4种方便食品挥发性风味物质与不良因子检测

张晨萍， 王羽桐， 谢建春，* 程 劼， 肖群飞， 王雅欣

(1.北京工商大学 食品质量与安全北京实验室/轻工科学技术学院， 北京 100048;2.中国农业科学院 农业质量标准与检测技术研究所， 北京 100081)

随着经济的发展，生活节奏的加快，人们对方便食品的消费呈增长趋势。目前市面上大多方便食品经过油炸或焙烤工艺制备，油炸和焙烤可产生消费者喜好的风味和感官特性，但同时也会伴随一些有害物质的生成，如丙烯酰胺、多环芳烃、反式脂肪酸、杂环胺等。原料的组分不同及加工工艺不同，食品中的风味物质组成及伴随的不良因子丙烯酰胺、多环芳烃、反式脂肪酸水平不同[1-2]。探究风味物质与不良因子的相关性，可为研究如何改善加工工艺、在加工过程中保持或促进食品的风味特性的同时降低相关有害物质的生成提供参考。

丙烯酰胺是已知的神经毒素，同时还被证实为2A类致癌物。研究显示，丙烯酰胺主要通过美拉德反应形成，当食品焙烤或油炸温度超过120 ℃时，就会产生丙烯酰胺[3-4]。多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs)是一类具有两个或两个以上苯环以稠环形式相连的化合物，广泛分布并能稳定存在于环境和食品中，目前发现的致癌性PAHs及其衍生物已达400余种，美国国家环保局(Environment Protection Agency，EPA)提出有16种多环芳烃需优先控制[5-6]，本研究中检测到的7种多环芳烃均属于EPA推荐需优先控制的PAHs。反式脂肪酸可由顺式脂肪酸加热异构化生成，摄入人体后会阻碍必需脂肪酸在体内的正常代谢，妨碍脂溶性维生素的吸收利用，进而引发肥胖、糖尿病、心脑血管疾病以及心脏病等。虽然已有对油炸焙烤食品中产生的有害物质的报道，但缺少对油炸焙烤食品风味物质和不良因子相关性的剖析。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

1.2 仪器与设备

萃取纤维DVB/CAR/PDMS(2 cm，50/30 μm)，美国Supelco公司；PAL RSI型多功能自动固相微萃取进样器，瑞士CTC Analytics公司；7890A/5975C气相色谱- 质谱联用仪，美国 Agilent 公司。

1.3 实验方法

1.3.1挥发性风味物质的分析方法

样品粉碎后，取3 g放入15 mL固相微萃取瓶中，加入1 μL 1,2-邻二氯苯的二氯甲烷溶液(浓度为66.8 mg/L)内标进行自动固相微萃取操作：样品于100 ℃平衡40 min，于60 ℃顶空吸附60 min。

GC- MS分析条件：进样口温度250 ℃，色谱柱DB- WAX毛细管柱(30 m×250 μm, 0.25 μm)，起始温度40 ℃，保持2 min，以5 ℃/min的速率升至200 ℃，最后以10 ℃/min的速率升至230 ℃；载气为氦气，流速1.0 mL/min。电子轰击离子源(EI)，能量70 eV，离子源温度230 ℃，四级杆温度150 ℃；全扫描模式，质量扫描范围33～400 u；不分流模式进样，解吸3 min。

1.3.2不良因子的分析方法

多环芳烃的分析按照GB 5009.265—2016《食品安全国家标准 食品中多环芳烃的测定》的方法测定。

丙烯酰胺的分析按照GB 5009.204—2014《食品安全国家标准 食品中丙烯酰胺的测定》的方法测定。

反式肪酸的分析按照GB 5009.257—2016《食品安全国家标准 食品中反式脂肪酸的测定》的方法测定。

1.4 数据处理

通过检索NIST 2015数据库及核对保留指数鉴定挥发性风味物质，采用内标相对峰面积法计算挥发性化合物的含量。相关性分析采用偏最小二乘回归(partial least squares regression, PLSR)分析(Simca 14.0软件)。

2 结果与分析

2.1 挥发性风味物质分析

4种方便食品中的挥发性风味化合物分析结果见表1。由表1可知，4种方便食品中共检测出78种挥发性风味化合物，包括18种含氮杂环化合物，11种含氧杂环化合物，15种醛类化合物，11种羧酸类化合物，11种酮类、醇类、酯类化合物，3种烷烃类化合物以及9种其他类化合物。对于油炸薯片而言，含氮杂环化合物含量最高，其次为羧酸类化合物；对于方便面，含量最高的为羧酸类化合物，其次为杂环类化合物；对于麻花和咸味花生米，含量最高的为醛类化合物，其次是含氧杂环化合物。

