庆元锥栗烘烤过程中香气物质组分的变化

陈如意，杨玥熹,2，顾振宇,2*，陈跃文,2，陈婷

1(浙江工商大学 食品与生物工程学院，浙江 杭州，310018) 2(浙江工商大学，国家级食品工程与质量安全实验教学中心，浙江 杭州，310018)

锥栗(Castaneahenryi,C.henryi)属于壳斗科栗属植物，果实内以碳水化合物类为主，蛋白质、氨基酸、VC含量较高，脂肪含量较低，风味香甜可口[1]。但锥栗收获期较短，不耐储藏[2]，多以鲜销的方式出售；同时在加工和保藏过程中香气物质会受到损失，色泽发生较大变化,从而制约着产业的发展。目前国内外对于锥栗及栗属植物的香气研究，多以板栗和欧洲栗为对象[3-8]。作为食品，锥栗常以烘烤或炒食为主，以获得较为浓郁的香气。但目前有关锥栗和锥栗制品香气的形成机理和影响因素研究并不是很透彻，尤其对香气物质在加工过程中发生的变化关注较少。本文利用电子鼻和气相色谱-质谱联用技术，研究锥栗在230 ℃下烘烤过程中香气成分的组成及变化，以期为保留和提高锥栗产品的特征香气提供理论依据与技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

锥栗，浙江省丽水市庆元县产，采收时间为2015年10月，于4 ℃冷库中贮藏，2个月内使用完毕。

2,4,6-三甲基吡啶(99%，内标)、正构烷烃混标(1 μg/mL)(色谱纯)，美国Sigma-Aldrich公司；乙酸乙酯、无水硫酸钠(分析纯)，上海凌峰化学试剂有限公司；超纯水，杭州娃哈哈集团有限公司。

1.2 仪器与设备

烤箱(YXD-60型)，上海红联机械机器制造有限公司；超低温冷冻冰箱(DW-FL型)，中科美菱低温科技有限责任公司；磁力搅拌器(DF-101S型)，巩义市予华仪器有限责任公司；气相色谱-质谱联用仪(7890A GC & 5975C inert MSD)，美国Agilent公司；电子鼻(PEN3)，德国Airsense公司。

1.3 方法

1.3.1 样品预处理

将锥栗筛选、清洗后晾干，称取7份锥栗各约300 g，取其中1份，去除锥栗壳和种皮；另外6份在(230±10) ℃下烘烤，每隔5 min取出1份，趁热去壳，切成2 mm薄片，于-80 ℃冰箱速冻4 h，用料理机粉碎至20目备用。对样品分别进行电子鼻和GC-MS分析。

1.3.2 电子鼻分析条件

准确称取20.00 g锥栗样品于40 mL顶空瓶中，密封后放置于25 ℃恒温条件下平衡30 min。电子鼻参数：清洗时间为180 s，测试时间为300 s，每个样品平行测定3次。利用电子鼻自带WINMuster软件对锥栗烘烤香气进行主成分分析(principal component analysis, PCA)和线性判别分析(linear discriminant analysis, LDA)。

1.3.3 溶剂萃取条件

准确称取20.00 g锥栗样品，加入80 mL乙酸乙酯，磁力搅拌提取0.5 h，加入无水硫酸钠于4 ℃冰箱静置过夜；过滤后加入原始浓度为99%的2,4,6-三甲基吡啶[9](2,4,6-trimethyl pyridine, TMP)2 μL并浓缩定容至10 mL，过0.45 μm滤膜进行气相色谱-质谱分析。

1.3.4 GC-MS分析条件

色谱条件：色谱柱：Agilent HP-5MS石英毛细管柱(30 m ×250 μm ×0.25 μm)；载气(He)流速1.0 mL/min；升温程序：35 ℃，以10 ℃/min升温至200 ℃，以5 ℃/min升温至250 ℃，保持10 min；进样量2.5 μL；进样口温度250 ℃，溶剂延迟5 min，不分流进样。

