王 璨,許 楠,曹雁平,王少甲,郭 睿

(北京工商大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,北京 100048)

大蒜風(fēng)味物質(zhì)超聲制備的工藝優(yōu)化

王 璨,許 楠,曹雁平＊,王少甲,郭 睿

(北京工商大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,北京 100048)

采用混合均勻設(shè)計(jì)優(yōu)化了非超聲、不同超聲場(chǎng)制備大蒜風(fēng)味物質(zhì)的工藝,考察了超聲頻率、超聲強(qiáng)度、時(shí)間、液料比等因素對(duì)大蒜風(fēng)味物質(zhì)得率的影響。超聲制備最佳工藝條件為雙頻交變超聲 28/40kHz,超聲強(qiáng)度 0.45W·cm-2,時(shí)間 20min,液料比 8∶1,制備能力值為 0.061mg·g-1·min-1,相對(duì)于非超聲、單頻超聲、雙頻復(fù)合超聲制備能力值分別提高了 144.0%、17.3%、84.8%。

混合均勻設(shè)計(jì),超聲頻率,超聲強(qiáng)度,風(fēng)味物質(zhì)

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新鮮大蒜 山東蒼山;5,5′-二硫代雙 (2-硝基苯甲酸,DTNB)、Hepes Sigma公司;L-半胱氨酸、NaOH 北京化學(xué)試劑公司,分析純。

紫外可見(jiàn)分光光度計(jì) Spectrumlab 53 上海棱光技術(shù)有限公司;分析天平 T B-214 Denver Instrument;低溫恒溫槽 DCW-3506 寧波新芝生物科技股份有限公司;JXD-02型超聲處理器 北京金星超聲波設(shè)備技術(shù)有限公司;多功能食品加工機(jī)HR7633 PH IL IPS。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)選用新鮮大蒜,搗碎后立即與一定比例的去離子水混合進(jìn)行實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)中固定反應(yīng)杯中蒜泥和水的總質(zhì)量為 300g,根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案調(diào)整好超聲設(shè)備頻率與功率,實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置見(jiàn)圖 1。達(dá)到反應(yīng)時(shí)間后盡快離心取上清液進(jìn)行大蒜風(fēng)味物質(zhì)得率的檢測(cè)(每次取三個(gè)樣品,每組做兩個(gè)平行,濃度變化在 5%以內(nèi)數(shù)據(jù)可用)。

1.2.1 工藝流程 大蒜→去皮→洗凈→搗碎→加水超聲輔助酶解→離心分離(8000r/min、4℃、5min)→上清液→檢測(cè)

圖1 組合超聲系統(tǒng)立體圖

1.2.2 大蒜風(fēng)味物質(zhì)得率的測(cè)定 采用比色法測(cè)定大蒜風(fēng)味物質(zhì)的得率[6-7]。取 10mmol/L的半胱氨酸溶液 5mL于試管中,加入 1mL上清液,在 26℃保溫15min后,取 1mL上述反應(yīng)混合液于 100mL容量瓶中,加水至刻度。再取稀釋后的混合液 4.5mL與1.5mmol/L的DTNB溶液 0.5mL在 26℃保溫 15min,于 412nm下測(cè)定吸光度 (A);把 1mL上清液換為去離子水,測(cè)得原始吸光度(A0)。計(jì)算公式如下：

式中：M：大蒜風(fēng)味物質(zhì)得率,即單位質(zhì)量大蒜產(chǎn)生風(fēng)味物質(zhì)的質(zhì)量 (mg·g-1);ΔA412：吸光度值之差,即A0-A;β：反應(yīng)液稀釋倍數(shù);Mr：風(fēng)味物質(zhì)平均分子量,以大蒜素計(jì) (162g·mol-1);α：液料比 (mL·g-1); 2：一分子風(fēng)味物質(zhì)可以與兩分子 L-半胱氨酸反應(yīng); 14150：摩爾吸光系數(shù) (1cm光徑)。

1.2.3 制備能力值(PA)的確定 為評(píng)價(jià)不同制備工藝,特提出制備能力值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。制備能力值(PA)是指單位時(shí)間、單位原料 (大蒜)可以獲得的大蒜風(fēng)味物質(zhì)的質(zhì)量。計(jì)算公式如下：

式中：PA：制備能力值 (mg·g-1·min-1);M：大蒜風(fēng)味物質(zhì)得率(mg·g-1);t：反應(yīng)時(shí)間(min)。

1.2.4 單因素實(shí)驗(yàn)

