2种鲜食黑糯玉米营养组分及香气的比较

项雅科, 杨梦蝶, 孙海斓, 席嘉佩, 陈 潇, 赵立艳

(南京农业大学食品科技学院,南京 210018)

鲜食玉米是指收获和食用幼嫩玉米籽粒或鲜果穗的玉米品种,主要有鲜食甜玉米、糯玉米、甜糯玉米等类型,鲜食玉米不仅比普通玉米具有更高的种植效益,并且在口感上具有甜、糯、嫩、香等特点,深受消费者的喜爱[1]。黑糯玉米因其籽粒呈乌黑、紫黑色和蓝黑色而得名,与普通黄、白糯玉米相比,黑糯玉米的蛋白质和脂肪含量较高,同时富含多种氨基酸和各种人体必需的微量元素,其中被称为“抗癌之王”的硒元素含量是普通玉米的3.0～8.5倍[2]。此外,黑糯玉米种皮中富含普通玉米没有的水溶性黑色素花色苷,具有抗氧化、抗炎、抗衰老等功效[3]。

挥发性风味是决定鲜食玉米食用和加工的重要指标之一,风味物质的种类、含量及其相互作用共同决定着玉米的风味。对风味物质进行分析的关键在于挥发性成分的提取,由于顶空固相微萃取技术集采样、萃取、浓缩和进样于一体,操作简单,是目前用于提取鲜食玉米挥发性风味物质的主要技术。国内外学者对鲜食玉米挥发性风味物质进行了大量研究,发现鲜食玉米的风味物质主要由醇类、酯类、醛类和酮类等物质组成。褚能明等[4]采用顶空固相微萃取-气相色谱质谱联用技术测定鲜食玉米的挥发性风味物质,检出的风味物质有醇类、烃类、杂环类、酮类、醛类、酯类和酸类。Zhang等[5]采用顶空固相微萃取-气相色谱质谱联用技术对玉米的风味物质进行了检测与分析,发现正己醛、1-辛烯-3-醇、癸醛和2-戊基噻唑是玉米的特征性风味物质。近年来人们对玉米风味的研究多集中在不同处理方式和储藏过程对玉米品质及风味的研究,针对不同品种鲜食黑糯玉米风味物质的检测和对比分析研究较少。

连黑甜糯2110和苏科糯1505均为江苏省农科院新培育的鲜食黑糯玉米,苏科糯1505主要在江苏省各地种植,而连黑甜糯2110在江苏省和海南省均有种植。本研究主要对海南产地和江苏产地的连黑甜糯2110,以及江苏产地的苏科糯1505的营养成分进行测定,同时采用顶空固相微萃取-气相色谱质谱联用法对鲜食玉米的挥发性风味物质进行鉴定和比较,结合偏最小二乘判别法分析和OAV值选择鲜食黑糯玉米的特征呈味挥发性风味物质,旨在为鲜食黑糯玉米的品种鉴定和产地溯源提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

1.1.1 实验原料

本次实验的鲜食黑糯玉米样品分别为海南产地和江苏产地的连黑甜糯2110,以及江苏产地的苏科糯1505,样品信息详见表1。

表1 鲜食黑糯玉米样品信息表

1.1.2 主要试剂

2-辛醇(纯品型≥0.99);盐酸、硫酸、硼酸、石油醚、硝酸、氢氧化钠、氯化钠、硫酸铜、亚甲基蓝、酒石酸钾钠、乙酸锌、亚铁氰化钾、冰乙酸等试剂均为分析纯。

1.2 主要仪器与设备

DHG-9143BS-Ⅲ型电热恒温鼓风干燥箱,JYL-C022E料理机,KQ-250数控超声波清洗器,SZF-06A脂肪测定仪,SX-4-10马弗炉,Multiwave Pro微波消解仪,iCP Qc电感耦合等离子体质谱仪,TSQ 9000三重四级杆气质联用仪。

