脂質對凡納濱對蝦熱風干制品香氣特性的影響

張迪,吉宏武,2,3,4*,陳浩,劉書成,2,3,4,毛偉杰,2,3,4

1(廣東海洋大學 食品科技學院,廣東 湛江,524088)2(廣東省水產品加工與安全重點實驗室,廣東 湛江,524088) 3(廣東省海洋食品工程技術研究中心,廣東 湛江,524088)4(廣東普通高等學校水產品深加工重點實驗室,廣東 湛江,524088)

凡納濱對蝦是我國大宗養殖的蝦類品種之一,2019年全國養殖總產量為181.56萬t,占對蝦總產量的81.13%[1]。凡納濱對蝦由于含水量高,常溫下極易腐敗,貯藏期短[2-3]。蝦干制品由于風味獨特、便于儲運,不僅深受廣大消費者尤其是內陸人群的喜愛,同時也降低了生產過程中冷藏冷鏈所需成本和長時間低溫對產品品質的影響[4-6]。因此,干制成為凡納濱對蝦加工的重要方法之一。目前，蝦類干制品質量優劣局限于感官方法評價,缺乏客觀定量評價指標，且尚無國家標準與行業標準。蝦類干制品具有類似特征香氣,關鍵香氣成分作為質量精準控制指標具有無可替代性。

香氣是復雜化學反應的產物,而脂質是重要的香氣前體物質。脂質廣泛存在于動物體內,蝦體中脂質含量約為鮮重2%～7%[7]，主要存在2種形式,一種為中性脂肪,主要為甘油三酯；另一種為磷脂,存在于內臟、表皮組織和肌間結締組織等部位[8-9]。研究表明,脂質對香氣形成有重要貢獻,主要表現在以下3個方面：(1)作為化合物的溶劑,在香氣形成過程中作為香氣化合物富集或中間產物進一步反應的場所；(2)脂類物質的自動氧化、水解、脫水及脫羧等反應,形成醛、酮、醇、呋喃和內酯等香氣化合物；(3)脂類氧化分解產物進一步參與美拉德反應,形成更復雜的香氣物質[10-12]。目前對蝦類產品中香氣物質的研究主要集中在揮發性成分的解析[13-15],而有關于蝦體中脂質對香氣形成的影響鮮有報道。

本研究通過有機試劑去除蝦體中的甘油三酯或磷脂,采用氣相色譜-質譜聯用(gas chromatography-mass spectrometry,GC-MS)和感官評價分析脂質對蝦干制品香氣特性的影響,以氣味活性值(odor activity value,OAV)為指標,篩選香氣活性化合物,同時采用偏最小二乘回歸法(partial least squares regression,PLSR)分析揮發性化合物與感官屬性之間的相關性,以期為蝦類特征香氣的形成機制提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

凡納濱對蝦(Penaeusvannamei),平均體長8～10 cm,廣東省湛江市東風水產市場。挑選色澤鮮亮、蝦體完整、無異味的活蝦,加冰放置于泡沫箱,并于2 h內運送至實驗室。對蝦基本營養成分為：水分含量(76.49±1.37)%,粗蛋白含量(19.55±0.74)%,粗脂肪含量(4.68±0.37)%,灰分含量(1.13±0.17)%。

15-辛二烯-3-酮(純度≥99.9%)、麥芽醇(純度≥99%)、3-(甲基硫基)丙醛(純度≥99.9%)、4-羥基-2,5-二甲基-3(2H)-呋喃酮(純度≥99.9%)、2,5-二甲基吡嗪(純度≥99%)、C5～C25 正構烷烴,美國Sigma公司；壬酸甲酯(色譜純,純度≥99.9%),上海麥克林生化科技有限公司；其他試劑均為國產分析純。

InertCap?Pure-WAX石英毛細柱(60 m×0.25 mm,0.25 μm),日本島津公司；50/30 μm DVB/CAR/PDMS固相萃取頭,美國Supelco公司；TLG-04A型萬能粉碎機,北京天利恒誠科技有限公司；WFO-700型電熱恒溫干燥箱,日本東京理化器械株式會社；QP2020型氣相色譜-質譜聯用儀,日本島津公司；FDU-21101型真空冷凍干燥機,日本東京理化器械株式會社。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品制備

參考劉源等[10]的方法,稍作改動。取新鮮凡納濱對蝦,加入液氮研磨成粉末。取10 g粉末狀樣品,加入100 mL石油醚攪拌萃取2 h,重復操作3次,過濾得到去除甘油三酯的全蝦粉,按照同樣的方法用體積比為2∶1的氯仿-甲醇混合溶液處理全蝦粉,得到去除磷脂的全蝦粉。將脫脂全蝦粉用冷凍干燥機去除有機試劑,得到脫脂蝦粉,放入真空干燥器中備用。

