炒制时间及炒制方式对青稞挥发性风味化合物的影响

张 垚,张文刚,党 斌,*,杨希娟,陈丹硕,郝 静

(1.青海大学农林科学院,青海 西宁 810016;2.青海省农林科学院,青海省青藏高原农产品加工重点实验室,青海 西宁 810016;3.青海华实科技投资管理有限公司,青海省青稞资源综合利用工程技术研究中心,青海 西宁 810016)

青稞(Hordeum vulgare L. var. nudum Hook. f.),属于禾本科大麦属,由于收获时籽粒裸露、外稃颖果分离,又称其为裸大麦[1-2]。青稞作为我国藏区特色的粮食作物和农牧民赖以生存的主要口粮[3],具有耐寒、高产、早熟、适应性广的特性,可在青藏高原高寒、强辐射的极端环境下正常生长成熟,目前主要分布在西藏、青海、甘肃等地区[4]。青稞与一般谷物的主要组成相近,但其营养价值更高,在高寒缺氧且缺少瓜果蔬菜的青藏高原地区,藏族同胞能够得以健康生存,与其具备独特的“三高两低”优势和特有的保健功效密切相关[5-6]。青稞中富含β-葡聚糖、酚类物质、膳食纤维等活性成分,能很好地迎合人民群众“健康饮食”的需求[7-9],所以青稞己经成为功能食品开发的热点之一。目前,市场上青稞食品种类日益增多,包括青稞面条、青稞饼干、青稞麦片、青稞酸奶和青稞谷物饮料等[10-15]。

炒制是重要的食品加工过程,能改进食品的风味、色泽、质地和外观[16-17],糌粑作为青稞传统的一种加工食品,其加工过程是将青稞麦粒炒熟后磨粉,不过筛而制成的炒面,很好地保留了青稞全谷营养特性,具备很高的营养价值,是藏区人民一日三餐传统的主食之一[18-20],青稞糌粑特有的风味经炒制加工处理后产生,炒制过程中这些重要香气物质的形成或增加,是区分青稞原粉和糌粑粉的重要特征之一[21]。目前,青稞糌粑己实现工业化生产,相关研究工作也主要集中在糌粑加工工艺及产品质量控制方面[22-23],对青稞炒制后挥发性风味物质的鉴定和分析报道较少。张文刚等[24]对10 个不同品种青稞炒制后挥发性风味成分进行鉴定研究,筛选出了风味物质含量丰富、较适宜炒制加工的青稞品种。然而,有关青稞炒制加工过程种挥发性物质含量与组成的动态变化及不同处理方式对香气的影响尚待进一步探讨;开展这些方面研究对于青稞糌粑等特色食品生产加工工艺优化及品质控制具有重要意义。

本研究以实验室前期筛选出的肚里黄青稞作为实验材料,采用固相微萃取结合气相色谱-质谱(gas chromatography-mass spectrometry,GC-MS)法分析青稞不同炒制时间和不同炒制方式下主要挥发性风味物质的变化,结合香气分析明确炒制对青稞挥发性成分的影响,为青稞糌粑加工及其他青稞焙炒食品的开发提供一定的理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

肚里黄青稞种质资源由青海省农林科学院作物所提供。

无水乙醇、H2SO4、HCl、石油醚、苯酚、冰醋酸(均为分析纯) 天津市富宇精细化工有限公司;CuSO4、K2SO4、硼酸、NaOH、KOH、柠檬酸钠、茚三酮、三水乙酸钠、柠檬酸、C2H3KO2、醋酸钠、NaCl、二甲基亚砜、硫酸铵、MgCl2·6H2O、氯化锰、磷酸二氢钠(均为分析纯) 烟台市双双化工有限公司;β-葡聚糖试剂盒、总淀粉试剂盒 爱尔兰Megazyme 公司。

1.2 仪器与设备

AL204电子天平 梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司;XL-10B扣压摇摆式小型粉碎机 天津华鑫仪器厂;6CG-80利农牌控温电炒锅 信阳市浉河区利农炒茶机厂;TSQ8000evo气相色谱仪、57330-u固相微萃取器手柄、固相微萃取装置、65 μm DVB/CAR/PDMS萃取头、TSQ8000evo质谱系统 美国Thermo Fisher公司。

