炒制工艺对油茶籽油挥发性物质的影响

杨剀舟, 魏 征, 王佳雅, 栾 霞, 薛雅琳, 段章群

(国家粮食和物资储备局科学研究院粮油加工研究所1, 北京 100037) (国家粮食和物资储备局科学研究院粮油质量检验测试中心2, 北京 100037)

油茶(Camelliaoleifera)作为我国特有的木本油料作物,主要分布于我国的南方地区,从油茶籽提取的油茶籽油因其脂肪酸组成与橄榄油相似,尤其是油酸和亚油酸,被誉为“东方橄榄油”[1],油茶籽油含有角鲨烯、生育酚、植物甾醇和多酚等多种功能性活性成分,在降低胆固醇和预防心血管疾病方面具有重要作用[2],尤其是热榨油茶籽油,风味浓郁、独特,在我国备受消费者青睐,逐渐成为菜籽油尤其是橄榄油的直接竞争对手[3]。

油脂挥发性物质的产生途径主要来自于脂质降解反应、美拉德反应和糖热降解或焦糖化反应,而这些反应都与热加工过程密切相关[4]。油茶籽油加工中涉及热加工主要是提取方式和预处理方式。对于提取方式,大量研究表明热榨工艺[5, 6]相比较于冷榨工艺[7, 8]、浸提法[6, 9]如溶剂浸出、水代法、水酶法以及超临界CO2流体萃取和精炼工艺[10],油茶籽油中的挥发性物质种类更多,含量更高,出现大量阈值更低的杂环类化合物,研究相对深入。近年来,国内外学者开始关注预处理方式对油茶籽油风味组分的影响,主要集中在烘烤工艺[11]和炒制工艺[11]上,研究相对较少。林琅[7]发现烘烤油茶籽油特征香气物质主要与醇类、酸类和杂环类化合物有关,烘烤程度不同,酸类物质含量波动较大,醇类化合物整体呈下降趋势,而杂环类挥发性成分含量明显增多; He等[12]发现不加热直接压榨的油茶籽油风味物质以烃类为主,烘烤和蒸汽处理的以醛类和醇类为主,而微波和炒制的以醛类和杂环化合物为主,关键风味物质变化从青草香气到脂香味再到焙烤味。焙烤工艺相比较于炒制工艺在挥发性物质种类和含量上不及后者,同时焙烤工艺一般在实验室烘箱中进行,远不能适应和满足实际生产需求;炒制工艺作为我国传统热榨油茶籽油的主要预处理方式,制备的油脂风味优良独具特色,而目前鲜见研究炒制工艺(温度和时间)对油茶籽油挥发性物质影响的报道。

本研究通过HS-SPME-GC-MS以及感官评价对炒制过程中油茶籽油的挥发性物质进行分析和鉴定,解析挥发性物质的变化规律,明确油茶籽油的关键风味物质,确定最佳炒制工艺,为油茶籽油品质控制以及加工工艺等提参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料与试剂

新鲜油茶籽果,DVB/CAR/PDMS固相萃取头,顶空进样瓶,1,2,3-三氯甲烷甲醇溶液(色谱纯),其他试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

80型炒籽机,120型螺旋榨油机,COMBI-xt PAL气相色谱多功能自动进样器暨样品前处理系统,Agilent 7890A-5975气相色谱质谱联用仪。

1.3 实验方法

1.3.1 油茶籽炒制工艺

炒制时间:将脱蒲后的新鲜油茶籽约25 kg置于80型滚筒炒籽机中,炒锅明火加热至120 ℃开启计时,炒制时间分别为5、10、15、20、25 min,炒籽过程开启搅拌以防止受热不均。

炒制温度:将脱蒲后的新鲜油茶籽约25 kg置于滚筒炒籽机中,将炒锅明火分别加热至80、100、120、160、180 ℃,然后开启计时炒制15 min,炒籽过程开启搅拌以防止受热不均。

炒籽结束后待油茶籽温度降至50～60 ℃左右入榨,采用120型螺杆榨机制备油茶籽油样品,样品密封保存并置于-4 ℃冰箱中冷藏,直至分析时取出。

1.3.2 挥发性物质萃取

具体操作步骤参考Liu等[13]方法。

1.3.3 GC-MS分析

具体操作步骤参考杨剀舟等[14]方法。

1.3.4 感官评价

对不同炒制参数下的油茶籽油样品分别采用评分检验法、简单描述法和三点法进行评价[15]。

表1 茶油气味评分标准

1.3.5 数据处理

挥发性物质的定性[4]:利用随机的NIST 11和Wiley标准库自动检索各组分质谱结果,只有匹配度大于80%的结果才给予报道;同时结合保留时间计算风味物质的保留指数(RI),参考文献报道的RI值进行鉴定。保留指数(RI)计算公式为:

