烘烤和发芽对大麦挥发性风味影响的分析研究

仲梦涵,陆晨浩,王曦如,田 创,邢常瑞,袁 建

(南京财经大学,江苏南京 210023)

大麦是我国主要的谷类作物。大麦还可以称为糯麦、牟麦、饭麦等。一般可将大麦分为皮大麦和裸大麦,裸大麦一般也叫做裸麦、青稞等。我国种植大麦的地区有许多并且资源非常丰富。在世界的粮食作物产量排名中,大麦位于第四,次于小麦、水稻和玉米[1]。大麦的营养价值非常丰富,研究表明大麦中含有质量较高的蛋白质,占8%～14%,还有大约17%的膳食纤维、10%的维生素及少量矿物质元素,当大麦在适宜的温度下吸收一定的水分则会产生麦芽,发芽大麦能够提高大麦本身的营养价值[2]。目前国内外对大麦的研究大多集中在啤酒和饲料方面[3]。Harding等[4]研究表明烘烤大麦中主要有23种挥发性成分,主要的香气成分有吡嗪等。董亮等[5]研究表明,在酿造麦芽中,醛、醇、酮等化合物对酿造麦芽的风味贡献较大,异戊醛、2-甲基丁醛和正己醛含量较高。对于烘烤发芽大麦茶的香气风味研究较少。高温烘烤发芽大麦茶,会产生大量的挥发性风味物质,有助于研究大麦茶的香气成分[3]。大麦茶的香气是决定大麦茶品质的重要影响因素之一,也是形成大麦茶风味特征的重要指标。

本实验通过使用电子鼻和电子舌对烘烤发芽大麦茶进行宏观上的品质鉴定。电子鼻是利用气体传感器阵列的响应图案来识别气味的电子系统,它可以在一段时间内连续地、实时地监测特定位置的气味状况。电子舌是模拟人的舌头对待测样品进行分析、识别和判断,主要用来识别液体的滋味。潘俊娴等[6]通过电子鼻电子舌联用技术对福鼎白茶进行品质分析。

本实验还将使用GC-MS/MS技术进一步从微观上对烘烤发芽大麦茶的风味进行分析。陈兵等[3]采用顶空固相微萃取结合GC-MS技术,研究了发芽大麦茶在不同贮藏温度下,主要风味物质的变化,得出了发芽大麦茶适宜的贮藏条件。范霞等[7]采用SPME/GC-MS技术结合电子鼻对茶叶香气成分进行分析研究。本实验也通过联用技术对不同烘烤发芽天数大麦茶品质进行检测,探讨发芽对大麦茶成品的风味是否具有一定程度上的改变,为改善大麦茶的品质及生产提供一定的科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

大麦 购于2018年新收种子级大麦 来自河南商丘宁陵县。

BEAR智能发芽机 广东小熊电器有限公司;美国安捷伦7890A-5875C气质联用仪;手动SPME进样器、50/30 μm DVB/CAR/PDMS萃取头;低温冰柜 华美冰熊集团;电子天平 赛多利斯科学仪器(北京)有限公司;电热鼓风干燥箱 上海一恒科学仪器有限公司;SCR-301烘焙机;Alpha MOS公司的味觉分析仪-ASTREE电子舌与α-FOX3000电子鼻。

1.2 实验方法

1.2.1 样品的制备 首先选取大麦种子,清洗2～3次,再加入温水,室温条件下浸泡8～10 h。然后,将大麦均匀铺发芽机的培养盘中,置于25 ℃恒温自动发芽机中进行发芽培养,在0、1、2、3 d分别取出适量的大麦。每天取出大麦后放入烘箱干燥(60 ℃,3 h),烘干后取出大麦,将其等量分开,一份作为未烘烤大麦样品,并将另一份剪掉其根部的须,放入烘烤机中烘烤(180 ℃,30 min),之后进行冷却,作为烘烤大麦样品。

1.2.2 样品的前处理 在陈兵[3]的方法上稍作改变,采用顶空固相微萃取。称量8组大麦样品0.50 g装入15 mL萃取瓶中,置于60 ℃恒温水浴锅平衡10 min,插入装有纤维头的手动SPME进样器进行采样吸附45 min,采样完毕立即进入气相色谱仪,在250 ℃解吸3 min,进行GC-MS分析。

