基于頂空-氣相色譜-離子遷移譜分析蒸制過程中草魚肉揮發性成分的變化

方心如,肖乃勇,郭全友,施文正,3*

1(上海海洋大學 食品學院,上海,201306)2(中國水產科學研究院東海水產研究所,上海,200090) 3(國家淡水水產品加工技術研發分中心(上海),上海,201306)

草魚(Ctenopharyngodonidellus)是我國傳統養殖的“四大家魚”之一,其養殖總產量居淡水魚總產量之首。草魚具有肉質鮮美、細嫩等優點,營養極豐富,富含多種長鏈多不飽和脂肪酸(polyunsaturated fatty acid,PUFA),但因其土腥味重、易腐敗等特點[1],令一些消費者很難接受,不利于草魚資源的綜合利用開發及草魚產業的發展。作為肉類加工和食用的主要方法,熱處理不僅可以使產品具有良好的顏色,而且可以殺死微生物,提高產品質量。蒸制作為一種傳統的熱加工方式,也被認為是最健康的熱加工方式,不僅可以最大限度地保留食品的營養成分和感官特性,也減少了油、鹽的攝入,與現代人的健康飲食需求相契合。

風味通常決定了食品整體的感官特征,在評價食品的營養價值和新鮮度方面發揮重要作用。根據以往的研究[2-3],肉類中大部分揮發性成分由脂肪氧化形成,這些物質大多是不穩定的,在加工過程中會發生進一步的反應,形成其他穩定的物質;此外,美拉德反應的發生,及揮發性物質的協同效應都會導致風味的變化。國內外對草魚揮發性成分的研究很多,但主要集中在冷藏方式[4]、致死方式[5]、貯藏過程[6]、烹飪方式[7]對風味的影響,而熱加工對于草魚風味變化的研究較少,對蒸制過程中草魚白肉和紅肉風味變化的研究還未見報道。

對于淡水魚風味的分析主要有電子鼻、GC-MS、全二維氣相色譜-飛行時間質譜等技術。頂空-氣相色譜-離子遷移譜(headspace-gas chromatography-ion mobility spectrometry,GC-IMS)是一種新興的風味分析技術,基于氣相中不同離子在電場中遷移速度的差異來表征化學離子物質[8]。與其他傳統分析技術相比,GC-IMS具有高靈敏度、低檢測限、不需要對樣品進行預處理、二次分離、提高分離效果、形成三維譜圖、用插件直觀比較譜圖等優勢。近年來,它已成功用于分析食品的風味,包括德州扒雞[9]、水蜜桃[10]、培根[11]、酸漿豆腐[12]和雞蛋[8]。

因此,本文采用頂空-氣相色譜-離子遷移譜(headspace-gas chromatography-ion mobility spectroscopy, HS-GC-IMS)對草魚白肉和紅肉在蒸制過程中的揮發性成分進行分析,并探討了較適宜的蒸制處理時間及白肉、紅肉在蒸制過程中的風味變化差異,對草魚的后續加工及菜品的開發提供參考和理論依據。

1 材料與方法

1.1 實驗原料

新鮮草魚[每尾魚質量為(3 500±200) g],共10條,購于上海市浦東新區古棕路農工商超市。

1.2 儀器與設備

A25 實驗室小型均質機,上海福克設備有限公司;FlavourSpec?氣相色譜-離子遷移譜聯用儀,德國G.A.S公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 樣品前處理

鮮活草魚采用即殺方式,重擊頭部致死,去頭及內臟,在4 ℃條件下分別取其白肉和紅肉。置于100 ℃蒸鍋內隔水蒸制3、6、9、12、15 min,分別得到蒸制白肉樣品(D3、D6、D9、D12和D15)和蒸制紅肉樣品(R3、R6、R9、R12和R15)。以未經處理的草魚白肉(D0)和紅肉(R0)為對照組,待測。

1.3.2 樣品的GC-IMS分析

參考劉安齊等[13]的方法,略作修改。

自動進樣條件:準確稱取2.0 g樣品置于20 mL頂空瓶中,設置孵育溫度為60 ℃,孵化轉速為500 r/min,孵育時間為15 min,采用頂空自動進樣的方式,進樣量為500 μL,進樣針溫度65 ℃,不分流模式進樣。

