芥末辛辣风味物质不同提取工艺的研究

杜喜玲

（鹤壁职业技术学院，河南 鹤壁 458030）

0 引言

芥末是以芥菜种子供食用，有很强的辛辣风味，具有抗菌杀虫、抗癌、血栓预防、增进食欲、抗氧化等功能，在很多食品及食品行业中应用，如生鱼片涂膜芥末食用、酱油防腐、果蔬保鲜等都有应用[1-3]。芥末独特的辛辣风味是植物细胞遭破坏时，在一定的外界条件下由内源性黑芥子苷酶催化母体硫葡糖苷产生易挥发且具有强烈刺激辛辣风味的异硫氰酸酯物质而引起的，这种物质不仅是芥末辛辣风味的来源，也是十字花科植物的特殊风味来源[4-7]。芥末植物组织破碎后在一定的温度和湿度下硫葡糖苷由其共存的酶的催化水解而产生一系列产物。

硫葡糖苷酶水解途径见图1。

图1 硫葡糖苷酶水解途径

目前，风味物质的提取主要有水提法、有机溶剂提取法、同时蒸馏萃取法、超临界流体萃取法、顶空固相微萃取法及微波辅助提取法等[8]。研究采用水蒸气蒸馏法与同时蒸馏萃取法提取芥末中的辛辣风味物质，以提取率的高低考查2种方法提取效果，同时采用单因素试验和正交试验对提取工艺进行优化。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 材料与试剂

芥末，购自市场或超市。

试剂：二氯甲烷、无水硫酸钠、邻苯二甲酸氢钾、氢氧化钠、抗坏血酸等。

1.1.2 仪器与设备

水蒸气蒸馏装置；真空旋转蒸发仪、真空旋转蒸发仪，上海申胜生物技术有限公司产品；同时蒸馏萃取装置；HH-4型电子恒温水浴锅，金坛市富华仪器有限公司产品；DHG-9245A型电热恒温鼓风干燥箱、DHg-9070A型真空干燥箱，上海一恒科技有限公司产品；A-88型组织捣碎匀浆机，江苏省金坛市医疗仪器厂产品；BT124S型电子分析天平，北京赛多利斯仪器系统有限公司产品。

1.2 方法

1.2.1 水蒸气蒸馏法（WSD）[9-10]

称取合适的芥末物质用水蒸气蒸馏法提取，以芥末精油提取率为指标，考查了原料用量、缓冲溶液体积、蒸馏时间对提取率的影响，通过单因素试验与正交试验确定影响芥末提取率的因素及其最佳提取工艺[4，8]。根据辣根中硫苷最佳水解条件，采用如下工艺流程：

取样100 g→打浆→pH值4.2缓冲溶液300 mL→10 mg/mL抗坏血酸10 mL→具塞65℃水解2 h→蒸馏2 h→二氯甲烷萃取溜出物20 mL/次，萃取3次→合并萃取液→无水NaSO4除水→真空旋转蒸发器→少量萃取液转移至容量瓶在60℃下水浴除去剩余二氯甲烷→得到无色至淡黄色的油状辛辣风味物质，即芥末精油。根据容量瓶前后质量差即可求出芥末精油的质量，进而求得芥末精油的提取率。

通过单因素试验，确定了山葵原料用量、缓冲溶液体积、蒸馏时间为提取率的影响因素，采用正交设计法对原料用量、缓冲溶液体积、蒸馏时间进行正交试验，以山葵精油得率为指标，选用正交表L9（34）设计三因素三水平9个试验[9]。

WSD因素与水平设计见表1。

表1 WSD因素与水平设计

1.2.2 同时蒸馏萃取法（SDE）[9-11]

将100 g芥末置于500 mL圆底烧瓶中，蒸馏水300 mL，接至同时蒸馏萃取装置（SDE）的一端，温度控制在100～105℃保持沸腾；另取二氯甲烷50 mL于500 mL圆底烧瓶中，接至SDE装置的另一端，以恒温水浴加热，温度控制在60℃，持续蒸馏萃取2 h。二氯甲烷萃取液加无水硫酸钠干燥过滤到容量瓶，然后水浴除去二氯甲烷得到无色至淡黄色的油状液体，根据容量瓶前后质量差求出芥末精油的质量，进而求得芥末精油的提取率[12-14]。

