欧姆加热对豆浆风味物质的影响

单长松，宋华鲁，刘 锦，贾朝爽，吴 澎,*，李法德,*

（1.山东农业大学食品科学与工程学院，山东 泰安 271018；2.山东农业大学机械电子与工程学院，山东 泰安 271018；3.苏州大学生物医学研究院，江苏 苏州 215123）

豆浆营养物质丰富，是深受人们喜爱的日常饮品之一。生豆浆在制作的过程中，由于大豆自身所含有的酶及外界环境的共同作用会产生多种风味物质[1-3]。豆腥味是豆浆中最突出的，也是人们最不愿意接受的风味。由于豆浆挥发性物质中各组分的种类和含量受自身以及外界环境（温度、pH值等）的影响较大[4]，且各组分的种类和含量呈动态变化，因此难以准确描述豆浆的风味。

目前，国内外对豆制品风味物质的定性定量分析主要采用顶空固相微萃取（headspace solid-phase microextraction，HS-SPME）结合气相色谱、气相色谱-质谱（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）联用、气相色谱-嗅觉测定、气相色谱-嗅觉-质谱联用、动态顶空稀释等方法[5-9]，其中HS-SPME-GC-MS联用是应用最广泛。该方法能够准确、快速的对食品风味物质进行分析鉴定[10]。研究表明，发酵豆制品的挥发性物质主要包括醛类、醇类、酮类、烷烃类、呋喃类、酯类、酸类以及其他杂环类物质[11-14]。Lü Yanchun等[15]利用动态顶空结合气相色谱-嗅觉的方法，对豆浆的风味物质进行分类鉴定，结果表明，己醛是最主要的豆腥味呈味物质，其次为1-辛烯-3-醇、反-2-辛烯醛、反-2-己烯醛等。目前，已报道的豆浆风味物质主要有己醛、庚醛和反-2-己烯醛等14 种醛类物质以及己醇、1-辛烯-3-醇和庚醇3 种醇类物质，分别呈现青草味、树叶味、蘑菇味等特征香气，共同组成豆浆的豆腥味[16]。

豆浆中虽然含有丰富的营养物质，但也含有诸多抗营养因子，例如胰蛋白酶抑制剂、脲酶及植酸等[17-18]。热加工工艺可以显著降低豆浆中抗营养因子的含量[19-21]。因此，豆浆在饮用前的热加工是豆浆生产过程中必不可少的工艺环节。传统煮浆用高温水蒸气作为热源，将蒸汽直接或间接注入生豆浆。直接注入法不但会产生大量气泡还会导致豆浆局部过热，间接注入法会使传热面发生黏附，造成豆浆品质的下降。传统的煮浆工艺由于其自身的缺陷严重制约着豆浆的商业化推广[4]。

欧姆加热作为一种新型的体积加热法，具有加热均匀、无传热面、易控制和环境友好等优点，被认为是食品加工最具发展潜力的热处理技术之一。欧姆加热技术在国外的研究起步较早，在美国、英国和日本等国家已被商业化应用推广[22]。而我国对欧姆加热技术的研究仍处于探索阶段，欧姆加热技术在食品加工业中的应用一直未被推广。近几年，国内关于欧姆加热技术应用于食品加工中的报道逐渐增多，主要集中在饮料、豆制品和肉制品的加工以及降低豆浆中抗营养因子含量方面[23-25]，关于该技术对食品风味物质的影响报道较少。

固相纤维萃取头作为影响萃取效果的重要因素之一，其涂层材料、厚度的不同，对样品中风味物质的吸附效果会产生直接的影响。因此，应当根据待测样品挥发性物质的极性、沸点和分配系数等来选择适当的萃取头[26]。Shi Xiaodi等[27]用50/30 μm二乙基苯/碳分子筛/聚二甲基硅氧烷（divinylbenzene/carboxen/polydimethylsiloxane，DVB/CAR/PDMS）萃取头对豆浆风味物质进行萃取，探究了大豆品种与豆浆特征香气间的关系，但未就萃取头对风味物质的影响做出进一步探讨。Achouri等[28]分别采用70 μm CWAX/DVB、65 μm PDMS/DVB和85 μm CAR/PDMS 3 种纤维萃取头对豆浆中风味物质进行萃取，共鉴定出30 种香气成分，萃取效果一般，且未对更常用的50/30 μm DVB/CAR/PDMS萃取头的萃取效果进行探讨。

