高壓蒸制-焙烤處理對甜蕎粉風味物質的影響

楊舒婷,孫冰華,李崢,王曉曦

(河南工業大學 糧油食品學院,河南 鄭州,450000)

甜蕎(FagopyrumesculentumMoench)又名普通蕎麥,是一種在我國廣泛種植的小宗雜糧作物[1-2]。甜蕎富含多種營養成分,氨基酸組成豐富,具有很高的營養價值,可作為主食[3]。目前關于甜蕎的研究主要集中在營養品質方面,其風味作為蕎麥基食品的重要品質也日益受到關注。劉東旭等[4]指出,甜蕎籽粒不同部位的揮發性成分存在差異,相較于甜蕎胚乳,蕎麥殼及蕎麥麩皮中的風味物質更加豐富、濃郁。JANE等[5]通過GC-MS對甜蕎中揮發性成分進行鑒定,發現對甜蕎香氣貢獻較大的化合物為水楊醛、苯乙醛、2,5-二甲基-4-羥基-3(2H)-呋喃酮、(E,E)-2,4-癸二烯醛、癸醛、(E)-2-壬烯醛等。

高壓蒸汽(high pressure steam, HPS)處理是一種利用高壓條件的飽和蒸汽將谷物快速熟化的生產工藝[6],屬于典型的對流傳熱和導熱[7]。相關研究指出,甜蕎經HPS處理后,蕎麥殼中的揮發性物質會轉移到蕎麥籽粒中,增加蕎麥的風味[8-9]。但是HPS處理后的甜蕎水分含量較高,不利于蕎麥后續的貯藏或再加工。焙烤是指在物料燃點之下通過干熱的方式使物料脫水變干的過程,屬于典型的輻射傳熱[10]。在輻射熱的作用下谷物或食品物料中的淀粉、蛋白、脂肪等發生自身的熱分解或相互作用(如美拉德反應等)而產生一些揮發性物質,從而獲得令人愉悅的風味[11]。目前,食品工業中常用的焙烤方式有2種:一種是高溫短時焙烤(high temperature short-time roasting, HTSR),一種是低溫長時焙烤(low-temperature long-time roastin, LTLR)。研究表明,HTSR是通過高溫快速降低物料中的水分,伴隨發生水解、氧化、還原和其他熱解反應,產生特有的焦香風味和香氣,主要成分有呋喃、呋喃酮、吡嗪等[12]。低溫長時焙烤對物料的風味也存在一定的影響,楊玉等[13]利用LTLR(烘箱低溫干燥)處理后,發現物料中苯環類物質含量較高,但揮發性成分種類較少。而焙烤過程也是一個物料脫水的過程,極易產生焦糊味,不利于產品品質的穩定與提升?；诖?推測若使用高壓蒸汽和焙烤聯合處理甜蕎,不但可以解決高壓蒸汽處理后水分過高帶來的貯藏安全問題,同時也有可能避免因物料的高水分而在焙烤過程中產生焦糊味道。

本論文分別以高壓蒸汽-高溫短時焙烤(HPS-HTSR)處理、高壓蒸汽-低溫長時焙烤(high-pressure steam-low-temperature long-time roastin, HPS-LTLR)處理的甜蕎粉為研究對象,對其進行全粉碎,采用固相微萃取(solid-phase microextraction,SPME)的方式萃取甜蕎粉中的揮發性成分,通過GC-MS聯用技術的手段分離鑒定甜蕎粉中的揮發性風味物質,并以HPS處理的甜蕎粉作為對照,采用內標法計算揮發性成分的含量,對甜蕎風味物質中的關鍵組分進行主成分分析(principal component analysis,PCA),以探明高壓蒸汽聯合焙烤處理對甜蕎粉風味物質的影響規律,為甜蕎基風味食品的開發提供加工思路和理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

實驗材料:甜蕎,購自定邊縣塞雪糧油工貿有限責任公司。

實驗試劑:C5～C32正構烷烴,美國o2si smart solutions;2-辛醇(標準品),上海安譜璀世標準技術服務公司;二氯甲烷(色譜純)、正己烷(色譜純),天津市科密歐化學試劑有限公司;無水硫酸鈉(分析純),天津市恒興化學試劑制造有限公司。

