冷破、熱破番茄醬的香氣特征及其與非揮發性組分之間的關系

李學杰，邸太菊,2，李 晴，李玉鳳，閆金萍，崔海濱, ，王 婧，曾祥權，劉 野,2，李 赫，李 健,

（1.北京工商大學，北京市食品添加劑工程技術研究中心，北京 100048；2.北京工商大學，北京食品營養與人類健康高精尖創新中心，北京 100048；3.中糧新疆屯河加工番茄工程技術研究中心（有限公司），新疆維吾爾自治區昌吉 831100）

番茄（Lycopersicum esculentum）是世界上生產最多、最重要的農產品之一[1]，因其獨特風味以及豐富的營養物質，在食品工業中具有廣泛的應用價值[2]。番茄除了被當作新鮮果蔬食用外，還被加工成各種各樣的番茄加工制品，如番茄汁、番茄罐頭、番茄丁、番茄醬等[3]。番茄醬作為最受消費者喜愛的番茄制品之一，其生產工藝簡單，制作成本低，在減少新鮮番茄貯藏損失的同時還創造了額外經濟價值。番茄醬的生產主要包括原料清洗、篩選、破碎、預熱、精制、濃縮、殺菌、罐裝等工藝。根據破碎溫度的不同，番茄醬可通過冷破（cold break，CB）和熱破（hot break，HB）兩種方式生產，熱破過程中，溫度一般在85～90 ℃之間，當熱破溫度超過90 ℃時，即為超熱破番茄醬（super-hot break，SHB），這會導致果膠酶和果膠甲酯酶等酶活力降低，阻礙番茄中果膠物質的降解，提升產品的粘度；而冷破溫度一般低于70 ℃，這有利于保留酶的活性，降低產品粘度，使產品色澤更加自然，風味特征更加鮮明[4-5]。預熱處理工藝與破碎溫度保持一致，因此會導致熱破番茄醬中的酶活進一步降低，產品粘度進一步提升。在熱加工處理過程中，番茄中的番茄紅素由反式結構向順式結構轉變，而人體對于順式結構具有更高的生物利用率，因此番茄醬是比新鮮番茄更優質的番茄紅素來源[6]。此外，Gao等[7]研究發現，熱破番茄醬中9,13-di-cis-lycopene，9-cis-lycopene，5-cis-lycopene這幾種順式番茄紅素含量顯著高于冷破番茄醬，因此熱破工藝產生的番茄紅素具有更高的生物利用度。

風味是食品非常重要的一個感官屬性，不僅可以反映食品整體品質的高低，也是影響消費者接受程度的重要因素[8-9]。與新鮮番茄相比，番茄醬在生產過程中由于溫度的升高會發生氨基酸降解、類胡蘿卜素氧化、以及美拉德反應[10]，從而導致整體風味輪廓發生顯著變化。目前，已經從番茄及其加工制品中鑒定出400多種風味化合物[11]，但能夠顯著影響我們對番茄風味感知的香氣活性化合物只有幾十種。早在1993年，Buttery等[12]對新鮮番茄以及番茄醬中的風味化合物進行提取以及定性定量分析，結果發現，與新鮮番茄相比，番茄醬中的（Z）-3-己烯醛和己醛含量降低了約400倍，而一些酮類（如6-甲基-5庚烯-2-酮）以及萜烯類（如芳樟醇）化合物的濃度顯著提升；Kelebek等[13]采取溶劑輔助蒸發提取（solvent assisted flavor evaporation，SAFE）結合香氣提取稀釋分析（aroma extract dilution analysis，AEDA）對冷破、熱破番茄醬不同加工階段的風味進行比較，發現（Z）-3-己烯醛、4-甲基-5（H）-呋喃-2-酮、β-紫蘭酮是新鮮番茄中的關鍵香氣成分，糠醛是熱破番茄醬中的關鍵香氣成分，甲基庚烯酮是冷破番茄醬中的關鍵香氣成分，且在破碎、加熱、蒸發階段這些化合物的含量有所不同。