本研究以豆浆为原料，利用HS-SPME-GC-MS联用技术对豆浆的风味物质进行分析，并对固相纤维萃取头进行优化，根据定性和定量结果分析2 种加热方式（传统加热和欧姆加热）对豆浆风味物质的影响，为该技术在豆浆加工业中的推广提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

大豆品种为“鲁豆1号”，采购于山东农业大学种子公司，常温干燥条件下贮藏。挑选无明显机械伤和病虫害的大豆作为实验材料。

氯化钠（分析纯） 上海国药集团化学试剂有限公司；3-壬酮（色谱纯99%） 美国Sigma-Aldrich公司。

1.2 仪器与设备

QP 2010Plus GC-MS联用仪、Rtx-5MS色谱柱（60 m×0.25 mm，0.25 μm）、ATY224电子天平 日本岛津公司；SPME进样手柄、50/30 μm DVB/CAR/PDMS萃取头、65 μm PDMS/DVB萃取头、100 μm PDMS萃取头 美国Supelco公司；PC-420D恒温磁力搅拌器美国康宁公司；MB-KS0601磨浆机 江苏松桥电器有限公司；HH-4数显恒温水浴锅 国华电器有限公司；A2-20A-3V霍尔电流传感器 北京石新技术研究所。

静态欧姆加热装置由山东农业大学机械电子与工程学院研制提供，如图1所示。

图1 欧姆加热装置Fig. 1 Schematic of the Ohmic heating device

加热室由聚丙烯板制成，板厚15 mm；加热电极极板为304不锈钢；数据采集系统由T型热电偶、HP数据采集器和霍尔电流传感器和T型热电偶组成；欧姆加热的电压、频率及温度由数据采集器测量，测量时间间隔为10 s。电源频率范围为50～10 kHz，电压范围为0～250 V，波形为方波，占空比为50%。

1.3 方法

1.3.1 豆浆样品的制备

准确称量50.00 g无破碎、无霉变的大豆种子，置于烧杯中，用去离子水反复洗涤3 次后，按照豆水比1∶4（g/mL）的比例向烧杯中注入去离子水，室温（25 ℃）条件下充分浸泡至大豆子叶中部发白、无凹坑（约14 h）。浸泡完成后，用去离子水冲洗3 次后沥干。按1∶8（g/mL）的豆水比（干质）加入去离子水后磨浆4 min，用100 目滤布过滤得豆浆样品，4 ℃保存备用。豆浆中可溶性固形物质量分数为（8.47±0.08）%。

1.3.2 样品前处理

取适量制成的豆浆样品，分别使用传统加热和欧姆加热方式将豆浆样品加热至沸腾。为排除热效应差异对豆浆风味的影响，本研究中设置电场频率为5 kHz，占空比为50%，通过调节电压，使欧姆加热过程中豆浆样品的温度上升曲线与传统加热处理组尽可能一致，加热历程模拟曲线如图2所示。待样品加热至100 ℃时，迅速取样品15 mL置于50 mL顶空瓶内，并立即密封瓶口。

图2 传统加热和欧姆加热历程模拟Fig. 2 Simulation of the Ohmic heating and conventional heating process

1.3.3 HS-SPME

参考Shi Xiaodi等[27]的方法，并略作修改。每个处理组萃取前分别加入0.5 g无水氯化钠，同时加入4 μL的3-壬酮（400 mg/L）后，立即用乳胶盖密封顶空瓶口，置于40 ℃恒温磁力搅拌器上萃取，搅拌速率为200 r/min，平衡10 min。插入固相微萃取头，萃取吸附30 min。立即插入色谱气化室，解吸3 min，进行GC-MS分析。每个品种3 次重复，取平均值。

