白 潔,蔣華彬,陶國琴,張小飛,李玉美,彭義交

(北京食品科學(xué)研究院,北京 100068)

馬鈴薯在我國己有400多年的栽培歷史,是繼小麥、水稻和玉米之后的第4大栽培作物[1]。馬鈴薯具有豐富的營養(yǎng)價(jià)值,富含淀粉、脂肪、蛋白質(zhì)、氨基酸、維生素、粗纖維、礦物質(zhì)等營養(yǎng)成分且構(gòu)成合理,其中含人體需要而又無法合成的8 種氨基酸,并且含有谷類糧食所沒有的胡蘿卜素和抗壞血酸,對于預(yù)防高血壓、壞血病以及調(diào)節(jié)身體酸堿平衡有一定的作用,在國外有“地下蘋果”之美稱[2-3]。近年來,隨著馬鈴薯“主食化”的提出,我國加大了馬鈴薯種植和系列食品的研發(fā)力度。目前國內(nèi)己成功研發(fā)出馬鈴薯面條、餅干和饅頭等食品,但馬鈴薯方便粥類食品制作工藝還有待進(jìn)一步深入。國內(nèi)外學(xué)者和企業(yè)多采用凍干或凍干配合熱風(fēng)干燥等技術(shù)加工方便粥,生產(chǎn)成本較高,少數(shù)采用低溫螺桿擠壓法制備方便粥[4-9],但產(chǎn)品復(fù)水性差,復(fù)水時間長。因此研究一種食用方便,復(fù)水率高、復(fù)水時間短的高占比薯類方便粥加工關(guān)鍵技術(shù)很有必要。

氣流膨化技術(shù)是一種新型的先進(jìn)膨化技術(shù),其最大特點(diǎn)是可滿足包括原顆粒物料和重組物料等多種形狀大小的物料無油、連續(xù)膨化加工,物料受熱時間短,營養(yǎng)保持好,是一種應(yīng)用前景廣闊的多功能加工技術(shù)[10-11]。目前國內(nèi)外關(guān)于氣流膨化的研究主要集中在工藝優(yōu)化、產(chǎn)品品質(zhì)以及加工特性等方面。Nath等[12-13]采用響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化了高溫短時氣流膨化加工馬鈴薯即食食品的工藝,同時研究了氣流膨化加工參數(shù)對馬鈴薯-大豆即食休閑食品品質(zhì)的影響;Zapotoczny等[14]研究了氣流膨化溫度對莧菜籽理化特性、營養(yǎng)及功能特性的影響;劉曉娟等[15]采用高溫短時氣流膨化技術(shù)處理薏米從而縮短了薏米蒸煮時間;郭怡琳[16]研究了氣流膨化對黑小麥麩皮膳食纖維及其抗氧化特性的影響。但采用氣流膨化工藝開發(fā)方便粥的研究較少,劉明等[17]采用擠壓結(jié)合二次膨化技術(shù)開發(fā)出玉米速食粥;呂曉蓮[18]采用雙螺桿擠壓結(jié)合氣流膨化技術(shù)開發(fā)核桃谷物早餐食品,說明氣流膨化技術(shù)加工馬鈴薯方便粥的可行性。氣流膨化技術(shù)可賦予食品一種特殊香味,從而改善物料的感官指標(biāo)。因此,本研究采用氣流膨化技術(shù)進(jìn)一步處理雙螺桿擠出法制備的馬鈴薯方便粥,研究氣流膨化處理對馬鈴薯方便粥香氣成分的影響,以期為氣流膨化處理在馬鈴薯方便粥產(chǎn)品的應(yīng)用提供借鑒與參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大米(產(chǎn)地黑龍江) 市購;馬鈴薯全粉(品種大西洋) 內(nèi)蒙古凌志馬鈴薯科技股份有限公司;2-甲基-3-庚酮(色譜純) 美國Sigma-Aldrich公司。

