HS-SPME结合GC-MS分析麻辣火锅底料炒制和熬煮过程中挥发性物质的变化

杨 莉,贾洪锋,杨 芳,宋璐衫,黄 英,张 淼,涂梦婕,何 莲

(四川旅游学院食品学院,四川成都 610100)

火锅是独特的中国饮食,麻辣火锅作为火锅的味型补充,受到越来越多消费者的青睐[1]。近几年,年轻人作为麻辣火锅的主要消费力群体,人均消费不断增长,对麻辣火锅的滋味、香气要求更加严格[2]。火锅的香气主要由火锅底料影响,火锅底料中包含多种香辛料:辣椒、八角、香叶、桂皮、花椒等,在加热特别是炒制过程中,调味料中的多种挥发性物质(Volatile Components,VCs)会逸散出来,炒制时间长短影响香气的种类[3]。传统火锅底料制作过程中,除了合理的炒制时间,其熬煮过程也影响着火锅的口感。在熬煮过程中,一部分VCs散播到空气中,一部分非VCs溶解在汤底中,这样就形成了火锅十里飘香、口味浓郁的特点。火锅底料中的香辛料除了提供香气成分,也能达到一定的防腐、抑菌效果[4]。

近年来,绿色分析化学概念进入到食品分析行业,研究者设计出了成本更低、仪器设备更小的样品制备方法——微萃取方法。微萃取方法能有效减少或消除化学试剂引起的环境污染问题。此外,能用于样品量小甚至痕量物质的分析,例如固相微萃取技术(Solid-phase Micro Extraction,SPME)、搅拌棒吸附萃取、分散固相微萃取、填充注射器中的微萃取等。SPME由于其操作方便、灵敏度高、损失小等特点广泛运用于食品样品前处理。填充在SPME柱中的填充剂决定吸附的物质种类,近年来,由于纳米材料的多样性,这些材料在样品和预浓缩过程中起着重要的作用[5-8]。

本实验采用顶空固相微萃取(Headspace Solid-phase Micro Extraction,HS-SPME)与气相色谱-质谱(Gas Chromatography-mass Spectrometry,GC-MS)联用的方法,研究火锅底料中的VCs。通过分析火锅底料中VCs在炒制和熬煮过程中的变化,可以窥探火锅滋味的变化,为探究火锅底料开发利用及质量控制、使用安全性提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

牛油 重庆市帅克食品有限公司;干辣椒、郫县豆瓣、姜、蒜、酵母抽提物、味精、鸡精、花椒粉、香辛料(八角、桂皮、茴香、山奈、香叶)、醪糟 四川永辉超市。

SQ8型气相色谱-质谱联用仪 美国铂金埃尔默仪器有限公司;萃取头(75 μm CAR/PDMS) 美国Supelco公司。

1.2 实验方法

1.2.1 火锅底料主要原辅料 牛油40%,干辣椒8%,郫县豆瓣30%,老姜末2.5%,大蒜2.5%,酵母抽提物1%,味精1%,鸡精2%,花椒粉1.5%,食盐1%,香辛料2.5%(八角、桂皮、茴香、山奈、香叶)、醪糟汁8%。

1.2.2 火锅底料炒制和熬煮工艺流程 用电磁炉将牛油加热5 min后,冷却至80 ℃,然后加入干辣椒、郫县豆瓣、老姜末、大蒜、酵母抽提物、味精、鸡精、花椒粉、香辛料、醪糟汁,于400 W功率下炒制30 min。30 min后,于800 W功率下再按底料∶水=1∶4熬煮火锅底料,熬煮100 min。

1.2.3 取样方法 取混合均匀的火锅底料样品4 g于15 mL顶空瓶中,作为火锅底料原料样品;炒制的火锅底料取样:分别取400 W功率下炒制15、30 min的样品4 g置于15 mL顶空瓶中。

熬煮的火锅底料取样:取火锅底料汤底,在800 W功率下,连续熬煮100 min,每隔25 min取样4 g置于15 mL顶空瓶中(熬煮0 min的样品和炒制30 min的样品处于同一时刻,因此从熬煮第25 min开始取样)。

1.2.4 顶空条件 将装有样品的顶空瓶置于65 ℃平衡30 min。然后将老化(250 ℃,10 min)的萃取头插入顶空瓶中吸附30 min,再将针头插入GC-MS进样口,250 ℃解析5 min。