1.3.4 GC-MS测定条件

参考Achouri[28]和Salum[29]等的方法，并略作修改。

GC条件：Rtx-5MS毛细管柱（60 m×0.25 mm，0.25 μm）；程序升温：初温40 ℃，保温4 min，以6 ℃/min的升温速率升温至230 ℃，再以10 ℃/min的升温速率升至250 ℃，保温5 min；载气为高纯氦气（99.999%），流速1 mL/min，压力112.0 kPa；进样方式：分流进样，分流比20∶1。

MS条件：电子电离源；电子能量70 eV；接口温度230 ℃；离子源温度200 ℃；采用SCAN模式进行全扫描；质量扫描范围m/z 45～450。

1.3.5 定性定量分析

定性分析：样品经GC-MS分析后，所得到的质谱图经计算机与美国国家标准与技术研究院（NIST 14和NIST 14S）质谱图数据库比对，同时结合相对保留时间，查阅文献等资料分析，对各挥发性香气物质的成分进行定性分析。

定量分析：豆浆挥发性物质的定量采用内标法分析，以3-壬酮作为内标物。按下式计算：

式中：Xi为待测物质含量/（μg/kg）；Cs为豆浆样品中内标物含量/（μg/kg）；As为内标物的峰面积；Ai为待测物的峰面积；fi为待测组分i对内标物s的质量相对校正因子；本研究中假定各待测组分i的相对校正因子均为1。

1.3.6 固相纤维萃取头的选择

分别采用50/30 μm DVB/CAR/PDMS萃取头、65 μm PDMS/DVB萃取头和100 μm PDMS萃取头对同一豆浆样品的挥发性物质进行萃取，然后进行GC-MS联用分析，根据各组样品检出物峰面积总和及峰数量，筛选最适于萃取豆浆风味物质的萃取头。

1.3.7 豆浆感官评定

从食品专业挑选12 名食品品评员（男女各6 名，24～26 岁）组成感官评价小组，每个成员均有50 h以上的感官品评经验。实验前各组员先对豆浆香气进行感知训练。然后在感官品评室，分别对豆浆样品进行独立感官评定。按照豆浆感官评定标准（表1）分别从豆浆的口感、气味、色泽和组织形态4 个方面进行独立评分，各方面评分中分别去除一个最高分和一个最低分后，取平均值作为各方面感官评定结果。

1.4 数据统计分析

采用Excel 2016软件对实验数据进行统计；采用Origin 2017软件对实验数据进行作图；用统计分析软件SPSS 25.0对实验数据进行相关性分析和显著性检验，显著性水平为P值小于0.05。

2 结果与分析

2.1 固相纤维萃取头的选择

豆浆样品分别经50/30 μm DVB/CAR/PDMS萃取头、65 μm PDMS/DVB萃取头和100 μm PDMS萃取头萃取后，GC-MS检测结果如图3A所示。不同萃取头对豆浆中香气物质的萃取效果存在着显著差异。对不同萃取头所萃取到的风味物质进行分析，结果如图3B所示。3 种萃取头吸附的风味物质的总峰面积和峰数量均存在着显著差异。65 μm PDMS/DVB纤维萃取头对豆浆中风味物质的萃取效果最佳，50/30 μm DVB/CAR/PDMS次之，100 μm PDMS的萃取效果最差。Achouri等[28]对萃取头的优化结果表明，65 μm PDMS/DVB萃取头萃取豆浆风味物质的效果优于70 μm CWAX-DVB，未对其他萃取头对豆浆的萃取效果做出探讨。本研究中发现，与其他2 种萃取头相比，65 μm PDMS/DVB萃取头对豆浆风味物质的萃取效果明显较好。虽然50/30 μm DVB/PDMS/CAR包含其余2 种纤维萃取头的涂层，但对豆浆中风味物质的萃取效果并不佳，这可能与样品性质有关。豆浆内水分含量较高，其风味物质在整个平衡体系的分配系数与其他食品原料有所不同，这可能会直接影响萃取头的萃取效果[29]。

2.2 豆浆风味物质的鉴定

图4 加热方式对豆浆风味物质的影响Fig. 4 Effect of heating methods on the characteristic fl avor compounds of soymilk

