香气活性值结合气相色谱-嗅闻技术分析辣椒油的关键挥发性风味化合物

余进,曾艳,白艳,张良

(西华大学 食品与生物工程学院,四川 成都,610039)

辣椒油俗称红油,是一种由辣椒粉和多种香辛料经特定工艺油炸而成的复合调味油[1]。辣椒油因具有香味浓郁、色泽红亮和味道鲜辣厚重等特点深受人们喜爱,常用于烹调中国传统菜肴和加工各类麻辣休闲食品[2]。目前关于辣椒油品质和整体风味成分的研究已经有了较多报道,张雪春等[3]研究了熬制温度和时间以及浸提对辣椒油品质的影响,通过响应面法优化出了棕榈油基辣椒油的最佳工艺参数。杨慧等[2]基于感官和气相色谱-离子迁移谱分析了油温对辣椒油风味的影响,感官结果表明不同油温制备的辣椒油香气差异显著,气相离子迁移谱(gas chromatography-ion mobility spectrometry, GC-IMS)分析结果表明,不同油温的辣椒油香气特异性明显。叶梦宇等[4]研究了油温对辣椒油品质的影响,发现辣椒油中关键挥发性成分以低香气阈值的醛类、醇类为主,且含量随着油温的升高而增加,在180 ℃时达到最高值。

顶空固相微萃取-全二维气相色谱-质谱法(headspace solid phase micro extraction-gas chromatography×gas chromatography-mass spectrometry, HS-SPME-GC×GC-MS)是目前国际上比较主流的挥发性有机物检测技术之一,解决了传统一维气相色谱在分离复杂样品时峰容量严重不足的问题,具有简单、速度快、灵敏高的优点。香气活性值(odor activity value, OAV)法结合气相色谱-嗅闻(gas chromatography-olfactometry, GC-O)技术是鉴定食品关键香气物质的常用方法,李扬等[5]使用此法分析乳脂的关键风味化合物,从8种乳脂产品中共检出40种挥发物,相对气味活度值(relative odor activity value, ROAV)法确定关键风味物共17种,GC-O可识别7种关键风味物。赵玉等[6]使用GC-O结合OAV鉴定陇南初榨橄榄油关键香气成分,采用GC-O在3种初榨橄榄油中各筛选出12～15种香气活性成分,OAV分析发现了11～13种关键香气成分(OAV≥1),两者结合,科学筛选出了3种初榨橄榄油的关键香气成分。但是,运用此法在辣椒油关键香气物质方面的研究鲜有报道。

关于制作辣椒油的最佳油温还存在争议,如董道顺等[1]利用感官评定方法测得最佳油温为140 ℃;李昌文[7]利用正交试验和感官评定等方法测得最佳油温为180 ℃;段辉煌[8]的研究则表明油温为230 ℃时滋味评分值达到最大。综上所述,不同油温制作的辣椒油风味各异,能被不同偏好的人群所接受。本次实验发现150、190、230 ℃ 3种油温制作的辣椒油分别具有特殊的脂香味、熟香味和糊香味,将这3种香型的辣椒油作为研究对象有利于更加科学全面地分析出辣椒油的关键风味物质。故本研究采用HS-SPME-GC×GC-MS分析3种辣椒油在挥发性风味化合物组成上的差异,然后采用OAV法和GC-O技术筛选辣椒油的关键风味化合物,旨在进一步明确辣椒油的关键香气成分并为辣椒油产业化发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

二荆条辣椒和灯笼椒,当地香料批发市场,于4 ℃冰箱中密封存放待用;道道全浓香菜籽油,湖南巴陵油脂有限公司;邻二氯苯标准品,美国Sigma公司。

1.2 仪器与设备

GC×GC-MS 2020型全二维气相色谱质谱联用仪(配有NIST数据库),日本岛津公司;ODP3嗅觉检测器,德国Gerstel公司;75 μm CARD PDMS萃取头以及手动固相微萃取进样手柄,美国Supelco公司。

1.3 实验方法

1.3.1 辣椒粉的制备

参照文献[9-10]的方法,采用电热风箱干制辣椒,温度为60 ℃,经数小时烘干至含水量在15%[11],干辣椒经粉碎机粉碎后过18目筛制得辣椒粉[12]。

1.3.2 辣椒油的制备

在预实验基础上,确定二荆条辣椒和灯笼椒的质量比为1∶1,菜籽油与辣椒粉的质量比为4∶1,将菜籽油加热至280 ℃,除烟,在恒温油浴锅中用150、190、230 ℃的油温分别熬制辣椒粉30 s,熬制后迅速放置于冷水浴中冷却至室温,浸提12 h后过滤备用。

