苦蕎脆片加工工藝優化及其揮發性成分分析

戴艷軍，王 純，鮑雨婷，朱藝娜，孫 玥，李雪玲，梁 進

（安徽農業大學茶與食品科技學院，安徽省農產品加工工程試驗室，安徽合肥 230036）

苦蕎，又稱韃靼蕎麥，是一種藥食兼用的農作物資源，因其富含黃酮等營養和功能成分[1]，而具有廣闊的開發應用前景。然而，目前針對苦蕎產品開發方面的相關報道如苦蕎曲奇餅干[2]、苦蕎面條[3]、苦蕎藍莓酒[4]、苦蕎發酵酸奶[5]等，多以加工工藝研究為主，產品形式單一，且在其揮發性風味物質研究方面還相對偏少。近年來，膨化型谷物脆片已成為研究熱點。目前市面上的苦蕎脆片大多為油炸工藝為主，而非油炸型苦蕎膨化脆片產品更值得深入研究?？諝庹ㄥ伵蚧鳛橐环N新興的加工方式，它利用熱空氣為加熱食物的介質，達到類似或勝過油炸食品的口感，其低油脂含量的加工產品正受到消費者的喜愛[6]。因此，基于空氣炸鍋開展非油炸型苦蕎脆片的工藝探討尤為必要。

GC-IMS 是近年來出現的一種新型氣相分離和檢測技術[7]。氣相離子遷移譜技術具有快速、靈敏、無需前處理、簡單方便等優勢，在食品風味分析、品質檢測以及質量控制等多個領域得到了廣泛的應用[8?10]。苦蕎麥不僅富含類黃酮等營養及功能性物質[11?13]，同時也含有豐富的揮發性風味成分。如Jane等[14]采用SDE 法結合GC-MS 提取了苦蕎的全種子、面粉和皮中的揮發性香味物質，其中26 個化合物的OAV 均高于10，是苦蕎香氣的主要組成成分。如Qin 等[15]發現對苦蕎茶香氣貢獻率高（OAV≥10）的化合物有壬醛、2,3-二乙基-5-甲基吡嗪、苯乙醛、麥芽酚、2,5-二甲基吡嗪等。目前對苦蕎香氣的相關研究中，大部分采用氣相-質譜（GCMS)分析方法，而利用氣相-離子遷移譜（Gas Chromatograph-Ion Mobility Spectrometer,GC-IMS）開展相關技術分析還較為少見。

本研究主要以苦蕎粉為主要原料，利用空氣炸鍋膨化加工，通過響應面對苦蕎膨化脆片進行工藝優化，并對其揮發性風味物質進行對比分析，以期為風味獨特的苦蕎休閑食品類新產品研發提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

苦蕎 樅陽縣新長河食品發展有限責任公司；面粉 想念食品股份有限公司。

KL35-D81 空氣炸鍋 九陽股份有限公司；壓面機 上海市巧媳婦食品機械有限公司；TA-XT Plus 質構儀 蘇州市三昊儀器設備有限公司；高速多功能粉碎機 永康市鉑歐五金制品有限公司；Flavour-Spec?食品風味分析與質量控制系統（GC-IMS 分析用儀器） 德國GAS 公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 苦蕎脆片加工工藝

1.2.1.1 工藝流程 原輔料→調配→靜置→輥壓→切片→空氣炸鍋→冷卻→成品

1.2.1.2 操作步驟 參考趙影[16]和耿曉圓等[17]的調制和切片流程，并根據實際情況進行試驗操作。首先將苦蕎粉過100 目篩，按一定比例準確稱取原輔料，將原料粉和面粉在面盆里充分攪拌均勻，分次加水（總加水量為面粉質量的50%），和成表面均勻的面團。隨后將面團裹上保鮮膜，靜置10 min；準備好壓面機，將面團用搟面杖搟至一定厚度，放置在壓面機中進行壓片。隨后用廚刀和尺子將面片在案板上切分成2.5 cm×2.5 cm 的薄片；將空氣炸鍋以溫度180 ℃和時間5 min 進行預熱，隨后打開炸鍋底座，將薄片放置在烤架上，每鍋放置約20 片。將底座放入炸鍋中，以溫度180 ℃和時間5 min 進行第一次氣流膨化，隨后再以相同溫度和時間進行二次氣流膨化；氣流膨化結束后，將脆片取出并放置在室溫下冷卻，得到苦蕎脆片成品。