1.2 儀器與設備

7890B GC-5977A MS氣質聯用儀、HP-5 ms色譜柱(30.m×0.25 mm×0.25 μm),美國安捷倫科技有限公司;50/30 μm DVB/CAR/PDMS萃取頭,美國索萊寶公司;XFS-260手提式壓力蒸汽滅菌鍋,上海尚普儀器設備有限公司;DHG-9055A電熱鼓風干燥箱,上海一恒科學儀器有限公司;gene cafe CBR-101咖啡烘焙機,韓國創世紀實業有限公司;LG-01高速粉碎機,延安市百信制藥機械有限公司;DH888精米機,日本佐竹株式會社。

1.3 實驗方法

1.3.1 樣品制備

甜蕎除雜、潤麥,調質水分含量達到17%,保存于自封袋中待用。

HPS處理的樣品:采用高壓蒸汽滅菌鍋對上述潤麥后的甜蕎進行HPS處理,處理時間分別為10、15、20、25、30 min;處理后的甜蕎使用精米機脫殼,高速粉碎機粉碎,過80目篩后立即裝入萃取瓶中,待測。

HPS-HTSR處理的樣品:取上述高壓蒸汽蒸制20 min后脫殼的甜蕎籽粒,置于170 ℃咖啡烘焙機中,分別焙烤10、15、20、25、30 min后取出,粉碎過80目篩后立即裝入萃取瓶中,待測。

HPS-LTLR處理的樣品:取上述高壓蒸汽蒸制20 min后脫殼的甜蕎籽粒,置于70 ℃烘箱中,分別焙烤2、4、6、8、10 h,每隔1 h手動翻動1次,以保證物料均勻受熱,達到焙烤時間取出,粉碎過80目篩立即裝入萃取瓶中,待測。

1.3.2 揮發性風味物質[14]

SPME條件:稱取2.0 g樣品至15 mL頂空萃取瓶中,加入2 μL 200 mg/L的內標物2-辛酮,采用隔墊迅速密封。將頂空瓶置于60 ℃水浴條件下預熱平衡10 min。將SPME萃取針頭插入頂空瓶,60 ℃水浴條件下,頂空萃取60 min。迅速將萃取針插入氣相色譜儀進樣口,260 ℃條件下解吸30 s后,拔出萃取針頭,進行GC-MS檢測。

GC條件:毛細管柱為HP-1701(30 m×0.25 mm,0.25 μm);前進樣口溫度260 ℃;載氣He;流速1.0 mL/min;不分流模式進樣;程序升溫:柱溫初始50 ℃,保持4 min,以3 ℃/min升至100 ℃,以10 ℃/min升至260 ℃,保持10 min。

質譜條件:采用電子電離模式,電子能量70 eV;離子源溫度230 ℃,四級桿溫度150 ℃;質量掃描范圍50～550m/z。

1.3.3 風味組分的定性及定量分析

1.3.3.1 定性分析

利用GC-MS聯用儀工作站的自動解卷積系統與NIST14質譜庫結合化合物保留指數(retention index,RI)對揮發性風味物質進行鑒定

將C5～C32系列正構烷烴混合標準品在與樣品相同的色譜、質譜條件下進樣,記錄保留時間,RI計算如公式(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,正構烷烴的碳原子數;t,正構烷烴的保留時間,且tR(Z)

1.3.3.2 定量分析

采用內標法,通過計算物質峰面積與內標物2-辛醇峰面積比值關系得物質的相對含量,計算如公式(2)所示:

(2)

式中:M,物質相對含量,ng/g FW;S物,物質峰面積;m物,選取樣品質量,g;2×10-3,內標物的體積,mL;0.2,內標物質量濃度,g/mL。

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

計算樣品中各組分的OAV,如公式(3)所示:

(3)

