基于感官评价和电子鼻分析不同蒸煮时间荸荠挥发性风味物质

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(1.大连工业大学食品学院,辽宁大连 116034;2.广西果蔬保鲜和深加工研究人才小高地,贺州学院,广西贺州 542899)

荸荠(Heleocharisdulcis),又称马蹄、芍、凫茈、地栗、通天草等,是莎草科荸荠属植物的地下球茎[1-2]。荸荠原产于中国南方和印度,广西是我国最大的荸荠主产区,以桂林市和贺州市种植居多,产量居全国首位[3]。荸荠可鲜食、熟食或供药用,是一种优良的药食同源果蔬。荸荠削皮生食脆甜多汁、生津止渴,烹饪可做成美味佳肴,荤素皆宜[4]。民间常用带皮荸荠煲水服用,对治疗咽喉炎、肝炎、急性肠胃炎以及尿道感染具有良好的疗效[5-6]。荸荠除鲜销外,主要通过熟化加工制成荸荠罐头、果脯、饮料、荸荠糕等产品出口欧美、东南亚等地区,其中,以荸荠罐头产量和出口量最大,出口量占世界荸荠罐头99%以上[3,7-8]。因此,荸荠罐头风味品质控制显得尤为重要。

蒸煮不仅使食物熟化,也可以提升食物风味[9]。风味是评价荸荠的关键指标,将影响消费者的喜好和可接受度[10]。新鲜荸荠削皮后容易发生酶促反应产生黄化物质,主要是圣草酚和柚皮素通过苯丙烷代谢途径生成黄酮类物质所致[11]。因此,荸荠削皮后应立即蒸煮。荸荠蒸煮过程中,糖类、蛋白质和淀粉等前体物质在热的作用下降解产生特殊风味[12]。蒸煮是生产荸荠罐头的一道重要工序,蒸煮时间和温度直接影响荸荠罐头的品质和风味,蒸煮时间过短,果肉过脆,切片易碎且香味较淡;时间过长,质构被破坏,出现红心、黑心现象[13-14]。此外,蒸煮温度过高破坏产品风味,温度过低则灭菌不彻底,易腐烂变质,营养成分和风味均会遭到严重破坏[15-16]。因此,阐明蒸煮时间与风味之间的关系对于提升荸荠罐头风味品质具有重要的现实意义。目前尚未有关于不同蒸煮时间对荸荠罐头挥发性风味物质影响的文献报道。

目前,食品风味的监测常靠感官品评来鉴别。但感官评价容易受评价者的感情色彩、情绪和心理状况的影响,存在一定的偏差[17]。电子鼻作为一种模拟人类嗅觉感官的检测技术,具有与人类嗅觉感官相关性好的优点,且操作方便、速度快、重复性好、客观性强,在挥发性风味物质分析中应用广泛[18]。本文以广西特色农产品荸荠为研究对象,在感官评价的基础上确定最佳蒸煮时间,利用电子鼻快速检测技术对荸荠罐头挥发性风味物质进行检测分析,旨在为荸荠罐头加工风味监控提供指导,同时为人们客观评价荸荠挥发性风味物质和合理选择烹饪方式提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

荸荠 产自广西贺州,挑选新鲜、无腐烂、无病虫害、大小均匀者为实验材料。

德国PEN3型电子鼻 北京盈盛恒泰科技有限公司;C21-RT2170多功能电磁炉 广东美的生活制造有限公司;AQT-1500分析天平 艾德姆衡器武汉有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 样品制备

1.2.1.1 蒸制方法 a.削皮蒸制:将新鲜荸荠削皮后,选取单个质量为(25.00±2.00) g,使用普通蒸锅和电磁炉进行蒸制,电磁炉输出功率为800 W,水沸腾后放入蒸锅并计时,在不直接与水接触的前提下,分别蒸制0、10、15、20、25、30 min。

b.带皮蒸制:将新鲜荸荠洗净后,选取单个质量为(30.00±2.00) g,使用普通蒸锅和电磁炉进行蒸制,电磁炉输出功率为800 W,水沸腾后放入蒸锅并开始计时,在不直接与水接触的前提下,分别蒸制0、20、25、30、35、40 min。

1.2.1.2 煮制方法 a.削皮煮制:将新鲜荸荠削皮后,选取单个质量为(25.00±2.00) g,使用普通蒸锅和电磁炉进行煮制,电磁炉输出功率为800 W,水沸腾后直接放入水中浸没并开始计时,分别煮制0、10、15、20、25、30 min。

b.带皮煮制:将新鲜荸荠洗净后,选取单个质量为(30.00±2.00) g,使用普通蒸锅和电磁炉进行煮制,电磁炉输出功率为800 W,水沸腾后直接放入水中浸没并开始计时,分别煮制0、20、25、30、35、40 min。

