炒制工藝對油茶籽油揮發性物質的影響

楊剴舟, 魏 征, 王佳雅, 欒 霞, 薛雅琳, 段章群

(國家糧食和物資儲備局科學研究院糧油加工研究所1, 北京 100037) (國家糧食和物資儲備局科學研究院糧油質量檢驗測試中心2, 北京 100037)

油茶(Camelliaoleifera)作為我國特有的木本油料作物,主要分布于我國的南方地區,從油茶籽提取的油茶籽油因其脂肪酸組成與橄欖油相似,尤其是油酸和亞油酸,被譽為“東方橄欖油”[1],油茶籽油含有角鯊烯、生育酚、植物甾醇和多酚等多種功能性活性成分,在降低膽固醇和預防心血管疾病方面具有重要作用[2],尤其是熱榨油茶籽油,風味濃郁、獨特,在我國備受消費者青睞,逐漸成為菜籽油尤其是橄欖油的直接競爭對手[3]。

油脂揮發性物質的產生途徑主要來自于脂質降解反應、美拉德反應和糖熱降解或焦糖化反應,而這些反應都與熱加工過程密切相關[4]。油茶籽油加工中涉及熱加工主要是提取方式和預處理方式。對于提取方式,大量研究表明熱榨工藝[5, 6]相比較于冷榨工藝[7, 8]、浸提法[6, 9]如溶劑浸出、水代法、水酶法以及超臨界CO2流體萃取和精煉工藝[10],油茶籽油中的揮發性物質種類更多,含量更高,出現大量閾值更低的雜環類化合物,研究相對深入。近年來,國內外學者開始關注預處理方式對油茶籽油風味組分的影響,主要集中在烘烤工藝[11]和炒制工藝[11]上,研究相對較少。林瑯[7]發現烘烤油茶籽油特征香氣物質主要與醇類、酸類和雜環類化合物有關,烘烤程度不同,酸類物質含量波動較大,醇類化合物整體呈下降趨勢,而雜環類揮發性成分含量明顯增多; He等[12]發現不加熱直接壓榨的油茶籽油風味物質以烴類為主,烘烤和蒸汽處理的以醛類和醇類為主,而微波和炒制的以醛類和雜環化合物為主,關鍵風味物質變化從青草香氣到脂香味再到焙烤味。焙烤工藝相比較于炒制工藝在揮發性物質種類和含量上不及后者,同時焙烤工藝一般在實驗室烘箱中進行,遠不能適應和滿足實際生產需求;炒制工藝作為我國傳統熱榨油茶籽油的主要預處理方式,制備的油脂風味優良獨具特色,而目前鮮見研究炒制工藝(溫度和時間)對油茶籽油揮發性物質影響的報道。

本研究通過HS-SPME-GC-MS以及感官評價對炒制過程中油茶籽油的揮發性物質進行分析和鑒定,解析揮發性物質的變化規律,明確油茶籽油的關鍵風味物質,確定最佳炒制工藝,為油茶籽油品質控制以及加工工藝等提參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料與試劑

新鮮油茶籽果,DVB/CAR/PDMS固相萃取頭,頂空進樣瓶,1,2,3-三氯甲烷甲醇溶液(色譜純),其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

80型炒籽機,120型螺旋榨油機,COMBI-xt PAL氣相色譜多功能自動進樣器暨樣品前處理系統,Agilent 7890A-5975氣相色譜質譜聯用儀。

1.3 實驗方法

1.3.1 油茶籽炒制工藝

炒制時間:將脫蒲后的新鮮油茶籽約25 kg置于80型滾筒炒籽機中,炒鍋明火加熱至120 ℃開啟計時,炒制時間分別為5、10、15、20、25 min,炒籽過程開啟攪拌以防止受熱不均。

炒制溫度:將脫蒲后的新鮮油茶籽約25 kg置于滾筒炒籽機中,將炒鍋明火分別加熱至80、100、120、160、180 ℃,然后開啟計時炒制15 min,炒籽過程開啟攪拌以防止受熱不均。