1.2 儀器與設(shè)備

QP2020型氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀 日本島津公司;SPME手動進(jìn)樣手柄、50/30 μm DVB/CAR/PDMS萃取頭美國Supelco公司;HJ-5恒溫磁力攪拌器 江蘇金壇榮華儀器制造有限公司。

1.3 方法

1.3.1 馬鈴薯方便粥制備

馬鈴薯方便粥加工工藝:大米→粉碎→過篩(60 目)→添加馬鈴薯全粉→調(diào)質(zhì)→雙螺桿擠壓→氣流膨化處理→馬鈴薯方便粥。

上述工藝中馬鈴薯全粉添加量為55%,雙螺桿擠壓加工參數(shù)為末區(qū)溫度115 ℃、螺桿電機(jī)頻率24 Hz、喂料電機(jī)頻率12 Hz、水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)12%。

1.3.2 氣流膨化處理

采用氣流膨化技術(shù)對經(jīng)擠壓處理的馬鈴薯方便粥樣品進(jìn)行處理,研究不同氣流膨化條件對馬鈴薯方便粥香氣成分的影響,氣流膨化處理?xiàng)l件為110、130、150、170 ℃分別處理30 s以及130 ℃分別處理30、40、50 s、60 s,分別標(biāo)記為110/30、130/30、150/30、170/30、130/40、130/50、130/60,并將米粒破碎備用,以未經(jīng)氣流膨化處理的樣品作對照,標(biāo)記為0/0。

1.3.3 頂空固相微萃取

先將萃取頭在氣相色譜的進(jìn)樣口于250 ℃老化至無雜峰。取2.0 g樣品于20 mL頂空瓶中,蓋緊樣品瓶蓋,放入60 ℃恒溫水浴中預(yù)熱10 min,將萃取頭插入樣品瓶的頂空,使纖維頭與樣品保持1.5 cm左右,萃取溫度60 ℃,萃取時間40 min,萃取結(jié)束時從樣品瓶中拔出萃取頭,立即插入氣相色譜儀的進(jìn)樣口。

1.3.4 氣相色譜-質(zhì)譜測定

色譜條件:Rtx-Wax色譜柱(30 m×0.25 mm,0.25 μm);進(jìn)樣口溫度250 ℃;解吸時間5 min;載氣為高純氦氣,流量1.0 mL/min,不分流。程序升溫:起始溫度40 ℃,保持2 min;以2 ℃/min升至100 ℃;以3 ℃/min升至130 ℃,保持1 min;再以10 ℃/min升至220 ℃保持1 min。

質(zhì)譜條件:接口溫度250 ℃;離子源溫度230 ℃;電子能量70 eV;質(zhì)量掃描范圍33～450 u,溶劑延遲時間2 min。

1.3.5 定性與定量

假定本工作中出現(xiàn)的群皆為有限群,所用到的一系列符號與定義如下.V(Γ),E(Γ)分別表示圖Γ的頂點(diǎn)集合與邊集合.設(shè)G為有限群,用P(G)以及P?(G)分別表示群相應(yīng)的冪圖與真冪圖,其中真冪圖是冪圖去掉單位元頂點(diǎn)后所誘導(dǎo)的子圖.K5為5個點(diǎn)的完全圖,K3,3為由兩個含3個元素的集合構(gòu)成的二部圖.此外,設(shè)Γ1,Γ2為兩個圖,則Γ1∪Γ2表示以V=V(Γ1)∪V(Γ2)為新的頂點(diǎn)集,以 E=E(Γ1)∪E(Γ2)為新的邊集所得到的圖;Γ1+ Γ2表示在Γ1

定性方法:對檢測的香氣成分通過NIST08譜庫進(jìn)行檢索,僅當(dāng)正反匹配度均大于800的鑒定結(jié)果才予以確認(rèn),并結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)予以進(jìn)一步確認(rèn)。

