材质以及发酵过程中不断有空气进入导致类胡萝卜素、酚类物质和抗坏血酸的降解和氧化的原因[21]。
经不同方式处理后,番茄汁、番茄酒和番茄醋中的类胡萝卜素有不同程度的损失。类胡萝卜素受热处理下降的原因可能是由于胡萝卜素在敏感条件下极易发生异构化反应使得其长链π键很容易受到破坏[22],随着温度升高,溶液中分子运动速度增加,熵增加,使溶液不稳定,β-胡萝卜素分子有序性下降[23]。金属离子可以和类胡萝卜素形成不溶性的盐,使得胡萝卜素的某些化学键断裂从而破坏了胡萝卜素的空间结构。Cu2+和 Fe3+使类胡萝卜素稳定性下降可能与这2种金属离子具有较强的氧化性有关[15]。申海进等[24]研究发现Cu2+对野菊花类胡萝卜素保存率有很大影响,可能是由于色素与金属离子形成了螯合物,从而形成沉淀,而且随着离子浓度加大,沉淀形成速度和形成量提高。光对类胡萝卜素有2种作用效应:一是形成顺反双键,使吸收波长发生蓝移;二会促进类胡萝卜素链的氧化,载色体降解断裂,光谱向紫外区漂移从而导致其吸光度降低[25]。孙庆杰等[26]研究发现番茄红素对光十分敏感,尤其是太阳光和紫外光,其溶液经太阳光照射半天后,其中的番茄红素基本上损失殆尽,这与本试验结果基本一致。Lin等[27]研究发现光可以促进番茄汁中所有反式叶黄素的降解和异构化,β-胡萝卜素和番茄红素也有相同的趋势,这与本研究结果基本一致。
通过热处理、添加金属离子和光照,番茄汁、番茄酒和番茄醋中总酚质量浓度降低,且降低程度不同。番茄汁中总酚质量浓度的降低可能是由于多酚中呈色的花色苷类物质在热处理下极易被氧化,且温度越高,氧化速率越快,多酚类物质化学结构遭到破坏,致使酚类物质被降解[28]。此外热处理会使番茄汁中细胞破裂,释放出更多的多酚氧化酶,破坏酚类化合物。由于发酵前期,番茄汁经过热杀菌处理,导致多酚氧化酶被钝化,番茄酒中总酚质量浓度的降低可能是由于一些花青素类物质含有大量的羟基,这种结构大大降低了其稳定性,也可能是由于酵母和花青素之间的吸附机制,致酒精发酵成品中酚类化合物减少[29]。番茄醋中总酚质量浓度降低则可能与酚类物质的热降解有关。金属离子对总酚的影响主要有2个方面,一是与酚类化合物发生络合反应,因为酚类化合物含有多个酚羟基,具有较强的酸碱缓冲能力,可作为多基配体与中心离子发生络合,形成环状螯合物;二是发生氧化还原作用,酚类物质的还原电位高,在一定条件下易自动氧化,高价的金属离子具有较强的氧化性,能够将其氧化为醌或其他衍生物,而金属离子则被还原为相应低价离子[30]。相比较而言,番茄汁中总酚质量浓度损失比较严重,这可能是由于除了受金属离子的影响,在反应过程中,过氧化物酶或许与酚类化合物的氧化降解有关[28]。光照强度对酚类化合物的影响可能是由于酚类物质中2-苯基苯并吡喃阳离子结构导致其稳定性差,光能加快酚类物质降解[31]。
对于番茄汁,在低温处理过程中由于美拉德反应、酶促褐变、抗坏血酸氧化等原因导致色泽发生改变[32],而高温处理引起的色素降解、酚类物质氧化也会导致色泽改变。美拉德反应引起番茄汁的亮度下降,多酚氧化酶催化多酚氧化为醌,醌聚合并与细胞内氨基酸反应生成黑色素,会影响色泽的变化[33]。此外,抗坏血酸氧化生成的羰基化合物是强促褐变剂,可以生成内酯、3-羟基-2-吡喃酮、5-羟甲基糠醛等呋喃类化合物[34-35]。对于番茄酒,其色泽的改变可能与热处理导致酚类物质、类胡萝卜素降解有关系,同时加热导致酒精质量浓度降低可能也会使番茄酒成分发生改变,由于番茄酒在发酵过程中抗坏血酸大部分被氧化,所以抗坏血酸降解对番茄酒色泽改变仅是次要原因;由于番茄醋中没有检测到抗坏血酸的存在,且番茄醋中类胡萝卜素质量分数也很少,所以热处理导致酚类物质的降解可能是番茄醋色泽改变的主要原因。与其他金属离子相比,Cu2+和Fe3+对番茄汁色泽的影响大是因为Cu2+具有一定的氧化性,对抗坏血酸具有较强的催化作用,且Cu2+随着浓度的增加对β-胡萝卜素稳定性影响增强[15];Fe3+作用于多酚类物质和一部分氨基酸与还原糖发生了美拉德反应,使褐变更为严重,同时Fe3+也可以催化抗坏血酸的氧化[36]。对于番茄酒和番茄醋来说,由于抗坏血酸在发酵过程基本损失掉了,且类胡萝卜素质量分数明显低于酚类物质的质量浓度,因此当金属离子Fe3+、Cu2+浓度不断增加时,金属离子和酚类物质的酚羟基螯合后从而导致其色泽发生变化[37]。
随着光照时间的增长和光照强度的增强,类胡萝卜素和酚类物质都有一定程度的损失,而对于番茄汁来说,除了类胡萝卜素和酚类物质的损失外,光照也会使抗坏血酸发生光降解反应,从而使其失去对色泽的保护作用。对于番茄酒和番茄醋,酚类物质是其主要生色物,由于酚酸类物质含有酯键、不饱和键、酚羟基等,在光照下可能会发生氧化缩合反应,从而导致色泽发生改变[38]。
番茄醋各发酵阶段产物中抗氧化成分含量依次降低,色泽逐渐加深。热处理、金属离子和光照均造成番茄汁、番茄酒和番茄醋中抗氧化成分损失和色泽改变,表明热处理、金属离子和光照在番茄醋发酵过程中对类胡萝卜素、总酚和色泽均有显著影响。因此,番茄醋应在低温、避光的环境中发酵生产和贮藏并尽量避免金属离子的污染。