ROAV法分析超高压处理对小龙虾仁关键挥发性成分的影响

周蓓蓓,陈小雷,鲍俊杰,胡 王,李正荣

(安徽省农业科学院水产研究所,安徽合肥 230031)

小龙虾学名克氏原螯虾(Procambarus clarkii),又称为淡水小龙虾(Freshwater Crawfish),原产于美国东南部,生长速度快,仅需2～3个月即可成熟达到商品虾规格。目前小龙虾在中国特别是长江中下游地区已经成为重要的淡水经济养殖品种,养殖面积覆盖皖江流域、淮河流域,养殖大省主要为湖北、江苏和安徽。截止2016年,全国小龙虾养殖产量已达到85.2万吨,比2015年增长17.85%,而2016年小龙虾的加工量仅为19.2万吨,比上年增长6%,仅占养殖总量的22.5%[1],而部分发达国家的水产品加工率已达50-70%。

有数据显示,在全国3万亿元的餐饮市场中,小龙虾市场规模已达千亿元。因其烹饪鲜食能够最大限度的保持小龙虾的独特风味,而挥发性成分种类、数量的多样性对食品风味有着重要的贡献,特定挥发性成分对食品整体风味的贡献是由阈值和浓度共同决定,即通常所采用的指标:气味活度值(Qdor Activity Value,OAV)或称香气值(Flavor Unit,FU),表达公式为:OAV=C/T(其中C为挥发性成分的绝对浓度,T为阈值)[2-3]。而实际的挥发性成分往往包含数十种甚至上百种嗅感物质,对其逐一进行定量(绝对浓度)分析工作量大且成本太高,而挥发性成分分析的目的是筛选出若干种对食品风味贡献最大、能够代表食品风味特质的化合物,因此可以采用挥发性成分的相对百分含量代替绝对浓度进行计算[2],基于此,刘登勇等[4]提出了相对气味活度值法(Relative Odor Activity Value,ROAV)对挥发性香气成分进行分析。

超高压技术(ultra-high pressure processing,UHP)是指利用液体介质使食品在100～1000 Mpa的压力下发生酶失活、蛋白质变性、微生物灭活等效应,从而达到杀菌和改性的物理过程[5-7]。超高压处理既可以杀灭食品中微生物又可较大限度的保持食品原有的色泽与风味;对维生素、矿质元素等小分子化合物的共价键无明显影响,能够保持食品原有的营养品质;与传统热加工处理相比超高压对食品质构的破坏较小,能够明显提升食品口感品质[8-10]。

本实验对超高压处理前后的小龙虾仁挥发性成分进行了对比分析,在ROAV法的基础上确定了小龙虾仁的关键风味化合物,并考察了不同的超高压处理方式(施压压力、保压时间、施压温度)对小龙虾仁风味成分的影响,以期为工业化超高压小龙虾产品的工艺选择提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

小龙虾仁冷冻品(使用前4 ℃解冻) 巢湖市大鑫食品有限公司。

HPP600MPa3-5L高静压处理装置系统 包头科发高压科技有限责任公司;7890A/5975C气相色谱-质谱联用仪 美国安捷伦科技有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 小龙虾仁超高压处理的响应面实验设计 小龙虾仁的超高压处理条件采用Box-Behnken响应面(response surface methodology,RSM)进行设计,以关键风味化合物峰面积总和为评价指标,以前期单因素实验结果为基础,自变量因素编码及水平见表1。以未经超高压处理的样品作为空白对比样。

表1 响应面实验设计因素水平表Table 1 Factors and levels in the response surface design

GC-MS挥发性成分对比分析则取6号和18号样品(需要经过对1～17组样品的粗略分析,超高压不同条件下处理的样品其挥发性成分种类及数量有一定的差别,但如果考虑ROAV值,其差别不显著,6号样品基本能够代表超高压处理后挥发性成分的变化),实验重复3次取平均值。

