基于感官評價和電子鼻分析不同蒸煮時間荸薺揮發性風味物質

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(1.大連工業大學食品學院,遼寧大連 116034;2.廣西果蔬保鮮和深加工研究人才小高地,賀州學院,廣西賀州 542899)

荸薺(Heleocharisdulcis),又稱馬蹄、芍、鳧茈、地栗、通天草等,是莎草科荸薺屬植物的地下球莖[1-2]。荸薺原產于中國南方和印度,廣西是我國最大的荸薺主產區,以桂林市和賀州市種植居多,產量居全國首位[3]。荸薺可鮮食、熟食或供藥用,是一種優良的藥食同源果蔬。荸薺削皮生食脆甜多汁、生津止渴,烹飪可做成美味佳肴,葷素皆宜[4]。民間常用帶皮荸薺煲水服用,對治療咽喉炎、肝炎、急性腸胃炎以及尿道感染具有良好的療效[5-6]。荸薺除鮮銷外,主要通過熟化加工制成荸薺罐頭、果脯、飲料、荸薺糕等產品出口歐美、東南亞等地區,其中,以荸薺罐頭產量和出口量最大,出口量占世界荸薺罐頭99%以上[3,7-8]。因此,荸薺罐頭風味品質控制顯得尤為重要。

蒸煮不僅使食物熟化,也可以提升食物風味[9]。風味是評價荸薺的關鍵指標,將影響消費者的喜好和可接受度[10]。新鮮荸薺削皮后容易發生酶促反應產生黃化物質,主要是圣草酚和柚皮素通過苯丙烷代謝途徑生成黃酮類物質所致[11]。因此,荸薺削皮后應立即蒸煮。荸薺蒸煮過程中,糖類、蛋白質和淀粉等前體物質在熱的作用下降解產生特殊風味[12]。蒸煮是生產荸薺罐頭的一道重要工序,蒸煮時間和溫度直接影響荸薺罐頭的品質和風味,蒸煮時間過短,果肉過脆,切片易碎且香味較淡;時間過長,質構被破壞,出現紅心、黑心現象[13-14]。此外,蒸煮溫度過高破壞產品風味,溫度過低則滅菌不徹底,易腐爛變質,營養成分和風味均會遭到嚴重破壞[15-16]。因此,闡明蒸煮時間與風味之間的關系對于提升荸薺罐頭風味品質具有重要的現實意義。目前尚未有關于不同蒸煮時間對荸薺罐頭揮發性風味物質影響的文獻報道。

目前,食品風味的監測?？扛泄倨吩u來鑒別。但感官評價容易受評價者的感情色彩、情緒和心理狀況的影響,存在一定的偏差[17]。電子鼻作為一種模擬人類嗅覺感官的檢測技術,具有與人類嗅覺感官相關性好的優點,且操作方便、速度快、重復性好、客觀性強,在揮發性風味物質分析中應用廣泛[18]。本文以廣西特色農產品荸薺為研究對象,在感官評價的基礎上確定最佳蒸煮時間,利用電子鼻快速檢測技術對荸薺罐頭揮發性風味物質進行檢測分析,旨在為荸薺罐頭加工風味監控提供指導,同時為人們客觀評價荸薺揮發性風味物質和合理選擇烹飪方式提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

荸薺 產自廣西賀州,挑選新鮮、無腐爛、無病蟲害、大小均勻者為實驗材料。

德國PEN3型電子鼻 北京盈盛恒泰科技有限公司;C21-RT2170多功能電磁爐 廣東美的生活制造有限公司;AQT-1500分析天平 艾德姆衡器武漢有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品制備

1.2.1.1 蒸制方法 a.削皮蒸制:將新鮮荸薺削皮后,選取單個質量為(25.00±2.00) g,使用普通蒸鍋和電磁爐進行蒸制,電磁爐輸出功率為800 W,水沸騰后放入蒸鍋并計時,在不直接與水接觸的前提下,分別蒸制0、10、15、20、25、30 min。

b.帶皮蒸制:將新鮮荸薺洗凈后,選取單個質量為(30.00±2.00) g,使用普通蒸鍋和電磁爐進行蒸制,電磁爐輸出功率為800 W,水沸騰后放入蒸鍋并開始計時,在不直接與水接觸的前提下,分別蒸制0、20、25、30、35、40 min。

