寧強核桃饃焙烤過程中品質特性及揮發性風味物質動態變化

金文剛，劉俊霞，金晶，耿敬章,2，王金澤, 殷冬霞，江海

1(陜西理工大學 生物科學與工程學院，陜西 漢中，723001)2(陜西理工大學 陜西省資源生物重點實驗室，陜西 漢中，723001)

傳統食品是指歷史悠久，用傳統加工工藝生產，反映地方和民族特色的食品[1-2]。我國傳統食品是民間經驗和智慧的積累、通常具有較好的色、香、味、型，兼具營養性和安全性，如我國幾千年傳承下來饅頭、面條、包子、餃子、餛飩、油條、鍋貼、肉夾饃、煎餅、羊肉泡饃、馓子等[2-4]。近年來，我國傳統主食工業化生產有了較快發展，如面條、饅頭、保鮮米飯、方便米粉、八寶粥等有了一定規模的工業化生產[2]。但是我國幅員遼闊，一些地方特色和民族特色的傳統食品還需要深入挖掘，通過傳統工藝改造和現代工業化進行規模生產，對于繼承和發揚這些傳統食品具有重要的現實意義[5]。

寧強核桃饃，是陜西南部漢中市寧強縣著名的傳統特色小吃之一，寧強王家“福興老號”核桃饃從乾隆時代問世至今，已有近300年歷史，被列入陜西省第1批非物質文化遺產名錄。核桃饃主要是將核桃仁去皮后與椒鹽、芝麻等一起制成餡泥，再將油面經過發酵后，面胚(圓形或者長方形)抹上核桃泥，放入烤爐里烘烤后制作成糕點[6]。目前，寧強核桃饃店已經遍布漢中市各縣區，由于核桃饃口感酥脆，風味獨特，深受當地老百姓喜愛,也是外地旅游觀光人士饋贈親朋的禮品之一。然而長期以來，寧強核桃饃以手工作坊式生產為主，不同商家由于原料、配方、工藝條件等差異，造成成品質量不一，亟需對其傳統工藝和食用品質進行標準化。

目前，很多傳統焙烤食品綜合品質可通過感官評價、物性分析儀以及揮發性風味物質等進行表征。BAGDI等[7]利用富含膳食纖維糊粉層面粉制作面包，對其營養組成、焙烤性能、質構以及感官質量進行了研究；LONGIN等[8]采用基因組學和代謝組學技術對不同小麥品種焙烤面包的品質以及香氣進行了研究；曹志勇等[9]通過理化指標、質構和揮發性成分對蒲城椽頭饃與普通饅頭品質特性進行了比較研究；樊月等[10]采用電子鼻、電子舌、固相微萃取-氣相色譜-質譜聯用、離子色譜儀、氨基酸分析儀等現代感官分析技術對5種山東煎餅(小米煎餅、板栗煎餅、芝麻煎餅、核桃煎餅、雜糧煎餅)中揮發性和非揮發性風味物質進行比較分析，并結合相對氣味活度值分析其關鍵風味化合物；王丹等[11]分析比較了傳統手工與方便包裝羊肉泡饃揮發性風味成分的差異；金婷等[12]利用電子鼻結合定量感官描述分析了不同食用油焙烤燕麥片質構、感官質量和風味特征。

然而有關寧強核桃饃生產過程中感官質量以及揮發性風味成分的變化規律，尚未見相關報道。本研究對寧強核桃饃焙烤過程中品質特性和揮發性風味物質變化規律進行了探究，旨在為今后寧強核桃饃批量化生產過程中品質控制、標準制定提供數據參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

試驗材料：寧強核桃饃樣品，于2021年1月5日采集于漢中市寧強核桃饃某老字號攤點。由烤饃師傅經發面、揉面、制作面胚、核桃泥質量分數(15.62±1.03)%和焙烤工藝制作，取自不同烤制階段(設置烤爐上層溫度為170 ℃，下層溫度為150 ℃，面胚分別烤制3、6、9和12 min)獲得4組供試樣品(外觀狀態見圖1)，每個時間點5個核桃饃，包裝后運至實驗室4 ℃貯藏，3 d內進行品質分析。

圖1 寧強核桃饃焙烤過程中外觀照片Fig.1 Appearance photo of Ningqiang Hetaomo during baking

儀器設備：一喜牌食品電烤爐，溫州一喜商用機械有限公司；CT3型質構儀，美國Brookfield公司；NR145精密色差計，深圳三恩時科技有限公司；FA320413型電子天平，上海精科天美科學儀器有限公司；FlavourSpec?風味分析儀，德國G.A.S 公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 質構剖面分析

