荞麦茶品质评价技术的现状及展望

童晓萌,柴春祥，周志明，邓永坤，陈妤坤，范 维，孙文羽

(天津商业大学生物技术与食品科学学院,天津 300134)

荞麦又名三角麦、花麦,属蓼科,是广泛种植的双子叶、药食两用植物。常见的有甜荞(普通荞麦)和苦荞(鞑靼荞麦)两个栽培品种。在我国粮食作物中属小宗作物,也是我国传统的出口贸易粮[1]。荞麦营养丰富,主要含有淀粉、蛋白质、不饱和脂肪酸、维生素、矿物质、膳食纤维,还含有活性多肽、抗性物质、D-手性肌醇、黄酮类化合物、植物甾醇等活性成分。这些成分使其具有抗氧化、抗衰老、防治糖尿病、降低胆固醇、调节高血压、消除炎症、抑制肿瘤、改善记忆力等保健功效[2-7]。由于荞麦具有较高的营养和保健价值,越来越多的消费者认识到荞麦对健康的益处,各国学者对它的关注度也持续升高。以荞麦为原料制成的产品有很多,荞麦茶是其中之一。荞麦茶富含营养、气味清香、味道鲜美、储存方便、可食可饮,具有很好的保健功效。在我国、日本、韩国、东南亚一带、美国以及欧洲各国受到广泛的喜爱。

现如今,市售的荞麦茶主要包括普通籽粒茶和挤压造粒茶两种。随着产品日益增多,主打的口味、功效花样翻新,生产规模不断扩大,荞麦茶在其研制和开发中可能会出现原料品种、产地存在差异,原料质量把控不过关,加工技术不成熟,产品贮藏不当等情况。这些因素都会导致荞麦茶产品的气味、质构特性不良,颜色、滋味不佳,功能性成分活性降低、营养成分流失。因此做好荞麦茶的品质控制显得尤为重要。目前,市售荞麦茶的品质控制大多执行中华人民共和国供销合作总社发布的GH/T 1091-2014《代用茶》行业标准。该标准规定了代用茶应符合感官指标、理化指标及卫生指标的相关要求。其中,感官指标中没有明确给出荞麦茶品质的评判标准,且指标规定的方法为感官评价。感官评价是国内外普遍运用的品质评价方法之一,但其易受感官评定人员的嗜好、情绪、健康状况等人为因素的干扰,对科学研究以及标准化生产造成不良的影响。此外,标准内规定的理化指标及卫生指标均执行相应的国家标准,操作过程繁琐复杂,耗时长且易造成环境污染。而运用仪器对产品的品质进行检测分析的方法具有客观、快速、无损、操作简便、重复性好等优势,逐渐成为学者们关注的热点。

本文综述了近年来荞麦茶品质评价的研究现状,展望了将新技术应用于荞麦茶品质评价的可行性,以期为拓宽荞麦茶品质评价的方法提供理论依据。

1 荞麦茶品质的气味评价技术及展望

荞麦茶的气味是指荞麦茶干茶或冲泡后所带来的嗅觉感觉,是人们评判荞麦茶品质的一个重要的指标。由于品种间的差异,加工部位、加工参数以及贮藏条件的不同,造成荞麦茶挥发性成分不尽相同。且荞麦茶挥发性成分的含量、感觉阈值及其二者的相互作用也会影响着荞麦茶的气味品质。目前,国内外已有学者进行了关于荞麦茶中挥发性成分分析的研究,多采用气相色谱-质谱联用检测技术及电子鼻技术对荞麦茶的挥发性成分进行分析和鉴定。

1.1 气相色谱-质谱联用检测技术

气相色谱-质谱联用(gas chromatography-mass spectrometry,GC-MS)检测技术起步于上个世纪中叶[8]。它既具备了气相色谱可以高效分离、精准定量的优点,同时又吸纳了质谱的选择性高、鉴别能力强、能提供大量有效的结构信息、定性简便等特色。应用范围广,极其适用于易挥发或易衍生化合物的检测[9]。固相微萃取(solid-phase microextraction,SPME)是一种在气相色谱分析之前能够快速、无溶剂残留的样品前处理方法,能有效萃取食品中的挥发性物质,具有灵敏度高、成本低、操作简单快捷、重现性好等优点[10]。顶空固相微萃取(headspace solid-phase microextraction,HS-SPME)是将吸附涂层(萃取头)暴露在样品上方富集待测组分的方法,是固相微萃取的一种萃取方式[11]。该方法结合GC-MS可使检出限达到μg/L～ng/L的级别,现已广泛用于食品挥发性成分的测定[12]。