1.3 实验方法

1.3.1 营养成分测定

水分的测定参照GB 5009.3—2016《食品安全国家标准 食品中水分的测定》,蛋白质测定参照GB 5009.5—2016《食品安全国家标准 食品中蛋白质的测定》,脂肪测定参照GB 5009.6—2016《食品安全国家标准 食品中脂肪的测定》,灰分测定参照GB 5009.4—2016《食品安全国家标准 食品中灰分的测定》,淀粉测定参照GB 5009.9—2016《食品安全国家标准 食品中淀粉的测定》,总糖测定参照GB/T 15672—2009《食用菌中总糖含量的测定》,还原糖测定参照GB 5009.7—2016《食品安全国家标准 食品中还原糖的测定》,矿物质元素含量测定参照GB 5009.268—2016《食品安全国家标准 食品中多元素的测定》。

花色苷含量的测定采用pH示差法,参照DB32/T 1463—2009《蓝莓中花色苷含量的检测》并稍作修改,由于花色苷中发色团结构的转化是pH值的函数,所以可以通过测定2个pH值下的吸光值之差来确定花色苷的含量:

式中:A=(A510 nm-A700 nm)pH1.0-(A510 nm-A700 nm) pH4.5;MW是花色苷(以矢车菊素-3-葡萄糖苷计)的摩尔质量(449.2 g/mol);V是总的提取液体积/mL;DF是样品的稀释倍数;ε是矢车菊素-3-葡萄糖苷的摩尔吸收系数(26 900);m是样品的质量/g;b是比色皿厚度/cm。

1.3.2 香气组分的萃取

采用固相微萃取技术萃取鲜食黑糯玉米中的挥发性风味物质。准确称量3 g鲜食黑糯玉米样品和0.5 g NaCl置于20 mL顶空瓶中,并加入20 μL浓度为0.81 μg/mL的2-辛醇作为内标,在60 ℃条件下平衡15 min,然后用SPME萃取头(50/30 μm,DVB/CAR/PDMS)顶空萃取30 min,再插入GC进样口,250 ℃解析5min。所有样品均使用相同的提取方法与检测条件,重复检测3次。

1.3.3 香气组分的解析

色谱条件:HP-5MS型毛细管柱(30.00 m×0.25 mm),初始柱温为40 ℃保持5 min,以5 ℃/min升至150 ℃,再以10 ℃/min升至230 ℃,保持10 min,氦气流量为1 mL/min,不分流进样。质谱条件:电子轰击离子源(EI),电子能量70 eV,离子源温度230 ℃,扫描范围(m/z)33～550 aum。

1.3.4 香气成分的定性定量及OAV计算

样品中未知挥发性成分经色谱分离后,所得质谱信息经NIST08谱库检索及资料分析,对未知挥发性风味物质进行定性分析,采用半定量方法确定各检出物的相对含量:

式中:Cx为检出物质量分数;Ci为内标物质量分数;Ax为检出物的色谱峰面积;Ai为内标物的色谱峰面积。

对各种挥发性风味物质定量后,依据参考文献中各挥发性物质在水中的气味阈值计算OAV:

式中:Cx为检出物质量分数;OAVx为检出物气味活度值;OTx为检出物在水中的气味阈值/mg/kg。

1.4 数据分析

2 结果与分析

2.1 鲜食黑糯玉米营养成分测定结果

不同鲜食黑糯玉米样品的基本营养成分测定结果如表2所示,与常见谷物相比,鲜食黑糯玉米的蛋白质质量分数高于水稻(6.81%),脂肪质量分数高于水稻(0.55%)、大麦(1.30%)、小麦(2.47%)和高粱(3.46%)灰分质量分数高于水稻(0.19%)、大麦(0.62%)和高粱(0.84%)[6],与普通的糯玉米相比[7],鲜食黑糯玉米不仅有更高的蛋白质和脂肪含量,而且黑糯玉米种皮中富含普通玉米所没有的天然水溶性色素花色苷,具有抗氧化、清除自由基、降血脂等多种生物活性,表明与水稻、大麦和高粱等常见粮食作物和普通糯玉米相比,鲜食黑糯玉米具有更高的营养价值。由表2可知,同一品种不同产地的鲜食黑糯玉米(1#和2#)在灰分、淀粉、总糖和花色苷含量上有显著性差异(P<0.05),这可能是由于温度、光照、土壤等栽培条件不同导致的;相同产地不同品种的鲜食黑糯玉米(2#和3#)在灰分、淀粉、总糖、还原糖和花色苷含量上有显著性差异(P<0.05),而在蛋白质和脂肪含量上没有显著性差异(P>0.05),说明产地和品种均会对鲜食黑糯玉米的灰分、淀粉、总糖和花色苷含量产生影响,同时不同品种的鲜食黑糯玉米还原糖含量差异较大。