1.3 方法

1.3.1 炒制青稞样品基本营养组成测定

水分含量测定:参照GB 5009.3—2010《食品中水分的测定》;灰分含量测定:参照GB 5009.4—2010《食品中灰分的测定》;纤维含量测定:参照GB/T 5009.88—2003《食品中不溶性膳食纤维的测定》;脂肪含量测定:参照GB/T 5009.6—2003《食品中脂肪的测定》;蛋白质含量测定:参照GB 5009.5—2010《食品中蛋白质的测定》;β-葡聚糖含量:采用MIXED-LINKAGEBETA-GLUCAN试剂盒(ZS21-K-BGLU,Ireland)测定;总淀粉含量:采用TOTAL STARCH试剂盒(Megazyme,Ireland)测定;总氨基酸含量测定:参照GB/T 5009.124—2003《食品中氨基酸的测定》。

1.3.2 青稞炒制

取肚里黄青稞原料300 g,等分为6 份,每份50 g。任选5 份清理并清洗干净后于通风处晾晒至干燥,然后用炒锅将青稞于105 ℃条件下分别炒制2、5、8、11 min和13 min,炒制过程中需各加入10 mL水,炒制后的青稞趁热用万能粉碎机粉碎成粒度60 目的青稞粉备用。作为先炒后粉的样品。

最后一份清理并清洗干净后于通风处晾晒至干燥,用万能粉碎机粉碎成粒度60 目的青稞粉用炒锅将其于105 ℃条件下炒制5 min,炒制过程中加10 mL水,炒制完成后备用。作为先粉后炒样品。

1.3.3 肚里黄青稞风味化合物的GC-MS检测

参照Ducki等[25]的方法,并进行改进。准确称取青稞炒制粉2.0 g置于10 mL样品瓶内,将老化好的萃取头(DVB/CAR/PDMS)插入样品瓶中,伸出纤维于上层空气中,60 ℃预热10 min,萃取30 min后,在进样口解吸5 min后用于GC-MS分析,每个样品重复3 次。

GC条件:TG-WAXMS聚乙二醇毛细管柱(30 m×0.32 µm,0.25 µm);进样口温度265 ℃;载气流速1.0 μL/min;程序升温:40 ℃保持2 min,以5 ℃/min升温至120 ℃,保持0 min,最后以12 ℃/min升温至240 ℃,保持10 min。

MS条件:电子电离源;电子能量70 eV;离子温度230 ℃;传输线温度250 ℃;质量扫描范围33～495 u。

1.4 数据处理

GC检测未知化合物进行NIST谱库检索,选择正反匹配度大于80的物质予以确认。采用SPSS 19.0、DPS 7.05、Origin 7.5和Microsoft Excel 2010进行数据分析处理。

2 结果与分析

2.1 炒制时间及方式对青稞基本营养成分的影响

表1 不同炒制时间及方式下青稞的基本营养成分Table 1Nutritional components of stir-fried highland barley

由表1可知,不同时间和方式炒制后青稞水分质量分数在1.59%～14.00%之间,由于在炒制过程中需适量加水,使得水分含量在2 min内呈现上升趋势,但随着炒制时间的延长,水分会出现加热散失,最终呈现逐渐下降趋势;相比之下,先粉后炒加工方式可使水分在炒制过程中急剧降低,从11.66%骤降到1.59%。灰分质量分数为0.20%～0.71%,不同时间和方式炒制后灰分含量总体趋于平缓,炒制时间为5 min时灰分质量分数最低,为0.28%;而不同加工方式使青稞灰分含量增加。纤维质量分数为2.24%～7.27%,炒制2 min时纤维含量降低,可能是炒制初期加水导致青稞中水分含量增加,从而加热使水溶性膳食纤维流失导致,这与Martin-Cabrejas等[26]研究发现高水分烹调可导致水溶性膳食纤维含量降低的结果较为一致,随着炒制时间的延长纤维含量呈现上升趋势,不同炒制方式同样会使纤维含量增加,可能是炒制中高温加剧了物质内部分子的运动从而促进膳食纤维的溶出[27]。脂肪质量分数在2.29%～5.32%之间,不同时间和方式炒制后脂肪含量总体趋于平缓,但相较于原籽粒,不同炒制时间及炒制方式都会使青稞的脂肪含量增加,可能是经炒制加热处理后复合脂肪游离出所致[28],炒制时间为13 min时脂肪质量分数最高为5.32%。β-葡聚糖作为青稞中质量分数较高(2.37%～3.45%)的功能性低聚糖,相较于原籽粒,不同炒制时间及炒制方式都会对青稞中的β-葡聚糖含量造成损失,可能是炒制过程中的湿热处理导致β-葡聚糖分子结构遭到破坏[29],炒制13 min时,β-葡聚糖质量分数达到最低为2.37%。淀粉为青稞中最丰富的物质,加工后质量分数为45.61%～60.01%,含量最高为先粉后炒的方式,最低为炒制13 min,青稞炒制2～11 min时总淀粉含量与原料中相比差异显著(P＜0.05),炒制13 min时,青稞中总淀粉含量显著下降,可能是由于加热部分淀粉降解为糊精或还原糖[30],从而使其含量降低。蛋白质和氨基酸作为青稞主要营养成分之一,炒制后蛋白质质量分数为10.31%～11.79%,总氨基酸质量分数为5.16%～6.53%,炒制后青稞中蛋白质含量随着炒制时间的延长呈现上升趋势,但其含量均低于青稞原籽粒中蛋白质含量,且总氨基酸含量呈现显著降低趋势(P＜0.05),说明炒制会使肚里黄青稞中蛋白质和氨基酸发生部分损失,其原因可能是长时间热处理导致青稞中蛋白质或游离氨基酸发生美拉德反应及Strecker降解反应[31],且氨基酸作为形成炒制特征风味重要的前体物质之一,加热过程中由于其参与青稞香气生成反应从而其含量出现显著下降趋势(P＜0.05),这与邵亮亮等[32]就炒制对山核桃仁营养成分的影响研究中蛋白质与总氨基酸的变化一致。青稞在炒制过程基本营养成分含量的变化,主要是因为炒制过程中青稞中水分变化和热处理导致其部分营养成分降解和相互反应所致。