1.2.1.2 煮制方法 a.削皮煮制:將新鮮荸薺削皮后,選取單個質量為(25.00±2.00) g,使用普通蒸鍋和電磁爐進行煮制,電磁爐輸出功率為800 W,水沸騰后直接放入水中浸沒并開始計時,分別煮制0、10、15、20、25、30 min。

b.帶皮煮制:將新鮮荸薺洗凈后,選取單個質量為(30.00±2.00) g,使用普通蒸鍋和電磁爐進行煮制,電磁爐輸出功率為800 W,水沸騰后直接放入水中浸沒并開始計時,分別煮制0、20、25、30、35、40 min。

1.2.2 感官評價 參考“GB/T 13212-1991 清水荸薺罐頭”[19],制定具體評分標準。組織10名食品專業的老師和學生組成評定小組,對蒸煮不同時間的荸薺進行感官評分,從氣味、色澤、質地、滋味等4個指標進行觀察和品評,評分為百分制(感官評價人員在品評過程不得互相溝通與交流,否則會影響結果判斷,造成誤差)。統計結果,去掉最低分與最高分,結果取平均值。感官評價標準見表1。

1.2.3 電子鼻檢測 檢測時,將蒸煮后的荸薺破碎,準確稱取相同質量(7.00 g)于無色無味透明的塑料杯中,附上雙層封口膜密封,室溫平衡30 min。測試樣品共為5組,每組5個平行,載氣為潔凈空氣,傳感器流量為400 mL/min,載氣流速為400 mL/min,清洗時間為60 s,電子鼻采樣間隔1 s,檢測時間為120 s。PEN3型電子鼻主要由10種性能不同的金屬氧化物傳感器陣列組成,可有效分析不同的揮發性物質。各傳感器陣列及其性能描述詳見表2。

表1 不同蒸煮時間荸薺感官評價指標及分值(分)Table 1 The sensory evaluation index and score of Chinese water chestnut in different steaming and boiling time(score)

表2 PEN3型電子鼻的傳感器及其響應揮發性成分Table 2 Sensor and response volatile components of PEN3 e-nose

1.3 數據處理與分析

利用與PEN3型電子鼻配套的WinMuster軟件,對第115～119 s內的電子鼻揮發性成分測定數據進行主成分分析(principal component analysis,PCA)、判別函數分析(linear discriminant analysis,LDA);根據樣品在119 s時的傳感器響應值建立特征雷達圖;實驗結果數據處理采用Excel 2016軟件;每組實驗重復5次。

2 結果與分析

2.1 不同蒸煮時間對荸薺感官品質的影響

圖1 不同蒸煮時間荸薺外觀變化圖Fig.1 Appearance changes of Chinese water chestnut in different steaming and boiling time注:A:鮮荸薺;B:削皮蒸20 min;C:削皮煮20 min;D:帶皮煮30 min;E:帶皮蒸30 min。

由表3和圖1可知:鮮荸薺的感官評價總分為60分,明顯低于大部分削皮蒸制、煮制和帶皮蒸制、煮制的荸薺,主要是荸薺在蒸煮過程中生成了特殊的風味物質,產生了荸薺特有的清香味,而且使荸薺更甜、更爽口、更有彈性。