表2 响应面样品设计表Table 2 Sample design of response surface methodology

1.2.2 挥发性风味成分GC-MS测定 样品挥发性成分收集:样品小龙虾仁剪碎至直径约1 mm大小颗粒,用研钵研磨。取4 g样品于20 mL样品瓶中,选用50/30 μm DVB/CAR/PDMS萃取头,90 ℃条件下萃取40 min。

气相色谱条件:DB-5MS弹性石英毛细管柱(60 m×0.32 mm,1 μm);进样口温度250 ℃,解吸5 min;升温程序:初温40 ℃保持2 min,然后以8 ℃/min的速度升温到100 ℃保持2 min,以3 ℃/min的速度升温到到200 ℃保持1 min,然后以15 ℃/min的速度升温到 280 ℃保持10 min;载气为氦气,载气流量为1 mL/min,不分流模式进样。

质谱条件:电子轰击(EI)离子源;电子能量70 eV;离子源温度230 ℃;四极杆温度150 ℃;质量扫描范围m/z 35～400。

数据收集:将得到的18个样品未知挥发性化合物的质谱数据与NIST11.L 标准谱库对照相匹配,取匹配度大于80(最大为100)的化合物予以保留及分析,用于定性;定量分析采用峰面积归一化法计算各成分相对百分含量。

1.2.3 挥发性成分ROAV分析方法 采用刘登勇等[4]提出的ROAV法(相对气味活度值法)对小龙虾仁关键性风味化合物进行分析,首先定义对样品整体香味贡献最大的物质:ROAVs=100,则对其他挥发性化合物ROAV值计算公式如下:

其中:C%i 和Ti分别为各挥发性化合物的相对百分含量和感觉阈值;C%s 和Ts分别为对样品整体风味贡献最大挥发性化合物的相对百分含量和感觉阈值[11]。

显然所有组分的ROAV≤100,本方法认为1≤ROAV≤100的化合物为关键风味化合物,0.1≤ROAV<1的化合物对样品的总体风味具有重要的修饰作用[12]。

1.2.4 关键风味化合物响应面分析 对1.2.1设计的17组样品进行GC-MS分析,取1≤ROAV≤100的成分(关键风味化合物)峰面积总和为Y1,建立Y1与X1(压力)、X2(保压时间)、X3(施压温度)的方程,进行响应面分析3因素对样品风味的影响。

1.3 数据统计分析

本文实验设计及数据处理采用软件Design-Expert.V8.0.6和IBM SPSS Statistics 19进行。

2 结果与分析

2.1 超高压处理样品(6)与空白样(18)GC-MS对比分析

小龙虾仁经过超高压处理样品(6号)与空白样(18号)分别检出48种和54种挥发性成分,其中共同检出的挥发性成分37种,其种类、名称、峰面积、保留时间、阈值、风味特征、相对百分含量、数量等参数见表3和表4。小龙虾仁经过超高压处理之后,原有的一些挥发性化合物消失,包括:肉豆蔻醛、金合欢基乙醛、甲基庚烯酮、环已烷丙醇、叶绿醇、1,3,8-p-孟三烯、邻苯二甲酸二丁酯等;同时出现了一些新的挥发性化合物,包括:7-癸烯-2-酮、2-十一酮等。

表3 超高压处理样品(6)与空白样(18)挥发性成分GC-MS对比分析结果Table 3 The contrast analysis of volatile components from sample 6 and 18

续表

表4 超高压处理样品(6)与空白样(18)挥发性成分数量及相对百分含量Table 4 The quantity and relative percentage of volatile components from sample 6 and 18

醛类化合物通常认为是亚麻酸、亚油酸和花生四烯酸等不饱和脂肪酸在脂肪氧合酶的作用下,形成的氢过氧化物裂解而成,C6-C9醛类一般具有水果、蔬菜类似的清新味道,由于其阈值很低,因此对风味的影响很大[13-15]。经过超高压处理的小龙虾仁由原先的11种醛类物质减少为9种,保留了大部分的醛类物质。

酮类化合物同样是不饱和脂肪酸氧化降解的产物,具有花香、果香、甜香、奶酪香、木香等较为浓郁的芳香[16]。经过超高压处理的小龙虾仁由酮类物质消失了1种,生成了2种新的酮类物质,由6种增加为7种,赋予了产品较为浓郁的芳香。

