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        基于GC-IMS 技術(shù)對(duì)不同焙炒程度黑芝麻風(fēng)味差異分析

        2025-03-13 00:00:00饒文俊李信歐陽(yáng)玲花祝水蘭袁林峰周巾英
        關(guān)鍵詞:氣相色譜黑芝麻風(fēng)味

        摘要:為探究焙炒程度對(duì)黑芝麻風(fēng)味的影響,采用氣相色譜?離子遷移譜(gas chromatography-ion mobilityspectrometry,GC-IMS)對(duì)未焙炒、輕度焙炒、中度焙炒和重度焙炒的黑芝麻進(jìn)行風(fēng)味差異分析。結(jié)果表明,不同焙炒程度黑芝麻樣品可通過GC-IMS技術(shù)得到較好地區(qū)分。GC-IMS共定性出52種揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì),其中醛酮類、酯類物質(zhì)對(duì)焙炒黑芝麻風(fēng)味貢獻(xiàn)較大,隨著焙炒過程的進(jìn)行其種類和含量逐漸增加;吡嗪類、吡咯類、呋喃類物質(zhì)是焙炒黑芝麻的主體香味,呈現(xiàn)出濃郁的堅(jiān)果香、焙烤香和焦香,這些物質(zhì)在焙炒后期含量較高。通過多元統(tǒng)計(jì)分析能夠有效地判別不同焙炒程度的黑芝麻樣品。并篩選出13種差異香氣化合物,根據(jù)這13種差異化合物進(jìn)行聚類分析,聚類結(jié)果與GC-IMS結(jié)果相似。綜上,利用GC-IMS技術(shù),構(gòu)建了不同焙炒程度黑芝麻風(fēng)味指紋譜圖,為黑芝麻焙炒工藝優(yōu)化、產(chǎn)品品質(zhì)提升提供了理論參考。

        關(guān)鍵詞:黑芝麻;焙炒程度;風(fēng)味;氣相色譜-離子遷移譜

        doi:10.13304/j.nykjdb.2023.0724

        中圖分類號(hào):TS224.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):10080864(2025)03016210

        黑芝麻作為油料作物之一,不僅營(yíng)養(yǎng)豐富,而且極具經(jīng)濟(jì)價(jià)值,憑借其獨(dú)特的風(fēng)味深受消費(fèi)者喜愛[12]。焙炒是黑芝麻常見的加工方式之一,對(duì)黑芝麻的風(fēng)味、色澤等理化指標(biāo)影響顯著。研究表明,焙炒能夠使黑芝麻發(fā)生美拉德反應(yīng),氨基酸和還原糖作為美拉德反應(yīng)重要的前體物質(zhì),在焙炒過程中可形成吡嗪、呋喃、吡咯、醛酮類等香氣物質(zhì)[3]。目前,關(guān)于黑芝麻的研究主要集中在加工方式、品質(zhì)指標(biāo)等方面[4-6],而關(guān)于不同焙炒程度對(duì)黑芝麻風(fēng)味影響及其變化規(guī)律的研究較少。

        近年來,氣相色譜?離子遷移譜技術(shù)(gaschromatography-ion mobility spectrometry, GC-IMS)已成為揮發(fā)性物質(zhì)檢測(cè)、食品分類和質(zhì)量控制的有效技術(shù),具有樣品無需預(yù)處理、與化學(xué)計(jì)量學(xué)技術(shù)相結(jié)合能直觀比較揮發(fā)性有機(jī)物差異的特點(diǎn)。與氣相色譜?質(zhì)譜法(gas chromatography-massspectrometry,GS-MC)相比,GC-IMS 具有高靈敏度、檢測(cè)速度快和分離效率高的顯著優(yōu)勢(shì)[78],深受廣大科研工作者的喜愛。郭雅紅等[9] 使用GC-IMS技術(shù)分析了不同炒制溫度對(duì)青稞糌粑粉揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的影響,共定性出44 種風(fēng)味物質(zhì)。卞景陽(yáng)等[10]采用GC-IMS技術(shù)對(duì)不同品種香米的揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行指紋圖譜解析發(fā)現(xiàn),不同品種香米的揮發(fā)性物質(zhì)存在顯著差異。王子妍等[11]通過GC-IMS 技術(shù)并結(jié)合主成分分析,成功構(gòu)建了不同焙炒程度留胚米揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的指紋譜圖,為留胚米焙炒工藝研究拓寬了思路。盡管GC-IMS技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于多種食品風(fēng)味物質(zhì)的鑒別,特別是篩選特征風(fēng)味物質(zhì)等方面,但卻很少用于黑芝麻揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)研究及其品質(zhì)提升。

