王前菊,王宇,方晓彤,张绿萍,周俊良
(贵州省果树科学研究所,贵州贵阳 550005)
水果含有丰富的维生素、矿物质、微量元素、膳食纤维及大量的植物化学物质,具有抗氧化、调节机体免疫能力等功能,深受消费者青睐[1]。随着生活水平的不断提高,人们对果实的要求也越来越高,不仅要求鲜果及其产品具有高营养价值,而且还要具有浓郁的芳香气味。香气是决定水果风味特征的关键因素之一,影响着消费者对水果的接受程度,而挥发性风味物质是香气的重要组成部分[2]。不同水果之间的挥发性风味物质含量和种类差异较大,果实产生的香气类型也不同,其挥发性风味物质含量越高、种类越多,果实的整体香气就越浓[3]。水果中的香气物质大约2 000 种,主要为C6~C9 的醛类和醇类、酯类、萜类、酮类、羟基化合物、挥发酸和一些含硫化合物等[4]。
果实采后贮藏保鲜与加工技术是实现水果周年供应的重要技术手段。但在采后贮藏过程中,贮藏的方式、温湿度、时间及使用的保鲜剂等都会影响果实的风味品质,如维生素降解、酚氧化降解等[5];在加工过程中容易出现香气散失、营养成分流失等严重的问题,如发生蛋白质水解、脂质降解、氧化和美拉德反应等[6]。因此,通过监测果实贮藏过程及加工过程中挥发性风味物质的变化可以判断果实品质的变化情况,可以为果实品质控制提供科学依据。而挥发性风味物质较为复杂,不同的提取、分析方法所得到的挥发性风味物质不同,甚至有较大差异[7]。该文介绍水果中常见的挥发性风味物质的提取、分析方法,对贮藏保鲜及加工过程中挥发性化合物变化进行总结,以期为增强水果风味、监测鲜果贮藏期及生产出更高质量、风味优质的水果产品提供新思路与参考。
水果基质较为复杂,一些对风味起关键作用的成分不稳定,只有选择合适的提取方法,才能准确高效地分析出水果中的挥发性成分。目前用于水果挥发性风味物质的提取方法主要有同时蒸馏萃取法(simultaneous distillation extraction,SDE)、顶空固相微萃取法(headspace solid phase micro-extraction,HS-SPME)、溶剂辅助风味蒸发法(solvent-assisted flavor evaporation,SAFE)、搅拌棒吸附萃取法(stir bar sorptive extraction,SBSE)和超临界流体萃取法(supercritical fluid extraction,SFE)等。样品挥发性风味物质提取方法的原理及特点如表1所示。
表1 样品挥发性风味物质提取方法的原理及特点Table 1 Principles and characteristics of the extraction methods of volatile flavor substances in samples
SDE 是将样品水蒸气蒸馏与有机溶剂萃取结合起来,即先从样品中蒸馏出挥发性化合物,再使用低沸点溶剂萃取,该方法有利于低含量的挥发性风味物质萃取,具有重复性好、萃取量高、操作简单等优点[8]。但该方法在高温下易发生氧化、水解等热降解反应,引入干扰物质,产生异味,且对强极性或亲水性成分如酸醇溶液萃取效率低[9]。Barreiros 等[16]采用SDE 提取沙棘果实的挥发性成分,共鉴定出51 种化合物,萜烯类化合物占总化合物的66.72%,其中α-萜品烯(19.10%)和(Z)-石竹烯(22.68%)是主要挥发性化合物。李彬等[17]采用SDE 提取刺玫果中的挥发性成分,共鉴定出90 种挥发性成分,其中有香味的挥发性化合物52 种,主要包括有机酸、醛类、醇类、酮类和酯类。邱婷等[18]采用SDE 提取葡萄干挥发油,共鉴定出80 种挥发性风味成分,主要有苯乙醛、苯甲醇、β-大马酮、香叶基丙酮、β-紫罗兰酮等。