取脫脂全蝦干粉,按照新鮮蝦中的水分含量加入蒸餾水,并置于4 ℃冰箱靜置24 h。取新鮮的凡納濱對蝦和脫脂全蝦,放置于恒溫鼓風干燥箱中,設置溫度為85 ℃,干燥至水分含量為10%～13%。熱風干燥結束后,將蝦干制品和脫脂蝦干制品用萬能粉碎機打碎成粉末,然后進行后續檢測。蝦干制品、去甘油三酯蝦干制品和去磷脂蝦干制品分別用DS、RtDS和RpDS表示。

1.2.2 揮發性物質的提取

采用固相微萃取(solid-phase microextraction,SPME)提取樣品中揮發性物質[15]。在萃取之前,先將固相萃取頭在氣相色譜儀上預處理 30 min,老化溫度為 250 ℃。裝有樣品的頂空瓶加入2 μL壬酸甲酯溶液(溶于正戊烷,質量分數為10 μg/g),并將其置于恒溫水浴鍋上,在75 ℃下萃取 35 min。然后取出萃取頭并直接插進GC-MS進行解吸和分析。

1.2.3 GC-MS分析

GC條件：色譜柱為InertCap?Pure-WAX石英毛細柱(60 m×0.25 mm,0.25 μm)；載氣(He)流速1.0 mL/min；進樣口溫度為250 ℃,SPME解析5 min；不分流模式。升溫程序：色譜柱起始柱溫為40 ℃,保持1 min,以3 ℃/min的速率升至100 ℃,保持5 min,然后以5 ℃/min的速率升至230 ℃,保持10 min。

MS條件：E1離子源；電子能量70 eV；傳輸線溫度280 ℃；離子源溫度230 ℃；掃描范圍m/z20～350。

1.2.4 香氣化合物定性方法

采用MS、保留指數(retention index,RI)2種方法進行結構鑒定[16]。由GC-MS檢測到的風味物質通過NIST05和Wiley07數據庫串聯檢索得出,通過對比化合物計算的RI與文獻報道的RI值來定性。化合物的RI值根據C5～C20正構烷烴在相同條件下的出峰時間計算[15]。

1.2.5 香氣化合物定量方法

鑒定出的化合物,以壬酸甲酯作為內標物,每種物質的計算方法如下：

式中：ωi,化合物質量分數,ng/g；f′,校正因子為 1；Ai,待測組分峰面積；As,內標物的峰面積；ωs,內標物的質量分數,ng/g。

1.2.6 OAV值的測定

參考李柯呈等[17]的方法稍作改動。通過將濃度除以其氣味閾值來確定OAV,為每種化合物的濃度與其在水中的檢測閾值的比率。OAV≥1 的化合物被確定為對蝦熱風干制品的香氣活性化合物。化合物的閾值參考GEMERT[18]的報道。

1.2.7 感官分析

通過感官描述分析法對樣品的感官屬性進行分析[19]。選擇6種感官描述詞匯(烤香味、甜香味、肉香味、腥味、焦糖香和煙熏味)對樣品感官特征進行量化。6種感官特征定義為：煙熏味(苯甲醛)；甜香味(麥芽醇)；肉香味(3-(甲基硫基)丙醛)；魚腥味(三甲胺)；焦糖香(4-羥基-2,5-二甲基-3(2H)-呋喃酮)；烤香味(2,5-二甲基吡嗪)。感官評分采用 0～5分的5分制強度描述法(0：沒有味道；5：強烈的味道)。

1.3 數據分析

感官評定及GC-MS結果(平均值以及標準偏差)采用SPSS 23.0進行統計學分析,設定P<0.05為顯著性差異；揮發性化合物與感官屬性的PLSR相關統計分析由Unscrambler version 9.7軟件完成。