定量方法:采用內(nèi)標(biāo)法定量,將0.4 μL的內(nèi)標(biāo)物2-甲基-3-庚酮(0.52 μg/μL)加入到馬鈴薯方便粥樣品中,運(yùn)用面積歸一化法,計(jì)算各香氣成分峰面積與內(nèi)標(biāo)峰面積之比,每個樣品重復(fù)實(shí)驗(yàn)3 次。

1.4 數(shù)據(jù)處理

本實(shí)驗(yàn)采用Excel 2010、Orgin 8.5以及Matlab 2019a軟件進(jìn)行繪圖,采用SPSS 20.0軟件進(jìn)行主成分分析(principal component analysis,PCA)及顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 未經(jīng)氣流膨化處理的馬鈴薯方便粥香氣成分分析

如表1所示,經(jīng)氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用檢測出未經(jīng)氣流膨化處理(0/0)的馬鈴薯方便粥含有50 種香氣成分,主要分為8 類,其中醛類12 種(占總檢出物質(zhì)的14.55%)、烴類7 種(49.40%)、醇類7 種(4.30%)、酮類6 種(4.72%)、雜環(huán)化合物5 種(10.53%)、酯類5 種(5.33%)、酸類4 種(6.29%)以及其他類4 種(4.89%)。張輝[19]對馬鈴薯復(fù)配米的研究表明,馬鈴薯復(fù)配米風(fēng)味物質(zhì)為烴類、醇類、碳?xì)浼暗趸衔?Jansky[20]在馬鈴薯風(fēng)味成分研究中鑒定出13 類化合物,包括醛、酯、酮、醇、酸、烷烴以及吡嗪類;劉敏等[21]研究認(rèn)為大米主要香氣成分為烴、醛、酯類,且相對含量以烴類最高。本研究結(jié)果表明烴類、醛類、雜環(huán)化合物(以吡嗪類為主)是馬鈴薯方便粥的主要香氣組成,這是馬鈴薯和大米2 種原料的香氣成分共同作用的結(jié)果,與上述研究基本相似。

根據(jù)Guadagni香氣值理論,食品中香氣濃度高而閾值低的成分很可能是食品的特征香氣,常用香氣值(香氣成分的濃度與其閾值之比值)表示呈香物質(zhì)在香氣中起作用的強(qiáng)度,當(dāng)香氣值＜1時,說明該物質(zhì)沒有引起人們嗅覺器官的嗅感;當(dāng)香氣值＞1時,這種香氣可能對食品香氣的貢獻(xiàn)和影響較大。因此,本研究把香氣值不小于1作為馬鈴薯方便粥特征香氣成分的判別標(biāo)準(zhǔn)。

表1 不同氣流膨化處理馬鈴薯方便粥的香氣成分及其含量Table 1 Contents of aromatic components identified in potato incorporated congee with different explosion puffing treatments

表2 未經(jīng)氣流膨化處理的馬鈴薯方便粥特征香氣成分的閾值、含量、香氣值及其嗅覺描述Table 2 Odor thresholds, concentrations, aroma values and odor description of characteristic aromatic components in potato incorporated congee without explosion puffing treatment

2.2 氣流膨化處理的馬鈴薯方便粥香氣分析

圖1 氣流膨化處理馬鈴薯方便粥香氣組分種類及含量Fig. 1 Various chemical classes of aromatic components and their contents in potato incorporated congee with explosion puffing treatment