鉴定出的含氮杂环化合物包括10种吡嗪类化合物、2种吡啶类化合物、3种吡咯类化合物、2种哌啶类化合物、1种噻唑类化合物。含氮杂环化合物气味阈值低，具有特征烤香及坚果香，食品的烤香、坚果香一般与这类化合物密切相关[7]。油炸薯片、油炸方便面面饼、麻花、咸味花生米中检测到的含氮杂环化合物含量范围分别为40.6～52.9 μg/kg、26.5～34.6 μg/kg、22.4～39.6 μg/kg、9.4～11.1 μg/kg，其中油炸薯片最高，Martin等[8]在炸薯片中也检测出较高含量的吡嗪类化合物。

表1 挥发性风味物质分析结果Tab.1 Analysis results of volatile flavor compounds

续表1

续表1

续表1

含氧杂环化合物包括8种呋喃类化合物和3种吡喃类化合物，这些化合物一般具有焦糖香[9]，在油炸薯片、油炸方便面面饼、麻花、咸味花生米中检测到的含氧杂环化合物含量范围分别为28.0～33.1 μg/kg、24.6～30.9 μg/kg、36.3～44.6 μg/kg、26.1～31.4 μg/kg，麻花中含氧杂环化合物含量最高。Murata等[10]提出煎炸、焙烤食品中的含氧杂环化合物形成与美拉德反应中糖的降解反应有关。

醛类化合物风味阈值较低，风味特征明显[11]，检测到的苯乙醛具有玫瑰花香，(E,E)-2,4-癸二烯醛具有炸鸡肉香，己醛具有青草香，壬醛具有柑橘香，苯甲醛具有杏仁味[12]。油炸薯片中醛类化合物含量范围为12.0～18.8 μg/kg、油炸方便面面饼中为20.1～35.0 μg/kg、麻花中为33.4～52.0 μg/kg、咸味花生米中为40.3～54.2 μg/kg。检测到的醛类化合物多数为脂肪醛，4种食品中，以咸味花生米和麻花中醛类化合物含量较高，Liu等[12]在炸麻花中也检测出大量醛类，包括己醛、辛醛、庚醛、十一烯醛、十二烯醛等，Lykomitros等[13]检测焙烤花生中风味物质也是以醛类为主。

油炸薯片、油炸方便面面饼、麻花、咸味花生米中羧酸类化合物含量范围分别为32.7～44.4 μg/kg、48.7～99.1 μg/kg、14.7～36.0 μg/kg、10.0～31.7 μg/kg，油炸方便面面饼中羧酸类含量最高，其次是油炸薯片。4种食品中乙酸、己酸、辛酸、壬酸、十二酸、十四酸含量较丰富，除乙酸外，其他羧酸因沸点高、气味阈值高，对风味贡献小[14]。检测到的酮类、醇类、酯类化合物种类和含量均较少。含量最高的酯类化合物是乙酸己酯，具有果香[15]，仅在油炸薯片和油炸方便面面饼样品中检测到。4种食品中检测到的脂肪烃类化合物的含量范围分别为3.6～8.7 μg/kg、3.1～9.6 μg/kg、0.8～10.0 μg/kg、1.8～7.0 μg/kg。脂肪烃通常具有较高的气味阈值，对风味的贡献很小。其他来源化合物中，γ-松油烯、芳樟醇、丁香烯、4-烯丙基苯甲醚、茴香烯、乙基香兰素、香兰素与使用食品香料有关，2,4-二叔丁基苯酚、叔丁基对苯二酚为抗氧化剂。

2.2 不良因子分析

食品加工过程中食品组分将发生一系列的复杂化学反应，形成特定的感官品质，但同时也伴随生成丙烯酰胺、多环芳烃(PAHs)、反式脂肪酸等有害物质。温度、时间、加工方式等因素以及食品pH值、组分、水分等都会影响丙烯酰胺、PAHs的生成[16]。对4种方便食品中的丙烯酰胺、多环芳烃、反式脂肪酸进行检测，结果见表2。由表2可知，所有样品中均未检出反式脂肪酸。4种方便食品中均检测出丙烯酰胺，油炸薯片、油炸方便面面饼、麻花、咸味花生米中丙烯酰胺含量范围分别为249.8～556.7 μg/kg、121.1～153.3 μg/kg、31.4～201.0 μg/kg、11.5～230.0 μg/kg，油炸薯片的丙烯酰胺含量最高。Mogol等[17]报道油炸薯片中丙烯酰胺含量为580 μg/kg，Yaseen等[18]报道不同油炸温度条件下油炸薯片丙烯酰胺含量在136～2 416 μg/kg。由表1可以看出，油炸薯片中的吡嗪类化合物含量也较高，这可能与吡嗪类化合物和丙烯酰胺均来源于美拉德反应途径有关，尤其是易于形成丙烯酰胺的天冬酰胺在马铃薯中含量高[1,19]。