OAV是用來評價香氣化合物對樣品風味呈獻的貢獻程度,通常認為OAV>1的物質對樣品風味有貢獻,OAV>10的物質認為是重要香氣物質[16]。

1.3.5 數據處理

采用Origin 2018和SPSS 22.0進行圖像繪制及數據處理。試驗重復3次。

2 結果與分析

2.1 處理后的甜蕎的揮發性成分

根據GC-MS分析,共鑒定出揮發性風味物質50種,各處理后甜蕎揮發性物質相對含量見圖1、圖2、表1～表3。HPS處理后的甜蕎中主要揮發性風味物質鑒定出42種,HPS-HTSR處理后的甜蕎中的揮發性風味物質鑒定出41種,經過HPS-LTLR處理過的甜蕎中,鑒定出5種揮發性風味物質。這些化合物中主要包括烷烴類、醛類、萜烯類、呋喃類、稠環芳烴等物質。其中HPS處理后的甜蕎中,醛類物質和萜烯類物質的含量和種類最多,酚類物質的含量最少;HPS-HTSR處理后的甜蕎中,醛類、萜烯類以及吡嗪類物質的含量比較多,酚類和酯類的含量最少;HPS-LTLR處理后的甜蕎中的風味物質只剩下醛類和萜烯類物質。

圖1 HPS處理后甜蕎中揮發性物質相對含量Fig.1 Relative content of volatile substances in common buckwheat after HPS treatment

a-HPS-HTSR;b-HPS-LTLR圖2 HPS-HTSR處理和HPS-LTLR處理后甜蕎的揮發性物質相對含量Fig.2 Relative content of volatile substances of common buckwheat after HPS-HTSR treatment and HPS-LTLR treatment

醛類化合物可以看作是不飽和脂肪的氧化以及蛋白質的降解產物,具有較低的閾值,相對含量較高的小分子醛對甜蕎的風味形成貢獻很大。在HPS處理后的蕎麥中,共檢測出了9種醛類物質。在前人的研究中,確定了甜蕎的關鍵性風味物質為水楊醛,其次為己醛、壬醛、辛醛等[16]。水楊醛具有苦杏仁的味道、己醛具有青草香氣、壬醛具有油脂氣味和甜橙的味道、辛醛具有水果的香氣[4]。而經過HPS處理后,水楊醛的含量隨時間的增加逐漸降低,經過HPS-HTSR和HPS-LTLR處理后,水楊醛的含量顯著下降,其中LTLR處理后的下降更為顯著;己醛含量在HPS處理后有一個先升高后降低的趨勢,而經過HPS-HTSR處理后的含量顯著下降。壬醛的含量隨時間的增加在處理時間為15 min時達到最高,然后小幅下降,而在HPS-HTSR和HPS-LTLR處理后的趨勢與水楊醛一致,顯著下降;而辛醛未檢出。在醛類物質中,反式-2-壬烯醛的氣味是讓人難以接受的紙板味,經過HPS-HTSR處理后其含量顯著降低?？偟膩碚f,醛類物質賦予甜蕎清香、果香以及油脂的香氣。

萜烯類物質也是對高壓蒸制后甜蕎風味貢獻較大的物質。萜烯類物質屬于不飽和化合物,通常具有芳香氣味。在前人的研究中,萜烯類物質大多存在與甜蕎的麩皮及外殼中[4],可以得到的是,經過高壓蒸制處理后,甜蕎殼中的風味物質轉移至蕎麥籽粒上,增加了蕎麥粉的風味。在HPS以及HPS-HTSR處理的甜蕎中,共有12種萜烯類物質,其中,(+)-白菖油萜具有香甜的氣味,在HPS處理20 min時,顯著增加,然后小幅度降低。(E)-α-佛手柑烯具有果香,(+)-香橙烯具有揮發性香辛的味道,香樹烯具有花香和水果的香氣,(-)-α-蓽澄茄油烯具有令人愉悅的樟木香。