表2 鲜食黑糯玉米营养成分表(以干基计)

2.2 鲜食黑糯玉米矿物质元素含量测定结果

玉米中含有丰富的矿物质元素,测定了不同鲜食黑糯玉米的矿物质元素含量(表3)。钾是鲜食黑糯玉米中含量最高的元素,连黑甜糯2110(1#和2#)中的钾元素含量均显著高于苏科糯1505(3#)中的钾元素含量。钙是人体骨骼和牙齿的重要组成物质,摄入不足会导致骨质疏松[8],1#中的钙元素显著高于2#,而2#和3#中的钙元素含量没有显著性差异(P>0.05)。锌元素是生物体中多种酶和重要蛋白质的结构辅助因子,参与机体的各种代谢,苏科糯1505(3#)的锌元素含量显著高于连黑甜糯2110(1#和2#)。铁是人体中血红蛋白的重要组成成分,参与氧气和二氧化碳的运载和交换[7],在生命活动中发挥着重要作用,硒元素在促进人体健康成长和发育方面作用显著,是人体必需的微量元素之一,不仅可以提升人体免疫力,还对部分疾病有防御作用[9],鲜食黑糯玉米1#、2#和3#均含有较高含量的铁和硒元素,且没有显著性差异。

表3 鲜食黑糯玉米矿物质元素含量表(以干基计)/mg/kg

测定了鲜食黑糯玉米1#、2#和3#中4种重金属含量(表4),4种元素铬、砷、镉和铅含量均低于 GB 2762—2017《食品安全国家标准 食品中污染物限量》的要求(铬<1.0 mg/kg,砷<0.5 mg/kg,镉<0.1 mg/kg,铅<0.2 mg/kg),说明鲜食黑糯玉米1#、2#、3#均可以放心食用。

表4 鲜食黑糯玉米重金属元素含量表(以干基计)/mg/kg

2.3 鲜食黑糯玉米挥发性风味物质相对含量及OAV分析结果

鲜食黑糯玉米中挥发性风味物质种类多样,含量丰富,采用顶空固相微萃取气相色谱质谱联用法对鲜食黑糯玉米1#、2#和3#的挥发性风味物质进行测定,结果如表5所示,共鉴定出44种挥发性风味物质,可分为醇类、酯类、醛类、酮类、酚类、烃类和其他类,其中酯类、醛类和酮类物质在鲜食黑糯玉米的挥发性风味物质中占据较大比例,鲜食黑糯玉米1#、2#和3#的酯类、醛类和酮类物质总质量分别占总风味物质的77.61%、59.43%和65.49%,对鲜食黑糯玉米的风味有较大贡献。

续表5

醇类物质的前体物质主要是多不饱和脂肪酸,一般是脂质氧化而成的一类阈值较高的挥发性风味物质,当浓度足够高时可对风味起重要贡献作用[10]。鲜食黑糯玉米中共鉴定出6种醇类物质,与1#和2#相比,3#中正戊醇、1-戊烯-3-醇、正己醇和1-辛烯-3-醇含量显著性增加(P<0.05),这些醇类物质主要贡献甜香、果香和蔬菜香气。1-辛烯-3-醇是煮熟的紫玉米的特征性风味物质之一,并对样品的整体风味有较大贡献[11],鲜食黑糯玉米中1-辛烯-3醇的含量为2.66～13.80 mg/kg。

