烘烤和發芽對大麥揮發性風味影響的分析研究

仲夢涵,陸晨浩,王曦如,田 創,邢常瑞,袁 建

(南京財經大學,江蘇南京 210023)

大麥是我國主要的谷類作物。大麥還可以稱為糯麥、牟麥、飯麥等。一般可將大麥分為皮大麥和裸大麥,裸大麥一般也叫做裸麥、青稞等。我國種植大麥的地區有許多并且資源非常豐富。在世界的糧食作物產量排名中,大麥位于第四,次于小麥、水稻和玉米[1]。大麥的營養價值非常豐富,研究表明大麥中含有質量較高的蛋白質,占8%～14%,還有大約17%的膳食纖維、10%的維生素及少量礦物質元素,當大麥在適宜的溫度下吸收一定的水分則會產生麥芽,發芽大麥能夠提高大麥本身的營養價值[2]。目前國內外對大麥的研究大多集中在啤酒和飼料方面[3]。Harding等[4]研究表明烘烤大麥中主要有23種揮發性成分,主要的香氣成分有吡嗪等。董亮等[5]研究表明,在釀造麥芽中,醛、醇、酮等化合物對釀造麥芽的風味貢獻較大,異戊醛、2-甲基丁醛和正己醛含量較高。對于烘烤發芽大麥茶的香氣風味研究較少。高溫烘烤發芽大麥茶,會產生大量的揮發性風味物質,有助于研究大麥茶的香氣成分[3]。大麥茶的香氣是決定大麥茶品質的重要影響因素之一,也是形成大麥茶風味特征的重要指標。

本實驗通過使用電子鼻和電子舌對烘烤發芽大麥茶進行宏觀上的品質鑒定。電子鼻是利用氣體傳感器陣列的響應圖案來識別氣味的電子系統,它可以在一段時間內連續地、實時地監測特定位置的氣味狀況。電子舌是模擬人的舌頭對待測樣品進行分析、識別和判斷,主要用來識別液體的滋味。潘俊嫻等[6]通過電子鼻電子舌聯用技術對福鼎白茶進行品質分析。

本實驗還將使用GC-MS/MS技術進一步從微觀上對烘烤發芽大麥茶的風味進行分析。陳兵等[3]采用頂空固相微萃取結合GC-MS技術,研究了發芽大麥茶在不同貯藏溫度下,主要風味物質的變化,得出了發芽大麥茶適宜的貯藏條件。范霞等[7]采用SPME/GC-MS技術結合電子鼻對茶葉香氣成分進行分析研究。本實驗也通過聯用技術對不同烘烤發芽天數大麥茶品質進行檢測,探討發芽對大麥茶成品的風味是否具有一定程度上的改變,為改善大麥茶的品質及生產提供一定的科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

大麥 購于2018年新收種子級大麥 來自河南商丘寧陵縣。

BEAR智能發芽機 廣東小熊電器有限公司;美國安捷倫7890A-5875C氣質聯用儀;手動SPME進樣器、50/30 μm DVB/CAR/PDMS萃取頭;低溫冰柜 華美冰熊集團;電子天平 賽多利斯科學儀器(北京)有限公司;電熱鼓風干燥箱 上海一恒科學儀器有限公司;SCR-301烘焙機;Alpha MOS公司的味覺分析儀-ASTREE電子舌與α-FOX3000電子鼻。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品的制備 首先選取大麥種子,清洗2～3次,再加入溫水,室溫條件下浸泡8～10 h。然后,將大麥均勻鋪發芽機的培養盤中,置于25 ℃恒溫自動發芽機中進行發芽培養,在0、1、2、3 d分別取出適量的大麥。每天取出大麥后放入烘箱干燥(60 ℃,3 h),烘干后取出大麥,將其等量分開,一份作為未烘烤大麥樣品,并將另一份剪掉其根部的須,放入烘烤機中烘烤(180 ℃,30 min),之后進行冷卻,作為烘烤大麥樣品。

1.2.2 樣品的前處理 在陳兵[3]的方法上稍作改變,采用頂空固相微萃取。稱量8組大麥樣品0.50 g裝入15 mL萃取瓶中,置于60 ℃恒溫水浴鍋平衡10 min,插入裝有纖維頭的手動SPME進樣器進行采樣吸附45 min,采樣完畢立即進入氣相色譜儀,在250 ℃解吸3 min,進行GC-MS分析。