HS-SPME 是利用微纤维表面少量的吸附剂从样品中分离和浓缩分析物,集采样、萃取、浓缩、进样于一体,复合并聚集样品中挥发性和半挥发性化合物[10],其操作简单、快速高效,不需要使用有机溶剂,安全又环保,适用于各类复杂基质中风味物质的提取,有利于酯类、醛类、醇类物质的提取[11]。但该方法的回收率低,萃取头和纤维头易损坏,难以对挥发性成分选择性吸附[19]。Qin 等[20]采用HS-SPME 提取了33 个中国乌苏里梨品种的挥发性物质,共鉴定出108 种挥发性化合物,不同品种之间挥发物成分的种类和含量存在显著差异。Yang 等[21]采用HS-SPME 提取了85 种苹果果肉的挥发性成分,共鉴定出70 种挥发性化合物,包括酯类43 种、醇类7 种、醛类11 种、酸类2 种、酮类2 种和其他5 种,其中乙酸己酯、(E)-2-己烯醛、伊斯兰醇、2-乙酸甲酯、1-己醇和乙酸丁酯为最丰富的挥发性化合物。王炳宇等[22]采用HS-SPME 提取4种不同发酵基质的柑橘果醋的挥发性成分,共鉴定出138 种挥发性风味物质,包括酯类34 种、醇类37 种、酸类20 种、醛类8 种、酚酮类13 种、烃类10 种和其它物质。朱珠芸茜等[23]采用HS-SPME 提取了5 种鲜食葡萄的挥发性香气成分,共鉴定出66 种挥发性香气物质,其中有16 种化合物对葡萄的风味有重要贡献,正己醛、2-己烯醛、正辛醛和壬醛在5 种葡萄中均具有较高香气活性值,是5 种葡萄共有香气物质。
SAFE 是一种温和而全面地从复杂食品基质中提取挥发性物质的方法,在高真空条件下使挥发性成分蒸发,不需要升温,减少样品热敏性、挥发性成分的损失,因此提取物的风味和样品一致,香气自然逼真,适用于进行一些复杂的天然食品风味测定,有利于醇类、硫化合物和脂肪酸类化合物的提取[12]。但该方法使用的仪器昂贵,对操作者要求严格。Liu 等[24]采用SAFE提取木瓜4 个不同成熟阶段的挥发性风味物质,共鉴定出38 种化合物,包括酯类、酮类、醇类、醛类、萜烯类、酚类等,其中萜烯类、酯类、酮类、挥发酸类和挥发酚类化合物含量总体依次增高,而大部分醇类、醛类、含S 和N 化合物含量随果实成熟呈下降趋势。Amanpour 等[25]采用SAFE 技术提取新鲜和烘烤枇杷果实香气化合物,共鉴定出64种不同的香气化合物(新鲜样品57 种,烘烤样品62 种),包括萜烯(34 种)、酸(8种)、醛(4 种)、酮(4 种)、吡嗪(5 种)、醇(5 种)、吡咯(1种)、呋喃(1 种)、内酯(1 种)和酯(1 种),其中萜烯是主要的挥发性香气成分。
SBSE 是一种新型的固相微萃取样品前处理技术,将商用吸附涂层二甲基硅氧烷与样品直接接触以提取香气成分,萃取机理和固相微萃取相似,但吸收材料体积增大,灵敏度更高,且具有有机溶剂用量少、萃取容量高、萃取效率高、自动搅拌等优点[13]。但该方法可用的吸收材料少,比较难清洗且回收利用率低。Giuseppe 等[26]采用SBSE 提取测定不同葡萄品种的挥发性风味物质,分析了24 个葡萄品种(芳香型和非芳香型),发现差异主要来源于萜类化合物含量,通过主成分分析得出萜类化合物在分离非芳香型物质中更有效。Rodríguez 等[27]采用SBSE 提取苹果渣中挥发性物质,共鉴定出124 种挥发性化合物,精度在2%(芳樟醇)到11%(己酸乙酯)之间,其中白兰地品种的醛类和酯类含量较高,拉丁美洲品种的酸类含量较高,科罗拉多品种的萜类含量较高。Lucht 等[28]采用SBSE 提取3 个苹果品种的挥发性香气成分,共鉴定出23 种挥发性风味成分,其中主要香气成分是己醛、反式-2-己烯醛、2-甲基乙酸丁酯和乙酸己酯。