1.2.2 單因素實驗

1.2.2.1 苦蕎粉添加量對脆片綜合評分的影響 固定溫度180 ℃和時間10 min，研究不同苦蕎粉添加量（4%、7%、10%、13%、16%）對脆片綜合評分的影響。

1.2.2.2 溫度對脆片綜合評分的影響 固定苦蕎粉添加量10%和時間10 min，研究不同溫度（160、170、180、190、200 ℃）對脆片綜合評分的影響。

1.2.2.3 時間對脆片綜合評分的影響 固定苦蕎粉添加量10%和溫度180 ℃，研究不同時間（6、8、10、12、14 min）對脆片綜合評分的影響。

1.2.3 響應面試驗 在單因素試驗基礎上，利用Box-Behnken 設計三因素三水平試驗。將苦蕎粉添加量、溫度和時間作為考察因素，以綜合評分作為響應值,通過響應面分析苦蕎脆片的最佳配比（表1）。

表1 響應面試驗因素水平表Table 1 Factors and levels table of response surface experiment

1.2.4 質構評分計算方法 根據周靖宇等[18]所描述的方法進行適當的修改，將脆片放在質構儀載物臺中部，使用P/2 探頭對苦蕎脆片進行質構分析。測試前、測試期間和測試后的探頭速度參數分別設置為1、1、10 mm/s，觸發力為20 g，每組20 個平行，去除硬度最大和最小值的兩個值后，取另外18 組數據平均，得到樣品的硬度和脆度。

質構評分參考王會然[19]的方法稍作修改：質構評分（40 分）=硬度（20 分）+脆度（20 分）。根據王會然的評分方法進行修改，評分方法采用線性插值法。該方法為：硬度性最大值 Ymax規定為1 分，最小值Ymin規定為為10 分。將最終結果乘以10，換算為百分制。其指標評分算法如下:

脆度最大值Ymax規定為10 分，最小值Ymin規定為1 分，其指標評分算法如下:

1.2.5 感官評分 采用感官鑒定評分法，由10 位感官評價員組成的評價小組分別對脆片色澤、外觀、口感、滋味進行評價。評分細則如表2 所示。

表2 感官評分標準表Table 2 Sensory evaluation standard table

1.2.6 綜合評分計算公式 采用綜合評分法，綜合評分=感官得分（60 分）+質構得分（40 分）。

1.2.7 GC-IMS 測定 參考Gómez 等[20]并稍作修改，按以下條件進行測定。

1.2.7.1 頂空進樣條件 取樣品2 g 置于20 mL 頂空瓶中，80 ℃孵育20 min 后進樣。進樣體積1000 μL；進樣針溫度85 ℃；孵化轉速500 r/min。

1.2.7.2 GC-IMS 檢測條件 選取參數為MXT-5，長15 m，內徑0.53 mm，膜厚1 μm 的色譜柱，色譜柱溫度保持在60 ℃，IMS 溫度為45 ℃，孵育時間20 min。載氣為高純度N2，流速為150 mL/min。電離源為氚源，電離模式為正離子模式。載氣流量是初始時設置為2 mL/min，保持2 min，之后在18 min 內線性增至100 mL/min。每個樣品平行測定3 次。儀器配套的分析軟件VOCal 用于分析譜圖和數據的定性定量，運用分析軟件VOCal 內置的NIST 數據庫和IMS 數據庫對物質進行定性分析。分析譜圖中每一個點代表一種揮發性有機物，對其建立標準曲線后進行定量分析。

1.3 數據處理

采用WPS Office（11.1.0.10000）軟件計算綜合得分和抗氧化分析數據；Design Expert 8.0.6 軟件處理響應面數據；Origin 9.0 做單因素、響應面及抗氧化分析的圖。FlavourSpec?食品風味分析與質量控制系統配套的分析軟件包括VOCal 和三款插件（Reporter，Gallery Plot，Dynamic PCA）分別從不同角度對樣品揮發性物質進行分析。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗結果

