汽爆及發酵處理對藜麥秸稈揮發性風味物質的影響

張慧玲，王志偉，周中凱

(天津科技大學新農村發展研究院，天津科技大學食品工程與生物技術學院，天津300457)

藜麥是一種原產于南美洲安第斯山區的抗逆植物，是一種營養價值極高的“類全谷物”[1]，適宜人類食用的全營養食品[2]，在西部省份廣泛種植．我國山西靜樂縣成功地引種藜麥，2012年，靜樂縣藜麥種植面積達到86公頃，總產量23.4萬kg，種植面積位列非原產地國家第二位，僅次于美國[3]．相比于普通農作物秸稈，其含有較高的粗蛋白(8%)、粗脂肪含量(1.5%～2%)，能夠作為優良的飼草料資源，但并未得到充分利用．目前，以食草牲畜為主的“節糧型”畜牧業高速發展，且秸稈類粗飼料的開發利用越來越受到人們關注，由于此類粗飼料一般存在體積大、適口性差等缺點，動物對其消化吸收率較低，因此對秸稈作一定的前處理很有必要．

通過借鑒蒸汽爆破(以下簡稱汽爆)、微貯對玉米秸稈加工的文獻報道，本課題組前期已系統研究了汽爆、發酵對藜麥秸稈理化指標的影響[4]，發現汽爆及發酵加工方法顯著降解了木質纖維素含量，將秸稈纖維成分有效轉化為可溶物，可溶性糖含量顯著增加，提高了秸稈的營養價值．從營養學角度上看，風味也是飼料感官及飼用品質的一個重要指標，為了進一步探討汽爆、發酵對秸稈風味的影響及風味化合物的變化規律，優化工藝參數，本研究采用頂空固相微萃取法(HS-SPME)提取不同汽爆條件及發酵后秸稈飼料中的揮發性風味成分，并采用氣相色譜–質譜(GCMS)聯用定性分析其成分構成．

1 材料與方法

1.1 材料

同一時期收割的藜麥秸稈風干，水分為 10%～12%，粉碎至長度 2～3cm，保存于密閉的塑料袋．vm88秸稈分解劑，吉林唯美生物飼料科技有限公司．

固相微萃取手動進樣手柄、DVB/CA/PDMS(2cm，50/30μm)纖維頭，美國 Supelco 公司；QP2010Ultra型氣相色譜–質譜聯用儀，美國 Varian公司；QBS–2008型蒸汽爆破設備(汽爆容積5L)，鶴壁正道生物能源有限公司；BSA623S型電子分析天平，賽多利斯科學儀器(北京)有限公司；高速多功能粉碎機，上海緣沃工貿有限公司；呼吸膜發酵飼料專用袋，浙江蒼南縣金壩包裝工藝品廠．

1.2 方法

1.2.1 藜麥秸稈汽爆處理

將切碎的藜麥秸稈加水至含水率為50%[5]，分別稱取 200g樣品加入到汽爆反應器中，依次在 0.5、1.0、1.5MPa壓力汽爆，保壓時間均為 5min．處理完成后，快速打開反應器底部的球閥將物料取出，自然曬干、粉碎．

1.2.2 藜麥秸稈微生物發酵處理

營養液制備：根據秸稈分解劑制作營養液的方法按照1﹕100的比例縮小．取2g分解劑與500g玉米粉裝進呼吸膜發酵飼料專用袋中，并加入 1500g溫水攪拌均勻，封口，密封發酵5d，出現酒香味即可．

生物發酵：分別取3種壓力汽爆處理后的秸稈粉及原秸稈粉 100g，加入 10%營養液(即 10g)，裝入發酵袋中，攪拌均勻，封口并密封發酵7d．

1.2.3 頂空固相微萃取操作方法

稱取1g樣品于15mL氣相頂空瓶中，70 ℃恒溫水浴30min，將SPME針頭穿過樣品瓶密封隔墊，于樣品瓶頂空部分伸出固相萃取頭，靜置萃取 30min，收回固相萃取頭，取出萃取裝置，待氣相色譜儀處于準備狀態后，將 SPME針頭插入進樣口，伸出固相萃取頭，250℃解吸15min．下次取樣前，首先將SPME萃取頭在250℃老化30min[6]．

