不同抗氧化劑對非濃縮還原蘋果汁香氣質(zhì)量影響研究進展

蘋果居世界四大水果之首，我國蘋果總產(chǎn)量約占全球總產(chǎn)量的55%[1]。蘋果加工是延長產(chǎn)業(yè)鏈，提升產(chǎn)品價值的有效手段。非濃縮還原(not from concentrate，NFC)蘋果汁是將新鮮蘋果清洗后榨汁，經(jīng)殺菌后直接灌裝而制成，憑借其新鮮、自然、安全等特點逐漸受到越來越多消費者的歡迎[2]。NFC蘋果汁與濃縮還原蘋果汁相比，口感更豐富，營養(yǎng)成分保留更加充分，并且香氣特征更突出[3]。然而，NFC蘋果汁由于加工和貯藏條件苛刻、貨架期短、價格較高、質(zhì)量穩(wěn)定性差等原因發(fā)展緩慢。

香氣質(zhì)量是評價NFC蘋果汁感官品質(zhì)的決定性因素之一。蘋果汁原料的品種、產(chǎn)地、成熟度以及蘋果汁的加工方式和貯藏條件都會影響蘋果汁香氣質(zhì)量，其中加工及貯藏過程中的氧化褐變是影響NFC蘋果汁香氣質(zhì)量的重要因素[4]。當前NFC果汁加工產(chǎn)業(yè)中主要使用抗壞血酸、亞硫酸等抗氧化劑抑制氧化褐變，護色的同時對其香氣質(zhì)量有明顯的調(diào)控作用。亞硫酸是最常用的抗氧化劑，成本低廉，常用于果酒的抗氧化與殺菌，但是具有一定的毒性，急需替代產(chǎn)品。抗壞血酸和谷胱甘肽是果蔬中本身存在的天然抗氧化劑，近年來其對果蔬加工產(chǎn)品的香氣質(zhì)量影響受到了越來越多的關(guān)注。本文綜述了NFC蘋果汁香氣質(zhì)量的物質(zhì)基礎(chǔ)以及關(guān)鍵影響因素，并圍繞抗壞血酸、亞硫酸和谷胱甘肽這3種抗氧化劑對香氣質(zhì)量的影響展開對比論述，期望為NFC蘋果汁生產(chǎn)及貯藏過程中香氣質(zhì)量的保持與調(diào)控提供參考依據(jù)。

1 NFC蘋果汁及其主要香氣組分和質(zhì)量

根據(jù)制作工藝的不同，NFC蘋果汁可分為三類：NFC蘋果清汁、NFC蘋果濁汁以及NFC果肉蘋果濁汁。蘋果原材料的處理是NFC果汁加工的第一步，糖酸比在10∶1～15∶1的蘋果原料是制汁的理想選擇[5]。國內(nèi)產(chǎn)量最大的“富士”蘋果，風味偏甜且香氣突出，綜合質(zhì)量最好[6]，常與酸味蘋果(如澳洲青蘋果)混合作為主要原料生產(chǎn)NFC蘋果汁。

蘋果汁的典型香氣取決于其香氣組分，目前國內(nèi)外研究者已鑒定出300多種香氣物質(zhì)[7]。蘋果汁香氣物質(zhì)組成根據(jù)蘋果品種、產(chǎn)地、原料成熟質(zhì)量、加工過程和貯藏過程不同而有一定的差異[4]。如表1所示，蘋果汁中的香氣物質(zhì)主要包括酯類、醇類、醛類、酮類、萜烯類、酸類等。

1.1 酯類

酯類化合物是蘋果汁的甜香和果香味的主要風味特征來源，蘋果汁香氣的品質(zhì)也往往用酯類化合物的總量來評價。蘋果汁中的酯類物質(zhì)主要包括丁酸乙酯、2-甲基丁酸乙酯、乙酸丁酯、乙酸戊酯、乙酸己酯等[16]。有研究證明丁酸乙酯和2-甲基丁酸乙酯是蘋果汁的特征香氣物質(zhì)，其中丁酸乙酯呈現(xiàn)出菠蘿味和甜香味，2-甲基丁酸乙酯呈現(xiàn)出果香味和甜香味[17]。此外，酯類香氣化合物的氣味閾值一般比較低，特別是2-甲基丁酸丙酯，具有甜香和果香的特征，盡管其含量較低，但對蘋果汁香氣質(zhì)量影響較大[8]。