SFE 是一种以超临界流体代替常规有机溶剂对食品中风味物质进行提取分离的新技术,在超临界状态下,将超临界流体与待分离的物质接触,使其有选择地把极性大小、沸点高低和分子量大小的成分依次萃取出来,二氧化碳是最常用的超临界流体[14]。该方法的优势在于可以在低温、高压、厌氧条件提取物质,在萃取时不会腐蚀设备,保证提取物质的纯天然性,是一种可循环使用的新型绿色技术,但该方法的萃取物在输送过程中容易堵塞通路[15]。麻少莹等[29]利用SFE 萃取天然香蕉香精成分,得出挥发性香气成分主要为酯类、酸类、醛类、醇类化合物,其中酯类含量约60%,酸类含量约为16%,醛类含量为15%,醇类含量约为4.5%。Arturo-Perdomo 等[30]利用SFE 萃取黑莓和百香果种子油极性脂组分,结果表明,2 个样品中的主要化合物为油酸衍生的油酰胺,其中9-十八碳烯酰胺是鉴定出的主要油酰胺。
食品风味物质分离提取后,需要利用一些检测技术对其进行定性或定量鉴定分析。目前水果中常用的挥发性风味物质分析技术有气相色谱-质谱(gas chromatography-mass spectrometry,GC-MS)、气相色谱-离子迁移谱(gas chromatography-ion mobility spectrometry,GC-IMS)、气相色谱-嗅觉-质谱(gas chromatography olfactometry-mass spectrometry,GC-O-MS)、全二维气相色谱-飞行时间质谱(comprehensive two-dimensional gas chromatography/time-of-flight mass spectrometry,GC×GCTOFMS)、电子鼻(electronic-nose,E-Nose)等。样品挥发性风味物质分析技术的原理及特点如表2所示。
表2 样品挥发性风味物质分析技术的原理及特点Table 2 Principles and characteristics of analytical techniques for volatile flavor compounds in samples
GC-MS 联用技术是结合气相色谱高分离能力和质谱高鉴别能力的特性,实现对复杂样品具体风味物质的一次性定性、定量分析,具有灵敏度高、操作简单、真实可靠的特点[31]。Song 等[36]采用GC-MS 技术对热泵干燥(heat pump drying,HPD)大枣香气进行分析,鉴定出的香气成分包括醇类、酸类、烯类、酯类和呋喃类,其中酸类是HPD 红枣的主要挥发性化合物,醋酸、乙酸、丁酸、2-甲基丁酸是HPD 红枣中常见的香气化合物,HPD 显著增强了红枣的香气。Li 等[37]为制备抗氧化活性较高的非酒精发酵苹果汁产品,利用顶空固相微萃取-气相色谱质谱联用(headspace solid phase microextraction-gas chromatography-mass spectrometry,HSSPME-GC-MS)技术分析了不同品种苹果汁在发酵前后的香气成分,共鉴定出挥发性化合物51 种,包括酯类16 种、醇类11 种、醛类8 种、酮类6 种、酸类4 种、其他6 种,通过植物乳杆菌脱醇后发酵,产生新的挥发物(丙醇、香茅醇、乳酸乙酯和丁酸己酯),富集酮类和酸类。