目前，對于番茄醬風味的研究主要集中在揮發性香氣成分方面，然而，風味是揮發性化合物與糖、酸、果膠以及其它一些非揮發性成分相互作用的結果，這些非揮發性成分可能通過調控香氣化合物的保留和釋放來影響番茄醬的整體風味特征[14]。對于番茄醬中香氣化合物和非揮發性成分的對比以及它們之間相互作用的研究還未見報道。因此，本研究以冷破、熱破番茄醬作為研究對象，通過頂空固相微萃取-氣相色譜-質譜聯用（HS-SPME-GC-MS）技術對其香氣成分進行檢測，同時對番茄醬中的還原糖、有機酸、果膠、抗壞血酸含量進行測定，分析它們與香氣成分之間的相關性，以期為番茄醬加工方法的改善以及風味品質的提升提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

8種番茄醬樣品 來自于中糧屯河生產線，具體信息如表1所示，樣品采集后立即運回實驗室，并放在-80 ℃的超低溫冰箱內進行貯存備用；鹽酸、氫氧化鈉、無水乙醇、咔唑、磷酸、磷酸二氫鈉 分析純，國藥集團化學試劑有限公司；標準品：檸檬酸、蘋果酸、葡萄糖、果糖、蔗糖 HPLC≥98.0%，上海源葉生物公司；半乳糖醛酸標準品 質量分數≥97.0%，上海麥克林公司；1-庚醇（色譜純）、C7～C30系列烷烴（質量分數≥99.0%） 美國Sigma-Aldrich公司。

表1 8種番茄醬的信息參數Table 1 Information parameters of eight kinds of tomato paste

紫外分光光度計 美國PerkinElmer公司；高效液相色譜儀 美國Waters公司；7890B-5977A氣相色譜-質譜聯用儀 美國Agilent公司；固相微萃取裝置、57330-U萃取頭 美國Supelco公司；HH-2型數顯恒溫水浴鍋 常州國華電器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 揮發性成分的萃取 采取SPME法提取番茄醬中的揮發性風味成分：稱取5.0 g番茄醬樣品加入到40 mL頂空瓶中，并用10 μL微量注射器向樣品瓶中準確的加入1 μL內標1-庚醇（0.822 mg/mL），旋緊頂空瓶瓶蓋后將其放入50 ℃的水浴中進行平衡，平衡時間為15 min，與此同時將萃取頭插入250 ℃的進樣口進行老化，老化時間為5 min，老化結束后，將其插入到頂空瓶中進行萃取，萃取時間為40 min。

1.2.2 GC-MS 參數設置 色譜（GC）條件：柱子采用DB-Wax MS（30 m×320 μm，0.25 μm），進樣口溫度250 ℃，柱溫箱升溫程序：40 ℃，保持3 min；3 ℃/min升溫至180 ℃，10 ℃/min升溫至230 ℃，保持3 min；不分流進樣；載氣：99.999%高純度氦氣，載氣流速：3.0751 mL/min。

質譜（MS）條件：離子源EI源；電子能量70 eV；接口溫度250 ℃；離子源溫度230 ℃；四級桿溫度150 ℃，進樣口溫度250 ℃，質量掃描范圍50～500 u，采集方式Scan，每種條件測定重復5次。

1.2.3 葡萄糖、果糖、蔗糖含量的測定 參考邸太菊等[8]的方法進行。

1.2.4 有機酸（蘋果酸、檸檬酸）含量的測定 按照GB 5009.157-2016的方法進行。

1.2.5 抗壞血酸含量的測定 參考付曉偉等[15]的方法進行。

A點為脫硫裝置出口煙氣飽和狀態點，一般為50～55 ℃；直線AB為煙氣絕熱加熱線，表示飽和煙氣加熱至未飽和狀態排至煙囪出口的過程，也是煙氣相對濕度降低的過程，此過程中已考慮煙氣在煙道及煙囪中的溫降，B點為煙囪出口煙氣狀態點，一般為70～75 ℃；D點為大氣狀態點，直線BD表示從煙囪排出的未飽和煙氣與大氣混合過程變化線，由于直線BD處于未飽和區域，因此可避免白霧發生。