RI=100n+100(tx-tn)/(tn+1-tn)

式中:tx、tn和tn+1分别为被分析组分、碳原子数为n和n+1的正烷烃 (tn

挥发性物质的定量[3]:采用内标法,在样品中加入20 μL质量浓度为1.142 mg/mL 1,2,3-三氯甲烷甲醇溶液作为内标,风味物质的含量为相当于内标物的相对浓度,计算公式为:

化合物相对浓度=化合物峰面积/内标物峰面积×内标物浓度

相对气味活度值计算(ROAV)参考Jia等[2]描述的方法进行计算,具体是风味物质的油脂中浓度/风味物质在油脂中阈值,阈值数据参考先前的文献报道[2, 16-21]。ROAV越大,则该物质对整体风味的影响及贡献越大;本研究将ROAV≥100的风味物质作为表现不同炒制工艺下油茶籽油感官差异的关键挥发性物质[22],同时将出现频率数作为参考依据[22];主成分分析(PCA)采用SIMCA14.1统计分析软件处理。

2 结果与分析

2.1 炒制时间对油茶籽油挥发性物质变化影响

不同炒制时间下油茶籽油挥发性物质含量热图分析如图1所示。炒制温度120 ℃,不同炒制时间(5～25 min)下共鉴定出52种挥发性物质,主要分为氮杂环类、氧杂环类和非杂环类,其中氮杂环类主要包括吡嗪类(3种)和吡咯类(1种),氧杂环类物质主要包括呋喃类(5种)和吡喃类(1种),非杂环类化合物主要包括醛类(14种)、醇类(8种)、酸类(5种)、酯类(3种)、酮类(3种)和烃类(8种)等,主体以醛类、醇类、烃类以及氧杂环类为主。醛类物质中己醛、辛醛、苯乙醛、壬醛和3-甲基丁醛等随炒制时间的增加波动较大,超过15 min含量增加明显,其余含量较低且变化不大;吡嗪类如2-甲基吡嗪、2,5-二甲基吡嗪以及呋喃类如糠醛和糠醇从15 min开始出现,而2-戊基呋喃和二羟基-2(3H)呋喃酮等呋喃类物质从5 min就开始生成;部分醇类如3-甲基-1-丁醇、2-甲基-1-丁醇和戊醇以及部分烃类如庚烷、十五烷和苯乙烯虽然含量很低,但是在整个过程中始终存在。这与况小玲等[9, 12, 23]报道的检测到挥发性物质种类相符,也有研究发现通过微波短时(800 W、10 min)和高温煎炸(150 ℃、15 min)处理制备的油茶籽油中以杂环类、醛类和醇类为主,杂环类的含量与后两者含量一致,同时热风烘烤(120 ℃、120 min)和蒸汽爆破(100 ℃、25 min)处理制备的油茶籽油中以醇类和醛类为主,醇类物质含量是醛类的3～5倍[24]。

不同炒制时间下油茶籽油中各类挥发性物质总量变化如图2所示。随着炒制时间的增加,挥发性物质总量逐渐增加,在20 min后趋于平衡,质量分数从约145 mg/kg油茶籽油增加到约227 mg/kg油茶籽油。醛类仍是油茶籽油主要的挥发性物质,质量分数高达60%～70%,占整体挥发性物质的比重随时间变化不大;氧杂环类是第二大类挥发性组分,随着时间的增加,质量分数逐渐增加,从17%提高到30%;醇类和烃类是第三大类挥发性组分,质量分数为10%左右,随着炒制时间的增加含量变化不大;其余组分如酯类物质,随着炒制时间的增加含量变化不大,而氮杂环类化合物、酮类和酸类随着炒制时间的增加而增加,质量分数均在3%以下。

图1 不同炒制时间下油茶籽油挥发性物质含量热图分析

表2 不同炒制时间油茶籽油挥发性物质相对气味活度值(ROAV)