酯类物质一方面可以通过醇与有机酸的酯化反应化学合成,另一方面游离氨基酸也为酯类风味物质的合成提供了丰富的原料[12]。苏科糯1505中的酯类物质种类较少,只有己酸乙酯(12.96 mg/kg)和γ-壬内酯(8.88 mg/kg)2种。乙酸乙酯、辛酸乙酯、壬酸乙酯、2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇异丁酯和棕榈酸乙酯是2种产地连黑甜糯2110(1#和2#)共有的风味物质,主要贡献果香、甜香、蜡香和脂肪香气,其中2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇异丁酯在2种黑糯玉米中含量较高,分别为56.37 mg/kg和90.96 mg/kg。己酸乙酯是2种江苏产地黑糯玉米(2#和3#)特有的物质,而棕榈酸甲酯是海南产地黑糯玉米(1#)特有的酯类物质,两者贡献果香、甜香和椰香香气。

醛酮类风味物质的生成主要与脂质氧化、还原糖降解、美拉德反应等多种反应有关[13]。醛酮类物质的种类和含量是挥发性风味物质总量中占比最大的,鲜食黑糯玉米1#、2#和3#中的醛酮类风味物质分别为18、12和12种。海南产地鲜食黑糯玉米(1#)区别于江苏产地鲜食黑糯玉米(2#和3#)特有的醛酮类物质为2-己烯醛、3-环己烯-1-甲醛、苯乙醛、2,6-壬二烯醛、3-辛烯-2-酮和3,5-辛二烯-2-酮,主要贡献果香、坚果、甜香、脂肪、药草、蘑菇香气。值得注意的是,甲基庚烯酮是江苏产地连黑甜糯2110特有的风味物质,同时也是渝糯930号的主要挥发性风味成分之一[4]。

酚类物质具有特殊的芳香气味,均呈弱酸性,在环境中易被氧化,所以在玉米储藏过程中对玉米风味会有一定的贡献[14]。只在2种产地的连黑甜糯2110(1#和2#)中鉴定到了酚类物质有2,4-二叔丁基苯酚,并且含量较低,分别为12.66 mg/kg和0.03 mg/kg。烃类物质是由高级脂肪酸碳链断裂或脱羧产生的[15],一般来说,饱和烃类具有较高的阈值,因此对整体风味的贡献并不大[16]。在2种产地的连黑甜糯2110(1#和2#)中有二甲基二硫醚检出,而另一品种黑糯玉米苏科糯1505(3#)中未检出,有研究表明:玉米经烫漂处理后含硫化合物占比最大,其中主要物质为二甲基硫醚,是贡献煮熟玉米香气的关键挥发性物质[17],由热不稳定的化合物S-甲基甲硫氨酸磺酸盐分解产生[17]。3-甲基呋喃在鲜食黑糯玉米1#、2#和3#中的含量有显著性差异(P<0.05),分别为16.21、20.92、19.92 mg/kg,同时其在甜玉米汁和糯玉米汁中均有检出[18]。

OAV(气味活度值)是评价香气化合物重要性的一个指标,一般认为OAV≥1的物质对样品的整体风味有重要贡献,且OAV值越大,则表示该香气化合物对样品风味的贡献越大[12],表6表明,鲜食黑糯玉米中一共有19种物质的OAV≥1,其中鲜食黑糯玉米1#、2#和3#分别有17、12、12种物质的OAV≥1。鲜食黑糯玉米1#、2#、3#共有的特征性风味物质有:1-辛烯-3-醇、异戊醛、戊醛、正己醛、2-辛烯醛、壬醛、2-壬烯醛、癸醛和3-羟基-2-丁酮,海南产地鲜食黑糯玉米(1#)区别于江苏产地鲜食黑糯玉米(2#和3#)特有的特征性风味物质为:2-己烯醛、庚醛、2,6-壬二烯醛、3-辛烯-2-酮和3,5-辛二烯-2-酮,主要贡献果香、药香、脂香、甜香等香气,苏科糯1505(3#)区别于连黑甜糯2110(1#和2#)特有的特征性风味物质为己酸乙酯,是果香、甜香的主要贡献者。