表1 NFC蘋果汁中已檢測出的主要香氣成分
Table 1 Main aroma components detected in NFC apple juice

注：ND表示未檢測到

1.2 醇類

醇類物質(zhì)閾值較高，因其相對含量較高，也是蘋果汁中重要的香氣物質(zhì)[18]。蘋果汁中的醇類最主要是1-丁醇、3-甲基-1-丁醇和正己醇[19]。吳昕燁等[10]研究發(fā)現(xiàn)，3-甲基-1-丁醇的濃度越低，蘋果汁的香氣質(zhì)量更高。而1-丁醇和己醇對蘋果汁的風味具有積極作用，增加蘋果汁的甜香和清香，這2種物質(zhì)在蘋果汁貯藏期間變化不大。

1.3 醛類

醛類香氣是蘋果汁中的清香氣味來源，主要包括乙醛、己醛、反-2-己烯醛。比如反-2-己烯醛，呈現(xiàn)出清淡的蘋果香氣以及青草香氣，被多篇文章報道是蘋果的特征香氣物質(zhì)之一[20]。醛類物質(zhì)是蘋果汁破碎后酶促褐變產(chǎn)生的，在貯藏過程中呈升高的趨勢。

1.4 萜烯類

萜烯類物質(zhì)在果汁中含量較低，因其閾值普遍相對較低(一般在50 μg/L以下)，因此較少量的萜烯類存在既可賦予果汁果香和甜香。α-法尼烯是其中最主要的萜烯類物質(zhì)，呈現(xiàn)花香和果味的香氣特征。蘋果汁中的萜烯類香氣物質(zhì)不穩(wěn)定，丑述睿等[21]發(fā)現(xiàn)蘋果汁放置12 h后萜烯類物質(zhì)的種類和含量都有所減少。

1.5 其他香氣物質(zhì)

除酯類、醛類和醇類物質(zhì)以外，蘋果汁的香氣物質(zhì)中還鑒定出少量酮類和酸類物質(zhì)。酮類物質(zhì)主要包括：6-甲基-5-庚烯-2酮、β-大馬士酮、香葉基丙酮和β-紫羅蘭酮，賦予蘋果汁花香和果香。酸類物質(zhì)主要包括：己酸、壬酸和癸酸，有著奶酪的香味。

2 褐變對蘋果汁香氣質(zhì)量的影響

褐變是蘋果汁加工過程中的常見反應(yīng)，主要有酶促褐變和非酶促褐變。褐變會影響蘋果汁的風味和品質(zhì)，從而影響消費者接受性。

2.1 非酶褐變

蘋果汁中的非酶褐變主要發(fā)生在殺菌和貯藏過程中[22]，在果汁顏色改變的同時，也會影響果汁的香氣質(zhì)量，NFC蘋果汁貯藏越久，顏色越深且香氣質(zhì)量越差。焦糖化反應(yīng)、美拉德反應(yīng)、抗壞血酸的氧化和多元酚的氧化縮合反應(yīng)等變都屬于非酶褐變。非酶褐變反應(yīng)歷程如圖1所示：

①-美拉德反應(yīng)；②-Amadori分子重排；③-糖的脫水作用；④-糖的裂解； ⑤-Strecker降解作用；⑥-醇醛縮合作用；⑦-醛胺聚合作用
圖1 霍氏褐變反應(yīng)歷程綜合圖[23]
Fig.1 Comprehensive diagram of Hodge browning reaction history

非酶褐變反應(yīng)會生成類黑素和還原性酮、醛類物質(zhì)，從而影響蘋果汁的香氣質(zhì)量。蘋果汁中的酚類物質(zhì)主要有兒茶素、表兒茶素、綠原酸、根皮苷等，有研究發(fā)現(xiàn)，含有鄰苯二酚、鄰苯三酚、對苯二酚基團的多酚(如兒茶素、表兒茶素等)容易發(fā)生氧化褐變，從而影響果汁的品質(zhì)和風味[24]。