1.2.4.1 非超聲條件下最佳pH的確定 固定液料比4∶1、時(shí)間 30min、溫度 30℃不變,所需去離子水 pH分別取 5.5、6.0、6.5、7.0、7.5,作 pH與大蒜風(fēng)味物質(zhì)得率的關(guān)系曲線,可得到蒜氨酸酶非超聲條件下的最佳pH。

1.2.4.2 非超聲條件下最佳溫度的確定 固定液料比 4∶1、時(shí)間 30min、反應(yīng)所需去離子水 pH6.5不變,溫度分別取 20、25、30、35、40℃,作溫度與大蒜風(fēng)味物質(zhì)得率的關(guān)系曲線,可得到蒜氨酸酶非超聲條件下的最佳溫度。

1.2.4.3 超聲條件下最佳 pH的確定 固定液料比4∶1、時(shí)間 30min、溫度 30℃、超聲頻率 50kHz、超聲強(qiáng)度 0.5W·cm-2不變,所需去離子水 pH分別取 5.5、6.0、6.5、7.0、7.5,作 pH與大蒜風(fēng)味物質(zhì)得率的關(guān)系曲線,可得到蒜氨酸酶超聲條件下的最佳 pH。

1.2.4.4 超聲條件下最佳溫度的確定 固定液料比4∶1、時(shí)間 30min、反應(yīng)所需去離子水 pH6.5、超聲頻率50kHz、超聲強(qiáng)度 0.5W·cm-2不變,溫度分別取 20、25、30、35、40℃,作溫度與大蒜風(fēng)味物質(zhì)得率的關(guān)系曲線,可得到蒜氨酸酶超聲條件下的最佳溫度。

1.2.5 均勻?qū)嶒?yàn)方案及結(jié)果 在蒜氨酸酶催化的最佳溫度和最佳 pH下,非超聲、單頻超聲、雙頻組合超聲制備大蒜風(fēng)味物質(zhì)的混合水平均勻設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別見(jiàn)表 1～表 3。

表1 非超聲實(shí)驗(yàn)方案及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表 2 單頻超聲實(shí)驗(yàn)方案及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.2.6 各因素對(duì)大蒜風(fēng)味物質(zhì)得率影響程度的評(píng)價(jià)利用 DPS軟件[8]中的偏最小二乘法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù) (SRC)無(wú)量綱地比較各因素對(duì)制備大蒜風(fēng)味物質(zhì)影響的程度,SRC評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表4。

表4 使用標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)評(píng)價(jià)各因素對(duì)制備工藝影響的標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與討論

2.1 非超聲、超聲制備大蒜風(fēng)味物質(zhì)最佳溫度與最佳pH的確定

表 3 雙頻組合超聲實(shí)驗(yàn)方案及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由圖2和圖3可知,超聲條件下內(nèi)源蒜氨酸酶催化的最佳溫度和最佳 pH與非超聲條件下相同,最佳溫度 35℃,最佳 pH6.5。

圖 2 溫度對(duì)大蒜風(fēng)味物質(zhì)得率的影響

圖3 pH對(duì)大蒜風(fēng)味物質(zhì)得率的影響

2.2 各因素對(duì)非超聲制備大蒜風(fēng)味物質(zhì)工藝的影響

利用偏最小二乘法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)無(wú)量綱比較非超聲制備中各單因素及復(fù)合因素對(duì)大蒜風(fēng)味物質(zhì)的影響程度。由圖 4可以看出,在非超聲制備中,液料比對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響比較顯著,為正相關(guān),說(shuō)明液料比越大越有利于提高制備效果;在時(shí)間-液料比雙因素共同作用中,復(fù)合因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響不明顯。根據(jù)優(yōu)化得到的非超聲條件下各個(gè)考察指標(biāo)的最佳條件和最佳條件下大蒜風(fēng)味物質(zhì)得率如表5所示。

2.3 各因素對(duì)單頻超聲制備大蒜風(fēng)味物質(zhì)工藝的影響

圖 4 非超聲制備大蒜風(fēng)味物質(zhì)得率的標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)注：1：X1時(shí)間;2：X2液料比;3：X1X2。

利用偏最小二乘法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)無(wú)量綱比較單頻超聲制備中各單因素及復(fù)合因素對(duì)大蒜風(fēng)味物質(zhì)的影響程度。由圖 5可以看出,在單頻超聲制備中,超聲頻率對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響為負(fù)相關(guān),說(shuō)明較低的超聲頻率有利于提高實(shí)驗(yàn)效果;液料比對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響比較顯著,為正相關(guān),說(shuō)明液料比越大越有利于提高實(shí)驗(yàn)效果,與非超聲制備的趨勢(shì)一致;超聲強(qiáng)度和時(shí)間對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響雖然為正相關(guān),但影響并不明顯,說(shuō)明超聲強(qiáng)度和時(shí)間并不是越大越好,適當(dāng)超聲強(qiáng)度和時(shí)間有利于提高實(shí)驗(yàn)效果;在雙因素共同作用中,各復(fù)合因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響均不明顯。根據(jù)優(yōu)化得到的單頻超聲條件下各個(gè)考察指標(biāo)的最佳條件和最佳條件下大蒜風(fēng)味物質(zhì)得率如表 5所示。