1.2.3 色谱条件

1.2.3.1 GC条件 色谱柱:色谱柱:DB-5MS,弹性石英毛细管柱(30 m×0.25 mm,0.250 μm);载气:He;恒流模式:流速1.7 mL·min-1;升温程序:初始温度40 ℃,保持5.0 min;以速率10 ℃/min升温到85 ℃,保持3.0 min;以速率4 ℃/min升温到200 ℃,保持3.0 min;以速率10 ℃/min升温到230 ℃,保持1.0 min。

1.2.3.2 质谱条件 离子源:EI 源,正离子模式;电子能量70 eV,离子源温度:200 ℃;质量扫描范围m/z 35～400;发射电流100 μA,检测电压1.4 kV。

1.2.4 电子鼻的测定 用FOX3000电子鼻,该电子鼻包括了12个传感器,分别为LY2/LG(对氯,氮氧化合物,氧化分子敏感)、LY2/G(对氨,胺,醇类和酮类物质敏感)、LY2/AA(对氨,酮类敏感)、LY2/GH(对氨和胺类物质敏感)、LY2/gCTL(对硫化氢敏感)、LY2/gCT(对丙烷,丁烷,乙醇敏感)、PA/2(对含氮物质敏感)、T70/2(对芳香化合物敏感)、P40/1(对氟里昂,氧化分子敏感)、P10/2(对甲烷,丙烷,脂肪酸敏感)、P10/1(对烃类物质敏感)、T30/1(对有机化合物灵敏,极性化合物,氯化氢物质敏感)。

取8组大麦样品5 g于顶空小瓶中,在35 ℃平衡300 s并产生挥发性物质,挥发性物质以150 mL/min速度进入电子鼻,与传感器接触120 s。每个样品重复3次平行。

1.2.5 电子舌的测定 称取5.00 g 0～3 d烘烤发芽大麦样品,放入100 mL的沸水中冲泡,双层膜密封,放在60 ℃水浴锅静置10 min后过滤成为实验所用茶汤,待茶汤冷却到室温之后进行电子舌数据采集,每个试样数据采集时间为120 s,样品间采用去离子水清洗10 s,采用一个样品间隔一杯去离子水清洗传感器以消除交叉污染,每个样品重复6次平行。

ASTREE电子舌的传感器分别为AHS、CTS、ANS、NMS、SCS,分别对酸味、咸味、甜味、鲜味、苦味灵敏。

1.3 数据处理

本实验对电子鼻、电子舌的数据做出雷达图和采用PCA分析,并用Origin软件作图。

通过总离子流图中得到的色谱峰的质谱信息,经NIST标准质谱库的比对与发表的相关文献期刊的质谱信息进行比较,确定各个化合物所对应的结构。并采用峰面积归一化法进行定量。

2 结果与分析

2.1 基于电子鼻传感器的发芽大麦茶的响应值分析

烘烤发芽大麦和未烘烤发芽大麦的电子鼻雷达图如图1和图2所示。12个坐标轴代表了12个传感器,坐标轴的大小表示传感器的灵敏程度,发芽大麦中某些挥发性气味成分浓度随着响应强度的变化而变化。从图1中可以看出烘烤发芽与未发芽大麦茶的风味区别主要在传感器PA/2、T70/2、P40/1、P10/2、P10/1、T30/1上体现。说明烘烤条件下,发芽大麦相较于未发芽大麦含有更多极性化合物,脂肪酸,芳香族化合物。传感器LY2/GH、LY2/AA、LY2/gCTL响应值有着较小的差别,酮类胺类改变较小,没有很明显的变化。

图1 烘烤发芽大麦的电子鼻雷达图Fig.1 Electronic nose radar of baked malted barley

图2 未烘烤发芽大麦的电子鼻雷达图Fig.2 Electronic nose radar of unbaked malted barley

从图2中可以看出在未烘烤发芽大麦中除了传感器LY2/LG、LY2/gCT响应值较为接近,其他传感器都有较大区别。在传感器PA/2、T70/2、P40/1、P10/2、P10/1、T30/1中,未烘烤条件下发芽大麦相较于未发芽大麦,含有更多的氮类、氟类、氧化分子、甲烷、丙烷、非极性分子、烃类、有机化合物、极性分子、芳香族化合物,在传感器LY2/GH、LY2/AA、LY2/gCTL中,未发芽大麦相较于发芽大麦,含有更多的胺类化合物、碳氧化合物、硫化物。