在对不同加工部位的荞麦茶进行气味评价的研究中,Guo等[13]运用GC-MS对在我国市场上收集的全籽粒茶和全株茶两种苦荞麦茶样品进行了挥发性成分分析,结果表明:全籽粒茶和全株茶两者的芳香化合物组成存在一定的差异,但两者含有14种相同的芳香化合物,其中3-乙基-2,5-二甲基-吡嗪被确定为主要的化合物。Qin等[14]采用固相微萃取分离提取技术结合GC-MS对市售苦荞麦茶中的挥发性成分进行了定性及定量分析,共鉴定分析了39种挥发性化合物,其中有21种化合物为吡嗪类物质,占鉴定出的挥发性化合物总量的一半以上;化合物的主要气味描述为坚果香、焙烤香、可可香、杏仁香、甜香、花香和青草香等;其中对苦荞麦茶芳香气味有显著贡献的化合物有如下几种(气味活度值≥10):2,5-二甲基-4-羟基-3(2H)-呋喃酮、壬醛、2,3-二乙基-5-甲基吡嗪、苯乙醛、麦芽酚、2,5-二甲基吡嗪、2-乙基-5-甲基吡嗪和三甲基吡嗪。余丽等[15]采用相同的方法从市售苦荞麦茶中检测出30种挥发性成分,其中含量较高的是烃类、醛类和杂环类,三者在苦荞茶中的含量分别为24.56%、35.04%(以5-甲基糠醛为主)、18.42%(以2-乙酰吡咯为主)。在对不同品种荞麦茶的研究中,曾亮[16]以3种荞麦茶(麦粒型苦荞茶、黑苦荞茶、造粒型苦荞茶)为研究对象并采用固相微萃取结合GC-MS对其挥发性成分进行了分析,结果显示:3种苦荞麦茶的挥发性成分存在差异,但均大于60种,且香气物质均以醛、吡嗪、吡咯为主,呈焙烤食品的香气。在对不同加工工艺荞麦茶的研究中,隋秀芳等[17]为探索焙炒、蒸煮与重组造粒加工工艺对苦荞茶香气成分的影响,采用固相微萃取结合GC-MS对苦荞茶产品的挥发性香气成分进行对比分析,结果表明:采用蒸煮米工艺制作而成的苦荞茶以烷烃和烯类为主,而采用焙炒工艺制作的苦荞茶则以醛类和烷烃为主,且还富含苯酚、醇类、醚类、酮类和酯类,这是造成焙炒苦荞茶风味优于蒸煮米苦荞茶的原因。代雨波等[18]以固相微萃取结合GC-MS检测不同加热炒制方式对荞麦茶挥发性香气成分的影响,结果表明:使用磁炒锅焙炒制成的苦荞麦茶所含挥发性成分比用电热管加热炒制的苦荞麦茶多10种,且其焙烤类食品主要风味物质吡嗪的含量比用电热管加热炒制的苦荞麦茶高4.13%,风味物质数量及相对含量上的差异使得2种苦荞在风味上产生差异,因此使用磁炒锅焙炒制成的苦荞麦茶在风味上优于电热管加热炒制的苦荞麦茶。

1.2 电子鼻检测技术

电子鼻是模拟人的嗅觉系统、利用气体传感器阵列的响应图案来识别气味的电子系统,它可以在几小时、几天甚至数月的时间内不间断地、实时地监测特定位置的气味状况,弥补了感官评价易受人为因素干扰和识别精度低的缺点,客观、准确、快捷且重复性好[19-21]。

有关电子鼻检测技术在荞麦茶气味检测上的应用,已有学者做了相关研究。曹静[22]应用电子鼻技术对15种不同品牌的苦荞麦茶进行了气味检测,实验结果表明:在气味特征方面,所有苦荞麦茶的茶汤比干茶差异显著,电子鼻响应值用于模式识别时的判别结果更有效,准确度更高;不同品牌的苦荞麦茶因加工工艺、工艺参数或原料等因素影响,产品气味品质存在差异,运用电子鼻技术检测其香气成分,采用FDA和MLPN等模式识别方法可以进行有效地区分判定;对于不同炒制工艺参数制备的苦荞茶,结果表明:苦荞麦茶的风味品质受炒制温度和时间的影响较大,利用电子鼻检测技术和FDA与MLPN等模式识别方法可以对其进行有效地区分辨识。许青莲等[23]采用HS-SPME/GC-MS和电子鼻检测技术对云南、贵州、四川、山西和内蒙等五产地苦荞茶的茶汤和茶底样品进行挥发性成分的鉴别分析,电子鼻分析所得的主成分分析结果表明:贵州、山西和内蒙的茶汤区分不明显,茶底区分明显;香气成分分析表明:五产地苦荞中共检出香气成分91种,共有成分14种。其中,贵州苦荞茶香气成分中醛类、碳氢化合物和含氮化合物的种类最多,相对含量最高,其他四产地苦荞茶香气成分中酯类、醛类化合物的种类和相对含量较贵州苦荞茶偏多和偏高。