1.2.3 色譜條件

1.2.3.1 GC條件 色譜柱:色譜柱:DB-5MS,彈性石英毛細管柱(30 m×0.25 mm,0.250 μm);載氣:He;恒流模式:流速1.7 mL·min-1;升溫程序:初始溫度40 ℃,保持5.0 min;以速率10 ℃/min升溫到85 ℃,保持3.0 min;以速率4 ℃/min升溫到200 ℃,保持3.0 min;以速率10 ℃/min升溫到230 ℃,保持1.0 min。

1.2.3.2 質譜條件 離子源:EI 源,正離子模式;電子能量70 eV,離子源溫度:200 ℃;質量掃描范圍m/z 35～400;發射電流100 μA,檢測電壓1.4 kV。

1.2.4 電子鼻的測定 用FOX3000電子鼻,該電子鼻包括了12個傳感器,分別為LY2/LG(對氯,氮氧化合物,氧化分子敏感)、LY2/G(對氨,胺,醇類和酮類物質敏感)、LY2/AA(對氨,酮類敏感)、LY2/GH(對氨和胺類物質敏感)、LY2/gCTL(對硫化氫敏感)、LY2/gCT(對丙烷,丁烷,乙醇敏感)、PA/2(對含氮物質敏感)、T70/2(對芳香化合物敏感)、P40/1(對氟里昂,氧化分子敏感)、P10/2(對甲烷,丙烷,脂肪酸敏感)、P10/1(對烴類物質敏感)、T30/1(對有機化合物靈敏,極性化合物,氯化氫物質敏感)。

取8組大麥樣品5 g于頂空小瓶中,在35 ℃平衡300 s并產生揮發性物質,揮發性物質以150 mL/min速度進入電子鼻,與傳感器接觸120 s。每個樣品重復3次平行。

1.2.5 電子舌的測定 稱取5.00 g 0～3 d烘烤發芽大麥樣品,放入100 mL的沸水中沖泡,雙層膜密封,放在60 ℃水浴鍋靜置10 min后過濾成為實驗所用茶湯,待茶湯冷卻到室溫之后進行電子舌數據采集,每個試樣數據采集時間為120 s,樣品間采用去離子水清洗10 s,采用一個樣品間隔一杯去離子水清洗傳感器以消除交叉污染,每個樣品重復6次平行。

ASTREE電子舌的傳感器分別為AHS、CTS、ANS、NMS、SCS,分別對酸味、咸味、甜味、鮮味、苦味靈敏。

1.3 數據處理

本實驗對電子鼻、電子舌的數據做出雷達圖和采用PCA分析,并用Origin軟件作圖。

通過總離子流圖中得到的色譜峰的質譜信息,經NIST標準質譜庫的比對與發表的相關文獻期刊的質譜信息進行比較,確定各個化合物所對應的結構。并采用峰面積歸一化法進行定量。

2 結果與分析

2.1 基于電子鼻傳感器的發芽大麥茶的響應值分析

烘烤發芽大麥和未烘烤發芽大麥的電子鼻雷達圖如圖1和圖2所示。12個坐標軸代表了12個傳感器,坐標軸的大小表示傳感器的靈敏程度,發芽大麥中某些揮發性氣味成分濃度隨著響應強度的變化而變化。從圖1中可以看出烘烤發芽與未發芽大麥茶的風味區別主要在傳感器PA/2、T70/2、P40/1、P10/2、P10/1、T30/1上體現。說明烘烤條件下,發芽大麥相較于未發芽大麥含有更多極性化合物,脂肪酸,芳香族化合物。傳感器LY2/GH、LY2/AA、LY2/gCTL響應值有著較小的差別,酮類胺類改變較小,沒有很明顯的變化。

圖1 烘烤發芽大麥的電子鼻雷達圖Fig.1 Electronic nose radar of baked malted barley

圖2 未烘烤發芽大麥的電子鼻雷達圖Fig.2 Electronic nose radar of unbaked malted barley

從圖2中可以看出在未烘烤發芽大麥中除了傳感器LY2/LG、LY2/gCT響應值較為接近,其他傳感器都有較大區別。在傳感器PA/2、T70/2、P40/1、P10/2、P10/1、T30/1中,未烘烤條件下發芽大麥相較于未發芽大麥,含有更多的氮類、氟類、氧化分子、甲烷、丙烷、非極性分子、烴類、有機化合物、極性分子、芳香族化合物,在傳感器LY2/GH、LY2/AA、LY2/gCTL中,未發芽大麥相較于發芽大麥,含有更多的胺類化合物、碳氧化合物、硫化物。