炒籽結束后待油茶籽溫度降至50～60 ℃左右入榨,采用120型螺桿榨機制備油茶籽油樣品,樣品密封保存并置于-4 ℃冰箱中冷藏,直至分析時取出。

1.3.2 揮發性物質萃取

具體操作步驟參考Liu等[13]方法。

1.3.3 GC-MS分析

具體操作步驟參考楊剴舟等[14]方法。

1.3.4 感官評價

對不同炒制參數下的油茶籽油樣品分別采用評分檢驗法、簡單描述法和三點法進行評價[15]。

表1 茶油氣味評分標準

1.3.5 數據處理

揮發性物質的定性[4]:利用隨機的NIST 11和Wiley標準庫自動檢索各組分質譜結果,只有匹配度大于80%的結果才給予報道;同時結合保留時間計算風味物質的保留指數(RI),參考文獻報道的RI值進行鑒定。保留指數(RI)計算公式為:

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

式中:tx、tn和tn+1分別為被分析組分、碳原子數為n和n+1的正烷烴 (tn

揮發性物質的定量[3]:采用內標法,在樣品中加入20 μL質量濃度為1.142 mg/mL 1,2,3-三氯甲烷甲醇溶液作為內標,風味物質的含量為相當于內標物的相對濃度,計算公式為:

化合物相對濃度=化合物峰面積/內標物峰面積×內標物濃度

相對氣味活度值計算(ROAV)參考Jia等[2]描述的方法進行計算,具體是風味物質的油脂中濃度/風味物質在油脂中閾值,閾值數據參考先前的文獻報道[2, 16-21]。ROAV越大,則該物質對整體風味的影響及貢獻越大;本研究將ROAV≥100的風味物質作為表現不同炒制工藝下油茶籽油感官差異的關鍵揮發性物質[22],同時將出現頻率數作為參考依據[22];主成分分析(PCA)采用SIMCA14.1統計分析軟件處理。

2 結果與分析

2.1 炒制時間對油茶籽油揮發性物質變化影響

不同炒制時間下油茶籽油揮發性物質含量熱圖分析如圖1所示。炒制溫度120 ℃,不同炒制時間(5～25 min)下共鑒定出52種揮發性物質,主要分為氮雜環類、氧雜環類和非雜環類,其中氮雜環類主要包括吡嗪類(3種)和吡咯類(1種),氧雜環類物質主要包括呋喃類(5種)和吡喃類(1種),非雜環類化合物主要包括醛類(14種)、醇類(8種)、酸類(5種)、酯類(3種)、酮類(3種)和烴類(8種)等,主體以醛類、醇類、烴類以及氧雜環類為主。醛類物質中己醛、辛醛、苯乙醛、壬醛和3-甲基丁醛等隨炒制時間的增加波動較大,超過15 min含量增加明顯,其余含量較低且變化不大;吡嗪類如2-甲基吡嗪、2,5-二甲基吡嗪以及呋喃類如糠醛和糠醇從15 min開始出現,而2-戊基呋喃和二羥基-2(3H)呋喃酮等呋喃類物質從5 min就開始生成;部分醇類如3-甲基-1-丁醇、2-甲基-1-丁醇和戊醇以及部分烴類如庚烷、十五烷和苯乙烯雖然含量很低,但是在整個過程中始終存在。這與況小玲等[9, 12, 23]報道的檢測到揮發性物質種類相符,也有研究發現通過微波短時(800 W、10 min)和高溫煎炸(150 ℃、15 min)處理制備的油茶籽油中以雜環類、醛類和醇類為主,雜環類的含量與后兩者含量一致,同時熱風烘烤(120 ℃、120 min)和蒸汽爆破(100 ℃、25 min)處理制備的油茶籽油中以醇類和醛類為主,醇類物質含量是醛類的3～5倍[24]。

不同炒制時間下油茶籽油中各類揮發性物質總量變化如圖2所示。隨著炒制時間的增加,揮發性物質總量逐漸增加,在20 min后趨于平衡,質量分數從約145 mg/kg油茶籽油增加到約227 mg/kg油茶籽油。醛類仍是油茶籽油主要的揮發性物質,質量分數高達60%～70%,占整體揮發性物質的比重隨時間變化不大;氧雜環類是第二大類揮發性組分,隨著時間的增加,質量分數逐漸增加,從17%提高到30%;醇類和烴類是第三大類揮發性組分,質量分數為10%左右,隨著炒制時間的增加含量變化不大;其余組分如酯類物質,隨著炒制時間的增加含量變化不大,而氮雜環類化合物、酮類和酸類隨著炒制時間的增加而增加,質量分數均在3%以下。

圖1 不同炒制時間下油茶籽油揮發性物質含量熱圖分析

表2 不同炒制時間油茶籽油揮發性物質相對氣味活度值(ROAV)