比较图1和图2,可以得出传感器PA/2、T70/2、P40/1、P10/2、P10/1、T30/1在烘烤发芽大麦中的响应值大于未烘烤发芽大麦的响应值,说明在烘烤发芽大麦相较于未烘烤发芽大麦,含有更多的氮类、氟类、氧化分子、甲烷、丙烷、烃类、有机化合物、极性分子以及芳香族化合物。

2.2 基于电子舌传感器的发芽大麦茶的响应值分析

烘烤发芽大麦茶的电子舌雷达图如图3所示。在烘烤条件下,随着发芽天数的变化,在发芽1 d的时候部分传感器的响应值发生了比较明显的变化。传感器AHS、SCS、NMS、ANS在烘烤发芽0、1 d滋味中的响应值大于烘烤发芽2、3 d的响应值,说明随着烘烤发芽天数增加,其酸味和苦味值、鲜味值、甜味值也随之下降。呈现苦味值是由于茶中的茶多酚和咖啡碱。茶多酚与咖啡碱是影响茶叶香气和茶汤滋味的两大重要因素,邹光宇等得出了茶多酚、咖啡碱含量与茶叶品质呈正相关[8]。其酸味值略高的原因是可能是由于大麦在发芽的过程中出现了发酵的现象,鲜味主要是由于大麦发芽之后氨基酸的含量增大,氨基酸能够呈现鲜味[9]。可溶性糖及一些甜味氨基酸可能是甜味的主要呈味物质,随着发芽天数增加,甜味值有所下降,并且在发芽第一天能够中和茶的苦味。

图3 烘烤发芽大麦茶的电子舌雷达图Fig.3 Electronic tongue radar of baked malted barley tea

2.3 PCA分析

未烘烤发芽大麦和烘烤发芽大麦的电子鼻主成分分析见图4、图5。主成分分析(PCA)主要是对传感器响应值的特征向量矩阵进行数据转换和降维,通过对降维后的特征向量进行线性分类,并将分类结果以散点图的形式直观地展现出来[10]。总贡献率超过85%表明实验方法的可行性[11]。用椭圆将单一样品的散点图信息特征给概括起来,椭圆距离的远近表示了大麦样品之间气味的差异。

图4 未烘烤发芽大麦的电子鼻PCA分析Fig.4 Electronic nose PCA analysis of unroasted sprouted barley

图5 烘烤发芽大麦的电子鼻PCA分析Fig.5 Electronic nose PCA analysis of sprouted barley

从图4中可以看出,在未烘烤条件下发芽0、1、2、3 d的大麦香气在PC1上的贡献率为98.278%,在PC2上的贡献率为1.333%,贡献率之和为99.611%。从图5中可以看出在烘烤条件下的发芽0、1、2、3 d的大麦香气在PC1上的贡献率为97.983%,在PC2上的贡献率为1.878%,贡献率之和为99.861%;说明PCA分析能够有效区分不同发芽天数大麦茶的气味。发芽的大麦茶较为靠近,气味接近,而未发芽的大麦茶与其他三组较远。随着麦芽的生长,气味也会随之变化,发芽的大麦活性物质也在增长但是风味差别不会很大。

烘烤发芽大麦的电子舌主成分分析见图6。得出PC1贡献率为92.615%,PC2贡献率为5.326%,总和为97.9412%。烘烤发芽0 d和烘烤发芽1 d有部分重叠,但是烘烤发芽2 d和3 d能够较好地区分开来,说明后两者与前两者滋味差异较大,因为发芽1 d的芽较短,产生的风味区别改变不明显,而随着发芽天数的增长,在发芽2 d和发芽3 d风味改变较为明显。