由以上研究结论可知,在生产加工过程中,不同的原料、工艺参数会影响荞麦茶的气味。气相色谱-质谱联用技术以及电子鼻检测技术初步在荞麦茶品质的气味检测中得到了良好的运用。在荞麦茶的实际生产过程中,企业可根据自身需要应用上述技术对原料进行筛选、对加工的工艺参数进行严格的控制,利于产品的规范化生产,提高产品质量。且荞麦茶产品中含有一定量的水分、脂肪、蛋白质等成分,在贮藏期间易发生霉变、氧化等情况,进而荞麦茶的挥发性成分也随之改变,影响产品的品质。因此,未来可以开展应用气相色谱-质谱联用技术或电子鼻技术对不同贮藏条件下的荞麦茶品质进行快速、无损的检测或对荞麦茶进行货架期预测的相关研究,这对企业在储藏和销售环节有现实的指导意义。

嗅觉可视化技术是近年来出现的一种气体表征的新方法,在国内外逐渐发展起来。其原理是利用可视化传感器与待测气体反应前后颜色会发生变化的特点来对待测气体进行定性及定量分析[24-25]。相比于气相色谱-质谱联用技术等手段,嗅觉可视化技术简便、快速、成本低,相对于近年来逐步深入探索并已在一定领域内应用的电子鼻无损检测技术来说,它具有检测精度高,不受温度、湿度等影响的优势[26-27]。目前,国内外嗅觉可视化技术的研究还较少,主要集中在简单化学物质的区分以及谷物、肉类、水产品、酒类、食醋、红茶等食品的品质检测方面。荞麦茶在生产加工及储藏过程中,挥发性物质会产生一定的变化,如能筛选到合适的气敏变色物质,对这些挥发性成分做出响应并变色,则可以根据可视化传感器的变色情况对荞麦茶的气味进行定性及定量分析,为荞麦茶品质的快速、无损评价开辟新途径。

2 荞麦茶品质的质构评价技术及展望

荞麦茶在生产加工过程中,由于温度、湿度、压力等条件的变化,易使荞麦茶的物理性质和组织结构发生改变,进而影响荞麦茶的冲泡特性。而这些均与荞麦茶的质构性质有关,因此需要对荞麦茶的质构进行评价。质构仪在食品领域应用中又被称为电子牙[28],作为客观评价食品质构品质的主要仪器,测定的物理性状能较好的反映食品质量的优劣,且测定速度快,在食品行业已被广泛应用。

目前有关荞麦质构的研究主要集中在荞麦粉以及米粉或小麦粉混合制成的米面制品[29-32]。而陈伟等[33]应用质构仪分别对苦荞麦及仁在制茶过程中浸煮环节前后的质构做了相关研究,通过实验测得其力—变形曲线数据,得出其硬度、破坏力、破坏能等常规力学参数;通过对比得出浸蒸处理后的苦荞破坏力和破坏能略有降低,苦荞仁的破坏力和破坏能显著增加,表明表皮结合强度降低,有利于减小脱壳破碎率。将质构仪应用于荞麦茶品质的质构评价研究尚属空白,而其质构的测定指标与荞麦粉混合物及谷物原料一致,故可以通过谷物原料中质构的测定方法来研究荞麦茶的质构特性,指导实际生产以及冲泡饮用,使质构仪应用于荞麦茶的产品研发及品质的快速检测成为可能。

在对谷物进行质构方面的研究中,高连兴等[34]应用万能试验机进行了5种含水率下的大豆破裂强度、弹性模量和压缩功等准静压力学特性试验,获得了6.84%～21.37%含水率范围内、3个方向的大豆破裂强度、弹性模量和压缩功及其变化规律。为改进大豆脱粒和输送装置、确定工艺参数提供了参考。由此可知,我们亦可以尝试应用万能试验机对荞麦茶的压力进行测试,判断荞麦茶内部的组织结构及冲泡特性,进而对其品质进行把控。

3 荞麦茶品质的颜色评价技术及展望

荞麦茶的颜色与原料的品种、产地以及生产加工过程中的各个参数关系密切。作为一个显著的外在特征,颜色是评价荞麦茶品质及其变化的一个重要指标。主要采用色彩色差分析法和计算机视觉技术对食品的颜色进行评价。