续表2

图2 不同炒制时间下油茶籽油各类挥发性物质总量变化

不同炒制时间下风味化合物的ROAV如表2所示。风味物质的贡献度除与ROAV相关外,也与加工过程中出现的频率数紧密相关。整体上ROAV>100,出现频数≥3的风味物质共有8种,按照大小顺序(取最大值)分别是3-甲基丁醛(1 037,25 min,麦芽味)、(E)-2-甲基-2-丁酸乙酯(509,5 min,花香味和水果味)、2-甲基丁醛(307,25 min,可可味和杏仁味)、苯乙醛(238,20 min,花香味和蜂蜜味)、己醛(218,10 min,青草味和脂肪味)、二羟基-2(3H)呋喃酮(171,5 min,焦糖味和水果味)、辛醛(156,15 min,脂肪味、肥皂味和青草味)、庚醛(140,5 min,杏仁味),主要以醛类化合物、氧杂环化合物和酯类化合物为主,风味特征以麦芽味、花香味、杏仁味、青草味、焦糖味和脂肪味为主。

图3 不同炒制时间下油茶籽油风味香型ROAV变化

通过汇总不同香型风味物质的ROAV总和,对不同炒制时间下油茶籽油风味香型变化进行研究,结果如图3所示。炒制时间5～25 min下油茶籽油风味香型以麦芽味、水果味、青草味、脂肪味、坚果味、肥皂味、焦糖味为主,辛辣味和焦糊味为辅。随着炒制时间增加,麦芽味、青草味、辛辣味直线增加,在25 min达到最大;脂肪味、焦糖味、水果味和肥皂味逐渐增加在15 min时达到平衡;坚果味则出现先增加后降低的趋势,在20 min时达到最大;焦糊味基本无变化。

综合考虑油脂氧化如大量己醛、庚醛生成和香型变化如辛辣味、糊味出现等因素,选择炒制时间15 min来对炒制温度对油茶籽油挥发性风味物质影响进行研究。

2.2 炒制温度对油茶籽油挥发性物质变化影响

不同炒制温度下油茶籽油挥发性物质含量热图分析如图4所示。炒制时间15 min,不同炒制温度(80～160 ℃)下共鉴定出73种挥发性物质,其中醛类16种,酯类11种、氧杂环类物质10种、烃类10种、氮杂环类物质9种,醇类9种,酸类6种和酮类2种,产生了种类更多且含量更高的氮杂环类化合物、氧杂环类化合物以及酯类化合物,炒制温度相比较炒制时间更能影响油茶籽油的风味特性。

相比较炒制时间,吡嗪类物质种类从3种增加到9种,出现了2-乙基-6-甲基-吡嗪、三甲基吡嗪、2-乙基-5-甲基-吡嗪等乙基取代基的吡嗪类物质,吡嗪类物质整体上从140 ℃开始产生;呋喃类物质相比较炒制时间下种类从6种增加到10种,出现了2-氢-3-羟基-4,4-二甲基-2(3H)呋喃酮、2,5-二甲基-4-羟基-3(2H)-呋喃酮、二羟基-5-戊基-2(3H)-呋喃酮等物质,2-戊基呋喃和二羟基-2(3H)呋喃酮从80 ℃就开始生成,其他呋喃类物质如糠醇从140 ℃开始产生。刘晓君[4]和刘春梅等[25]在花生和油菜籽炒籽末期也检测到了大量的吡嗪和呋喃类物质,相对含量与本研究结果基本一致。

图4 不同炒制温度下油茶籽油挥发性风味物质含量热图分析

高温炒制除了能赋予油茶籽油优良的风味外,也会带来一些风险因素。温度超过140 ℃后,糠醛和糠醇开始显著增加,在180 ℃分别达到15.23、20.29 mg/kg。有研究表明糠醛会使暴露在空气中的油色加深变成棕红色,还影响食用安全(大鼠的口服半数致死量为65 mg/kg(以体质量计),FEMA规定如焙烤食品限量17.0 mg/kg),同时糠醇还是可燃助燃的危害品(爆炸极限1.8%～16.3%)[26, 27];此外杂环类化合物的产生大多来自于脂质的氧化降解,炒制温度超过140 ℃后,醛类物质从125.54mg/kg增加到155.61(160 ℃)和132.85(180 ℃)。因此在实际生产中,应严格控制炒制温度,避免油脂氧化劣变和安全风险因素如糠醛和糠醇等物质的产生。

不同炒制温度下油茶籽油中各类挥发性物质总量变化如图5所示。随着炒制温度的增加,挥发性物质总量先增加后下降,在160 ℃达到最高,为315mg/kg油茶籽油,比炒制工艺120 ℃、20 min下风味化合物质量分数约为100 mg/kg油茶籽油,180 ℃下下降主要是苯乙烯、庚烷和(E)-2-甲基-2-丁酸乙酯含量的大幅下降,可能是这些化合物在高温下有较强的挥发性所导致的结果[4]。