新鲜的水产品具有柔和、浅淡、令人愉快的清新气味,这种气味通常是由挥发性羰基化合物(醛、酮)和醇类化合物共同引起的[17-18]。经过超高压处理的小龙虾仁原先具有的2种醇类物质消失,说明超高压对新鲜小龙虾的清淡香味有一定的影响。

另有一些烷烃类化合物的消失和出现,C6-C19烷烃一般存在于鱼类和甲壳类的挥发性成分里,而由于其阈值较高,因此对整体风味影响不大[19-20]。

综上所述,在一定的超高压条件下进行处理保留了绝大部分小龙虾原有的风味物质,醛类、酮类、醇类、酯类和烷烃类虽然有一定程度的增减,但总体上变化不大。

2.2 超高压处理样品(6)与空白样(18)关键风味化合物的ROAV分析

6号与18号样品的计算结果见表5。

表5 超高压处理样(6)与空白样(18)的ROAV值Table 5 ROAV value of sample 6 and 18

计算结果表明,超高压处理6号样品的关键风味化合物为:己醛、庚醛、辛醛、壬醛、癸醛、十二醛、2-癸酮、2-十一酮和2-正戊基呋喃等9种;空白(18号)样品的关键风味化合物为:己醛、庚醛、辛醛、壬醛、癸醛、十二醛、2-癸酮和2-正戊基呋喃等8种,比之超高压处理样品缺少2-十一酮。而2-十一酮具有果香、玫瑰香和牛脂香等较为浓郁的芳香气,赋予了超高压小龙虾仁新的风味,根据ROAV计算方法,超高压处理并未损害小龙虾原有的关键风味化合物(a),对小龙虾风味修饰化合物(b)影响不大,并增添了新的风味(a)。

2.3 超高压处理条件对小龙虾风味的影响

取Box-Behnken设计17组不同超高压处理条件的样品9种关键风味化合物峰面积总和为指标Y1,响应面分析3因素 X1(压力)、X2(保压时间)、X3(施压温度)对样品风味的影响。超高压处理对关键风味化合物峰面积总和的影响结果见表6,回归分析结果见表7。

表6 17组样品9种共有关键风味化合物峰面积总和Table 6 Sum of nine key flavor compounds’ peak area of 17 samples in common

表7 以9种共有关键风味化合物峰面积总和为响应值的回归分析结果Table 7 Analysis of variance for sum of nine key flavor compounds’ peak area in common

利用Design-Expert软件对表6数据进行多元回归拟合,得到关键风味化合物峰面积总和(Y1×106)的数学模型为:Y1=36.94-2.05X1-7.12X2-3.84X3-1.75X1X2-0.29X1X3-0.15X2X3+4.29X12+6.20 X22+2.85X32

由表7可以得出,方程Y1模型显著(p=0.0007<0.05),失拟项不显著(p=0.3311>0.05),R2=0.9537,说明此模型拟合程度良好,实验误差较小,可以用于对关键风味化合物峰面积之和进行分析预测。根据回归方程系数显著性检验结果,对于关键风味化合物峰面积之和Y1而言:一次项X2(保压时间,p<0.0001)、X3(施压温度,p=0.0031)影响显著,其他系数项均不显著。

根据响应面分析,各因素间交互作用对挥发性香气成分影响不显著,只需考虑单因素影响效果,数据表明:施压温度越低,保压时间越短,小龙虾仁的关键风味化合物峰面积之和越大,风味保持越好。说明在实际生产过程中,在保持小龙虾产品卫生条件的基础上,应尽量降低保压时间和施压温度。

3 结论

小龙虾仁在一定的超高压条件下(压力500 MPa、保压时间35 min、温度50 ℃)处理前后分别检出挥发性成分48和54种,其中同时检出的挥发性成分有37种,经过超高压处理的小龙虾仁损失了新鲜水产品的一些清淡香味(醇类),同时赋予了新的浓郁香味(酯类),超高压处理对小龙虾的风味影响不大。