續表2

圖2 不同炒制時間下油茶籽油各類揮發性物質總量變化

不同炒制時間下風味化合物的ROAV如表2所示。風味物質的貢獻度除與ROAV相關外,也與加工過程中出現的頻率數緊密相關。整體上ROAV>100,出現頻數≥3的風味物質共有8種,按照大小順序(取最大值)分別是3-甲基丁醛(1 037,25 min,麥芽味)、(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)、二羥基-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),主要以醛類化合物、氧雜環化合物和酯類化合物為主,風味特征以麥芽味、花香味、杏仁味、青草味、焦糖味和脂肪味為主。

圖3 不同炒制時間下油茶籽油風味香型ROAV變化

通過匯總不同香型風味物質的ROAV總和,對不同炒制時間下油茶籽油風味香型變化進行研究,結果如圖3所示。炒制時間5～25 min下油茶籽油風味香型以麥芽味、水果味、青草味、脂肪味、堅果味、肥皂味、焦糖味為主,辛辣味和焦糊味為輔。隨著炒制時間增加,麥芽味、青草味、辛辣味直線增加,在25 min達到最大;脂肪味、焦糖味、水果味和肥皂味逐漸增加在15 min時達到平衡;堅果味則出現先增加后降低的趨勢,在20 min時達到最大;焦糊味基本無變化。

綜合考慮油脂氧化如大量己醛、庚醛生成和香型變化如辛辣味、糊味出現等因素,選擇炒制時間15 min來對炒制溫度對油茶籽油揮發性風味物質影響進行研究。

2.2 炒制溫度對油茶籽油揮發性物質變化影響

不同炒制溫度下油茶籽油揮發性物質含量熱圖分析如圖4所示。炒制時間15 min,不同炒制溫度(80～160 ℃)下共鑒定出73種揮發性物質,其中醛類16種,酯類11種、氧雜環類物質10種、烴類10種、氮雜環類物質9種,醇類9種,酸類6種和酮類2種,產生了種類更多且含量更高的氮雜環類化合物、氧雜環類化合物以及酯類化合物,炒制溫度相比較炒制時間更能影響油茶籽油的風味特性。

相比較炒制時間,吡嗪類物質種類從3種增加到9種,出現了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類物質,吡嗪類物質整體上從140 ℃開始產生;呋喃類物質相比較炒制時間下種類從6種增加到10種,出現了2-氫-3-羥基-4,4-二甲基-2(3H)呋喃酮、2,5-二甲基-4-羥基-3(2H)-呋喃酮、二羥基-5-戊基-2(3H)-呋喃酮等物質,2-戊基呋喃和二羥基-2(3H)呋喃酮從80 ℃就開始生成,其他呋喃類物質如糠醇從140 ℃開始產生。劉曉君[4]和劉春梅等[25]在花生和油菜籽炒籽末期也檢測到了大量的吡嗪和呋喃類物質,相對含量與本研究結果基本一致。

圖4 不同炒制溫度下油茶籽油揮發性風味物質含量熱圖分析

高溫炒制除了能賦予油茶籽油優良的風味外,也會帶來一些風險因素。溫度超過140 ℃后,糠醛和糠醇開始顯著增加,在180 ℃分別達到15.23、20.29 mg/kg。有研究表明糠醛會使暴露在空氣中的油色加深變成棕紅色,還影響食用安全(大鼠的口服半數致死量為65 mg/kg(以體質量計),FEMA規定如焙烤食品限量17.0 mg/kg),同時糠醇還是可燃助燃的危害品(爆炸極限1.8%～16.3%)[26, 27];此外雜環類化合物的產生大多來自于脂質的氧化降解,炒制溫度超過140 ℃后,醛類物質從125.54mg/kg增加到155.61(160 ℃)和132.85(180 ℃)。因此在實際生產中,應嚴格控制炒制溫度,避免油脂氧化劣變和安全風險因素如糠醛和糠醇等物質的產生。

不同炒制溫度下油茶籽油中各類揮發性物質總量變化如圖5所示。隨著炒制溫度的增加,揮發性物質總量先增加后下降,在160 ℃達到最高,為315mg/kg油茶籽油,比炒制工藝120 ℃、20 min下風味化合物質量分數約為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,可能是這些化合物在高溫下有較強的揮發性所導致的結果[4]。

