食品風(fēng)味物質(zhì)的分離提取及生物技術(shù)的應(yīng)用

食品風(fēng)味物質(zhì)的分離提取及生物技術(shù)的應(yīng)用

0風(fēng)味物質(zhì)的功能20世紀(jì)50年代，美國的張市政教授開始研究風(fēng)格。1978年,第一次有關(guān)風(fēng)味研究的國際會議在英國的東安格利亞大學(xué)召開。迄今,這樣的國際會議已開過3次,在各種學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表的有關(guān)論文已是數(shù)不勝數(shù),并已出版了不少專著。食品中的風(fēng)味物質(zhì)包括味感物質(zhì)(甜、酸、咸、苦、鮮、澀、辣、清涼味、堿味、金屬味等)和嗅感物質(zhì)(動植物性食品的香氣以及發(fā)酵、焙烤食品的香氣等)。風(fēng)味物質(zhì)一般具有以下特點:①成分繁多而含量甚微,除某些成分如糖分在食物中含量較多外,大多是痕量物質(zhì);②除少數(shù)成分外,大多數(shù)是非營養(yǎng)物質(zhì);③呈味(嗅)性能與其分子結(jié)構(gòu)有高度的特異性關(guān)系;④多為敏感而易破壞的熱不穩(wěn)定性物質(zhì)。良好的風(fēng)味是構(gòu)成食品質(zhì)量的重要因素之一。風(fēng)味物質(zhì)本身雖然主要是非營養(yǎng)性的,但由于對食欲有推動作用,因而也就間接地對營養(yǎng)有良好的影響。由于微量和超微量分析技術(shù)的進步,對風(fēng)味和風(fēng)味物質(zhì)成分的研究在最近40多年來有了迅速發(fā)展,研究食品風(fēng)味已成為一門新興學(xué)科,而其中風(fēng)味物質(zhì)的分類提取是風(fēng)味物質(zhì)研究中的一個重要方面,它不僅是分析研究風(fēng)味物質(zhì)的前提,同時也為風(fēng)味物質(zhì)在生產(chǎn)實踐中的應(yīng)用開辟了廣闊的前景。迄今,從各種食品中鑒定出的風(fēng)味成分已近萬種,其中有2000多種被認(rèn)為可以安全使用而獲得美國食用香料和萃取物制造協(xié)會批準(zhǔn),食用香料已被廣泛應(yīng)用于食品工業(yè),許多風(fēng)0味研究成果也被應(yīng)用于指導(dǎo)生產(chǎn)實踐。同時,風(fēng)味物質(zhì)的提取也不再局限于傳統(tǒng)的從含香的動植物體中通過萃取、蒸餾、或者從無味的前體物質(zhì)經(jīng)類似烹調(diào)的方式加工獲得,而是采用了更新的手段如分子蒸餾、超臨界萃取、超濾等方法,同時還開始了利用酶催化生物工程技術(shù)、生物轉(zhuǎn)化技術(shù)等生產(chǎn)風(fēng)味物質(zhì)的生產(chǎn)和實踐。1提取前原料預(yù)處理分離食品風(fēng)味成分的方法很多,可根據(jù)原型食品的特性、要求(如固態(tài)或液態(tài))、及風(fēng)味成分本身的性質(zhì)(如揮發(fā)性、極性等)來確定,并沒有一個固定的模式。通常可以從已有的文獻中查找,或采用多種方法進行試驗來選定最佳方法。分離提取食品風(fēng)味物質(zhì)之前,首先必須選擇具有代表性且品質(zhì)最佳的天然原型食品,才能獲得目標(biāo)物的風(fēng)味(targetflavor)。同時,許多食品原料只在其生長或加工的某一段時間內(nèi)有最佳風(fēng)味,因此應(yīng)在最佳時間內(nèi)進行風(fēng)味物質(zhì)的提取。此外,加工手段也直接影響到風(fēng)味物質(zhì)的質(zhì)量。恰當(dāng)?shù)募庸み^程和方法有助于某些風(fēng)味物質(zhì)的形成,使之保持最佳的味覺和嗅覺效果。如成熟后的淺綠色的香莢蘭果莢是不具備香味的,其特征的香氣、香味在加工后才產(chǎn)生。其中,果莢中的一些酶類(如葡萄糖苷酶、過氧化酶和多酚氧化酶等)的活性在果莢生香加工中對香氣成分的生成發(fā)揮了重要作用。