2.2 酶促褐變

酶促褐變主要發(fā)生在蘋果汁生產(chǎn)的前端工序, 如破碎、榨汁、過濾等階段[22]，酶促褐變的必要條件有3個：酚類底物、酚氧化酶和氧[25]。在有氧的環(huán)境下，多酚氧化酶(polyphenol oxidase，PPO)催化蘋果中的多酚，產(chǎn)生棕色色素[26]，也會影響食品的營養(yǎng)價值和感官品質(zhì)并會引起部分香氣物質(zhì)發(fā)生改變，所以應(yīng)當在榨汁之前在物料中添加抗氧化劑來防止酶促褐變的發(fā)生。蘋果汁生產(chǎn)中常見的抑制酶促褐變的方法有：(1)物理方法：如熱處理鈍化PPO酶活性，低氧減緩褐變反應(yīng)等；(2)生物技術(shù)：利用常規(guī)育種和基因工程的方法培育出低酶促褐變的蘋果栽培品種；(3)化學方法：添加褐變抑制劑(抗氧化劑、還原劑、螯合物、絡(luò)合物和酶抑制劑)抑制褐變[27]。有研究發(fā)現(xiàn)酶促褐變后的蘋果汁中，正丁醇、2-甲基-1-丁醇、丁酸乙酯、2-甲基丁酸乙酯呈現(xiàn)的果香特征增強，而乙醛、反-2-己烯醛、3-甲基-1-丁醇、乙酸乙酯、己醛所呈現(xiàn)的清香香氣特征降低[20]。COETZEE等[28]也發(fā)現(xiàn)，在酚類的氧化過程中，鄰苯二酚、醌和半醌自由基是都可能加速硫醇類香氣物質(zhì)的損失(圖2)。

圖2 多酚氧化物及醌參與的硫醇類香氣氧化機制[28]
Fig.2 Possible mechanisms of the oxidation of thiols induced by polyphenols and quinone

總之，NFC蘋果汁加工過程中的氧化褐變會引起香氣質(zhì)量的變化，造成香氣的損失從而影響蘋果汁的品質(zhì)，因此，在蘋果汁生產(chǎn)中，抗氧化劑的使用較為普遍，雖然更多的是為了抑制蘋果汁的氧化褐變，但其對蘋果汁的香氣也有重要影響，包括抑制氧氣與多酚氧化酶的作用，從而能在一定程度上改善蘋果汁在生產(chǎn)和貯藏期間的香氣質(zhì)量。

3 常見抗氧化劑對蘋果汁香氣的影響

3.1 抗壞血酸

抗壞血酸和其鈉鹽也可作為一種抗氧化劑用于食品中，可防止食品和飲料變色、變味，因其安全有效的特點，是研究者們常研究的抗氧化劑。抗壞血酸對多酚氧化酶的作用分為以下3個方面：(1)在中間體鄰醌反應(yīng)成棕色顏料前與之結(jié)合，將其還原為酚類化合物；(2)與PPO酶中的Cu2+螯合，使得酶失活而抑制褐變；(3)PPO酶直接氧化，起競爭性抑制的作用[29]。但是抗壞血酸的有效性十分短暫，當抗壞血酸完全還原成為脫氫抗壞血酸后，酶促褐變會繼續(xù)反應(yīng)。并且，有研究表明，抗壞血酸的添加可以很好地保護賦予蘋果汁果香和甜香的酯類物質(zhì)，但高濃度的抗壞血酸會影響蘋果的氣味，向蘋果汁中添加高濃度的抗壞血酸，果汁中的己醛和反-2-己乙烯醛的濃度比空白對照蘋果汁中高，這2種醛具有青草味，果汁中加入高濃度的抗壞血酸會使得果汁的生青味有所增加[30]。XU等[38]發(fā)現(xiàn)抗壞血酸受到外界影響也會降解而生成新的揮發(fā)性物質(zhì)而影響蘋果汁的風味(圖3)。

圖3 L-抗壞血酸降解的反應(yīng)途徑[31]
Fig.3 Reaction pathways for the degradation of L-ascorbic acid (d = 13C)

3.2 亞硫酸(二氧化硫)

