紅薯美拉德反應制備食用烤香香料的工藝優化

許春平,張弛,薛云,王宣靜,李天笑,鄒琳,吳彥*

(1.鄭州輕工業大學 食品與生物工程學院,鄭州 450002；2.廣西中煙工業有限責任公司技術中心,南寧 530001)

紅薯即番薯,屬旋花科一年生草本植物。紅薯中含有多種人體必需的氨基酸、維生素和鈣、鐵、磷等礦物質,并且富含膳食纖維和黏液多糖蛋白,具有極高的營養與藥用價值[1]。楊金初等[2]以紅薯水提物為美拉德反應原料,制備出香味純正逼真的烤紅薯香料。戴魁等[3]研究發現模擬烘烤條件下由紅薯制備的香料具有突出的烤紅薯特征香氣,并在味覺上更加突出了烤紅薯的甜味。

食品中還原糖與蛋白質、氨基酸等氨基化合物發生美拉德反應,對食品風味起到重要的作用[4]。徐慢等[5]以谷氨酸和木糖為起始原料,通過美拉德反應制備美拉德反應中間體,從反應物配比、初始反應pH 及真空脫水方法等方面進行了優化,提高了水相中反應中間體轉化率,顯著提高了桃酥中吡嗪、吡咯的含量,豐富了焙烤香氣。張勝男等[6]優化了還原糖種類和用量、氨基酸種類和用量、反應溫度、反應時間及pH 值等條件,通過美拉德反應開發可食用產品及配料,提高了海參腸的利用價值。

國內外關于天然植物紅薯提取物與焦糖化料液結合美拉德反應制備香料的報道很少,本研究采用美拉德反應制備紅薯天然香料,摻配葡萄糖焦糖化料液提質增香。通過Box-Behnken響應曲面法設計比較了加熱溫度、加熱時間、體系初始pH、紅薯提取物與葡萄糖焦糖化料液配比對紅薯香料品質影響的強弱,以感官評分為依據優化反應條件。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

煙薯25號:購自山西省忻州市繁峙縣。

1 mol/L NaOH、二氯甲烷、無水乙醇(AR)：天津市富宇化工有限公司;0.821 1 mg/mL乙酸苯乙酯(色譜純)：美國Sigma-Aldrich公司;食用葡萄糖：內蒙古阜豐生物科技有限公司;無水碳酸鈉、無水硫酸鈉(均為分析純)：天津市大茂化學試劑廠。

Q-100A3高速多功能粉碎機 上海冰都電器有限公司;DGX-9143電熱恒溫鼓風干燥箱 上海福瑪實驗設備有限公司;TGL-16M 離心機 上海盧湘儀離心機儀器有限公司;DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器 上海湃瀾儀器有限公司;SHZ-D(Ⅲ)循環水式多用真空泵 河南省予華儀器有限公司;Ultra-3400紫外可見分光光度計 深圳市華倫康盛科技有限公司;NR200色差儀 廣州市鴻靖實驗設備有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 紅薯提取物的制備

參考楊金初等[7]的方法制備紅薯提取物。將干紅薯切成1 cm3,置于高速粉碎機中粉碎,然后過20目篩,準確稱取200 g紅薯粉,加入4 000 mL水,用集熱式恒溫加熱磁力攪拌器在60 ℃下攪拌6 h后以4 000 r/min的轉速離心20 min,在濾渣中加入2 000 mL水繼續在60 ℃下攪拌2 h后離心,合并兩次攪拌后的濾液,在體系壓力95 kPa、水浴溫度50 ℃的條件下旋轉蒸發得到紅薯提取物。

1.2.2 葡萄糖焦糖化料液的制備

參考朱遠洋等[8]的方法制備葡萄糖焦糖化料液。準確稱取100 g無水葡萄糖,加入20%糖質量的無水碳酸鈉作為反應助劑,加入250 mL水超聲攪拌均勻后在160 ℃的油浴鍋中加熱30 min，制備焦糖化料液。