经过ROAV计算,经过特定超高压条件处理的小龙虾仁关键风味化合物为:己醛、庚醛、辛醛、壬醛、癸醛、十二醛、2-癸酮、2-十一酮和2-正戊基呋喃等9种,而空白未处理小龙虾仁关键风味化合物为8种(缺少2-十一酮),说明小龙虾仁经过超高压处理具有更为丰富的香味。

响应面回归分析及回归方程系数显著性检验结果表明,保压时间和施压温度对小龙虾仁风味影响显著(呈负相关),应当在工业生产中保证商品品质的基础上,尽量降低保压时间和施压温度,才能获得风味较好的产品,这也与规模化生产节能降耗、控制成本的目标相一致。

[1]张显良. 2017中国渔业统计年鉴[M].北京:中国农业出版社,2017:24,89.

[2]顾赛麒,陶宁萍,吴娜,等. 一种基于ROAV值鉴别蟹类关键特征性风味物的方法[J]. 食品工业科技,2012,33(13):410-416.

[3]夏延斌.食品风味化学[M].北京:化学工业出版社,2008:1-8.

[4]刘登勇,周光宏,徐幸莲. 确定食品关键风味化合物的一种新方法:“ROAV”法[J]. 食品科学,2008,29(7):370-374.

[5]魏静,解新安. 食品超高压杀菌研究进展[J]. 食品工业科技,2009(6):363-367.

[6]杨瑞学. 超高压技术在食品加工领域的应用[J]. 农业工程,2012,2(5):30-36.

[7]彭静,袁龙,卢立新,等. 软包装太湖白虾超高压杀菌效果及动力学研究[J]. 包装与食品机械,2015(3):24-27.

[8]Cruzromero M C,Kerry J P,Kelly A L. Fatty acids,volatile compounds and colour changes in high-pressure-treated oysters(Crassostreagigas)[J]. Innovative Food Science and Emerging Technologies,2008,9(1):54-61.

[9]Oey I,Plancken I V D,Loey A V,et al. Does high pressure processing influence nutritional aspects of plant based food systems[J]. Trends in Food Science and Technology,2008,19(6):300-308.

[10]陈少华,胡志和. 超高压技术生产即食南美白对虾虾仁条件的研究[J]. 食品工业科技,2015,36(9):65-71.

[11]王丹,丹彤,孙天松,等. SPME-GC-MS结合ROAV分析单菌及复配发酵牛乳中关键性风味物质[J]. 食品科学,2017,38(8):145-152.

[12]刘登勇,周光宏,徐幸莲. 金华火腿主体风味成分及其确定方法[J]. 南京农业大学学报,2009,32(2):173-176.

[13]Medina I,Saeed S,Howell N. Enzymatic oxidative activity in sardine(Sardinapilchardus)and herring(Clupeaharengus)during chilling and correlation with quality[J]. European Food Research and Technology,1999,210(1):34-38.

[14]Leduca F,Kondjoyan N,Mercier F,et al. Evolution of volatile odorous compounds during the storage of European seabass(Dicentrarchuslabrax)[J]. Food Chemistry,2012,131(4):1304-1311.

[15]李冬生,李阳,汪超,等. 不同加工方式的武昌鱼鱼肉中挥发性成分分析[J]. 食品工业科技,2014,35(23):49-53.

[16]Chung H Y,Cadwallader K R. Aroma Extract Dilution Analysis of Blue Crab Claw Meat Volatiles[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry,1994,42(12):2867-2870.

[17]章超桦,解万翠. 水产风味化学[M]. 北京:中国轻工业出版社,2012:41.

[18]徐永霞,赵佳美,刘滢,等. 超高压处理对鲈鱼挥发性成分的影响[J]. 中国食品学报,2016,16(8):248-253.

[19]F. Shahidi,李洁,朱国斌,等. 肉制品与水产品的风味[M].北京:中国轻工业出版社,2001:143-164.

[20]徐永霞,刘滢,仪淑敏,等. 大菱鲆鱼体不同部位的挥发性成分分析[J]. 中国食品学报,2014,14(6):236-243.