        鑒于此,本研究采用GC-IMS技術(shù)探究焙炒程度對(duì)黑芝麻風(fēng)味的影響,通過構(gòu)建揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)指紋圖譜和多元統(tǒng)計(jì)分析來比較不同焙炒程度黑芝麻風(fēng)味差異,為黑芝麻焙炒工藝優(yōu)化、香氣控制、產(chǎn)品品質(zhì)提升提供理論依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 試驗(yàn)材料與試劑

        試驗(yàn)用黑芝麻品種為贛芝14號(hào),由江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所提供;乙醇、氫氧化鉀、濃鹽酸均為分析純,由國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)。

        1.2 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

        XPR305 電子天平,梅特勒托利多科技(中國(guó))有限公司;Flavour Spec1H1-00053 型GC-IMS聯(lián)用儀,德國(guó)G.A.S 公司;MXT-WAX(15 m×0.53mm×1 μm)色譜柱,美國(guó)Restek公司;100型電加熱自動(dòng)攪拌夾層鍋,廣州旭眾食品機(jī)械有限公司。

        1.3 試驗(yàn)方法

        1.3.1 黑芝麻焙炒工藝 炒籽工藝參考馬雪停等[12]的方法稍做改進(jìn)。除雜后,分別稱取1.5 kg黑芝麻樣品于電加熱夾層鍋中,焙炒溫度180 ℃。以焙炒時(shí)間0 min為未焙炒樣品;5 min為輕度焙炒樣品;15 min為中度焙炒樣品;25 min為重度焙炒樣品。焙炒結(jié)束后將其裝入錫箔密封袋中待用。每處理3次重復(fù)。

        1.3.2 GC-IMS 測(cè)試焙炒黑芝麻揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì) 樣品處理:稱取黑芝麻樣品2 g置于20 mL頂空瓶中,設(shè)置孵育溫度60 ℃、轉(zhuǎn)速500 r·min-1,孵育20 min后進(jìn)樣,進(jìn)樣體積500 μL。

        GC參數(shù):MXT-WAX色譜柱(15 m×0.53 mm×1 μm),柱溫60 ℃;載氣N2,初始流速2 mL·min-1,0—2 min內(nèi)增長(zhǎng)至10 mL·min-1,2—10 min線性增長(zhǎng)至100 mL·min-1,10—30 min增長(zhǎng)至150 mL·min-1,運(yùn)行時(shí)間30 min。

        IMS參數(shù):溫度45 ℃;漂移氣流速150 mL·min-1,N2,β射線,正離子模式。

        1.4 數(shù)據(jù)分析

        基于GC-IMS內(nèi)置數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)樣本揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)進(jìn)行定性;內(nèi)置程序Reporter 插件繪制GC-IMS二維譜圖,Gallery Plot插件構(gòu)建揮發(fā)性物質(zhì)指紋譜圖。使用Excel 2016 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,SIMCA 14.1軟件進(jìn)行多元統(tǒng)計(jì)分析。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 黑芝麻焙炒過程中GC-IMS 光譜分析

