江苏省农业科学院李大婧研究员等:草莓脯贮藏期间非酶褐变的化学途径分析

2022-12-02作者:来源:食品科学杂志责任编辑:食品界 字体A+AA-

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草莓脯是近年来的新兴果脯,但草莓脯贮藏过程中会发生褐变,影响其商品价值和产品外观。褐变是食品贮藏和加工中普遍存在的现象,可分为酶促褐变和非酶褐变,草莓脯贮藏期间的褐变以非酶褐变为主,其中的化学机制一般包括抗坏血酸降解、酚类物质的氧化聚集、美拉德反应、糖的裂解等,直接参与非酶褐变的化学成分往往包括抗坏血酸、还原糖、多酚、氨基酸等。

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为探明草莓脯贮藏期间褐变的发生、发展与温度、时间的关系以及内在化学成分的变化机制,江苏省农业科学院农产品加工研究所的牛丽影、胡丽丽、李大婧*等对不同温度贮藏期间草莓脯的色泽以及抗坏血酸、还原糖、多酚、氨基酸、5-HMF含量进行测定,对色泽及化学成分变化的关系进行分析,并采用相关性分析和相似性聚类对关键途径进行探讨,旨在为草莓脯贮藏期间的褐变控制提供参考。


1、不同贮藏温度下草莓脯的色泽变化


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由图1可以看出,草莓脯初始色泽中L*值较高,a*、b*值均为正值,总体呈现明亮的红色。食品贮藏过程中L*值下降往往表明样品存在褐变现象,但是不同食品褐变过程中3 个参数的变化规律并不相同。在蜂蜜、苹果酱贮藏过程中褐变表现为L*、b*值下降但a*值上升;荔枝贮藏6 d后发生褐变,表现为红色果皮的L*、a*、b*值全部下降。草莓脯贮藏过程中,L*、a*、b*值均呈下降趋势,并且温度越高变化越快,变化程度最大的贮藏条件为37 ℃下贮藏90 d,L*、a*、b*值分别下降为初始值的64.46%、17.95%和21.07%。25 ℃和4 ℃下变化较慢,即便延长贮藏至150 d,L*值下降为初始值的64.81%和74.37%,a*值下降为初始值的22.79%和60.51%,b*值分别下降为初始值的37.22%和35.53%,仍高于37 ℃下贮藏90 d时的b*值。这种温度越高,变化越快的现象与蜂蜜、果汁等食品一致。

由以上数据还可以看出,3 个色泽参数对温度变化的敏感度不同,其中a*值对温度差异最为敏感,即对于贮藏时间相同的样品,不同温度间差异最大。


2、不同贮藏温度下草莓脯抗坏血酸及总酚含量变化

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由图2可知,草莓脯中抗坏血酸和总酚含量在贮藏初期迅速下降,随后下降速率减缓,并且贮藏温度越高,下降速率越快,与以往对果蔬汁的研究一致。草莓脯中抗坏血酸含量在37、25、4 ℃下贮藏90 d时分别降至初始值的1.07%、16.16%、25.44%,总酚含量则分别下降至初始值的25.61%、32.23%、39.18%,与橙汁、西梅汁和草莓汁相比,草莓脯中抗坏血酸和总酚的损失率更高,虽然这种差异与包装等外界因素有关,但仍说明果脯作为一种有效延长水果食用期的加工产品,其贮藏过程中的营养成分损失值得重视。另据报道,果汁贮藏初期抗坏血酸和总酚含量下降速率最快与其中溶解氧的消耗有关,而后期降解则与包装材料的氧阻隔性有关,因此,普通密封包装(未采取除氧措施)的草莓脯贮藏过程中出现的这种抗坏血酸和总酚含量初期下降速率快、后期减缓的特点也有可能与包装中氧气的存在与消耗有关。


3、不同贮藏温度下草莓脯游离糖及氨基酸含量变化

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草莓中的游离糖主要有果糖、葡萄糖和蔗糖,草莓脯中的糖也主要为这3 种(表1)。在贮藏过程中,3 种糖含量随时间延长均表现为下降趋势,37 ℃和25 ℃下贮藏初期迅速下降,30 d时果糖、葡萄糖和蔗糖含量为初始值的25.18%~59.01%,随后下降速率变缓,60 d时3 种糖含量为30 d时的83.67%~96.37%。在4 ℃下,3 种糖降解较慢,30 d时果糖含量与初始值无显著差异,葡萄糖和蔗糖含量则显著高于37 ℃和25 ℃下贮藏30 d时含量。不同温度下蔗糖含量在相同贮藏时间均存在显著差异,表现为37 ℃<25 ℃<4 ℃,说明温度越高,变化越快。但是,3 个温度下果糖和葡萄糖含量的变化均出现了平台期,即37 ℃下贮藏30~75 d,25 ℃和4 ℃下贮藏90~120 d,同一温度下随时间延长差异不显著。果汁中果糖和葡萄糖含量在贮藏过程中往往变化不显著甚至上升,这是因为蔗糖分解为果糖和葡萄糖,弥补了果糖和葡萄糖的损失。


