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超临界CO2流体萃取兔肉腥味物质

本站小编 Free考研考试/2021-12-26

谢跃杰, 贺稚非, 李洪军. 超临界CO2流体萃取兔肉腥味物质[J]. , 2016, 49(16): 3208-3218 https://doi.org/10.3864/j.issn.0578-1752.2016.16.014
XIE Yue-jie, HE Zhi-fei, LI Hong-jun. The Odor of Rabbit Meat Extracted by Supercritical Carbon Dioxide Fluid Extraction[J]. Scientia Acricultura Sinica, 2016, 49(16): 3208-3218 https://doi.org/10.3864/j.issn.0578-1752.2016.16.014

0 引言

【研究意义】根据FAO统计,2013年中国家兔和野兔存栏共计2.3亿只,兔肉产量约73万t,是第二大兔肉生产国意大利产量的近3倍[1]。兔肉作为“高蛋白、高赖氨酸、高磷脂、高消化率”和“低脂肪、低热量、低胆固醇、低尿胺”的功能性肉制品,本应成为大众消费品[2]。但是,兔肉腥味影响了国人对兔肉的消费,中国兔肉人均年消费仅为0.55 kg,欧盟国家人均消费3.5 kg,而意大利则达到4.33 kg[3]。兔肉腥味,是指兔肉在加热后所产生的一种令人嫌忌的特殊气味[4]。不同国家、民族和个体对此气味的敏感程度不同,适应接受度也不同。在中国,大部分人认为兔肉是有腥味的[5]。由于烹饪的原因,主要消费群体集中在川渝两地。因此,研究兔肉腥味物质对兔产业发展尤为重要。【前人研究进展】目前,对兔肉挥发性风味物质提取的研究主要是同时蒸馏萃取法(SDE)和固相微萃取法(SPME),研究主要集中在风味物质的种类和数量,对于兔肉主体风味物质的认定还不明确[6-7]。SDE和SPME都是在沸腾或者接近沸腾的温度下进行提取,风味物质可能受到高温的影响而发生降解、氧化或与其他物质进行反应。据实际调查发现,兔肉腥味往往在低温或室温时更强烈。【本研究切入点】由于超临界CO2流体萃取(SFE-CO2)技术中CO2的临界温度接近室温(31.1℃),临界压力7.38 MPa,对易挥发性和生理活性物质的损失和破坏极小,且适用于亲脂性、分子量较小物质的萃取[8]。此技术常用于精油物质的提取[9-11],而针对肉类风味方面的研究则较少[12-13]。因此,本试验采用SFE-CO2萃取兔肉挥发性风味物质,运用气味活度值法(OAV),通过气相色谱串联质谱(GC-MS)分析,对兔肉腥味物质进行定量定性研究。【拟解决的关键问题】确定SFE-CO2萃取兔肉腥味物质的条件,明确兔肉腥味物质的组成和成分,为进一步研究兔肉脱腥奠定基础。

1 材料与方法

试验于2015年9—11月在西南大学食品科学学院和重庆市食品药品检验检测研究院进行。

1.1 材料与试剂

兔肉:75日龄的伊拉兔10只,伊拉兔的养殖地点为西南大学动物科技学院养殖场。宰杀于实验兔场,经胴体分割,于-20℃冷冻保存;2,4,6-三甲基吡啶(TMP)标准品、戊醛、己醛、己酸、2-戊基-呋喃、2,4-癸二烯醛、2-癸烯醛,均为色谱纯,美国Sigma-Aldrich公司生产。

1.2 仪器与设备

QP2010气相色谱-质谱联用仪,日本岛津公司;气相色谱-嗅辨仪,日本岛津公司&瑞士Brechbuehler公司;N-EVAP系列24位氮吹仪,美国Organomation公司;DW-86W100超低温保存箱,青岛海尔特种电器有限公司;Hei-VAP Adventage旋转蒸发仪,德国Heidoph公司;SFE-4超临界二氧化碳萃取仪,德国Applied Separations公司;JYL-C020厨房机械料理机,中国Joyoung公司。