1.2.2 感官评价 参考“GB/T 13212-1991 清水荸荠罐头”[19],制定具体评分标准。组织10名食品专业的老师和学生组成评定小组,对蒸煮不同时间的荸荠进行感官评分,从气味、色泽、质地、滋味等4个指标进行观察和品评,评分为百分制(感官评价人员在品评过程不得互相沟通与交流,否则会影响结果判断,造成误差)。统计结果,去掉最低分与最高分,结果取平均值。感官评价标准见表1。

1.2.3 电子鼻检测 检测时,将蒸煮后的荸荠破碎,准确称取相同质量(7.00 g)于无色无味透明的塑料杯中,附上双层封口膜密封,室温平衡30 min。测试样品共为5组,每组5个平行,载气为洁净空气,传感器流量为400 mL/min,载气流速为400 mL/min,清洗时间为60 s,电子鼻采样间隔1 s,检测时间为120 s。PEN3型电子鼻主要由10种性能不同的金属氧化物传感器阵列组成,可有效分析不同的挥发性物质。各传感器阵列及其性能描述详见表2。

表1 不同蒸煮时间荸荠感官评价指标及分值(分)Table 1 The sensory evaluation index and score of Chinese water chestnut in different steaming and boiling time(score)

表2 PEN3型电子鼻的传感器及其响应挥发性成分Table 2 Sensor and response volatile components of PEN3 e-nose

1.3 数据处理与分析

利用与PEN3型电子鼻配套的WinMuster软件,对第115～119 s内的电子鼻挥发性成分测定数据进行主成分分析(principal component analysis,PCA)、判别函数分析(linear discriminant analysis,LDA);根据样品在119 s时的传感器响应值建立特征雷达图;实验结果数据处理采用Excel 2016软件;每组实验重复5次。

2 结果与分析

2.1 不同蒸煮时间对荸荠感官品质的影响

图1 不同蒸煮时间荸荠外观变化图Fig.1 Appearance changes of Chinese water chestnut in different steaming and boiling time注:A:鲜荸荠;B:削皮蒸20 min;C:削皮煮20 min;D:带皮煮30 min;E:带皮蒸30 min。

由表3和图1可知:鲜荸荠的感官评价总分为60分,明显低于大部分削皮蒸制、煮制和带皮蒸制、煮制的荸荠,主要是荸荠在蒸煮过程中生成了特殊的风味物质,产生了荸荠特有的清香味,而且使荸荠更甜、更爽口、更有弹性。

削皮蒸制、煮制20 min时荸荠的感官评价总分最高,分别为86分、83分,表明削皮蒸制感官品质优于削皮煮制。这可能是因为蒸制是以水蒸气作为传热媒介,且荸荠与水蒸气基本处于密闭空间中,其风味物质损失少,肉质饱满,色泽均一,口感香甜爽口。煮制的荸荠由于浸泡于沸水中,部分香气和糖类物质流失到水中,故煮制的荸荠甜味、肉质、颜色和香味略差于蒸制。但总体来说,削皮蒸制、煮制20 min时荸荠香味较为浓郁,颜色为淡黄色且色泽均匀,脆度适中,咀嚼时清甜爽口。荸荠蒸制、煮制前面10～15 min荸荠香味和滋味稍逊于20 min,荸荠蒸制、煮制10 min都尚有白芯,质地较脆,尚未完全熟化,各方面评分较低。15 min时荸荠香味和甜味明显上升,但是总体感官评分稍低于20 min;25 min后,荸荠香味和甜味强度逐渐下降,其中削皮煮制有明显的水煮味,口感不佳。

表3 不同蒸煮时间对荸荠感官品质的影响(分)Table 3 Effects of different steaming and boiling time on sensory quality of Chinese water chestnut(score)

带皮蒸制、煮制30 min所得荸荠感官品质评分最高,分别为90分、88分,表明带皮蒸煮的荸荠总体感官品质明显优于削皮蒸煮,荸荠皮具有一定保留荸荠香味和甜味的作用。此外,荸荠皮中的活性物质如黄酮、多酚转移到果肉里,且果胶物质降解、细胞与细胞壁分离[14,20],直接徒手也可将荸荠皮剥掉(如图1)。因此,带皮蒸制、煮制可提升荸荠的风味。带皮蒸制、煮制20～30 min时间范围内,评分随时间的延长而升高,30 min时口感和香味较佳;35 min后评分降低,因为荸荠清香味和甜味变淡,其中煮制还有明显的水煮味,口感和香味略逊于蒸制。总体来说,荸荠带皮蒸制、煮制30 min时果肉颜色为均匀肉黄色,硬度适中,无白心,口感香甜适口,此时荸荠总体感官品质最好。