1.2.3 美拉德反應單因素實驗

影響美拉德反應生成特定風味的主要影響因素有反應時間、反應溫度、反應pH 等條件[9-10]。設置單因素實驗,分別研究反應時間、反應溫度、初始pH、紅薯提取物與焦糖化料液比值對紅薯香料品質的影響。其中,反應時間單因素實驗:紅薯提取物與葡萄糖焦糖化料液配比為3∶1,pH 為6.0,反應溫度為120 ℃,設置反應時間分別為20,40,60,80,100,120 min;反應溫度單因素實驗:紅薯提取物與葡萄糖焦糖化料液配比為3∶1,pH 為6.0,反應時間為40 min,設置反應溫度分別為80,90,100,110,120 ℃;反應pH 單因素實驗:紅薯提取物與葡萄糖焦糖化料液配比為3∶1,反應溫度為100 ℃,反應時間為40 min,用1 mol/L 的NaOH 溶液調pH 為5.0,6.0,7.0,8.0,9.0;料液配比單因素實驗:反應溫度為100 ℃,反應時間為40 min,反應pH 為7.0,紅薯提取物與葡萄糖焦糖化料液配比分別為5∶1、4∶1、3∶1、2∶1、1∶1。

1.2.4 褐變程度測定

將各個反應樣品稀釋1 000倍后使用紫外可見分光光度計測定在420 nm 處的吸光度值,用其表示美拉德反應產物的褐變程度,作為晚期褐變聚合物類黑素形成的指標[11-12]。

1.2.5 顏色參數測定

取1 g樣品加入500 mL水溶解后用色差儀測定L*、a*、b*數值。樣品的顏色可以通過CIE色度系統中的L*、a*、b*3個顏色參數在三維空間坐標中準確地表示出來。其中L*代表亮度值,其值介于0～100表示由黑色到白色；a*代表紅綠度,其值介于-120～120表示由綠色向紅色變化；b*代表黃藍度,其值介于-120～120表示由藍色向黃色變化[13]。

1.2.6 感官評價

對優化后的美拉德反應制備的紅薯香料按照GB/T 14454.2—2008《香料香氣評定法》[14]進行感官評價。從薯香、果香、膏香、烘烤香、甜香5個方面進行嗅香評價,每個方面最高分5分,最低分0分,嗅其揮發性香氣,分辨其香氣特色,評定其類型、風格及典型性的強弱程度,評價結果用雷達圖表示。

1.2.7 Box-Behnken響應曲面法設計

在單因素實驗的基礎上選擇對紅薯香料有顯著影響的因素:反應溫度(A)、反應時間(B)、初始pH(C)和紅薯與焦糖化料液比例(D)4個因素為考察對象,以感官評分(Y)為考察指標,利用Box-Behnken方法進行實驗設計,建立響應面回歸模型,各因素和水平表見表1。

表1 紅薯香料響應面法設計實驗因素和水平Table 1 Factors and levels of experiment design of sweet potato spices by response surface methodology

1.2.8 驗證實驗

對實驗得到的最優水平組合進行實驗,以驗證結果的準確性。

2 結果與分析

2.1 美拉德反應的單因素實驗結果

2.1.1 反應時間的影響

由圖1可知,A420數值隨著反應時間的延長不斷上升,且0～80 min上升趨勢較快,說明隨著反應時間的延長,反應液中的氨基酸與還原糖不斷發生反應,棕色物質不斷增加,美拉德反應程度逐漸增大,且0～80 min反應較為劇烈。感官評分隨著反應時間的延長先升高后降低,在40 min時最高,超過40 min后逐漸下降,可能是由于棕色物質類黑精產生過量,經環化后生成了一些不良風味的物質[15]。

圖1 反應時間對各個樣品褐變及感官評分的影響Fig.1 Effect of reaction time on browning and sensory score of each sample