        采用GC-IMS技術(shù)對(duì)不同焙炒程度黑芝麻樣品進(jìn)行揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)分析,如圖1所示,縱坐標(biāo)為保留時(shí)間,橫坐標(biāo)為離子遷移時(shí)間,紅色垂線代表反應(yīng)離子峰(reaction ion peak,RIP),圖中每個(gè)點(diǎn)代表1種揮發(fā)性有機(jī)物,點(diǎn)的顏色和面積表示其含量,顏色越深、面積越大代表該化合物含量越高[13-15]。由圖1A可知,大多數(shù)信號(hào)的保留時(shí)間集中在50~200 s,遷移時(shí)間集中在1.0~1.5 ms。比較不同處理發(fā)現(xiàn),未經(jīng)焙炒樣品的紅色面積小于焙炒樣品,且隨著焙炒程度的加劇,紅色面積越大。為了更清晰地反映不同焙炒程度黑芝麻樣品間的揮發(fā)性物質(zhì)差異,以未經(jīng)焙炒的黑芝麻樣品為參照譜圖,其他樣品扣除參比后得到差異化譜圖(圖1B),結(jié)果顯示,隨著焙炒程度的遞增,譜圖中的紅色面積逐漸增大,表明黑芝麻樣品中揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的組成和含量隨焙炒程度的增加而逐漸增加,其中重度焙炒黑芝麻樣品的風(fēng)味物質(zhì)最豐富。

        2.2 揮發(fā)性風(fēng)味化合物指紋圖譜的構(gòu)建

        根據(jù)GC×IMS Library Search Software 內(nèi)置軟件,結(jié)合揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的保留時(shí)間、遷移時(shí)間和保留指數(shù)對(duì)黑芝麻GC-IMS 譜圖中信號(hào)峰進(jìn)行定性分析,結(jié)果(表1)表明,能夠準(zhǔn)確定性出52 種揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì),包括醇類8 種、酸類1種、酯類13 種、醛類7 種、酮類8 種、吡嗪類2種、吡咯類3 種、呋喃類4 種、萜類2 種,其他類4種。

        圖2為黑芝麻不同焙炒程度各類風(fēng)味物質(zhì)峰體積雷達(dá)圖和柱狀圖。由圖2A可知,酮類、酯類、醇類、呋喃類物質(zhì)含量相對(duì)較高,這些物質(zhì)可能奠定了黑芝麻總體風(fēng)味的基調(diào),其中,酮類物質(zhì)含量最高,呈現(xiàn)脂肪香味。醛酮類化合物主要來源于氨基酸參與的Strecker降解反應(yīng)和油脂發(fā)生的熱降解或氧化反應(yīng),所以其相對(duì)含量隨焙炒程度的加深而增大[16];酯類化合物也是重要的風(fēng)味物質(zhì),呈現(xiàn)出果香和花香,在重度焙炒階段含量最大;醇類物質(zhì)在黑芝麻樣品中主要呈現(xiàn)果味和青草味,隨著焙炒程度先增加后減??;呋喃類物質(zhì)能賦予焙烤食品令人愉悅的焦糖味和焙烤香氣,是美拉德反應(yīng)的重要產(chǎn)物之一[17],在重度焙炒階段達(dá)到最大。由圖2B可知,吡嗪類、吡咯類、萜類物質(zhì)的峰體積相對(duì)較低,但由于這些物質(zhì)是美拉德反應(yīng)和焦糖化褐變的主要產(chǎn)物,同樣也是熱處理食品中重要的揮發(fā)性物質(zhì)[18],氣味閾值低,能夠呈現(xiàn)堅(jiān)果味和燒烤風(fēng)味,是焙炒芝麻的主體香氣,這些物質(zhì)在中度焙炒階段和重度焙炒階段含量較高,這也是黑芝麻焙炒后期香味濃郁的原因。