不同炒制温度下挥发性物质的ROAV如表3所示。从表3中可知,整体上ROAV>100,出现频数≥3的风味物质共有11种,与炒制时间下关键贡献风味化合物基本类似,但增加了2-甲基丙醛、2-戊基-呋喃和辛酸,同时ROAV更高,其次3-甲基丁醛、(E)-2-甲基-2-丁酸乙酯和苯乙醛分别增加了50%、200%、50%,按照大小顺序(取最大值)分别是3-甲基丁醛(1 568,180 ℃,麦芽味)、(E)-2-甲基-2-丁酸乙酯(1 409,160 ℃,花香味和水果味)、苯乙醛(358,160 ℃,花香味和蜂蜜味)、2-甲基丁醛(329,160 ℃,可可味和杏仁味)、己醛(173,120 ℃,青草味和脂肪味)、二羟基-2(3H)呋喃酮(162,140 ℃,焦糖味和水果味)、辛醛(157,100 ℃,脂肪味、肥皂味和青草味)、2-甲基丙醛(143,160 ℃,辛辣味、麦芽味和青草味)、庚醛(135,100 ℃,杏仁味)、2-戊基-呋喃(135,160 ℃,黄油味和青草味)、辛酸(126,120 ℃,奶酪味和脂肪味)。风味特征以麦芽味、花香味、杏仁味、青草味、焦糖味、脂肪味、辛辣味为主。不同炒制温度下油茶籽油风味香型ROAV总和变化如图6所示。炒制温度80～180 ℃下油茶籽油风味香型以麦芽味、水果味、青草味、脂肪味、焦糖味、坚果味和肥皂味为主,辛辣味、烧烤味和焦糊味为辅。随着炒制温度增加,麦芽味、水果味、辛辣味逐渐增加,均在160 ℃时达到最大;烧烤味从140 ℃时开始出现,160 ℃逐渐下降,180 ℃又逐渐上升;脂肪味和肥皂味逐渐降低,均在180 ℃达到最低;青草味、焦糖味和坚果味均在140 ℃或160 ℃时达到最大后再下降;焦糊味所有温度下均存在且基本无变化。

图5 不同炒制温度下油茶籽油各类挥发性物质含量的变化

表3 不同炒制温度油茶籽油挥发性物质相对气味活度值(ROAV)

综合考虑油脂氧化劣变、安全风险以及香型变化规律,选择炒制温度140 ℃和炒制时间15 min作为较佳的油茶籽油炒制工艺。

图6 不同炒制温度下油茶籽油风味香型ROAV变化

2.3 不同炒制工艺油茶籽油挥发性物质PCA分析

为进一步了解不同炒制工艺对油茶籽油整体挥发性物质的影响,采用PCA方法对不同炒制工艺下油茶籽油样品风味特征进行区分,数据处理结果如图7所示。从图7a可以看出,第一主成分和第二主成分的方差贡献率分别为58.30%和15.60%,累积方差贡献率为73.90%,说明2个主成分能较好的解释不同样本的主要特征信息。10个样品被分为4个区域,其中120 ℃—5 min、120 ℃—10 min和120 ℃—15 min均位于第一象限,且距离较近,特别是120 ℃—5 min和120 ℃—10 min两者几乎重合,说明两者的挥发性物质组成和含量均非常接近;120 ℃—20 min和120 ℃—25 min以及80 ℃—15 min和100 ℃-15 min分别位于第一象限和第三象限,两两之间距离非常近,风味特征区别不明显;此外140 ℃-15 min和160 ℃-15 min的PC1值较接近,而180 ℃-15 min的PC1值最大,这3个工艺明显区别于炒制工艺上的油茶籽油样品。

注:炒制工艺下鉴定出的73种挥发性物质和8大类风味化合物总量按照吡嗪类、呋喃类、醛类、醇类、酸类、酯类、酮类、烃类依次从A1～H进行编号。图7 不同炒制工艺油茶籽油挥发性物质主成分分析

图7b中展示的是73种挥发性物质和8大类风味物质的 PC1-PC2二维判别图。对PC1(58.30%)具有明显贡献的挥发性物质依次为氧杂环化合物、苯乙醛、氮杂环化合物、醛类化合物、2,5-二甲基吡嗪、己醛、糠醇、3-甲基丁醛、2,3-二甲基-3,5-二羟基-6-甲基-4H-吡喃-4-酮、糠醛,主要为氧杂环化合物、氮杂环化合物和醛类化合物,物质风味特征主要是焦糖味、水果味、花香味、蜂蜜味、坚果味、烘烤味、青草味、麦芽味、脂肪味,是油茶籽油风味的重要贡献成分,与炒制时间和炒制温度下油茶籽油关键风味物质特征一致;对PC2(15.60%)具有明显贡献的挥发性物质苯乙烯、烃类化合物、酮类化合物、醇类化合物、2-甲基-1-丁醇,这些物质风味特征是甜香味、牛奶味、肥皂味、脂香味、酒味、洋葱味,这些物质是油茶籽油风味的重要修饰成分。