2.1.1 苦蕎粉添加量對脆片綜合評分的影響 通過預實驗可知，苦蕎粉添加量的接受度大多在15%以下，當添加量超過15%時，產品苦味加重，口感變得較為粗糙。由圖1 可見，當苦蕎粉添加量從4%～10%時，脆片綜合評分增加幅度較大，可能是因為隨著苦蕎粉添加量的增加，脆片的色澤、滋味和可接受度變化較快，進而導致脆片綜合評分有較大幅度上升。當苦蕎粉添加量從10%至16%時，脆片綜合評分降低幅度較小，可能是因為隨著添加量的繼續增加，苦蕎脆片的滋味和口感變化幅度相對較小。

圖1 苦蕎粉添加量對脆片綜合評分的影響Fig.1 Effect of Tartary buckwheat powder addition on comprehensive score of crisps

2.1.2 溫度對脆片綜合評分的影響 較低的膨化溫度會導致物料膨化不充分，而膨化溫度過高會導致物料焦糊、色澤暗淡，對于膨化產品的生產而言，對于膨化溫度的控制尤為重要[21]。圖2 顯示，當溫度從160 ℃增加至180 ℃時，脆片的綜合評分呈上升趨勢，可能是因為伴隨著溫度的升高，使得脆片的膨化度增加以及感官品質升高。當溫度從180 ℃上升至200 ℃時，脆片的綜合評分有較大幅度的下降，可能是因為高溫會加速美拉德反應，進而會導致脆片顏色加深，并產生苦味物質[22]，進而導致脆片綜合評分下降。溫度對脆片的綜合評分有顯著影響（P<0.05）。

圖2 溫度對脆片綜合評分的影響Fig.2 Effect of temperature on the comprehensive score of chips

2.1.3 時間對脆片綜合評分的影響 膨化脆片產品品質通常與膨化時間密切相關。膨化時間過長會導致脆片內部水分過少甚至出現焦糊現象，導致產品硬度增大，脆性降低[23]。從時間對脆片的整體評分結合后期的響應面試驗，得出膨化時間對脆片的綜合評分有顯著影響。由圖3 可以看出，當時間從6 min 增加至10 min 時，脆片綜合評分有較大幅度的上升，可能是隨著時間的增加，脆片逐漸熟化，且膨化度和感官品質不斷增加。而當時間從10 min 上升至14 min時，脆片綜合評分顯著降低（P<0.05），可能是隨著膨化時間得增加，脆片的相關品質急劇下降導致的。

圖3 時間對脆片綜合評分的影響Fig.3 Effect of time on the comprehensive score of chips

2.2 響應面試驗結果與分析

2.2.1 響應面試驗結果 根據單因素試驗結果，選擇對苦蕎脆片綜合評分有顯著影響的苦蕎粉添加量（A）、膨化溫度（B）、膨化時間（C）三個因素中三個水平為自變量，綜合評分為響應值（Y），采用Box-Behnken 響應面法設計試驗，試驗設計及結果見表3。

表3 Box-Behnken 試驗設計及其結果Table 3 Design and test results of Box-Behnken experiment

2.2.2 二次多元回歸模型的建立與方差分析 對A、B、C 各因素和響應值Y 進行回歸擬合，得到脆片綜合評分的二次回歸方程：Y=82.23+3.34A?3.98B?3.83C?0.90AB+3.42AC?7.12BC?6.88A2?14.40B2?5.08C2。方差分析和顯著性檢驗結果顯示，所建立的回歸模型極顯著（P<0.01），同時失擬項不顯著（P>0.05），表明模型擬合程度良好。R2=0.9324，表明響應值的變化有93.24%來自于所選變量，說明實際值與預測值較為接近，模型預測性較好。一次項中各因素對脆片綜合評分排序為：膨化溫度（B）>膨化時間（C）>苦蕎粉添加量（A）；二次項B2對綜合評分的影響為極顯著（P<0.01），而一次項B、C, 二次項A2、C2,交互項中BC 對綜合評分影響顯著（P<0.05）(表4)。

