固相微萃取-气质联用分析玉米煎饼的挥发性风味物质

朱力杰,石　月，刘秀英,王　勃,唐明礼,刘　贺,何余堂,马　涛

(渤海大学食品科学与工程学院,生鲜农产品贮藏加工及安全控制技术国家地方联合工程研究中心,辽宁锦州 121013)



固相微萃取-气质联用分析玉米煎饼的挥发性风味物质

朱力杰,石月，刘秀英,王勃,唐明礼,刘贺,何余堂,马涛*

(渤海大学食品科学与工程学院,生鲜农产品贮藏加工及安全控制技术国家地方联合工程研究中心,辽宁锦州 121013)

本文以玉米煎饼为研究对象,采用顶空固相微萃取结合气相色谱-质谱,以4-甲基-2-戊醇为内标,分别对未发酵和自然发酵的玉米煎饼挥发性风味成分进行定性和定量分析,比较未发酵和自然发酵煎饼在风味上的差异。结果表明:未发酵玉米煎饼检测出15种挥发性物质,自然发酵玉米煎饼检测出22种挥发性物质,这些挥发性物质主要包括酮类、醛类、酯类、烯烃类、烷烃类和芳香类物质。经过发酵后玉米煎饼挥发性物质含量发生显著变化,醛类、酮类、烷烃类和芳香类化合物分别增加了1、2、4、2种,醛类化合物在所检出成分中占50%以上。

玉米煎饼,挥发性风味物质,顶空固相微萃取,气相色谱-质谱法

煎饼的香气成分主要包括醇、醛、酯、醚、呋喃类、烃类、吡嗪、吡咯、硫化物等化合物。煎饼在加工过程中是否进行面糊发酵对风味组分的形成有明显的影响,以黑米煎饼为例,发酵后挥发性物质的种类增幅达50%以上,且既有物质含量增幅明显[3]。在面糊发酵过程中,酵母的发酵活性可以产生CO2、醇类、醛类、2,3-丁二酮、3-羟基-2-丁酮以及酯类等芳香化合物[4]。这些挥发性物质中醛或相应的醇等主要是酵母利用埃利希降解面粉中氨基酸得到的代谢产物[5],而酯类主要由酵母细胞利用乙酰、乙酰辅酶A和醇发生的酶促反应得到[6]。2,3-丁二酮、3-羟基-2-丁酮则由酵母细胞通过非酶化学反应释放的乙酰丁酸在酵母细胞外形成的[7]。另一方面,发酵面糊中的乳酸菌能够在发酵过程中产生乳酸、醋酸、乙醇、细菌素、胞外多糖等多种化合物,这些化合物能提高产品的货架寿命、微生物安全和改善产品的感官品质[8-9]。此外,小麦面粉的脂类氧化产物如醇、醛、酮等也有助于香气成分的释放[3]。

本实验利用电子鼻技术分析未发酵、自然发酵玉米煎饼风味上的差异,应用固相微萃取-气相色谱-质谱联用法对玉米煎饼中的挥发性成分进行定性定量分析,比较未发酵及自然发酵玉米煎饼挥发性成分的差异,以期为发酵玉米煎饼的香气成分的形成机制研究奠定基础,同时也为不同香气类型的煎饼产品开发提供科学依据。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

玉米、大米、大豆本溪寨香生态农业有限公司提供;4-甲基-2-戊醇标准品Sigma公司;NaCl国药集团化学试剂有限公司。

PEN3便携式电子鼻德国AIRSENSE公司;固相微萃取装置、50/30 μm DVB/CAR/PDMS萃取头、20 mL顶空钳口样品瓶美国Supelco公司;Agilent 7890N/5975气质联用(GC-MS)仪美国Agilent公司;DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器郑州长城科工贸有限公司。

1.2实验方法

1.2.1煎饼制作的操作要点挑选子粒饱满的玉米、大米和大豆为主要实验原料,经预实验确定比例为12∶7∶1。将玉米和大豆室温下浸泡10 h,精白米加1.5倍水蒸煮30 min,与浸泡好的玉米和大豆混合,总的水料比为1∶2,将上述混合物用胶体磨进行粉碎,然后在26 ℃温度下,发酵10 h,碱中和pH为6.8,摊制温度180 ℃进行烙制。未发酵煎饼同样采用上述原料,于粉碎工艺后直接烙制而成。

1.2.2电子鼻分析未发酵与自然发酵煎饼风味差异准确称取玉米煎饼2.000 g放在离心管中,迅速用保鲜膜封口在室温条件下平衡30 min。电子鼻的测定时间为120 s,清洗时间:110 s,样品间隔:1 s,传感器室流量:350 mL/min,测量样品流量:350 mL/min。每个样品重复测定三次。PEN3型便捷式电子鼻传感器性能描述见表1。

在利用Soot生成控制流图后，使用Soot提供的过程内数据流分析框架来模拟完整控制结构下的语句遍历分析，并在此过程中基于传入的记录规则，详细记录所有变量的初始化、变量的方法和成员变量调用、变量赋值、变量值传递等所有变量相关的行为。在最终生成的变量行为记录中，即可清楚地获得变量的常量特征。