顏色可以作為美拉德反應程度的一個重要且明顯的標志[16]。褐變反應帶來的顏色變化處于淺黃色和深褐色之間,取決于食物的類型和反應程度[17]。由表2可知，隨著反應時間的延長,紅薯樣品的L*值逐漸減小,說明樣品亮度逐漸減小。a*值、b*值逐漸增大且均為正值，代表a*值向紅色方向偏移、b*值向黃色方向偏移,說明隨著反應時間的延長，美拉德反應生成的類黑精等色素物質含量逐漸增大,導致顏色加深。

表2 不同時間樣品L* 、a* 、b* 顏色參數的測量數據Table 2 Measurement data of L* ,a* and b* color parameters of samples at different time

反應時間對美拉德反應有重要影響,反應時間較短，生成的產物較少,隨著反應時間的延長，生成的風味物質種類也隨之增加[18]。

由圖2可知,當反應時間為40 min時,樣品的薯香、甜香較突出,樣品的果香、膏香都優于其他反應時間樣品,感官品質最高。因此，選擇40 min為美拉德反應最佳時間。

圖2 不同時間樣品的嗅香評價雷達圖Fig.2 Odor evaluation radar map of samples at different time

2.1.2 反應溫度的影響

不同加熱溫度下樣品在波長420 nm 處的吸光度值及感官評分結果見圖3。

圖3 反應溫度對各個樣品褐變及感官評分的影響Fig.3 Effect of reaction temperature on browning and sensory score of each sample

由圖3可知，A420數值隨著反應溫度的增加不斷上升,說明隨著溫度的升高,反應速率加快,棕色物質不斷增加。感官評分隨著反應溫度的上升先升高后降低,在100 ℃時最大,超過100 ℃后下降。這是由于溫度過低時反應程度不夠,生成的香味物質較少。隨著溫度的增加會使反應速率加快,讓香味物質快速積累。但是溫度過高也會影響產品的綜合評分,當溫度過高時反應劇烈,產品色澤較深且雜味增多,焦糊味較重。

由表3可知,隨著反應溫度的升高,紅薯樣品的L*值逐漸減小,說明樣品亮度逐漸減小。a*值、b*值逐漸增大且均為正值,表示a*值向紅色方向偏移、b*值向黃色方向偏移。說明隨著反應溫度的增加，美拉德反應生成的類黑精等色素物質含量逐漸增大,導致顏色加深。

表3 不同溫度樣品L*、a*、b*顏色參數的測量數據

反應溫度對美拉德反應來說是一個重要的影響因素,溫度過高或過低都會影響產品的綜合評分。由圖4可知,當反應溫度為100 ℃時,樣品的薯香、甜香、烘烤香較突出,感官品質較好。因此，選擇100 ℃為美拉德反應的最佳溫度。

圖4 不同溫度樣品的嗅香評價雷達圖Fig.4 Odor evaluation radar map of samples at different temperatures

2.1.3 初始pH 的影響

不同初始pH的樣品在波長420 nm 處的吸光度值及感官評分結果見圖5。

圖5 初始pH 對各個樣品褐變及感官評分的影響Fig.5 Effect of initial pH value on browning and sensory score of each sample

由圖5可知，A420數值隨著初始pH 的增加不斷上升,感官評分隨著初始pH 的增加先升高后降低,在pH 為7.0時最大。初始pH 值過高或過低都會影響產品的整體風味。

由表4可知,隨著初始pH 的增大,紅薯樣品的L*值逐漸減小,說明樣品亮度逐漸減小。a*值、b*值逐漸增大且均為正值,表示a*值向紅色方向偏移、b*值向黃色方向偏移,導致顏色加深。