參考BAGDI等[7]的方法，通過預實驗確定質構儀適宜參數，選取核桃饃樣品表面相對均勻區域進行質構剖面分析。CT3型質構儀實際測試參數如下，模式：質構剖面分析(texture profile analysis，TPA)；目標距離：10 mm；觸發點負載：5.0 g；預測試速度、測試速度和返回速度均為：1 mm/s；數據采集頻率：8個/s；TA5探頭；循環次數：2次。測試結束在參數界面勾選硬度、膠著性、彈性、內聚性和咀嚼性進行測試結果輸出。每個樣品平行測試5次，分別計算平均值。

1.2.2 色差分析

各組樣品色差采用NR145精密色差儀測定，以D65為光源，色差儀經黑板、白板校正后，讀取各組樣品亮度值L*，紅度值a*和黃度值b*。每組樣品絞碎混合均勻，裝入玻璃培養皿鋪平，讀取5個不同表面區域的數據，平行測定3次，取平均值。

1.2.3 感官評價

招募挑選10名年齡21～22歲食品專業本科生(5男，5女)，在前期修完《食品感官評價》專業課程基礎上進行一定初步培訓，分別從外觀、質地、風味、色澤4個方面分別評分，按照25%的權重計算總感官分值，參考文獻制定評分標準[9]，如表1所示。

表1 核桃饃感官評分標準Table 1 Sensory score scale of Hetaomo

1.2.4 揮發性風味物質分析

焙烤過程中每個時間點寧強核桃饃樣品絞碎，混合均勻后準確稱量3.0 g，置于20.0 mL進樣瓶內，90 ℃ 保溫1 min進樣分析，每個樣品測定3次，由儀器軟件獲得揮發性風味物質差異譜圖；再通過儀器自帶的NIST和IMS數據庫進行風味物質定性分析。風味儀詳細參數設置詳見實驗室前期文獻[13]。

1.3 數據處理

數值以平均值±標準偏差(n≥3)表示，采用SPSS 22.0軟件進行單因素方差分析，t檢驗進行差異顯著性分析。利用風味儀Laboratory Analytical Viewer、Reporter、Gallery Plot插件分析數據，通過內置GC×IMS Library Search NIST數據庫和IMS數據庫對樣品氣味成分進行定性分析。核桃饃揮發性成分數據主成分和聚類熱圖，利用ClustVis在線統計工具中PCA和Heatmap插件繪制。

2 結果與分析

2.1 寧強核桃饃焙烤過程中感官評分和TPA

核桃饃不同焙烤時間下質構、色差和感官評分結果如表2所示。通過質構儀TPA測試模式獲得不同焙烤時間核桃饃質構參數，如硬度、內聚性、彈性、膠著性和咀嚼性。硬度表示探頭模擬牙齒咀嚼樣品所需的最大力，即圧縮循環的最大負載；內聚性代表構成食品質地的內部作用力；彈性代表樣品在第1次和第2次壓縮，樣品可恢復的高度，即第1循環至目標距離到第2循環觸發點的距離；膠著性指示半固體食品達到可吞咽狀態所需的能量，與硬度小的樣品高度相關；咀嚼性反應樣品模擬咀嚼后達到可吞咽狀態所需的能量[8,13]。由表2可看出，隨著焙烤時間的延長，核桃饃硬度、內聚性和咀嚼性逐漸增加，烤制3～12 min，硬度、內聚性和咀嚼性分別增加了114.4%、46%和68.78%，而彈性、膠著性呈現先增加后減小的趨勢；焙烤過程中核桃饃亮度值L*和黃度值b*顯著下降、而紅度值a*逐漸上升；核桃饃焙烤過程中感官評分值，從3 min的4.5分，分別增加至6 min、9 min的7.2分和8.6分。究其原因主要因為隨著烤制時間延長、焙烤程度加劇，核桃饃面胚與輔料高溫熟化、水分含量下降、美拉德反應產物賦予核桃饃硬度、內聚性、咀嚼性、感官分值逐漸提高[7,14]；而烤制9 min之后，由圖1可看出，過度焙烤造成了核桃饃焦化，外觀、色澤和風味產生劣變，按照各自權重25%計算的總感官分值急劇下降，與TPA、色差結果基本一致。因此，結合質構、色差和感官評分結果來看，核桃饃焙烤9 min，具有較好的外觀、色澤、質地、風味等食用品質。

表2 寧強核桃饃焙烤過程中質構、色差和感官評分Table 2 Texture, color and sensory scores of Ningqiang Hetaomo during baking process

