不同品种石榴加工特性及风味物质的比较研究

李浩然,张磊,,李建贵,侯彩云,李景明,3*

1(中国农业大学 食品科学与营养工程学院,北京,100083)2(新疆农业大学 林学与风景园林学院,新疆 乌鲁木齐,830052)3(四川成都中农大现代农业产业研究院,四川 成都,611430)

石榴(PunicagranatumL.)属于石榴科石榴属落叶灌木或乔木,也被称作安石榴、山力叶、丹若等,我国种植石榴的历史悠久,自西汉张謇出使西域引入至今已有2 000多年的历史[1],因其较强的环境适应能力,石榴在我国分布十分广泛[2],我国石榴种质资源丰富,主产区有陕西、新疆、山东、河南、四川、云南等,陕西石榴栽植以临潼为主产区,主要品种有临选1号、大红甜等[3],新疆产区栽植地主要集中在喀什、和田等地,品种主要为酸石榴、甜石榴[4]。

长期研究证明,石榴作为一种健康食品,具有改善血压、抗衰老、预防炎症和癌症的功效[5-6],这与石榴较高的抗氧化能力和丰富的酚类物质[7]有关,而且石榴从果皮到籽都有极高的利用价值[8-9]。目前我国石榴消费以鲜食为主,对于深加工产品及相关研究较少,且对于适宜加工品种尚不明确[10]。目前已有关于石榴不同品种基本理化指标和品质评价的研究[11-12],缺少关于香气组成方面的对比研究,风味关系到果汁的受欢迎程度,是加工中的重要参考指标,因此研究不同石榴品种的香气差异具有重要意义。

本研究以来自新疆的2个和陕西的8个主要栽培品种为研究对象,对其主要品质指标进行检测分析,运用主成分分析(principal component analysis,PCA)法,对不同品种的品质进行分析;在风味物质方面,采用顶空固相微萃取结合气相色谱/质谱(headspace-solid phase microextraction-gas chromatography/mass spectrometry,HS-SPME-GC/MS)技术进行检测,对不同石榴品种的香气组成进行分析评价。通过对比不同石榴品种的基本品质指标和特征性香气,旨在筛选适于果汁加工的石榴品种,为石榴果汁加工产业应用提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

本试验所用黑钻、净皮甜、骊山红、临选1号、临选2号、大红甜、临潼星、大黄皮石榴采购于陕西临潼石榴红生态科技园,千籽红、赛柠檬石榴采购于和田地区策勒县策勒林木良种科技繁育示范基地,由专业人员采摘和筛选出成熟果实。选取新鲜的、无病害的果实,洗去表面灰尘,去皮后将果肉榨汁,将制取的新鲜石榴汁置于-20 ℃条件下储藏,备用。

BSA124S-CW型分析天平,德国塞利多斯公司;17-1650-01-1161型紫外可见分光光度计,北京普析通用仪器有限责任公司;Aglient 7890B型气相色谱仪、毛细管色谱柱(HP-INNOWAX 60 m×0.25 mm×0.25 μm)、Aglient 5977B型质谱仪,美国Agilent公司;聚二甲基硅氧烷/碳筛/二乙苯烯(polydimethylsiloxane/carboxen/divinylbenzene,PDMS/CAR/DVB)萃取头,美国Supelco公司。

1.2 实验方法

1.2.1 主要品质指标测定

出汁率测定:称取约2 kg新鲜石榴,榨汁后称量所得果汁质量与果实质量之比即为出汁率;单果重测定:选取新鲜洗净的完整石榴,使用天平称量其质量;百粒重测定:随机选取并称量100粒石榴果粒;可溶性固性物测定参照GB/T 12143—2008《饮料通用分析方法》中可溶性固形物含量测量方法进行;总酸测定参照GB 12456—2021《食品安全国家标准 食品中总酸的测定》中pH电位法进行;总糖测定参照SB/T 10203—1994《果汁通用试验方法》中直接滴定法进行;总酚测定采用Folin-Ciocalteu法[13];总花色苷测定采用pH示差法[14];色泽测定参考王飞等[15]的方法,参照GB/T 7621—2008《均匀色空间和色差公式》中的方法计算得L*、a*、b*;使用过氧化物酶(peroxidase,POD)和多酚氧化酶(polyphenol oxidase,PPO)活性检测试剂盒(比色法)检测不同品种石榴汁样品中的酶活性。每个指标测定重复3次,取平均值。

