高压蒸制-焙烤处理对甜荞粉风味物质的影响

杨舒婷,孙冰华,李峥,王晓曦

(河南工业大学 粮油食品学院,河南 郑州,450000)

甜荞(FagopyrumesculentumMoench)又名普通荞麦,是一种在我国广泛种植的小宗杂粮作物[1-2]。甜荞富含多种营养成分,氨基酸组成丰富,具有很高的营养价值,可作为主食[3]。目前关于甜荞的研究主要集中在营养品质方面,其风味作为荞麦基食品的重要品质也日益受到关注。刘东旭等[4]指出,甜荞籽粒不同部位的挥发性成分存在差异,相较于甜荞胚乳,荞麦壳及荞麦麸皮中的风味物质更加丰富、浓郁。JANE等[5]通过GC-MS对甜荞中挥发性成分进行鉴定,发现对甜荞香气贡献较大的化合物为水杨醛、苯乙醛、2,5-二甲基-4-羟基-3(2H)-呋喃酮、(E,E)-2,4-癸二烯醛、癸醛、(E)-2-壬烯醛等。

高压蒸汽(high pressure steam, HPS)处理是一种利用高压条件的饱和蒸汽将谷物快速熟化的生产工艺[6],属于典型的对流传热和导热[7]。相关研究指出,甜荞经HPS处理后,荞麦壳中的挥发性物质会转移到荞麦籽粒中,增加荞麦的风味[8-9]。但是HPS处理后的甜荞水分含量较高,不利于荞麦后续的贮藏或再加工。焙烤是指在物料燃点之下通过干热的方式使物料脱水变干的过程,属于典型的辐射传热[10]。在辐射热的作用下谷物或食品物料中的淀粉、蛋白、脂肪等发生自身的热分解或相互作用(如美拉德反应等)而产生一些挥发性物质,从而获得令人愉悦的风味[11]。目前,食品工业中常用的焙烤方式有2种:一种是高温短时焙烤(high temperature short-time roasting, HTSR),一种是低温长时焙烤(low-temperature long-time roastin, LTLR)。研究表明,HTSR是通过高温快速降低物料中的水分,伴随发生水解、氧化、还原和其他热解反应,产生特有的焦香风味和香气,主要成分有呋喃、呋喃酮、吡嗪等[12]。低温长时焙烤对物料的风味也存在一定的影响,杨玉等[13]利用LTLR(烘箱低温干燥)处理后,发现物料中苯环类物质含量较高,但挥发性成分种类较少。而焙烤过程也是一个物料脱水的过程,极易产生焦糊味,不利于产品品质的稳定与提升。基于此,推测若使用高压蒸汽和焙烤联合处理甜荞,不但可以解决高压蒸汽处理后水分过高带来的贮藏安全问题,同时也有可能避免因物料的高水分而在焙烤过程中产生焦糊味道。

本论文分别以高压蒸汽-高温短时焙烤(HPS-HTSR)处理、高压蒸汽-低温长时焙烤(high-pressure steam-low-temperature long-time roastin, HPS-LTLR)处理的甜荞粉为研究对象,对其进行全粉碎,采用固相微萃取(solid-phase microextraction,SPME)的方式萃取甜荞粉中的挥发性成分,通过GC-MS联用技术的手段分离鉴定甜荞粉中的挥发性风味物质,并以HPS处理的甜荞粉作为对照,采用内标法计算挥发性成分的含量,对甜荞风味物质中的关键组分进行主成分分析(principal component analysis,PCA),以探明高压蒸汽联合焙烤处理对甜荞粉风味物质的影响规律,为甜荞基风味食品的开发提供加工思路和理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

实验材料:甜荞,购自定边县塞雪粮油工贸有限责任公司。

实验试剂:C5～C32正构烷烃,美国o2si smart solutions;2-辛醇(标准品),上海安谱璀世标准技术服务公司;二氯甲烷(色谱纯)、正己烷(色谱纯),天津市科密欧化学试剂有限公司;无水硫酸钠(分析纯),天津市恒兴化学试剂制造有限公司。