GC條件:采用強極性色譜柱MXT-WAX(30 m×0.53 mm,1 μm),柱溫60 ℃,載氣為N2(≥99.999%),運行時間30 min,初始流速為2.0 mL/min,保持2 min;8 min內升至10 mL/min;10 min內升至100 mL/min并保持10 min。離子遷移譜檢測溫度為45 ℃,漂移氣為N2。

1.3.3 樣品的感官評定

將經過前處理的樣品置于盤中,分別從外觀、氣味、滋味及口感3個維度進行感官評定。感官評定小組由10名(5名女性,5名男性)20～30歲的食品專業人員組成。評定標準如表1[14-15]所示,因白肉和紅肉在色澤上存在差異,故針對外觀標準略作修改。

1.4 數據分析

利用Excel和SPSS 23對數據進行統計分析,結果用“平均值±標準差”表示。利用軟件Origin 2023對分析結果進行繪圖。利用GC-IMS儀器自帶的Laboratory Analytical Viewer(LAV)分析軟件,GC-IMS Library Search軟件內置的NIST數據庫和IMS數據庫對揮發性成分進行定性分析;利用Reporter插件和Gallery Plot插件進行樣品間揮發性成分的差異化分析。

表1 蒸制過程中草魚肉氣味感官評定標準Table 1 Sensory evaluation criteria for grass carp during steaming

2 結果與分析

2.1 蒸制過程中草魚肉揮發性成分的譜圖分析

利用GC-IMS分別分析蒸制草魚白肉和紅肉中的揮發性成分,得到了揮發性成分的二維譜圖(圖1)。圖1中1.0處紅色豎線表示反應離子峰(reaction ion peak,RIP),每個位于RIP兩側的點都代表了樣品中的一種揮發性化合物,在漂移時間0.9～1.8 ms和保留時間200～1 200 s內信號較多,說明該區域內有效的揮發性化合物較多。如圖1-A所示,選取草魚白肉生樣(D0)的二維譜圖作為參比,其余5個樣品(D3、D6、D9、D12和D15)為扣除參比譜圖,扣除的背景為白色,紅色表示揮發性成分含量高于參比,藍色則表示揮發性化成分含量低于參比。可以看出,D3、D6、D9、D12和D15的樣本譜圖中出現越來越多的紅色斑點,這說明大部分揮發性成分的含量隨蒸制時間延長而增加;由圖1-B可知,在草魚紅肉中,揮發性成分的變化也呈現相同的趨勢。對比圖1-A和圖1-B發現,在保留時間為300 s附近,白肉樣品的譜圖中出現更多紅色斑點;相反,在400 s和900 s的保留時間附近,紅肉樣品顯示出更多紅色斑點。這一現象表明,白肉和紅肉在同一蒸制時間點揮發性物質的組成和含量略有差異。這是由于白肉和紅肉的營養組成不同,而溫度升高會導致脂質氧化及美拉德反應的發生。利用GC-IMS可以將魚肉樣品的熟化程度及風味變化與具體的揮發性成分部分聯系起來,為確定草魚適宜的蒸制時間提供一定的參考。

A-草魚白肉;B-草魚紅肉圖1 蒸制過程中草魚肉的二維譜圖Fig.1 2D-topographic plots of grass carp meat during steaming

2.2 蒸制過程中草魚肉的風味變化

為了進一步比較草魚白肉和紅肉在蒸制過程中揮發性化合物的變化,利用GC×IMS Library Search 軟件內置的數據庫對草魚白肉和紅肉在蒸制過程中的揮發性成分進行二維定性。在電離區,單個化合物因濃度增大可能會產生一個以上的信號(單體、二聚體甚至三聚體)[9]。表2和表3分別列出了在白肉和紅肉中所鑒定的組分,草魚肉蒸制過程中可明確定性的揮發性化合物有40種,鑒定出的揮發性化合物的碳鏈普遍集中在C3～C9,其中醛類15種、醇類8種、酮類8種、酯類4種、芳香族2種和雜環類3種;其中草魚白肉(34種)和紅肉(37種)共有揮發性化合物31種。僅在白肉中鑒定出的揮發性成分包括3-甲基丁醛、2-辛醇和異丁酸乙酯;僅在紅肉中鑒定出的揮發性成分包括苯甲醛、異戊醇、2-辛酮、乳酸丁酯、2-甲基吡嗪和2-乙基吡嗪。