综上,削皮蒸制、煮制最佳时间为20 min;带皮蒸制、煮制最佳时间为30 min。带皮蒸煮感官品质优于削皮蒸煮,且蒸制感官品质优于煮制。

2.2 电子鼻数据与分析

2.2.1 电子鼻传感器对不同蒸煮时间荸荠的响应雷达图分析 PEN3型电子鼻共有10个金属氧化物传感器,不同性能的传感器对不同浓度气体敏感程度不同,这与气味的属性和含量呈正相关[21-22]。当样品的气味与传感器接触时,相对电导率的比值(G/G0)随响应气体浓度发生变化,当响应气体浓度大,G/G0>1;当响应气体浓度低于检测限或没有响应气体,G/G0≤1[23-24]。由图2可知,电子鼻的10个传感器对不同蒸煮时间荸荠挥发性风味物质均有响应,且不同传感器的响应强度各不相同,表明利用PEN3型电子鼻系统区分不同蒸煮时间荸荠具有一定的可行性。随着蒸煮时间的延长,雷达图的外形轮廓和面积也逐渐发生了变化,说明不同加工方式荸荠挥发性物质的组成也发生了变化。其中,传感器S7、S6、S9、S2的相对电阻率(G/G0)响应强度较其他6个传感器更高,由表2可知硫化物、甲基类、芳香成分、有机硫化物以及氮氧化物等挥发性成分含量较高。

由图2A～D可知,四组荸荠蒸煮后挥发性风味物质响应轮廓和变化趋势基本一致,说明四组荸荠挥发性物质的组成及随蒸煮时间的变化情况基本相似,主体风味物质相近;但也存在一定的差异,主要体现在S6、S7、S2、S9传感器上。其中,削皮蒸制、煮制响应的最强传感器为S7(对硫化物灵敏),其次为传感器S6(对甲基类灵敏)、S9(对芳香成分、有机硫化物灵敏)、S2(对氮氧化物灵敏),表明削皮蒸制、煮制荸荠挥发性风味物质主要为硫化物,这应该与荸荠特有的清香味密切相关,可能属于具有浓郁水果味的缩硫醛酮类香料化合物[25];其次是甲基类、芳香成分、有机硫化物、氮氧化物。削皮蒸制15～20 min在传感器S7上响应值变化最大,且20与25 min传感器S7完全重合,说明削皮蒸制20 min时荸荠香气较浓郁,这与感官评价结果吻合。削皮煮制0～20 min传感器S7的响应信号先增大后减小,且15与25 min在传感器S7上重合,说明煮制15 min荸荠挥发性风味物质浓度较高,结合感官评价知煮制15 min荸荠滋味和甜味略差于20 min,造成这种差异可能是在测感官评价过程中品评员更注重滋味的感受,而电子鼻检测的是挥发性风味成分,导致检测结果存在一定差异。削皮煮制从25～30 min虽然响应值都是增大的,但是此时荸荠水煮味都较浓。因此,削皮煮制的最佳时间为20 min。

图2 不同蒸煮时间荸荠挥发性风味响应雷达图Fig.2 Radar diagram of Chinese water chestnut volatile flavored substances in different steaming and boiling time注:A为荸荠削皮蒸制、B为荸荠削皮煮制、C为荸荠带皮蒸制、D为荸荠带皮煮制。图3、图4同。

带皮蒸制、煮制响应值最强的是传感器S7(对硫化物灵敏),其次是传感器S9(对芳香成分、有机硫化物灵敏)、S6(对甲基类灵敏)、S2(对氮氧化物灵敏),表明荸荠带皮蒸煮与削皮蒸煮的主体风味物质一致,只是不同蒸煮时间其含量存在明显差异。带皮蒸煮对其风味影响的区别在于,带皮蒸制0～25 min时间范围内,响应值随时间延长而增大,蒸制25与30 min在传感器S7上完全重合,表明二者风味含量较为相似。结合感官评价可知,蒸制25 min时荸荠甜味和口感略差于30 min,35 min后其滋味和甜味变淡。所以,带皮蒸制选择最佳时间为30 min。带皮煮制20与25 min在传感器S7上重合,25～30 min在传感器S7的响应信号急速增大,表明带皮煮制30 min荸荠的挥发性风味物质含量较高,延长煮制时间其响应值随之增加,结合感官评价可知35 min后水煮味较浓,口感不佳。因此,带皮煮制选择最佳时间为30 min。