2.2 寧強核桃饃焙烤過程中氣相-離子遷移譜(GC-ion mobility spectrometry，GC-IMS)風味成分分析

食品中揮發性風味物質分析方法已經非常成熟，包括氣相色譜-質譜聯用[15-16]、氣相色譜-嗅聞[17-18]、GC-IMS[19-20]等技術，結合固相微萃取、風味提取物稀釋、重組及感官分析可實現對各種食品及原料揮發性成分的定性、定量分析。GC-IMS是近年來出現的較新揮發性風味物質分離和檢測技術，該技術整合了氣相與離子遷移譜在分離和檢測方面的優勢，具有樣品制備簡單、高靈敏度、高分辨率、操作簡便、分析快速和風味物質可視化等特點[13, 19-20]，應用范圍和優勢受到了廣泛認可。

圖2是由FlavourSpec?風味分析儀該儀器自帶LAV分析軟件中的Reporter插件程序獲得的寧強核桃饃焙烤過程中揮發性成分3D GC-IMS譜圖。譜圖離子峰上每個化合物可能會有1、2個斑點(指示單體或二聚體)，受到揮發性有機物含量和狀態的影響[13, 20]。圖2中寧強核桃饃揮發性成分譜圖從左到右分別為焙烤3、6、9和12 min。從譜圖外觀可見，寧強核桃饃焙烤過程中不同階段的GC-IMS 三維譜圖非常相似(圖2)。

圖2 寧強核桃饃焙烤過程中GC-IMS三維譜圖Fig.2 Three dimensional GC-IMS spectra of Ningqiang Hetaomo during baking process

將圖2中3D的GC-IMS圖轉換生成二維俯視平面圖(圖3)，能直觀對比分析寧強核桃饃焙烤過程中揮發性成分的細小差別。由圖3可以看出，4個不同焙烤時間寧強核桃饃樣品揮發性成分通過GC-IMS技術可以得到較好的分離，不同焙烤時間寧強核桃饃樣品，呈現出不同的GC-IMS特征譜信息，且不同焙烤時間下寧強核桃饃樣品中部分風味物質濃度出現升高或降低，顯示出了較明顯的差異(圖3-B中紅色虛線框中所示)。PU等[21]利用GC-IMS對面包口腔加工過程中風味物質進行了檢測；宋莎莎等[22]利用GC-IMS技術研究了香菇超微粉對不同制作工藝面包揮發性成分的影響；本試驗利用GC-IMS技術分析不同焙烤階段下寧強核桃饃揮發性風味成分，結果發現不同焙烤時間核桃GC-IMS特征譜呈現一定的差異，可能由于高溫熱處理、核桃饃原、輔料中面團熟化、水分損失、核桃仁蛋白、油脂氧化以及美拉德反應產物變化等因素[7, 14]，造成樣品間揮發性風味物質的差異。

2.3 寧強核桃饃GC-IMS揮發性氣味成分定性分析

經過對比特征性風味物質的保留時間和遷移時間，通過GC-IMS數據庫識別從而實現揮發性物質的定性分析。圖4為對焙烤6 min核桃饃樣品Library Search定性分析結果，圖中信號峰旁的每個數字對應著1個具體風味化合物。調用風味儀NIST氣相保留指數與離子遷移譜(ion mobility spectrometry，IMS)遷移時間數據庫，從不同焙烤時間核桃饃60個信號峰中，鑒定了41種風味化合物，包括醛類17種、酮類6種、酯類5種、醇類6種、烯類5種、醚類1種和酚類1種，結果如表3所示。

表3 不同焙烤時間寧強核桃饃鑒定的揮發性風味物質及其相對含量

A-俯視圖；B-差異對比圖圖3 寧強核桃饃焙烤過程中GC-IMS二維譜圖Fig.3 Two dimensional GC-IMS spectra of Ningqiang Hetaomo during baking process

圖4 寧強核桃饃揮發性風味物質Library Search定性分析Fig.4 Characteristic analysis of volatile compounds of Ningqiang Hetaomo

2.4 寧強核桃饃焙烤過程中揮發性成分指紋圖譜和相對含量

為解析不同焙烤時間核桃饃揮發性風味物質的差異性，利用不同焙烤時間核桃饃3次測試的IMS中所有揮發性有機物信號值，調用Gallery Plot生成的焙烤過程中核桃饃風味物質指紋圖譜見圖5。