1.2.2 挥发性风味物质测定

顶空固相微萃取方法:参考CHEN等[16]的方法并稍作修改。称取5.0 mL石榴果汁样品,置于10 mL顶空进样瓶中,随后加入1.00 g NaCl和10 μL内标溶液(4-甲基-2-戊醇,乙醇溶,0.126 3 g/10 mL),放入磁力搅拌转子,用带有聚四氟乙烯隔垫的聚乙烯瓶盖拧紧后置于磁力搅拌台,使样品瓶在40 ℃下平衡30 min。随后将老化后(270 ℃,30 min)的DVB/CAR/PDMS(50/30 μm)三相萃取头插入样品瓶顶空部分,令萃取头顶端距离样品液面约1 cm,在40 ℃恒温下继续搅拌吸附30 min,待样品瓶中的香气物质在气、液、固三相中达到平衡,将萃取头拔出,备检测使用。每个品种重复3次。

气相色谱-质谱条件:参考LAN等[17]的方法并稍作修改。高纯He流速1 mL/min;进样口温度250 ℃,热解析时间8 min。柱温箱的升温程序为:60 ℃保持1 min,然后以3 ℃/min的速度升温至220 ℃,保持2 min。质谱电离方式为EI,离子源温度230 ℃,电离能70 eV,四级杆温度150 ℃,质谱接口温度280 ℃,质量扫描范围30～350 u。每个样品做3次重复。

定性定量方法:定性分析在Agilent化学工作站(Agilent Technologies, Inc.)离线软件上进行。定量分析采用外标法。以蒸馏水配制含有100 g/L葡萄糖和10 g/L苹果酸的基质,用于稀释溶于乙醇的各种标准品母液,配制成连续梯度的工作液,对工作液进行相同条件下的HS-SPME-GC-MS分析,以香气标准品浓度为y轴,香气标准品与内标的峰面积比值为x轴绘制标准曲线。对于有标准品的香气化合物使用相应的标准曲线进行定量,对于没有标准品的香气化合物使用C原子数相近、化学结构相似的标准品的标准曲线进行定量。

香气活性值(odor activity value, OAV)计算如公式(1)所示:

OAV=ρ/T

(1)

式中:ρ,化合物在样品中的质量浓度,μg/L;T,对应化合物在溶液中的感觉阈值,μg/L。

1.3 数据分析

使用Excel 2016进行数据处理;使用IBM SPSS Statistics 25进行显著性分析,显著性水平为P<0.05;使用SMICA 14.1进行PCA;使用MetaboAnalyst 2.0(http://www.metaboanalyst.ca/)进行热图分析。

2 结果与分析

2.1 不同品种石榴主要品质指标测定结果

测定10个品种石榴果汁的出汁率、单果重、百粒重、pH、可溶性固形物、总酸、总糖等指标,结果见表1。在出汁率方面,大红甜、大黄皮、千籽红、赛柠檬出汁率较低,在30%左右,说明其含水率较低,其他品种出汁率在40%以上,临潼星出汁率最高,可达50.62%,较高的出汁率有利于果汁加工。黑钻单果重最高,每个果实质量可达640 g,千籽红单果质量最低,只有300 g左右。来自新疆的两个品种籽粒较小,千籽红百粒重最低,赛柠檬次之。黑钻和千籽红可溶性固形物含量接近17 °Brix,最高的为赛柠檬,含量为17.87 °Brix,其他品种的石榴汁可溶性固形物含量在14 °Brix左右。赛柠檬作为酸石榴品种,总酸含量最高(24.03 g/L),黑钻次之,其余品种总酸含量都在5.00 g/L以下。来自新疆的石榴品种千籽红和赛柠檬的总糖含量显著高于其他品种,这可能与新疆独特的气候条件有关[18]。酚类化合物是石榴中的重要营养成分,具有一定的抗氧化作用[19],总酚含量最高的为黑钻(1.13 g/L),赛柠檬次之(0.93 g/L)。总花色苷含量最高也是黑钻,高达50.46 mg/L,显著高于其他品种,除黑钻外含量较高的还有千籽红、大黄皮和赛柠檬。在CIELAB颜色体系中,L*表示明暗度,即L*越高说明亮度越高,a*代表红绿色,b*代表黄蓝色,前者越高说明样品越偏向红色调,后者越高说明样品越偏向黄色调[20],黑钻具有最高的a*和最低的L*、b*,呈现出黑宝石般的深红色,其次为千籽红,也呈现较深的红色调,其余品种L*、a*、b*差异较小,色泽相近,均呈大红色、鲜红色。PPO和POD广泛存在于各种水果中,其活力的大小关系到氧化反应的快慢[21],千籽红的2种酶活力均为最高,表明其果汁最有可能发生氧化褐变,不利于加工后保存,黑钻的PPO活力(5.67 U/mL)显著低于其他品种,氧化褐变反应较慢。