3.1 色彩色差分析法

色彩色差法是运用仪器测出各种试样被测位置的颜色,并通过计算,对颜色进行数值化表示,进而得到色差值[35]。

在荞麦茶的颜色分析中,代雨波等[18]以自制的固定电磁线圈回转式电磁炒锅对苦荞麦进行焙炒制成荞麦茶,使用色差计对其颜色的L*、a*、b*值进行测定并对颜色差异进行分析,结果表明:随着加工的进行,苦荞的明度L*降低,但固定电磁线圈回转式电磁炒锅焙炒制成的苦荞麦茶的明度要略高于传统电热管加热炒制的苦荞麦茶;从a*和b*的检测结果来看,磁炒锅焙炒制成的苦荞麦茶比电热管加热炒制的苦荞麦茶的颜色偏红,红色能通过视觉刺激人的品尝欲望;以生苦荞为对比,磁炒锅焙炒制成的苦荞麦茶与生苦荞的色差距离更大。在关于荞麦茶茶汤颜色的研究中,吕侠影[36]以苦瓜汁、苦丁茶汤、苦荞茶汤为原料研制了复合果蔬汁茶饮料,并在7 d后使用色差计对其进行ΔL、Δa、Δb和ΔE值的测定,以考察经异抗坏血酸钠和β-环状糊精处理后茶饮料的颜色变化,结果表明色差计可以应用于荞麦茶茶汤颜色的测定。

运用色差仪对荞麦茶原料的颜色进行测定也有了文献报道。王若兰等[37]使用色差仪每20 d测定一次苦荞麦的色度,研究在不同储藏条件下苦荞麦色度的变化规律,结果表明:荞麦的储藏温度和水分含量对其色度的变化影响较大,而储藏时间和包装条件对其色度变化的影响不明显;苦荞麦在干燥(水分为12%)、低温环境条件下储藏,有利于苦荞麦原色度的保持。

因此,在上述研究成果的基础上,可以进一步开展运用测色仪和色差计对荞麦茶在原料品种及产地方面的筛选、生产加工工艺参数优化、不同贮藏条件下的干茶或冲泡后的茶汤进行颜色的测定,得到更为准确、客观、快速的荞麦茶品质评价。

3.2 计算机视觉技术

计算机视觉又称机器视觉,是以图像处理技术为核心,研究用计算机模拟人微观和宏观视觉功能的科学和技术[38]。它可以对谷物及其制品的大小、形状、颜色等品质进行检测[39-40]。具有无损、高效、快捷和低成本的特点。

截至目前,尚未见到将计算机视觉和图像处理技术应用于荞麦茶研究的报道。但对于荞麦茶原料的研究方面,已有学者基于计算机视觉和图像处理技术对荞麦茶原料的颜色有了初步的研究,并且取得了良好的结果。张强[41]使用扫描仪获取了来自8个省区11个不同品种的苦荞种子彩色图像,通过图像处理有效地对苦荞种子的颜色与形态特征进行精确量化和快速分析,实验结果说明计算机视觉和图像处理技术可作为不同品种苦荞种子分类鉴别的一种客观,准确、有效的方法。吕少中等[42]研究了基于图像处理技术并运用主成分分析和BP神经网络的荞麦剥壳混合物识别方法,在提取了荞麦籽粒图像的颜色特征、形状特征以及纹理特征并进行一系列的分析后,试验结果表明:该BP神经网络对未剥壳荞麦、已剥壳完整荞麦米和破损荞麦米的识别正确率分别为98%、90%和98%,平均正确率为95%,能够对荞麦剥壳混合物进行有效的识别。

荞麦茶在其研制和开发过程中由于原料品种和产地差异、加工过程中工艺参数的不同以及储存运输条件的区别,会导致颜色品质参差不齐。基于此,可以尝试运用计算机视觉和图像处理技术对荞麦茶进行图像采集并分析,以实现通过颜色对其品质进行快速、无损的检测及评价。

4 荞麦茶品质的滋味评价技术及展望

滋味是食品品质评价的重要指标之一,关系到专业人员以及消费者对产品适口性的评价。电子舌(electronic tongue)检测技术是20世纪80年代逐步发展起来的、能对食品的滋味进行分析和识别的一种技术手段。它基于模拟人类味觉,利用传感器阵列来检测液体样品中的味觉特征,通过多元统计分析方法对信号模式进行区分识别,从而对液体样品的味觉信息如酸、甜、苦、咸、鲜、涩及回味等指标进行实时、快速的检测及评价[43-45]。