青稞中的这些主要营养组分共同构成了炒制风味形成的物质基础,是不同炒制时间和方式青稞炒制粉挥发性香气组成与含量差异的初始来源。

2.2 炒制时间及炒制方式对青稞挥发性风味化合物的影响

采用杨希娟[19]优化的青稞糌粑粉的炒制温度和条件,其熟化度能满足青稞糌粑粉的质量要求。如表2所示,未经炒制的青稞生粉共鉴定出14 种挥发性物质,其中醇类25.44%、醛类1.75%、酮类0.57%、酯类8.16%、酸类4.5%、杂环类1.75%,醇类化合物相对含量最高,其次为酯类、酸类、杂环类和酮类,这些香气物质为青稞原籽粒本身具有的挥发性成分,表现为清香、甜香、果香等香气类型。炒制2 min的青稞共鉴定出20 种挥发性物质,其中醇类20.67%、醛类8.64%、酮类0.53%、酯类6.09%、酸类4.82%、杂环类1.97%,醇类化合物相对含量最高,其次是醛类、酯类、酸类、杂环类和酮类,此时,青稞中的脂肪开始在高温炒制后产生热降解反应[33],形成高级醛类,能赋予炒制粉愉快的香气,且其己经开始具备烘烤食品中关键风味物质吡嗪类化合物,可赋予其特有的坚果香、焙烤香。炒制5 min青稞鉴定出41 种挥发性物质,其中醇类6.03%、醛类18.31%、酮类3.16%、酯类2.06%、酸类1.96%、酚类0.59%、杂环类30.41%、烷烃类0.30%,醛类化合物相对含量最高,其次为醇类、酸类、杂环类、酮类、酯类、酚类和烷烃类。炒制8 min的青稞共鉴定出33 种挥发性物质,其中醇类5.62%、醛类14.66%、酮类0.74%、酯类0.99%、酸类1.15%、酚类0.79%、杂环类46.09%、烷烃类0.37%、烯烃类0.70%,杂环类挥发性物质相对含量最高,其次为醛类、醇类、酸类、酚类、酮类、酯类和烷烃类。炒制11 min的青稞共鉴定出34 种挥发性物质,其中醇类5.68%、醛类20.87%、酮类1.54%、酯类0.51%、酸类1.03%、酚类1.14%、杂环类37.61%、烷烃类0.38%,杂环类挥发性物质相对含量最高,其次为醛类、醇类、酮类、酸类、酚类、酯类和烷烃类。炒制13 min的青稞共鉴别出22 种挥发性物质,其中醇类3.55%、醛类21.98%、酯类12.37%、酸类1.32%、酚类2.19%、杂环类27.80%,杂环类挥发性物质相对含量最高,其次为醛类、醇类、酚类、酸类和酯类。先粉后炒制的青稞共鉴定出25 种挥发性物质,其中醇类2.71%、醛类9.24%、酮类0.21%、酯类11.63%、酸类1.91%、酚类0.44%、杂环类16.13%、烷烃类0.37%,杂环类挥发性物质相对含量最高,其次为酯类、醛类、醇类、酸类、酚类和烷烃类。

表2 不同炒制时间和炒制方式下青稞样品的固相微萃取GC-MS分析结果Table 2Results of SPME-GC-MS analysis of volatile flavor compounds in stir-fried highland barley

