红薯美拉德反应制备食用烤香香料的工艺优化

许春平,张弛,薛云,王宣静,李天笑,邹琳,吴彦*

(1.郑州轻工业大学 食品与生物工程学院,郑州 450002；2.广西中烟工业有限责任公司技术中心,南宁 530001)

红薯即番薯,属旋花科一年生草本植物。红薯中含有多种人体必需的氨基酸、维生素和钙、铁、磷等矿物质,并且富含膳食纤维和黏液多糖蛋白,具有极高的营养与药用价值[1]。杨金初等[2]以红薯水提物为美拉德反应原料,制备出香味纯正逼真的烤红薯香料。戴魁等[3]研究发现模拟烘烤条件下由红薯制备的香料具有突出的烤红薯特征香气,并在味觉上更加突出了烤红薯的甜味。

食品中还原糖与蛋白质、氨基酸等氨基化合物发生美拉德反应,对食品风味起到重要的作用[4]。徐慢等[5]以谷氨酸和木糖为起始原料,通过美拉德反应制备美拉德反应中间体,从反应物配比、初始反应pH 及真空脱水方法等方面进行了优化,提高了水相中反应中间体转化率,显著提高了桃酥中吡嗪、吡咯的含量,丰富了焙烤香气。张胜男等[6]优化了还原糖种类和用量、氨基酸种类和用量、反应温度、反应时间及pH 值等条件,通过美拉德反应开发可食用产品及配料,提高了海参肠的利用价值。

国内外关于天然植物红薯提取物与焦糖化料液结合美拉德反应制备香料的报道很少,本研究采用美拉德反应制备红薯天然香料,掺配葡萄糖焦糖化料液提质增香。通过Box-Behnken响应曲面法设计比较了加热温度、加热时间、体系初始pH、红薯提取物与葡萄糖焦糖化料液配比对红薯香料品质影响的强弱,以感官评分为依据优化反应条件。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

烟薯25号:购自山西省忻州市繁峙县。

1 mol/L NaOH、二氯甲烷、无水乙醇(AR)：天津市富宇化工有限公司;0.821 1 mg/mL乙酸苯乙酯(色谱纯)：美国Sigma-Aldrich公司;食用葡萄糖：内蒙古阜丰生物科技有限公司;无水碳酸钠、无水硫酸钠(均为分析纯)：天津市大茂化学试剂厂。

Q-100A3高速多功能粉碎机 上海冰都电器有限公司;DGX-9143电热恒温鼓风干燥箱 上海福玛实验设备有限公司;TGL-16M 离心机 上海卢湘仪离心机仪器有限公司;DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器 上海湃澜仪器有限公司;SHZ-D(Ⅲ)循环水式多用真空泵 河南省予华仪器有限公司;Ultra-3400紫外可见分光光度计 深圳市华伦康盛科技有限公司;NR200色差仪 广州市鸿靖实验设备有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 红薯提取物的制备

参考杨金初等[7]的方法制备红薯提取物。将干红薯切成1 cm3,置于高速粉碎机中粉碎,然后过20目筛,准确称取200 g红薯粉,加入4 000 mL水,用集热式恒温加热磁力搅拌器在60 ℃下搅拌6 h后以4 000 r/min的转速离心20 min,在滤渣中加入2 000 mL水继续在60 ℃下搅拌2 h后离心,合并两次搅拌后的滤液,在体系压力95 kPa、水浴温度50 ℃的条件下旋转蒸发得到红薯提取物。

1.2.2 葡萄糖焦糖化料液的制备

参考朱远洋等[8]的方法制备葡萄糖焦糖化料液。准确称取100 g无水葡萄糖,加入20%糖质量的无水碳酸钠作为反应助剂,加入250 mL水超声搅拌均匀后在160 ℃的油浴锅中加热30 min，制备焦糖化料液。

1.2.3 美拉德反应单因素实验

影响美拉德反应生成特定风味的主要影响因素有反应时间、反应温度、反应pH 等条件[9-10]。设置单因素实验,分别研究反应时间、反应温度、初始pH、红薯提取物与焦糖化料液比值对红薯香料品质的影响。其中,反应时间单因素实验:红薯提取物与葡萄糖焦糖化料液配比为3∶1,pH 为6.0,反应温度为120 ℃,设置反应时间分别为20,40,60,80,100,120 min;反应温度单因素实验:红薯提取物与葡萄糖焦糖化料液配比为3∶1,pH 为6.0,反应时间为40 min,设置反应温度分别为80,90,100,110,120 ℃;反应pH 单因素实验:红薯提取物与葡萄糖焦糖化料液配比为3∶1,反应温度为100 ℃,反应时间为40 min,用1 mol/L 的NaOH 溶液调pH 为5.0,6.0,7.0,8.0,9.0;料液配比单因素实验:反应温度为100 ℃,反应时间为40 min,反应pH 为7.0,红薯提取物与葡萄糖焦糖化料液配比分别为5∶1、4∶1、3∶1、2∶1、1∶1。