1.3 方法

1.3.1 样品制备 将冷冻兔肉置于4℃的冷藏箱里过夜解冻,然后将其置于室温下待用。将解冻后的兔肉切成1 cm×1 cm×1 cm的肉丁,置于家用搅拌机里绞碎,随后取出密封、冷藏备用。
1.3.2 SFE-CO2单因素试验[14] 称取绞碎兔肉样品30 g,放入超临界二氧化碳流体萃取釜中,聚丙烯羊绒填充夯实。萃取温度分别为:35、40、45、50和55℃,此时萃取时间和萃取压力分别为3 h和20 MPa;萃取时间分别为:1、2、3、4和5 h,此时萃取温度和萃取压力分别为45℃和20 MPa;萃取压力分别为:10、15、20、25和30 MPa,此时萃取温度和萃取时间分别为45℃和3 h。将提取到的液体旋转蒸发浓缩至1 mL,定量加入TMP 10 μL,0.45 μm有机滤膜过滤备用。
1.3.3 SFE-CO2响应面分析试验 根据Box-Behnken中心设计原理,以萃取温度、萃取压力和萃取时间3因素为自变量,并以-1、0、+1分别代表自变量的低、中和高水平,设计3因素3水平试验,试验因素水平设计见表1,以提取率Y为响应值进行响应面试验。
1.3.4 GC-MS分析[15] 色谱柱:J&W DB-5ms石英毛细柱(30 m×0.25 mm,0.25 µm);进样口温度250℃;升温程序:40℃保持1 min,以8 ℃•min-1升至180℃,保持3 min;载气(He)流速1.1 mL•min-1,压力2.4 kPa,进样量1 µL;分流比:10﹕1。质谱条件:电子轰击离子源;电子能量70 eV;传输线温度250℃;离子源温度250℃;检测器电压350 V;质量扫描范围(m/z)35—400。
Table 1
表1
表1响应面试验因素水平表
Table 1Level of factors in the response surface design
试验因素
Experimental factor
水平 Level
-101
萃取温度A
Extraction temperature (℃)
354045
萃取压力B
Extraction pressure (MPa)
202530
萃取时间C
Extraction time (h)
234


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定性分析:参考各种化合物的保留时间,并且与计算机自带数据库(NIST)检索匹配,相似度大于80%的化合物被认定,反之则否定。
定量分析:各挥发性化合物的相对含量即为各峰面积的百分比,各种挥发性风味化合物的绝对含量计算公式如下:
MC(μg•kg-1)=
式中:MC为化合物绝对含量(μg•kg-1),As为总离子流图中化合物峰面积,AI为内标物质峰面积,CTMP为TMP浓度(μg•mL-1),VTMP为内标物加入的体积(mL),MS为肉样品重量(g)。
1.3.5 OAV分析[16] 气味活度值(VOA)=气味物质浓度(C)/阈值(T);气味物质浓度,即1.3.4测得各化合物绝对含量;阈值,即各化合物的嗅闻阈值。当OAV≥1时,认为此物质对总体风味有重要贡献;反之,当OAV<1时,认为此物质对总体风味无贡献。
1.3.6 GC-O分析 参考GC-MS的仪器参数条件,感官嗅闻。
1.3.7 统计分析 利用SPSS22.0统计软件对试验数据进行方差分析,Excel 2010计算平均值和标准偏差,Origin8.1软件作图。

2 结果

2.1 SFE-CO2萃取单因素试验

2.1.1 萃取温度对提取率的影响 由图1可以看出,无论是峰面积还是提取效率都随着提取温度增加呈先上升,再下降的趋势。萃取温度40℃时,提取率可达到97.91%。低于此温度时,虽然CO2密度稍有减小,但增加了溶质扩散系数,因此温度增加,萃取物质的量增加;高于此温度时,虽然扩散系数增大,但CO2密度下降较大,因此提取到的物质总量减少。由此可见,萃取温度40℃为临界点,是最佳提取温度。
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图1超临界二氧化碳流体萃取温度对提取率的影响
-->Fig. 1The effect of extraction temperature on the extraction rate by SFE-CO2
-->