称取合适的芥末物质用同时蒸馏萃取法提取，以芥末精油提取率为指标，考查了水解时间、水解温度、pH值、抗坏血酸质量浓度、蒸馏时间对提取率的影响，通过单因素试验与正交试验确定影响芥末提取率的因素及最佳提取工艺。

通过单因素试验确定了水解时间、水解温度、抗坏血酸质量浓度、pH值、蒸馏时间对提取率的影响，采用正交设计法对水解时间、水解温度、pH值、抗坏血酸质量浓度、蒸馏时间进行正交试验，以山葵精油得率为指标，选用正交表L16（45），设计五因素四水平16个试验[9]。

SDE因素与水平设计见表2。

表2 SDE因素与水平设计

2 结果与分析

2.1 水蒸气提取芥末辛辣风味物质法结果与分析

2.1.1 原料用量对芥末辛辣风味物质提取率的影响

原料用量对提取率的影响结果见图2。

图2 原料用量对提取率的影响结果

从图2可看出，原料用量对提取率的影响呈现先升高后降低的趋势，在原料用量100 g时提取率最高为0.054%，之后随着原料用量的增加提取率下降，这主要是因为在缓冲溶液体积与蒸馏时间一定的情况下，随着原料用量的增加，生成的芥末精油越来越多，提取率上升，但原料用量达到一定程度后再增加用量就会导致芥末中的硫葡糖苷不能在黑芥子酶的作用下充分水解产生所需的芥末精油，这样就导致芥末精油的提取率越来越低。

2.1.2 缓冲溶液体积对提取率的影响

缓冲溶液体积对提取率的影响结果见图3。

图3 缓冲溶液体积对提取率的影响结果

从图3可看出，缓冲溶液体积对提取率的影响呈现先升高后降低的趋势，但下降趋势没有上升趋势明显，当缓冲溶液体积为300 mL时提取率最高为0.057%，这主要是因为随着缓冲溶液体积的增加，芥末中的硫葡糖苷酶解越充分，提取率就越高，但随着缓冲溶液体积的增加芥末酶解产物就会发生部分降解，但降解缓慢，从而导致提取率缓慢降低。

2.1.3 蒸馏时间对提取率的影响

蒸馏时间对提取率的影响见图4。

图4 蒸馏时间对提取率的影响

从图4可看出，蒸馏时间对提取率的影响呈现先升高后降低的趋势，在蒸馏2 h时提取率最高为0.056%，之后随着蒸馏时间的增加提取率降低，这主要是因为硫葡糖苷酶解产生的辛辣风味物质异硫氰酸酯随着蒸馏时间的增加逐渐降解的结果。

2.1.4 正交试验结果与分析

采用三因素三水平进行正交设计。

实施方案与结果见表3。

从表3可看出，正交试验的提取率在0.022%～0.055%，提取率不太高，可能原因除了试验过程的损失外，还与芥末精油生成条件及异硫氰酸酯易降解等多种原因有关[4，11]。通过正交试验极差分析可看出，3个因素对芥末辛辣风味物质的影响大小不同，其中缓冲溶液体积影响较大，蒸馏时间影响最小。

表3 实施方案与结果

2.2 同时蒸馏萃取法结果与分析

2.2.1 水解时间对芥末辛辣风味物质提取率的影响

水解时间对提取率的影响结果见图5。

图5 水解时间对提取率的影响结果

从图5可看出，水解2 h的提取率最高为0.19%，水解时间对提取率的影响呈现先升高后降低的趋势，但升高趋势高于降低趋势，随着水解时间的延长，提取率平缓降低，这主要是因为起初芥末硫葡糖苷在酶的作用下水解加快[4-5]，随着水解时间的延长，生成的异硫氰酸酯就越来越多，因此提取率就增加，但随着水解时间的不断延长，生成的异硫氰酸酯在水的作用下就会发生缓慢降解，从而导致异硫氰酸酯不断减少，提取率就会越来越少。