在荞麦茶滋味的研究中,曹静等[46]利用新型伏安型电子舌——智舌(Smartongue)对不同炒制温度、时间以及不同贮藏期的苦荞茶进行了滋味品质的辨识,结果表明:炒制温度及储藏时间对苦荞茶的滋味品质影响较大,样品之间差异显著;相比之下,炒制时间对苦荞茶滋味品质的影响不显著;主成分分析能够区分炒制温度差异较大的苦荞茶,而对于同一炒制温度下不同炒制时间的茶样以及不同储期的茶样区分效果不佳;线性判别分析能够对不同炒制温度和时间加工而成的12组苦荞茶以及不同储期的7组苦荞茶进行有效的区分,这证明了将电子舌技术应用于荞麦茶品质的滋味评价是可行的。

亦有学者对其它谷物代用茶的滋味品质进行了研究。遇靓[47]以薏苡为原料研制了红曲固态发酵薏米茶,应用电子舌检测及PCA主成分分析表明:电子舌能够有效区分薏米红曲茶及其配料的味觉差异;同时,应用电子舌检测技术客观的证明了复配工艺可使产品的口感更加调和,从而提高了产品的品质。

基于以上结论,可进一步探索应用电子舌检测技术对荞麦茶的品种进行辨识、对相同配方或加工参数下的不同批次的产品进行品质控制,以及探索仪器测定值与感官评定人员得出的感官评分之间的相关性,为科学研究以及实际生产提供理论依据。

5 荞麦茶品质的近红外评价技术及展望

近红外光谱技术(NIR)是近年来迅猛发展起来的一种现代分析技术,它包含了大量关于有机化合物的结构和组成等相关信息,在现代化学计量学方法和计算机技术等多个学科的配合下,能够对复杂物质进行定性鉴别和定量分析[48],是一个方便快捷、操作简单、分析速度快、不破坏样品、不产生污染、对操作人员要求较低、可以实现多组分同时分析的方法,特别适用于在线检测[49]。

目前尚未见到将近红外无损检测技术应用于荞麦茶的研究报道,但已有学者对荞麦茶原料进行了营养成分含量预测以及品种鉴别的研究。在荞麦营养成分含量预测方面的研究中,马续莹等[50]应用近红外光谱漫反射技术,采用偏最小二乘法和留一全交叉验证方法对苦荞样品中膳食纤维的含量进行了预测。席志勇[51]开展了基于近红外光谱技术对荞麦进行无损检测的研究,采用近红外光谱技术结合主成分分析和BP神经网络分别建立了荞麦蛋白质、淀粉和总黄酮含量预测模型,其中总黄酮相关度较高,能够达到荞麦总黄酮含量预测的目的。韩雍等[52]建立了荞麦芦丁近红外光谱校正模型并对其进行验证,实现了荞麦芦丁的快速检测。郭慧敏等[53]采用最小二乘回归预测和交叉验证构建了蛋白质与淀粉含量近红外预测模型,具有较高的准确度和稳健性。有关荞麦的品种鉴别方面,林兵等[54]用差热分析法和近红外漫反射光谱法对11个不同栽培品种的苦荞麦进行了品种的快速分析鉴别。席志勇[51]采用近红外光谱技术结合支持向量机算法对荞麦进行了品种鉴别,鉴别效果良好。

以上研究说明,近红外光谱技术可以应用于荞麦茶原料,并已经取得了良好的结果。因此可以更进一步对其加工后的荞麦茶进行基于近红外光谱技术的营养成分含量预测或品种鉴别,使近红外无损检测技术应用于荞麦茶品质的快速、无损检测成为可能。

6 结论及展望

目前,气相色谱-质谱联用、电子鼻、质构仪、电子舌、色差仪、计算机视觉、近红外光谱等检测分析手段在谷物品质评价中的应用较为广泛,而针对荞麦茶品质评价的应用相对较少,但已有的研究结果证明这些检测技术在荞麦茶品质评价中是可行的。在此基础上,应更加深入的进行研究并逐步探索将其他快速、无损检测技术应用于荞麦茶的品质评价,如核磁共振技术等;介电特性在一定程度上可以反映食品品质的优劣,因此可探索电学参数与荞麦茶组成成分之间的相关性,开展基于介电特性对荞麦茶的品质进行无损检测。随着国内外对荞麦茶的关注程度不断提高,对荞麦茶的品质也就有了更高的要求。因此,开发快速、无损的荞麦茶品质检测技术,对于准确控制和保障荞麦茶产品从原料采收、生产加工以及贮藏运输过程的品质具有较强的实际需求和巨大的应用前景。