烷烴類物質閾值較高,對整體風味幾乎沒有影響。醇類物質只檢測出1-辛烯-3-醇,閾值較低,具有蘑菇香和蔬菜香,對甜蕎的風味有一定的貢獻。酚類物質2,4-二叔丁基苯酚,閾值較高,對整體風味影響不大。鄰苯二甲酸二異丁酯具有水果香。其中,醇類化合物1-辛烯-3-醇是一種具有豆腥味的醇類物質,隨著蒸制時間的增加,含量逐漸減少。2-庚酮,具有甜味、果味、脂肪味[17],經HPS-HTSR處理后含量增加。

吡嗪類物質是一種美拉德反應產物,具有爆米花香和堅果香[18],含量隨著HTSR處理時間的增加而增加。吡嗪類物質的閾值極低,為樣品提供明顯的焦香的風味[19]。

總體來說,HPS處理后的甜蕎具有醛類的甜橙香和青草香以及萜烯類物質的香甜的水果香和樟木香;經HPS-HTSR處理后的甜蕎中具有較HPS處理后相同但較為稀薄的甜蕎香氣,但增加了吡嗪類物質的烤堅果的香氣;經過HPS-LTLR處理后的甜蕎的香氣更加微弱。

2.2 揮發性物質PCA

運用SPSS對揮發性風味物質進行PCA,結果如表4所示。按照主成分選取標準,其中第1主成分貢獻率為70.918%,第2主成分貢獻率為18.35%,第3主成分貢獻率為3.425%,三者累計方差貢獻率為92.69%,基本可以解釋原變量的所有變異信息。

表4 PCA總方差解釋Table 4 Total variance explained by PCA

主成分的載荷矩陣反映了各風味物質對不同主成分的貢獻大小以及貢獻方向[20],見表5。在主成分1中,貢獻率較大的揮發性成分依次為(+)-白菖油萜、α-姜黃烯、水楊醛、β-倍半水芹烯、反式卡拉門烯、(-)-α-蒎烯、(-)-α-蓽澄茄油烯、2-甲氧基苯甲醛、1-辛烯-3-醇、2-異丁基哌嗪、棕櫚酸甲酯、7-甲基壬烷、香樹烯、鄰苯二甲酸二異丁酯、月桂醛、2-甲基萘、己醛、硬脂酸、棕櫚酸、癸醛、2-正戊基呋喃、α-姜油烯、β-姜黃烯、壬醛、(E)-α-佛手柑烯、(+)-香橙烯這些物質,說明主成分1主要是反應了這26種物質的綜合信息;在主成分2中,貢獻率較大的揮發性成分依次是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-庚酮這5種物質,說明主成分2主要由這些物質的決定;在主成分3中,貢獻率較大的是反式-2-壬烯醛,說明主成分3主要受反式-2-壬烯醛的影響。

表5 成分載荷矩陣Table 5 Component loading matrix

由圖3可知,HPS處理后的甜蕎風味與HPS-HTSR處理后的甜蕎風味具有重合的部分,但HPS處理后的風味更貼近與PCA1,而HPS-HTSR處理后的甜蕎的風味更接近與PCA2。對HPS和HPS-LTLR處理后的甜蕎風味來說,HPS-LTLR的風味包含在HPS處理后的甜蕎中。而2種焙烤處理后的甜蕎的風味,不具有相似性,風味差別較大。圖4中的物質代號如表5所示。

圖3 處理后甜蕎揮發性物質PCA得分圖Fig.3 PCA score of common buckwheat volatiles after treatment

圖4 處理后甜蕎香氣化合物PCA載荷圖Fig.4 PCA loadings of common buckwheat volatiles after treatment

對經過不同處理后的甜蕎的50種揮發性物質進行PCA,得分表如表6所示。根據主成分特征向量以及標準化后的指標計算出各主成分的得分情況(Y1～Y3),以各主成分對應的貢獻率為權重,故綜合評價模型為:Y=0.73Y1+0.17Y2+0.04Y3,根據模型計算出不同處理后的甜蕎風味的綜合總得分,可以看出HPS處理后的甜蕎風味最佳,HPS-HTSR次之。

