發酵小麥粉加熱過程中揮發性成分分析

王美婷，王繽晨，肖琳，柴多，姜雨萌，董亮*

1(大連工業大學 食品學院，遼寧 大連，116034)2(國家海洋食品工程技術研究中心，遼寧 大連，116034)

面食制品是一種傳統主食。我國早在公元前2700年就有了磨粉的記載，到了漢唐時代，我國以蒸煮加工為主的面食得到廣泛發展[1]。由于地域的差異，面食制品的種類不盡相同，例如國外的面包，披薩及各種糕點以及我國的饅頭、花卷、餅類等。面食制品有著深厚的消費基礎，深受人們的喜愛，更是有層出不窮的創新面食，不斷刺激人們的味蕾，使面食始終穩居居民主食首選的位置[2]。

面食制品之所以在世界范圍內受到人們的喜愛，除了其可以提供人們生存的基本能量外，不同的加工過程使其具有特定風味也是重要的原因之一。現階段面食制品的加工過程一般經過酵母發酵作為預處理，然后再經過不同的熱加工過程使其熟化，如蒸煮，焙烤等，而面食制品風味主要來源則是其熟化過程(熱加工過程)。在此過程中，面食制品形成其獨特的風味。其中，非酶促的美拉德反應(包括Strecker降解)、焦糖化反應以及脂質氧化過程被認為是面食制品風味形成的主要途徑[3-8]。HWANG等[9]以小麥粉為原料，分別在160、185 ℃下進行加熱擠出，對其揮發性物質的產生規律進行了探討，結果發現，在低溫及高水分含量的環境下，揮發性物質的來源以油脂氧化為主，多為醛、酮、醇類物質；隨著溫度的升高及水分含量的降低，美拉德反應所產生的揮發性物質對整體揮發性物質的構成具有更多的貢獻，代表物質為吡嗪、呋喃、吡咯以及含硫化合物。另外，BIRCH等[10-11]討論了酵母種類、濃度和發酵溫度對于面包產品最終風味的影響，通過對烤制面包的揮發性物質進行動態頂空收集并鑒定，發現酵母濃度的增加，促進了與酵母發酵相關的揮發性物質的產生，如丁二酮和苯乙醛。而高發酵溫度(15、35 ℃)增加了與油脂氧化相關的揮發性物質，如己醛和庚醛。

頂空固相微萃取技術(headspace-solid phase micro-extraction，HS-SPME)主要用于氣體、液體或者固體樣本中揮發性組分的檢測。不僅方便快捷，對揮發性物質檢測十分靈敏，并且可以有效對含量較低、揮發性低的物質起到富集作用，因此對揮發性物質的檢測研究中運用最多。例如REGA等[12]就利用此技術對橙汁的揮發物質頂空聚集吸附后進行了氣相色譜-質譜聯用(gas chromatography-mass spectrometer，GC-MS)分析。

綜上，現階段面食制品的風味研究主要集中于尋找其特征風味和某些特征風味化合物的前體物質及其與加工條件的關系，對熱加工過程中發酵面食制品風味的生成規律仍然缺乏整體性的認識。因此，本文以發酵小麥粉為研究對象，探究在加熱過程中不同溫度點，發酵小麥粉揮發性物質的構成及特點，確定熱加工過程中各揮發性物質形成的溫度以及不同工藝溫度點揮發性風味物質的構成特點，其目的在于揭示發酵面食制品在熱加工過程中基礎風味的形成規律，為提高和改善相關面食制品的風味提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

去皮小麥(水分、灰分、濕面筋質量分數分別為6.8%、 0.62%、 30.8%；穩定時間9.5 min)，購于當地超市；C7～C30飽和烷烴及各揮發性物質標椎品，Sigma-Aldrich公司；二甲基硅油，天津市大茂化學試劑廠；安琪高活性干酵母，安琪酵母股份有限公司。

1.2 儀器與設備

Buhler制粉機，瑞士布勒公司；Supelco 50/30 μm DVB/CAR/PDMS手動固相微萃取(SPME)萃取頭，美國Supelco公司；Agilent 7890A/5975C氣相色譜質譜聯用儀，安捷倫科技有限公司；BS224S電子分析天平，賽多利斯科學儀器；HH-4型數顯恒溫水浴鍋，常州智博瑞儀器制造有限公司；Scientz-10ND型冷凍干燥機，寧波新芝生物科技有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 樣品處理