表1 十个品种石榴果汁主要品质指标Table 1 Main quality indexes of 10 varieties of pomegranate juice

2.2 不同品种石榴主要品质主成分分析

对以上不同品种石榴汁的主要品质指标数据进行PCA,提取到4个特征值>1的主成分,如表2所示,主成分1、主成分2和主成分3的贡献率分别为43.1%、23.7%和14.2%,累计方差贡献率达到81%。

表2 主成分的特征值及贡献率Table 2 Eigenvalues and contribution rate of the principal components

由图1可知,主成分1与出汁率、百粒重、L*具有明显正相关关系,主成分2与总糖、总酸、可溶性固形物含量、b*具有明显正相关关系,主成分3与POD、a*具有明显正相关关系。其中赛柠檬和千籽红得分落在主成分2的较高正向区间,表明总酸、总糖含量明显区别于其他品种,千籽红POD活力较高,与主成分3正相关;黑钻得分落在主成分1和2的负向区间,这与其较高的总酚和总花色苷含量有关,且a*较高,是色泽方面比较突出的品种;而其他品种主要与主成分1成正相关关系,且重叠现象明显,说明PCA不能将这7种有效区分。

a-PCA得分图;b-载荷图图1 不同品种石榴果汁主要品质指标PCA得分图和载荷图Fig.1 PCA score diagram and loading diagram of main quality indexes of different varieties of pomegranate juice注:A-黑钻;B-净皮甜;C-骊山红;D-临选1号;E-临选2号;F-大红甜;G-临潼星;H-大黄皮;I-千籽红;J-赛柠檬(下同)。

2.3 不同品种石榴挥发性风味物质分析

经过GC-MS对10个不同品种石榴汁中的香气物质进行定性、定量分析,共鉴定出34种香气成分,其中醇类物质种类最多,有15种,醛类7种,酮类6种,酯类4种,其他物质2种。所有物质均在已有的石榴香气研究中被报道[22]。

在10个石榴品种中,所有品种共有的香气物质有15种,以醇类为主,其中黑钻品种香气种类最为丰富,鉴定出27种化合物,其中包括特有香气物质7种;大黄皮中香气物质种类最少,仅有20种。

OAV是指香气物质含量与其嗅觉阈值之比[23],常用来表示某香气物质对整体香气的贡献程度,易被人所感知,对样品的香气特征贡献较大[24],因此在风味研究中对香气结果进行OAV分析具有重要意义。

如表3所示,在石榴汁中发现11种挥发性成分OAV>1,其中包含4种醇类、5种醛类、1种酮类和1种酯类,这些物质都已作为石榴的特征性香气成分在已有研究中被报道[25-26],其中正辛醛、正己醇、壬醛和(E,E)-2,4-壬二烯醛OAV较高,对石榴汁的香气组成贡献较大,分别能带来一定的柑橘味、水果香、玫瑰香和脂肪味。在10个石榴品种中,黑钻、千籽红和临选1号都具有最多的OAV>1的香气物质种类,均为7种,说明黑钻和临选1号的特征性香气物质最丰富,其中OAV较高的正己醇、壬醛和2-己烯醛能够呈现果香和花香。

表3 不同品种石榴中OAV>1的挥发性化合物Table 3 Volatile compounds with OAV higher than 1 in different varieties of pomegranate juice

2.4 不同品种石榴挥发性风味物质PCA和热图分析

为进一步对比不同石榴品种的挥发性化合物含量的差异,对10个品种的石榴果汁的挥发性化合物数据进行PCA。提取到5个特征值大于1的主成分,如表4所示,提取前3个主成分,主成分1、主成分2和主成分3方差贡献率分别为40.5%、22.3%和15.6%,累计方差贡献率达到78.3%,说明这3个主成分可以解释原始数据78.3%的信息,具备较高的代表性。

表4 主成分的特征值及贡献率Table 4 Eigenvalues and contribution rate of the principal components