图6 烘烤发芽大麦的电子舌PCA分析Fig.6 Electronic tongue PCA analysis of roasted malted barley

2.4 GC-MS/MS对发芽大麦的分析结果

表1所示为GC-MS/MS检测出的8组样品主要的挥发性风味物质。经过NIST标准谱库,在8组样品共鉴定出52种主要的风味化合物,其中醛类13种、杂环类15种、酮类4种、醇类6种、酸类3种、酚类2种、酯类4种、其他5种。8组样品共有的风味物质主要有异香草醛、辛醛、苯甲醛、癸醛、2-戊基呋喃、壬酸等。

表1 未烘烤及烘烤发芽大麦主要香气成分相对含量变化表Table 1 Table of relative contents of main aroma components in unroasted and roasted malted barley

续表

醛类是发芽大麦重要的风味物质成分之一且占含量较多。醛类物质的阈值较低[12],麦芽的风味物质除了由美拉德反应生成以外,许多挥发性物质,如醛等物质是由不饱和脂肪酸的酶降解作用和化学氧化作用而形成的[3]。未烘烤的未发芽大麦与烘烤的未发芽大麦的醛类物质的相对含量分别为51.03%、25.95%,都要高于其他发芽天数,随着发芽天数增加,烘烤发芽大麦醛类的相对含量在发芽第2 d有所提高,这可能是由于发芽第2 d大麦的脂肪含量较高,降解生成醛类。烘烤后的发芽大麦醛类物质相较于未烘烤发芽大麦发生了比较明显的变化,具有清香气味的醛类物质如十三醛、壬醛、己醛消失,而具有烘炒香气的糠醛的相对含量明显增加。且糠醛的相对含量在发芽2 d之后具有明显的上升趋势。糠醛具有甜香、木香、面包香、焦糖香,并有烘烤食品的气味[13]。糠醛在此实验中主要来自于烘烤发芽大麦过程中的美拉德反应及焦糖化反应,并且具有增香以及调色功能[14]。当它不断反应时,会产生许多棕色以及呈香的物质[15]。发芽大麦在烘烤之后癸醛的相对含量也有所提高,它具有甜的、醛香、蜡香、脂肪香,是油酸和亚麻酸的裂解产物。苯甲醛的相对含量在烘烤发芽第1 d时相较于未烘烤和未发芽的大麦有所提高,它具有苦杏仁气味,它能够作为吡嗪类的辅香物质,也是烘烤发芽大麦重要的风味物质。

酮类挥发性化合物花香味、奶油味及果香味,且香味比较持久[16]。据实验表明,酮类化合物的来源一般有两种,一是醇的氧化,二是脂类分解[17]。随着发芽天数的增加,烘烤发芽大麦中酮类物质的相对含量在随之减少。在未烘烤情况下主要检测到了香叶基丙酮和植酮,香叶基丙酮是一种具有木兰香气的香气成分,具有新鲜、清、淡的花香香气,略带玫瑰香味[18],它的相对含量在发芽第3 d达到了4.09%,相较于未发芽大麦的2.38%,相对含量增长了近2倍,所以它对于发芽第3 d的香气成分贡献较大。据查阅文献,张晓珊等[19]、刘玲[20]分别在月光白茶和普洱茶中检测到了植酮的存在,说明植酮在茶中也广泛存在。

酸类物质的相对含量在烘烤发芽第1 d时达到最低为1%。酸类物质会给大麦茶的风味带来一种酸败的味道。油酸是一种单不饱和Omega-9脂肪酸,具有动物油或植物油气味,在高温下下容易氧化、聚合或分解并且无毒,所以在烘烤发芽大麦样品中检测不到油酸。壬酸呈淡的脂肪和椰子香气,可由油酸氧化而得。