2 結果與分析

2.1 不同脫脂蝦干制品的感官評價

采用感官描述分析法來評價6種氣味特征屬性,3種蝦干制品的感官評分如圖1所示。蝦干制品整體呈現蝦味濃郁、香氣怡人的感官特性,在所有感官屬性中烤香味和肉香味評分最高,分別為4.5和3.6,其次為甜香味(2.3)、腥味(2.2)、焦糖香(1.8)、煙熏味(1.5)。去除蝦體中的脂質后,蝦干制品整體香氣強度均不同程度地減弱,去甘油三酯蝦干制品中烤香味、肉香味、腥味的感官評分稍有降低(P<0.05),而焦糖香、甜香味、煙熏味無明顯變化(P>0.05)；而在去磷脂蝦干制品整體香氣特征發生顯著變化,其中烤香味、肉香味、腥味、焦糖香、甜香味顯著降低(P<0.05),煙熏味的感官評分無明顯變化。劉源等[10]研究脂肪對鴨肉風味的影響,發現甘油三酯對整體風味影響較小,而磷脂對鴨肉的特征性風味及肉香影響很大。FARMER[20]建立牛肉香氣模擬體系,添加牛肉甘油三酯并不影響整體香氣,而加入牛肉磷脂時,牛肉氣味明顯增強。MOTTRAM[21]研究了甘油三酯和磷脂對牛肉香味形成的影響,發現磷脂對牛肉特征香味的形成起關鍵作用。通過對蝦干制品進行感官分析,可以看出甘油三酯對蝦干制品整體香氣影響較小,而磷脂對主要氣味特征有顯著影響。

圖1 不同脫脂蝦干制品的感官評分Fig.1 Sensory scores different defatted dried shrimp

2.2 凡納濱對蝦熱風干制品中揮發性物質分析

2.2.1 揮發性化合物的鑒定

采用GC-MS對蝦干制品、去甘油三酯蝦干制品和去磷脂蝦干制品中揮發性物質進行分析,得到GC-MS總離子流圖如圖2所示。去除甘油三酯和磷脂后,全蝦干制品的峰數和峰面積均顯著減少,相比甘油三酯,去除磷脂后降低幅度更大。以壬酸甲酯為內標物進行定量分析,分離鑒定出的揮發性化合物結果如表1所示。蝦干制品、去甘油三酯蝦干制品和去磷脂蝦干制品揮發性化合物總含量分別為12 257.12、7 634.77和6 033.14 ng/g,共檢出揮發性化合物65種,包括吡嗪類12種、烷烴類9種、酮類14種、胺類3種、酯類4種、醇類化合物9種、醛類化合物9種、雜環類3種、含硫類2種。

圖2 不同脫脂蝦干制品中揮發性成分總離子流圖Fig.2 Total ion current (TIC) chromatograms of volatile compounds in different defatted dried shrimp

蝦干制品中鑒定出53種揮發性化合物,其中吡嗪類化合物含量最高,占總含量48.23%,其次為雜環類(26.87%)、醛類(6.96%)和酮類(6.89%)。去甘油三酯蝦干制品鑒定出41種揮發性化合物,其中含量最高的4類物質分別為吡嗪類(44.90%)、雜環類(32.78%)、酮類(6.5%)和烷烴類(5.93%)。去磷脂蝦干制品鑒定出38種揮發性化合物,含量最高的4類物質分別為吡嗪類(36.46%)、雜環類(34.06%)、烷烴類(20.03%)和胺類(4.08%)。蝦干制品中含量最高的物質有吡啶、2,3,5-三甲基吡嗪、甲基吡嗪、三甲胺、2,3-二甲基吡嗪等,這些化合物大部分屬于低閾值香氣物質；去除甘油三酯和磷脂后揮發性化合物總量顯著降低,分別減少了37.53%和50.78%,其化合物組成也發生較大變化,脫脂全蝦中對香氣有較大貢獻的吡嗪類、雜環類和羰基化合物數量和含量在不同程度上降低,而烷烴類化合物比例大幅度提高。

表1 不同脫脂蝦干制品中揮發性物質GC-MS分析結果Table 1 Volatile compounds in different defatted dried shrimp by GC-MS

續表1

2.2.2 OAV法確定香氣活性化合物

香氣是由揮發性化合物的濃度和閾值共同決定的。通常認為,OAV≥1的化合物對整體風味有重要貢獻,被稱為香氣活性化合物,且OAV越高,該化合物對整體香氣貢獻越大[21]。通過內標法對揮發性化合物進行定量計算,結合化合物的感覺閾值,篩選出18種香氣活性化合物如表2所示。全蝦熱風干制品鑒定出16種香氣活性化合物,包括3-乙基-2,5-二甲基吡嗪、2,5-二甲基吡嗪、三甲胺、3-(甲硫基)丙醛、2,3,5-三甲基吡嗪、2-戊基呋喃、2-甲基-3,5-二甲基吡嗪、2,3-二甲基吡嗪、2,3,5,6-四甲基吡嗪、苯甲醛、3-甲基丁醛、2-甲基己醛、二甲基二硫、2-辛酮、2-庚酮、吡啶。整體來看,蝦干制品中主要香氣成分有吡嗪類、胺類、雜環類、含硫類、醛類、酮類化合物。脫脂后蝦干制品中關鍵香氣化合物數量在不同程度地減少,去除甘油三酯后主要關鍵成分(OAV>5)均能檢出,而去除磷脂后僅鑒定出8種,有2種重要物質(2-戊基呋喃和3-(甲硫基)丙醛)未檢出。去磷脂蝦干制品中OAV總量下降(64.08%),且高于甘油三酯(38.9%),這說明脂質對蝦干制品香氣成分的形成有重要影響,且磷脂比甘油三酯影響更大。