质谱条件：电子轰击离子源；离子源温度230 ℃；电子能量70 eV；质量扫描范围30～500m/z。

1.3.5 香气成分的鉴定及含量计算

使用Msdchem软件进行分析，经NIST11数据库检索初步定性，并计算保留指数,与相关文献比对，确认锥栗香气物质的组成。计算公式如式(1)所示：

(1)

式中:tR(x)、tR(n)、tR(n+1)分别为待测物、含n个及n+1个碳的正构烷烃保留时间。

采用内标法定量，计算公式如式(2)所示：

(2)

式中：mTMP，TMP质量，μg；m，样品质量，g。

2 结果与讨论

2.1 烘烤锥栗整体香气轮廓分析

主成分分析可以从多元变量中得出最主要和贡献率最大的因子，从而实现对所研究事物或者对象的简化与综合评价[10]。基于马氏距离对不同烘烤时间的锥栗样品进行PCA分析，其结果如图1-a所示。

由图1-a可知，2个主成分的总贡献率达到96%以上，表明电子鼻可以较好的反映锥栗烘烤过程中香气的变化。开始烘烤后在0～5 min数据采集点所在的椭圆先沿PC1轴正向、PC2轴负向移动，随后沿PC2正向移动，10～30 min间数据较为集中，说明在0～10 min内香气变化较大，随后变化差异不显著。

图1 230 ℃烘烤锥栗PCA(a)和LDA(b)分析
Fig.1 PCA (a) and LDA (b) analysis of roasted C. henryi of 230 ℃

进一步对传感器的特征值进行LDA分析，LDA分析可以将数据间的差异性扩大[11]从而更好地反映锥栗的烘烤香气轮廓。如图1-b所示，第0、5和10 min的椭圆分布较为分散且距离较大，而10～20 min分布较为集中。表明在230 ℃下，0～10 min是烘烤锥栗香气形成的关键期，香气轮廓变化较大；在10～20 min，锥栗烘烤香气处于一个相对稳定的状态，20 min后锥栗烘烤香气继续发生较大变化，该结论与PCA分析结果相吻合。

2.2 烘烤后锥栗特征香气的分析

2.2.1 锥栗香气成分分析

生锥栗和230 ℃下烘烤25 min的锥栗香气物质总离子流如图2所示，从中可以看出，锥栗在烘烤前后其香气成分的组成和含量均发生明显变化。

在烘烤锥栗中共检测到有效化合物30种，如表1所示，包括醇类、醛类、酮类、酸类、酯类、芳香族、杂环类化合物和其他类；其中酸类、酯类物质所占比例较大，种类也较多。

由图3可知，随着烘烤时间的延长，挥发性酸类、醇类、和醛类物质逐渐减少，酮类和杂环类物质逐渐累积，烃类、酯类和芳香族物质则先增加后降低。在烘烤后期出现的4-乙烯基愈创木酚，略带甜味和炒花生气息，由锥栗中木质素在高温下热分解[12]产生。烘烤锥栗中杂环类物质主要为糠醛、吡啶及其衍生物，种类和含量随时间增加，新增物质为具有炒花生味的2-乙基-3,5-二甲基吡嗪，具有甜香、木香、焦糖香的糠醛以及具有核桃、烤面包、炒榛子香气的2-乙酰吡咯[13]。烘烤30 min后检出丙烯酰胺，丙烯酰胺被认为是潜在致癌物，因此锥栗不宜在高温下长时间加工。

图2 生锥栗(a)和烘烤锥栗(b)香气物质总离子流图
Fig.2 Total ion chromatogram of aroma components of raw C.henryi (a) and roasted C. henryi for 25 min on 230 ℃ (b)

表1 锥栗在230 ℃烘烤过程中香气成分含量变化Table 1 Aroma components of C. henryi during roasting on 230 ℃

注：-表示未检出; 文献值*来源于http://webbook.nist.gov。

图3 锥栗在230℃烘烤过程中香气物质相对含量的变化
Fig.3 The changes of species in aromas content of C. henryi during roasting on 230℃