此外,對不同蒸制時間點的揮發性成分進行比較,并通過圖2直觀揭示了每種物質的動態變化。顏色明暗反映揮發性成分含量的差異,顏色越亮說明揮發性成分含量越高,反之則越低。如圖2-A和圖2-B所示,經過蒸制處理后,魚肉樣品中揮發性成分的含量明顯高于生樣對照組。隨蒸制時間延長,魚肉樣品中大部分醛類、醇類和酮類物質的含量及揮發性成分的種類和含量總體呈上升趨勢,與李銳等[16]對于汽蒸處理后羅非魚片揮發性成分的研究結果一致,考慮可能與熱處理過程中脂肪的氧化、氨基酸的降解及美拉德反應有關。

2.2.1 醛類化合物

醛類化合物在蒸制過程中的草魚白肉和紅肉中占主導地位。醛類物質是淡水魚的特征風味物質[17],由于他們顯示出較低的氣味閾值和獨特的氣味特征,故對水產品風味形成具有重要貢獻[18],一般認為來源于不飽和脂肪,酸在酶和微生物作用下降解。

由圖2可知,魚肉中異丁醛、糠醛、戊醛、己醛、(E)-2-庚烯醛、庚醛、苯乙醛、(E,E)-2,4-辛二烯醛、辛醛、壬醛的相對含量隨蒸制時間延長呈不同程度增加。己醛、庚醛、戊醛是不飽和脂肪酸的氧化產物,分別和亞油酸、花生四烯酸、亞麻酸有關[19-20];辛醛和壬醛則來源于油酸的氧化降解[21],具有青草味和油脂味[22]。有報道稱,(E)-2-辛烯醛來源于亞油酸的氧化[23],有一定魚腥味,在蒸制過程中含量呈現先上升后下降的趨勢,可以作為草魚肉蒸制3 min的特征標志物;呈現肉香味的(E)-2-庚烯醛也在蒸制前3 min顯著上升并趨于平穩。這些醛類的氣味閾值較低,對蒸制后魚肉風味的形成貢獻較大。由表2和表3可知,在白肉(6 min)和紅肉(9 min)樣品中,異丁醛二聚體、戊醛二聚體、己醛和庚醛的相對含量已經達到生樣對照組的20倍以上,并在后續蒸制過程中趨于穩定。在蒸制開始后的各時間點,己醛都是所有醛類化合物中相對含量最高的,同VILAR等[22]的研究一致,其在白肉中的含量高于紅肉。此外,糠醛二聚體和苯乙醛的相對含量在紅肉樣品中顯著增加,苯甲醛只在蒸制過程中的紅肉中鑒定出。糠醛具有燒烤味和焦糖味,來源于熱處理后的美拉德反應。苯甲醛(苦杏仁味)和苯乙醛(花香味)是Strecker醛,來源于氨基酸的Strecker降解[24]。雖然這些醛類化合物的氣味閾值較高,但對于對蒸制過程中紅肉特殊風味的形成具有一定貢獻。

A-草魚白肉;B-草魚紅肉圖2 不同蒸制時間草魚肉的Gallery Plot圖Fig.2 Gallery Plot analysis of grass carp meat during steaming

表2 蒸制過程中草魚白肉揮發性化合物定性分析信息Table 2 Qualitative information of volatile compounds in white meat of grass carp during streaming

表3 蒸制過程中草魚紅肉揮發性化合物定性分析信息Table 3 Qualitative information of volatile compounds in red meat of grass carp during streaming

