油炸糯米糕顶空固相微萃取优化及其风味物质分析

,,,, ,

(安徽农业大学,安徽合肥 230000)

油炸糯米糕顶空固相微萃取优化及其风味物质分析

吴亦鸣,周裔彬*,丁援园,王海松,谢晶,杨丽萍

(安徽农业大学,安徽合肥 230000)

自制油炸纯糯米糕,采用单因素实验和正交实验对顶空固相微萃取(HS-SPME)香气成分的条件进行优化,结合气相色谱-质谱(GC-MS)法测定其挥发性风味成分。结果表明,油炸糯米糕风味物质最佳萃取条件为:取1.5 g样品萃取量加入到顶空进样瓶中,使用二乙烯基苯/碳分子筛/聚二甲基硅氧烷(DVB/CAR/PDMS)(50/30 μm)萃取头,在60 ℃条件下萃取80 min;油炸糯米糕中共检测出68种风味物质,其中烃类物质11种,醇类6种,醛类20种,酸类2种,酮类9种,酯类5种,吡嗪类11种,呋喃类2种,苯酚和吡咯啉各1种,其中主要是醛类、吡嗪类和酮类物质,相对含量分别为68.71%、8.36%和7.63%。

油炸糯米糕,挥发性风味物质,顶空固相微萃取,气-质联用

油炸糯米食品是中国传统的民间小吃,主要有油炸膨化米饼、油炸糯米糕(糍)、脆皮煎堆和莲青麻球等[1]。油炸有利于食品品质的改善和提升,在油炸过程中能够产生大量的易挥发风味物质,主要包括烃类、醛类、酮类、醇类、呋喃类和吡嗪类等,而这些化合物是构成油炸食品重要的风味成分[2-3]。

国内最近开始关注油炸糯米食品,出现一些关于油炸糯米食品的研究[4-5],但主要研究其制作工艺和质构特性、色泽等,却未对其独特风味进一步研究。国外对糯米食品的研究鲜见,在韩国传统油炸糯米小吃Gangjeong的风味研究中,涉及糯米浸泡条件对其风味的影响[6]。从20世纪90年代开始,顶空固相微萃取法(HS-SPME)已经被广泛应用于食品行业,是国内外萃取食品挥发性风味物质的常用方法,与其他方法相比,具有简单、快捷、环保的特点[7-8],结合气相色谱-质谱(GC-MS)能够分析出风味物质中化合物的种类和相对百分含量。

本文对自制纯糯米原料的糯米糕进行油炸,在优化HS-SPME萃取风味物质条件的基础上,结合GS-MS对其挥发性风味物质成分进行了定性分析,为油炸糯米类食品的风味特征研究提供参考。

1 材料与方法

1.1材料与仪器

糯米 蚌埠兄弟粮油食品有限公司提供(2016年产);食用油 中粮集团福临门浓香压榨菜籽油(2016年产自湖北荆门市非转基因油菜籽)。

JP-300A-2高速多功能粉碎机 浙江省永康市久品工贸有限公司;筛网 50目、100目,各两个;DT500A电子天平 中国江苏常熟长青仪器仪表厂;方形铝制模具 4.5 cm×4.5 cm×2 cm;EF-101不锈钢单杠单筛电热炸炉 北京京成佑和厨房设备有限公司;数显恒温水浴锅 常州国宇仪器制造有限公司;手动进样手柄和PDMS(100 μm)、PDMS/DVB(65 μm)、PEG(60 μm)、DVB/CAR/PDMS(50/30 μm)萃取头 PDMS为聚二甲基硅氧烷、DVB为二乙烯基苯、PEG为聚乙二醇、CAR为碳分子筛;Agilent 7890B-7000B三重串联四级杆气质联用仪 美国安捷伦公司。

1.2实验方法

1.2.1 糯米基本成分测定 水分按GB 5009.3-2010中《食品中水分的测定》[9];蛋白质按GB 5009.5-2010中《食品中蛋白质的测定》[10];脂质按GB 5009.6-2003《食品中脂肪的测定》[11];淀粉按GB 5009.9-2008《食品中淀粉的测定》[12];支链淀粉:按双波长法测定[13]。