1.3.3 辣椒油挥发性风味物质的测定

采用HS-SPME-GC×GC-MS测定[13-14],取5 g辣椒油样品置于20 mL螺口玻璃瓶中,加入1 μL质量浓度为1 mg/mL的邻二氯苯甲醇溶液[15],充分混匀后用聚四氟乙烯衬里的硅橡胶垫密封。60 ℃预热20 min,然后插入75 μm CARD PDMS萃取头,顶空萃取30 min,将萃取头插入进样口解析5 min。

色谱条件[16]:色谱柱:DB-FFAP弹性石英毛细管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)。载气为He,流量1.0 mL/min,不分流,进样口温度230 ℃。升温程序:起始温度50 ℃,保持1 min,以6 ℃/min的升温速度升至220 ℃,保持7 min。

质谱条件:接口温度230 ℃,离子源温度230 ℃,电子能量70 eV,扫描速率0.5 s/scan[11]。

定性与定量分析:通过与软件自带的NIST标准谱库进行数据对比,保留匹配度>800的化合物[17]。根据内标物邻二氯苯的峰面积与浓度的比值,用风味化合物的峰面积换算出化合物的浓度进行半定量分析,计算如公式(1)所示:

(1)

式中:Cx,物质x的含量,mg/kg;Ax和As,分别为物质x与内标物s的峰面积;mx和ms,分别表示用于萃取的样品质量(kg)与内标物质量(mg)。

1.3.4 关键风味化合物的鉴定

1.3.4.1 OAV分析

OAV为风味化合物的浓度与自身的气味阈值的比值,通常用OAV表示呈香物质在香气中起作用的强度[18]。一般认为OAV≥1的化合物对辣椒油的气味轮廓贡献较大,被确定为辣椒油的关键风味化合物[19],而OAV<1的化合物则对辣椒油的风味具有一定的修饰作用,并无实质性贡献。

1.3.4.2 GC-O分析

GC条件与HS-SPME-GC×GC-MS色谱条件相同,组分在色谱柱分离后以1∶1模式分别进入质谱检测器和嗅闻仪。挑选8位经过感官训练的人员(4男4女)进行嗅闻分析[19]。嗅闻人员准确记录感知到的每个流出物的开始和结束时间及香气描述。最终以流出物被嗅闻到的总次数即检测频率(detection frequency, DF)作为量化指标,8位评价人员中有4位及以上人员感知到的香气物质视为关键气味活性物质[19]。

1.3.5 数据处理

以上所有试验均做3次平行并以平均值作为结果。采用SPSS 23进行方差分析,Origin 21绘图。

2 结果与分析

2.1 三种辣椒油HS-SPME-GC×GC-MS分析

采用HS-SPME-GC×GC-MS对不同温度下制作的3种辣椒油的挥发性成分进行对比分析,3种辣椒油共鉴定出108种挥发性成分。其中,醛类30种、醇类15种、酸类9种、酮类15种、酯类9种和30种其他类物质。150、190、230 ℃制作的辣椒油分别检测到82、64及98种挥发性成分,总含量分别为72.00、87.27、120.52 mg/kg(表1)。对每类物质的含量汇总分析发现(图1)辣椒油挥发性物质的总含量随着温度的升高而上升,且均富含醛类、酸类、酯类和酮类物质。从含量上看,醛类物质在各辣椒油中的占比最高且均稳定在46 mg/kg左右,其中以2,4-庚二烯醛、反式-2-癸烯醛、壬醛、2-十一烯醛、反-2-辛烯醛和2-庚烯醛为主导。醛类化合物主要来源于植物油中不饱和脂肪酸的氧化、美拉德反应以及Strecker降解[20];此外,辣椒中醛类物质的迁移也是辣椒油中醛类物质的重要来源。醇类、酮类和其他杂环类物质的含量随着油温的升高而呈现出显著的上升趋势,这2类物质是脂肪氧化的主要产物[20],较高的油温有利于脂肪氧化。酸类和酯类物质含量则是先上升再降低,酸类物质主要来自脂肪的水解以及氧化过程中产生的小分子脂肪酸,酯类物质主要来自醇类和酸类化合物物质之间发生的酯化反应[21],一定温度的煎制为这一系列反应提供了有利条件,同时过高油温又致使酸类和酯类化合物裂解并产生较多杂环化合物,这与季德胜等[22]的研究较为一致。总体来看,本次研究结果与叶梦宇等[4]的研究存在一定差异,其报道醛类、酮类、酯类、酸类、醇类物质在升温过程中相对含量先升高再降低,但是变化幅度较小。本次研究中3种辣椒油醛类物质含量较为稳定,酮类和醇类含量显著上升。推测两次实验中采用的菜籽油品牌、辣椒品种、熬制温度和时间等方面的差异是导致研究结果不一致的重要原因。