1.2.5 色谱条件 色谱柱:Elite-5MS(30 m×0.25 mm×0.25 μm);升温程序:进样口温度250 ℃。起始温度65 ℃,保持2 min,以5 ℃/min升至130 ℃,再以20 ℃/min升至250 ℃,保持2 min;载气(He,纯度99.99%)流速1.0 mL/min;分流比:10∶1[3,9]。

1.2.6 质谱条件 EI离子源,电子轰击能量为70 eV;离子源温度250 ℃;质量扫描范围m/z 40～450。

1.3 化合物定性

将质谱图与标准质谱图(NIST2011)对照,并对比相关文献进行确定。各组分相对含量按照峰面积归一化法计算[10]。

1.4 数据处理

采用Excel 2007进行数据统计分析,采用Origin 8.0制图。

2 结果与分析

2.1 火锅底料炒制和熬煮过程中VCs的变化

取炒制过程中的火锅底料测量其VCs,GC-MS总离子图如图1所示。炒制得到的火锅底料,按底料∶水=1∶4熬煮火锅底料,取熬煮过程中的火锅汤底测其VCs,GC-MS总离子图如图2所示。各色谱峰按照面积归一化法确定相应样品中各化合物的相对含量。炒制和熬煮过程中分别最多得到53、50种VCs,包括烯类、醛类、酮类、醇类、酸及酯类等(如表2、表3所示),其中烯类和醇类化合物含量较高,各类化合物占总面积的百分比如图3所示。

图1 火锅底料炒制过程中GC-MS的总离子图

图2 火锅底料熬煮过程中GC-MS的总离子图

图3 火锅底料炒制和熬煮过程中VCs相对含量

炒制火锅底料的过程中(图1),随着炒制时间的延长,产生的VCs种类和含量都发生了变化。与火锅底料原料相比,VCs的种类发生了较大的变化,炒制过程中VCs的含量变化较大。这可能与炒制的时间和温度有关。

熬煮火锅底料的过程中(图2),VCs的种类变化不大,含量变化较大。保留时间第7、11 min左右、15 min左右的VCs含量较多,其种类和含量也完全不同于炒制的火锅底料。这可能是底料中的香辛料等溶解的溶剂不同造成的,炒制过程中使用的是牛油,而熬煮过程中加入了食用水。另一方面,调味料所处的温度不一样,炒制过程中调味料所处的温度较高,而熬煮过程中温度相对较低,火锅底料中的糖类物质、氨基酸受美拉德反应的影响,会生成醛类、内酯类等具有香气的VCs。温度越高,受热时间越长,香气物质越多。这些都可能对其中的VCs产生不同的影响。

从图3中可以看出,炒制和熬煮过程中,醇类物质、烯类物质相对含量较多,尤其是醇类,炒制过程中相对含量增加,加水熬煮后其含量先降低后增加。醛类物质等炒制过程中,其相对含量先增加后降低,加水熬煮后其相对含量持续增加,但增加趋势不显著。酮类物质、酸及酯类物质相对含量在整个操作过程中变化相对不明显。

2.2 火锅底料炒制和熬煮过程中VCs的种类及成分

2.2.1 烯类 烯类物质是火锅底料炒制和熬煮过程中重要的VCs,其化合物主要源自于脂肪酸烷氧自由基的断裂[11]。本次实验检测出了多种烯类物质(炒制过程16种,熬煮过程18种,具体类别如表1,表2所示),许多种烯类物质是目前火锅底料研究中未发现过的:d-柠檬烯是香料中的天然成分,存在于柠檬草油、松针油、香菜油,有新鲜的橙子香味及柠檬样香气,并在抑制活性氧和炎症因子上有一定成效[12];松油烯常存在于小豆蔻油、芫荽油中,可由α-蒎烯异构化得到。它具有环内共轭双键结构,可与亲双烯体(如乙醛、丙烯醛、丙烯腈、丁烯酮等)加成,生成具有木香、花香、草香、龙涎香、紫罗兰香的环化产物[13];α-姜黄烯是姜科植物姜黄、生姜和郁金块茎挥发油的主要成分,具有一定抗生育活性,且无雌激素样和抗雌激素活性[14]。其中混旋体的α-姜黄烯有一定的抗生育活性,光学活性的(-)-姜烯避孕率近100%[15]。菖蒲烯是一种倍半萜烯,可能存在于香叶中,可调节人单核细胞树突状细胞的分化,增强人体内免疫应答[16]。目前通过HS-SPME检测出来的挥发性烯类大部分具有生理活性,对人体健康有一定益处。