1.2 仪器与设备

7890B GC-5977A MS气质联用仪、HP-5 ms色谱柱(30.m×0.25 mm×0.25 μm),美国安捷伦科技有限公司;50/30 μm DVB/CAR/PDMS萃取头,美国索莱宝公司;XFS-260手提式压力蒸汽灭菌锅,上海尚普仪器设备有限公司;DHG-9055A电热鼓风干燥箱,上海一恒科学仪器有限公司;gene cafe CBR-101咖啡烘焙机,韩国创世纪实业有限公司;LG-01高速粉碎机,延安市百信制药机械有限公司;DH888精米机,日本佐竹株式会社。

1.3 实验方法

1.3.1 样品制备

甜荞除杂、润麦,调质水分含量达到17%,保存于自封袋中待用。

HPS处理的样品:采用高压蒸汽灭菌锅对上述润麦后的甜荞进行HPS处理,处理时间分别为10、15、20、25、30 min;处理后的甜荞使用精米机脱壳,高速粉碎机粉碎,过80目筛后立即装入萃取瓶中,待测。

HPS-HTSR处理的样品:取上述高压蒸汽蒸制20 min后脱壳的甜荞籽粒,置于170 ℃咖啡烘焙机中,分别焙烤10、15、20、25、30 min后取出,粉碎过80目筛后立即装入萃取瓶中,待测。

HPS-LTLR处理的样品:取上述高压蒸汽蒸制20 min后脱壳的甜荞籽粒,置于70 ℃烘箱中,分别焙烤2、4、6、8、10 h,每隔1 h手动翻动1次,以保证物料均匀受热,达到焙烤时间取出,粉碎过80目筛立即装入萃取瓶中,待测。

1.3.2 挥发性风味物质[14]

SPME条件:称取2.0 g样品至15 mL顶空萃取瓶中,加入2 μL 200 mg/L的内标物2-辛酮,采用隔垫迅速密封。将顶空瓶置于60 ℃水浴条件下预热平衡10 min。将SPME萃取针头插入顶空瓶,60 ℃水浴条件下,顶空萃取60 min。迅速将萃取针插入气相色谱仪进样口,260 ℃条件下解吸30 s后,拔出萃取针头,进行GC-MS检测。

GC条件:毛细管柱为HP-1701(30 m×0.25 mm,0.25 μm);前进样口温度260 ℃;载气He;流速1.0 mL/min;不分流模式进样;程序升温:柱温初始50 ℃,保持4 min,以3 ℃/min升至100 ℃,以10 ℃/min升至260 ℃,保持10 min。

质谱条件:采用电子电离模式,电子能量70 eV;离子源温度230 ℃,四级杆温度150 ℃;质量扫描范围50～550m/z。

1.3.3 风味组分的定性及定量分析

1.3.3.1 定性分析

利用GC-MS联用仪工作站的自动解卷积系统与NIST14质谱库结合化合物保留指数(retention index,RI)对挥发性风味物质进行鉴定

将C5～C32系列正构烷烃混合标准品在与样品相同的色谱、质谱条件下进样,记录保留时间,RI计算如公式(1)所示[15]:

RI=100Z+100×[tR(X)-tR(Z)]/[tR(Z+1)-tR(Z)]

(1)

式中:X,待分析的化合物;Z,正构烷烃的碳原子数;t,正构烷烃的保留时间,且tR(Z)

1.3.3.2 定量分析

采用内标法,通过计算物质峰面积与内标物2-辛醇峰面积比值关系得物质的相对含量,计算如公式(2)所示:

(2)

式中:M,物质相对含量,ng/g FW;S物,物质峰面积;m物,选取样品质量,g;2×10-3,内标物的体积,mL;0.2,内标物质量浓度,g/mL。

1.3.4 气味活性值(odor activity value,OAV)分析

计算样品中各组分的OAV,如公式(3)所示:

(3)