2.2.2 醇類化合物

醇類物質可以通過脂質氧化產生,還可以由氨基酸或相應醛通過微生物代謝產生[25]。蒸制過程中,糠醇、1-戊醇、2-乙基己醇等醇類物質含量在蒸制前期逐漸增加并在蒸制9 min后趨于穩定。1-戊醇可能來源于亞油酸的脂質氧化,表明熱處理時間的延長更利于不飽和脂肪酸的自動氧化,2-乙基己醇二聚體的相對含量在蒸制后達到蒸制前的20倍以上,在紅肉中的含量也遠高于白肉,與劉夏磊等[26]對鱸魚干采用熱處理產生大量2-乙基己醇的研究結果一致。可能是高溫下甘油三酯分解,釋放出游離脂肪酸轉化成酮類物質,進而氧化生成醇類物質。有研究認為,1-辛烯-3-醇與花生四烯酸、亞油酸的氧化有關[27],隨蒸制時間的延長,白肉中1-辛烯-3-醇相對含量的變化趨勢與其他醇類相似,但在紅肉中呈現先增加后減少的趨勢。大部分飽和醇及短鏈醇的氣味閾值較高,如1-戊醇(果香味)、2-乙基己醇(花香味),因此對魚肉氣味貢獻較小;不飽和醇如1-辛烯-3-醇(蘑菇味、泥土)閾值相對較低,對魚肉整體氣味貢獻相對較大[28]。有研究表明,2,3-丁二醇可能是氨基酸分解代謝產生的化合物[2]。隨蒸制時間的延長,白肉中2,3-丁二醇的相對含量基本不變,但在紅肉中先增加后減少,這可能是由于草魚白肉和紅肉中氨基酸的含量存在差異及熱處理對他們的影響[29]。異戊醇可能來源于脂肪氧化和美拉德反應的相互作用[30],本實驗中,異戊醇只在紅肉中檢測到,其含量在蒸制過程中呈現先上升后下降的趨勢。

2.2.3 酮類化合物

張慢[30]研究發現,100 ℃的高溫蒸制下,可能會導致脂肪氧化和美拉德反應過度,進而生成一定的酮類物質。本研究中,2,3-丁二酮、2-丁酮、3-羥基-2-丁酮、2-戊酮和2-庚酮在草魚蒸制過程中含量逐漸增加,在蒸制9 min后變化不大。酮類物質一般由美拉德反應產生,也有研究指出,3-羥基-2-丁酮可能是油酸的氧化產物[31],而2-庚酮可以通過亞油酸氧化生成[2]。2-己酮具有刺激性氣味,在未蒸制的樣品中含量最高,隨蒸制時間的延長含量顯著降低,可作為生草魚肉潛在的特征標志物。2-辛酮只在紅肉中檢測到,呈現出醇味和腥味[30],其形成機制尚不明確。酮類物質多呈現奶香味、脂肪味,一般閾值較高,對魚肉整體的風味貢獻較小,有研究表明,部分酮類物質可能對產品風味起到一定的修飾作用[32]。

2.2.4 酯類及其他化合物

酸類和醇類進行酯化反應生成酯類化合物,是形成風味的重要途徑之一[33]。整個蒸制過程中,魚肉中的酯類化合物含量呈現不斷上升的趨勢。隨蒸制時間的延長,苯乙烯的相對含量不斷增加,與馮媛等[34]研究烹制后海鯰魚湯揮發性成分的變化的結果一致,可能來源于熱處理過程中芳香族氨基酸的氧化[35];相反,2-乙基呋喃的相對含量呈下降趨勢,有報道稱,呋喃類化合物有較強的泥土味[36]。值得注意的是,只在紅肉中鑒定出2-甲基吡嗪和2-乙基吡嗪,吡嗪類化合物具有烤肉味,一般由美拉德反應產生[37]。這些化合物由于氣味閾值較高且相對含量較醛酮醇類物質較低,對蒸制草魚風味形成的影響有限。