1.2.4 褐变程度测定

将各个反应样品稀释1 000倍后使用紫外可见分光光度计测定在420 nm 处的吸光度值,用其表示美拉德反应产物的褐变程度,作为晚期褐变聚合物类黑素形成的指标[11-12]。

1.2.5 颜色参数测定

取1 g样品加入500 mL水溶解后用色差仪测定L*、a*、b*数值。样品的颜色可以通过CIE色度系统中的L*、a*、b*3个颜色参数在三维空间坐标中准确地表示出来。其中L*代表亮度值,其值介于0～100表示由黑色到白色；a*代表红绿度,其值介于-120～120表示由绿色向红色变化；b*代表黄蓝度,其值介于-120～120表示由蓝色向黄色变化[13]。

1.2.6 感官评价

对优化后的美拉德反应制备的红薯香料按照GB/T 14454.2—2008《香料香气评定法》[14]进行感官评价。从薯香、果香、膏香、烘烤香、甜香5个方面进行嗅香评价,每个方面最高分5分,最低分0分,嗅其挥发性香气,分辨其香气特色,评定其类型、风格及典型性的强弱程度,评价结果用雷达图表示。

1.2.7 Box-Behnken响应曲面法设计

在单因素实验的基础上选择对红薯香料有显著影响的因素:反应温度(A)、反应时间(B)、初始pH(C)和红薯与焦糖化料液比例(D)4个因素为考察对象,以感官评分(Y)为考察指标,利用Box-Behnken方法进行实验设计,建立响应面回归模型,各因素和水平表见表1。

表1 红薯香料响应面法设计实验因素和水平Table 1 Factors and levels of experiment design of sweet potato spices by response surface methodology

1.2.8 验证实验

对实验得到的最优水平组合进行实验,以验证结果的准确性。

2 结果与分析

2.1 美拉德反应的单因素实验结果

2.1.1 反应时间的影响

由图1可知,A420数值随着反应时间的延长不断上升,且0～80 min上升趋势较快,说明随着反应时间的延长,反应液中的氨基酸与还原糖不断发生反应,棕色物质不断增加,美拉德反应程度逐渐增大,且0～80 min反应较为剧烈。感官评分随着反应时间的延长先升高后降低,在40 min时最高,超过40 min后逐渐下降,可能是由于棕色物质类黑精产生过量,经环化后生成了一些不良风味的物质[15]。

图1 反应时间对各个样品褐变及感官评分的影响Fig.1 Effect of reaction time on browning and sensory score of each sample

颜色可以作为美拉德反应程度的一个重要且明显的标志[16]。褐变反应带来的颜色变化处于浅黄色和深褐色之间,取决于食物的类型和反应程度[17]。由表2可知，随着反应时间的延长,红薯样品的L*值逐渐减小,说明样品亮度逐渐减小。a*值、b*值逐渐增大且均为正值，代表a*值向红色方向偏移、b*值向黄色方向偏移,说明随着反应时间的延长，美拉德反应生成的类黑精等色素物质含量逐渐增大,导致颜色加深。

表2 不同时间样品L* 、a* 、b* 颜色参数的测量数据Table 2 Measurement data of L* ,a* and b* color parameters of samples at different time

反应时间对美拉德反应有重要影响,反应时间较短，生成的产物较少,随着反应时间的延长，生成的风味物质种类也随之增加[18]。

由图2可知,当反应时间为40 min时,样品的薯香、甜香较突出,样品的果香、膏香都优于其他反应时间样品,感官品质最高。因此，选择40 min为美拉德反应最佳时间。

图2 不同时间样品的嗅香评价雷达图Fig.2 Odor evaluation radar map of samples at different time

2.1.2 反应温度的影响

不同加热温度下样品在波长420 nm 处的吸光度值及感官评分结果见图3。

图3 反应温度对各个样品褐变及感官评分的影响Fig.3 Effect of reaction temperature on browning and sensory score of each sample

由图3可知，A420数值随着反应温度的增加不断上升,说明随着温度的升高,反应速率加快,棕色物质不断增加。感官评分随着反应温度的上升先升高后降低,在100 ℃时最大,超过100 ℃后下降。这是由于温度过低时反应程度不够,生成的香味物质较少。随着温度的增加会使反应速率加快,让香味物质快速积累。但是温度过高也会影响产品的综合评分,当温度过高时反应剧烈,产品色泽较深且杂味增多,焦糊味较重。