采用有利于生香酶系產(chǎn)生的加工方式,就可以使產(chǎn)品的香氣、香味達到完美、良好的程度。提取前原料的預(yù)處理也十分重要。恰當(dāng)?shù)念A(yù)處理方法可以達到提高風(fēng)味物質(zhì)得率、縮短提取時間、提高產(chǎn)物質(zhì)量等目的。如采用索氏抽提器在90℃的水浴中用75%的乙醇抽提紅棗,可得到棗精。如果用纖維素酶、β-糖苷酶、果膠酶復(fù)合酶液預(yù)先浸泡紅棗,可使抽提時間顯著縮短。1.1原料的預(yù)處理根據(jù)風(fēng)味物質(zhì)的理化特性,選擇合適的溶劑和萃取溫度,可直接將風(fēng)味成分從原材料中萃取出來。直接萃取法在目前使用還是非常廣泛的。對蝦香味料就可以采用乙醇-水作為溶劑進行加熱提取。對蝦的香味是在烹調(diào)新鮮對蝦后產(chǎn)生的。對蝦中的蛋白質(zhì)、氨基酸(尤其是含硫氨基酸)、還原糖、無機鹽、脂肪等組成的香味前體物質(zhì)經(jīng)加熱后,經(jīng)過一系列反應(yīng)而產(chǎn)生了對蝦特有的香氣,其中具有鮮味的谷氨酸、核苷酸和具有甜味的甘氨酸、丙氨酸、絲氨酸、甜菜堿等的含量對對蝦的香味起著決定性的作用。這些物質(zhì)均有較好的水溶性。此外,考慮到對蝦香味料若能帶上蝦黃素將更加完美,而蝦黃素在加熱后可以與蛋白質(zhì)分離,并易溶于乙醇等非極性溶劑中,因此采用乙醇-水混合溶劑加熱回流浸提,便可以將對蝦中的呈香、呈味、呈色物質(zhì)提取出來。經(jīng)預(yù)處理后,苦杏仁原料中所含的苦杏仁苷可以用乙醇熱浸提出來。浸提液趁熱壓濾并加熱濃縮后,白色的苦杏仁苷便會在室溫下結(jié)晶析出。辣椒中的辣椒精(包括辣椒素、辣椒色素以及具有特有香氣的各種揮發(fā)性物質(zhì)),也可以使用乙醇浸取的方法提取。隨著糖尿病、肥胖癥、高血脂等疾病的發(fā)病率日益提高,低熱量的甜味劑已引起廣泛的注意。甘草甜味劑就是一種低熱量甜味劑,它是甘草酸的鹽,通常以鈣、鉀、銨鹽等形式存在于甘草中。將粗碎的甘草根用60℃的水萃取后,在萃取液中加入硫酸便可沉淀出甘草酸。將干的甘草酸慢慢加入含KOH、Mg(OH)2和Ca(OH)2的水中,得到甘草酸鹽濃溶液,其甜味比甘草酸單銨鹽更好。使用萃取法時應(yīng)注意的一個問題是:用不同的萃取方法所得的風(fēng)味物質(zhì)成分有所不同,如不同的萃取方法對所得的大蒜精油分成就有影響。1.2采用常壓蒸餾法提取香味物質(zhì)蒸餾法分為常壓蒸餾法和減壓蒸餾法。常壓蒸餾法由于容易因熱降解而產(chǎn)生后生物已很少采用。有些啤酒廠采用常壓蒸餾法從酒花中提取香味物質(zhì),在蒸餾過程中形成的含硫物質(zhì)會產(chǎn)生惡劣氣味(若將此蒸餾液加入一罐法發(fā)酵的錐形罐中,由于進行了CO2洗滌,可除去帶來的不良?xì)馕?。如果將粉碎的酒花用水浸泡后,再取酒花水進行蒸餾,則酒花的香味不被氧化,可保存其原有的清香成分。1.3ch實現(xiàn)萃取分餾該方法是先進行蒸餾,再使用低沸點溶劑萃取蒸餾液的一種方法。這兩個步驟已被Likens-Nickerson所提出的裝置融為一體,并已出現(xiàn)了許多改良型,其中尤以Schultz修改的型式和由Macleod及Cave提出的改良型使用最多。這類裝置對多種化合物都具有較高的回收率,且在常壓及減壓條件下均可使用。茉莉花茶用Likens-Nickerson提取器經(jīng)恒溫蒸餾后,用乙醇作萃取劑可萃取出其香氣成分。萃取液可用Na2SO4干燥。而紅茶經(jīng)減壓水蒸汽蒸餾后用乙醇萃取,可將其苦香物質(zhì)萃取出來,用無水Na2SO4作干燥劑濃縮后,再用分餾裝置分餾,即可得到黃棕色的濃烈香精油。燒魚全香氣體的分離也可采用蒸汽蒸餾-萃取法,但魚樣先要經(jīng)過一定的預(yù)處理。1.4日本采用熱法提取甜茶蚤該方法已用于甜茶甙的分離。國內(nèi)分離純化甜茶甙時采用的方法十分繁瑣,有機溶劑消耗量大,不適合于工業(yè)化生產(chǎn),得率也不高(2.1%)。據(jù)報導(dǎo),日本采用熱水提取、提取液用大孔吸附樹脂處理以吸附甜茶甙,解吸后的解吸液再用陰陽離子交換樹脂脫鹽、脫色。