续表2

采用先粉后炒的方式制得的青稞粉中风味物质种类比传统方式炒制青稞样品少,先粉后炒得到的风味物质共有25 种,而传统方式(炒制5 min青稞)得到的风味物质为41 种。此外,传统方式炒制下风味物质吡嗪类较多,达到30.41%,其中2-乙基-5-甲基吡嗪的相对含量高达2.50%,赋予青稞咖啡香气;酯类中(19S)-17-油酸-19-(乙酰氧基)-2,16二脱氢-20-羟基甲酯的相对含量达到0.93%,两者是青稞炒制后香气构成的重要物质。因此,综合而言选择先炒后粉的传统加工方式作为青稞炒制加工方式较为适宜。

青稞炒制过程中的高温工艺会产生吡嗪类化合物,而作为Maillard反应的中间产物,这些化合物具有强烈的烤香和坚果味香气,是炒制青稞粉特征烘焙风味的主要呈味物质。未炒制的青稞挥发性物质主要有1-己醇、1-辛烯-3-醇、2,3-丁二醇等醇类,(19S)-17-油酸-19-(乙酰氧基)-2,16二脱氢-20-羟基甲酯、[1,1’-二环丙基]-2-辛酸-2’-己基-甲酯、丁内酯等酯类,还含有少量的酸类、酮类和杂环类。随着炒制时间的延长,青稞粉中检测到的挥发性物质越来越丰富,杂环类物质含量迅速增加,种类增多,其中吡嗪类物质种类最为明显,主要包括甲基吡嗪、2,5-二甲基吡嗪、2,3-二甲基吡嗪、2-乙基-6-甲基吡嗪、2-乙基-5-甲基吡嗪、2,6-二乙基吡嗪等。这是青稞经过炒制后产生香气的重要来源,该结果与赵阿丹等[35]、刘莹莹[36]以大米和谷子为原料焙炒所得样品研究结果一致。

图1 炒制时间对青稞炒制样品挥发性化合物种类的影响Fig. 1 Effect of different frying times and methods on volatile compounds of stir-fried highland barley

由图1可知,未炒制和炒制2 min的青稞样品中醇类含量最多,其次为酯类、酸类和酮类。炒制时间在5～13 min间的样品,杂环类含量明显最高,杂环类物质含量和种类则总体随炒制时间延长呈现先增加后减小的趋势,8 min时相对含量最高为46.09%,种类达到15 种。结合表2可知,杂环类化合物中吡嗪类物质最为丰富,主要有甲基吡嗪、2,5-二甲基吡嗪、2,3-二甲基吡嗪、2-乙基-6-甲基吡嗪、2-乙基-5-甲基吡嗪、2,6-二乙基吡嗪等,其保留时间集中在10.45～20.95 min之间,是青稞炒制香气的主要贡献物质。

2.3 青稞炒制后风味成分组成差异

图2 青稞炒制粉挥发性风味物质GC-MS指纹图谱Fig. 2 GC-MS fingerprints of volatile flavor compounds of stir-fried highland barley

由图2可知,炒制样共有峰21 个,分别为醇类:2,3-丁二醇、2-呋喃甲醇;酯类:丁内酯;醛类:糠醛、苯甲醛;酸类:醋酸、4-羟基丁酸、己酸;杂环类:2-戊基呋喃、2,5-二甲基吡嗪、2,6-二甲基吡嗪、乙基吡嗪、2,3-二甲基吡嗪、2-乙基-6-甲基吡嗪、2-乙基-5-甲基吡嗪、2,6-二乙基吡嗪、3-乙基-2,5-二甲基吡嗪、2-乙基-3,5-二甲基吡嗪、3,5-二乙基-2-甲基吡嗪、2-甲氧基苯酚、2-甲氧基-4-乙烯基苯酚。共有组分最丰富的是杂环类挥发性物质(124.36%),其次为醇类(34.37%)和酸类(13.52%),而炒制青稞中最具代表性的香气为杂环化合物中的吡嗪类物质。

