慶元錐栗烘烤過程中香氣物質組分的變化

陳如意，楊玥熹,2，顧振宇,2*，陳躍文,2，陳婷

1(浙江工商大學 食品與生物工程學院，浙江 杭州，310018) 2(浙江工商大學，國家級食品工程與質量安全實驗教學中心，浙江 杭州，310018)

錐栗(Castaneahenryi,C.henryi)屬于殼斗科栗屬植物，果實內以碳水化合物類為主，蛋白質、氨基酸、VC含量較高，脂肪含量較低，風味香甜可口[1]。但錐栗收獲期較短，不耐儲藏[2]，多以鮮銷的方式出售；同時在加工和保藏過程中香氣物質會受到損失，色澤發生較大變化,從而制約著產業的發展。目前國內外對于錐栗及栗屬植物的香氣研究，多以板栗和歐洲栗為對象[3-8]。作為食品，錐栗常以烘烤或炒食為主，以獲得較為濃郁的香氣。但目前有關錐栗和錐栗制品香氣的形成機理和影響因素研究并不是很透徹，尤其對香氣物質在加工過程中發生的變化關注較少。本文利用電子鼻和氣相色譜-質譜聯用技術，研究錐栗在230 ℃下烘烤過程中香氣成分的組成及變化，以期為保留和提高錐栗產品的特征香氣提供理論依據與技術支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

錐栗，浙江省麗水市慶元縣產，采收時間為2015年10月，于4 ℃冷庫中貯藏，2個月內使用完畢。

2,4,6-三甲基吡啶(99%，內標)、正構烷烴混標(1 μg/mL)(色譜純)，美國Sigma-Aldrich公司；乙酸乙酯、無水硫酸鈉(分析純)，上海凌峰化學試劑有限公司；超純水，杭州娃哈哈集團有限公司。

1.2 儀器與設備

烤箱(YXD-60型)，上海紅聯機械機器制造有限公司；超低溫冷凍冰箱(DW-FL型)，中科美菱低溫科技有限責任公司；磁力攪拌器(DF-101S型)，鞏義市予華儀器有限責任公司；氣相色譜-質譜聯用儀(7890A GC & 5975C inert MSD)，美國Agilent公司；電子鼻(PEN3)，德國Airsense公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品預處理

將錐栗篩選、清洗后晾干，稱取7份錐栗各約300 g，取其中1份，去除錐栗殼和種皮；另外6份在(230±10) ℃下烘烤，每隔5 min取出1份，趁熱去殼，切成2 mm薄片，于-80 ℃冰箱速凍4 h，用料理機粉碎至20目備用。對樣品分別進行電子鼻和GC-MS分析。

1.3.2 電子鼻分析條件

準確稱取20.00 g錐栗樣品于40 mL頂空瓶中，密封后放置于25 ℃恒溫條件下平衡30 min。電子鼻參數：清洗時間為180 s，測試時間為300 s，每個樣品平行測定3次。利用電子鼻自帶WINMuster軟件對錐栗烘烤香氣進行主成分分析(principal component analysis, PCA)和線性判別分析(linear discriminant analysis, LDA)。

1.3.3 溶劑萃取條件

準確稱取20.00 g錐栗樣品，加入80 mL乙酸乙酯，磁力攪拌提取0.5 h，加入無水硫酸鈉于4 ℃冰箱靜置過夜；過濾后加入原始濃度為99%的2,4,6-三甲基吡啶[9](2,4,6-trimethyl pyridine, TMP)2 μL并濃縮定容至10 mL，過0.45 μm濾膜進行氣相色譜-質譜分析。

1.3.4 GC-MS分析條件

色譜條件：色譜柱：Agilent HP-5MS石英毛細管柱(30 m ×250 μm ×0.25 μm)；載氣(He)流速1.0 mL/min；升溫程序：35 ℃，以10 ℃/min升溫至200 ℃，以5 ℃/min升溫至250 ℃，保持10 min；進樣量2.5 μL；進樣口溫度250 ℃，溶劑延遲5 min，不分流進樣。