在相同加热历程条件下，豆浆样品分别经传统加热和欧姆加热方式至100 ℃。利用GC-MS分别对生豆浆和加热处理后的豆浆样品挥发性物质进行分析，检测得到的总离子流图如图4所示。用计算机质谱库检索，对图4中的质谱图进行解析，结合相关文献对豆浆样品的各挥发性组分进行定性分析，结果如表2所示。

表2 豆浆风味物质分析结果Table 2 Relative contents of fl avorvolatiles in soymilk

由表2可知，GC-MS从3 种豆浆样品中共检测到35 种挥发性成分，其中三者共有组分29 种，主要为醛类、醇类、酮类、酯类和杂环烃类化合物。其中醛类物质16 种，醇类物质5 种，酮类物质3 种，酯类物质1 种，杂环烃类物质10 种。其中挥发性物质的主要成分为己醛、（E）-2-庚烯醛、1-辛烯-3-醇、2-戊基-呋喃、（E）-2-辛烯醛、壬醛、（E）-2-壬烯醛、（E,E）-2,4-壬二烯醛、（E）-2-癸烯醛、（E,E）-2,4-癸二烯醛、2,4-癸二烯醛、4-乙基-3-壬烯-5-炔、（E）-2-十二烯醛等，这些物质共同组成豆浆特有的香气特征。这与Shi Xiaodi[27]、Achouri[28]等关于豆浆风味物质的报道相符。Leizerson[30]、Aguilar-Rosas[31]等利用欧姆加热处理苹果汁和橙汁，发现欧姆加热对其风味物质的影响明显低于传统加热处理组。本研究发现生豆浆样品经传统加热处理后，风味物质种类未发生明显变化，但组成豆浆风味的各物质成分的含量发生显著变化；但豆浆样品经欧姆加热处理后，组成豆浆风味的各物质成分在种类和含量上均发生明显的变化。样品在热处理过程中，加热历程基本一致，热效应造成的差异可以忽略不计。因此，豆浆风味物质种类和含量方面差异与加热方式有直接关系。

2.3 欧姆加热对豆浆风味物质的影响

图5 加热方式对豆浆特征香气的影响Fig. 5 Effect of heating methods on the characteristic fl avor compounds of soymilk

根据表2中GC-MS检测结果，对生豆浆及2 种热处理方式加热后的豆浆样品中主要风味物质含量进行比较，结果如图5所示。与生豆浆相比，欧姆加热和传统加热处理组豆浆样品风味物质中己醛、1-辛烯-3-醇、（E）-2-己烯醛、（E）-2-辛烯醛、正己醇含量均有不同程度的降低，且欧姆加热处理组显著低于传统加热处理组。欧姆加热方式对这些风味物质组分的含量有显著影响（P＜0.05）。研究表明[27,32-33]，组成豆浆特征风味的诸多组分中，己醛是最主要的豆腥味物质，其次是1-辛烯-3-醇、（E）-2-己烯醛、（E）-2-辛烯醛；再次是己醇、戊醇、壬醛、甲苯、（E）-2-壬烯醛、（E,E）-2,4-癸二烯醛等，这也与本研究的结果相一致。本研究发现，传统加热处理组中己醛、1-辛烯-3-醇、（E）-2-己烯醛、（E）-2-辛烯醛、正己醇、壬醛、（E）-2-壬烯醛和（E,E）-2-壬二烯醛的含量依次为（183.29±3.10）、（15.87±2.77）、（3.23±1.37）、（41.07±2.77）、（36.99±0.96）、（11.09±0.45）、（2 1.33±1.0 0） μ g/k g，而欧姆加热处理组中上述各风味物质的含量则依次为（101.64±0.79）、（6.57±1.33）、未检出、（30.16±1.76）、未检出、（39.25±1.11）、（9.43±0.88）μg/kg和（17.76±1.56） μg/kg。欧姆加热处理组中己醛、1-辛烯-3-醇、（E）-2-辛烯醛的含量分别比传统加热处理组约低45.55%、58.60%和25.56%，且在欧姆加热处理样品组中未检测到（E）-2-己烯醛和正己醇。因此，利用欧姆加热技术处理豆浆可显著降低其豆腥味。豆浆豆腥味的形成与大豆中的蛋白质、亚油酸、亚麻酸以及脂肪氧合酶（lipoxygenase，LOX）均有重要关系[34-36]。其中，己醛的形成与亚油酸有直接关系，（E）-2-己烯醛、（E）-2-辛烯醛等物质的形成与亚油酸有直接关系，但2 种不饱和酸和氧化反应均需要大豆中LOX的催化[28]。因此，豆浆挥发性物质的种类和含量与LOX的活性和数量有关。豆浆制备过程中，随着大豆籽粒的破碎，大豆中不饱和脂肪酸在LOX等酶的作用下发生氧化反应，产生多种的挥发性风味物质，其中包含使豆浆呈现豆腥味的物质组分[16]。Li Fade[25]、Jakób[37]等利用欧姆加热处理牛奶、水果和蔬菜汁等，发现果胶酶、脲酶和过氧化物酶的活性在欧姆加热过程中发生不同程度的钝化。前期的研究结果表明，欧姆加热处理过程中，一定条件的电场作用（140 V，5 kHz）下，豆浆中LOX的钝化速率约为（400.00±26.50） U/min，豆浆中的LOX等酶的活性在6 min内会被完全钝化[38-40]。因此，与传统加热处理组相比，欧姆加热处理组中豆腥味特征香气成分含量偏低。但是，欧姆加热的电场条件与豆浆特征香气组分含量的变化动力学关系鲜见报道，仍需进一步探索。