如表1、圖1所示,空白樣0/0檢測出香氣成分50 種,氣流膨化處理后馬鈴薯方便粥的香氣成分伴隨著增加或消失,香氣組成和含量發(fā)生變化,新增香氣成分12 種,香氣組成也從以烴類物質(zhì)為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐噪s環(huán)化合物(吡嗪類)與醛類為主,其中150/30、170/30兩個處理?xiàng)l件下香氣組成最為豐富(59 種)。與空白樣0/0相比,氣流膨化處理后醛類、雜環(huán)化合物含量大幅增加,烴類物質(zhì)大幅下降,從而使馬鈴薯方便粥薯香味突出并具有濃郁的烤香、焦香和堅(jiān)果香,呈現(xiàn)出典型的焙烤香氣,同時酮類、酸類、酯類、醇類等物質(zhì)含量出現(xiàn)小幅下降,這是因?yàn)槲锪显诟邷剡^程中會發(fā)生美拉德反應(yīng)、焦糖化反應(yīng)、Strecker降解、脂質(zhì)氧化降解等多種反應(yīng),它們相互影響共同形成了食品特征風(fēng)味。此外,由圖1可知,雜環(huán)類化合物受膨化溫度影響變化最為顯著,而受膨化時間影響較小,當(dāng)膨化溫度為150 ℃時,雜環(huán)化合物質(zhì)量濃度為980.53 μg/L,是空白樣的11.8 倍,膨化溫度為170 ℃時,雜環(huán)化合物質(zhì)量濃度為2 188.85 μg/L,高達(dá)空白樣26.4 倍,這是因?yàn)檫拎侯愇镔|(zhì)的產(chǎn)生與溫度變化關(guān)系較大,Koehler等[27]指出吡嗪類物質(zhì)在低溫時(低于100 ℃)幾乎不產(chǎn)生,隨著處理溫度升高,相關(guān)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行更徹底,香氣組分含量也會發(fā)生較大變化,但溫度過高,樣品會產(chǎn)生焦糊味。

2.3 氣流膨化處理馬鈴薯方便粥香氣成分的PCA

表3 主成分載荷矩陣Table 3 Principal component loading matrix

續(xù)表3

圖2 氣流膨化處理馬鈴薯方便粥香氣主成分得分散點(diǎn)圖Fig. 2 Scores scatter plots of aromatic components in potato incorporated congee with explosion puffing treatment

以不同氣流膨化處理樣品中的香氣成分為研究對象,采用PCA法對其進(jìn)行分析,見表3。由表3可以看出,PC1的貢獻(xiàn)率為57.578%,反映的指標(biāo)主要有甲酸辛酯、4-甲基-1-辛烯、苯甲醛、2-丁基-2-辛烯醛、三癸醛、肉桂醛、4-甲氧基-苯甲醛、2-異丁基-3-甲基吡嗪、2,5-二甲基吡嗪、甲基吡嗪、3-甲基-十五烷、乙基-吡嗪、4,6-二甲基嘧啶、正己醛、2-乙基-6-甲基-吡嗪、反-2-癸烯醛、2,3-二甲基-5-乙基吡嗪、2-乙基-5-甲基-吡嗪、二甲基三硫化物、壬醛、3,5-辛二烯-2-酮、反-2-辛烯醛、3-呋喃甲醇、2-乙烯基-6-甲基吡嗪、丁基羥基甲苯、2,3,5-三甲基-6-乙基吡嗪、2,3-二甲基-吡嗪,對應(yīng)的特征向量均大于0.800。PC1數(shù)據(jù)表明醛類,吡嗪類是與不同氣流膨化處理馬鈴薯方便粥樣品相關(guān)性系數(shù)最高的成分,是氣流膨化馬鈴薯方便粥的主體特征性揮發(fā)性組分,與2.2節(jié)結(jié)果一致,再次驗(yàn)證PCA法的可行性。PC2的貢獻(xiàn)率為25.187%,反映的指標(biāo)主要有十甲基-環(huán)戊硅氧烷、丙酸,2-甲基,3-羥基-2,2,4-三甲基戊酯、十四烷、2-異丁氧基乙基苯甲酸酯,烴類物質(zhì)的閾值通常較高,對香氣貢獻(xiàn)不大。PC3的貢獻(xiàn)率為7.993%,反映的指標(biāo)主要有呋喃酮。3 個主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率己達(dá)到90.758%,可代表原數(shù)據(jù)的變化趨勢[28]。