亞硫酸是目前使用最廣、最常用的傳統(tǒng)抗氧化劑，具有抗菌、增酸的效果。亞硫酸的優(yōu)點在于有明顯的抗氧化效果，可以保護酯類、醇類以及脂肪酸類的香氣物質(zhì)[32]。亞硫酸作為二元酸在溶液體系中主要有3種存在形式：游離態(tài)的SO2分子、亞硫酸氫鹽離子以及亞硫酸鹽離子，各形態(tài)存在比例受溶液pH、溫度等因素的影響。在NFC蘋果汁體系中(pH 3～4)，主要以亞硫酸氫鹽離子存在。有研究顯示，亞硫酸可以破壞PPO的活性從而抑制酶促褐變的發(fā)生，且在微酸性pH 6條件下，抑制酶促反應(yīng)的能力最強，且0.01 g/kg的二氧化硫可以完全抑制酚氧化酶的活性[33]。故SO2可用于抑制NFC蘋果汁中褐變而提高其品質(zhì)。從香氣物質(zhì)合成途徑來講，SO2的存在還可能阻斷有機脂肪酸氧化形成反-2-己烯醛的脂氧合酶/過氧化氫裂解酶途徑[34]，從而在一定程度上影響C6化合物的形成[35]從而影響果汁香氣質(zhì)量。亞硫酸/SO2除了會影響果汁品質(zhì)外，在其濃度過高時還具有一定毒性，過量使用也會對人體有危害，損害人體各種器官，還會影響人體內(nèi)正常酶活力的作用[33]。所以目前的研究趨勢是限制亞硫酸的使用，或是尋找亞硫酸的替代物質(zhì)。

3.3 谷胱甘肽

谷胱甘肽(glutathione，GSH)是由谷氨酸、半胱氨酸以及甘氨酸縮合形成的三肽化合物，具有較強的抗氧化性，可以抑制果汁的酶促褐變[36]。還原性谷胱甘肽是目前硫醇中含巰基最豐富的小分子化合物，在清除自由基后會被氧化為沒有生理活性的氧化性谷胱甘肽(oxidized glutathione, GSSG)，只有還原形式的谷胱甘肽具有生理活性，并且GSH的巰基是負責其生化特性的活性位點[37]。對于蘋果汁加工產(chǎn)品，谷胱甘肽的使用對香氣影響的研究還不多。XU等[38]研究發(fā)現(xiàn)，在蘋果酒中加入GSH可起到保護酚類、抑制褐變和改善風味的作用，并且值得注意的是，GSH能降低顯色指數(shù)，保護綠原酸和根皮苷，降低表兒茶素和兒茶素的含量，改變香氣化合物(2-甲基-1-丙醇、3-甲基-1-丁醇、苯甲酸乙酯、芳樟醇等)的含量，因此GSH可用于提高蘋果酒的風味和品質(zhì)。蘋果汁中的酚類物質(zhì)特別是綠原酸和表兒茶素含量豐富，因此還原型谷胱甘肽可能通過影響果汁中酚類化合物的含量從而影響其香氣質(zhì)量。

GSH處理蘋果汁的褐變過程中，GSH(0.08%)可以抑制99.8%的多酚氧化酶活性。在室溫下榨汁和貯藏過程中，0.08%GSH處理的蘋果汁褐變指數(shù)顯著降低(P<0.05)。WU[39]研究證明，在罐裝蘋果汁貯藏的過程中，沒有添加GSH的樣品組在貯藏2個月后，除味道以外的所有感官屬性均明顯下降；然而，使用GSH處理的樣品則保持初始水平。因此，使用GSH不僅可以保持貯藏期的NFC蘋果汁的香氣質(zhì)量，還可以改善果汁感官特征，提高果汁整體的質(zhì)量。CLARK等[40]研究發(fā)現(xiàn)，GSH還可與反式-2-己烯醛發(fā)生反應(yīng)生成3-巰基-1-己醇，因此GSH也被認為是果汁中特定香氣的前體物質(zhì)。故在蘋果汁中加入GSH既可以起到抑制褐變和保鮮的作用，又可以增加果汁的香氣。