削皮蒸制、煮制20 min時荸薺的感官評價總分最高,分別為86分、83分,表明削皮蒸制感官品質優于削皮煮制。這可能是因為蒸制是以水蒸氣作為傳熱媒介,且荸薺與水蒸氣基本處于密閉空間中,其風味物質損失少,肉質飽滿,色澤均一,口感香甜爽口。煮制的荸薺由于浸泡于沸水中,部分香氣和糖類物質流失到水中,故煮制的荸薺甜味、肉質、顏色和香味略差于蒸制。但總體來說,削皮蒸制、煮制20 min時荸薺香味較為濃郁,顏色為淡黃色且色澤均勻,脆度適中,咀嚼時清甜爽口。荸薺蒸制、煮制前面10～15 min荸薺香味和滋味稍遜于20 min,荸薺蒸制、煮制10 min都尚有白芯,質地較脆,尚未完全熟化,各方面評分較低。15 min時荸薺香味和甜味明顯上升,但是總體感官評分稍低于20 min;25 min后,荸薺香味和甜味強度逐漸下降,其中削皮煮制有明顯的水煮味,口感不佳。

表3 不同蒸煮時間對荸薺感官品質的影響(分)Table 3 Effects of different steaming and boiling time on sensory quality of Chinese water chestnut(score)

帶皮蒸制、煮制30 min所得荸薺感官品質評分最高,分別為90分、88分,表明帶皮蒸煮的荸薺總體感官品質明顯優于削皮蒸煮,荸薺皮具有一定保留荸薺香味和甜味的作用。此外,荸薺皮中的活性物質如黃酮、多酚轉移到果肉里,且果膠物質降解、細胞與細胞壁分離[14,20],直接徒手也可將荸薺皮剝掉(如圖1)。因此,帶皮蒸制、煮制可提升荸薺的風味。帶皮蒸制、煮制20～30 min時間范圍內,評分隨時間的延長而升高,30 min時口感和香味較佳;35 min后評分降低,因為荸薺清香味和甜味變淡,其中煮制還有明顯的水煮味,口感和香味略遜于蒸制。總體來說,荸薺帶皮蒸制、煮制30 min時果肉顏色為均勻肉黃色,硬度適中,無白心,口感香甜適口,此時荸薺總體感官品質最好。

綜上,削皮蒸制、煮制最佳時間為20 min;帶皮蒸制、煮制最佳時間為30 min。帶皮蒸煮感官品質優于削皮蒸煮,且蒸制感官品質優于煮制。

2.2 電子鼻數據與分析

2.2.1 電子鼻傳感器對不同蒸煮時間荸薺的響應雷達圖分析 PEN3型電子鼻共有10個金屬氧化物傳感器,不同性能的傳感器對不同濃度氣體敏感程度不同,這與氣味的屬性和含量呈正相關[21-22]。當樣品的氣味與傳感器接觸時,相對電導率的比值(G/G0)隨響應氣體濃度發生變化,當響應氣體濃度大,G/G0>1;當響應氣體濃度低于檢測限或沒有響應氣體,G/G0≤1[23-24]。由圖2可知,電子鼻的10個傳感器對不同蒸煮時間荸薺揮發性風味物質均有響應,且不同傳感器的響應強度各不相同,表明利用PEN3型電子鼻系統區分不同蒸煮時間荸薺具有一定的可行性。隨著蒸煮時間的延長,雷達圖的外形輪廓和面積也逐漸發生了變化,說明不同加工方式荸薺揮發性物質的組成也發生了變化。其中,傳感器S7、S6、S9、S2的相對電阻率(G/G0)響應強度較其他6個傳感器更高,由表2可知硫化物、甲基類、芳香成分、有機硫化物以及氮氧化物等揮發性成分含量較高。