表4 響應面試驗方差分析Table 4 Varivance analysis of response surface methodology

2.2.3 各因素交互作用的等高線圖及響應面圖分析

Design Expert 8.0.6 軟件分析得到脆片綜合評分與交互項的響應面圖及等高線圖（圖4）。等高線的形狀能夠反映出兩兩交互作用的強弱，若接近橢圓形，則兩因素之間的交互作用顯著，若接近圓形則相反，而響應面的形狀則可以體現因素交互作用對響應值的影響，響應面越陡，影響越顯著[24]。從圖4 可以看出，AB 整個響應曲面較為平滑，等高線趨于圓形，表明兩者交互作用不顯著。AC 整個響應曲面較為平滑，等高線趨于圓形，表明兩者交互作用不顯著。BC 整個響應圖較為陡峭，等高線接近于橢圓形，表明兩者交互作用顯著。

圖4 時間、苦蕎粉添加量和溫度對脆片綜合評分影響的響應面和等高線圖Fig.4 Response surface and contour map of the effects of time, Tartary buckwheat powder addition and temperature on the comprehensive score of crisps

2.2.4 最佳條件的驗證試驗 根據響應面得出的理論工藝，結合實際加工調整配方工藝為苦蕎粉添加量10%，膨化溫度180 ℃，膨化時間10 min。采用該優化的苦蕎脆片生產工藝，進行 3 次平行試驗，獲得綜合評分為80.73 分，與模型預測值綜合評分83.19分接近，說明通過該試驗優化工藝條件具有較好的實際參考價值。

2.3 GC-IMS 結果與分析

2.3.1 GC-IMS 譜圖分析 如圖5 所示，以空白脆片（純小麥粉制作，工藝與苦蕎脆片制作相同）圖譜（上圖中左方小圖）為參比，扣除與空白脆片圖譜中相同的信號峰得到苦蕎脆片圖譜（上圖中右方小圖），得到二者的差異譜圖。如果二者揮發性有機物一致，則扣減后的背景為白色[25]。如圖5 所示，橢圓形框內的物質分布大部分較集中，說明這些物質在苦蕎脆片中較空白脆片高；而矩形框內的物質分布大部分較分散，說明這些物質在苦蕎脆片中較空白脆片低。

圖5 樣品的GC-IMS 譜圖（差異圖）Fig.5 GC-IMS spectrum of the sample (difference diagram)

樣品的指紋圖譜共選取56 個特征峰，圖中每一列的亮點均代表著不同樣品的同種揮發性風味化合物，每一行的亮點代表一種樣品的不同揮發性化合物，點的顏色越深，范圍越大，說明此揮發性風味化合物的相對含量越高；點的顏色越淺，范圍越小，說明此揮發性風味化合物的相對含量越低。一種化合物可能會在同一水平上產生1～2 個斑點，這分別代表此物質的單體（-M）和二聚體（-D）[26]。數字編號表示未鑒定出的峰。

結合圖6 及表5 的數據得出，與空白脆片相比，苦蕎脆片揮發性有機物質中E-2-辛烯醛、反式-2-戊烯醛、2-甲基丁醛、糠醛、γ-丁內酯、2-乙?；秽?、1-辛醇、丙酸等物質的相對含量較高?？嗍w脆片揮發性物質中E-2-辛烯醛的相對含量達到1.74%，賦予苦蕎脆片黃瓜味和肉香味[27]；反式-2-戊烯醛賦予苦蕎脆片蘑菇味[28]；2-甲基丁醛賦予苦蕎脆片黑巧克力味[29]。食品中的糠醛產生于熱加工等過程的美拉德反應和焦糖化反應[30]，苦蕎脆片揮發性有機物質中糠醛的產生可能是高溫熱空氣膨化過程中的美拉德反應和焦糖化反應帶來的。苦蕎脆片揮發性有機物質中糠醛的相對含量達到2.66%，賦予苦蕎脆片甜香和焦糖香味[31]。

圖6 樣品的Gallery Plot 圖（指紋圖譜）Fig.6 Gallery plot (fingerprint) of samples

表5 苦蕎脆片揮發性物質歸類Table 5 Classification of volatile compounds in Tartary buckwheat chips