OAV是用来评价香气化合物对样品风味呈献的贡献程度,通常认为OAV>1的物质对样品风味有贡献,OAV>10的物质认为是重要香气物质[16]。

1.3.5 数据处理

采用Origin 2018和SPSS 22.0进行图像绘制及数据处理。试验重复3次。

2 结果与分析

2.1 处理后的甜荞的挥发性成分

根据GC-MS分析,共鉴定出挥发性风味物质50种,各处理后甜荞挥发性物质相对含量见图1、图2、表1～表3。HPS处理后的甜荞中主要挥发性风味物质鉴定出42种,HPS-HTSR处理后的甜荞中的挥发性风味物质鉴定出41种,经过HPS-LTLR处理过的甜荞中,鉴定出5种挥发性风味物质。这些化合物中主要包括烷烃类、醛类、萜烯类、呋喃类、稠环芳烃等物质。其中HPS处理后的甜荞中,醛类物质和萜烯类物质的含量和种类最多,酚类物质的含量最少;HPS-HTSR处理后的甜荞中,醛类、萜烯类以及吡嗪类物质的含量比较多,酚类和酯类的含量最少;HPS-LTLR处理后的甜荞中的风味物质只剩下醛类和萜烯类物质。

图1 HPS处理后甜荞中挥发性物质相对含量Fig.1 Relative content of volatile substances in common buckwheat after HPS treatment

a-HPS-HTSR;b-HPS-LTLR图2 HPS-HTSR处理和HPS-LTLR处理后甜荞的挥发性物质相对含量Fig.2 Relative content of volatile substances of common buckwheat after HPS-HTSR treatment and HPS-LTLR treatment

醛类化合物可以看作是不饱和脂肪的氧化以及蛋白质的降解产物,具有较低的阈值,相对含量较高的小分子醛对甜荞的风味形成贡献很大。在HPS处理后的荞麦中,共检测出了9种醛类物质。在前人的研究中,确定了甜荞的关键性风味物质为水杨醛,其次为己醛、壬醛、辛醛等[16]。水杨醛具有苦杏仁的味道、己醛具有青草香气、壬醛具有油脂气味和甜橙的味道、辛醛具有水果的香气[4]。而经过HPS处理后,水杨醛的含量随时间的增加逐渐降低,经过HPS-HTSR和HPS-LTLR处理后,水杨醛的含量显著下降,其中LTLR处理后的下降更为显著;己醛含量在HPS处理后有一个先升高后降低的趋势,而经过HPS-HTSR处理后的含量显著下降。壬醛的含量随时间的增加在处理时间为15 min时达到最高,然后小幅下降,而在HPS-HTSR和HPS-LTLR处理后的趋势与水杨醛一致,显著下降;而辛醛未检出。在醛类物质中,反式-2-壬烯醛的气味是让人难以接受的纸板味,经过HPS-HTSR处理后其含量显著降低。总的来说,醛类物质赋予甜荞清香、果香以及油脂的香气。

萜烯类物质也是对高压蒸制后甜荞风味贡献较大的物质。萜烯类物质属于不饱和化合物,通常具有芳香气味。在前人的研究中,萜烯类物质大多存在与甜荞的麸皮及外壳中[4],可以得到的是,经过高压蒸制处理后,甜荞壳中的风味物质转移至荞麦籽粒上,增加了荞麦粉的风味。在HPS以及HPS-HTSR处理的甜荞中,共有12种萜烯类物质,其中,(+)-白菖油萜具有香甜的气味,在HPS处理20 min时,显著增加,然后小幅度降低。(E)-α-佛手柑烯具有果香,(+)-香橙烯具有挥发性香辛的味道,香树烯具有花香和水果的香气,(-)-α-荜澄茄油烯具有令人愉悦的樟木香。

烷烃类物质阈值较高,对整体风味几乎没有影响。醇类物质只检测出1-辛烯-3-醇,阈值较低,具有蘑菇香和蔬菜香,对甜荞的风味有一定的贡献。酚类物质2,4-二叔丁基苯酚,阈值较高,对整体风味影响不大。邻苯二甲酸二异丁酯具有水果香。其中,醇类化合物1-辛烯-3-醇是一种具有豆腥味的醇类物质,随着蒸制时间的增加,含量逐渐减少。2-庚酮,具有甜味、果味、脂肪味[17],经HPS-HTSR处理后含量增加。