由圖2A～D可知,四組荸薺蒸煮后揮發性風味物質響應輪廓和變化趨勢基本一致,說明四組荸薺揮發性物質的組成及隨蒸煮時間的變化情況基本相似,主體風味物質相近;但也存在一定的差異,主要體現在S6、S7、S2、S9傳感器上。其中,削皮蒸制、煮制響應的最強傳感器為S7(對硫化物靈敏),其次為傳感器S6(對甲基類靈敏)、S9(對芳香成分、有機硫化物靈敏)、S2(對氮氧化物靈敏),表明削皮蒸制、煮制荸薺揮發性風味物質主要為硫化物,這應該與荸薺特有的清香味密切相關,可能屬于具有濃郁水果味的縮硫醛酮類香料化合物[25];其次是甲基類、芳香成分、有機硫化物、氮氧化物。削皮蒸制15～20 min在傳感器S7上響應值變化最大,且20與25 min傳感器S7完全重合,說明削皮蒸制20 min時荸薺香氣較濃郁,這與感官評價結果吻合。削皮煮制0～20 min傳感器S7的響應信號先增大后減小,且15與25 min在傳感器S7上重合,說明煮制15 min荸薺揮發性風味物質濃度較高,結合感官評價知煮制15 min荸薺滋味和甜味略差于20 min,造成這種差異可能是在測感官評價過程中品評員更注重滋味的感受,而電子鼻檢測的是揮發性風味成分,導致檢測結果存在一定差異。削皮煮制從25～30 min雖然響應值都是增大的,但是此時荸薺水煮味都較濃。因此,削皮煮制的最佳時間為20 min。

圖2 不同蒸煮時間荸薺揮發性風味響應雷達圖Fig.2 Radar diagram of Chinese water chestnut volatile flavored substances in different steaming and boiling time注:A為荸薺削皮蒸制、B為荸薺削皮煮制、C為荸薺帶皮蒸制、D為荸薺帶皮煮制。圖3、圖4同。

帶皮蒸制、煮制響應值最強的是傳感器S7(對硫化物靈敏),其次是傳感器S9(對芳香成分、有機硫化物靈敏)、S6(對甲基類靈敏)、S2(對氮氧化物靈敏),表明荸薺帶皮蒸煮與削皮蒸煮的主體風味物質一致,只是不同蒸煮時間其含量存在明顯差異。帶皮蒸煮對其風味影響的區別在于,帶皮蒸制0～25 min時間范圍內,響應值隨時間延長而增大,蒸制25與30 min在傳感器S7上完全重合,表明二者風味含量較為相似。結合感官評價可知,蒸制25 min時荸薺甜味和口感略差于30 min,35 min后其滋味和甜味變淡。所以,帶皮蒸制選擇最佳時間為30 min。帶皮煮制20與25 min在傳感器S7上重合,25～30 min在傳感器S7的響應信號急速增大,表明帶皮煮制30 min荸薺的揮發性風味物質含量較高,延長煮制時間其響應值隨之增加,結合感官評價可知35 min后水煮味較濃,口感不佳。因此,帶皮煮制選擇最佳時間為30 min。

綜上可知,荸薺削皮蒸制、煮制最佳時間為20 min;帶皮蒸制、煮制最佳時間均為30 min,與感官評價結果一致。四種加工方式荸薺的揮發性風味物質主要為硫化物，此外還有少量的甲基類化合物、氮氧化物、芳香類化合物和有機硫化合物。由傳感器響應值大小可知：帶皮蒸煮比削皮蒸煮荸薺揮發性風味更豐富,但后者蒸煮時間更短,從經濟和節約時間考慮,建議荸薺罐頭加工選擇削皮蒸煮20 min為宜。

2.2.2 不同蒸煮時間荸薺揮發性風味物質PCA分析 PCA是根據傳感器獲取的復雜氣味信息通過數學降維及線性變換得到幾組兩兩不相關,卻能反映原始樣品信息的二維散點圖。PCA圖中的橫、縱坐標分別代表第一主成分(PC1)所占整體信息量的百分比、第二主成分(PC2)所占整體信息量的百分比;所占百分比越大,越能最大限度反映原始樣本信息量。一般認為,PC1與PC2之和大于85%,則可以反映原數據的整體特征。PCA分析中,樣品在PC1軸上距離越大,說明樣品彼此之間差異越大;而兩個樣品在PC2上即使距離很遠,由于PC2所占比例相對較小,其差異也不明顯[24,26]。