表2 不同脫脂蝦干制品中關鍵香氣物質及對應OAVTable 2 OAV of key aroma compounds in different defatted dried shrimp

吡嗪類及含氮雜環化合物是蝦類產品中重要的風味化合物,通常呈現烘烤香、堅果香、肉香味、爆米花香、焦香味等風味特征,對蝦類特征香氣的形成起至關重要的作用[15]。其中吡嗪類化合物由于其濃度高和低風味閾值被認為是在許多蝦類產品中重要的揮發性成分,也是肉香味和烤香味的重要來源[6]。吡嗪類化合物是全蝦干制品最主要的關鍵香氣物質,占比67.03%,其中2,3,5-三甲基吡嗪雖然含量最高,但由于其高閾值,對整體香氣貢獻不大,而3-乙基-2,5-二甲基-吡嗪的感覺閾值僅為1 ng/g,在所有化合物中OAV值最高(297.61)。脫脂全蝦樣品中吡嗪類化合物數量和OAV總量均不同程度降低,其中去除甘油三酯和磷脂后OAV總量分別減少38.63%和68.58%,吡嗪類化合物主要由美拉德反應和熱解反應,通過特克雷爾氨基酸反應生成的,而α-氨基羰基化合物是形成吡嗪的重要前體化合物[23]。在加熱過程中,甘油三酯和磷脂參與氧化降解反應,生成氫過氧化物。氫過氧化物化學結構不穩定,易分解生成烷氧基自由基和羥基自由基,進一步與氨基酸結合,生成α-氨基羰基化合物,而去除脂類物質會減少α-氨基羰基化合物的生成,使吡嗪類化合物含量下降[24-25]。因此,脂質對蝦干制品中吡嗪類化合物的形成有顯著影響。

除了吡嗪類化合物,蝦干制品中還檢出吡啶、呋喃等雜環化合物,對蝦類產品特征香氣的形成有較大貢獻。烷基呋喃對于肉類香氣有貢獻,如在烤蝦香氣中有重要貢獻的2-戊基呋喃[15]。呋喃的形成過程一般為：含有共軛雙鍵的脂肪酸在裂解后形成五元環,烷氧自由基斷裂后,丙烯基與氫過氧自由基結合,進一步脫去羥自由基后形成穩定的五元環結構[26]。蝦干制品中2-戊基呋喃具有較高的OAV值,為49.88,去除甘油三酯后降低32.54%,而在去磷脂蝦干制品中未檢出,這說明磷脂對蝦干制品中2-戊基呋喃的形成有決定作用。

醛類、酮類化合物通常具有甜香和類植物香的氣味,其中醛類物質因為閾值較低且含量高,所以對風味的貢獻較大[27]。蝦干制品關鍵香氣物質中檢出4種醛類和2種酮類,包括苯甲醛、3-甲基丁醛、3-(甲硫基)丙醛、2-甲基己醛、2-辛酮、2-庚酮,其中3-(甲硫基)丙醛的OAV值較高(41.78),對整體香氣有重要貢獻。解萬翠等[28]以南美白對蝦蝦頭為原料制備海鮮調味料,檢出醛類物質相對含量達18.87%。ZHANG等[6]在南極磷蝦美拉德反應產物中檢出3-甲基丁醛、2-甲基丁醛、苯甲醛、3-(甲硫基)丙醛、2-庚酮等羰基化合物,這些物質貢獻了花果香、青草味、烤土豆味、刺激性氣味。醛酮類化合物的主要來源是不飽和脂肪酸或氨基酸在加熱條件下發生的氧化降解[27]。脫脂蝦干制品中醛酮類OAV值均顯著下降(P<0.05),同時發現在去磷脂蝦干制品中未檢出3-(甲硫基)丙醛。這說明脂質對蝦干制品中醛酮類化合物有重要影響,其中磷脂對3-(甲硫基)丙醛的形成有決定作用。