2.4 青稞炒制粉的香气系列分析

图3 不同炒制时间及炒制方式青稞香气系列分布Fig. 3 Aroma distribution of stir-fried highland barley

由图3可知,青稞原籽粒基本无炒制香气,主要为水果香、草香、花香和较弱的油脂香。随着炒制时间的延长,青稞香气分布变化较大。炒制2 min时,水果香(23.9)较为突出,其他香气较弱,这主要是由于青稞炒制2 min时其籽粒未完全熟化,因此表现出与原籽粒香气较为一致的结果;炒制5 min时,炒制香气开始突出,以坚果香(30.38)、可可香(28.06)为主,烤香(13.1)、水果香(16.18)、甜香(16.13)、焦香(10.05)偏低,这与在炒制过程中释放的醛类和杂环类物质有关;炒制8 min时,烤香(28.33)、可可香(34.91)、坚果香(29.43)更丰富,甜香(14.04)和焦香(15.57)含量偏低,此时杂环类化合物含量达到最高,这是由于青稞炒制5～8 min时,青稞籽粒熟化度较高,90%以上籽粒出现“爆腰”,可达到青稞糌粑粉生产的质量要求,青稞中水分含量低且各种成分充分反应,因此表现出丰富的香气成分;炒制11 min时,烤香(35.17)、坚果香(29.69)、可可香(28.13)同样较为突出,甜香(22.8)和焦香(22.83)含量有所增加;炒制13 min时,烤香(37.2)较为突出,这是由于青稞炒制11 min后,籽粒开始出现焦糊现象,熟化过度所致。

综上所述,在0、2、5、8、11、13 min六类样品中,炒制5 min时风味物质种类最为丰富(41 种),醇类、醛类、酮类、酸类香气物质相对含量较高,而杂环类化合物在炒制8 min时达到最高,为46.09%,香气表现为以可可香、烤香、坚果香及较少果香为主的典型焙烤香气。因此炒制5～8 min可作为青稞最适炒制时间。这与杨希娟[19]和张文刚[24]等的研究结果较为一致。

2.5 聚类分析

由图4可知,不同炒制时间及炒制方式样品可以分为两大类。第1大类5 个样品最大欧式距离差为10,其中8 min和11 min在最小距离形成聚类,表明二者相似度极高。当欧式距离为3时,8、11 min和5 min样品聚为一小类。第2大类2 个样品的最大欧式距离为2且只包含0 min和2 min 2 个样品,表明0 min和2 min样品之间相似度较高。两大类炒制青稞炒制粉差异较大,在欧式距离为25时才能归为一类。青稞品种一致,而聚类分析差异主要由不同炒制时间与炒制方式不同造成。结合表1可知,吡嗪类、酯类和醇类化合物的相对含量是影响样品聚类的主要因素。

图4 不同炒制时间及炒制方式青稞挥发性风味物质聚类分析Fig. 4 Cluster analysis of volatile compounds in stir-fried highland barley

2.6 主成分分析(principal component analysis,PCA)

图5 不同炒制时间及炒制方式青稞的PCA结果Fig. 5 PCA of volatile flavor compounds in stir-fried highland barley

如图5所示,其中PC1为80.939%,PC2为16.286%,2 个主成分累计方差贡献率为97.225%,可较好地代表样品信息。根据PCA原理,样品在结果图上距离越接近则表示其香气组成和含量相似度越高。6 个炒制样本均分布在图5的右半部,其中青稞原籽粒和炒制2 min均位于右上部,表明这2 个样品相似度很高。炒制5、8、11 min和13 min距离较近,4 个样品间存在较高相似性。由于4 个样品中炒制5 min和13 min距离较近,而炒制8 min和11 min存在一定程度重叠,说明这2 个样品中的特征性风味物质种类与含量相近,因此可分为2 组。该结果与聚类分析(图4)结果具有良好的一致性。

3 结 论

在炒制过程中,青稞含有的挥发性风味物质发生一系列的化学反应,种类与含量发生显著变化。青稞在高温炒制过程中,随时间的延长,水分、脂肪、蛋白质和氨基酸等基本营养组分作为风味化合物的前体物质较原籽粒都发生明显的变化。先粉后炒与先炒后粉2 种不同加工方式得到的挥发性风味物质不同,先粉后炒得到25 种风味物质,而先炒后粉得到41 种,且先粉后炒的方式在加工中不易控制,易造成焦糊等现象,损耗较大,因此选择先炒后粉方式较优。

炒制可使青稞香气更丰富,不同炒制时间青稞挥发性物质由14 种增加到41 种,炒制后样品共有风味物质为21 种。随着炒制时间的变化,挥发性物质种类数和含量不断增大,其中杂环类化合物最为丰富,炒制时间8 min时相对含量最高为46.09%。

炒制前醇类和酯类含量较高,香气类型主要为水果香、草香、花香和较弱的油脂香,而炒制后杂环类和酯类含量较高,香气表现为以可可香、烤香、坚果香及较少果香为主的典型焙烤香气。杂环类中阈值极低的吡嗪类化合物是青稞炒制风味的主要贡献。

聚类分析和PCA表明,炒制8 min和11 min相似度较高,表示它们的香气组成和含量相似度较高,而炒制8 min时杂环类化合物含量最高,炒制以5～8 min为适宜时间。