图1 不同辣椒油中各类物质总含量分析Fig.1 Analysis of total contents of each group in different samples

表1 三种不同辣椒油HS-SPME-GC×GC-MS分析结果 单位:mg/kg

续表1

2.2 三种辣椒油挥发性成分OAV分析

根据各化合物的香气阈值及其在辣椒油中的浓度,在3种辣椒油中确定了26种在所有或部分样品中OAV≥1的香气物质。由表2可知,150、190、230 ℃制作的辣椒油中分别有19、16和18种OAV≥1的香气成分,3种辣椒油含有12种共同关键风味成分,包含9种醛类和乙酸、1-辛烯-3-酮及2-正戊基呋喃。(E,E)-2,4-庚二烯醛、反式-2-癸烯醛、壬醛、反-2-辛烯醛、正己醛、2,4-癸二烯醛和1-辛烯-3-酮在所有样品种皆具有较高的OAV(OAV>10)。其中,反式-2-癸烯醛和反-2-辛烯醛因具有极低的阈值和较高的浓度,致使其OAV均达到500以上,是辣椒油蘑菇味、鸡肉香气和新鲜黄瓜味、油腻味的主要来源。相比之下,(E,E)-2,4-庚二烯醛、壬醛、正己醛和2,4-癸二烯醛的气味阈值较高,甚至达0.36 mg/kg,但由于其含量较高,同样这些物质对辣椒油的呈香具有重要作用,为辣椒油提供了丰富的脂肪香、坚果味、青草味和鸡肉香味。

表2 挥发性成分的OAV分析Table 2 OAV analysis of aroma compounds

除以上物质外,所有辣椒油中OAV>1的物质还有正辛醛、苯甲醛、戊醛、(Z)-壬-2-烯醛、(Z)-癸-2-烯醛、顺式-4-庚烯醛、苯乙醛、糠醇、正戊醇、反式-2-辛烯-1-醇、正辛醇、乙酸、2-乙基-6-甲基吡嗪和2-正戊基呋喃,它们对辣椒油风味轮廓的贡献不可忽视。HALL等[23]认为辛醛和戊醛是α-亚麻酸主要的次级氧化产物,辛醛具有油脂味和辛辣味[24],戊醛则具有甜美的面包和酒香气味;2-正戊基呋喃具有豆香、果香、泥土香味,1-辛烯-3-酮具有蘑菇和泥土香味,乙酸则为辣椒油提供了酸香。糠醇和2-乙基-6-甲基吡嗪只在230 ℃制作的辣椒油中有检出,且OAV均大于1,是此样品中特有的焦糖面包香和烤土豆香。反式-2-辛烯-1-醇和正辛醇只有在150 ℃的样品中有检出且阈值极低,可认为是此样品的特有风味物质。

2.3 三种辣椒油挥发性成分GC-O分析

通过GC-O分析,从3种辣椒油中各筛选出12种、17种和15种检测频率≥4的挥发性成分,包括9种醛、4种酮、2种酸和1种吡嗪及其他类物质,这些物质被称为香气活性成分。醛类物质普遍具有强烈的气味特征,经GC-O筛选出的9种醛类中有8种为3个样品共有,分别为2-甲基丁醛、糠醛、反式-2-癸烯醛、(E,E)-2,4-庚二烯醛、反式2-庚烯醛、壬醛、苯甲醛和正己醛,评价人员在所有样品中皆可感知到这些物质的特征气味。其中,糠醛主要来自于美拉德反应[24],糠醛和苯甲醛皆具有油性坚果气息;反式-2-癸烯醛和2,4-癸二烯醛则呈现香菇与鸡肉香气,(E,E)-2,4-庚二烯醛、反式2-庚烯醛和壬醛具有油脂的气味特征;羟基丙酮和5-甲基-2-呋喃甲醇具有明显的焦糖味,且在所有样品中都有较高的DF值,对辣椒油焦糖呈香属性的形成至关重要。吡嗪类和醛类中的2-甲基丁醛、已醛等被认为是干辣椒的特征风味物质[25],分别具有烤土豆香气、咖啡和可可香气、青草香气,在煎制过程中迁移至辣椒油中,是辣椒油烘烤香韵和青草香韵的重要贡献者。2,3-二氢-3,5-二羟基-6-甲基-4H-吡喃-4-酮和乙酸是辣椒油主要易挥发的头香成分[12],为辣椒油贡献了独特的清香气和酸香气。正己酸具有令人不愉悦的椰肉油气味,可能对辣椒油的整体风味具有负面作用。