表6 鲜食黑糯玉米特征性挥发性风味物质OAV值

2.4 不同品种鲜食黑糯玉米香气物质的多元统计分析结果

为了更直观地显示不同鲜食黑糯玉米1#、2#和3#的挥发性风味物质含量的差异,对其进行标准化处理后进行聚类热图分析[19],结果如图1所示,聚类热图横向聚类结果反映鲜食黑糯玉米1#、2#和3#风味物质的含量差异关系,每一小方格代表一种挥发性风味物质,颜色由浅到深代表含量由低到高。3组鲜食黑糯玉米样品被分成了两大类,海南产地的连黑甜糯2110(1#)是一大类,江苏产地的连黑甜糯2110(2#)和苏科糯1505(3#)是一大类,可能是由于鲜食黑糯玉米风味物质的形成受当地光照、土壤、气候等因素的影响导致的。此外,海南产地的连黑甜糯2110(1#)中酯类物质和醛类物质含量较高,如苯乙酸乙酯、γ-壬内酯、棕榈酸甲酯、2-己烯醛、庚醛、3-环己烯-1-醛、苯乙醛和2,6-壬二烯醛等,这些物质主要贡献果香、奶香、蜡香和坚果香气;江苏产地的连黑甜糯2110(2#)中正己醇、甲基庚烯酮和异戊烯醛含量较高,这些物质主要呈现果香、柑橘、甜香香气;己酸乙酯、异戊醛、戊醛、正己醛、2-壬烯醛、正戊醇和1-辛烯-3-醇等物质在苏科糯1505(3#)中含量较高,主要贡献甜香、蜡香、脂肪、果香和蔬菜香气。

偏最小二乘法判别分析(PLS-DA)是一种常见的检验样本组间差异的方法,此方法是根据分组方案,弱化组内样本差异,突出组间样本差异,更便于发现组间样本的差异性[20]。采用PLS-DA模型对鲜食黑糯玉米1#、2#和3#的香气物质含量进行比较分析,以第一主成分和第二主成分为横纵坐标建立样品和挥发性风味物质的得分图和载荷图见图2。1#、2#和3#在主成分1上可以明显地区分开,2#在主成分2上可以与其他样品区分开,载荷值较大的物质在该主成分的区分上贡献较大,正己醛、3-环己烯-1-甲醛和2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇异丁酯在第一主成分的载荷值较大,2-庚酮、正己醇和2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇异丁酯在第二主成分的载荷值较大。通过变量重要性投影(VIP)分析每一个变量对PLS-DA模型的总体贡献度,以VIP=1为阈值,通常认为VIP值大于1的物质是模型的重要标志物,VIP值越大,说明该物质在判别过程中贡献越大,在样品之间的差异越显著[21],由图2c可知,共有10种风味物质的VIP值大于1,包括1种醇类,2种酯类,4种醛类,2种酮类和1种烃类,但这并不全是鲜食黑糯玉米1#、2#和3#的标志性物质,结合OAV分析结果可知,共有4种化合物被鉴定为具有气味贡献的标记物,分别为:正己醛、庚醛、2-庚酮和3-辛烯-2-酮,标记物的确定在鲜食黑糯玉米鉴定和区分品种以及产地溯源方面有很大的应用前景。

图1 不同鲜食黑糯玉米聚类热图分析

图2 不同鲜食黑糯玉米PLS-DA分析

3 结论

鲜食黑糯玉米营养丰富,不同品种鲜食黑糯玉米中灰分、淀粉、总糖和花色苷的含量有显著差异(P<0.05)。鲜食黑糯玉米矿物质元素种类繁多、含量丰富,铁、锌、硒等矿物质元素含量较高且没有显著差异(P>0.05)。采用HS-SPME-GC-MS对不同鲜食黑糯玉米的挥发性风味物质进行测定,共鉴定出44种挥发性风味物质,且在风味物质种类和含量方面有较大差异,其中特征性风味物质包括1-辛烯-3-醇、异戊醛、戊醛、正己醛、2-辛烯醛、壬醛、2-壬烯醛、癸醛和3-羟基-2-丁酮;结合OAV和PLS-DA法确定了正己醛、庚醛、2-庚酮和3-辛烯-2-酮可以作为区分不同鲜食黑糯玉米的标志性化合物。本研究表明了不同产地和品种鲜食黑糯玉米在营养成分、矿物质元素和风味物质方面的差别,为鲜食黑糯玉米品种的鉴定和产地的溯源提供参考。