應用制粉機采用AACC26—21A方法獲得小麥粉[3]。發酵小麥粉制作工藝：首先取100 g小麥粉，按1%的質量分數加入1 g酵母粉，再加入60 mL水一起攪拌至表面光滑，于32 ℃，75%的濕度下醒發至2倍體積；然后取出面團于-80 ℃下迅速降溫，并立即凍干，得到凍干后的發酵小麥粉于-30 ℃保藏，用于實驗。

1.3.2 加熱過程及揮發性物質的萃取

取發酵小麥粉和水以5∶4(g∶mL)混合為光滑面團，并稱取3.6 g面團于20 mL頂空進樣瓶1中均勻涂壁，以獲得最大接觸面積，且能夠迅速傳熱，減少面團結構對揮發性物質揮發的阻礙。加熱過程采用真空輔助加熱系統，把裝有面團的樣品瓶1于60 ℃的油浴鍋中加熱30 min，使揮發性物質在瓶內達到飽和；與此同時，準備一個空的20 mL頂空進樣瓶2于60 ℃水浴鍋中維持溫度恒定，并使用真空泵對進樣瓶2做抽真空利用進樣瓶1、2之間的壓力差，通過聚四氟乙烯管連接3 min，使進樣瓶1中的氣體導入進樣瓶2中；然后用SPME萃取頭對進樣瓶2中揮發物質進行吸附30 min，同時對進樣瓶1進行升溫，當達到下一溫度點(70、80、90、100、110、120、130 ℃)后(溫度選擇參考發酵面食制品的熱加工工藝，大多數面食制品的熱加工溫度在100～200 ℃。同時，本文在加熱至130 ℃后，面團已出現明顯的碳化現象，故最終的溫度定為130 ℃)，進樣瓶1連接真空泵和外界，利用真空泵抽氣3 min至-0.1 MPa，使進樣瓶1中殘留氣體去除，隨后往復以上操作。實驗示意圖如圖1所示。

圖1 揮發性成分萃取實驗示意圖Fig.1 Schematic diagram of volatile matter extraction

1.3.3 揮發性物質的分離與檢測

采用GC-MS對所吸附的揮發性物質進行分離與檢測。進樣方式為將萃取頭插入氣相色譜進樣口解析5 min后拔出。

色譜條件：色譜柱為Agilent HP-5MS(30 m×0.25 mm, 0.25 μm)；柱溫：初始溫度35 ℃，保持3 min，隨后以5 ℃/min的速率程序升溫至280 ℃；載氣為He，載氣流速1 mL/min，進樣口溫度為260 ℃。質譜條件：EI電離源，電離能量70 eV；離子源溫度230 ℃，四極桿溫度150 ℃；采集方式為全掃描模式，離子掃描范圍m/z40～400。

以相同的分離檢測條件對C7～C30飽和烷烴進行進樣檢測，用于計算各未知物的保留指數。通過保留指數篩選，并與NIST/EPA/NIH標準質譜庫(版本2.2)以及各揮發物標準化合物比對，對未知化合物進行定性分析。

2 結果與分析

2.1 加熱過程中發酵小麥粉揮發性物質的組成

基于色譜峰質譜圖與NIST標準質譜庫中質譜圖的比照，以及未知物與標準品保留指數的對比，發酵小麥粉的加熱過程中共發現88種揮發性化合物，分別為醛類19種、醇類15種、酮類11種、含苯衍生物15種、呋喃類11種、酸酯類10種和雜環類化合物7種。

如表1所示，揮發性醛類占所有鑒定化合物比例最大，并且含碳數6～10個的醛是加熱早期的主要產物，包括己醛，庚醛，壬醛，反-2-庚烯醛和辛醛，這些醛被認為是小麥面包香氣的主要成分[10]，原材料中不飽和脂肪酸(如油酸，亞油酸和亞麻酸)是以上化合物形成的主要前體物質[13]。碳主鏈在C10～C12的醛類，如反,反-2,4-癸二烯醛，反-2-癸烯醛，2，4-癸二烯醛，十一醛，在低溫下未被檢測到，當溫度逐漸升高時才被檢出。

揮發性醇、酮類同樣是加熱過程中被檢出的2種主要的揮發性化合物，并且許多醇類在整個加熱過程中都可以被檢測到，如3-甲基-1-丁醇、1-戊醇、1-己醇、1-庚醇、1-辛烯-3-醇等。研究發現，面包芯的主要風味物質1-己醇、1-辛烯-3-醇和1-辛醇均來自亞油酸的氧化反應[10, 14]，同時，這幾種揮發性醇相對含量的變化在整個加熱過程中也是較大的。如表1所示，揮發性酮類中2-甲基-環戊酮和3-辛烯-2-酮在70 ℃加熱后被檢測到。其中，具有玫瑰香的3-辛烯-2-酮可在全麥面包的面包芯中檢測到[15]。