吡嗪类物质是一种美拉德反应产物,具有爆米花香和坚果香[18],含量随着HTSR处理时间的增加而增加。吡嗪类物质的阈值极低,为样品提供明显的焦香的风味[19]。

总体来说,HPS处理后的甜荞具有醛类的甜橙香和青草香以及萜烯类物质的香甜的水果香和樟木香;经HPS-HTSR处理后的甜荞中具有较HPS处理后相同但较为稀薄的甜荞香气,但增加了吡嗪类物质的烤坚果的香气;经过HPS-LTLR处理后的甜荞的香气更加微弱。

2.2 挥发性物质PCA

运用SPSS对挥发性风味物质进行PCA,结果如表4所示。按照主成分选取标准,其中第1主成分贡献率为70.918%,第2主成分贡献率为18.35%,第3主成分贡献率为3.425%,三者累计方差贡献率为92.69%,基本可以解释原变量的所有变异信息。

表4 PCA总方差解释Table 4 Total variance explained by PCA

主成分的载荷矩阵反映了各风味物质对不同主成分的贡献大小以及贡献方向[20],见表5。在主成分1中,贡献率较大的挥发性成分依次为(+)-白菖油萜、α-姜黄烯、水杨醛、β-倍半水芹烯、反式卡拉门烯、(-)-α-蒎烯、(-)-α-荜澄茄油烯、2-甲氧基苯甲醛、1-辛烯-3-醇、2-异丁基哌嗪、棕榈酸甲酯、7-甲基壬烷、香树烯、邻苯二甲酸二异丁酯、月桂醛、2-甲基萘、己醛、硬脂酸、棕榈酸、癸醛、2-正戊基呋喃、α-姜油烯、β-姜黄烯、壬醛、(E)-α-佛手柑烯、(+)-香橙烯这些物质,说明主成分1主要是反应了这26种物质的综合信息;在主成分2中,贡献率较大的挥发性成分依次是2,5-二甲基吡嗪、2,5-二甲基-3-乙基吡嗪、2,6-二乙基-3-甲基吡嗪、2-癸酮、2-庚酮这5种物质,说明主成分2主要由这些物质的决定;在主成分3中,贡献率较大的是反式-2-壬烯醛,说明主成分3主要受反式-2-壬烯醛的影响。

表5 成分载荷矩阵Table 5 Component loading matrix

由图3可知,HPS处理后的甜荞风味与HPS-HTSR处理后的甜荞风味具有重合的部分,但HPS处理后的风味更贴近与PCA1,而HPS-HTSR处理后的甜荞的风味更接近与PCA2。对HPS和HPS-LTLR处理后的甜荞风味来说,HPS-LTLR的风味包含在HPS处理后的甜荞中。而2种焙烤处理后的甜荞的风味,不具有相似性,风味差别较大。图4中的物质代号如表5所示。

图3 处理后甜荞挥发性物质PCA得分图Fig.3 PCA score of common buckwheat volatiles after treatment

图4 处理后甜荞香气化合物PCA载荷图Fig.4 PCA loadings of common buckwheat volatiles after treatment

对经过不同处理后的甜荞的50种挥发性物质进行PCA,得分表如表6所示。根据主成分特征向量以及标准化后的指标计算出各主成分的得分情况(Y1～Y3),以各主成分对应的贡献率为权重,故综合评价模型为:Y=0.73Y1+0.17Y2+0.04Y3,根据模型计算出不同处理后的甜荞风味的综合总得分,可以看出HPS处理后的甜荞风味最佳,HPS-HTSR次之。

表6 各样品主成分得分表Table 6 Table of principal component scores for each sample

2.3 挥发性物质OAV分析

不同处理后的挥发性物质含量一定时,阈值越大,越不容易被人体的嗅觉感知[21]。采用计算各组分的OAV的方法来评价各挥发物对与样品主体成分的贡献。OAV越大,对样品的香气成分贡献越大。不同处理方式后的甜荞中主要挥发性成分及阈值如表7、表8所示,其中阈值为文献参考值[22-23]。

表7 HPS处理后的甜荞OAV及香气描述Table 7 OAV and aroma description of common buckwheat after HPS treatment

表8 两种焙烤处理后的甜荞OAV及香气描述Table 8 OAV and aroma description of common buckwheat after two roasting treatments