食品脂质一直被认为是影响多环芳烃形成的重要因素[20]，此外，蛋白质(氨基酸)也是导致PAHs形成的因素之一[21]。研究表明，不同结构的多环芳烃的形成途径具有关联性[22]。多环芳烃的形成中，可以先由两个C5H5自由基反应形成萘，然后再脱氢形成萘自由基，萘自由基和乙炔经过一系列加成和脱氢反应形成PAHs。此外，萘自由基还会与氧反应形成萘氧自由基，再进一步形成苯并环戊烷自由基，然后与C5H5反应形成三个环的菲或蒽等产物[22]，形成机理见图1。

表2 丙烯酰胺、多环芳烃、反式脂肪酸检测结果Tab.2 Detection results of acrylamide, PAHs and trans-fatty acids

图1 PAHs的形成机理Fig.1 Formation mechanism of PAHs

2.3 油炸方便面面饼的风味物质与不良因子的相关性分析

考虑到油炸薯片、咸味花生米、麻花的风味成分复杂或含有加香成分，本研究仅对油炸方便面面饼样品中的风味物质和不良因子进行相关性分析，进一步探究风味物质与丙烯酰胺、多环芳烃间的关联性。由于自变量和因变量数量较多，本研究采用偏最小二乘回归分析(partial least squares regression，PLSR)。PLSR集主成分分析、典型相关性分析和多元线性回归分析3种分析方法的优点于一身，用于建立多因数变量间的统计关系[23]。

利用PLSR对样品的风味物质和不良因子进行分析，以x矩阵为挥发性风味物质、y矩阵为不良因子绘制相关载荷图，结果见图2。

风味化合物编号对应表1。图2 丙烯酰胺、多环芳烃与风味物质的相关载荷Fig.2 Correlation loading of acrylamide, seven PAHs and flavors

PLSR分析结果提取两个主成分，解释80.9%交互变量，图2内椭圆和外椭圆分别解释方差的0.5和1.0，y变量和大部分的x变量都落在两个椭圆之间，表明这些变量能被PLSR模型很好的解释。由图2，丙烯酰胺与吡嗪(编号1,化合物编号对应表1)、甲基吡嗪(编号2)、2,6-二甲基吡嗪(编号4)、2,3-二甲基吡嗪(编号5)、乙烯基吡嗪(编号9)、2-甲基-5-丙基吡嗪(编号17)、糠醇(编号21)、2(5H)-呋喃酮(编号22)、5-甲基糠醛(编号29)呈正相关(P<0.05)，其中吡嗪、甲基吡嗪和2,3-二甲基吡嗪相关系数最大(大于0.75)。如上所述，这与丙烯酰胺和吡嗪类化合物主要来源于美拉德反应途径有关[3]。吡嗪类化合物可由美拉德反应中的α-氨基酮类物质缩合生成[8]，美拉德反应中的α-二羰基化合物与天冬酰胺反应形成丙烯酰胺，同时天冬酰胺-Amadori化合物直接降解也可形成丙烯酰胺[24]。研究表明：通过一定的工艺处理如添加天冬酰胺酶抑制剂能明显降低丙烯酰胺的生成[25]。

由PLSR结果可知，7种多环芳烃与异戊醛(编号30)、己醛(编号31)、壬醛(编号34)、辛酸(编号49)、壬酸(编号50)、癸酸(编号51)、十二酸(编号53)、十四酸(编号54)等醛类、酸类化合物呈正相关(P<0.05)，相关系数均大于0.6，这些化合物中除异戊醛来源于亮氨酸的Strecker降解外，其他化合物均来源于脂质氧化反应，它们与多环芳烃存在相关性，都与油炸过程中的脂质氧化反应有关。有研究显示，通过改变加工方式如加工前进行预热可降低多环芳烃的生成，另添加外源活性成分例如天然抗氧化剂(生育酚、表儿茶酚和芝麻酚)还可阻断其生成[26-27]。本研究中PLSR分析样品风味物质和不良因子相关性，所得相关系数均不高，这可能因为食品加工体系中多个反应共存，不同反应之间具有错综性和交互性，从而使来源于同一反应类型或同一反应途径的化合物之间无法呈现理想的相关性。

3 结 论