1.2.6 果膠含量的測定 參考李曉等[16]的方法進行。

1.2.7 感官評價分析 選取10名經過培訓篩選的感官評價員（5名男生，5名女生，年齡在23～30歲之間）對8種不同加工因素下的番茄醬樣品進行風味的評定，培訓篩選方法如下：讓所有人員對經過一定梯度稀釋的標準品如6-甲基-5-庚烯-2-酮、芳樟醇、檸檬烯等進行嗅聞，對氣味可以準確描述者即為合格。正式評價前讓感官評價員熟悉番茄醬的風味，以保證可以做出客觀評價[17]，參考牟琴等[18]的方法稍作修改，制定番茄醬的感官評價標準（0～5分），如表2所示。

表2 番茄醬的感官評價標準Table 2 Sensory evaluation criteria for tomato pastes

1.2.8 香氣成分的定性分析 采取質譜庫檢索（MS）、保留指數（RI）相結合的方法對番茄醬中的香氣成分進行定性分析[9]。

1.2.9 香氣成分的定量分析 采取內標半定量的方法計算每種化合物在不同番茄醬樣品中的相對含量。將1 μL內標1-庚醇（0.822 mg/mL）標準品加入到待測樣品，按照1.2.2中的升溫程序進行全掃描檢測，根據以下公式計算待測物濃度[9]：

式中：ρx和Ax表示待測物的濃度和峰面積；ρ1和A1表示內標物的濃度和峰面積。

1.2.10 香氣活性值（OAV）計算 OAV值為香氣成分的濃度與其閾值之間的比值，其大小可以反映各香氣成分對樣品整體貢獻率的高低，OAV≥1，說明該物質對樣品的整體風味具有重要作用，OAV＜1，代表該物質對樣品的整體風味具有輔助作用[19]。

1.3 數據處理

2 結果與分析

2.1 番茄醬的揮發性化合物組成分析

揮發性化合物是影響番茄醬感官品質的重要因素，同時對消費者的購買行為也具有先導性作用[20]。以來自不同地區（昌吉、烏蘇），不同固形物含量（28%～38%）以及不同破碎方式（冷破、熱破、超熱破）的8種番茄醬樣品為原料，對其揮發性風味化合物的組成以及行對含量進行分析，結果如表3和圖1所示，共鑒定出61種化合物，其中包括16種醛類、11種醇類、10種酮類、2種烯烴類、6種酸類、5種雜環類、9種苯及其衍生物、2種含硫類化合物。經過冷破處理的番茄醬（1～4號）中所鑒定出的化合物種類在38～45種之間，而經過熱破處理（5～8號）番茄醬中鑒定出的化合物種類在32～45種之間。

圖1反應了8種番茄醬樣品中的揮發性化合物種類（圖1a）和濃度（圖1b），從圖中可以看出，除樣品5外，冷破番茄醬中鑒定出的揮發性化合物種類顯著高于熱破番茄醬，2號樣品的揮發性化合物種類也是8種樣品中最多的，為45種，同時，破碎溫度最高的8號樣品中鑒定出的揮發性化合物種類最少；冷破番茄醬（樣品1～4號）的總揮發性化合物濃度也要顯著高于熱破番茄醬（5～8號），其中2號樣品的總揮發性化合物濃度最高，為626.02 ng/g；醛類化合物是番茄及其制品中重要的風味化合物，3號樣品中發現的醛類化合物最多，為14種，在經過超熱處理的番茄醬中發現的醛類化合物最少，為7種，辛醛、（E）-2-庚烯醛、（E）-2-壬烯醛、β-環檸檬醛以及檸檬醛等重要的風味化合物在超熱處理的番茄醬中均未發現。C6～C9的醛類化合物可以賦予番茄及其制品青草味和生青味，主要通過脂肪氧合酶（LOX）途徑生成。熱破番茄醬的加工溫度較高，這會導致與脂肪氧化相關酶的活性受到抑制甚至失活，從而降低醛類化合物的含量[21]。

圖1 8種番茄醬中揮發性風味化合物檢測結果匯總Fig.1 Summary of detection results of volatile flavor compounds in eight kinds of tomato pastes