胺類是水產品中刺激性氣味和腥味的主要來源,在蝦類產品中也較為常見[6,29]。蝦干制品中關鍵香氣物質中胺類只檢出三甲胺,OAV值為167.60,而去除甘油三酯和磷脂后,OAV值分別降低26.11%和40.19%。含硫類化合物通常有硫味和刺激性氣味,對整體風味有不利影響[27]。蝦干制品關鍵香氣成分中含硫類檢出二甲基二硫,OAV值較低,對整體香氣貢獻小,而脫脂后OAV值小幅度降低。蝦干制品中其他揮發性化合物,如烷烴類、醇類、酯類等物質由于感覺閾值較高,對整體香氣貢獻較小。

2.3 揮發性化合物與感官屬性的相關性分析

為了分析關鍵香氣物質對蝦干制品感官屬性的貢獻程度,以18種香氣活性化合物含量為X變量,6個感官屬性(烤香味、肉香味、腥味、甜香味、焦糖香、煙熏味)得分值為Y變量,建立PLSR分析模型,如圖3所示。模型中2個大小橢圓分別表示100%和50%的解釋方差[15],除了2,3-二甲基吡嗪,X和Y的大部分變量位于2個橢圓之間,這說明該模型能很好地解釋大部分香氣活性化合物與感官屬性之間的相關性。其中對蝦干制品的烤香味和肉香味與3-乙基-2,5-二甲基吡嗪、2,5-二甲基吡嗪、2,3,5-三甲基吡嗪、2-甲基-3,5-二甲基吡嗪、3-(甲硫基)丙醛、2-戊基呋喃之間有良好的相關性；腥味與2-辛酮、三甲胺、吡啶具有良好的相關性；甜香味與2-甲基丁酸乙酯、2-庚酮之間具有良好的相關性；焦糖香與3-甲基丁醛、戊醛之間具有良好的相關性；煙熏味與2,3,5,6-四甲基吡嗪、苯甲醛、二甲基二硫之間具有良好的相關性；而2-甲基己醛沒有與之相關的感官屬性。由GC-MS結果可知,去磷脂蝦干制品中3-(甲硫基)丙醛和2-戊基呋喃未檢出,說明磷脂對于關鍵化合物的生成有重要作用,可能是其主要前體物質。

圖3 揮發性化合物與感官屬性的PLSR相關性載荷圖Fig.3 PLSR correlation loadings plot of indicator variables of volatile compounds and sensory attributes注:數字1-18代表18種香氣活性化合物如表2所示

PLSR分析法在蝦類產品中的應用范圍非常廣泛。ZHANG等[6]采用PLSR法考察了揮發性化合物與南極磷蝦酶解液美拉德反應產物的感官屬性之間的相關性,結果表明3-乙基-2,5-二甲基吡嗪、2,5-二甲基吡嗪、2,3,5-三甲基吡嗪、2-甲基-3,5-二甲基吡嗪、2-乙基-6-甲基吡嗪、2-戊基呋喃和3-(甲硫基)丙醛與堅果和肉香氣味呈正相關。通過PLSR模型建立揮發性化合物與感官屬性的相關性,確定影響感官屬性的化合物,對于研究蝦類特征風味的形成機制有重要的參考價值。

3 結論

蝦干制品中主要感官特征為烤香味、肉香味,吡嗪類、胺類、雜環類、醛類對其香氣特征有重要貢獻。去除蝦體中的甘油三酯后,蝦干制品的整體香氣強度減弱,烤香味、肉香味、腥味的感官評分稍有下降,主要香氣活性化合物(OAV>5)均有檢出,吡嗪類、雜環類、胺類、醛類等關鍵香氣物質OAV值在一定程度上下降；去除蝦體中的磷脂后,香氣特征發生顯著變化,烤香味、肉香味、腥味、焦糖香、甜香味的感官評分大幅度下降,僅鑒定出8種香氣活性化合物,關鍵香氣物質中2-戊基呋喃和3-(甲硫基)丙醛未檢出,且吡嗪類、雜環類、胺類、醛類的OAV值下降幅度要大于甘油三酯。由PLSR結果可知,2-戊基呋喃和3-(甲硫基)丙醛對于蝦干制品烤香味和肉香味有重要作用,因此磷脂影響了關鍵香氣物質的生成,對蝦干制品特征香氣的作用是甘油三酯無法替代的。綜上,脂質對蝦干制品整體香氣有較大影響,而磷脂對香氣特性的作用遠大于甘油三酯。本研究的結果為蝦類特征香氣的形成機制、蝦干制品質量監控與風味改進提供科學依據。