2.1.2 萃取时间对提取率的影响 由图2可以看出,萃取时间为4 h时,无论是峰面积还是提取效率都最高。随着萃取时间延长,提取率呈上升趋势,4 h的提取率则达到97.83%。而萃取物峰面积则先下降后上升,4 h的峰面积几乎是3 h的3倍。明显看出,萃取时间为4 h时,提取效果最佳。萃取时间超过4 h,提取率反而下降,说明此时有些物质之间相互发生了反应,或者一些物质浓度较低,没法检出,也有可能是一些非挥发性成分溶出。
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图2超临界二氧化碳流体萃取时间对提取率的影响
-->Fig. 2The effect of extraction time on the extraction rate by SFE-CO2
-->

2.1.3 萃取压力对提取率的影响 经GC-MS分析,如图3所示,萃取压力为15 MPa时,峰面积最大。随着提取压力增大,峰面积呈减小的趋势。这与在一定温度下,压力与扩散系数成反比的原理一致。而萃取压力为25 MPa时,提取效率最高,达到97.78%。大于这个压力时,提取效率反而下降。说明此压力为萃取临界压力,由于在高压下CO2密度较大,可压缩性也较小,增加萃取压力,反而降低了扩散系数,减少了对溶质的溶解度,进而降低了萃取效率。低于此压力时,虽然萃取量不少,但提取效率不高[17]。因此,25 MPa是最佳萃取压力。
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图3超临界二氧化碳流体萃取压力对提取率的影响
-->Fig. 3The effect of extraction pressure on the extraction rate by SFE-CO2
-->

2.2 SFE-CO2萃取条件响应面分析试验

利用Design Expert7.0 软件对表2数据进行多元回归拟合,得到提取率(Y)对萃取温度(A)、萃取压力(B)和萃取时间(C)的二次多项回归模型,回归方程为:Y=97.9+0.29A+0.39B+1.32C+0.23AB- 0.1AC-0.15BC-0.44A2-1.59B2-0.76C2。对回归模型各因素进行方差分析,结果见表3
Table 2
表2
表2Box-Behnken设计表及试验结果
Table 2Design of Box-Behnken and experimental data
序列
Number
试验因素 Experimental factor提取率(Y)
Extraction yield (%)
ABC
100098.01
210-195.73
310197.31
4-1-1095.35
500097.99
6-10-195.17
701197.15
80-1196.77
9-11095.72
1011096.91
1100098.01
121-1095.64
1300097.92
1401-194.73
1500098.01
16-10197.91
170-1-193.72


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Table 3
表3
表3响应面回归模型方差分析
Table 3ANOVA for response surface quadratic model
变异来源
Source of variation
平方和
Quadratic sum
自由度
Degree of freedom
均方
Mean square
F值
F-value
P
P-value
显著性
Significance
模型Model31.2493.47313.52<0.0001**
A0.6610.6659.730.0001**
B1.2011.20108.50<0.0001**
C14.04114.041268.58<0.0001**
AB0.2010.2018.290.0037**
AC0.04010.0403.610.0991不显著Not signifcant
BC0.09010.0908.130.0246*
A20.8110.8172.79<0.0001**
B210.61110.61958.43<0.0001**
C22.4512.45221.11<0.0001**
残差 Residual0.07870.011
失拟 Lack of fit0.07830.02613.670.0897不显著Not signifcant
误差 Error0.00040.000
总变异 Total variation31.3216

* Represent significant difference (P<0.05), ** Represent highly significant difference (P<0.01)*代表显著(P<0.05),**代表极显著(P<0.01)
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对回归方程进行显著性检验:F=50.79,P<0.0001,极显著,相关系数R2= 0.9975,R2Adj=0.9943,失拟项P=0.0897>0.05,不显著,说明模型与实际值拟合良好。可用此模型研究不同萃取条件对兔肉挥发性物质提取率的影响,优化响应因子水平。由表3可知,3个因素中,模型的一次项ABC和二次项A2B2C2对提取率的影响显著,ABBC之间交互作用显著,但AC之间交互作用不显著。从方差分析可以看出,对提取率的影响为萃取时间>萃取压力>萃取温度。
根据响应面分析,得到最佳的萃取温度40.67℃、萃取压力25.67 MPa、萃取时间3.13 h。根据实际操作,提取条件修正为萃取温度40℃、萃取压力25 MPa、萃取时间3 h,在此条件下提取率为98.11%,高于表2中的最高值98.01%。因此,认为该模型适用于优化提取工艺参数。