表4 不同初始pH 樣品L* 、a* 、b* 顏色參數的測量數據Table 4 Measurement data of L* ,a* ,b* color parameters of samples at different initial pH values

pH 對美拉德反應的生成物種類有重要的影響[19]。由圖6可知,當初始pH 為7.0時,樣品的薯香、膏香、甜香較突出,總體品質最高。因此，選擇最佳初始pH為7.0。

圖6 不同初始pH 樣品的嗅香評價雷達圖Fig.6 Odor evaluation radar map of samples at different initial pH values

2.1.4 料液比的影響

不同料液比的樣品在波長420 nm 處的吸光度值及感官評分結果見圖7。

圖7 不同配比對各個樣品褐變及感官評分的影響Fig.7 Effect of different ratios of sweet potato to caramelized liquid on browning and sensory score of each sample

由圖7可知，A420數值隨著紅薯提取物比例的增加不斷上升,感官評分隨著紅薯提取物比例的增加先升高后降低,在紅薯提取物與焦糖化料液配比為3∶1時最大。

由表5可知,隨著料液配比中紅薯提取物比例的增加,紅薯樣品的L*值逐漸減小,說明樣品亮度逐漸減小。a*值、b*值逐漸增大且均為正值,表示a*值向紅色方向偏移、b*值向黃色方向偏移,顏色逐漸加深，這可能是棕色物質增多造成的。

表5 不同配比樣品L* 、a* 、b* 顏色參數的測量數據Table 5 Measurement data of L* ,a* and b* color parameters of samples with different radios

由圖8可知,焦糖化料液占比較大時(1∶1),樣品的甜香較為突出,紅薯提取物占比較大時(5∶1),樣品的甜味較弱,在紅薯提取物與焦糖化料液配比為3∶1時,各種味道較為均衡,總體評分最高。因此，選擇紅薯提取物與焦糖化料液配比3∶1為最佳配比。

圖8 不同配比樣品的嗅香評價雷達圖Fig.8 Odor evaluation radar map of samples with different radios of sweet potato to caramelized liquid

2.2 響應面法優化美拉德反應工藝參數

采用Design Expert 10設計實驗方案,共設計27個實驗點,3個零點實驗,實驗結果見表6。

表6 Box-Behnken實驗設計方案與實驗結果Table 6 Box-Behnken experimental design scheme and results

續 表

回歸模型各項系數方差分析和顯著性檢驗結果見表7。

表7 回歸模型各項系數方差分析和顯著性檢驗結果Table 7 Results of variance analysis and significance test of each coefficient of regression model

續 表

由表7可知，回歸模型高度顯著(P<0.01);模型的失擬項不顯著(P=0.129>0.05),表明模型具有較高的可靠性;回歸模型的一次項A、D,二次項A2、B2、C2、D2對結果的影響均達到極顯著水平(P<0.01),回歸模型的一次項B,交互項BC對結果的影響顯著(P<0.05),回歸模型的擬合度R2=0.986 1,表明實驗所得測定值與理論預測值相關性較好,可有效反映實際的實驗值;調整系數RAdj2=0.969 8,說明該擬合模型可合理解釋96.98%的響應值變化情況,實驗誤差系數較小,擬合程度較高。根據F值大小可知,各因素對Y感官評分的影響主次順序為A>D>B>C,即反應溫度>紅薯與焦糖化料液比例>反應時間>初始pH，且初始pH 對紅薯樣品的影響不顯著。

響應面圖中曲線越彎曲,說明研究因素對結果的影響越大。通過三維圖,觀察曲面的傾斜度,確定二者對響應值的影響程度,傾斜度越高,坡度越陡,說明二者的交互作用越顯著。

反應溫度(A)、反應時間(B)、初始pH(C)和紅薯與焦糖化料液比例(D)4個因素的兩兩交互作用對紅薯香料感官評分(Y)的影響通過Design Expert 10軟件分析,結果見圖9。

圖9 不同影響因素對紅薯香料感官評分的交互作用Fig.9 Interaction effects of different influencing factors on sensory score of sweet potato spices