比較圖1和圖2,可以得出傳感器PA/2、T70/2、P40/1、P10/2、P10/1、T30/1在烘烤發芽大麥中的響應值大于未烘烤發芽大麥的響應值,說明在烘烤發芽大麥相較于未烘烤發芽大麥,含有更多的氮類、氟類、氧化分子、甲烷、丙烷、烴類、有機化合物、極性分子以及芳香族化合物。

2.2 基于電子舌傳感器的發芽大麥茶的響應值分析

烘烤發芽大麥茶的電子舌雷達圖如圖3所示。在烘烤條件下,隨著發芽天數的變化,在發芽1 d的時候部分傳感器的響應值發生了比較明顯的變化。傳感器AHS、SCS、NMS、ANS在烘烤發芽0、1 d滋味中的響應值大于烘烤發芽2、3 d的響應值,說明隨著烘烤發芽天數增加,其酸味和苦味值、鮮味值、甜味值也隨之下降。呈現苦味值是由于茶中的茶多酚和咖啡堿。茶多酚與咖啡堿是影響茶葉香氣和茶湯滋味的兩大重要因素,鄒光宇等得出了茶多酚、咖啡堿含量與茶葉品質呈正相關[8]。其酸味值略高的原因是可能是由于大麥在發芽的過程中出現了發酵的現象,鮮味主要是由于大麥發芽之后氨基酸的含量增大,氨基酸能夠呈現鮮味[9]。可溶性糖及一些甜味氨基酸可能是甜味的主要呈味物質,隨著發芽天數增加,甜味值有所下降,并且在發芽第一天能夠中和茶的苦味。

圖3 烘烤發芽大麥茶的電子舌雷達圖Fig.3 Electronic tongue radar of baked malted barley tea

2.3 PCA分析

未烘烤發芽大麥和烘烤發芽大麥的電子鼻主成分分析見圖4、圖5。主成分分析(PCA)主要是對傳感器響應值的特征向量矩陣進行數據轉換和降維,通過對降維后的特征向量進行線性分類,并將分類結果以散點圖的形式直觀地展現出來[10]。總貢獻率超過85%表明實驗方法的可行性[11]。用橢圓將單一樣品的散點圖信息特征給概括起來,橢圓距離的遠近表示了大麥樣品之間氣味的差異。

圖4 未烘烤發芽大麥的電子鼻PCA分析Fig.4 Electronic nose PCA analysis of unroasted sprouted barley

圖5 烘烤發芽大麥的電子鼻PCA分析Fig.5 Electronic nose PCA analysis of sprouted barley

從圖4中可以看出,在未烘烤條件下發芽0、1、2、3 d的大麥香氣在PC1上的貢獻率為98.278%,在PC2上的貢獻率為1.333%,貢獻率之和為99.611%。從圖5中可以看出在烘烤條件下的發芽0、1、2、3 d的大麥香氣在PC1上的貢獻率為97.983%,在PC2上的貢獻率為1.878%,貢獻率之和為99.861%;說明PCA分析能夠有效區分不同發芽天數大麥茶的氣味。發芽的大麥茶較為靠近,氣味接近,而未發芽的大麥茶與其他三組較遠。隨著麥芽的生長,氣味也會隨之變化,發芽的大麥活性物質也在增長但是風味差別不會很大。

烘烤發芽大麥的電子舌主成分分析見圖6。得出PC1貢獻率為92.615%,PC2貢獻率為5.326%,總和為97.9412%。烘烤發芽0 d和烘烤發芽1 d有部分重疊,但是烘烤發芽2 d和3 d能夠較好地區分開來,說明后兩者與前兩者滋味差異較大,因為發芽1 d的芽較短,產生的風味區別改變不明顯,而隨著發芽天數的增長,在發芽2 d和發芽3 d風味改變較為明顯。