综上可知,荸荠削皮蒸制、煮制最佳时间为20 min;带皮蒸制、煮制最佳时间均为30 min,与感官评价结果一致。四种加工方式荸荠的挥发性风味物质主要为硫化物，此外还有少量的甲基类化合物、氮氧化物、芳香类化合物和有机硫化合物。由传感器响应值大小可知：带皮蒸煮比削皮蒸煮荸荠挥发性风味更丰富,但后者蒸煮时间更短,从经济和节约时间考虑,建议荸荠罐头加工选择削皮蒸煮20 min为宜。

2.2.2 不同蒸煮时间荸荠挥发性风味物质PCA分析 PCA是根据传感器获取的复杂气味信息通过数学降维及线性变换得到几组两两不相关,却能反映原始样品信息的二维散点图。PCA图中的横、纵坐标分别代表第一主成分(PC1)所占整体信息量的百分比、第二主成分(PC2)所占整体信息量的百分比;所占百分比越大,越能最大限度反映原始样本信息量。一般认为,PC1与PC2之和大于85%,则可以反映原数据的整体特征。PCA分析中,样品在PC1轴上距离越大,说明样品彼此之间差异越大;而两个样品在PC2上即使距离很远,由于PC2所占比例相对较小,其差异也不明显[24,26]。

图3中每个椭圆代表不同蒸煮时间荸荠挥发性风味物质的数据采集点,每个点代表一个样品,点之间的距离代表样品之间特征差异的大小,荸荠样品的5次重复数据点能够很好地构成一个椭圆,表示PCA分析得到的样品的重复性很好。由图3可知,荸荠削皮蒸制挥发性风味物质第一主成分的贡献率为99.64%,第二主成分的贡献率为0.28%,累计贡献率为99.92%;削皮煮制PC1为91.46%,PC2为8.17%,累计贡献率为99.63%;带皮蒸制PC1为99.18%,PC2为0.71%,累计贡献率为99.89%;带皮煮制PC1为99.80%,PC2为0.16%,累计贡献率为99.96%。不同加工方式PC1与PC2累计贡献率均大于99%,表明电子鼻分析不同蒸煮时间的荸荠样品挥发性风味物质可以代表绝大多数样品信息。

图3 不同蒸煮时间荸荠挥发性风味物质PCA分析Fig.3 PCA analysis of Chinese water chestnut volatile flavored substances at different steaming and boiling time

由图3A～3D各椭圆的距离看出,0 min荸荠样品与其他蒸煮后的荸荠样品距离较远,表明它们所含挥发性风味物质差异较大[27]。其中,削皮蒸制20、25 min与煮制15、25 min的荸荠样品在PC1轴上均有重叠,说明它们所含挥发性风味物质较为接近,这与2.2.1传感器响应雷达图结果相符。削皮蒸制、煮制对其风味的影响的区别在于,削皮蒸制0～20 min荸荠挥发性风味物质在PC1轴随时间延长而增加,且15与20 min在PC1轴上气味差异较大,25 min后其风味也是增加的,但结合感官评价可知,25 min后荸荠的甜味和滋味变淡,因此选择20 min为削皮蒸制最佳时间。削皮煮制0～20 min呈先增加后减小,15与20 min在PC1和PC2上距离较远,表明15 min荸荠风味较浓郁,且20 min后也是呈增大的趋势,这与2.2.1传感器响应雷达图结果一致,结合感官评价可知削皮煮制15 min荸荠滋味和甜味稍差于20 min,因此选择20 min为削皮煮制最佳时间。

带皮蒸制0～25 min内,荸荠样品所含挥发性风味物质在PC1方向上随着时间延长而增加,25与30 min的荸荠样品在PC1轴上重叠,表明二者所含挥发性风味物质较为接近,30 min后荸荠所含挥发性风味物质也是增大的,但结合感官分析可知带皮蒸制25和35 min滋味稍差于30 min,因此带皮蒸制最佳时间为30 min。与带皮蒸制不同的是,带皮煮制20与25 min的荸荠样品在PC1方向上重叠,表明两者挥发性风味物质含量相似。带皮煮制25 min后荸荠挥发性风味物质浓度在PC1和PC2方向上均随时间的延长而增加,结合感官评价可知煮制30 min的香味和甜味优于煮制20、25 min的荸荠样品,而35 min后甜味变淡且有明显的水煮味,因此带皮煮制最佳时间为30 min。