1.2.2 糯米糕的制备及油炸 糯米→粉碎→过筛→混合→浸泡→制糕→油炸→成品。

表2 糯米原料的基本成分Table 2 Basic components of waxy rice

将糯米用粉碎机粉碎,过50目筛。取糯米粉420 g,添加糯米粉质量的65%的水,搅拌均匀,封上保鲜膜室温静置后适当混匀。取42 g左右混匀后的糯米糊用模具制成统一的长方体糯米糕柸,在制作时轻轻按压,保证脱模后维持形状不散不变即可。将适量的菜籽油倒入油锅中,预热到175 ℃时将糯米糕坯放入油锅中油炸6 min,并用筷子使其翻滚受热均匀。

将炸好的糯米糕取出后,待其稍稍冷却,立即将其搅碎。快速用电子天平称取相应质量的待测样品置于15 mL顶空进样瓶中,密封待测。

1.2.3 HS-SEMP法萃取油炸糯米糕香气成分优化 待测样品于水浴中平衡10 min,将萃取针穿过进样瓶的聚四氟乙烯瓶垫,推出纤维头,使针头离样品1 cm左右的上空吸附挥发性物质,控制萃取温度与萃取时间。吸附完成后,GC-MS进样口250 ℃解析5 min[]。不同萃取头第一次使用前，需要按照对应说明书进行老化处理。

1.2.3.1 选择萃取头实验 参考相关文献[15-17],初步拟定实验条件。取2 g样品分别采用PDMS、PDMS/DVB、PEG、DVB/CAR/PDMS萃取头在60 ℃条件下萃取60 min。通过解谱后得到的化合物数量和总峰面积为考察指标来选取合适的萃取头。

1.2.3.2 单因素实验 萃取温度梯度实验:2 g样品采用DVB/CAR/PDMS萃取头分别在40、50、60、70、80 ℃条件下萃取60 min;萃取时间梯度实验:2 g样品采用DVB/CAR/PDMS萃取头在70 ℃条件下分别萃取40、50、60、70、80 min;样品量梯度实验:1、1.5、2、2.5、3 g样品分别在70 ℃条件下萃取70 min。以化合物数量和总峰面积为指标分析实验结果[15-17]。

1.2.3.3 正交实验 在单因素实验的基础上,为了进一步优化工艺,选取萃取时间、萃取温度以及样品萃取量做三因素三水平正交实验。设计L9(33)正交实验因素与水平表(表1)分析确定最适萃取条件。

表1 正交实验因素与水平表Table 1 Factors and levels table of orthogonal test

1.2.4 GC-MS法分析香气成分

1.2.4.1 色谱条件 DB-5 毛细色谱柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm);进样口温度250 ℃,不分流模式[15],传输线温度280 ℃;初始炉温40 ℃,保持4 min,以2 ℃/min升到100 ℃,保持2 min,再以4 ℃/min升到200 ℃,保持4 min,载气为氦气,隔垫吹扫流量5 mL/min、恒定流量1 mL/min。

1.2.4.2 质谱条件 电子电离(electron ionization,EI)源:离子源温度为230 ℃,四级杆温度150 ℃,电子能量70 eV,发射电流34.6 μA,倍增器电压1218 V,接口温度280 ℃,质量扫描范围m/z 35～450[16]。

1.2.5 定性定量分析 将GC-MS图谱与NIST11.L质谱库自动匹配检索,对实验结果进行初步定性分析,然后加以核对和补充检索,并采用峰面积归一化法确定化合物相对百分含量[16],并进一步分析化合物的风味特征以及哪些食品中被检出过。

2 结果与分析

2.1糯米基本成分测定

油炸食品的香气主要由油脂的热降解,蛋白质与糖类的美拉德反应以及氨基酸的降解共同作用产生的[3]。而在淀粉油炸食品中除了油脂降解产生的油脂香气,其他的具有调和作用的独特香气则都由美拉德反应生成。所以不同种类的淀粉和蛋白质组成会对油炸后的风味成分产生影响。实验中用到的该品种糯米粉,蛋白质相对含量较普通糯米更多[17],这可能对风味物质的产生有所影响。