圖6 烘烤發芽大麥的電子舌PCA分析Fig.6 Electronic tongue PCA analysis of roasted malted barley

2.4 GC-MS/MS對發芽大麥的分析結果

表1所示為GC-MS/MS檢測出的8組樣品主要的揮發性風味物質。經過NIST標準譜庫,在8組樣品共鑒定出52種主要的風味化合物,其中醛類13種、雜環類15種、酮類4種、醇類6種、酸類3種、酚類2種、酯類4種、其他5種。8組樣品共有的風味物質主要有異香草醛、辛醛、苯甲醛、癸醛、2-戊基呋喃、壬酸等。

表1 未烘烤及烘烤發芽大麥主要香氣成分相對含量變化表Table 1 Table of relative contents of main aroma components in unroasted and roasted malted barley

續表

醛類是發芽大麥重要的風味物質成分之一且占含量較多。醛類物質的閾值較低[12],麥芽的風味物質除了由美拉德反應生成以外,許多揮發性物質,如醛等物質是由不飽和脂肪酸的酶降解作用和化學氧化作用而形成的[3]。未烘烤的未發芽大麥與烘烤的未發芽大麥的醛類物質的相對含量分別為51.03%、25.95%,都要高于其他發芽天數,隨著發芽天數增加,烘烤發芽大麥醛類的相對含量在發芽第2 d有所提高,這可能是由于發芽第2 d大麥的脂肪含量較高,降解生成醛類。烘烤后的發芽大麥醛類物質相較于未烘烤發芽大麥發生了比較明顯的變化,具有清香氣味的醛類物質如十三醛、壬醛、己醛消失,而具有烘炒香氣的糠醛的相對含量明顯增加。且糠醛的相對含量在發芽2 d之后具有明顯的上升趨勢。糠醛具有甜香、木香、面包香、焦糖香,并有烘烤食品的氣味[13]。糠醛在此實驗中主要來自于烘烤發芽大麥過程中的美拉德反應及焦糖化反應,并且具有增香以及調色功能[14]。當它不斷反應時,會產生許多棕色以及呈香的物質[15]。發芽大麥在烘烤之后癸醛的相對含量也有所提高,它具有甜的、醛香、蠟香、脂肪香,是油酸和亞麻酸的裂解產物。苯甲醛的相對含量在烘烤發芽第1 d時相較于未烘烤和未發芽的大麥有所提高,它具有苦杏仁氣味,它能夠作為吡嗪類的輔香物質,也是烘烤發芽大麥重要的風味物質。

酮類揮發性化合物花香味、奶油味及果香味,且香味比較持久[16]。據實驗表明,酮類化合物的來源一般有兩種,一是醇的氧化,二是脂類分解[17]。隨著發芽天數的增加,烘烤發芽大麥中酮類物質的相對含量在隨之減少。在未烘烤情況下主要檢測到了香葉基丙酮和植酮,香葉基丙酮是一種具有木蘭香氣的香氣成分,具有新鮮、清、淡的花香香氣,略帶玫瑰香味[18],它的相對含量在發芽第3 d達到了4.09%,相較于未發芽大麥的2.38%,相對含量增長了近2倍,所以它對于發芽第3 d的香氣成分貢獻較大。據查閱文獻,張曉珊等[19]、劉玲[20]分別在月光白茶和普洱茶中檢測到了植酮的存在,說明植酮在茶中也廣泛存在。

酸類物質的相對含量在烘烤發芽第1 d時達到最低為1%。酸類物質會給大麥茶的風味帶來一種酸敗的味道。油酸是一種單不飽和Omega-9脂肪酸,具有動物油或植物油氣味,在高溫下下容易氧化、聚合或分解并且無毒,所以在烘烤發芽大麥樣品中檢測不到油酸。壬酸呈淡的脂肪和椰子香氣,可由油酸氧化而得。