續表 5

酯類化合物多有特殊氣味且具有調味作用, 它為食品提供水果清香、花香和蜂蜜的味道[32]。如苦蕎脆片揮發性有機物質中γ-丁內酯的相對含量達到0.59%，賦予苦蕎脆片牛奶和奶油的氣味[33]?？嗍w脆片揮發性有機物質中2-乙?；秽x予苦蕎脆片甜香以及青香味[34]。苦蕎脆片揮發性有機物質中1-辛醇賦予苦蕎脆片草香和木香[35]。

酸類化合物主要源于脂肪的水解或脂肪氧化過程中的小分子脂肪酸[36]，如丙酸的產生可能與脆片高溫熱空氣膨化過程中脂肪氧化有關?？嗍w脆片揮發性有機物質中丙酸賦予脆片稀釋后的果香和奶香[37]。這些物質賦予苦蕎脆片特有的揮發性香氣成分，為其帶來適宜的風味感受。

由表5 可知，兩種脆片可檢測出的揮發性有機成分包括43 種揮發性有機物：醛類17 種、醇類11 種、酮類6 種、酯類3 種、呋喃類3 種、噻吩類1 種、含硫化合物1 種、酸類1 種。結合苦蕎脆片和空白脆片的揮發性風味物質峰體積計算出，醛類物質中苦蕎脆片的總相對含量為39.6%，空白脆片的總相對含量為38.72%。醛類物質主要是由蛋白質的降解以及脂肪的氧化而產生[27]，苦蕎脆片的醛類物質相對含量大于空白脆片，可能與苦蕎含有更為豐富的蛋白質和脂肪有關[11]。酯類物質中苦蕎脆片的總相對含量為1.44%，空白脆片的總相對含量為1.3%。酯類物質是脂肪氧化產生的游離脂肪酸和醇的相互作用形成的[38]，苦蕎脆片的酯類物質總相對含量大于空白脆片，猜測與苦蕎含有更為豐富的脂肪有關[39]。

結合圖6 和表5 以及醛酯類物質相對含量，得出與空白脆片相比，苦蕎脆片的揮發性有機物主要以醛類和酯類物質為主，其中醛類物質對苦蕎脆片的風味貢獻較大。綜合以上數據分析得出，與空白脆片相比，其相對主要風味成分為E-2-辛烯醛、反式-2-戊烯醛、2-甲基丁醛、糠醛、 γ -丁內酯、2-乙酰基呋喃、1-辛醇、丙酸等物質。

2.3.2 PCA 分析 主成分分析法（PCA）是一種較為常用的數據處理方法，此分析方法能夠降低數據矩陣的維度，保留原始數據集的大部分信息并解釋各變量之間的相關性[40]。運用FlavourSpec?風味分析儀自帶Dynamic PCA 插件，對兩種脆片的43 種揮發性有機物質進行動態主成分分析。從圖7 可以看出，苦蕎脆片和空白脆片兩種樣品分布區域不重疊（橢圓框內為苦蕎脆片的樣品分布區域，矩形框內為空白脆片的樣品分布區域），說明兩種樣品的揮發性風味物質差異較大。PC1 的主成分貢獻率為88%，PC2 主成分貢獻率為8%，總貢獻率高達96%，超過了85%[41]，說明前兩個主成分能夠很好地反映原始數據的大部分信息。

圖7 苦蕎脆片及空白脆片的PCA 分析Fig.7 PCA analysis of Tartary buckwheat chips and blank chips

3 結論

通過單因素實驗和響應面試驗，得出苦蕎脆片的最佳工藝參數是苦蕎粉占面粉質量比10%，膨化溫度180 ℃，膨化時間10 min。在該優化條件下，苦蕎脆片的綜合評分為80.73 分，與模型預測值綜合評分83.19 分基本一致。通過GC-IMS 相關數據分析，與空白脆片相比，其相對主要風味成分為E-2-辛烯醛、反式-2-戊烯醛、2-甲基丁醛、糠醛、 γ -丁內酯、2-乙?；秽?、1-辛醇、丙酸等物質。與空白脆片相比，苦蕎脆片揮發性有機物質中醛類和酯類的總相對含量均高于空白脆片。PCA 分析結果顯示，苦蕎脆片和空白脆片分布區域不重疊，表明兩種脆片風味物質差異較大。