GC-IMS 联用技术是结合气相色谱的高分离度与离子迁移谱高灵敏度进行风味检测分析的一项技术,与GC-MS 相比样品无需浓缩富集,有利于风味物质的保持,具有预处理简单、可实现快速检测、灵敏度和分辨率高的特点,在果蔬风味及产品加工中受到广泛关注[32]。Zhao 等[38]采用GC-IMS 分离鉴定了3 个代表性猕猴桃品种的挥发性成分,结果表明:GC-IMS 对3 个猕猴桃品种的己酸甲酯、己酸乙酯、己醇、(E)-2-己烯醛、己醛、丁酸乙酯和乙酸乙酯的鉴定水平较高,其中己酸甲酯、丁酸乙酯呈果香,(E)-2-己烯醛、己醛呈草香,丁酸乙酯和乙酸乙酯是甜味贡献者,此外还有呈黄瓜味的(E,Z)-2,6-壬二烯醛和呈辛辣味的1-戊烯-3-酮。Sun 等[39]采用GC-IMS 技术分析了在高温高湿下进行黑化处理的黑枣与未处理的红枣挥发性风味物质,共鉴定出43 种挥发性化合物,黑枣果实中的挥发性成分发生了很大的变化,苯甲醛、γ-丁内酯、己酸乙酯、1-辛烯-3-醇、己酸甲酯、戊酸乙酯、庚醛、2-庚酮、3-甲基丁酸乙酯、2-己烯-1-醇、丁酸乙酯戊醛、戊酮等物质含量依次减少,而在高温高湿下固态发酵长达96 h后产生新的化合物如丙酮、2-乙酰呋喃,其为开发黑枣营养产品提供参考。
GC-O-MS 联用技术是将气相色谱的分离能力与人的嗅觉结合起来对香味成分进行鉴定,即将挥发性的混合物通过气相色谱分离,然后分别通过嗅觉仪引入人的鼻子来检测分析物的气味,对于从多种挥发性成分中鉴定或提取香气活性化合物特别有效,能快速准确的进行分析[33]。Xia 等[40]利用GC-O-MS 评价鲜枣白兰地关键香气成分,共鉴定出55 种挥发性香气成分,通过气味活性值的计算确定了16 种关键风味化合物,包括辛酸乙酯、己酸乙酯、异戊酸乙酯、月桂酸乙酯、2-十一酮、戊酸乙酯等,在发酵过程中,形成了2-甲基丁酸乙酯、异戊酸乙酯等新化合物。李美萍等[41]采用GC-O-MS 联用技术对红香酥梨中香气成分进行分析,共检出127 种化合物,确定结构76 种,其中酯类18 种、醛类9 种、醇类13 种、萜烯类12 种、酮类4 种、烃类11 种、其他化合物9 种,红香酥梨的特征性香气成分包括乙酸乙酯、己醛、己酸乙酯、乙酸己酯、(E,Z)-2,4-癸二烯酸乙酯、壬醛、反-2-己烯醛、辛酸乙酯、癸酸乙酯、ɑ-法尼烯、邻苯二甲酸二异丁酯。
GC×GC-TOFMS 联用技术是通过两根色谱柱串联的全二维正交分离机制,联合飞行时间质谱进行挥发性风味测定的方法,峰容量、色谱分辨率和灵敏度大幅度提升,高采集速度的飞行时间质谱,定性定量能力超越同类飞行质谱,可同时鉴定上万种物质[34]。张梁明慧等[42]首次采用GC×GC-TOFMS 技术分析山楂核干馏油的成分组成,鉴定出山楂核干馏油的挥发性成分共182 种,包括酮类(16.622%)、酚类(8.572%)、酯类(5.459%)、呋喃类(4.925%)、酸类(3.962%)、醛类(3.772%)等物质。田欣等[43]利用GC×GC-TOFMS 技术对黄土高原产区赤霞珠葡萄酒中挥发性成分进行测定分析,从中共检测出600 种香气化合物,以酯类(128 种)、芳香族(113 种)、萜烯类(85 种)和醇类(83 种)为主,同时醛酮类、含硫类、呋喃类、挥发性酸等共同作用形成了葡萄酒风味特征。
E-Nose 区别于气相色谱、气质联用等仪器,是利用气体传感器阵列的响应面图案来识别气体的电子系统,其给出的不是被测样品中某种或某几种成分的定性定量结果,而是样品气味的整体信息,具有响应时间短、检测速度快、重复性好的优点[35]。严娟等[44]利用电子鼻对桃品种资源果实的香气进行测定和区分,通过电子鼻系统得出硫化氢(W1W)、氮氧化物类(W5S)、甲烷类(W1S)、芳香成分与有机硫化物(W2W)传感器对桃果实香气的评价起主要作用,通过电子鼻主成成分分析(principal component analysis,PCA)能够有效地区分花水蜜、脆保、春冠、奉罐1 号、菊黄和红肉桃1 号与其他供试品种资源的香气。