由表3可知,随着反应温度的升高,红薯样品的L*值逐渐减小,说明样品亮度逐渐减小。a*值、b*值逐渐增大且均为正值,表示a*值向红色方向偏移、b*值向黄色方向偏移。说明随着反应温度的增加，美拉德反应生成的类黑精等色素物质含量逐渐增大,导致颜色加深。

表3 不同温度样品L*、a*、b*颜色参数的测量数据

反应温度对美拉德反应来说是一个重要的影响因素,温度过高或过低都会影响产品的综合评分。由图4可知,当反应温度为100 ℃时,样品的薯香、甜香、烘烤香较突出,感官品质较好。因此，选择100 ℃为美拉德反应的最佳温度。

图4 不同温度样品的嗅香评价雷达图Fig.4 Odor evaluation radar map of samples at different temperatures

2.1.3 初始pH 的影响

不同初始pH的样品在波长420 nm 处的吸光度值及感官评分结果见图5。

图5 初始pH 对各个样品褐变及感官评分的影响Fig.5 Effect of initial pH value on browning and sensory score of each sample

由图5可知，A420数值随着初始pH 的增加不断上升,感官评分随着初始pH 的增加先升高后降低,在pH 为7.0时最大。初始pH 值过高或过低都会影响产品的整体风味。

由表4可知,随着初始pH 的增大,红薯样品的L*值逐渐减小,说明样品亮度逐渐减小。a*值、b*值逐渐增大且均为正值,表示a*值向红色方向偏移、b*值向黄色方向偏移,导致颜色加深。

表4 不同初始pH 样品L* 、a* 、b* 颜色参数的测量数据Table 4 Measurement data of L* ,a* ,b* color parameters of samples at different initial pH values

pH 对美拉德反应的生成物种类有重要的影响[19]。由图6可知,当初始pH 为7.0时,样品的薯香、膏香、甜香较突出,总体品质最高。因此，选择最佳初始pH为7.0。

图6 不同初始pH 样品的嗅香评价雷达图Fig.6 Odor evaluation radar map of samples at different initial pH values

2.1.4 料液比的影响

不同料液比的样品在波长420 nm 处的吸光度值及感官评分结果见图7。

图7 不同配比对各个样品褐变及感官评分的影响Fig.7 Effect of different ratios of sweet potato to caramelized liquid on browning and sensory score of each sample

由图7可知，A420数值随着红薯提取物比例的增加不断上升,感官评分随着红薯提取物比例的增加先升高后降低,在红薯提取物与焦糖化料液配比为3∶1时最大。

由表5可知,随着料液配比中红薯提取物比例的增加,红薯样品的L*值逐渐减小,说明样品亮度逐渐减小。a*值、b*值逐渐增大且均为正值,表示a*值向红色方向偏移、b*值向黄色方向偏移,颜色逐渐加深，这可能是棕色物质增多造成的。

表5 不同配比样品L* 、a* 、b* 颜色参数的测量数据Table 5 Measurement data of L* ,a* and b* color parameters of samples with different radios

由图8可知,焦糖化料液占比较大时(1∶1),样品的甜香较为突出,红薯提取物占比较大时(5∶1),样品的甜味较弱,在红薯提取物与焦糖化料液配比为3∶1时,各种味道较为均衡,总体评分最高。因此，选择红薯提取物与焦糖化料液配比3∶1为最佳配比。

图8 不同配比样品的嗅香评价雷达图Fig.8 Odor evaluation radar map of samples with different radios of sweet potato to caramelized liquid

2.2 响应面法优化美拉德反应工艺参数

采用Design Expert 10设计实验方案,共设计27个实验点,3个零点实验,实验结果见表6。

表6 Box-Behnken实验设计方案与实验结果Table 6 Box-Behnken experimental design scheme and results

续 表

回归模型各项系数方差分析和显著性检验结果见表7。

表7 回归模型各项系数方差分析和显著性检验结果Table 7 Results of variance analysis and significance test of each coefficient of regression model

续 表

由表7可知，回归模型高度显著(P<0.01);模型的失拟项不显著(P=0.129>0.05),表明模型具有较高的可靠性;回归模型的一次项A、D,二次项A2、B2、C2、D2对结果的影响均达到极显著水平(P<0.01),回归模型的一次项B,交互项BC对结果的影响显著(P<0.05),回归模型的拟合度R2=0.986 1,表明实验所得测定值与理论预测值相关性较好,可有效反映实际的实验值;调整系数RAdj2=0.969 8,说明该拟合模型可合理解释96.98%的响应值变化情况,实验误差系数较小,拟合程度较高。根据F值大小可知,各因素对Y感官评分的影响主次顺序为A>D>B>C,即反应温度>红薯与焦糖化料液比例>反应时间>初始pH，且初始pH 对红薯样品的影响不显著。