根據(jù)表1、3計(jì)算不同處理的馬鈴薯方便粥的3 個主成分值。由圖2可知,8 個不同氣流膨化處理的馬鈴薯方便粥根據(jù)距離遠(yuǎn)近分為4 個區(qū)域,0/0處理為一類,110/30、130/30、130/40、130/50以及130/60處理為一類,150/30處理為一類,170/30處理為一類。氣流膨化處理的樣品與未經(jīng)氣流膨化處理的樣品都未被分為一類,說明氣流膨化處理對馬鈴薯方便粥整體香氣具有一定影響,而130 ℃處理不同時間的馬鈴薯方便粥分為一類,說明膨化時間對樣品香氣成分影響不大。

2.4 氣流膨化處理對馬鈴薯方便粥香氣主成分的影響

表4 膨化溫度對3 個主成分的影響Table 4 Effect of different puffing temperatures on three principal components of potato incorporated congee

表5 膨化時間對3 個主成分的影響Table 5 Effect of different puffing times on three principal components of potato incorporated congee

分別以膨化溫度和膨化時間為自變量,3 個主成分的香氣總量為因變量進(jìn)行單因素方差分析,并進(jìn)行比較,結(jié)果見表4、5。由表4可以看出,與空白樣0/0相比,馬鈴薯方便粥經(jīng)110～170 ℃處理30 s后,PC1顯著增加,結(jié)合表1及2.3節(jié)結(jié)果可知,醛類和吡嗪類物質(zhì)顯著增加是PC1增加的主要原因,尤以苯甲醛、三癸醛、2-丁基2-辛烯醛、壬醛、甲基吡嗪、2,5-二甲基吡嗪、2-異丁基-3甲基吡嗪、乙基吡嗪、2,3-二甲基-5-乙基吡嗪以及2-乙基-6-甲基-吡嗪增加顯著。吡嗪類物質(zhì)的香氣可分為兩類:一類是烤、焦、炙、香,另一類是青蔬果類的青香,研究表明甲基吡嗪、2,5-二甲基吡嗪、乙基吡嗪天然存在于馬鈴薯中[29],具有蔬果類青香,這也解釋了隨著膨化溫度升高,馬鈴薯薯香味突出的原因,同時由于其他吡嗪類物質(zhì)共同作用,使得馬鈴薯方便粥呈現(xiàn)烘焙香氣。目前的研究己明確吡嗪類物質(zhì)是由Strecker降解所產(chǎn)生的α-氨基酮經(jīng)過縮合反應(yīng)形成(美拉德反應(yīng)中間體),并且化學(xué)反應(yīng)速率隨著溫度的升高而增加[30]。而醛類物質(zhì)的產(chǎn)生主要來源于加熱過程中樣品發(fā)生脂質(zhì)氧化降解所致,研究表明馬鈴薯在加熱過程中油酸、亞油酸及亞麻酸在脂氧合酶的作用下生成醛類及烯醛類物質(zhì),從而產(chǎn)生特有的馬鈴薯香氣[23],如壬醛是油酸的降解產(chǎn)物。此外,Strecker降解也會形成醛類物質(zhì),如苯甲醛即為苯丙氨酸的降解產(chǎn)物,苯甲醛具有堅(jiān)果香氣,可以賦予馬鈴薯方便粥堅(jiān)果似烤香[31]。隨著膨化溫度升高,與空白樣0/0相比,膨化處理后PC2顯著降低(P＜0.05),但不同膨化溫度處理的樣品間無顯著性差異(P＞0.05)。PC2中十四烷、十甲基-環(huán)氧硅乙烷變化最大,烴類物質(zhì)大部分有難聞的氣味,氣流膨化處理可明顯降低該類物質(zhì)的含量,這是因?yàn)闊N類物質(zhì)受熱易發(fā)生氧化反應(yīng)生成酸類和酮類物質(zhì)[27]。PC3除了110/30以及130/30與空白樣0/0無顯著性差異(P＞0.05)外,其他2 種氣流膨化處理樣品都與空白樣品有顯著性差異,PC3以呋喃酮為主,呋喃酮具有典型的焙烤焦糖香,它是由美拉德反應(yīng)中期生成的脫氧糖酮發(fā)生氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的,當(dāng)膨化溫度為170 ℃時,呋喃酮含量降低,這是因?yàn)殡S著溫度升高,美拉德反應(yīng)更徹底,呋喃酮與糠醛類物質(zhì)縮合反應(yīng)產(chǎn)生類黑素[31],這也解釋了170 ℃處理樣品后馬鈴薯方便粥顏色變深的原因。