杂环类化合物如呋喃类、吡嗪类以及吡啶类化合物,对烘烤发芽大麦茶的香气风味有较大的影响。是烘烤食品挥发性风味物质的主要成分之一。在较高烘焙温度下,斯特勒克降解通常伴随着美拉德反应,此反应除了生成挥发性醛类,以吡嗪为首的挥发性香气物质特别是挥发性的杂环类化合物也来源于此反应[21]。杂环类化合物的相对含量在烘烤之后有了明显的增加,其中烘烤发芽第1 d大麦的相对含量最高为76.27%,比烘烤未发芽大麦增加了46.87%,且新生成了8种香气组分。说明烘烤发芽第1 d大麦进行了较多的和α还原糖和氨基酸的反应，以及羰基化物和醛这两种物质与氨的反应[5]。在未烘烤的条件下,有少量的呋喃类化合物生成,且相对含量随着发芽过程呈现增长趋势,其中2-戊基呋喃是焙烤食品香气之一,呈烘烤香,烘烤之后其相对含量明显增加,且烘烤发芽第1 d大麦最为明显,相比未烘烤未发芽的时候相对含量增长了6.06%。可能是发芽大麦茶加热时发生美拉德反应的产物,2-戊基呋喃对烘烤发芽大麦的香气有重要贡献,这也与陈兵[5]的大麦茶研究实验中的结果相一致。5-甲基呋喃醛又称5-甲基糠醛,能赋予面包焦甜香气,是发芽大麦茶香气成分的重要成分。5-甲基呋喃醛主要来自于烘烤过程中的美拉德反应,有一部分也来自于发芽大麦中5-羟甲基糠醛的热分解。5-甲基呋喃醛在烘烤发芽大麦中的相对含量较高,且在发芽第3 d含量最高,为29.19%。在烘烤发芽大麦中检测到了较多的吡嗪类化合物,且相对集中于发芽第1 d的大麦,吡嗪也是一类重要的烘烤型香气物质,主要产生烘烤香气、坚果香气和烤花生香气,对烘烤发芽第1 d大麦的香气风味起着重要贡献,这与王小平等[22]研究的麸皮茶工艺感官评价相一致。在样品中检测到的吡咯类和吡啶类化合物只有2-丁基吡啶、1H-吡咯-2-甲醛,且只分别出现在一个样品中,虽然这两类已被正是氨基酸-糖模型体系的美拉德反应产物,具有烘炒味,但是很少有报道将它们作为主导香气[23]。

其他类物质中主要有酚类、醇类和酯类。检测到的酚类主要有2-甲氧基-4-乙烯基苯酚和麦芽酚。麦芽酚在烘烤发芽第3 d的大麦样品中含量较高,其具有焦奶油硬糖的特殊香气以及蜜饯的水果香,是一种广泛用于食品中的增香剂。其来源主要是在烘烤过程中还原糖与氨基酸共热反应,通过美拉德反应脱水而成[24]。检测到的醇类主要有香茅醇、糠醇、苯乙醇、2-己基-1-癸醇、3,7,11-三甲基-1-十二烷醇。挥发性醇产生的气味比较柔和[25]。糠醇在烘烤发芽大麦样品中检测到的含量相对较高,它的原料是糠醛,具有甜香、咖啡香等香味,对烘烤发芽大麦茶的香气特征有一定的贡献。在未烘烤大麦样品中检测到苯乙醇,其相对含量逐渐上升,苯乙醇具有蔷薇香气,是一种食用香料,存在于玫瑰油和丁香精油中,能够赋予发芽大麦清香。香茅醇具有新鲜玫瑰等特殊气味和苦味,在烘烤发芽大麦中的含量较少。酯类化合物主要大量存在于发酵产品中,如啤酒等,在发芽大麦以及烘烤的发芽大麦样品检测到酯类可能是由于大麦在发芽过程中有发酵现象。

3 结论

通过GC-MS/MS结合电子鼻电子舌技术对烘烤发芽大麦茶进行风味物质分析,在样品中共检测到了52种主要的挥发性风味物质。烘烤发芽第1 d的大麦的挥发性组分醛类、酮类、酸类的相对含量相较于未发芽大麦有所下降,香气组分杂环类有显著的增加,香气组分比未发芽大麦多出了8种。相较于烘烤未发芽大麦,烘烤发芽第1 d大麦的风味物质含量和种类都具有明显变化。茶多酚与咖啡碱使烘烤发芽第1 d大麦呈较高苦味值,茶多酚、咖啡碱含量与茶叶品质呈正相关。同时,呈味氨基酸也使得烘烤发芽第1 d大麦保持较高鲜味值。烘烤发芽大麦茶的挥发性风味物质相比市场上的烘烤未发芽大麦茶来说要更加丰富,所以烘烤发芽大麦茶具有一定的开发价值。