1.2.4 氣相色譜–質譜檢測條件

色譜條件：色譜柱為 VF–5ms(30m×0.25mm×0.25μm)，固定相為聚乙二醇，載氣為高純氦氣(99.999%)，流量 1.0mL/min，進樣口溫度 250℃，分流比5﹕1．初始爐溫40℃保持3min，以4℃/min升至150℃，保持1min，再以8℃/min 升至250℃，保持 6min．

質譜條件：電子電離源，電子能量 70eV，離子源溫度 220℃，接口溫度 280℃，相對分子質量掃描范圍 43～500，調諧文件為標準調諧，數據采集為全掃描模式，無溶劑延遲．

對檢測結果的定性分析，以計算機檢索 NIST11譜庫、人工解析圖譜，結合相似度并參考有關文獻，共同確定揮發性成分，揮發性成分相對含量采用面積歸一化法．

2 結果與分析

2.1 秸稈揮發性成分分析

原秸稈及不同汽爆條件處理的秸稈初始時總離子流色譜圖如圖1所示．

圖1 汽爆前后秸稈的揮發性風味成分GC-MS分析總離子流圖Fig. 1 GC-MS chromatograph of volatile flavor components of four kinds of straw before and after steam explosion

由圖 1可以看出，與原秸稈相比，汽爆處理顯著地改變了秸稈揮發性風味成分．從表 1的分析結果可以看出：原秸稈中鑒定出 76種揮發性風味成分，包括醇類22種、酮類13種、醛類18種、酯類10種、芳香類 6種、烴類 3種及其他類 4種．同時結果顯示，3種不同汽爆條件也會導致風味成分在數量及相對含量上存在顯著性差異，其中0.5MPa汽爆樣品中鑒定出90種風味成分，包括醇類24種、酮類24種、醛類18種、酯類4種、芳香類8種、酸類1種、烴類9種及其他2種；1.0MPa汽爆樣品鑒定出93種揮發性風味物質，包括醇類 21種、酮類 19種、醛類 21種、酯類5種、酸類1種、芳香類14種、烴類10種及其他 2種；1.5MPa汽爆樣品中鑒定出 88種揮發性風味成分，包括醇類15種、醛類24種、酮類15種、芳香類14種、酯類 3種、烴類 13種、酸類1種及其他3種．

表1 汽爆前后秸稈主要揮發性風味物質GC-MS分析結果Tab. 1 GC-MS analysis of the major volatile substances of four kinds of straw before and after steam explosion