2.4 感官评价研究

2.4.1 喜好度评价

采用直观喜好度对10种炒制工艺制备的油茶籽油进行评价,具体得分如图8所示。随着温度增加,得分出现先升高后下降的趋势,其中4号(140 ℃—15 min)的平均得分最高,被认为所有油样中香气最浓郁、清新、最具纯正油茶籽油特征风味,温度超过140 ℃后感官评价得分大幅下降,可能原因是过度炒制导致油脂整体风味不佳,这与气质分析挥发性物质得到的较佳的炒制工艺结论保持一致。

注:1号为80 ℃—15 min,2号为100 ℃—15 min,3号为120 ℃—15 min,4号为140 ℃—15 min,5号为160 ℃—15 min,6号为180 ℃—15 min,7号为120 ℃—5 min,8号为120 ℃—10 min,9号为120 ℃—20 min,10号为120 ℃—25 min,下同。图8 油茶籽油感官评价得分

2.4.2 风味雷达图

图9为10种炒制工艺制备的油茶籽油风味描述雷达图。从图9a中可知,随着炒制温度从80 ℃增加到180 ℃,风味轮廓逐渐变大,其中4号140 ℃的坚果味、水果味和青草味得分最高,5号160 ℃的泥土味得分最高,6号180 ℃的焦糊味、辛辣味和青草味得分最高,温度低于140 ℃,主要以水果味、青草味和辛辣味为主。从图9b中可知,随着炒制时间从5 min增加到25 min,风味轮廓主要集中在辛辣味、坚果味、青草味和泥土味上,只有8号120 ℃的水果味得分最高,10号25 min时的坚果味、青草味和焦糊味得分最高,9号20 min时的辛辣味、泥土味和青草味得分最高。

图9 不同炒制工艺下油茶籽油风味描述雷达图

2.4.3 三点法

表4展示的是不同炒制工艺下的三点实验法结果。可以看出,3号样品(120 ℃—15 min)和4号样品(140 ℃—15 min)间、5号样品(160 ℃—15 min)和8号样品(120 ℃—5 min)以及7号样品(120 ℃—5 min)和9号样品(120 ℃—20 min)之间差异显著,区分度达到90%以上,能够很好地区别开来,从图9中得分差异也能得到较好解释。6号样品(180 ℃—15 min)和10号样品(120 ℃—25 min)之间的区别不明显,两者均具有很浓的坚果味,很浓的青草味,很浓的辛辣味,稍微的蜂蜜味和焦糊味。

表4 三点实验法结果

3 结论

采用全自动样品前处理系统(CTC)-顶空固相微萃取(HS-SPME)结合气相色谱-质谱联用(GC/MS)技术对油茶籽炒制过程中挥发性物质进行分析和鉴定,并结合感官评价对炒制过程中油茶籽油的风味特征进行分析:不同炒制工艺下共定性和定量挥发性物质73种,其中醛类物质种类最多(14～16种),质量分数最高(50%～70%);炒制温度相比较于炒制时间,可显著提高呋喃类和吡嗪类化合物的种类和含量以及酯类化合物的种类;鉴定出对油茶籽油整体风味关键贡献的风味物质(ROAV≥100)共11种,按照贡献度大小分别是3-甲基丁醛、(E)-2-甲基-2-丁酸乙酯、苯乙醛、2-甲基丁醛、己醛、二羟基-2(3H)呋喃酮、辛醛、2-甲基丙醛、庚醛、2-戊基-呋喃、辛酸;高温长时有利于麦芽味、水果味、青草味、烧烤味和坚果味的风味物质的生成,低温短时更有利于脂肪味、焦糖味、水果味风味物质的生成;通过主成分分析(PCA)分析,炒制工艺140 ℃—15 min、160 ℃—15 min和180 ℃—15 min下的油茶籽油样品风味特征明显区别于其他工艺,具有贡献的风味化合物主要为呋喃类化合物、醛类化合物和吡嗪类化合物;综合考虑油脂劣变、风险因素以及感官评价,炒制温度140 ℃和炒制时间15 min是较佳的油茶籽油炒制工艺,制备的油茶籽油风味最浓郁、清新、最具纯正茶油特征香气,辛辣味、坚果味、青草味、水果味是热榨油茶籽油最具代表性的风味特征。