2.2单因素实验

2.2.1 选取最优萃取头 由图1可知,DVB/CAR/PDMS(50/30 μm)提取的风味化合物的总数量和总峰面积都最大,其提取出来的有效风味化合物的数量(74种)比PDMS/DVB(65 μm)提取的数量(68种)略多,萃取头是单一组分涂层的PEG(60 μm)提取的风味化合物数量(25种)最少,而PDMS(100 μm)提取的风味化合物数量也只有33种。提取化合物数量的差别主要由于萃取头涂层的极性不同。 由DVB/CAR/PDMS(50/30 μm)萃取头提取的风味物质的总峰面积(3.2×107)与PEG(60 μm)提取的(总峰面积3.1×107)差距不大,约为PDMS/DVB(65 μm)提取的(总峰面积1.3×107)三倍,约为PDMS/DVB(65 μm)提取的(总峰面积1.7×107)两倍。这说明对于萃取油炸糯米糕的风味物质而言,中等极性混合型涂层的萃取头(50/30 μm DVB/CAR/PDMS)是最适合的萃取头,不仅萃取到的风味物质全面,而且风味强度大。

图1 不同萃取头对萃取效果的影响Fig.1 Influence of extraction fiber on extraction efficiency

2.2.2 萃取温度对萃取效果的影响 由图2可知,在40 ℃的萃取温度下总的峰面积较小,检出的化合物的数量也较少,且经过质谱分析后,大部分为杂质峰,这是由于低温不利于化合物的挥发,顶空中化合物的浓度小、种类少[18]。随着萃取温度的上升,检测到的风味物质数量和总峰面积开始增加;当温度为70 ℃时,检测到的风味物最多,因而下一步的单因素实验选择70 ℃为萃取温度进行研究。随温度上升萃取效果增强,70 ℃后萃取效果趋于稳定,70 ℃和80 ℃下的化合物数量和峰面积相差不大。选取60～80 ℃萃取温度范围较为合适。

图2 不同萃取温度对萃取效果的影响Fig.2 Influence of extraction temperature on extraction efficiency

2.2.3 萃取时间对萃取效果的影响 由图3可知,随着萃取时间的延长,萃取的效果不断改善,萃取得到的化合物数量和含量呈上升趋势。但萃取时间达到70 min后萃取效果达到稳定,化合物数量和总峰面积未有显著增长,即与90 min下获得的萃取效果差别不大。综合考虑,为了提高单位时间内样品分析效率,所以下组单因素实验选择萃取时间为70 min,而正交实验选择在70～90 min时间范围内进行萃取较合适。

图3 不同萃取时间对萃取效果的影响Fig.3 Influence of extraction time on extraction efficiency

2.2.4 样品量对萃取效果的影响 由图4可知,在一定的质量范围内,随着样品萃取量的增大,吸附到的风味物质的种类在增加。可当样品量增加到2.5 g时,吸附到的风味化合物经GC-MS分析得到的数量略有减少;样品萃取量对风味化合物的总峰面积的影响总体不大。选取1.5～2.5 g范围的样品萃取量。

图4 不同样品量对萃取效果的影响Fig.4 Influence of quality of sample on extraction efficiency

2.3正交实验

在单因素实验基础上,将GS-MS得到的谱图通过与NIST1.1.L质谱库自动匹配检索,以化合物数量和峰面积为指标进行正交实验,结果见表3。

表3 正交实验方案与结果Table 3 Orthogonal experimental design and results

表4 正交实验结果的方差分析Table 4 Variance analysis of orthogonal experiment

注:“*”表示在α=0.1时,有显著性。 根据表3正交实验的极差分析,对于化合物数量指标,各因素影响效果的大小为:A>C>B,即萃取温度>样品萃取量>萃取时间,最优参数组合为:A1B2C3;对于总峰面积指标,各因素影响效果的大小为:B>C>A,即萃取时间>样品萃取量>萃取温度,较优参考组合为:A3B2C1。由表4方差分析结果得出:除了萃取温度对化合物数量有显著影响外,萃取时间和样品用量对其萃取效果均无显著影响。为了提高单位时间内样品分析效率和节约实验材料,综合考虑后,最终确定较优参考组合为A1B2C1,即1.5 g样品加入到15 mL的顶空进样瓶中,使用DVB/CAR/PDMS(50/30 μm)萃取头,在60 ℃条件下萃取80 min。