4、不同贮藏温度下5-HMF含量变化


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如图3所示,草莓脯贮藏过程中5-HMF含量呈线性增加,且贮藏温度越高增加越快,37 ℃下增长速率分别为25 ℃和4 ℃的26.92、293.88 倍。据报道,温度对甘蔗汁美拉德褐变具有明显影响,不同温度下草莓脯5-HMF的生成速率存在较大差异,说明温度也是影响草莓脯褐变的重要因素。此外,由于5-HMF具有多种前体及形成途径,因此探究草莓脯贮藏过程中5-HMF形成的主要途径对于控制其褐变具有重要意义。


5、色泽变化与化学指标的相关性分析结果


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为更好地探究色泽变化与理化指标的关系,本研究对各指标进行了相关性分析。色泽、抗坏血酸、总酚、游离糖和氨基酸、5-HMF水平的相关性分析结果如图4所示,可以看出,色泽参数L*、a*、b*、ΔE之间具有明显的正相关性,说明几个参数在表征色泽变化时具有一致性,其中ΔE*与L*、a*、b*值之间的相关性均达到高度显著水平(P<0.001)。以ΔE来表征总色泽变化,发现与其高度显著相关的化学指标有抗坏血酸含量(P<0.001),其次为蔗糖、总酚、5-HMF和葡萄糖含量(P<0.01),然后为天冬氨酸、果糖、精氨酸、丙氨酸和天冬酰胺含量(P<0.05),测定的11 个化学指标中谷氨酰胺含量与其相关性不显著。但是,谷氨酰胺含量与L*值、天冬酰胺和抗坏血酸含量显著相关(P<0.05),与总酚含量极显著相关(P<0.01)。据报道,抗坏血酸的降解可分为有氧降解与无氧降解,其无氧降解主要经过水解、脱羧、脱水和成环等步骤生成二羰基化合物,可与氨基酸发生羰氨缩合等反应生成有色物质;在有氧条件下则裂解为高反应活性的小分子化合物,可与其他成分进一步反应生成褐色大分子化合物。抗坏血酸含量在草莓脯贮藏过程中快速下降,与L*值、a*值、b*值、ΔE以及蔗糖和总酚含量极显著(P<0.01)或高度显著相关(P<0.001),并且和其他2 种游离糖、3 种氨基酸(天冬氨酸、谷氨酰胺、精氨酸)、5-HMF含量均表现出显著的相关性(P<0.05),说明其与褐变反应密切相关,可能发生了有氧降解、无氧降解以及与氨基酸的羰氨缩合等多途径反应。除果糖含量与b*值外,3 种游离糖含量与L*值、a*值、b*值、ΔE、抗坏血酸、总酚含量两两间均达到显著以上水平的相关(P<0.05)。但与除天冬氨酸外的其他4 种氨基酸和5-HMF含量相关性不显著(P>0.05),说明还原糖参与的美拉德反应造成的褐变与整体色泽变化存在不一致性。总体而言,根据色泽指标与各成分间的相关性,可以认为抗坏血酸、酚类物质、糖及氨基酸均参与了草莓脯褐色物质的生成,但不同反应途径具有不同步性。

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各项指标和样品双向聚类的结果如图5所示。3 个温度下不同贮藏期的15 个样品聚为两类:4 ℃下贮藏的5 个样品、25 ℃下贮藏时间较短(30~90 d)的3 个样品与37 ℃下贮藏15 d及30 d的2 个样品聚为类别I;其他5 个较高温度下贮藏时间较长的样品聚为类别II。所有指标可以分为4 组:1)L*值、抗坏血酸含量、总酚含量、b*值、谷氨酰胺含量;2)a*值、天冬氨酸含量、果糖含量、蔗糖含量、葡萄糖含量;3)天冬酰胺含量、精氨酸含量、丙氨酸含量;4)ΔE与5-HMF含量。两种类别的主要区别在于类别I中的样品第1~3组指标值较高(红/黑色为主),ΔE与5-HMF作为第4组指标红色区域仅分布于37 ℃下贮藏60~90 d的3 个样品与25 ℃下贮藏120 d及150 d的样品中,体现了5-HMF含量变化与整体色泽变化具有一定的同步性,并具有温度敏感性。5-HMF的这种变化特点说明其含量的增加可能来自于几种不同褐变途径的叠加。