圖 5 單頻超聲制備大蒜風(fēng)味物質(zhì)得率的標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)注：1：X1超聲頻率;2：X2超聲強(qiáng)度;3：X3液料比; 4：X4時(shí)間;5：X1X2;6：X1X3;7：X1X4; 8：X2X3;9：X2X4;10：X3X4;圖 6、圖 7同。

2.4 各因素對(duì)雙頻復(fù)合超聲制備大蒜風(fēng)味物質(zhì)工藝的影響

利用偏最小二乘法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)無(wú)量綱比較雙頻復(fù)合超聲制備中各單因素及復(fù)合因素對(duì)大蒜風(fēng)味物質(zhì)的影響程度。由圖 6可以看出,在雙頻復(fù)合超聲制備中,液料比對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響比較顯著,為正相關(guān),說(shuō)明液料比越大越有利于提高實(shí)驗(yàn)效果,趨勢(shì)與非超聲和單頻相同;超聲強(qiáng)度和時(shí)間對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響雖然為正相關(guān),但影響并不明顯,說(shuō)明超聲強(qiáng)度和時(shí)間并不是越大越好,適當(dāng)超聲強(qiáng)度和時(shí)間有利于提高實(shí)驗(yàn)效果,趨勢(shì)與單頻超聲一致;在雙因素共同作用中,超聲強(qiáng)度-時(shí)間對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響比較顯著,為負(fù)相關(guān),說(shuō)明并不是超聲強(qiáng)度越大、時(shí)間越長(zhǎng)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果越好,這也與單因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響一致。根據(jù)優(yōu)化得到的雙頻復(fù)合超聲條件下各個(gè)考察指標(biāo)的最佳條件和最佳條件下大蒜風(fēng)味物質(zhì)得率如表 5所示。

表 5 不同制備方法最優(yōu)工藝的比較

圖6 雙頻復(fù)合超聲制備大蒜風(fēng)味物質(zhì)得率的標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)

2.5 各因素對(duì)雙頻交變超聲制備大蒜風(fēng)味物質(zhì)工藝的影響

利用偏最小二乘法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)無(wú)量綱的比較雙頻交變超聲制備中各單因素及復(fù)合因素對(duì)大蒜風(fēng)味物質(zhì)的影響程度。由圖 7可以看出,在雙頻交變超聲制備中,液料比對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響比較顯著,為正相關(guān),說(shuō)明液料比越大越有利于提高實(shí)驗(yàn)效果,趨勢(shì)與前面保持一致;超聲強(qiáng)度和超聲頻率對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響雖然為正相關(guān),但影響并不明顯,說(shuō)明超聲強(qiáng)度和超聲頻率并不是越大越好,適當(dāng)超聲強(qiáng)度和超聲頻率有利于提高實(shí)驗(yàn)效果;時(shí)間對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響為負(fù)相關(guān),說(shuō)明較短的時(shí)間有利于提高實(shí)驗(yàn)效果;在雙因素共同作用中,超聲強(qiáng)度-時(shí)間對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響比較顯著,為負(fù)相關(guān),說(shuō)明并不是超聲強(qiáng)度越大、時(shí)間越長(zhǎng)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果越好,這也與雙頻復(fù)合制備的趨勢(shì)一致。根據(jù)優(yōu)化得到的雙頻交變超聲條件下各個(gè)考察指標(biāo)的最佳條件和最佳條件下大蒜風(fēng)味物質(zhì)得率如表 5所示。

圖 7 雙頻交變超聲制備大蒜風(fēng)味物質(zhì)得率的標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)

2.6 最優(yōu)工藝對(duì)比

由表 5可以看出,超聲制備的時(shí)間均比非超聲短,可以解釋為超聲能夠加速酶促反應(yīng)速率,從而加速大蒜風(fēng)味物質(zhì)的生成速率,證明適當(dāng)?shù)某曨l率和超聲強(qiáng)度能夠提高蒜氨酸酶的活性。雙頻交變超聲條件下的制備能力值最高,為 0.061mg·g-1·min-1,相對(duì)于非超聲、單頻超聲和雙頻復(fù)合超聲條件下的制備能力值分別提高了 144.0%、17.3%、84.8%。