番茄中的醇類化合物主要是由C6的醛類在醇脫氫酶（ADH）的作用下轉化生成[22]，其閾值一般較高，因此對番茄醬的整體風味貢獻較小，但它可以作為一種重要前體物參與長鏈酯類化合物的生成[23]。從表3可以看出，2號樣品中的醇類化合物含量最高，為181.32 ng/g，樣品8號中僅鑒定出芳樟醇和α-松油醇兩種醇類化合物，總濃度也只有62.18 ng/g，這與熱處理過程中ADH活性下降有關。芳樟醇主要呈現出一種玫瑰花香，也有研究發現芳樟醇與番茄制品中煮熟的味道有關[24]。α-松油醇則主要表現出一種薄荷的清香味，是新鮮番茄的特征風味物質之一。以往有研究表明，熱處理通過降低番茄中呈現植物風味的揮發性化合物的含量而使番茄醬中具有更加濃郁的煮熟味[25]。

表3 8種番茄醬中揮發性風味組分Table 3 Volatile components in eight tomato paste

續表 3

碳數在7以下的酮是脂類衍生的揮發性化合物，其可以賦予番茄醬青草香、花香以及甜香[26]。值得注意的是，甲基庚烯酮在8種番茄醬樣品中均有較高的濃度，濃度在277.55～635.53 ng/g之間，這與Kelebek等[13]的研究結果一致。有學者發現類胡蘿卜素和番茄紅素含量較高的番茄品種中含有較高的甲基庚烯酮，因此推斷甲基庚烯酮以番茄紅素和類胡蘿卜素為前體物通過類胡蘿卜素途徑生成[27-28]。

乙酸、丙酸、丁酸、異戊酸、辛酸及壬酸均為番茄醬中的羧酸，其中，乙酸、異戊酸以及壬酸在8種不同的番茄醬中均被檢測到，并且乙酸和異戊酸具有較高的濃度。乙酸主要是由加工過程中發酵所產生，主要賦予番茄醬類似于葡萄酒的風味，異戊酸主要為番茄醬提供酸味。

除此之外，番茄醬中也鑒定出一些烯烴類、雜環類、苯及其衍生物以及一些含硫類化合物，相對于醇、醛類、酮類化合物來說，這些化合物的種類和濃度相對較低，但有些化合物因其閾值較低（如含硫化合物），對番茄醬的整體風味仍具有較大貢獻。

2.2 番茄醬中香氣活性化合物分析

揮發性風味化合物對番茄醬的貢獻程度由其含量和閾值共同決定，因此通過計算每種化合物的OAV進行對比分析，得到OAV≥1的香氣活性化合物共22種，結果如表4所示。從表4中可以看出，22種香氣活性化合物包括7種醛、4種醇、6種酮、2種雜環化合物、2種含硫化合物、1種烯烴。OAV較大的化合物為酮類、醇類以及含硫化合物。其中大馬士酮（OAV=7276）最大，其次是β-紫羅酮（OAV=1734），苯乙醇（OAV=957）、二甲基三硫（OAV=948）以及芳樟醇（OAV=592），它們的OAV均大于100，說明這幾種化合物對于番茄醬的風味具有重要貢獻作用。大馬士酮、β-紫羅酮、芳樟醇以及苯乙醇它們均能賦予番茄醬水果香、花香、以及甜香等風味特征，這些化合物同時也是新鮮番茄的特征風味的重要組成成分。而二甲基三硫在番茄醬中的濃度較低，但因其閾值極低，因此也是番茄醬中的香氣活性化合物，它主要來自于含硫氨基酸的降解，可以賦予番茄醬硫磺、卷心菜的風味，對其蒸煮風味貢獻較大[29]。

結合表3中化合物的濃度以及表4中的閾值信息可知，大馬士酮、β-紫羅酮、芳樟醇這幾種化合物在冷破番茄醬中的OAV要顯著高于熱破樣品，因此冷破工藝可以最大限度保留新鮮番茄的果香、花香以及甜香等風味特征；而熱破番茄醬中二甲基三硫的OAV更高，因此熱破工藝更容易產生蒸煮風味。