结 论

本实验通过对不同温度下草莓脯贮藏过程中色泽变化和成分变化的研究,发现随贮藏时间延长,37、25、4 ℃下草莓脯L*、a*、b*值均呈下降趋势,5-HMF含量则线性上升,说明草莓脯贮藏过程中存在明显的褐变现象。果糖、葡萄糖和蔗糖3 种游离糖中蔗糖含量随时间延长呈下降趋势,而果糖和葡萄糖含量则出现了平台期,说明可能存在蔗糖分解为果糖和葡萄糖的反应。5 种氨基酸含量在37 ℃和25 ℃下贮藏呈下降趋势,但在4 ℃下则先下降后上升,说明温度对氨基酸与糖的美拉德反应途径影响较大。总之,色泽参数与5-HMF的线性变化可能是抗坏血酸和酚类的氧化反应以及美拉德反应等褐变途径的综合作用。
食品贮藏过程中广泛存在非酶褐变,但相关化学成分的变化趋势与主要途径因食品特点而异。柑橘汁在贮藏过程中抗坏血酸含量呈直线下降,与褐变显著相关,因此抗坏血酸的降解被认为是褐变的主要途径。草莓脯中抗坏血酸和酚类氧化可造成褐变,另外果糖、葡萄糖、天冬氨酸等作为美拉德反应的主要组分也呈现下降趋势,因此可以认为在草莓脯贮藏褐变中,同时存在氧化褐变和美拉德反应褐变两种途径。较高温度下贮藏时间较长的样品通过聚类分析与其他样品得以区分,说明温度和时间为影响褐变程度的重要外界因素。抗坏血酸和多酚的含量与草莓清除自由基和抗氧化能力等营养特性显著相关,而糖与氨基酸又是重要的风味成分,这些成分的降解不仅会导致褐变,还会降低草莓脯的营养风味品质,因此,如何有针对性地采取措施,如抗氧化处理与包装方式改进,将对草莓脯的品质提高及产业升级具有重要意义。

01通信作者简介

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李大婧 研究员,江苏省农业科学院农产品加工研究所副所长、果蔬加工研究室主任。

研究方向

果蔬加工品质调控与机理、功能活性物质高值利用、营养健康食品精准制造

主要业绩

入选江苏省“333”工程第二层次中青年领军人才,江苏省有突出贡献中青年专家,全国农产品加工业十佳青年科技人才,江苏省“六大人才高峰”高层次人才培养对象,2021年度中国食品科学技术学会杰出青年等。长期从事果蔬加工品质调控与机理、功能活性物质高值利用及营养健康食品精准制造等研究。主持承担国家自然科学面上基金、江苏省重点研发计划重点项目等国家和部省级项目28项。获得江苏省科技进步二等奖、北京市科技进步三等奖、中国食品工业协会科学技术特等奖、中国商业联合会科学技术一等奖、中国食品科学技术学会技术发明二等奖等各类奖项16项,省科技鉴定成果6项;授权国家发明专利30项;发表期刊论文246篇,其中SCI收录45篇、EI收录9篇;参编著作5部;制定省标及企业标准37项。兼任中国食品科学技术学会休闲食品加工技术分会、中国农学会农产品贮藏与加工分会理事,江苏省农业科学院第九届学术委员会委员,《食品科学》杂志青年编委会委员。


02第一作者简介

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牛丽影 副研究员,江苏省农业科学院农产品加工研究所。

学习经历
1996-2000 中国农业大学 果树专业 农学学士
2000-2004 中国农业大学 农产品加工及贮藏工程 工学硕士
2004-2007 中国农业大学 食品科学 工学博士
工作经历
2008-2010 浙江大学 生物系统工程与食品科学学院 博士后
2010-今 江苏省农业科学院农产品加工研究所
2016-2017 美国佛罗里达大学 柑橘研究与教育中心 访学
主要业绩

从事果蔬加工种品质变化与调控研究,主持 6 项省级以上项目,第 1及通讯发表中英文论文 35 篇,研制或改进香橼汁、玉米汁、芦笋汁、藕汁、葛根等10余种果蔬汁饮料并在企业引用。第 1 完成人获得 2021 神农中华农业科技奖三等奖、2020 江苏农业科技奖二等奖, 另作为主要完成人获得江苏省科学技术奖二等奖 2 项( 2016、 2017), 中国食品工业协会科学技术奖特等奖 3 项( 2014,2016,2019)。


本文《草莓脯贮藏期间非酶褐变的化学途径分析》来源于《食品科学》2022年43卷17期248-254页,作者:牛丽影,胡丽丽,李大婧,刘春菊,张钟元,刘春泉,曹彬彬,顾千辉,谢婷婷,王云海。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20210818-241。点击 https://www.spkx.net.cn/article/2022/1002-6630/2022-43-17-028.html 即可查看文章相关信息。