对HPS样品来说,对风味贡献程度较大的物质有己醛、水杨醛、壬醛、癸醛、1-辛烯-3-醇以及2-甲基萘,这些物质OAV>10,赋予甜荞青草香、油脂香、柑橘香以及甜香等气味;对风味产生一定贡献的有庚醛、月桂醛、2-正戊基呋喃、萘、(-)-α-蒎烯等物质,这些物质的OAV在不同HPS处理后均大于1。多数挥发性风味物质的OAV在经HPS处理15 min的甜荞中较大,可以认为在HPS处理的过程中,15 min时风味较为浓郁,除反式-2-壬烯醛对甜荞风味的影响为消极外,其余大多数挥发性物质对甜荞的风味均有积极的影响。对HPS-HTSR样品来说,水杨醛、壬醛、2,5-二甲基吡嗪、2,5-二甲基-3-乙基吡嗪以及2,6-二乙基-3-甲基吡嗪的OAV>10,赋予甜荞柑橘香、脂肪香的同时也增加了坚果香、烧烤香,并随着焙烤时间的增加,焙烤特有的香气贡献增加。除吡嗪类物质外,其余的挥发性风味物质的OAV较经HPS处理后,均为下降的趋势,而吡嗪类物质随焙烤的时间增加,OAV增加,可以得出经过HTSR处理后的甜荞的风味不如HPS处理后的风味浓郁,但增加了烤香,且反式-2-壬烯醛的风味基本散失,对甜荞的风味具有积极的影响。由于长时间的低温焙烤,甜荞中的风味物质散失较多,对HPS-LTLR样品来说,对甜荞风味产生贡献的物质为水杨醛和壬醛。总的来说,对HPS样品来说,OAV>1的物质有:己醛、庚醛、水杨醛、壬醛、癸醛、月桂醛、1-辛烯-3-醇、2-正戊基呋喃、2-甲基萘、(-)-α-蒎烯;对HPS-HTSR来说,OAV>1的物质有:己醛、水杨醛、壬醛、癸醛、2-甲基吡嗪、2,5-二甲基吡嗪、2,5-二甲基-3-乙基吡嗪、2,6-二乙基-3-甲基吡嗪、2-正戊基呋喃、2-甲基萘、(-)-α-蒎烯;对HPS-LTLR样品来说,OAV>1的物质有:水杨醛和壬醛。不同处理方式下的甜荞的风味,以HPS处理后的挥发性风味物质保留效果最好,但经过HPS-HTSR处理后的甜荞中的挥发性风味物质的保留虽不如HPS处理后的甜荞样品,但增加了焙烤特有的烤香,对甜荞的风味有积极的影响,而HPS-LTLR处理后的甜荞中的挥发性风味物质的保留最少。

3 结论

通过固相微萃取结合气质联用的方法,分别对经过高压蒸汽处理、高压蒸汽-高温短时焙烤处理、高压蒸汽-低温长时焙烤处理甜荞粉的挥发性成分进行分析。通过NIST库中的标准光谱以及RI值对挥发性成分进行定性,共鉴定出挥发性成分50种,其中HPS处理后鉴定出的42种,HPS-HTSR鉴定出41种,HPS-LTLR鉴定出5种。通过PCA可以得到,HPS的香气丰富程度较高,与HPS-HTSR的风味有相似的部分也有不同的部分,差别主要在与吡嗪类物质,而HPS-LTLR的香气成分由于长时间的处理,散失的比较多,仅剩的一些可以鉴定出的挥发性成分包括在HPS的风味物质中,但是不如HPS处理后的风味浓郁。通过OAV的计算,得到不同处理方式后的甜荞的关键风味物质,其中,HPS处理后的为己醛、庚醛、水杨醛、壬醛、癸醛、月桂醛、1-辛烯-3-醇、2-正戊基呋喃、2-甲基苯、(-)-α-蒎烯;HPS-HTSR处理后的为:己醛、水杨醛、壬醛、癸醛、2-甲基吡嗪、2,5-二甲基吡嗪、2,5-二甲基-3-乙基吡嗪、2,6-二乙基-3-甲基吡嗪、2-正戊基呋喃、2-甲基萘、(-)-α-蒎烯;以及HPS-LTLR的为水杨醛和壬醛。