續 表

在醇類風味物質中，1–壬醇在4種樣品中均檢測到，且占比例較高，具有類似于香茅油氣味，存在于甜橙、苦橙、柚和橡苔等精油中；正己醇在原樣(6.51%)中相對含量最高，其次為 0.5 MPa(0.57%)、1.0 MPa(0.18%)，在 1.5 MPa汽爆秸稈中未檢出，正己醇廣泛存在于柑橘類、漿果、茶葉、艾葉、薰衣草等的多種精油中[7]，無色透明，具有水果芬芳的香味；另外，在 3種汽爆秸稈中檢測到α-松油醇、2，4a，5，8a–四甲基–1，2，3，4，4a，7，8，8a–八氫萘醇等，而原樣中未檢出，這應該是由于汽爆過程中木質素發生少量的降解產生的．酯類在所檢成分占有較大比例，其中2，4a，5，8a–四甲基–1，2，3，4，4a，7，8，8a–八氫萘醇乙酸酯只在汽爆樣品中檢測到，可能是由木質素降解的醇與酸酯化生成的．醛類物質在所檢成分中占比例最高，1.0MPa及 1.5MPa相比其他 2種樣品數量多，其中壬醛含量最高，其次為己醛、癸醛，壬醛具有玫瑰、柑橘等香氣，有較強的油脂氣味，存在于紅茶、綠茶中；己醛是一種具有青草氣及蘋果香味的成分[8]，天然品存在于蘋果、草莓、茶葉中[9]．在酮類物質中，植酮含量最高，其次為馬兜鈴酮，具有青木香，僅在汽爆秸稈中檢測到．原秸稈中的芳香類物質數量遠比汽爆處理后的少，汽爆樣品檢測到的芳香類成分的種類差別不大，其中 1.0 MPa汽爆樣品數量最多，但各成分相對含量存在差別，例如，苯甲醛含量最高，廣泛存在水果和蔬菜中[10]，主要以苷的形式存在于植物的莖皮、葉或種子中，具有苦杏仁味[11]；其次為苯乙醛、愈創木酚、苯乙醇．在汽爆秸稈中檢測到微量酸性成分(只有乙酸、己酸等)，而原樣中未檢出，主要是由于汽爆時，秸稈在高溫高壓蒸汽中，半纖維素組分部分降解，產生一些酸性物質[12]．此外，在所檢成分中含有少量烯烴類及呋喃類化合物，其中 2–戊基呋喃、Β–瑟林烯含量較高，這些物質大多具有芳香味，2–戊基呋喃具有豆香、果香、泥土、青香及類似蔬菜的香韻，天然存在于歐芹、咖啡、土豆片中．

2.2 汽爆前后不同秸稈中各類別含量的比較

不同秸稈各類別含量見表 2．在原樣(Y)中，醇、醛兩大類物質為主要特征風味，汽爆處理導致其含量下降，而酯類、酮類、芳香類含量上升，但汽爆強度并非越強越好，強度過高，糠醛含量增加，會產生不悅的味道，秸稈顏色會變暗[13]，且從表 1看出僅在1.5MPa壓力下，糠醛含量為 0.59%總之，從數量及種類上分析 1.0MPa汽爆秸稈揮發性成分最多且豐富，故在1.0MPa壓力下汽爆效果較好．

表2 汽爆前后4種秸稈揮發性風味成分GC-MS分析結果匯總Tab. 2 Summary of the volatile flavor components of four kinds of straw before and after steam explosion

2.3 發酵處理后秸稈揮發性成分分析

將上述汽爆后的秸稈再經發酵處理，得到秸稈發酵后揮發性風味成分 GC-MS分析總離子流，如圖 2所示．

4種秸稈發酵飼料的揮發性風味成分數量及相對含量差異不大，說明其風味大致相同．發酵處理后4種秸稈風味成分的主要種類及相對含量見表 3．由表 3的分析結果可以看出：從YF中鑒定出91種揮發性風味物質，包括醇類 17種、醛類 15種、酮類 8種、酯類35種、酸類1種、芳香類7種、烴類6種及其他2種；從0.5F中鑒定出86種揮發性風味成分，包括醇類22種、醛類11種、酮類8種、酯類27種、酸類 2種、芳香類 8種、烴類 5種及其他 3種；從1.0F中鑒定出 93種揮發性風味成分，包括醇類 20種、醛類15種、酮類8種、酯類28種、酸類3種、芳香類9種、烴類6種及其他4種；從1.5F中鑒定出97種風味物質，包括醇類 20種、醛類 15種、酸類 1種、酮類12種、芳香類11種、酯類27種、烴類7種及其他4種．

圖2 復合處理前后秸稈揮發性風味成分 GC-MS分析總離子流圖Fig. 2 GC-MS chromatograph of volatile flavor components of straw before and after treatment

2.4 發酵處理后不同秸稈中各類別含量的比較

不同樣品中各類別含量見表 4．原秸稈及汽爆秸稈經生物發酵后，其風味物質仍主要包括醇類、酯類、芳香類、醛類等，1.0F樣品所測風味物質較多．發酵過程中，秸稈中的糖經秸稈分解劑中微生物代謝會產生醇類化合物，含羰基化合物(如酯類)則主要來源于高級醇氧化等[14]，故醇類、酯類物質種類及相對含量增加．