2.3 蒸制過程中草魚肉揮發性成分的主成分分析

主成分分析是一種基于多變量統計的檢測方法,利用風味物質的信號強度來呈現樣本間的差異。圖3是草魚白肉和紅肉在不同蒸制時間點揮發性成分的主成分分析結果。如圖3-A所示,草魚白肉PC1的貢獻率為78.4%,PC2的貢獻率為16.2%,PC1和PC2的累計貢獻率達94.6%(>60%),表明這足以反映樣品的總體特征。在PC1上,0、3 min的樣品與6、9、12、15 min的樣品距離較遠,在PC2上,3 min的樣品也與其他時間點上的樣品明顯區分。表明0、3、6 min是白肉風味變化的關鍵時間點,蒸制6 min后風味變化不明顯。同理,如圖3-B所示,草魚紅肉PC1的貢獻率為76.1%,PC2的貢獻率為14.3%,PC1和PC2的累計貢獻率達90.4%。0、3、6 min的樣品與9、12、15 min在第一主成分和第二主成分上有明顯差異,表明草魚紅肉在蒸制9 min前與蒸制9 min后氣味差異較大。在整個蒸制過程中,紅肉的風味變化較白肉更為豐富。考慮到蒸制6 min時魚肉仍從生鮮向熟制過渡,所以確定蒸制時間為9 min時,草魚肉中的揮發性成分代表熟魚肉的風味。

2.4 蒸制時間對草魚肉感官評分的影響

圖4顯示了蒸制過程中草魚感官評分的變化,可以看出白肉和紅肉總體的變化趨勢一致,但白肉各方面的感官評分總是高于紅肉,說明白肉比紅肉更容易被接受,這與YANG等[38]的研究結果一致。在外觀、滋味及口感方面,蒸制前期草魚肉的感官評價結果中顯示出顯著差異,而在蒸制9 min后無明顯變化。在氣味方面,草魚白肉和紅肉的感官評分都呈現先上升后下降的趨勢,在蒸制9 min時最高,而蒸制15 min時顯著下降,結合GC-IMS的分析結果可以推測,這是因為隨著蒸制時間的延長,脂質氧化加劇,帶有氧化味的揮發性化合物持續產生。因此,蒸制9 min的草魚整體風味最佳。

A-草魚白肉;B-草魚紅肉圖3 蒸制過程中草魚肉的主成分分析Fig.3 Principal component analysis plot of grass carp meat during steaming

A-草魚白肉;B-草魚紅肉圖4 蒸制過程中草魚肉的感官評分Fig.4 Sensory scores of grass carp meat during steaming注:不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

3 結論

本文通過頂空-氣相色譜-離子遷移色譜(HS-GC-IMS)結合主成分分析及感官評定對草魚白肉和紅肉在蒸制過程中揮發性風味的變化進行了分析。HS-GC-IMS分析結果表明,在蒸制草魚白肉和紅肉樣品中分別鑒定出34種和37種揮發性成分,其中,它們共有的揮發性成分有31種。白肉和紅肉在不同蒸制時間點,揮發性化合物組成和含量存在一定差異。在定性的揮發性成分中,醛類含量最高占主導地位,其次是醇類和醛類。蒸制處理會促進魚肉中揮發性化合物的形成,特別是異丁醛、戊醛、己醛、庚醛、2-乙基己醇和2-戊酮;具有刺激性氣味的2-己酮在蒸制后含量減少;也有個別揮發性化合物如(E)-2-辛烯醛、(E)-2-庚烯醛在蒸制3 min時含量最高。與白肉樣品對比,蒸制后的紅肉樣品中鑒定出更多種揮發性成分;且在各蒸制時間點,紅肉中揮發性成分含量總是高于白肉。主成分分析結果表明,草魚肉在不同蒸制時間揮發性成分有明顯差異,分別是白肉(0、3、6 min后)和紅肉(0、3、6、9 min后),紅肉的風味變化較白肉更為豐富。感官評定結果表明,蒸制9 min后,魚肉的總感官評分最高,整體風味最佳,可以代表熟草魚肉的風味。本研究可為草魚最適蒸制工藝的確定及其不同部位肉(白肉和紅肉)蒸制過程中揮發性風味的變化規律解析提供一定的理論基礎。然而,由于風味物質形成過程十分復雜,這些風味物質在草魚蒸制過程中的具體變化機制還需要進一步探討。