        為了更具體地表現(xiàn)焙炒程度對(duì)黑芝麻風(fēng)味的影響,采用內(nèi)置程序Gallery Plot插件來構(gòu)建揮發(fā)性物質(zhì)的指紋譜圖,點(diǎn)的明亮程度代表物質(zhì)含量的濃度,顏色越亮,含量越高,顏色越暗,含量越低。如圖3所示,各焙炒階段黑芝麻風(fēng)味物質(zhì)具有顯著差異。A區(qū)域標(biāo)記的風(fēng)味物質(zhì)在4個(gè)焙炒階段樣品中含量均較高,主要包括丁醛、正戊醛、2-甲基丙酸乙酯、甲基異丁基甲酮、2-戊酮M,這些風(fēng)味物質(zhì)可能奠定了黑芝麻總體香氣基調(diào);而C區(qū)域中的物質(zhì)含量則在經(jīng)過焙炒后顯著提高,主要為異丁醇M、異丙叉丙酮、異戊醇M、異戊醇D、洋茉莉醛丙二醇縮醛,這些醇類、醛酮類化合物主要呈現(xiàn)果味、花香;B區(qū)域與D區(qū)域?qū)?組黑芝麻樣品大致分為2類,即未焙炒和輕度焙炒為一類,中度焙炒和重度焙炒為另一類,B區(qū)域中的風(fēng)味物質(zhì)在未焙炒和輕度焙炒的黑芝麻中含量較高,主要為乙醇M、乙酸甲酯、正己醛、異丙醇、乙酸異丙酯、正己醇、γ-丁內(nèi)酯、乙醇D、異戊醛、苯甲醚、乙酸、丙酸丙酯、2-正丁基呋喃、檸檬烯、異丁醇D等,以醇類、酯類化合物居多,這些物質(zhì)賦予黑芝麻焙炒前期果香和脂肪香;而D區(qū)域中的風(fēng)味物質(zhì)則在中度焙炒和重度焙炒階段含量較高,如2-戊基呋喃、乙酸異戊酯、丁酸甲酯、乙酸乙酯、α-松油烯、四氫呋喃、丙硫醇、γ-己內(nèi)酯、(Z)-6-壬烯醛、N-甲基吡咯烷酮、2,5-二甲基吡嗪、丁酸丙酯、2-乙?;量㎝、2-甲基吡嗪、3-羥基-2-丁酮、環(huán)戊酮、2-戊酮D、2,5-二甲基呋喃,2,3-戊二酮、乙酸基丙酮、戊酸乙酯等,其中吡嗪類、吡咯類、呋喃類物質(zhì)是焙炒后黑芝麻的主體香味,呈現(xiàn)濃郁的堅(jiān)果香、焙烤香和焦香。

        2.3 多元統(tǒng)計(jì)分析

        為了揭示不同焙炒程度黑芝麻樣品風(fēng)味的規(guī)律性和差異性,對(duì)揮發(fā)性香氣進(jìn)行主成分分析,結(jié)果(圖4A)表明,前2個(gè)主成分(PC1和PC2)的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)82.3%,表明這2個(gè)主成分包含了樣品的大部分信息,可代表黑芝麻揮發(fā)性香氣特征。4種焙炒程度的黑芝麻樣品分別位于坐標(biāo)的4個(gè)象限,說明不同焙炒程度的黑芝麻其風(fēng)味具有明顯差異,GC-IMS技術(shù)能夠有效地判別不同焙炒程度的黑芝麻。從PC1來看,4組樣品被分為2大類,且能夠解釋總方差的64.6%,這與指紋圖譜結(jié)果一致。由圖4B可知,PC1與紅色圓圈中化合物密切相關(guān),且在中度焙炒和重度焙炒樣品中含量較高;藍(lán)色圓圈中化合物與PC1呈負(fù)相關(guān),而這些化合物在未焙炒與輕度焙炒階段含量更高。

        由圖4C可知,OPLS-DA得分圖顯示了與主成分分析相同的趨勢(shì),該模型累計(jì)貢獻(xiàn)率高達(dá)90.7%,R2X = 0.982,R2Y = 0.995,Q2 = 0.990,表明模型的預(yù)測(cè)能力較好[19]。為了驗(yàn)證模型是否過度擬合,對(duì)結(jié)果進(jìn)行了200次置信檢驗(yàn),如圖4D所示,Q2 回歸線與縱坐標(biāo)相交于負(fù)值,說明OPLSDA模型不存在過度擬合[20],能夠?qū)崿F(xiàn)焙炒程度對(duì)黑芝麻風(fēng)味影響的判別分析。