对比表2和表3可知,OAV法和GC-O法筛选出的关键化合物并不完全一致,马士成等[26]和田淑琳等[27]也报道过2种方法所得结果不一致的情况。整个嗅闻过程中以空气为基质,通过评价人员实施感官嗅闻,可能具有些许人为误差;OAV分析绝大多数以载体油脂为基质测定香气阈值,这种不同评测基质会引起两种方式鉴定结果出现不一致的情况[28]。此外,由于未能查询到部分化合物的阈值,不同文献报道的化合物阈值也存在较大差异,所以导致部分化合物OAV有所缺失和误差。综上所述,只有将OAV法和GC-O法合理的结合起来,才是筛选辣椒油关键风味物质的最佳方法。

表3 不同辣椒油GC-O筛选的香气活性化合物(DF≥4)Table 3 Aroma active compounds screened by GC-O of different chilli oils (DF≥4)

由图2可直观看出OAV法和GC-O法各筛选出26和22种关键香气成分,其中有10种是两种鉴定方法共同筛选出的关键成分,包括(E,E)-2,4-庚二烯醛、反式-2-癸烯醛、糠醛、壬醛、反-2-辛烯醛、苯甲醛、2,4-癸二烯醛、正己酸、乙酸、2-乙基-6-甲基吡嗪。这10种共同关键成分拥有较高的含量和较低的阈值而表现出强烈的气味特征,因此具有较高的OAV且均能被评价人员准确感知,可认为它们对辣椒油风味的形成有极其重要的贡献。此外,在非共有成分中,由OAV法筛选出的4种成分[(Z)-壬-2-烯醛、反式-2-辛烯-1-醇、正辛醇、1-辛烯-3-酮]的OAV均在10以上,但在嗅闻过程中可能被其他风味物质所掩盖而未能被嗅闻人员识别;由GC-O法筛选出的4种成分(2-甲基丁醛、羟基丙酮、5-甲基-2-呋喃甲醇、2,3-二氢-3,5-二羟基-6-甲基-4H-吡喃-4-酮)的DF值均可达到最大值(8),但由于部分阈值数据的缺失,未能计算出OAV,它们同样可被认为是辣椒油风味的重要组成部分。

图2 辣椒油关键香气成分的Venn图分析Fig.2 Venn diagram analysis of key aroma components of chilli oil

3 结论

通过HS-SPME-GC×GC-MS检测150、190、230 ℃油温制作的3种辣椒油共得到117种挥发性风味化合物,化合物总含量分别为72.00、87.27、120.52 mg/kg,主要为醛类、酸类、酯类和酮类物质。随着油温的升高,醛类物质总量始终保持在46.00 mg/kg左右,醇类、酮类和其他杂环类物质的含量随着油温的升高而呈现出显著的上升趋势,酸类和酯类物质含量则是先上升再降低。油温对辣椒油风味成分的种类和含量都有较大影响,是影响辣椒油风味的关键因素。OAV法和GC-O法分别筛选出26种和22种关键风味化合物,2种方法结合共同筛选出的10种成分[(E,E)-2,4-庚二烯醛、反式-2-癸烯醛、糠醛、壬醛、反-2-辛烯醛、苯甲醛、2,4-癸二烯醛、正己酸、乙酸、2-乙基-6-甲基吡嗪]对辣椒油特征风味的形成极其重要。除共有的10种成分外,(Z)-壬-2-烯醛、反式-2-辛烯-1-醇、正辛醇和1-辛烯-3-酮在所有样品中的OAV均在10以上;GC-O嗅闻分析中,2-甲基丁醛、羟基丙酮、5-甲基-2-呋喃甲醇和2,3-二氢-3,5-二羟基-6-甲基-4H-吡喃-4-酮的DF值在部分样品中可达最大值(8),两种鉴定方法筛选出的这8种成分对辣椒油风味轮廓的贡献同样不可忽视。综上所述,本研究采用GC-O结合OAV分析,科学筛选出辣椒油38种关键风味化合物,其中18种为极其重要的风味化合物,研究结果可为辣椒油品质改善及产业化技术改进提供科学依据。