不同炒制溫度下揮發性物質的ROAV如表3所示。從表3中可知,整體上ROAV>100,出現頻數≥3的風味物質共有11種,與炒制時間下關鍵貢獻風味化合物基本類似,但增加了2-甲基丙醛、2-戊基-呋喃和辛酸,同時ROAV更高,其次3-甲基丁醛、(E)-2-甲基-2-丁酸乙酯和苯乙醛分別增加了50%、200%、50%,按照大小順序(取最大值)分別是3-甲基丁醛(1 568,180 ℃,麥芽味)、(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)、二羥基-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、麥芽味和青草味)、庚醛(135,100 ℃,杏仁味)、2-戊基-呋喃(135,160 ℃,黃油味和青草味)、辛酸(126,120 ℃,奶酪味和脂肪味)。風味特征以麥芽味、花香味、杏仁味、青草味、焦糖味、脂肪味、辛辣味為主。不同炒制溫度下油茶籽油風味香型ROAV總和變化如圖6所示。炒制溫度80～180 ℃下油茶籽油風味香型以麥芽味、水果味、青草味、脂肪味、焦糖味、堅果味和肥皂味為主,辛辣味、燒烤味和焦糊味為輔。隨著炒制溫度增加,麥芽味、水果味、辛辣味逐漸增加,均在160 ℃時達到最大;燒烤味從140 ℃時開始出現,160 ℃逐漸下降,180 ℃又逐漸上升;脂肪味和肥皂味逐漸降低,均在180 ℃達到最低;青草味、焦糖味和堅果味均在140 ℃或160 ℃時達到最大后再下降;焦糊味所有溫度下均存在且基本無變化。

圖5 不同炒制溫度下油茶籽油各類揮發性物質含量的變化

表3 不同炒制溫度油茶籽油揮發性物質相對氣味活度值(ROAV)

綜合考慮油脂氧化劣變、安全風險以及香型變化規律,選擇炒制溫度140 ℃和炒制時間15 min作為較佳的油茶籽油炒制工藝。

圖6 不同炒制溫度下油茶籽油風味香型ROAV變化

2.3 不同炒制工藝油茶籽油揮發性物質PCA分析

為進一步了解不同炒制工藝對油茶籽油整體揮發性物質的影響,采用PCA方法對不同炒制工藝下油茶籽油樣品風味特征進行區分,數據處理結果如圖7所示。從圖7a可以看出,第一主成分和第二主成分的方差貢獻率分別為58.30%和15.60%,累積方差貢獻率為73.90%,說明2個主成分能較好的解釋不同樣本的主要特征信息。10個樣品被分為4個區域,其中120 ℃—5 min、120 ℃—10 min和120 ℃—15 min均位于第一象限,且距離較近,特別是120 ℃—5 min和120 ℃—10 min兩者幾乎重合,說明兩者的揮發性物質組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分別位于第一象限和第三象限,兩兩之間距離非常近,風味特征區別不明顯;此外140 ℃-15 min和160 ℃-15 min的PC1值較接近,而180 ℃-15 min的PC1值最大,這3個工藝明顯區別于炒制工藝上的油茶籽油樣品。

注:炒制工藝下鑒定出的73種揮發性物質和8大類風味化合物總量按照吡嗪類、呋喃類、醛類、醇類、酸類、酯類、酮類、烴類依次從A1～H進行編號。圖7 不同炒制工藝油茶籽油揮發性物質主成分分析

圖7b中展示的是73種揮發性物質和8大類風味物質的 PC1-PC2二維判別圖。對PC1(58.30%)具有明顯貢獻的揮發性物質依次為氧雜環化合物、苯乙醛、氮雜環化合物、醛類化合物、2,5-二甲基吡嗪、己醛、糠醇、3-甲基丁醛、2,3-二甲基-3,5-二羥基-6-甲基-4H-吡喃-4-酮、糠醛,主要為氧雜環化合物、氮雜環化合物和醛類化合物,物質風味特征主要是焦糖味、水果味、花香味、蜂蜜味、堅果味、烘烤味、青草味、麥芽味、脂肪味,是油茶籽油風味的重要貢獻成分,與炒制時間和炒制溫度下油茶籽油關鍵風味物質特征一致;對PC2(15.60%)具有明顯貢獻的揮發性物質苯乙烯、烴類化合物、酮類化合物、醇類化合物、2-甲基-1-丁醇,這些物質風味特征是甜香味、牛奶味、肥皂味、脂香味、酒味、洋蔥味,這些物質是油茶籽油風味的重要修飾成分。