圖3中每個橢圓代表不同蒸煮時間荸薺揮發性風味物質的數據采集點,每個點代表一個樣品,點之間的距離代表樣品之間特征差異的大小,荸薺樣品的5次重復數據點能夠很好地構成一個橢圓,表示PCA分析得到的樣品的重復性很好。由圖3可知,荸薺削皮蒸制揮發性風味物質第一主成分的貢獻率為99.64%,第二主成分的貢獻率為0.28%,累計貢獻率為99.92%;削皮煮制PC1為91.46%,PC2為8.17%,累計貢獻率為99.63%;帶皮蒸制PC1為99.18%,PC2為0.71%,累計貢獻率為99.89%;帶皮煮制PC1為99.80%,PC2為0.16%,累計貢獻率為99.96%。不同加工方式PC1與PC2累計貢獻率均大于99%,表明電子鼻分析不同蒸煮時間的荸薺樣品揮發性風味物質可以代表絕大多數樣品信息。

圖3 不同蒸煮時間荸薺揮發性風味物質PCA分析Fig.3 PCA analysis of Chinese water chestnut volatile flavored substances at different steaming and boiling time

由圖3A～3D各橢圓的距離看出,0 min荸薺樣品與其他蒸煮后的荸薺樣品距離較遠,表明它們所含揮發性風味物質差異較大[27]。其中,削皮蒸制20、25 min與煮制15、25 min的荸薺樣品在PC1軸上均有重疊,說明它們所含揮發性風味物質較為接近,這與2.2.1傳感器響應雷達圖結果相符。削皮蒸制、煮制對其風味的影響的區別在于,削皮蒸制0～20 min荸薺揮發性風味物質在PC1軸隨時間延長而增加,且15與20 min在PC1軸上氣味差異較大,25 min后其風味也是增加的,但結合感官評價可知,25 min后荸薺的甜味和滋味變淡,因此選擇20 min為削皮蒸制最佳時間。削皮煮制0～20 min呈先增加后減小,15與20 min在PC1和PC2上距離較遠,表明15 min荸薺風味較濃郁,且20 min后也是呈增大的趨勢,這與2.2.1傳感器響應雷達圖結果一致,結合感官評價可知削皮煮制15 min荸薺滋味和甜味稍差于20 min,因此選擇20 min為削皮煮制最佳時間。

帶皮蒸制0～25 min內,荸薺樣品所含揮發性風味物質在PC1方向上隨著時間延長而增加,25與30 min的荸薺樣品在PC1軸上重疊,表明二者所含揮發性風味物質較為接近,30 min后荸薺所含揮發性風味物質也是增大的,但結合感官分析可知帶皮蒸制25和35 min滋味稍差于30 min,因此帶皮蒸制最佳時間為30 min。與帶皮蒸制不同的是,帶皮煮制20與25 min的荸薺樣品在PC1方向上重疊,表明兩者揮發性風味物質含量相似。帶皮煮制25 min后荸薺揮發性風味物質濃度在PC1和PC2方向上均隨時間的延長而增加,結合感官評價可知煮制30 min的香味和甜味優于煮制20、25 min的荸薺樣品,而35 min后甜味變淡且有明顯的水煮味,因此帶皮煮制最佳時間為30 min。

綜上,四種加工方式的PCA總貢獻率均大于99%,無重要信息遺漏,可認為分析結果準確且有效,表明基于感觀評價的電子鼻分析對荸薺加工和烹飪更客觀準確。

2.2.3 不同蒸煮時間荸薺揮發性風味物質LDA分析 LDA是在PCA的基礎上對氣味特征值進行歸類的一種多指標變量統計學方法,更注重樣品彼此之間的分布狀態及風味速率變化的分析。根據數據采集點的離散程度可以看出荸薺風味的變化速率,與PCA同時使用可顯著提高荸薺樣品之間分類準確度及不同時間樣品的信息,二者在電子鼻氣味檢測領域應用非常廣泛[26]。