在加熱過程中共檢測到了11種呋喃和15種含苯衍生物。特別是一些對面食制品整體風味有貢獻的含苯類物質存在于整個加熱過程中，如糠醛、苯甲醛、苯乙醛和苯乙酮等[16-17]。另外，幾種具有更復雜的結構呋喃衍生物，如2-呋喃甲醇、1-(2-呋喃基)-乙酮、3-苯基-呋喃等，在高于120 ℃加熱后被檢測出來，這些揮發物多被認為是美拉德反應的產物，對面制品的整體風味輪廓有較大貢獻。

酸酯類化合物的形成在加熱過程中具有明顯的規律性。整個加熱過程中只存在少量低分子量的酯類，而大多數酸脂類化合物都是在溫度較高時才被檢測到，如丁酸丁酯、乙酸己酯和苯甲酸甲酯。雖然酸脂類化合物的相對含量較少，但它們在小麥面包芯香氣中的貢獻非常重要，因為它們具有較小的閾值和令人愉快的、甜的，果味味道[18]。

2.2 加熱過程中發酵小麥粉揮發性物質構成的特點

為了直觀地展示出加熱過程中不同揮發物的形成溫度，本文將各揮發性化合物的生成溫度由溫度輪廓圖的形式展示出來(圖2)。同時，通過對實驗數據進行主成分分析以及作出含量變化的熱度圖(圖3)，探討不同加熱溫度下發酵小麥粉揮發性物質的構成特點和變化規律。

表1 發酵小麥粉加熱時產生的揮發性物質成分Table 1 Volatile compounds from the fermented wheat flour in the heating process

續表1

圖2 加熱過程中發酵小麥粉各揮發性物質的形成溫度Fig.2 The forming temperature of different volatile compounds from fermented wheat flour during heating

由圖2可知，不同溫度下發酵小麥粉揮發性組分的構成有顯著差異。在60 ℃時共鑒定出20種揮發物，包括醛(7種)、醇(6種)、芳烴(3種)、酸和酯(3種)以及呋喃類(1種)。通過與30 ℃(數據未給出)下發酵小麥粉揮發物的構成比較發現，這2個溫度點的揮發物構成基本一致，說明這些化合物并不是在60 ℃產生的，它們是發酵小麥粉的基本揮發性成分。同時，從該溫度下揮發性物質的構成來看，短鏈醛類和醇類是構成發酵小麥粉基本風味的主要物質。隨著溫度的升高，在70、80、90 ℃時分別檢測出了2種、1種和4種新的揮發物。這些揮發物都是醛、酮和酯類化合物，且碳鏈數都低于10個。由圖3可知，在低于90 ℃時，這些揮發物都具有相類似的變化趨勢，除2-甲基-丁醛在110 ℃會大量產生外，其余揮發性化合物的含量均隨溫度的升高有略微的升高，說明在溫度較低時(<100 ℃)揮發物的生成反應并不劇烈。當溫度>100 ℃時，開始形成大量的長鏈醇、醛類化合物，具體為在100、110、120和130 ℃下分別新產生了10、8、38和4種揮發性物質，包括大量的油脂氧化的產物，如2,4-壬二烯醛、1-壬醇等醛、醇類化合物，同時還包括一定量的美拉德反應產物，如甲硫基丙醛等一些含氮、硫化合物。這種現象是由于溫度升高和水分活度降低增加了美拉德反應和脂質的氧化，同時高溫也增加了揮發性物質的揮發程度[19]。特別是溫度達到120 ℃時，新產生的揮發性物質數目最多，共產生新揮發性產物38種，包括醛(6種)、醇(5種)、酮(4種)、苯衍生物(7種)、呋喃類(6種)、酸和酯(4種)和雜環類(6種)。因此，可以推斷120 ℃ 是發酵小麥粉在熱加工過程中風味形成的關鍵溫度點，在此溫度下，發酵小麥粉整體的揮發性物質輪廓變得更加豐富。