1.2.3GC-MS分析应用顶空固相微萃取联合气相色谱-质谱分析挥发性化合物[10-11]。固相微萃取:准确称取2.000 g的玉米煎饼样品于20 mL的顶空瓶中,加入6 mL的20%的NaCl溶液、5 μL的4-甲基-2-戊醇内标溶液和磁转子,用聚四氟乙烯隔垫密封,在60 ℃的磁力搅拌器中加热平衡20 min,用已活化好的DVB/CAR/PDMS 50/30 μm萃取头(270 ℃活化60 min)顶空吸附60 min,将萃取头插入GC进样口解吸5 min。每个样品重复实验2次。

气相色谱条件:HP-5MS毛细管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm);进样口温度为250 ℃,不分流模式进样;载气为He,流速1.0 mL/min;程序升温:柱初温35 ℃,保持5 min,以5 ℃/min升至50 ℃,保持5 min,再以5.5 ℃/min升至230 ℃,保持5 min。

表1　PEN3型便捷式电子鼻传感器性能描述

质谱条件:色谱-质谱接口温度280 ℃,离子源温度230 ℃,四极杆温度150 ℃;离子化方式:EI;电子能量70 eV;质量扫描范围30～550(m/z)。

1.3数据分析

样品中挥发性成分的定性分析采用计算机谱库(NIST11/Wiley 7.0)进行检索,样品中挥发性化合物的浓度通过与内标物的浓度比较进行测定。

挥发物的浓度(μg/kg)=4-甲基-2-戊醇的浓度×4-甲基-2-戊醇的体积×挥发物的峰面积/样品质量×4-甲基-2-戊醇的峰面积×10-6

2　结果与分析

2.1电子鼻分析未发酵与自然发酵玉米煎饼风味的差异

图1为未发酵、自然发酵玉米煎饼的主成分分析,对同一样品进行多次取样判断检测稳定性。其主成分1(PC1,94.61%)和主成分2(PC2,4.48%)的累积方差贡献率为99.09%,说明PC1和PC2包含很大的信息量,基本能够反映煎饼样品的信息特征。从图1中可看出,未发酵和发酵的玉米煎饼分布于各自的区域,电子鼻区对两类样品的区分情况良好,也说明它们在风味上存在一定的差异。

图1　未发酵、自然发酵玉米煎饼的PCA分析Fig.1　PCA analysis of corn pancake produced by unfermentation,natural fermentation

图2为电子鼻10个传感器分别对样品的PCA主成分分析的贡献率。R(7)传感器对第一主成分区分贡献率最大,是第一主成分的特征信号;R(5)传感器对第二主成分区分贡献率最大。根据各传感器对不同物质的特异敏感度,R(7)和R(5)传感器对不同煎饼风味差异具有主要贡献。

图2　未发酵、自然发酵玉米煎饼的Loading分析Fig.2　Loading analysis of corn pancake produced by unfermentation,natural fermentation

2.2GC-MS分析结果

采用固相微萃对未发酵和自然发酵玉米煎饼的香气成分进行萃取,经气相色谱-质谱联用仪分析鉴定,由GC-MS工作站绘出未发酵和自然发酵玉米煎饼香气成分的总离子流图见图3、图4。

图3　未发酵玉米煎饼的总离子流图Fig.3　Total ion chromatogram of corn pancake produced by unfermentation

图4　自然发酵玉米煎饼的总离子流图Fig.4　Total ion chromatogram of corn pancake produced by natural fermentation

未发酵、自然发酵玉米煎饼中挥发性成分组成及相对含量见表2,共鉴定出29种挥发性物质,未发酵玉米煎饼检测出15种挥发性物质,自然发酵玉米煎饼检测出22种挥发性物质。这些挥发性物质主要包括酮类、醛类、醇类、酯类、烃类和芳香族化合物等,这些化合物可能源于面糊发酵过程中的酶反应、发酵以及摊制过程中的美拉德反应及脂质氧化反应[12-13]。

2.2.1羰基化合物羰基化合物包括醛类和酮类等物质,在煎饼等产品中起着重要的作用。玉米煎饼中共检测出8种醛类化合物,微量醛可使食品香气更加醇厚,如壬醛有令人愉快的香味,存在于柠檬草油、玫瑰油、肉桂油等物质中[14];己醛是一种具有青草气及苹果香味的成分,天然品存在于苹果、草莓中[15];苯甲醛具有特殊的杏仁气味,用于配制杏仁、樱桃、果仁等型香精[16];苯乙醛具有玫瑰花香[17]。在未发酵玉米煎饼中检测出5种醛,自然发酵玉米煎饼中共检测出6种醛类物质,醛类物质的产生可能由于面糊发酵过程中微生物的发酵作用。

自然发酵和未发酵煎饼分别检测出4、2种酮类物质。香叶基丙酮存在自然发酵玉米煎饼中,其含量为1748.715 μg/kg,具有青香、果香和木香等味道,对煎饼的风味产生积极影响。羰基类化合物在自然发酵和未发酵煎饼的所检风味成分中分别占57.29%和64.46%,说明其是煎饼风味物质的主要来源之一。