        2.4 不同焙炒程度黑芝麻風(fēng)味物質(zhì)VIP 值與聚類熱圖分析

        將52種揮發(fā)性物質(zhì)對(duì)黑芝麻風(fēng)味的貢獻(xiàn)進(jìn)行變量投影重要性(variable importance in projection,VIP)量化分析,共篩選出13 種特征差異化合物(VIPgt;1),如圖5A 中紅色標(biāo)記部分,包括異丙叉丙酮、戊酸乙酯、2,5-二甲基呋喃、乙酸、異戊醇M、乙酸甲酯、2-戊酮D、丙硫醇、異丁醇M、乙酸異丙酯、3-羥基-2-丁酮、洋茉莉醛丙二醇縮醛、2-戊基呋喃。為了驗(yàn)證這些特征差異化合物的代表性,將13種差異化合物的峰體積繪制熱圖,結(jié)果如圖5B所示,通過聚類分析可將不同焙炒階段的黑芝麻樣品大致分為2類,其中未焙炒與輕度焙炒的樣品為一類;中度焙炒和重度焙炒的樣品為另一類。該結(jié)果與指紋譜圖、多元統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果一致,因此,這13個(gè)差異化合物對(duì)4種焙炒階段黑芝麻風(fēng)味的分類具有顯著影響,可能是引起不同焙炒程度黑芝麻風(fēng)味變化的主要標(biāo)志物,可為區(qū)分不同焙炒階段黑芝麻提供理論依據(jù)。

        3 討論

        焙炒是油料作物常見的預(yù)處理方式,能夠顯著提高出油率,增加植物油的風(fēng)味[2122],但是過度焙炒將會(huì)破壞油料中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),同時(shí)產(chǎn)生氧化物、苯并芘、丙烯酰胺等有害物質(zhì)[23]。關(guān)于不同焙炒階段黑芝麻風(fēng)味的研究鮮有報(bào)道,本研究表明,各焙炒階段的黑芝麻風(fēng)味存在顯著差異,但酮類、酯類、醇類、呋喃類物質(zhì)含量均相對(duì)較多,這與嚴(yán)群[24]報(bào)道的焙炒芝麻香氣成分一致,這些物質(zhì)奠定了黑芝麻總體風(fēng)味的基調(diào);而未焙炒和經(jīng)過焙炒的黑芝麻風(fēng)味相差巨大,輕度焙炒的黑芝麻樣品整體香氣較為淡薄,中度焙炒階段和重度焙炒階段散發(fā)出濃郁的芝麻香、奶油香、堅(jiān)果香,這主要與美拉德反應(yīng)和Strecker降解反應(yīng)產(chǎn)生的吡嗪類、吡咯類物質(zhì)有關(guān),這與趙賽茹等[3]研究結(jié)果一致。

        GC-IMS技術(shù)已成為食品中揮發(fā)性物質(zhì)檢測(cè)的有效手段。陳麗蘭等[25]采用GC-IMS技術(shù)分析不同炒制階段郫縣豆瓣醬揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì),結(jié)果表明,不同炒制階段的郫縣豆瓣醬樣品能夠得到很好地分離,共檢測(cè)出97種風(fēng)味化合物。劉杰梅等[26]以核桃仁為原料,通過GC-IMS技術(shù)分析,對(duì)其進(jìn)行炒制工藝優(yōu)化,確定了最佳炒制條件。本研究采用GCIMS技術(shù)構(gòu)建黑芝麻風(fēng)味指紋譜圖,能夠有效地鑒別出各焙炒階段黑芝麻樣品間的差異,為研究焙炒工藝對(duì)黑芝麻風(fēng)味的影響提供理論依據(jù)。

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