由圖5對比分析可知，不同焙烤時間寧強核桃饃揮發性有機物質顯示出了一定的差異(圖中紅色、黃色框區域)。焙烤初期(3 min和6 min)寧強核桃饃中揮發性成分輪廓較為相似，其中4-乙烯基-2-甲氧基苯酚、4-烯丙基苯甲醚、芳樟醇、雙戊烯、桉葉油醇、甲基庚烯酮、β-蒎烯、(E)-2-庚烯醛單體、(E)-2-庚烯醛二聚體、正己醛單體、正己醛二聚體、苯乙烯、2-庚酮、3-辛醇、乙酸乙酯二聚體、2,3-丁二酮、戊醛二聚體、乙醇和2-戊酮等化合物含量較高，可能是面胚中發酵面團、香辛料和核桃仁泥混合揮發性氣味成分。隨著繼續高溫焙烤(9 min和12 min)，核桃饃揮發性成分呈現明顯不同，其中焙烤9 min時，核桃饃樣品中，壬醛、正辛醛、苯甲醛、苯乙酸單體、苯乙醛二聚體、γ-丁內酯二聚體、3-甲基丁醛、2-甲基丁醛、2-丁酮、糠醛單體、糠醛二聚體、丁酸內酯和4-甲基-1-戊醇等化合物含量較大，結合表2中質構和感官評價結果，這些化合物可能是核桃饃呈獨特風味的物質基礎；隨著焙烤程度加深(12 min)，核桃饃揮發性成分中壬醛、正辛醛、γ-松油烯、γ-丁內酯二聚體、3-甲基丁醛、2-甲基丁醛、2-丁酮、糠醛單體、糠醛二聚體、4-乙烯基-2-甲氧基苯酚、4-烯丙基苯甲醚、芳樟醇、甲基庚烯酮、3-辛醇、(E)-2-庚烯醛單體、(E)-2-庚烯醛二聚體、雙戊烯和桉葉油醇等揮發性成分逐漸增加，可能是由于焙烤過度造成核桃饃以及表面核桃仁泥焦糊引起，此時核桃饃食用品質較重劣變。本研究中雖然通過GC-IMS只分析鑒定出寧強核桃饃中41種揮發性有機化合物，尚有19種化合物無法鑒定，需結合文獻報道以及GC-MS方法進行逐一分析鑒定[13, 20-21]。

圖5 寧強核桃饃焙烤過程中風味成分Gallery Plot指紋譜圖Fig.5 Gallery Plot of flavor components of Ningqiang Hetaomo during baking process注：譜圖中數字代表未定性化含物

焙烤食品加工過程中揮發性成分較為復雜、具有多樣性，總體包含醛類、醇類、酮類、酯類、萜烯衍生物、烴類以及少量醚、酚類等有機化合物[7-8, 10]。為了更好表征各類揮發性化合物的變化，根據有機物在指紋圖譜上的信號強度，采用歸一化法換算得到不同焙烤時間下核桃饃中各類揮發性組分的相對含量變化，如圖6所示。由圖6可看出，核桃饃中揮發性成分以醛類、醇類為主，其次是酯類和酮類。不同焙烤時間核桃饃中檢測到醇類物質相對含量為31.97%～46.59%，由芳樟醇、桉葉油醇、3-辛醇、4-甲基-1-戊醇、異丙醇和乙醇構成；醛類物質相對含量為24.30%～42.50%，由壬醛、正辛醛、異丁醛、2-甲基丁醛、3-甲基丁醛、苯甲醛(單體、二聚體)、苯乙醛(單體、二聚體)、(E)-2-庚烯醛(單體、二聚體)、糠醛(單體、二聚體)、正己醛(單體、二聚體)和戊醛(單體、二聚體)組成；酯類物質相對含量為10.07%～13.38%，由丁酸丙酯、乙酸乙酯(單體、二聚體)和γ-丁內酯(單體、二聚體)構成；酮類物質相對含量為9.88%～11.02%，由2-戊酮、3-羥基-2-丁酮、2,3-丁二酮、2-丁酮、2-庚酮和甲基庚烯酮構成。此外，核桃饃樣品中還檢出了少量其他成分如烯類(雙戊烯、β-蒎烯、γ-松油烯和苯乙烯)、醚類(4-烯丙基苯甲醚)和酚類(4-乙烯基-2-甲氧基苯酚)，這些物質相對含量為3.30%～6.73%。

圖6 寧強核桃饃焙烤過程中揮發性風味組分含量的變化Fig.6 Changes of volatile flavor components of Ningqiang Hetaomo during baking process