2.2.2 水解温度对芥末辛辣风味物质提取率的影响

水解温度对提取率的影响结果见图6。

图6 水解温度对提取率的影响结果

从图6可看出，水解温度在60℃时提取率最高0.18%，水解温度对提取率的影响呈现先升高后降低的趋势，升高降低趋势都比较迅速，这主要是芥末中的硫葡糖苷酶受温度影响较大，每种酶都有一个最适的活性温度；芥末酶解产生的主要辛辣物质异硫氰酸酯也受温度影响较大，随着温度不断升高，异硫氰酸酯的降解也会加快，提取率降低[4，11]。

2.2.3 pH值对芥末辛辣风味物质提取率的影响

pH值对提取率的影响见图7。

图7 p H值对提取率的影响

从图7可看出，pH值对提取率的影响呈现先升高后降低的趋势，pH值在4～5时提取率比较高；pH值5时，提取率是0.175%；pH值〉6时提取率逐渐减少。由此可见，酸性条件有利于山葵精油的提取[8]，这是因为不同植物含有的黑芥子苷酶适宜的pH值范围不同。

2.2.4 抗坏血酸质量浓度对芥末辛辣风味物质提取率的影响

抗坏血酸质量浓度对提取率的影响见图8。

图8 抗坏血酸质量浓度对提取率的影响

从图8可看出，抗坏血酸质量浓度对提取率影响呈现先升高后降低的趋势，在抗坏血酸质量浓度为10 mg/mL时提取率最高为0.19%，之后随着抗坏血酸浓度的增加，提取率反而减少，这主要是因为一定质量浓度的抗坏血酸对黑芥子苷酶的活性有激活作用，但不同质量浓度的抗坏血酸对黑芥子苷酶活性的激活作用不同。

2.2.5 蒸馏时间对提取率的影响

蒸馏时间对提取率的影响见图9。

从图9可看出，蒸馏时间为2 h时提取率最高0.18%，随着蒸馏时间的增加提取率先升高，但蒸馏达到一定时间后，继续蒸馏就会使提取率逐渐降低，这是因为芥末在一定条件下水解产生的辛辣风味物质会随着蒸馏时间的不断增加发生降解，从而导致提取率不断降低[8，11]。

图9 蒸馏时间对提取率的影响

2.2.6 正交试验结果与分析

采用五因素四水平进行正交设计。

实施方案与测定结果见表4。

表4 实施方案与测定结果

从表4可看出，同时蒸馏萃取法的提取率为0.098%～0.172%，通过正交试验极差分析可看出，5个因素对芥末辛辣风味物质的影响大小不同，其中水解时间影响较大，蒸馏时间影响最小。同时蒸馏萃取法提取芥末辛辣风味物质的提取率明显高于水蒸气蒸馏法0.022%～0.055%。因此，同时蒸馏萃取法提取工艺比水蒸气蒸馏法更利于芥末辛辣风味物质的提取[15-16]。

3 结论

3.1 水蒸气蒸馏法提取芥末风味物质

（1）水蒸气蒸馏法的单因素试验中，3个因素对提取率的影响总体呈现先升高后降低的趋势，3个因素各自的最佳提取率分别是原料用量100 g，缓冲溶液体积300 mL，蒸馏时间2 h。

（2）水蒸气蒸馏法的正交试验中原料用量、缓冲溶液体积、蒸馏时间对芥末辛辣风味物质都有一定的影响，3个因素对提取率的影响大小为缓冲溶液体积〉原料用量〉蒸馏时间。

3.2 同时蒸馏萃取法提取芥末风味物质

（1）同时蒸馏萃取法的单因素试验中，5个因素对提取率的影响整体呈现先升高后降低的趋势，但升高与降低的平缓程度不同，5个因素各自的最高提取率分别为水解时间2 h，水解温度60℃，抗坏血酸质量浓度10 mg/mL，pH值5，蒸馏时间2 h。

（2）同时蒸馏萃取法的正交试验中，水解时间、水解温度、pH值、抗坏血酸浓度、蒸馏时间对芥末辛辣风味物质都有一定的影响，5个因素对提取率的影响大小为水解时间〉水解温度〉pH值〉抗坏血酸浓度〉蒸馏时间。

（3）同时蒸馏萃取法的提取率为0.098%～0.172%，提取率明显高于水蒸气蒸馏法0.022%～0.055%，蒸馏萃取法比水蒸气蒸馏法更利于芥末辛辣风味物质的提取。