2.4 欧姆加热处理对豆浆感官品质的影响

图6 豆浆样品感官评价雷达图Fig. 6 Radar chart for sensory evaluation of soymilk

豆浆的口感、气味、色泽和组织形态是人们能够直观感受到的品质指标，会直接影响消费者对产品的接受度。如图6所示，热处理对豆浆的色泽和组织形态无显著影响；经过热处理的豆浆样品的口感明显优于生豆浆；生豆浆有明显的豆腥味，气味方面的感官评分最差，热处理方式对豆浆气味的影响有显著差异（P＜0.05），欧姆加热处理组豆浆的豆腥味最小。由于所有豆浆样品均经过100 目尼龙纱布过滤，因此，组织形态方面的差异不明显。但生豆浆熟制后，蛋白质、脂肪等会发生理化性质的变化，使豆浆口感更浓厚、细腻[41]。陈聪等[42]认为在豆浆的感官评价指标中，口感最重要，气味次之，对色泽的要求最低。本研究中热处理后的豆浆口感明显优于生豆浆；豆腥味方面，欧姆加热处理组明显低于传统加热处理组，生豆浆的豆腥味最重。感官评价结果与GC-MS联用检测结果相一致。

3 结 论

本研究采用HS-SPME结合GC-MS联用技术分析豆浆的风味物质，并探讨了欧姆加热对豆浆风味物质的影响。结果表明：65 μm PDMS/DVB纤维萃取头较100 μm PDMS和50/30 μm DVB/CAR/PDMS更适宜豆浆风味物质的测定；GC-MS从热加工后的豆浆样品中共检测到35 种挥发性成分，主要为醛类、醇类、酮类、酯类和杂环烃类化合物。其中醛类物质16 种，醇类物质5 种，酮类物质3 种，酯类物质1 种，杂环烃类物质10 种，主要包括己醛、（E）-2-庚烯醛、1-辛烯-3-醇、2-戊基-呋喃、（E）-2-辛烯醛、壬醛、（E,E）-2,4-壬二烯醛、（E）-2-癸烯醛、2,4-癸二烯醛、（E）-2-十二烯醛等，这些挥发性成分共同组成豆浆的香气成分。在所有挥发性物质成分中，己醛、1-辛烯-3-醇、（E）-2-己烯醛、（E）-2-辛烯醛等在豆浆风味物质中所占比例较大，是豆浆豆腥味的特征香气成分，欧姆加热处理可显著降低豆腥味特征香气成分的含量。因此，利用欧姆加热方式处理豆浆可以显著降低其豆腥味。