由图2可知,PCA得分图直观体现了各品种石榴的香气组成差异。来自陕西的6个品种(临选1号、临选2号、骊山红、大黄皮、临潼星、大红甜)离散程度较低,说明这些品种的香气结构比较相似,可以归为一类;黑钻区分于其他品种的主要成分为正庚醇、2-庚醇、1-戊醇、苯乙酮、6-甲基-5-庚烯-2-酮和苯甲酸乙酯等香气物质,这些物质主要呈现出花香、果香、樱桃、香蕉、薄荷以及面包等味道;赛柠檬和千籽红与主成分2和主成分3呈正相关关系,主要与正己醇、叶醇、2-己烯醛、正己醛和芳樟醇等香气物质相关,这些物质主要呈现出果香、青草味、苹果、李子、柑橘、玫瑰等味道;净皮甜与主成分2呈负相关关系,和辛醛、仲辛酮、壬醇、壬醛等高度关联,这些物质呈现出柑橘、橙子、玫瑰、木兰花等味道。因此可以说,黑钻果香更明显,赛柠檬和千籽红带有更多青草味,净皮甜的风味中柑橘、橙子特征更突出。

a-PCA得分图;b-载荷图图2 不同品种石榴果汁挥发性化合物PCA得分图和载荷图Fig.2 PCA score diagram and loading diagram of volatile compounds of different varieties of pomegranate juice

对不同石榴品种的香气物质进行聚类分析,得到图3,可将香气物质大致分为4类。第Ⅰ类主要有萘、6-甲基-5-庚烯-2-酮、4-甲基-2-戊酮、1-戊醇、(E,E)-2,4-壬二烯醛、2-庚醇等,这些物质在黑钻中含量较高;第Ⅱ类包括2-己烯醛、甲酸己酯、正己醇、正己醛、叶醇、糠醛、己酸乙酯、芳樟醇,这些物质在赛柠檬和千籽红中含量较高;第Ⅲ类包括苯甲酸甲酯、辛醇、1-辛烯-3-醇、苯乙烯、2-壬酮、正庚醇、α-萜烯醇和香叶基丙酮,这些物质是临选1号、临选2号、骊山红、大黄皮、临潼星、大红甜中的主要香气物质;第Ⅳ类包括壬醛、壬醇、正辛醛、仲辛酮、苯乙醇,是净皮甜中的主要香气成分。

图3 不同品种石榴果汁挥发性化合物热图Fig.3 Heatmap of volatile compounds of different varieties of pomegranate juice

3 结论与讨论

石榴果实的加工适宜性受多重因素的影响,本研究通过对10个石榴品种的主要品质指标和香气组成进行测定和分析,以更好了解不同石榴果汁品质特性,对新疆地区未来石榴引种、产品深加工、产业发展升级起到一定参考意义。

结果表明,不同石榴品种在主要品质指标和香气组成上存在明显差异。临潼星具有最高的出汁率(50.6%)和百粒重(64.78 g),黑钻石榴品种具备最高的总酚、总花色苷含量和最低的多酚氧化酶活性,分别为1.13 g/L、50.46 g/L和5.67 U/mL,一定程度上说明其具备较高的营养价值和较为耐储存;新疆石榴品种千籽红和赛柠檬的总糖含量位居第一和第二,分别为176.8 g/L和169.8 g/L,同时二者的可溶性固形物含量、总酚含量和总花色苷含量也位居前列。通过PCA,基于以上品质特征对不同品种进一步区分,验证了各品种与各项指标的相关性。

通过SPME-GC-MS对10个品种石榴的香气物质进行鉴定和分析,共检测到33种香气成分,其中共有物质15种,醇类和醛类是石榴的主要香气成分。黑钻品种香气种类最多。进一步进行OAV分析、PCA和热图分析,发现11种OAV>1的特征香气成分,包括正己醛、正己醇、壬醛等,它们主要为石榴贡献了果香、花香、生青味等香气,通过PCA和热图分析,对不同品种石榴的香气进行区分,发现千籽红和赛柠檬在香气构成上具有一定的相似性,陕西品种中黑钻和净皮甜与其他品种表现出明显的差异性。

因此,陕西品种黑钻具有高出汁率、耐储存、高花色苷、果香丰富等特点,适合作为NFC果汁的原料;新疆品种千籽红和赛柠檬单果重和出汁率较低,果香较弱,但因其高糖、高酸、高花色苷的特点,适合开发复配果汁饮料或果酒。