這種方法使用的有機溶劑少,甜茶甙的得率也大為提高(7%),并適合于工業(yè)化生產(chǎn)。國內(nèi)也有人作了這方面的工作,甜茶甙的得率為4.9%。1.5內(nèi)壓管式超濾器磺化聚膜超濾裝置已被用于食品風(fēng)味物質(zhì)的提取。在甜葉菊甙提取工藝的中試中使用了有效膜面積為3m2的YM-200型內(nèi)壓管式超濾器(磺化聚砜膜)對甜葉菊甙水浸取液進行凈化處理,脫色率達90%以上,去雜率為45%左右,產(chǎn)量為30～35L·m-2·h-1。在成本較低的情況下,由于除去了大量的膠體、色素、蛋白質(zhì)及多糖類大分子雜質(zhì),使產(chǎn)品質(zhì)量得到提高,粗制品不潮解,深度純化費用減少。1.6分離和濃縮法分離煙氣分子蒸餾法是從油脂中分離揮發(fā)成分的一種極好的方法,如調(diào)味大料油中的揮發(fā)性香氣成分即可采用Brandt-Jensen提取技術(shù)加以分離。Brandt-Jensen提取技術(shù)實質(zhì)上就是涂膜式分子蒸餾技術(shù)。整個分離過程在較低的溫度下進行,不會生成新的化合物,回收率高達71～114%。因此分離出的香氣濃縮物經(jīng)稀釋后非常接近樣品原來的香氣。影響回收率的因素有油有溫度和體系的真空度,油溫越高,體系的真空度越大,回收率也越大。同樣,也可以采用降膜式分子蒸餾技術(shù)分離調(diào)味大料油中的香氣成分。1.7安全性能好50年前就已經(jīng)知道了使用CO2在超臨界狀態(tài)下萃取植物香料成分,但由于投資高和涉及到大量的研究工作,直到最近才開始商業(yè)性的開發(fā)。以超臨界流體為溶劑的抽提技術(shù)兼有蒸餾和液體抽提的特長,并具有以下的優(yōu)點:①不會有浸出劑殘留;②不會污染食品,無毒,不燃燒,具有安全性;③CO2是非活性氣體,浸出時不必?fù)?dān)心被浸出物的氧化;④超臨界萃取法是一種具有靈活性的加工方法,通過合適地選擇操作條件和過程,可以獲得所要求的不同的風(fēng)味和香氣;⑤由于浸取溫度低,對被浸取物的影響小;⑥不會使氧失去活性。目前,超臨界流體萃取技術(shù)已廣泛應(yīng)用于食品及香料、化妝品、醫(yī)藥和化學(xué)工業(yè)[31,32,33,34,35,36,37,38,39]。美國超臨界加工公司(SupercriticalProcessingInc.)的技術(shù)包括分段萃取和分段分離技術(shù),方法的選擇隨原料和產(chǎn)品的要求而定,通過有控的調(diào)香還可以使萃取產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化。1.7.1萃取方式的選擇原料經(jīng)二步或幾步進行萃取。在每一步萃取中,通過萃取壓力和溫度的選擇,或通過加入其它溶劑來控制對香精油、脂油和樹脂的選擇性。第1步萃取階段采用次臨界溫度,靈敏的香精油在恰當(dāng)?shù)臈l件下在短時間內(nèi)被分離出來。第2步萃取階段則采用較高的溫度分離風(fēng)味成分。如在黑胡椒的萃取中,第1步萃取在300Pa、30℃條件下進行,香精油得率為2.1%,胡椒堿得率為0.6%,第2步萃取在312Pa、58℃條件下進行,香精油得率為0.7%,胡椒堿得率高達5.2%。1.7.2超臨界萃取物的選擇使萃取器中的條件保持恒定,分步進行分離萃取。該方法已用于許多香料和香草的分段分離,并獲得了最佳的萃取和分離條件。如在對木松魚熏汁進行抽提時,CO2的壓力為22.1～22.5MPa,抽提溫度為37～38℃,抽提物大半是魚油成分,熏制香葉全部保存在油中,色相為黃土色,與用有機溶劑抽提時的茶褐色抽提物有顯著的不同,并且香氣充足。進行調(diào)味香料的超臨界萃取時,必須考慮原料的制備、萃取條件及操作、分離條件及操作、超臨界溶劑的再循環(huán)和處理,以及萃取物的回收和處理等的確切參數(shù)值,以獲得最高得率和最佳的萃取物質(zhì)量。例如酒花的有效成分包括揮發(fā)油和軟樹脂物質(zhì)。