表1 火锅底料炒制过程中VCs种类及含量

表2 火锅底料熬煮过程中VCs种类及含量

火锅底料中检测出的多种天然烯类可构成火锅底料的风味物成分,同时也对火锅底料食用安全性造成一定影响。从加工过程来看,未加工的火锅底料挥发性烯类物质含量较高,炒制阶段烯类物质先急剧下降再缓慢回升,可能温度会影响挥发性烯类物质的含量;熬煮阶段,烯类物质的含量逐渐增多,说明挥发性烯类物质的含量与加工时间有关,时间越长,含量越多。

2.2.2 醛类 油脂中脂肪酸氧化降解产生直链醛类化合物,脂肪氧化生成六个碳原子以上醛类;美拉德反应也会产生醛[17],一些氨基酸代谢会产生醛类,比如苯丙氨酸代谢会产生苯乙醛。短链醛2-甲基丁醛具有很强的挥发性,其可能与牛油脂肪降解、糖类代谢或蛋白质的分解有关[18]。

炒制过程中检测出10种醛类,熬煮过程中检测出12种醛类,本次实验除了检测出苯甲醛、苯乙醛和柠檬醛外,还有许多之前有关火锅底料研究未检测到的醛类(具体类别如表1、表2所示)。熬煮过程中新检测到2种醛类:3-甲硫基丙醛和壬醛。挥发性硫化物是造成烧焦味的主要因素,也是氨基酸代谢的产物。少量的3-甲硫基丙醛具有酱香、葱香和红烧肉味,量多时是火锅底料熬煮过程中的不良气味[19]。壬醛在浓度较低时为清香味,浓度较高时为动物油脂味,是脂肪氧化的产物[20]。3-甲硫基丙醛和壬醛是亚油酸氧化的产物,都有脂肪气味[21]。3-甲硫基丙醛和壬醛都在熬煮过程后期出现,说明熬制时间过长,会导致火锅底料中氨基酸和脂肪的变化,改变营养价值。

2.2.3 酮类 炒制过程中检测到3-羟基-2-丁酮、(-)-α-侧柏酮两种,3-羟基-2-丁酮在炒制过程中呈下降趋势,(-)-α-侧柏酮呈上升趋势,如表1所示。熬煮过程中检测到香芹酮,其含量随着熬煮时间的延长而降低。

3-羟基-2-丁酮广泛存在于覆盆子、咖啡、奶油、可可等物质中,具有甜香、奶制品香,并带有脂肪味[22],其引起的香味只存在于炒制过程中,熬煮过程未发现。(-)-α-侧柏酮是萜类化合物,具有浓郁的特殊香气,但动物实验表明,其有轻度致抑郁的作用[23]。(-)-α-侧柏酮是在加热炒制过程中逐渐出现的,可能与物质的转化有关,其机理有待进一步研究。香芹酮是一种呈香芹味的VCs,存在于茴香、莳萝籽、葛缕子中,对食源性细菌有强烈的抑制作用[24]。

2.2.4 醇类 醇类是火锅底料中含量最多的VCs,主要来源于脂肪的氧化分解[1]。炒制过程中主要是直链饱和醇类,熬煮过程主要是不饱和醇类,如表1、表2所示。直链饱和醇例如异丁醇、正戊醇、异戊醇,其阈值较高,对风味影响不显著,其含量也随着炒制过程逐渐降低。不饱和醇类,比如桉叶油素、芳樟醇、苯乙醇、2-茨醇、4-萜烯醇、α-松油醇、2-亚苄基丙二醇、L-香芹醇等阈值较低,对风味的形成贡献较大[3]。

醇类物质相对含量随着炒制时间延长而增多,而熬煮过程受到汤底影响其相对含量下降后逐渐回升,说明两种工序加工过程中,油脂一直被氧化分解。在火锅底料熬煮过程中,乙醇对去腥、去臭有一定帮助。糠醇由糠醛转化生成,其来自于底料中聚戊糖的裂解产物,是一种致癌物[25]。2-茨醇具有樟脑气味,较易升华,主要来源于香料中。

2.2.5 酸及酯类 炒制过程只检测出了低分子质量的酸类物质:乙酸,其含量随着炒制时间的延长而减少,熬煮过程完全消失。由于原料中未发现乙酸的出现,说明其可能是油脂中的天然物质。