张敬文等[45]采用电子鼻技术检测3 种草莓鲜榨汁的香气,结果表明:电子鼻10 个传感器对每种草莓鲜榨汁的响应值不同,其中S2(对氧化物敏感)、S7(对硫化物敏感)和S9(对芳香成分、有机硫化物敏感)3 个传感器的响应值较高;通过电子鼻PCA、线性判别分析(linear discriminant analysis,LDA)和负荷加载分析(loadings)得出妙香3 号和黔莓2 号草莓鲜榨汁的整体风味具有一定的相似性,而红颜草莓鲜榨汁风味特征显著区别于其他两种鲜榨汁,说明利用E-Nose 可以根据其整体风味差异区别3 种草莓鲜榨汁。
挥发性风味物质是评价果实品质的第一感官指标,通过监测水果贮藏和加工过程中挥发性风味物质的变化可以判断产品品质的变化情况,为果实品质控制提供科学依据。
果实在贮藏过程中,由于自身的呼吸作用、生理衰老、微生物作用、贮藏环境因素等,会产生一些令人厌恶的气味,果实的风味和感官接受程度不断下降,挥发性风味物质可作为检测果实新鲜度的第一指标,可预测果实的贮存条件和贮藏期[46]。例如,Cheng 等[47]采用HS-SPME-GC-MS 分析杨梅在不同贮藏条件下挥发性风味物质的变化,结果表明:新鲜杨梅鉴定出82 种挥发性化合物(包括醛类、醇类、酸类、酯类、萜类等),贮藏一段时间后,一些成分如壬醛、乙醇、3-甲基-1-丁醇、苯乙基醇、(Z)-3-壬烯-1-醇、(E,Z)-3,6-壬二烯-1-醇等发生变化,使得杨梅产生了强烈的异味;通过电子鼻PCA 可以有效区分杨梅在不同储存条件下的挥发性化合物,挥发性风味特征可对贮藏期间杨梅新鲜度进行评价。Feng 等[48]采用HS-SPME-GC-MS 联合技术检测分析“瑞雪”和“富士”2 个品种的苹果果实在发育过程中挥发性风味物质的变化趋势,结果表明:在发育过程中两个品种的果实挥发性化合物表现出相似的趋势,在果实发育早期,挥发性成分较少,以醛类为主(87.0%);在果实成熟期,挥发性成分种类和含量均增加,以酯类(37.6%)和烯烃类为主(23.2%),酯类物质含量增加促使苹果果实香气物质增加。赵迎丽等[49]采用GC-IMS 联用技术对山西不同产地玉露香梨在冰温贮藏前后的挥发性物质进行分析,结果表明:冰温贮藏前后玉露香梨的挥发性物质具有差异,冰温贮藏前玉露香梨的挥发性物质主要是酯类、醇类、酮类、酸类、呋喃类等;冰温贮藏后,3 个产区玉露香梨果实的酯类物质含量都有不同程度的下降,醛类、醇类和酮类物质含量增加,风味物质总量的释放少于冰温贮藏前初始的释放总量。孟祥春等[50]采用GC-IMS 技术分析黄金百香果采后贮藏过程中挥发性风味物质额变化,共鉴定出39 种挥发性物质,包括酯类(18 种)、烯烃类(8 种)、醇类(6 种)、酮类(4 种)、硫醚(2 种)、呋喃类(1 种);其中33 种挥发性物质是贮藏4 d 后检测出来的,且在常温贮藏4 d 后的黄金百香果挥发性化合物种类增多,相对含量增高,表明贮藏时间对黄金百香果挥发性风味物质的成分及相对含量有显著影响,采后贮藏不同时间的黄金百香果有不同的特征性挥发性风味化合物。