由響應面圖可以看出反應時間和初始pH 之間的交互作用對感官評分的影響情況,二者響應面曲面相對較陡峭,說明因素值變化對響應值影響較大,影響達顯著水平(P<0.05)。其余曲面均平緩,表明交互作用對總峰面積的影響弱,無顯著性差異(P>0.05)。將感官評分(Y)最大化為優化目標,運用Design Expert 10軟件對實驗結果進行多元回歸擬合分析,并結合實際操作的方便性,將實驗最佳工藝參數確定為:反應溫度(A)為100 ℃,反應時間(B)為40 min,初始pH(C)為7.0,紅薯與焦糖化料液比例(D)為3∶1。在此條件下,進行3次重復性實驗,測得實際感官評分平均值為84.6,與預測值84.1較接近,表明該回歸模型預測性較好。

2.3 GC-MS分析結果

以0.821 1 mg/mL的乙酸苯乙酯為內標物,進行GC-MS分析后,選取匹配度80%以上的揮發性物質進行分析鑒定。紅薯提取物與葡萄糖焦糖化料液比例為3∶1、初始pH為7、在常溫下的混合樣品(對照)和紅薯提取物與葡萄糖焦糖化料液比例為3∶1、初始pH為7在100 ℃下加熱40 min的香料樣品(最優)的GC-MS結果見表8。

表8 兩種紅薯香料揮發性物質GC-MS分析結果Table 8 GC-MS analysis results of volatile substances of two kinds of sweet potatoes μg/g

由表8可知,兩種不同方法處理的紅薯香料共有62種揮發性物質,已鑒定出揮發性物質的種類主要包括酸類、醛類、酮類、醇類、酯類、酚類、烷烴類、烯烴類、胺類、其他等。紅薯提取物與葡萄糖焦糖化料液比例為3∶1、初始pH 為7在常溫下的混合樣品(對照)和最優工藝下的紅薯香料樣品(最優)中已鑒定出的揮發性物質分別為31,45種。按上述排列的各樣品中已鑒定出的揮發性物質總量依次為24.00,95.12 μg/g,結果分析表明在最優工藝下紅薯香料樣品中鑒定出的揮發性物質種類比對照紅薯香料樣品多45%,最優工藝下紅薯樣品比對照紅薯樣品揮發性物質總量增加下近3倍,其中2-乙?；量?、2-乙?；秽?-甲基苯并呋喃、7-甲基苯并呋喃等物質為美拉德反應的特征香味物質,多具有堅果、烘烤氣息,5-羥甲基糠醛、糠醛、苯乙醛、糠醇、麥芽醇等物質多具有甜香、果香等,對紅薯香料的感官品質具有較好的影響。最優工藝下紅薯樣品揮發性物質的種類和含量都優于對照紅薯樣品。

續 表

續 表

3 結論

通過Box-Behnken響應曲面法設計比較了反應溫度、紅薯與焦糖化料液比例、反應時間、初始pH 對制備紅薯香料品質影響的強弱,結果表明,反應溫度>紅薯與焦糖化料液比例>反應時間>初始pH。紅薯美拉德反應制備食用香料的最優工藝條件:反應溫度100 ℃、紅薯提取物與焦糖化料液比例3∶1、反應時間40 min、初始pH 7.0。在此條件下得到的紅薯香料感官評分最高,薯香、甜香、烘烤香、果香、膏香都較明顯,總體風味較好。通過GC-MS分析鑒定出最優工藝下紅薯香料樣品中揮發性物質的種類比對照紅薯香料樣品增加45%,揮發性物質含量增加近3倍。說明紅薯提取物與焦糖化料液結合美拉德反應在最優工藝條件下制備香料的方法真實可靠,具有一定可行性，并且該工藝較為簡單,設備要求較低,可為天然植物紅薯的開發應用提供一定的參考價值。