2.2.2醇、酸和酯类化合物未发酵和自然发酵玉米煎饼中共检测出醇、酸和酯类化合物分别为4、1和2种,占总挥发性成分的11.8%、5.9%、2.9%。醇类物质具有植物香、芳香等气味,具有较高的阈值[18],未发酵煎饼中含有3种醇物质,自然发酵煎饼中含有2类醇物质。但醇类物质可以与有机酸形成酯类物质,有利于煎饼风味的形成[19]。酸类化合物只检测到醋酸,均存在两种产品中且发酵后其含量降低。研究发现,一些有机酸在高温下与醇类反应生成酯类,一部分酯类可成为特有化合物[20]。两种煎饼产品共检测两种酯类化合物,均检测到正己酸乙酯,含量分别为1171.312、874.346 μg/kg,但自然发酵的玉米煎饼中没有检测到邻苯二甲酸二丁酯。

2.2.3烯烃、烷烃类化合物根据表2可知,烷烃类化合物的种类在所有测得的挥发性化合物中变化最为明显。烷烃类化合物在发酵后增加了4种,未发酵玉米煎饼中只含有壬基-环丙烷,而自然发酵玉米煎饼还检出了十四烷、正十七烷、正十二烷和3-甲基-二十一烷,且壬基-环丙烷的含量增加了317.6%。自然发酵比未发酵煎饼的烷烃种类多,可能是面糊经发酵、面糊中的微生物代谢产生多种代谢产物,不同种类代谢产物可发生复杂的生化反应以及摊制过程发生的美拉德反应导致。

表2　不同玉米煎饼挥发性物质的GC-MS分析结果

注:“-”表示未检出。

2.2.4芳香类及胺类化合物芳香类化合物是煎饼等产品的重要化合物,在煎饼中共检测到2种芳香类化合物,自然发酵的玉米煎饼共检测到2种芳香类化合物,其2-乙酰基呋喃的含量较低,含量为6.627 μg/g,2,4-二叔丁基苯酚的含量最高,为79.71 μg/kg。

3　结论

本实验利用电子鼻及GC-MS技术确定了玉米煎饼中的挥发性物质的种类及含量。电子鼻分析发现未发酵与发酵的玉米煎饼在风味上存在一定的差异;采用固相微萃取联合GC-MS技术对玉米煎饼进行了挥发性成分分析,经发酵玉米煎饼挥发性物质明显增多,未发酵玉米煎饼检测出15种挥发性物质,自然发酵玉米煎饼检测出22种挥发性物质,主要包括酮类、醛类、酯类、烯烃类、烷烃类和芳香类化合物。这些挥发性物质的类型相近,但种类和含量上发生了明显变化。发酵之后,醛类、酮类、烷烃类和芳香类化合物分别增加了1、2、4、2种,这可能与微生物代谢产物与面糊中原有的挥发性物质,在发酵的过程中进行反应或发生相互作用有关。此外醛类化合物在所检成分中占有较大比例,提示该类化合物对玉米煎饼风味的形成具有重要影响。

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Solid phase micro-extraction combined with gas chromatography-mass spectrometry analysis of volatile flavor compounds of corn pancake

ZHU Li-jie,SHI Yue,LIU Xiu-ying,WANG Bo,TANG Ming-li,LIU He,HE Yu-tang,MA Tao*

(College of Food Science and Technology,Bohai University,National & Local Joint Engineering Research Center of Storage, Processing and Safety Control Technology for Fresh Agricultural and Aquatic Products,Jinzhou 121013,China)

In this work,corn pancake was research target,volatile flavor components of unfermented and naturally fermented corn pancake was carried out qualitative and quantitative analysis to compare unfermented and naturally fermented pancake flavor difference,by headspace solid phase micro-extraction combined with gas chromatography-mass spectrometry.4-methyl-2-pentanol was used as an internal standard. The results showed that unfermented corn pancake detected 15 kinds of volatile substances,naturally fermented corn pancakes detected 22 kinds of volatile substances,which included ketones,aldehydes,esters,alkenes,alkanes and aromatic substances. Flavor substances of two kinds of pancakes were analyzed and compared to understand the general type and content of volatile substances in corn pancakes. Volatile substances of fermented corn pancakes changed while ketones,aldehydes,alkanes and aromatic compounds were added 1,2,4,and 2 types,respectively. Aldehyde compounds occupied more than 50% proportion in the test component.

corn pancake;volatile flavor compounds;solid phase micro extraction;gas chromatography-mass spectrometry

2015-12-25

朱力杰(1986-)，男，博士，讲师，研究方向：农产品深加工与功能性食品，E-mail:lijiezhu325@126.com。

马涛(1962-)，男，博士，教授，研究方向：粮油与植物蛋白工程，E-mail:matao-09@163.com。

辽宁省农业领域青年科技创新人才培养计划(2015001)。

TS213.4

A

1002-0306(2016)10-0102-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.10.011