醛類物質主要為脂肪氧化的產物，閾值較低，對焙烤食品總體揮發性風味影響較大；酮類和醇類物質也來源于脂肪酸的氧化降解，其閾值高于醛類，帶有花香、水果香等令人愉悅的風味；酯類物質主要是酸類和醇類物質酯化反應的產物[21-24]。由圖6可知，核桃饃不同焙烤階段樣品中，均以醇類、醛類、醇類和酯類有機物為主，烤制3 min后，核桃饃樣品醇類占比46.59%、醛類占比24.30%、酮類占比10.19%、酯類占比為12.98%，其他成分占5.79%。隨著焙烤時間延長(3～12 min)，核桃饃樣品中醇類物質占比有所下降，醛類物質占比逐漸上升，而酯類、酮類、其他成分占比僅有較小波動，差異不明顯。本研究核桃饃高溫焙烤過程中產生了較高的醛類物質，如壬醛、正辛醛、異丁醛、2-甲基丁醛、3-甲基丁醛、苯甲醛(單體、二聚體)、苯乙醛(單體、二聚體)、(E)-2-庚烯醛(單體、二聚體)、糠醛(單體、二聚體)、正己醛(單體、二聚體)和戊醛(單體、二聚體)。分析其原因，一方面核桃仁油酸的氧化降解可產生壬醛和辛醛，亞油酸可氧化生成己醛、戊醛、庚醛和(E)-2-己烯醛；亞麻酸還是(Z,Z)-2,4-庚烯醛、(E)-2-庚烯醛和2-甲基丙醛的前體[25]。另一方面，面胚高溫焙烤也可因為美拉德反應產生較多的揮發性醛類、酯類成分[7-8]。由于核桃饃揮發性成分很不穩定，容易受到外界環境條件貯藏及氧化的影響[24-25]，今后還有必要對其貯存溫度時間以及包裝方式對揮發性風味物質的影響進行研究。

2.5 不同焙烤時間下寧強核桃饃揮發性成分主成分及聚類分析

試驗中將不同焙烤時間核桃饃樣品的GC-IMS揮發性成分數據，采用主成分和聚類分析探究其用于焙烤過程中不同階段區分的可行性，結果如圖7所示。

A-主成分得分圖；B-聚類熱圖圖7 寧強核桃饃焙烤過程中揮發性風味物質主成分及聚類分析Fig.7 PCA and cluster analysis of volatile organic compounds of Ningqiang Hetaomo during baking process注：聚類熱圖中數字代表未定性化合物

由圖7-A可知，焙烤初期(3 min和6 min)寧強核桃饃風味物質譜圖數據大致聚集較近，焙烤9 min和12 min相對焙烤初期明顯不同，總體主成分1和主成分2累計貢獻率達到84.9%，同一焙烤時間寧強核桃饃樣品相對聚集在一起。圖7-B是不同焙烤時間寧強核桃饃樣品揮發性風味物質的熱圖聚類分析，從中也可以大致看出，焙烤初期(3 min和6 min)各類揮發性成分較為相似，焙烤9 min和12 min 相對較為類似，與圖5風味指紋圖譜和圖7-A主成分結果一致。采用GC-IMS技術結合化學計量學方法，能使用風味物質譜圖數據實現寧強核桃饃焙烤階段的區分，與前人有關GC-IMS分析各類食品風味分析的結果一致[20, 26-29]。研究中核桃饃焙烤時間點的選取，從未全熟的3 min到焦糊的12 min，初步明確了核桃饃面胚焙烤過程中的品質和風味特性變化規律，為指導核桃饃批量化生產過程中品質控制提供了重要的基礎數據。

3 結論

通過對寧強核桃饃焙烤過程中品質和風味特性進行研究，結論如下：(1)隨著焙烤時間從3 min增加到12 min，核桃饃硬度、咀嚼性顯著增加，而彈性、膠著性呈現先增加后減小的趨勢；不同焙烤時間后，核桃饃亮度值L*和黃度值b*顯著下降，而紅度值a*逐漸上升。(2)采用GC-IMS技術對寧強核桃饃焙烤過程中揮發性風味物質進行分析，共鑒定出41種揮發性有機化合物，以醛類、醇類為主，其次是酯類和酮類，還有少量烯類、醚類和酚類。隨著焙烤時間延長，核桃饃樣品中醇類物質占比明顯下降，醛類物質占比逐漸上升，而酯類、酮類、其他成分占比僅有較小波動。(3)綜合來看，核桃饃面胚按照傳統工藝焙烤9 min，具有較好的品質和風味特性。該研究構建了核桃饃焙烤過程中揮發性風味物質指紋圖譜，通過主成分分析和聚類分析可以實現核桃饃焙烤過程的區分，為今后寧強核桃饃批量化生產品質控制及質量標準制定提供了數據資料。