水果在加工过程中,由于会受到加工工艺、加工条件、微生物、酶等因素的影响,其挥发性风味物质会发生不同程度的损失或可能产生异味,通过对加工过程中挥发性风味物质的检测,有助于加工工艺的优化及开发优质的新产品[51]。例如,韦璐等[52]采用HS-SPMEGC-MS 联用技术分析香蕉果酒低温发酵过程中挥发性香气成分的变化,结果表明:香蕉果酒香气成分主要包括辛酸乙酯、癸酸乙酯、2-甲基丁基乙酸酯、己酸乙酯、乙酸苯乙酯等,香气成分种类由发酵前期的57 种降至发酵末期的51 种,香气成分的含量呈先上升后下降再趋于平稳的趋势,其中醇类、酸类和酚类物质含量逐渐增加,而酯类、羰基类和烷烃类总体呈现下降的趋势。Hu 等[53]采用HS-SPME-GC-MS 联用技术分析真空渗糖联合热风干燥(vacuum sugaring osmosis-hot-air drying kumquats,VS-ADKs)和常压渗糖联合热风干燥(atmospheric pressure sugaring osmosis-hot-air drying kumquats,AS-ADKs)2 种加工方法对金橘蜜饯挥发性成分的影响,结果表明:2 种干燥金橘蜜饯中共鉴定出22 种挥发性物质,包括萜烯类、酯类、醛类、酮类和醇类,其中鲜金橘的主要挥发性化合物是戊酮、1-己醇;VS-ADKs 金橘蜜饯的主要挥发性化合物为己醛二聚体、2-己烯-1-醇和乙酸乙酯二聚体;AS-ADKs 金橘蜜饯的主要挥发性化合物为苯甲醛和糠醇,与鲜金橘相比,VS-ADKs 和AS-ADKs 金橘蜜饯的戊醛和二甲基酮含量显著增加,乙醇二聚体的含量降低。蒋冰等[54]探究冷冻干燥(freeza dry,FD)、热风干燥(hot air drying,HAD)、红外干燥(infrared drying,IRD)和真空干燥(vacuum drying,VD)对柠檬片挥发性风味物质的影响,结果表明:4 种干燥柠檬片中共鉴定出72 种挥发性物质,与鲜柠檬相比,干燥柠檬片的醇类和酯类物质含量均下降,醛类物质含量上升,其中IRD 和AD 干燥更好地保留了丁酸乙酯、乙酸甲酯等酯类物质(果香味挥发性物质),FD 干燥柠檬片中E-2-己烯醛、己醛、香叶醇等物质含量上升(玫瑰香味),VD 干燥柠檬片中柠檬醛、β-大马士酮、癸醛、壬醛等物质含量上升,柠檬醛是柠檬香气的主要成分,说明VD 可保留部分鲜柠檬香气成分。水果干燥是最常见的水果加工方式,在干燥过程中样品会发生美拉德反应、热降解等一系列变化,使得果实挥发性风味物质发生变化,或可提高醇、酮及含硫类化合物的生成,或可导致醇、醛、酮、环状化合物的损失等[55],在芒果[56]、桑葚干[57]、猕猴桃果干[58]、苹果片[59]等水果中也有相关报道。
挥发性风味物质是影响鲜果及其加工产品商品性的重要因素。SDE、HS-SPME、SAFE、SBSE 和SFE 等方法已应用于水果挥发性风味物质的提取,其中SDE在高温下进行提取易造成果实变味;SBSE 与HSSPME 具有相同的优势,但SBSE 采用了搅拌棒代替萃取纤维,其灵敏度更高,具有更好的萃取能力;HSSPME 能有效萃取醛、酮和醇,而SAFE 限制了热效应,提取率更高,包括一些较小的风味成分;SFE 是在低压和接近室温条件下进行提取,能把高沸点、低挥发性、易热解的物质在低于其沸点温度下萃取出来,保证了100% 的纯天然性。新的分析技术如GC-IMS、GC-OMS、GC×GC-TOFMS 均结合了GC-MS 的特性,技术的发展使得挥发性风味研究方法更为便捷、结果更可靠、可鉴定出更多的挥发性风味物质。
目前水果挥发性风味物质的研究已经取得一定的成就,而水果在贮藏加工过程中易受贮藏方式、加工技术等各种因素影响,其挥发性风味物质会发生很大程度的变化,甚至产生异味,但目前研究更多在定点阶段的分析,对于贮藏和加工中挥发性风味物质动态变化的检测还存在一定的限制。因此,挥发性风味物质的提取技术应不断进行优化或采用多种提取方法联合使用,更加全面地萃取挥发性风味物质,同时,如何通过对水果贮藏及加工中的香气动态分析,把控增香的强度,调控风味,帮助产品改良及新产品的开发也是研究的重点。