炒制过程检测出了4种酯类,熬煮过程检测出了3种酯类,具体如表1、表2所示。其中乙酸乙酯出现在未炒制及炒制前期和熬煮第50 min时期。乙酸乙酯是具有水果香味的VCs,可以赋予火锅底料愉悦的香气,在酯化反应中,乙醇和乙酸反应可生成乙酸乙酯。实验表明(表1),乙酸乙酯相对含量与乙酸相对含量呈反比,这可能是酯化反应的影响。肉桂酸乙酯存在于水果和葡萄酒等中,具有水果香气。在热源下,可由肉桂醛和乙醇酯化生成,具有一定的抗促癌作用[26]。熬煮过程中,肉桂酸乙酯的含量持续增加,这可能与肉桂醛的含量变化有关。

2.2.6 其他 炒制和熬煮过程还检测出少量苯类、肟类、醚类、萘类化合物等,具体如表1、表2所示。其中邻-异丙基苯在两个加工过程中皆有较高含量;草蒿脑在熬煮过程中含量逐渐增多,草蒿脑不溶于水,溶于有机溶剂,存在于香料特别是茴香中,有香料的特征香气[27]。熬煮过程才检测到草蒿脑,这可能是草蒿脑的溢出与时间和温度都有关系。苄基肼是一种毒性物质,主要用于制药[28]。炒制过程未发现苄基肼,熬煮前段检测出了苄基肼,说明熬煮时间越长,肼的含量越低。茴香脑又名茴香烯,是一种易挥发的简单化合物,常存在于果实中,特别是八角茴香中。茴香脑具有一定甜味,同时也是杀虫剂,可有效预防和治疗与神经系统有关的疾病,与骨骼肌、心血管、糖尿病、胃肠道疾病和伤口愈合等有关[29]。

火锅底料烹饪过程中,有大量的VCs产生,其中绝大部分与火锅的香气有关,构成了火锅底料醇厚的气味。这些物质要么来源于香料中的精油,要么来源于有关油脂的氧化降解,要么是复杂化学反应的产物。在这个过程中,也产生了极少量的有毒有害物质,有可能增加火锅食用的未知风险。

3 讨论与结论

通过HS-SPME的方法富集火锅底料炒制和熬煮过程中的VCs,再结合GC-MS对物质进行分析,结果表明:炒制过程共检测分析到53种VCs,熬煮过程共检测分析到50种VCs,其种类包含烯类物质(主要是萜烯类)、醇类物质、醛类物质、酮类物质、酸及酯类物质,还有少量的醚类、烃类等。

烯类物质是火锅底料烹饪过程中相对含量较多的一类物质,其含量随着炒制和熬煮的过程不断变化,但种类变化不大。熬煮后期,烯类物质含量最多,气味最浓郁。这可能是采用牛油为油脂制作火锅底料所致,熬煮时间越久,脂肪酸烷氧化程度越高,形成的烯类物质越多。醛类物质是火锅底料中营养物质分解代谢产生的,炒制过程中醛类物质含量波动较大,熬煮过程醛类物质逐渐增多,说明加工时间越长,火锅底料的营养价值下降越多。酮类物质在炒制和熬煮过程中都较少,其相对含量也基本不变,说明加热温度和加热方式,不会影响酮类物质在火锅汤底中的含量。阈值最低的酯类物质在检测到的物质中所占比例不大,但对香气的贡献可能较多。阈值较高的直连饱和醇类物质,如乙醇、戊醇等,虽然其相对含量较高,但对香气的贡献可能较低[30]。具体贡献有待进一步研究。

火锅底料炒制过程中检测到的有害VCs较少,糠醇是其中一种,其急性毒性经大鼠口服为LD50:275 mg/kg;小鼠口服为LC50:160 mg/kg,属中等毒类[31]。炒制后期检测出糠醇,说明炒制时间越久,其产生的积累越多。和人们实际预想的不一样,熬煮过程中有毒物质苄基肼出现在熬煮前期,熬煮时间越长,苄基肼含量越低,最终完全消失,说明熬煮时间越长,有害成分可能越少(仅考虑VCs)。

综上,基于HS-SPME-GC-MS分析麻辣火锅底料炒制和熬煮过程中VCs的变化是一种较可靠的方法,实验发现加工方式及时间会影响火锅底料VCs的种类和含量。就有害物质而言,炒制时间越长,有害物质越多;而熬煮时间越长,则有害物质越少;但是由于本实验测定的物质含量为相对含量,所以这些有害物质的含量是否达到对火锅底料食用安全性产生影响的程度,还有待进一步的研究。从营养方面考虑,加热时间越长,可能越不利于营养物质的保存。因此,人们食用麻辣火锅的时候,适当炒制和熬煮是较合理的加工方式。