2.3 GC-MS分析

超临界二氧化碳流体提取兔肉挥发性风味物质如图4。通过谱库检索,一共鉴定到38种挥发性风味物质,见表4。通过内标物计算得到每种物质的浓度,其中烃类(471.82±1.11)μg•kg-1、醛类(168.46±0.97)μg•kg-1、酸类(1 394.25±3.45)μg•kg-1、酯类(569.26± 1.23)μg•kg-1和杂环类(86.71±0.64)μg•kg-1。可以看出,酸类含量最高,主要是己酸、壬酸、辛酸、棕榈酸等。其中己酸、辛酸被描述为具有羊膻味的物质,而壬酸、棕榈酸则不具有挥发性。因此,己酸、辛酸可能对兔肉腥味有重要影响。酯类物质也是风味成分中很重要的一类,特别是酒类和水果中含量较高。但此处多是一些不具挥发性的酯类,对风味的贡献不大。烃类物质是含量第三高的一类,但烃类物质的感官阈值通常较高,因此,虽然含量较高,但是它也并不是对兔肉腥味贡献较大的一类。杂环类只检测到2-戊基-呋喃和2-辛基-呋喃两种。有****认为2-戊基-呋喃和戊醛与腐臭味有较强的相关性[18]。而醛类物质含量较低,总共只有(168.46±0.97)μg•kg-1。由于醛类物质的感官阈值通常较低,因此,即便是较低含量也能产生足够强的风味,对兔肉腥味的影响较大。
Table 4
表4
表4兔肉SFE-CO2提取物GC-MS分析结果
Table 4Volatile compound in rabbit meat extracted by SFE-CO2
种类
Category
化合物名称
Chemical compounds
化学式
Formula
分子量
Molecular weight
相对含量
Relative content (%)
绝对含量
Absolute content (μg•kg-1)
烃类 Hydrocarbons十五烷 PentadecaneC15H322120.21±0.0121.31±1.05
十七烷 HeptadecaneC17H362400.17±0.0117.53±1.01
十八烷 OctodecaneC18H382540.14±0.0114.44±0.97
1-壬烯 1-NoneneC9H181263.97±0.04409.41±4.03
十二烯 LauryleneC12H241680.09±0.019.13±0.56
醛类 Aldehydes戊醛 PentanalC5H10O860.22±0.0122.69±1.02
己醛 HexanalC6H12O1000.49±0.0250.53±2.35
庚醛 HeptanalC7H14O1140.02±0.012.06±0.04
壬醛 NonanalC9H18O1420.29±0.0129.23±1.01
4-壬烯醛 4-NonenalC9H16O1400.37±0.0137.13±1.78
2-癸烯醛 2-DecenalC10H18O1540.05±0.015.16±0.09
2,4-癸二烯醛 2,4-DecadienalC10H16O1520.06±0.016.19±0.11
2-十一烯醛 2-UndecenalC11H20O1680.14±0.0114.44±0.98
十三醛 TridecanalC13H26O1980.01±0.011.03±0.01
十八醛 OctadecanalC9H16O21560.01±0.011.03±0.01
酸类 Acids甲酸 Formic acidCH2O2460.09±0.019.28±0.65
醋酸 Acetic acidC2H4O2600.29±0.0129.91±1.08
辛酸 Octanoic acidC8H16O21440.32±0.0133.00±1.21
己酸 Hexanoic acidC6H12O21160.8±0.0282.50±2.89
壬酸 Nonanoic acidC9H18O21580.32±0.0133.00±1.45
3-庚烯酸 3-Heptenoic acidC7H12O21280.23±0.0123.72±1.23
十八烯酸 Octadecenoic acidC18H34O22820.33±0.0134.03±1.56
十二酸 Dodecanoic acidC12H24O22000.17±0.0117.53±1.05
壬二酸 Azelaic acidC9H16O41880.26±0.0126.81±1.22
十四酸 Tetradecanoic acidC14H28O22280.03±0.013.09±0.03
十六碳烯酸 Hexadecenoic acidC16H30O22540.22±0.0122.69±1.19
十五酸 Pentadecanoic acidC15H30O22420.05±0.015.16±0.13
二十酸 Eicosanoic acidC20H40O23120.14±0.0114.44±0.94
棕榈酸 n-Hexadecanoic acidC16H32O22565.99±0.07617.72±7.87
9-十六烯酸 9-Hexadecenoic acidC16H30O22543.98±0.01410.44±4.13
9,12-十八碳二烯酸 9,12-Octadecadienoic acidC18H32O22803.09±0.0130.93±1.27
酯类 Esters邻苯二甲酸二异丁基酯 Phthalate isobutyl acetateC16H22O42780.78±0.0280.44±2.79
十五酸乙酯 Ethyl PentadecanoateC17H34O22700.28±0.0128.88±1.17
棕榈酸甲酯 Methyl palmitateC17H34O22700.45±0.0146.41±1.89
十七烷酸乙酯 Ethyl heptadecanoateC19H38O22981.94±0.03200.06±3.01
十八碳烯酸甲酯 Methyl octadecadienoateC19H36O22962.07±0.03213.47±3.13
杂环类 Heterocyclic2-戊基-呋喃 2-PentylfuranC9H14O1380.51±0.0252.59±2.03
2-辛基-呋喃 2-OctylfuranC12H20O1800.34±0.0134.12±1.39