3 結(jié)論

3.1 非超聲條件下內(nèi)源蒜氨酸酶催化的最佳溫度和最佳 pH與超聲條件下相同,最佳溫度 35℃,最佳pH6.5。

3.2 液料比對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響比較顯著,且為正相關(guān);實(shí)驗(yàn)中并不是超聲頻率、超聲強(qiáng)度和時(shí)間越大越好,適當(dāng)?shù)某曨l率、超聲強(qiáng)度和時(shí)間有利于提高制備效果。

3.3 不同超聲輔助方法制備大蒜風(fēng)味物質(zhì)的制備能力值排序?yàn)椋弘p頻交變超聲 ＞單頻超聲 ＞雙頻復(fù)合超聲。

3.4 優(yōu)化的工藝條件是：雙頻交變超聲 28/40kHz,超聲強(qiáng)度 0.45W·cm-2,酶解時(shí)間 20min,液料比8∶1,提取能力值為 0.061mg·g-1·min-1,相對(duì)于非超聲、單頻超聲、雙頻復(fù)合超聲制備能力值分別提高了144.0%、17.3%、84.8%。

3.5 超聲能夠加速大蒜風(fēng)味物質(zhì)的生成速率,縮短反應(yīng)時(shí)間,超聲輔助制備大蒜風(fēng)味物質(zhì)的工藝有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì),有工業(yè)推廣價(jià)值。

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Opt im ization for preparation process of flavor compounds in garlic by ultrasound

WANG Can,XU Nan,CAO Yan-ping＊,WANG Shao-jia,GUO Rui
(College of Chemistry and Environment Engineering,Beijing Technology and BusinessUniversity,Beijing 100048,China)

A hyb irl and uniform des ign was used to op t im ize the p rocess for trad itiona l m e thod and ultrasoundenhanced technology of flavor comp ounds in ga rlic.The effec ts of ultrasonic frequency,ultrasonic intens ity,t im e and liquid-to-solid ra te on yie ld of flavor comp ounds in ga rlic we re inves tiga ted.The op t im um cond itions we re ob ta ined as follows：dua l-frequency a lte rnant28/40kHz,ultrasonic intens ity0.45W·cm-2,reac tion t im e20m in, liquid-to-solid ra te8∶1.Unde r these cond itions,p rep a ra tion ab ility(PA)was0.061m g·g-1·m in-1.PA of dua lfrequency a lte rnantwas inc reased by144.0%、17.3%、84.8%sep a ra te ly,in comp a rison w ith the trad itiona lm e thod, s ing le frequency and dua l-frequency.

hyb ril and uniform des ign;ultrasonic frequency;ultrasonic intens ity;flavor comp ounds

TS255.1

A

1002-0306(2010)04-0080-05

大蒜 (百合科植物 A llium L.的鱗莖)是傳統(tǒng)的食品調(diào)味用辛香料,現(xiàn)已證明它具有抗菌、抗病毒、抗血栓、降壓降脂、抗氧化、提高機(jī)體免疫等功能[1],其主要的生物活性物質(zhì)是大蒜中的蒜氨酸和內(nèi)源蒜氨酸酶反應(yīng)生成的含硫有機(jī)化合物,包括大蒜素(allicin)、烯丙基二硫化物、烯丙基三硫化物等幾十種成分[2-3],也是大蒜的風(fēng)味物質(zhì)。超聲波是物質(zhì)介質(zhì)中的一種彈性機(jī)械波,作為一種物理的能量形式,在食品、生物、化工等行業(yè)有廣泛的應(yīng)用。邱樹(shù)毅等[4]研究發(fā)現(xiàn)超聲處理可使固定化脂肪酶的酯交換反應(yīng)速度提高 3～4倍。高大維等[5]研究超聲波對(duì)固定化糖化酶催化水解淀粉的作用,結(jié)果表明,超聲波使固定化酶的酶活力提高兩倍多,而不改變其 pH和溫度特性。顯然,利用超聲強(qiáng)化大蒜所含內(nèi)源蒜氨酸酶活性,提高大蒜風(fēng)味物質(zhì)得率,是有價(jià)值和意義的。實(shí)驗(yàn)采用混合水平均勻設(shè)計(jì)的方法優(yōu)化不同的超聲場(chǎng)條件下制備大蒜風(fēng)味物質(zhì)的工藝,考察了各因素對(duì)大蒜風(fēng)味物質(zhì)得率的影響,并用制備能力值評(píng)價(jià)不同工藝。

2009-09-16 ＊通訊聯(lián)系人

王璨 (1984-),男,碩士研究生,研究方向：植物資源綜合利用。

國(guó)家 863高技術(shù)研究發(fā)展項(xiàng)目(2007AA10Z306)資助。