2.4油炸糯米糕中挥发性风味物质分析

对2.3结果进行验证实验,结果见表5及图5。根据图5、表5可知,经过解谱,除去杂质及匹配度低的物质,分析得出油炸糯米糕中风味化合物共68种,其总峰面积为624714548 mV·s。其中烃类物质11种,醇类6种,醛类20种,酸类2种,酮类9种,酯类5种,吡嗪类11种,呋喃类2种,苯酚和吡咯啉各1种。这些风味化合物中最主要的是醛类、吡嗪类和酮类物质,相对含量分别为68.71%、8.36%和7.63%。其次是醇类的2.99%,烃类2.98%,含量最少的是酯类、呋喃类、酸类和其他,含量为2.20%、2.15%、0.57%和0.74%。除了烷烃、苯酚、吡咯啉外,其它物质的阈值相对较低,可能对油炸糯米糕的风味具有重要影响。

图5 油炸糯米糕风味物质GC-MS总离子图Fig.5 GC-MS total ion current chromatograms of fried waxy-rice-cake

油炸糯米糕中检出的物质种类最丰富的是醛类,主要是一些不饱和醛和直链醛,可能是脂肪酸分解产生,一般表现为脂肪香、油炸香以及水果香味。醛类物质阈值一般相对较低,对油炸糯米糕的整体风味贡献相对较大。不饱和醛中含量较高的反式-2,4-癸二烯醛(21.25%)、反式-2-癸烯醛(9.05%)和2-十一烯醛(10.15%)具有脂肪香、油炸香、蜡香和柑桔香,分别由亚油酸、油酸的裂解反应得来[21],是油炸糯米糕中最重要的风味物质。(Z)-2-庚烯醛(3.69%)和(E,E)-2,4-庚二烯醛(3.05%)由亚油酸裂解生成,有着水果青香和脂肪,鸡肉的香味,而壬醛(6.07%)和己醛(2.85%)通常表现出油脂和青草气及苹果香味,对甲基苯甲醛(3.61%)和4-乙基苯甲醛(0.74%)含有苦杏仁以及甜香味,对油炸糯米糕的风味有一定的修饰作用。

表5 固相微萃取与气质联用法分析鉴定油炸糯米糕中风味物质Table 5 Identified flavor components in fried glutinous rice cakes by SPEM-GC-MS

续表

续表

注:表中化合物风味特征及存在食物来源于书籍及文献[19-20]。

吡嗪与呋喃类化合物也是油炸糯米糕风味的重要组成部分,这类含氮、氧的杂环类化合物由美拉德反应和斯特雷克尔降解反应产生[3]。戊糖和己糖为前体,分解的α-二羰基化合物与α-氨基酸反应,生成二氢吡嗪,氧化后形成各类烷基吡嗪。而丙氨酸和甘氨酸的降解产物乙醛和甲醛,则是形成烷基吡嗪分子侧链的重要来源[22]。2-正戊基呋喃、2,6-二甲基吡嗪、2-乙基吡嗪和2-甲基吡嗪在风味成分中含量较高主要呈现焦糖香味、烘烤的坚果香气以及可可咖啡味道,对糯米糕的香气起到补充调和的作用。这四种物质都出现在高温烘焙的食物中,如咖啡、烤面包。此类物质阈值低,对油炸糯米糕的风味有重要影响作用。

酮类是由多不饱和脂肪酸的氧化、热降解、氨基酸降解或微生物代谢产生的[23]。酮类物质一般表现为果蔬香和奶油香,其中2-庚酮、3-壬烯-2-酮、2-壬酮含量较高,具有香蕉、奶油、椰子味等柔和愉悦香味,癸酮则具有脂肪、柑橘及青瓜皮味。