在0～10 min内醛类、酮类和芳香族类化合物相对含量变化均超过50%；在5～20 min内酮类和杂环类化合物含量处于较为稳定的状态，随后迅速增加。进一步结合电子鼻数据分析，可推测出锥栗在烘烤前期香气轮廓的变化主要是由烃类、醛类、酮类和芳香族类化合物含量的变化引起的，而酮类和杂环类化合物是锥栗烘烤香气的主要物质。

2.2.2 烘烤锥栗特征香气物质的确定

对于烘烤锥栗来说，美拉德反应产物是其主要香气成分[4, 14]，它们构成了熟锥栗特有的焦甜香气。根据食品中香气成分含量高且阈值低的成分很有可能是该食品的特征香气和主体成分[15]这个理论，进一步结合香气特征描述对锥栗烘烤香气的特征组分进行鉴定。通过分析烘烤锥栗中香气成分的含量变化以及各成分的香气特征列出了烘烤锥栗中的主要香气物质，如图4所示。

图4 烘烤锥栗中主要香气物质
Fig.4 The main aroma components in roasted C. henryi

2,4-二叔丁基苯酚具有焦枯气味[7]，它的含量随着烘烤时间的增加而增加，之后含量降低，推测它是烘烤锥栗香气中的一种重要物质。麦芽酚在230 ℃下烘烤30 min后，含量由5 min时的0.10 μg/g增加至1.40 μg/g，增加了13倍。麦芽酚具有焦奶油硬糖的特殊香气，常作为食品增香剂添加于烘烤食品中，由此可见，麦芽酚对锥栗的烘烤香气贡献较大。此外，在烘烤后期还出现了具有坚果香的2-羟基-3-甲基-2-环戊烯-1-酮[16]，它对咖啡型食品和烟草有增香和定香作用。

吡嗪类物质[17]是美拉德反应的主要产物之一，已经被认为对烘烤香气轮廓贡献较大。但在本文中检测到的吡嗪类物质较少，可能和锥栗中脂肪含量较少有关[18]。呋喃酮类物质是美拉德反应中形成的嗅感物质，对熟锥栗的香气起着重要作用[13]。2,3-二氢-3,5-二羟基-6-甲基-4(H)吡喃-4-酮具有焦甜香气，经过30 min后含量显著增加至20.25 μg/g。4-羟基-2,5-二甲基-3(2H)-呋喃酮经烘烤后含量增加，具有甜、烤香和焦糖香气，它的阈值为5 mg/kg。多数研究者[4,18-20]认为4-羟基-2,5-二甲基-3(2H)-呋喃酮和2,3-二氢-3,5-二羟基-6-甲基-4(H)吡喃-4-酮赋予了板栗甜香气，是糖炒板栗、烤板栗的特征香气物质。

综上所述，可以初步确定，2,3-二氢-3,5-二羟基-6-甲基-4(H)吡喃-4-酮、4-羟基-2,5-二甲基-3(2H)-呋喃酮和麦芽酚为烘烤锥栗的特征香气物质，构成了烘烤锥栗的焙烤香。

3 结论

(1)在烘烤过程中，锥栗香气处于一个动态变化的过程中，在230 ℃下0～10 min是烘烤锥栗香气形成的关键期，香气轮廓变化较大；在10～20 min，锥栗烘烤香气处于一个相对稳定的状态。锥栗在烘烤前期香气轮廓的变化主要是由醛类、酮类和芳香族类化合物含量的变化引起的，而酮类和杂环类化合物是锥栗烘烤香气的主要物质。

(2)通过对各香气组分在加工过程中动态变化的分析并结合香气特征描述，推测麦芽酚、2,4-二叔丁基苯酚、2,3,5,6-四氟茴香醚、2-羟基-3-甲基-2-环戊烯-1-酮、(S)-5-羟甲基二氢呋喃-2-酮、2，3-二氢-3,5-二羟基-6-甲基-4(H)吡喃-4-酮、5-二羟基-3,5-二甲基-2-呋喃酮是烘烤锥栗中的主要香气成分，其中2,3-二氢-3,5-二羟基-6-甲基-4(H)吡喃-4-酮、4-羟基-2,5-二甲基-3(2H)-呋喃酮和麦芽酚为烘烤锥栗的特征香气物质。