采用合適的條件可抽提出99%左右的軟樹脂的α-酸,且芳香成分不被氧化。在歐美國家,酒花抽提的超臨界設(shè)備已達到工業(yè)化規(guī)模。1.8力學(xué)平衡態(tài)的方法頂空氣體捕集法,是將一定量的固(液)態(tài)樣品置于有一定頂端空間的容器中,在一定的溫度、壓力、時間等條件下,收集主熱力學(xué)平衡態(tài)的上空氣體的方法。食品頂空氣體(Headspacevapour)中的某些化合物對人的嗅覺細(xì)胞產(chǎn)生某種刺激作用面而造成的各種食品的特有風(fēng)味,也代表了食品的真實風(fēng)味,對這一類的風(fēng)味物質(zhì)采用頂空氣體捕集法來收集,是目前應(yīng)用最廣泛的方法之一。該方法非常方便,并且不需要很多裝置,其中吹氣冷凍法和高孔多聚物吸附法在國內(nèi)已成功地用于香花頂空氣體的采集。1.8.1從“高孔多聚物”氮氣、瞳體看1972年,Jennings等人首次報導(dǎo)了采用該方法進行頂空氣體的捕集。采用惰性氣體(氮氣或氦氣)將頂空氣體以一定的流速通過高孔多聚物吸附床,風(fēng)味物質(zhì)便被吸附在高聚物表面,再通過加熱或溶劑洗脫的方法使之脫附。常用的多孔高聚物有Tenax-GC、PorapakQ、XAD-4或XAD-2、Chromosorb100系列及活性碳等。1.8.2乙醇法氟立匹法該方法是捕集液態(tài)樣品頂空揮發(fā)物的可選方法之一。最初用于酒的頂空揮發(fā)物的捕集。頂空揮發(fā)物被90%的乙醇吸收后,采用氟立昂11(對水和乙醇的溶解能力很差)回流經(jīng)過乙醇溶液,將揮發(fā)物萃取出來并實現(xiàn)富集。采用該方法的主要優(yōu)點是樣品的組成不發(fā)生改變。有人認(rèn)為這一方法是自1972年Jennings引入高聚物吸附法以來,在頂空氣體采樣方法上最重要的進展。1.8.3頂空分析法技術(shù)靜態(tài)頂空取樣法用于煙熏液頂空氣體的分析已有報道,可以直接用注射器從裝有煙熏并已抽出液上空氣的密閉容器中吸取液上氣體。這種頂空分析技術(shù)避免了去除提取劑時沸點與其相近的樣品組分的損失,也避免了樣品中不揮發(fā)物等對儀器的污染。頂空氣體提取出來后若直接進樣分析,還能避免溶劑峰的干擾。1.9香辛料常規(guī)提取法和天然香辛料提取法利用香辛料制備工藝該方法兼具傳統(tǒng)天然添加法和常規(guī)蒸餾或萃取法的優(yōu)點,在保持香料原有香味特性的同時,還能達到標(biāo)準(zhǔn)化和高度衛(wèi)生性要求,將天然香辛料置于CO2中高壓提取,即無高溫高熱影響,也不存在提取液分離問題,已采用該方法提取生姜、胡椒、玉果、麝香草、辣椒等常用香辛料,提取出的香精在感觀和質(zhì)量上與天然香辛料無顯著差異,在經(jīng)濟效益上也優(yōu)于常規(guī)提取法。如在4.13～4.82MPa的條件下,液體CO2不但能萃取出姜的辛辣成分,還能保留其原有的香味成分。2發(fā)酵及微生物生產(chǎn)的食品風(fēng)味劑傳統(tǒng)的天然風(fēng)味劑或香料的生產(chǎn)方式,往往要受到原料來源、含量、地區(qū)等的限制,以致無法大量生產(chǎn),價格也較高。通過新的生物技術(shù)來獲得風(fēng)味成分已是必然的趨勢。目前已經(jīng)使用的有酶催化生物工程技術(shù)及生物轉(zhuǎn)化技術(shù),例如植物細(xì)胞培養(yǎng)法、單細(xì)胞組織培養(yǎng)法、植物優(yōu)生法、自然合成法、遺傳工程法等。另外,由于食品中的酶在其風(fēng)味形成中起著重要作用,若利用生物催化劑或利用微生物的代謝活動(實際上也是利用其體內(nèi)的酶系)來直接制取風(fēng)味物質(zhì),則可望在短期內(nèi)獲得大量的產(chǎn)品。近20年來,食品風(fēng)味學(xué)者和生化學(xué)者在這方面已作出了顯著成績,所得的生物合成產(chǎn)品在性質(zhì)上與天然產(chǎn)品類似,并得到了世界的公認(rèn)。WHO,FAO下屬的CAC食品添加劑委員會已明確