综上,四种加工方式的PCA总贡献率均大于99%,无重要信息遗漏,可认为分析结果准确且有效,表明基于感观评价的电子鼻分析对荸荠加工和烹饪更客观准确。

2.2.3 不同蒸煮时间荸荠挥发性风味物质LDA分析 LDA是在PCA的基础上对气味特征值进行归类的一种多指标变量统计学方法,更注重样品彼此之间的分布状态及风味速率变化的分析。根据数据采集点的离散程度可以看出荸荠风味的变化速率,与PCA同时使用可显著提高荸荠样品之间分类准确度及不同时间样品的信息,二者在电子鼻气味检测领域应用非常广泛[26]。

不同蒸煮时间荸荠样品的线性判别分析(LDA)结果(图4)表明:削皮蒸制和煮制的LDA总贡献率分别为96.07%、96.38%,略低于PCA分析。但是LDA分析中,荸荠样品之间离散度较大,可以达到有效区分不同蒸煮时间荸荠样品间分类效果。削皮蒸制、煮制荸荠样品挥发性风味LDA变化规律基本一致。从LDA图中数据采集点的离散度的大小可以判断风味变化速率的大小,离散度越大风味变化速率越大,反之亦然[28]。荸荠挥发性风味变化速率在0～15 min均先增大后减小,15～20 min风味变化速率较大,而20～25 min风味变化速率减小,表明荸荠削皮蒸制、煮制20 min荸荠挥发性风味变化较为剧烈。25～30 min风味变化速率仍增大,但从感官评价可知25 min后荸荠滋味和甜味变淡,且削皮煮制25 min有明显的水煮味。综上,削皮蒸制、煮制20 min荸荠挥发性风味品质较佳。

带皮蒸制、煮制的LDA判别结果:带皮蒸制总贡献率达98.50%、带皮煮制总贡献率达92.41%,贡献率略低于PCA分析。带皮蒸制、煮制0 min的鲜荸荠样品与其它蒸煮时间的荸荠样品有着明显的区别,说明蒸煮后的荸荠挥发性风味物质变化较大。这主要是荸荠中的糖类和蛋白质等前体物质在蒸煮过程中发生了美拉德反应,产生了新的风味物质[28-29]。从图4中样品的离散度可以看出,带皮蒸制0～25 min风味变化速率增大,25与30 min在LD1方向有部分重叠,30～35 min气味变化速率较大。结合感官评价可知,25 min时荸荠未完全熟化,香味和甜味稍差于30 min,且35 min滋味和甜味下降,说明带皮蒸制30 min较为适宜。LDA分析总体结果与2.2.2的PCA分析相似。带皮煮制0～25 min风味变化速率呈现先增大后减小的趋势,20和30 min在LD1轴上数据采集点部分重叠,说明二者风味接近。虽然30 min后风味变化速率随时间延长而变大,但结合感官评价和雷达图可知,35 min时荸荠的水煮味较浓。因此,荸荠带皮煮制最佳时间为30 min。

图4 不同蒸煮时间荸荠挥发性风味物质LDA分析Fig.4 LDA analysis of Chinese water chestnut volatile flavored substances at different steaming and boiling time

四种加工方式LDA分析总贡献率均大于90%,所有重要信息均可被有效分析,可认定该分析结果准确可靠。感官评价与电子鼻响应雷达图、PCA和LDA分析结果相符,说明电子鼻结合感官评价可有效区分不同蒸煮时间荸荠挥发性风味物质。

3 结论

本试验采用感官评价和电子鼻分析研究了不同蒸煮时间荸荠挥发性风味物质。结果表明,荸荠中的糖类和蛋白质等前体物质在蒸煮过程中生成新的风味物质,可产生特有的清香味,而且使荸荠更甜更爽口更有弹性;荸荠挥发性风味物质主要为硫化物,此外还有少量的甲基类、芳香类、氮氧化合物和有机硫类化合物;荸荠削皮蒸制、煮制的最佳时间均为20 min,带皮蒸制、煮制的最佳时间均为30 min;荸荠带皮蒸煮的风味品质明显优于削皮蒸煮,建议日常食用荸荠选择带皮蒸煮30 min;削皮蒸煮时间较短,建议荸荠罐头加工选择削皮煮制20 min。PCA分析累计贡献率均大于99%,表明电子鼻对荸荠挥发性风味物质区分能力较强,涵盖了样品的大部分信息;LDA分析时,LD1和LD2总贡献率均大于90%,略低于PCA分析,同样能较好地区分不同蒸煮时间的荸荠。感官评价与电子鼻响应雷达图、PCA和LDA分析结果相符,基于感观评价的电子鼻分析比单一的感官评价更客观准确。荸荠挥发性风味物质的具体成分分析需进一步结合SPME-GC-MS、GC-O等手段深入研究。