醇类物质的芳香阈值也较高,所以当它以较高浓度存在或是以不饱和的形式存在时才对食品的风味有一定的贡献。但因为其与脂肪酸可以进一步反应生成酯,所以可以间接对食品的风味产生作用[24]。油炸糯米糕醇类物质具有植物、蔬菜、柑橘等气味。醇类物质中1-己稀-3-醇和1-辛烯-3醇相对含量较高,具有轻飘朗姆酒和蔬菜菌菇气味,可能对油炸糯米糕的风味有一定贡献,但不能成为油炸糯米糕的特征风味成分。

检测到酯类化合物主要具有香甜水果气味特征,含量较低,但也对糯米糕气味有所影响。烃类化合物包括一些烷烃和烯烃,但因为烃类物质的芳香阈值较高,一般不具有风味活性,推测其对油炸糯米糕的整体风味影响较小。酸类具有刺鼻的酸臭味等令人不悦的气息,但因为含量非常低,对整体风味影响很小。其他两种含量非常低,且也不具备风味活性,对整体的糯米糕风味没有影响。

3 结论

纯糯米制作的油炸糯米糕经过工艺优化后的HS-SPME/GC-MS法测定挥发性风味物质,最佳萃取条件为:1.5 g样品加入到15 mL的顶空进样瓶中,使用DVB/CAR/PDMS(50/30 μm)萃取头,在60 ℃条件下萃取80 min。共测出68种风味化合物,其总峰面积为624714548 mV·s,主要有醛、吡嗪、呋喃、酮、醇、烃、酯和酸类。最主要的是风味成分是不饱和醛类,如反式-2,4-癸二烯醛、反式-2-癸烯醛和2-十一烯醛,吡嗪、呋喃类也提供了很重要的风味,如2,6-二甲基吡嗪、2-乙基吡嗪、2-甲基吡嗪和2-正戊基呋喃。他们构成了油炸糯米糕脂肪、油炸、带有坚果香以及水果香的独特风味。

本研究经过之前的油炸糯米糕制作工艺优化而选用菜籽油,菜籽油也是制作油炸糯米食品的常用油,选用其他油会影响其风味;本文的糯米糕制作未添加任何调味料及添加剂,加入其他调味成分,会更加丰富其风味。除了醛类、吡嗪和呋喃类因其相对含量较多,可以确定为油炸糯米糕风味的最主要组成部分,而其他酮类、酯类等化合物的含量虽然较低,但其阈值也很低,其是否为油炸糯米糕主重要风味成分还需要进一步实验确定。

[1]章清杞,陈志雄.我国糯稻的研究利用概况[J].福建稻麦科技,2000,18(13):53-55.

[2]张国治.油炸食品生产技术[M].北京:化学工业出版社,2010.

[3]张聪,陈德慰.油炸食品风味的研究进展[J].食品安全质量检测学报,2014,5(10):3085-3091.

[4]郭敏,连慧章,闫博文,等.油炸糯米团糕的研制及其微波复热条件研究[J].食品工业科技,2015(5):243-246.

[5]陈瑾,邵冰洁,朱晓昊,等.糯米炸糕中发酵细菌鉴定与优势菌株筛选[J].食品与机械,2016,32(4):33-36,91.

[6]Kim HR,Kim KM,Woo K,et al. Changes in volatile compounds of waxy rice and Gangjeong(a traditional Korean oil-puffed snack)under different steeping conditions[J]. Food Science Biotechnology,2015,24(5):1565-1572.

[7]Xiao Lu,Lee Jihyun,Zhang Gong,et al. HS-SPME GC/MS characterization of volatiles in raw and dry-roasted almonds(Prunusdulcis)[J].Food Chemistry,2014,151:31-39.

[8]Xu Yao,Zhou Xia,Zhang Dayong,et al. Headspace solid-phase microextraction(HS-SPME)coupled with gas chromatography-mass spectrometric(GC-MS)analysis of volatile profiles during the stir-frying process of malt[J]. Analytical Methods,2016(8):1699-1704.