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

2.3 揮發性物質OAV分析

不同處理后的揮發性物質含量一定時,閾值越大,越不容易被人體的嗅覺感知[21]。采用計算各組分的OAV的方法來評價各揮發物對與樣品主體成分的貢獻。OAV越大,對樣品的香氣成分貢獻越大。不同處理方式后的甜蕎中主要揮發性成分及閾值如表7、表8所示,其中閾值為文獻參考值[22-23]。

表7 HPS處理后的甜蕎OAV及香氣描述Table 7 OAV and aroma description of common buckwheat after HPS treatment

表8 兩種焙烤處理后的甜蕎OAV及香氣描述Table 8 OAV and aroma description of common buckwheat after two roasting treatments

對HPS樣品來說,對風味貢獻程度較大的物質有己醛、水楊醛、壬醛、癸醛、1-辛烯-3-醇以及2-甲基萘,這些物質OAV>10,賦予甜蕎青草香、油脂香、柑橘香以及甜香等氣味;對風味產生一定貢獻的有庚醛、月桂醛、2-正戊基呋喃、萘、(-)-α-蒎烯等物質,這些物質的OAV在不同HPS處理后均大于1。多數揮發性風味物質的OAV在經HPS處理15 min的甜蕎中較大,可以認為在HPS處理的過程中,15 min時風味較為濃郁,除反式-2-壬烯醛對甜蕎風味的影響為消極外,其余大多數揮發性物質對甜蕎的風味均有積極的影響。對HPS-HTSR樣品來說,水楊醛、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,賦予甜蕎柑橘香、脂肪香的同時也增加了堅果香、燒烤香,并隨著焙烤時間的增加,焙烤特有的香氣貢獻增加。除吡嗪類物質外,其余的揮發性風味物質的OAV較經HPS處理后,均為下降的趨勢,而吡嗪類物質隨焙烤的時間增加,OAV增加,可以得出經過HTSR處理后的甜蕎的風味不如HPS處理后的風味濃郁,但增加了烤香,且反式-2-壬烯醛的風味基本散失,對甜蕎的風味具有積極的影響。由于長時間的低溫焙烤,甜蕎中的風味物質散失較多,對HPS-LTLR樣品來說,對甜蕎風味產生貢獻的物質為水楊醛和壬醛?？偟膩碚f,對HPS樣品來說,OAV>1的物質有:己醛、庚醛、水楊醛、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;對HPS-HTSR來說,OAV>1的物質有:己醛、水楊醛、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;對HPS-LTLR樣品來說,OAV>1的物質有:水楊醛和壬醛。不同處理方式下的甜蕎的風味,以HPS處理后的揮發性風味物質保留效果最好,但經過HPS-HTSR處理后的甜蕎中的揮發性風味物質的保留雖不如HPS處理后的甜蕎樣品,但增加了焙烤特有的烤香,對甜蕎的風味有積極的影響,而HPS-LTLR處理后的甜蕎中的揮發性風味物質的保留最少。

3 結論

通過固相微萃取結合氣質聯用的方法,分別對經過高壓蒸汽處理、高壓蒸汽-高溫短時焙烤處理、高壓蒸汽-低溫長時焙烤處理甜蕎粉的揮發性成分進行分析。通過NIST庫中的標準光譜以及RI值對揮發性成分進行定性,共鑒定出揮發性成分50種,其中HPS處理后鑒定出的42種,HPS-HTSR鑒定出41種,HPS-LTLR鑒定出5種。通過PCA可以得到,HPS的香氣豐富程度較高,與HPS-HTSR的風味有相似的部分也有不同的部分,差別主要在與吡嗪類物質,而HPS-LTLR的香氣成分由于長時間的處理,散失的比較多,僅剩的一些可以鑒定出的揮發性成分包括在HPS的風味物質中,但是不如HPS處理后的風味濃郁。通過OAV的計算,得到不同處理方式后的甜蕎的關鍵風味物質,其中,HPS處理后的為己醛、庚醛、水楊醛、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處理后的為:己醛、水楊醛、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的為水楊醛和壬醛。