質譜條件：電子轟擊離子源；離子源溫度230 ℃；電子能量70 eV；質量掃描范圍30～500m/z。

1.3.5 香氣成分的鑒定及含量計算

使用Msdchem軟件進行分析，經NIST11數據庫檢索初步定性，并計算保留指數,與相關文獻比對，確認錐栗香氣物質的組成。計算公式如式(1)所示：

(1)

式中:tR(x)、tR(n)、tR(n+1)分別為待測物、含n個及n+1個碳的正構烷烴保留時間。

采用內標法定量，計算公式如式(2)所示：

(2)

式中：mTMP，TMP質量，μg；m，樣品質量，g。

2 結果與討論

2.1 烘烤錐栗整體香氣輪廓分析

主成分分析可以從多元變量中得出最主要和貢獻率最大的因子，從而實現對所研究事物或者對象的簡化與綜合評價[10]。基于馬氏距離對不同烘烤時間的錐栗樣品進行PCA分析，其結果如圖1-a所示。

由圖1-a可知，2個主成分的總貢獻率達到96%以上，表明電子鼻可以較好的反映錐栗烘烤過程中香氣的變化。開始烘烤后在0～5 min數據采集點所在的橢圓先沿PC1軸正向、PC2軸負向移動，隨后沿PC2正向移動，10～30 min間數據較為集中，說明在0～10 min內香氣變化較大，隨后變化差異不顯著。

圖1 230 ℃烘烤錐栗PCA(a)和LDA(b)分析
Fig.1 PCA (a) and LDA (b) analysis of roasted C. henryi of 230 ℃

進一步對傳感器的特征值進行LDA分析，LDA分析可以將數據間的差異性擴大[11]從而更好地反映錐栗的烘烤香氣輪廓。如圖1-b所示，第0、5和10 min的橢圓分布較為分散且距離較大，而10～20 min分布較為集中。表明在230 ℃下，0～10 min是烘烤錐栗香氣形成的關鍵期，香氣輪廓變化較大；在10～20 min，錐栗烘烤香氣處于一個相對穩定的狀態，20 min后錐栗烘烤香氣繼續發生較大變化，該結論與PCA分析結果相吻合。

2.2 烘烤后錐栗特征香氣的分析

2.2.1 錐栗香氣成分分析

生錐栗和230 ℃下烘烤25 min的錐栗香氣物質總離子流如圖2所示，從中可以看出，錐栗在烘烤前后其香氣成分的組成和含量均發生明顯變化。

在烘烤錐栗中共檢測到有效化合物30種，如表1所示，包括醇類、醛類、酮類、酸類、酯類、芳香族、雜環類化合物和其他類；其中酸類、酯類物質所占比例較大，種類也較多。

由圖3可知，隨著烘烤時間的延長，揮發性酸類、醇類、和醛類物質逐漸減少，酮類和雜環類物質逐漸累積，烴類、酯類和芳香族物質則先增加后降低。在烘烤后期出現的4-乙烯基愈創木酚，略帶甜味和炒花生氣息，由錐栗中木質素在高溫下熱分解[12]產生。烘烤錐栗中雜環類物質主要為糠醛、吡啶及其衍生物，種類和含量隨時間增加，新增物質為具有炒花生味的2-乙基-3,5-二甲基吡嗪，具有甜香、木香、焦糖香的糠醛以及具有核桃、烤面包、炒榛子香氣的2-乙酰吡咯[13]。烘烤30 min后檢出丙烯酰胺，丙烯酰胺被認為是潛在致癌物，因此錐栗不宜在高溫下長時間加工。

圖2 生錐栗(a)和烘烤錐栗(b)香氣物質總離子流圖
Fig.2 Total ion chromatogram of aroma components of raw C.henryi (a) and roasted C. henryi for 25 min on 230 ℃ (b)

表1 錐栗在230 ℃烘烤過程中香氣成分含量變化Table 1 Aroma components of C. henryi during roasting on 230 ℃

注：-表示未檢出; 文獻值*來源于http://webbook.nist.gov。

圖3 錐栗在230℃烘烤過程中香氣物質相對含量的變化
Fig.3 The changes of species in aromas content of C. henryi during roasting on 230℃