[9]卫生部. GB 50093-2010食品安全国家标准食品中水分的测定[S].北京:中国标准出版社,2010.

[10]卫生部. GB 50095-2010 食品安全国家标准食品中蛋白质的测定[S].北京:中国标准出版社,2010.

[11]卫生部. GB 5009.6-2003 食品安全国家标准食品中脂肪的测定[S].北京:中国标准出版社,2003.

[12]卫生部. GB/T 5009.9-2008 食品安全国家标准食品中淀粉的测定[S].北京:中国标准出版社,2008.

[13]黄岩,张燕萍.双波长测定糯米粉支链淀粉的含量[J].食品科技,2014,39(7):138-141.

[14]钟海燕,黄永辉,龙奇志,等. SPME萃取头对茶油挥发物萃取效果的影响[J].中国粮油学报,2008,23(4):143-148.

[15]张文君,何慧,杨尔宁.SPME-GC-MS法检测油炸藕夹挥发性风味物质[J].食品科学,2012,33(14):228-234.

[16]谢婧,徐莉,张秋云,等.顶空固相微萃取法提取菜籽油挥发性风味成分[J].食品科学.2013,34(12):281-285.

[17]张洁茹. 糯米粉营养特性的研究[D]. 武汉：武汉工业学院,2012.

[18]田怀香.金华火腿风味物质研究及其风味基料的研制[D].无锡:江南大学,2005.

[19]林翔云. 香料香精辞典[M]. 北京:化学工业出版社,2007.

[20]Wam VL,Linssen JPH,Legger A,et al. Identification and olfactometry of French fries flavour extracted at mouth conditions[J].Food Chemistry,2005(90):417-425.

[21]ZHANG Qing,QIN Wen,LIN Derong,et al. The changes in the volatile aldehydes formed during the deep-fat frying process[J]. Journal of Food Science and Technology,2015,52(12):7683-7696.

[22]MullerR,Rappert S. Pyrazines:occurrence,formation and biodegradation[J]. Applied Microbiology and Biotechnology，2010，85(5):1315-1320.

[23]董丽,朱书奎.固相微萃取与气相色谱一质谱法分析烟用香精的香气成分[J]分析实验室,2004(23):22-25.

[24]Perpete P,Collin S. Influence of beer ethanol content on the wort flavour perception[J]. Food Chemistry,2000,71(3):379-385.

OptimizationofHS-SPMEforfriedwaxy-rice-cakesandtheirflavorcompoundsanalysis

WUYi-ming,ZHOUYi-bin*,DINGYuan-yuan,WANGHai-song,XIEJing,YANGLi-ping

(Anhui Agriculture University,Hefei 230000,China)

The fried waxy-rice-cakes were made in laboratory. The headspace solid phase micro-extraction(HS-SPME)condition was decided by single factor experiment and orthogonal array design method,the volatile flavor components were analyzed by gas chromatography-mass spectrometry(GC-MS). The results showed that 1.5 g sample was put into a vial and extracted by a DVB/CAR/PDMS(50/30 μm)fiber. The optimal SPME conditions was at 60 ℃ for 80 min. 68 kinds of compounds were gained,in which including 11 species of hydrocarbon,6 alcohols,20 aldehyde materials,2 acids,9 ketones,5 esters,11 pyrazines,2 furans,and 1 phenol and 1pyrrole. Aldehyde material,pyrazine and ketones were the mainly components,the relative contents were 68.71%,8.36% and 7.63% respectively.

fried waxy-rice-cake;volatile flavor components;headspace solid phase micro-extraction;gas chromatography-mass spectrometry

2017-01-05

吴亦鸣(1991-)，女，在读硕士研究生，研究方向：农产品加工与贮藏工程，E-mail：1210561600@qq.com。

*通讯作者:周裔彬(1967-)，男，博士，教授，研究方向：食品化学及农产品精深加工，E-mail：zhouyibin@ahau.edu.cn。

国家自然基金(31271960)。

TS207.3

:A

:1002-0306(2017)16-0267-08

10.13386/j.issn1002-0306.2017.16.051