响应面图中曲线越弯曲,说明研究因素对结果的影响越大。通过三维图,观察曲面的倾斜度,确定二者对响应值的影响程度,倾斜度越高,坡度越陡,说明二者的交互作用越显著。

反应温度(A)、反应时间(B)、初始pH(C)和红薯与焦糖化料液比例(D)4个因素的两两交互作用对红薯香料感官评分(Y)的影响通过Design Expert 10软件分析,结果见图9。

图9 不同影响因素对红薯香料感官评分的交互作用Fig.9 Interaction effects of different influencing factors on sensory score of sweet potato spices

由响应面图可以看出反应时间和初始pH 之间的交互作用对感官评分的影响情况,二者响应面曲面相对较陡峭,说明因素值变化对响应值影响较大,影响达显著水平(P<0.05)。其余曲面均平缓,表明交互作用对总峰面积的影响弱,无显著性差异(P>0.05)。将感官评分(Y)最大化为优化目标,运用Design Expert 10软件对实验结果进行多元回归拟合分析,并结合实际操作的方便性,将实验最佳工艺参数确定为:反应温度(A)为100 ℃,反应时间(B)为40 min,初始pH(C)为7.0,红薯与焦糖化料液比例(D)为3∶1。在此条件下,进行3次重复性实验,测得实际感官评分平均值为84.6,与预测值84.1较接近,表明该回归模型预测性较好。

2.3 GC-MS分析结果

以0.821 1 mg/mL的乙酸苯乙酯为内标物,进行GC-MS分析后,选取匹配度80%以上的挥发性物质进行分析鉴定。红薯提取物与葡萄糖焦糖化料液比例为3∶1、初始pH为7、在常温下的混合样品(对照)和红薯提取物与葡萄糖焦糖化料液比例为3∶1、初始pH为7在100 ℃下加热40 min的香料样品(最优)的GC-MS结果见表8。

表8 两种红薯香料挥发性物质GC-MS分析结果Table 8 GC-MS analysis results of volatile substances of two kinds of sweet potatoes μg/g

由表8可知,两种不同方法处理的红薯香料共有62种挥发性物质,已鉴定出挥发性物质的种类主要包括酸类、醛类、酮类、醇类、酯类、酚类、烷烃类、烯烃类、胺类、其他等。红薯提取物与葡萄糖焦糖化料液比例为3∶1、初始pH 为7在常温下的混合样品(对照)和最优工艺下的红薯香料样品(最优)中已鉴定出的挥发性物质分别为31,45种。按上述排列的各样品中已鉴定出的挥发性物质总量依次为24.00,95.12 μg/g,结果分析表明在最优工艺下红薯香料样品中鉴定出的挥发性物质种类比对照红薯香料样品多45%,最优工艺下红薯样品比对照红薯样品挥发性物质总量增加下近3倍,其中2-乙酰基吡咯、2-乙酰基呋喃、2-甲基苯并呋喃、7-甲基苯并呋喃等物质为美拉德反应的特征香味物质,多具有坚果、烘烤气息,5-羟甲基糠醛、糠醛、苯乙醛、糠醇、麦芽醇等物质多具有甜香、果香等,对红薯香料的感官品质具有较好的影响。最优工艺下红薯样品挥发性物质的种类和含量都优于对照红薯样品。

续 表

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3 结论

通过Box-Behnken响应曲面法设计比较了反应温度、红薯与焦糖化料液比例、反应时间、初始pH 对制备红薯香料品质影响的强弱,结果表明,反应温度>红薯与焦糖化料液比例>反应时间>初始pH。红薯美拉德反应制备食用香料的最优工艺条件:反应温度100 ℃、红薯提取物与焦糖化料液比例3∶1、反应时间40 min、初始pH 7.0。在此条件下得到的红薯香料感官评分最高,薯香、甜香、烘烤香、果香、膏香都较明显,总体风味较好。通过GC-MS分析鉴定出最优工艺下红薯香料样品中挥发性物质的种类比对照红薯香料样品增加45%,挥发性物质含量增加近3倍。说明红薯提取物与焦糖化料液结合美拉德反应在最优工艺条件下制备香料的方法真实可靠,具有一定可行性，并且该工艺较为简单,设备要求较低,可为天然植物红薯的开发应用提供一定的参考价值。