雜環類化合物如呋喃類、吡嗪類以及吡啶類化合物,對烘烤發芽大麥茶的香氣風味有較大的影響。是烘烤食品揮發性風味物質的主要成分之一。在較高烘焙溫度下,斯特勒克降解通常伴隨著美拉德反應,此反應除了生成揮發性醛類,以吡嗪為首的揮發性香氣物質特別是揮發性的雜環類化合物也來源于此反應[21]。雜環類化合物的相對含量在烘烤之后有了明顯的增加,其中烘烤發芽第1 d大麥的相對含量最高為76.27%,比烘烤未發芽大麥增加了46.87%,且新生成了8種香氣組分。說明烘烤發芽第1 d大麥進行了較多的和α還原糖和氨基酸的反應，以及羰基化物和醛這兩種物質與氨的反應[5]。在未烘烤的條件下,有少量的呋喃類化合物生成,且相對含量隨著發芽過程呈現增長趨勢,其中2-戊基呋喃是焙烤食品香氣之一,呈烘烤香,烘烤之后其相對含量明顯增加,且烘烤發芽第1 d大麥最為明顯,相比未烘烤未發芽的時候相對含量增長了6.06%。可能是發芽大麥茶加熱時發生美拉德反應的產物,2-戊基呋喃對烘烤發芽大麥的香氣有重要貢獻,這也與陳兵[5]的大麥茶研究實驗中的結果相一致。5-甲基呋喃醛又稱5-甲基糠醛,能賦予面包焦甜香氣,是發芽大麥茶香氣成分的重要成分。5-甲基呋喃醛主要來自于烘烤過程中的美拉德反應,有一部分也來自于發芽大麥中5-羥甲基糠醛的熱分解。5-甲基呋喃醛在烘烤發芽大麥中的相對含量較高,且在發芽第3 d含量最高,為29.19%。在烘烤發芽大麥中檢測到了較多的吡嗪類化合物,且相對集中于發芽第1 d的大麥,吡嗪也是一類重要的烘烤型香氣物質,主要產生烘烤香氣、堅果香氣和烤花生香氣,對烘烤發芽第1 d大麥的香氣風味起著重要貢獻,這與王小平等[22]研究的麩皮茶工藝感官評價相一致。在樣品中檢測到的吡咯類和吡啶類化合物只有2-丁基吡啶、1H-吡咯-2-甲醛,且只分別出現在一個樣品中,雖然這兩類已被正是氨基酸-糖模型體系的美拉德反應產物,具有烘炒味,但是很少有報道將它們作為主導香氣[23]。

其他類物質中主要有酚類、醇類和酯類。檢測到的酚類主要有2-甲氧基-4-乙烯基苯酚和麥芽酚。麥芽酚在烘烤發芽第3 d的大麥樣品中含量較高,其具有焦奶油硬糖的特殊香氣以及蜜餞的水果香,是一種廣泛用于食品中的增香劑。其來源主要是在烘烤過程中還原糖與氨基酸共熱反應,通過美拉德反應脫水而成[24]。檢測到的醇類主要有香茅醇、糠醇、苯乙醇、2-己基-1-癸醇、3,7,11-三甲基-1-十二烷醇。揮發性醇產生的氣味比較柔和[25]。糠醇在烘烤發芽大麥樣品中檢測到的含量相對較高,它的原料是糠醛,具有甜香、咖啡香等香味,對烘烤發芽大麥茶的香氣特征有一定的貢獻。在未烘烤大麥樣品中檢測到苯乙醇,其相對含量逐漸上升,苯乙醇具有薔薇香氣,是一種食用香料,存在于玫瑰油和丁香精油中,能夠賦予發芽大麥清香。香茅醇具有新鮮玫瑰等特殊氣味和苦味,在烘烤發芽大麥中的含量較少。酯類化合物主要大量存在于發酵產品中,如啤酒等,在發芽大麥以及烘烤的發芽大麥樣品檢測到酯類可能是由于大麥在發芽過程中有發酵現象。

3 結論

通過GC-MS/MS結合電子鼻電子舌技術對烘烤發芽大麥茶進行風味物質分析,在樣品中共檢測到了52種主要的揮發性風味物質。烘烤發芽第1 d的大麥的揮發性組分醛類、酮類、酸類的相對含量相較于未發芽大麥有所下降,香氣組分雜環類有顯著的增加,香氣組分比未發芽大麥多出了8種。相較于烘烤未發芽大麥,烘烤發芽第1 d大麥的風味物質含量和種類都具有明顯變化。茶多酚與咖啡堿使烘烤發芽第1 d大麥呈較高苦味值,茶多酚、咖啡堿含量與茶葉品質呈正相關。同時,呈味氨基酸也使得烘烤發芽第1 d大麥保持較高鮮味值。烘烤發芽大麥茶的揮發性風味物質相比市場上的烘烤未發芽大麥茶來說要更加豐富,所以烘烤發芽大麥茶具有一定的開發價值。