在0～10 min內醛類、酮類和芳香族類化合物相對含量變化均超過50%；在5～20 min內酮類和雜環類化合物含量處于較為穩定的狀態，隨后迅速增加。進一步結合電子鼻數據分析，可推測出錐栗在烘烤前期香氣輪廓的變化主要是由烴類、醛類、酮類和芳香族類化合物含量的變化引起的，而酮類和雜環類化合物是錐栗烘烤香氣的主要物質。

2.2.2 烘烤錐栗特征香氣物質的確定

對于烘烤錐栗來說，美拉德反應產物是其主要香氣成分[4, 14]，它們構成了熟錐栗特有的焦甜香氣。根據食品中香氣成分含量高且閾值低的成分很有可能是該食品的特征香氣和主體成分[15]這個理論，進一步結合香氣特征描述對錐栗烘烤香氣的特征組分進行鑒定。通過分析烘烤錐栗中香氣成分的含量變化以及各成分的香氣特征列出了烘烤錐栗中的主要香氣物質，如圖4所示。

圖4 烘烤錐栗中主要香氣物質
Fig.4 The main aroma components in roasted C. henryi

2,4-二叔丁基苯酚具有焦枯氣味[7]，它的含量隨著烘烤時間的增加而增加，之后含量降低，推測它是烘烤錐栗香氣中的一種重要物質。麥芽酚在230 ℃下烘烤30 min后，含量由5 min時的0.10 μg/g增加至1.40 μg/g，增加了13倍。麥芽酚具有焦奶油硬糖的特殊香氣，常作為食品增香劑添加于烘烤食品中，由此可見，麥芽酚對錐栗的烘烤香氣貢獻較大。此外，在烘烤后期還出現了具有堅果香的2-羥基-3-甲基-2-環戊烯-1-酮[16]，它對咖啡型食品和煙草有增香和定香作用。

吡嗪類物質[17]是美拉德反應的主要產物之一，已經被認為對烘烤香氣輪廓貢獻較大。但在本文中檢測到的吡嗪類物質較少，可能和錐栗中脂肪含量較少有關[18]。呋喃酮類物質是美拉德反應中形成的嗅感物質，對熟錐栗的香氣起著重要作用[13]。2,3-二氫-3,5-二羥基-6-甲基-4(H)吡喃-4-酮具有焦甜香氣，經過30 min后含量顯著增加至20.25 μg/g。4-羥基-2,5-二甲基-3(2H)-呋喃酮經烘烤后含量增加，具有甜、烤香和焦糖香氣，它的閾值為5 mg/kg。多數研究者[4,18-20]認為4-羥基-2,5-二甲基-3(2H)-呋喃酮和2,3-二氫-3,5-二羥基-6-甲基-4(H)吡喃-4-酮賦予了板栗甜香氣，是糖炒板栗、烤板栗的特征香氣物質。

綜上所述，可以初步確定，2,3-二氫-3,5-二羥基-6-甲基-4(H)吡喃-4-酮、4-羥基-2,5-二甲基-3(2H)-呋喃酮和麥芽酚為烘烤錐栗的特征香氣物質，構成了烘烤錐栗的焙烤香。

3 結論

(1)在烘烤過程中，錐栗香氣處于一個動態變化的過程中，在230 ℃下0～10 min是烘烤錐栗香氣形成的關鍵期，香氣輪廓變化較大；在10～20 min，錐栗烘烤香氣處于一個相對穩定的狀態。錐栗在烘烤前期香氣輪廓的變化主要是由醛類、酮類和芳香族類化合物含量的變化引起的，而酮類和雜環類化合物是錐栗烘烤香氣的主要物質。

(2)通過對各香氣組分在加工過程中動態變化的分析并結合香氣特征描述，推測麥芽酚、2,4-二叔丁基苯酚、2,3,5,6-四氟茴香醚、2-羥基-3-甲基-2-環戊烯-1-酮、(S)-5-羥甲基二氫呋喃-2-酮、2，3-二氫-3,5-二羥基-6-甲基-4(H)吡喃-4-酮、5-二羥基-3,5-二甲基-2-呋喃酮是烘烤錐栗中的主要香氣成分，其中2,3-二氫-3,5-二羥基-6-甲基-4(H)吡喃-4-酮、4-羥基-2,5-二甲基-3(2H)-呋喃酮和麥芽酚為烘烤錐栗的特征香氣物質。