Results were expressed as means±SE, data were means of three replicates结果均表示为平均值±标准误,数据均是3次重复测定的平均值
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图4超临界二氧化碳流体萃取兔肉挥发性风味物质GC-MS图
-->Fig. 4The gas chromatography mass spectrum of rabbit meat volatile flavor compounds extracted by SFE-CO2
-->

2.4 兔肉腥味主体成分分析

采用SFE-CO2提取到兔肉中的大约38种挥发性风味物质,每种物质有不同的感官阈值和各自的特征风味。本试验萃取物经过GC-O感官分析,萃取物能嗅闻到油脂味、纸板味、蘑菇味、金属味、青草味、豆腥味、泥土味等,总体呈现强烈的不愉悦兔肉腥味。由于挥发性风味物质是由不同物质组成,而每种物质对整体风味的贡献不同。因此,采用香气活度值法计算各物质的OAV值,可以知道各种物质对总体风味的贡献程度。只有当OAV值≥1时,表明此物质对总体风味有影响[19]。如表5所示,兔肉采用SFE-CO2法提取到的风味物质中,戊醛、己醛、己酸和2-戊基-呋喃为主体风味物质。除己酸和2-戊基-呋喃以外,与之前研究兔肉风味报道中提到的中级醛类为主体风味大体一致[20-21]
Table 5
表5
表5兔肉腥味主体成分
Table 5Main bodies of odor in rabbit meat
化合物名称
Chemical compounds
浓度
Concentration (μg•kg-1)
阈值
Threshold (μg•kg-1)
OAV气味描述[22-23]
Odor description
戊醛 Pentanal22.69±1.0212[24]1.89肝脏腥味 Liver odor
己醛 Hexanal50.53±2.354.5[24]11.23青草味 Grass
己酸 Hexanoic acid82.5±2.891.1[25]75.00羊膻味 Mutton odor
2-戊基-呋喃 2-Pentylfuran52.59±2.036[26]8.76金属、豆腥味、泥土 Metal, beany, muddy

Results were expressed as means±SE, data were means of three replicates结果均表示为平均值±标准误,数据均是3次重复测定的平均值
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3 讨论