由表5可以看出,馬鈴薯方便粥經(jīng)130 ℃處理30～60 s后,PC1隨膨化時間延長先增加后降低,但與空白樣品相比均顯著增加,研究表明延長反應(yīng)時間可使某種香味的生成量增加或減少,使得最終香味化合物的平衡改變,從而改變感官特征[30]。張垚等[32]的研究也發(fā)現(xiàn)青稞中雜環(huán)類物質(zhì)含量隨炒制時間延長迅速增大,但時間過長雜環(huán)物質(zhì)含量降低。PC2隨膨化時間延長變化不顯著,但膨化處理后顯著低于空白樣,說明不同膨化時間處理也能改善烴類物質(zhì)帶來的馬鈴薯方便粥的不良?xì)馕?。PC3隨膨化時間延長呈現(xiàn)出先顯著升高后降低,說明膨化時間越長,美拉德反應(yīng)越劇烈?？傮w來講,膨化時間對3 個主成分的影響趨勢與膨化溫度相似,但3 個主成分的香氣總量變化幅度低于不同膨化溫度處理的樣品,這可能是因?yàn)闇囟葘γ览路磻?yīng)的影響顯著大于時間的影響所致。

綜合上述結(jié)果可知,馬鈴薯方便粥氣流膨化最佳處理工藝為150 ℃處理30 s,此時,馬鈴薯方便粥特征香氣成分正己醛、反-2-壬烯醛、苯乙醛、呋喃酮、2,4-二叔丁基苯酚含量最高,使馬鈴薯方便粥特有的薯香和甜香味更濃郁,同時吡嗪類物質(zhì)含量適中,賦予馬鈴薯方便粥焙烤及焦糖香,極大改善了馬鈴薯方便粥的風(fēng)味。

3 結(jié) 論

未經(jīng)氣流膨化處理的馬鈴薯方便粥共檢測出50 種香氣成分,主要為醛類及烴類,其中含8 種特征性香氣成分,包括正己醛、壬醛、反-2-壬烯醛、苯乙醛、甲硫基丙醛、3-辛烯-2-酮、呋喃酮和2,4-二叔丁基苯酚;氣流膨化處理后馬鈴薯方便粥的香氣組成從烴類物質(zhì)為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐噪s環(huán)化合物(吡嗪類)與醛類為主,新增香氣成分12 種;通過PCA得出,3 個主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到90.758%,可代表氣流膨化處理馬鈴薯方便粥的香氣變化趨勢。根據(jù)PCA結(jié)果可知不同氣流膨化處理的馬鈴薯方便粥可分為4 類,其中0/0為一類,110/30、130/30、130/40、130/50以及130/60處理為一類,150/30處理為一類,170/30處理為一類。氣流膨化處理的樣品與空白樣都未被分為一類,說明氣流膨化處理對馬鈴薯方便粥整體香氣具有一定影響,而130 ℃處理不同時間的馬鈴薯方便粥分為一類,說明膨化時間對樣品香氣成分影響不大。氣流膨化處理可賦予馬鈴薯方便粥堅(jiān)果似烤香、焦香及特有的薯類香氣,但溫度過高,香氣會呈現(xiàn)焦糊味且樣品顏色變深,因此氣流膨化最佳處理工藝為150 ℃處理30 s。