2.4 感官評價研究

2.4.1 喜好度評價

采用直觀喜好度對10種炒制工藝制備的油茶籽油進行評價,具體得分如圖8所示。隨著溫度增加,得分出現先升高后下降的趨勢,其中4號(140 ℃—15 min)的平均得分最高,被認為所有油樣中香氣最濃郁、清新、最具純正油茶籽油特征風味,溫度超過140 ℃后感官評價得分大幅下降,可能原因是過度炒制導致油脂整體風味不佳,這與氣質分析揮發性物質得到的較佳的炒制工藝結論保持一致。

注:1號為80 ℃—15 min,2號為100 ℃—15 min,3號為120 ℃—15 min,4號為140 ℃—15 min,5號為160 ℃—15 min,6號為180 ℃—15 min,7號為120 ℃—5 min,8號為120 ℃—10 min,9號為120 ℃—20 min,10號為120 ℃—25 min,下同。圖8 油茶籽油感官評價得分

2.4.2 風味雷達圖

圖9為10種炒制工藝制備的油茶籽油風味描述雷達圖。從圖9a中可知,隨著炒制溫度從80 ℃增加到180 ℃,風味輪廓逐漸變大,其中4號140 ℃的堅果味、水果味和青草味得分最高,5號160 ℃的泥土味得分最高,6號180 ℃的焦糊味、辛辣味和青草味得分最高,溫度低于140 ℃,主要以水果味、青草味和辛辣味為主。從圖9b中可知,隨著炒制時間從5 min增加到25 min,風味輪廓主要集中在辛辣味、堅果味、青草味和泥土味上,只有8號120 ℃的水果味得分最高,10號25 min時的堅果味、青草味和焦糊味得分最高,9號20 min時的辛辣味、泥土味和青草味得分最高。

圖9 不同炒制工藝下油茶籽油風味描述雷達圖

2.4.3 三點法

表4展示的是不同炒制工藝下的三點實驗法結果?？梢钥闯?3號樣品(120 ℃—15 min)和4號樣品(140 ℃—15 min)間、5號樣品(160 ℃—15 min)和8號樣品(120 ℃—5 min)以及7號樣品(120 ℃—5 min)和9號樣品(120 ℃—20 min)之間差異顯著,區分度達到90%以上,能夠很好地區別開來,從圖9中得分差異也能得到較好解釋。6號樣品(180 ℃—15 min)和10號樣品(120 ℃—25 min)之間的區別不明顯,兩者均具有很濃的堅果味,很濃的青草味,很濃的辛辣味,稍微的蜂蜜味和焦糊味。

表4 三點實驗法結果

3 結論

采用全自動樣品前處理系統(CTC)-頂空固相微萃取(HS-SPME)結合氣相色譜-質譜聯用(GC/MS)技術對油茶籽炒制過程中揮發性物質進行分析和鑒定,并結合感官評價對炒制過程中油茶籽油的風味特征進行分析:不同炒制工藝下共定性和定量揮發性物質73種,其中醛類物質種類最多(14～16種),質量分數最高(50%～70%);炒制溫度相比較于炒制時間,可顯著提高呋喃類和吡嗪類化合物的種類和含量以及酯類化合物的種類;鑒定出對油茶籽油整體風味關鍵貢獻的風味物質(ROAV≥100)共11種,按照貢獻度大小分別是3-甲基丁醛、(E)-2-甲基-2-丁酸乙酯、苯乙醛、2-甲基丁醛、己醛、二羥基-2(3H)呋喃酮、辛醛、2-甲基丙醛、庚醛、2-戊基-呋喃、辛酸;高溫長時有利于麥芽味、水果味、青草味、燒烤味和堅果味的風味物質的生成,低溫短時更有利于脂肪味、焦糖味、水果味風味物質的生成;通過主成分分析(PCA)分析,炒制工藝140 ℃—15 min、160 ℃—15 min和180 ℃—15 min下的油茶籽油樣品風味特征明顯區別于其他工藝,具有貢獻的風味化合物主要為呋喃類化合物、醛類化合物和吡嗪類化合物;綜合考慮油脂劣變、風險因素以及感官評價,炒制溫度140 ℃和炒制時間15 min是較佳的油茶籽油炒制工藝,制備的油茶籽油風味最濃郁、清新、最具純正茶油特征香氣,辛辣味、堅果味、青草味、水果味是熱榨油茶籽油最具代表性的風味特征。