表3 復合處理前后秸稈主要揮發性風味物質GC-MS分析結果Tab. 3 GC-MS analysis of the major volatile substances of straw before and after steam explosion before and after treatment

續 表

乙醇的含量在所測醇類物質中比例最高，是秸稈酒香味的主要來源之一；在酯類成分中，棕櫚酸乙酯含量最多，呈微弱蠟香、果爵和奶油香氣，用于堅果類食品；其次為己酸乙酯，具有果香味的香料，是濃香型酒的主體香氣成分，同樣乙酸乙酯、庚酸乙酯、辛酸乙酯、壬酸乙酯、癸酸乙酯也是常見的具有水果香味的食用香精[15]，其相對含量在 4種樣品中存在一定差異．此外，發酵后樣品的芳香味物質在檢出風味成分中所占比例有所提高，另外 1.0MPa、1.5MPa汽爆樣品經發酵后產生了一些微量吡嗪類物質，比如2–甲基吡嗪、2，6–二甲基吡嗪，具有堅果香、可可和咖啡的香氣特點[16]，類似于藜麥籽粒淡淡的堅果清香或者人參香；酸性物質如乙酸在 YF、0.5F、1.5F飼料中檢出，說明其酸味較酒香味濃，發酵品質較次，整體來說，1.0F發酵品質較好，產生風味物質較好．

表4 復合處理前后秸稈揮發性風味成分GC-MS分析結果匯總Tab. 4 Summary of the volatile flavor components of straw before and after treatment

2.5 兩種處理方式之間風味物質的比較

由上述汽爆、發酵處理前后風味物質之間的比較，得出 1.0MPa汽爆秸稈得到的風味成分較好，且1.0MPa汽爆秸稈經發酵后氣味較好．兩種處理方式秸桿風味成分組成如圖3所示．

圖3 兩種處理方式秸稈風味成分組成Fig. 3 Composition of straw flavor ingredients after two treatments

由圖 3可知：原秸稈發酵(YF)后，醇類、醛類含量減少，但差異不大，酯類、芳香類物質含量分別增加了 59.57%、6.73%，說明生物發酵處理可以改善秸稈的風味；原樣(Y)與 1.0MPa汽爆秸稈相比，醛類物質含量差異不大，汽爆秸稈中酯類、芳香類物質含量依次增加了 25.66%、7.85%，雖醇類成分減少，但經汽爆后產生的風味物質數量較多，故汽爆處理對改善秸稈飼用價值有潛力；此外1.0MPa汽爆秸稈再經生物發酵處理(1.0F)后，共產生 93種風味物質，酯類、芳香類成分相比于原樣分別提高了 40.27%、12.02%，具有果香、草香、奶香等的風味物質含量增多，主要包括乙醇、乙酸乙酯、棕櫚酸乙酯、丙位壬內酯、己醛等，同時產生吡嗪類等雜環化合物，使得飼料整體呈現特殊香味，并使飼養環境充滿濃郁的香味，動物則通過呼吸作用刺激嗅覺，以及利用飼料良好的風味刺激味覺，再由大腦發出指令，促使消化液分泌和胃腸蠕動，產生食欲，啟動采食行為，還有產生的愈創木酚、苯甲醛、呋喃類等物質有減緩飼料氧化的作用[17]，延長貯藏時間，提高飼料品質．總之，秸稈經1.0MPa汽爆與發酵復合處理后產生的風味物質及呈有的特殊氣味更有利于提高其適口性．

3 結 論

本實驗中采用頂空固相微萃取氣質聯用方法檢測不同處理方式下藜麥秸稈的揮發性風味物質，主要揮發性風味成分包括醇類、酯類、芳香類、醛類、酮類、呋喃類、吡嗪類物質等．結果表明，1.0MPa壓力汽爆及發酵的復合處理方式可以使秸稈飼料蓬松、柔軟，改善其口感提高其感官品質，從而優化其在動物飼料方面的應用．