不同蒸煮時間荸薺樣品的線性判別分析(LDA)結果(圖4)表明:削皮蒸制和煮制的LDA總貢獻率分別為96.07%、96.38%,略低于PCA分析。但是LDA分析中,荸薺樣品之間離散度較大,可以達到有效區分不同蒸煮時間荸薺樣品間分類效果。削皮蒸制、煮制荸薺樣品揮發性風味LDA變化規律基本一致。從LDA圖中數據采集點的離散度的大小可以判斷風味變化速率的大小,離散度越大風味變化速率越大,反之亦然[28]。荸薺揮發性風味變化速率在0～15 min均先增大后減小,15～20 min風味變化速率較大,而20～25 min風味變化速率減小,表明荸薺削皮蒸制、煮制20 min荸薺揮發性風味變化較為劇烈。25～30 min風味變化速率仍增大,但從感官評價可知25 min后荸薺滋味和甜味變淡,且削皮煮制25 min有明顯的水煮味。綜上,削皮蒸制、煮制20 min荸薺揮發性風味品質較佳。

帶皮蒸制、煮制的LDA判別結果:帶皮蒸制總貢獻率達98.50%、帶皮煮制總貢獻率達92.41%,貢獻率略低于PCA分析。帶皮蒸制、煮制0 min的鮮荸薺樣品與其它蒸煮時間的荸薺樣品有著明顯的區別,說明蒸煮后的荸薺揮發性風味物質變化較大。這主要是荸薺中的糖類和蛋白質等前體物質在蒸煮過程中發生了美拉德反應,產生了新的風味物質[28-29]。從圖4中樣品的離散度可以看出,帶皮蒸制0～25 min風味變化速率增大,25與30 min在LD1方向有部分重疊,30～35 min氣味變化速率較大。結合感官評價可知,25 min時荸薺未完全熟化,香味和甜味稍差于30 min,且35 min滋味和甜味下降,說明帶皮蒸制30 min較為適宜。LDA分析總體結果與2.2.2的PCA分析相似。帶皮煮制0～25 min風味變化速率呈現先增大后減小的趨勢,20和30 min在LD1軸上數據采集點部分重疊,說明二者風味接近。雖然30 min后風味變化速率隨時間延長而變大,但結合感官評價和雷達圖可知,35 min時荸薺的水煮味較濃。因此,荸薺帶皮煮制最佳時間為30 min。

圖4 不同蒸煮時間荸薺揮發性風味物質LDA分析Fig.4 LDA analysis of Chinese water chestnut volatile flavored substances at different steaming and boiling time

四種加工方式LDA分析總貢獻率均大于90%,所有重要信息均可被有效分析,可認定該分析結果準確可靠。感官評價與電子鼻響應雷達圖、PCA和LDA分析結果相符,說明電子鼻結合感官評價可有效區分不同蒸煮時間荸薺揮發性風味物質。

3 結論

本試驗采用感官評價和電子鼻分析研究了不同蒸煮時間荸薺揮發性風味物質。結果表明,荸薺中的糖類和蛋白質等前體物質在蒸煮過程中生成新的風味物質,可產生特有的清香味,而且使荸薺更甜更爽口更有彈性;荸薺揮發性風味物質主要為硫化物,此外還有少量的甲基類、芳香類、氮氧化合物和有機硫類化合物;荸薺削皮蒸制、煮制的最佳時間均為20 min,帶皮蒸制、煮制的最佳時間均為30 min;荸薺帶皮蒸煮的風味品質明顯優于削皮蒸煮,建議日常食用荸薺選擇帶皮蒸煮30 min;削皮蒸煮時間較短,建議荸薺罐頭加工選擇削皮煮制20 min。PCA分析累計貢獻率均大于99%,表明電子鼻對荸薺揮發性風味物質區分能力較強,涵蓋了樣品的大部分信息;LDA分析時,LD1和LD2總貢獻率均大于90%,略低于PCA分析,同樣能較好地區分不同蒸煮時間的荸薺。感官評價與電子鼻響應雷達圖、PCA和LDA分析結果相符,基于感觀評價的電子鼻分析比單一的感官評價更客觀準確。荸薺揮發性風味物質的具體成分分析需進一步結合SPME-GC-MS、GC-O等手段深入研究。