Kelebek等[13]通過溶劑輔助蒸發提取（SAFE）的方法萃取番茄醬中的揮發性風味化合物，并進行稀釋分析，確定出冷破、熱破番茄醬的香氣活性化合物為甲基庚烯酮（FD=1024）和糠醛（FD=512）。這與本文的研究結果有所差異，這可能是由于香氣化合物萃取方法的不同所導致的。

2.3 番茄醬中還原糖含量分析

在番茄醬中還原糖含量的鑒定結果中發現，番茄醬主要含有果糖及葡萄糖兩種糖，大部分番茄醬樣品中不含有蔗糖，這與之前報道的研究結果相一致[30]。由圖2可以看出，冷破處理的番茄醬中果糖和葡萄糖的含量基本高于熱破處理的番茄醬，但是3號樣品顯示出一定的差異性，這一現象可能是其番茄原料本身的差異所導致的。Kelebek等[4]的研究顯示冷破處理與熱破處理的番茄醬之間的還原糖含量并不存在顯著性差異，這可能是由于番茄的個體差異導致的。

圖2 番茄醬果糖、葡萄糖、蔗糖含量鑒定結果Fig.2 Content of fructose, glucose and sucrose in tomato sauce

2.4 番茄醬中有機酸含量分析

檸檬酸和蘋果酸是番茄醬中主要的兩種有機酸，檸檬酸被認定是番茄中最豐富的有機酸，是番茄總酸的最主要的貢獻物質，同時，番茄醬加工生產過程總酸的降低被認為主要是由于檸檬酸的損失所致。通過高效液相色譜對8種番茄醬中的蘋果酸、檸檬酸進行定性、定量分析，由圖3可以看出，對比發現冷破處理的番茄醬中蘋果酸、檸檬酸的含量較高，而熱破處理的番茄醬樣品中的含量較低并且存在著明顯的差異，這一結果與Kelebek等[4]的研究結果相一致。同時，觀察發現破碎溫度最高的樣品8號中蘋果酸、檸檬酸含量均處于最低值，同樣印證了加熱蒸發能夠造成機酸含量的損失。

圖3 番茄醬蘋果酸、檸檬酸含量鑒定結果Fig.3 Content of malic acid and citric acid in tomato sauce

2.5 番茄醬中抗壞血酸含量分析

抗壞血酸是番茄中主要的抗氧化劑，對人體健康具有益處，由圖4可以看出，8種不同加工因素下的番茄醬中，樣品1中含有的抗壞血酸的含量最高，而樣品2號的抗壞血酸的含量最低，由上述數據并沒有發現破碎方式與抗壞血酸含量之間具有明顯關系，導致這一現象的原因可能是各個樣品的生產加工存在一定差異。由于抗壞血酸對于各個生產加工過程較為敏感，因此，在番茄醬的加工生產過程中抗壞血酸很容易被破壞。Gahler等[31]研究發現熱處理、均質、殺菌及裝瓶等連續加工過程均會對抗壞血酸的含量造成損失，在這些過程中抗壞血酸發生氧化或者熱降解，損失率可達56%[32]。

圖4 8種不同加工因素下番茄醬抗壞血酸含量Fig.4 Ascorbic acid content in eight tomato pastes

2.6 番茄醬果膠含量分析

果膠的本質是一種多糖聚合物，普遍存在與植物的根、莖、葉以及果實當中，本研究對不同加工因素下番茄醬中果膠進行測定，由圖5發現經熱破處理的番茄醬中的果膠含量較高，而冷破處理的番茄醬中果膠的含量較低，這可能是由于熱破處理的溫度在85 ℃以上，番茄中果膠酶在高溫下被滅活，從而阻止了果膠降解，而在65 ℃冷破處理的溫度下，果膠酶剛好保持著較高活性，促使果膠分解形成果膠酸。