由圖3中色調的冷暖變化可知，在加熱過程中溫度較低時(<100 ℃)，絕大多數揮發物的相對含量變化較小。當溫度超過100 ℃尤其是當溫度接近于120 ℃時，大多數化合物的顏色開始加深，表明120 ℃不僅是新揮發物生成最多的一個溫度點，同時也是已有揮發物相對含量大幅度增加的一個關鍵溫度點。但并不是所有揮發性化合物的含量都隨著溫度的升高而提高，如己醛、庚醛、反-2-辛烯醛、壬醛、癸醛、3-甲基-1-丁醇、1-辛烯-3-醇、順-3-壬烯-1-醇、1-壬醇、順-3-癸烯-1-醇和3-呋喃甲醛等醇、醛類物質在加熱后期的含量有下降的趨勢，研究發現造成這種現象的原因在于發酵過程對面團加熱過程中的油脂氧化反應有一定的抑制作用[14]。同時，由主成分分析結果可知，加熱過程中不同溫度點的揮發物構成具有明顯的差異，由圖4可知，不同溫度點在得分圖中可以明確地被分開，其中主成分1對總差異有58.0%的貢獻，主成分2對總差異有16.3%的貢獻。加熱過程中發酵小麥粉在60～100 ℃的樣品均位于第1主成分的負載荷區域且有重合，這表明在這些溫度點發酵小麥粉揮發性物質的構成區別不大。而高溫點發酵小麥粉揮發性物質的構成有較大差異，特別是當溫度>110 ℃時，各溫度點在得分圖中可以被明顯區分開來，分別位于坐標軸1、2、4象限，這表明當溫度高于110 ℃時發酵小麥粉產生的揮發性物質開始有顯著差異。通過比較與得分圖相對應的載荷圖(圖5)可知，庚醛、1-戊醇、順-3-壬烯-1-醇、3-壬烯-2-酮和雙(2-乙基己基)酯二烷二酸是120 ℃樣品區別于其他溫度點主要的差異來源物質；在130 ℃時，2-甲氧基-4-乙烯基苯酚、糠醛和苯乙醛對差異的貢獻則較大。研究發現，苯乙醛和糠醛的形成多是美拉德反應產生的[19]，1-戊醇、庚醛則分別來自于亞油酸和油酸的自動氧化[14]。

圖3 不同加熱溫度下發酵小麥粉揮發性物質熱圖Fig.3 Heatmaps of whole volatile compounds in the course ofduring heating

圖4 加熱過程中發酵小麥粉揮發性物質主成分分析得分圖Fig.4 Score scatter plot of volatiles from fermented wheat flour during heating

圖5 加熱過程中發酵小麥粉揮發性物質主成分分析載荷圖Fig.5 Loading plot of volatiles from fermented wheat flour during heating

加熱過程中的脂質氧化是發酵小麥粉風味的重要來源之一，在所有揮發性產物中，如己醛、庚醛、壬醛、反-2-庚烯醛和辛醛等醛類，1-己醇、1-辛烯-3-醇和1-辛醇等醇類及苯甲醛、3-辛烯-2-酮和苯乙酮等醛酮均是發酵小麥粉相關制品風味和香氣的主要來源，這些物質大多數源于脂質的氧化反應。在整個加熱過程中，上述物質均隨著加熱溫度升高含量不斷增加，在120 ℃達到峰值，而后隨著溫度的升高含量開始下降。高溫下生成的揮發性物質大部分都具有特殊香氣，如反，反-2,4-癸二烯醛具有清香氣味，濃度低時類似葡萄柚和柑橘的香味；反-2-癸烯醛有橙子及雞、家禽肉香味；苯乙醇具有清甜的玫瑰樣花香等，這些揮發性物質均于120 ℃開始生成，它們使相關面食制品擁有更加豐富和飽滿的風味。美拉德反應是面食制品風味的另一個重要來源，其反應速度隨加工溫度的升高而增加，如1-(2-呋喃基)-乙酮、3-苯基-呋喃等被認為是美拉德反應產物的物質，均于120 ℃下生成。同時，這些物質隨著溫度繼續升高含量呈上升趨勢，然而若溫度過高可能致使美拉德反應產生致癌物質，對食品安全造成影響。

綜上，120 ℃是加熱過程中發酵小麥粉制品風味形成的一個關鍵溫度控制節點，大部分基礎風味物質在該溫度下達到峰值，同時該溫度下也因美拉德反應、脂質氧化等反應而生成了許多特征風味物質。因此，通過調節和控制加熱過程中的溫度和相應溫度下的保留時間，對于改善和調控發酵小麥粉制品的風味品質在理論層面是完全可行的。

3 結論

真空輔助固相微萃取氣質聯用技術可以有效檢測熱加工過程中發酵小麥粉的揮發性物質。120 ℃是整個熱加工過程中的重要關鍵溫度點，大多數揮發性物質在這個溫度下生成，其他揮發性物質的相對含量也開始大幅度提高。基本明晰了加熱過程中各溫度下揮發性物質生成規律及變化的趨勢，通過調節和控制加熱過程中的溫度和相應溫度下的保留時間，對于實現發酵小麥粉熱加工過程中的人工調節在理論層面是可行的。