3.1 SFE-CO2萃取条件对兔肉腥味萃取效果的影响

众所周知,超临界流体萃取是研究风味物质的有效方法之一[27]。其密度与液体接近,而又有较高的传质性和流动性,因此,其萃取能力既接近液体,又近似于气体。在合适的温度和压力下,能提供足够的密度来实现较强的溶解能力[28]。在诸多的超临界流体中,CO2最受人青睐,主要是因为其临界温度接近室温,对易挥发性或生理活性物质极少损失和破坏。特别适合于天然活性物质成分的萃取分离[29]。除此之外,安全无毒、化学惰性、腐蚀性小、廉价易得等特点使得CO2成为一种绿色环保的萃取介质。由于SFE-CO2操作相对简单,萃取条件主要为:萃取温度、萃取压力和萃取时间。试验结果可以看出,萃取压力25 MPa,萃取温度40℃,萃取时间3 h时,萃取效果最佳。这和其他一些采用SFE-CO2研究挥发性风味物质试验时的萃取条件相似,但也略有不同[30-31]。可能是因为一些挥发性物质的性质相似。同时,仪器的使用范围有限,例如萃取压力。即便如此,萃取压力、萃取温度等条件的改变,的确能左右最终的萃取效果。因此,本研究也初步探索了SFE-CO2萃取条件对兔肉腥味的萃取效果。

3.2 SFE-CO2对兔肉腥味物质的萃取分析

SFE-CO2一般用于精油、香辛料等物质的萃取,且萃取效果较好。其用于肉风味物质的研究的确较少,仅国外有些相关研究[13]。与同时蒸馏萃取、固相微萃取相比,SFE-CO2虽然萃取种类和含量不如前二者[32]。但是,感官嗅闻表明,此萃取方法得到的萃取物更接近真实的兔肉腥味。原因可能是,同时蒸馏萃取几乎是在沸腾状态下进行提取,而固相微萃取的萃取条件根据针头涂层的性质和厚度有所不同,SFE-CO2法在较低温度下进行了兔肉腥味的提取,避免了高温氧化、热降解和掩盖等一系列作用,得到了一些对热不稳定,非极性脂溶性的小分子醇、醛和酸类物质,特别是酸类物质显著增加。因此,可以设想兔肉腥味物质与某种或者几种酸类物质相关,这也为后续进一步研究兔肉腥味提供了参考。

3.3 兔肉腥味主体成分的确定

目前,对主体风味物质的研究主要依靠OAV法和香味提取物稀释分析法(AEDA)[33-34]。AEDA法是在确定的几种风味物质里,根据不同稀释浓度观察不同物质对风味的贡献程度,一般用于主体成分已经确定之后的进一步研究。而OAV法则是通过计算试验中各物质的香气活度值来确定主体成分,与AEDA法相比,OAV法更适合样品主体风味成分未知时的分析研究。本研究采用OAV法,对兔肉挥发性风味物质进行筛选,得到戊醛、己醛、己酸和2-戊基-呋喃这4种物质的浓度大于其感官阈值,即OAV>1,说明这4种化合物对兔肉腥味有重大贡献。戊醛、己醛作为异味物质已经存在于前人的报道中[6],2-戊基-呋喃也被初步认定对兔肉腥味有影响[35],而己酸作为兔肉腥味则未见报道,这也正是本研究新发现之一。当然,对于己酸作为兔肉腥味物质也需更深入的研究。

4 结论

超临界CO2流体萃取兔肉腥味物质,得到超临界萃取最佳时间为3 h,最佳萃取温度为40℃,最佳萃取压力为25 MPa,提取率达98.11%;超临界CO2流体萃取可有效用于兔肉腥味物质的提取。通过定量加入内标物质TMP,经气相色谱串联质谱进行分析鉴定,SFE-CO2法能萃取到兔肉中38种挥发性风味物质,其中戊醛、己醛、己酸和2-戊基-呋喃认定为兔肉腥味主体成分,感官分析表明,超临界CO2流体萃取物确实有明显的兔肉腥味。
The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献 原文顺序
文献年度倒序
文中引用次数倒序
被引期刊影响因子

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