圖5 8種不同加工因素下番茄醬果膠含量Fig.5 Pectin content in eight tomato pastes

2.7 8種番茄醬的感官評價分析

感官小組的成員對8種不同加工因素下的番茄醬的8個指標（果味、花香味、青草味、酸味、蒸煮味、異味、香甜味、喜好程度）進行評定，將1～4號樣品的感官得分計算平均值作為CB番茄醬的代表值，5～8號樣品的感官得分計算平均值作為HB番茄醬的代表值，繪制感官風味輪，結果如圖6所示。從圖6中可以看出，冷破番茄醬冷破番茄醬在香甜味、果味、花香味、酸味、蒸煮味、喜好程度方面的得分均高于熱破番茄醬，其它感官屬性之間差異較小，說明冷破番茄醬的風味特征更加鮮明，與2.1中冷破番茄醬的風味化合物濃度較高的結果相一致。

圖6 番茄醬感官評價雷達圖Fig.6 Radar map of tomato paste sensory evaluation

2.8 8種番茄醬香氣活性化合物的主成分分析（PCA）

根據香氣活性化合物的濃度對8種番茄醬進行主成分分析，結果如圖7所示。從圖7中可以看出，主成分1的方差貢獻率為40.8%，主成分2的方差貢獻率為22.6%，兩者累計方差貢獻率為63.4%，PC1和PC2在一定程度上可以反應大部分樣品信息。除3號樣品（CB，烏蘇，28%～30%）外，冷破番茄醬（1～4號）主要位于1、4象限，熱破番茄醬（5～8號）主要位于2、3象限，它們在第一主成分上可以被明顯區分開，即冷破番茄醬和熱破番茄醬在風味上差異顯著。對于樣品3未能與其它3個冷破番茄醬樣品歸類到一起，這可能是番茄原料的差異性導致的。

圖7 8種番茄醬香氣活性化合物的主成分分析Fig.7 Principal component analysis (PCA) of eight tomato paste

2.9 揮發性香氣化合物與非揮發性成分的相關性分析

為了探究番茄醬中的香氣活性化合物與糖、酸、果膠以及抗壞血酸等非揮發性成分之間的相關性，進行Pearson相關性分析，結果如圖8所示。從圖8中可以看出，果糖和葡萄糖與大部分醛類化合物以及酮類化合物之間表現出較強的正相關；蘋果酸和檸檬酸則與醛、醇、酮類化合物表現出正相關，其中與芳樟醇、大馬士酮的相關性最強；抗壞血酸與苯乙醇、芳樟醇、α-松油醇之間表現出負相關；果膠與含硫化合物之間存在負相關，與己醛、辛醛、壬醛化合物之間存在正相關。對于香氣活性化合物而言，β-環檸檬醛、苯乙醛、芳樟醇、α-松油醇、大馬士酮、2-戊基呋喃、2-異丁基噻唑與非揮發性化合物之間的相關性較強，推測這幾種香氣活性化合物與非揮發性組分之間可能存在一定的相互作用。

圖8 香氣活性化合物非揮發性成分的相關性分析Fig.8 Correlation analysis of non-volatile components of aroma active compounds

3 結論

通過SPME-GC-MS技術對8種冷破、熱破番茄醬中的揮發性成分進行鑒定分析，計算OAV確定番茄醬中的香氣活性化合物。結果表明，8個番茄醬品種中共鑒定出61種揮發性風味化合物，包括醛類、醇類、酮類、酸類、烯烴類、雜環類、苯及其衍生物以及含硫化合物，其中22種為香氣活性化合物，大馬士酮（OAV=7276）貢獻最大，其次是β-紫羅酮（OAV=1734），苯乙醇（OAV=957）、二甲基三硫（OAV=948）以及芳樟醇（OAV=592）。不同破碎方法對番茄醬的風味影響較大，熱破處理由于較高的破碎溫度導致一些酶活力下降，從而使一些化合物的生物合成途徑受阻，因此熱破番茄醬的風味較差。冷破熱破的處理方式也會對番茄醬中的還原糖、有機酸、抗壞血酸、果膠等非揮發性組分的含量產生影響，通過相關性分析發現，某些香氣活性化合物與這些非揮發性成分之間相關性較高，它們之間可能存在一定的相互作用，這些將成為以后的重點研究方向。本文為番茄醬加工方法的改善以及風味品質的提升提供了一定的理論依據。