3.4 復(fù)合抗氧化劑的協(xié)同作用

抗氧化劑之間的復(fù)配使用可以使得某些抗氧化劑的效果更好。ROUSSIS等[41]研究發(fā)現(xiàn)，在葡萄酒釀造中，GSH可以配合更低濃度的亞硫酸與混合使用來保護揮發(fā)性香氣物質(zhì)，且與傳統(tǒng)亞硫酸使用劑量效果相當。同樣，在蘋果汁生產(chǎn)中，亞硫酸與GSH復(fù)合使用，也將對其生產(chǎn)及貯藏期間的氧化褐變有較好的抑制作用，進而對香氣質(zhì)量有著良好的保護作用，并且可以減少亞硫酸的毒性對人體的危害。

為了改善抗壞血酸的不穩(wěn)定性，根據(jù)FRANCESCA等[42]，將抗壞血酸和GSH組合一起使用，能起到更好的抗氧化性作用。當GSH與抗壞血酸(500 mg/L)的比例較高(1∶1)時，GSH可以延遲抗壞血酸的降解，并且還能抑制由抗壞血酸降解產(chǎn)物形成的色素前體的產(chǎn)生。亞硫酸(二氧化硫)與抗壞血酸也可以聯(lián)合使用，阻止抗壞血酸氧化，對抗壞血酸進行保護，但仍需要進一步研究。本文整理了不同抗氧化劑對不同時期香氣物質(zhì)的影響，研究表明，GSH和亞硫酸以及它們混合使用時的抗氧化性能最佳，其次是抗壞血酸和GSH混合使用。抗壞血酸單獨使用時容易分解，導(dǎo)致抗氧化效果不佳[43]，因而很少單獨使用。

4 結(jié)論與展望

NFC蘋果汁較大程度地保留了果汁原有的風味和口感，符合人們對健康、天然、安全食品的追求。但加工過程中壓榨、滅菌等工藝及貯藏都會對NFC果汁品質(zhì)產(chǎn)生不良影響，其中發(fā)生的氧化褐變反應(yīng)是引起蘋果汁香氣質(zhì)量變化的關(guān)鍵因素之一。添加抗氧化劑來提高蘋果汁品質(zhì)有著見效快、成本低、能耗低且種類豐富的優(yōu)點。目前常見的抗氧化劑有亞硫酸、抗壞血酸和GSH，其中亞硫酸對人體健康有不好的影響，而應(yīng)當選擇別的抗氧化劑進行替代使用，抗壞血酸是一種天然抗氧化劑，但其作用效果短暫，需加大使用劑量才能有效抑制酶促褐變，但是大量的抗壞血酸會對蘋果汁的氣味產(chǎn)生負面影響，生產(chǎn)中應(yīng)該適量使用抗壞血酸。GSH具有良好的抗氧化性能，可以有效防止NFC蘋果汁褐變，保留蘋果汁的香氣物質(zhì)。在長期貯藏后，GSH還可以能夠提升蘋果汁的香氣質(zhì)量，是目前研究控制NFC蘋果汁褐變的抗氧化劑的熱點。此外，抗氧化劑之間的復(fù)配使用在顯著降低使用量的同時可以更有效地抑制褐變：GSH可以與亞硫酸混合使用對NFC蘋果汁貯藏期間的香氣質(zhì)量進行保護，以避免高劑量亞硫酸對人體的危害；GSH和亞硫酸都可以與抗壞血酸同時使用，延緩抗壞血酸的降解速度以更有效地抑制褐變，但兩者復(fù)配使用的方法仍需進一步研究探索?；谀壳暗难芯楷F(xiàn)況，新型抗氧化劑的創(chuàng)制以及抗氧化劑的復(fù)配使用將是食品貯藏與保鮮科學研究的重要研究方向，更加天然健康的添加劑以及新型抗氧化劑的協(xié)同作用對NFC蘋果汁香氣質(zhì)量的保持與調(diào)控仍需要進一步研究。此外，加快研發(fā)先進的加工和貯藏技術(shù)，生產(chǎn)品質(zhì)更高、更天然、更穩(wěn)定的新型果汁產(chǎn)品，是當前果蔬加工產(chǎn)業(yè)研究的迫切任務(wù)。