气相离子迁移色谱解析白砂糖和黄油对面包感官品质和风味物质的影响

胡宇薇，高梦祥

（长江大学生命科学学院，湖北 荆州 434025）

面包具有丰富的营养、细腻的口感，深受消费者喜爱。目前，世界上大约有2/3的人以面包为主食。正是因为面包等烘焙食品越来越受到人们欢迎，对面包的风味口感以及营养的要求越来越高，健康营养的原材料也不断应用于烘焙食品之中，使其品质和营养不断提升。面包的原料主要是面粉、水、发酵剂和一些辅料，如白砂糖、黄油等。这些辅料是影响面包气味与品质的重要物质。

白砂糖在面包生产中起到重要作用，糖是酵母发酵的主要能量来源，适量添加糖可使酵母在发酵过程中充分发挥作用。其次，糖在面包中作为甜味剂并增加其营养价值，还可以增加面包的色泽和香味，增加面包柔软度，延长面包保鲜期等。糖在发酵过程中，一部分分解成CO和乙醇，CO气体使面团膨胀，乙醇使面包产生风味和香气。一部分在面包烘烤时通过美拉德反应使面包表皮变黄，还有一部分使面包有甜味，还能防止水分蒸发以免面包迅速老化。

黄油是面包中很重要的配料，可以使面包体积增大，使制品更加松软，产生浓郁的气味，赋予面包良好的口感。黄油中的油脂和面团中的面筋结合后可以形成网状结构，面包制作中发酵而产生的CO得以保留，增加面包体积，使面包口感松软。因此，在生产制作面包时，需要黄油改善制品的口感、保证成品的品质要求、延长产品的保存期限，这不仅提高成品的营养，提升香味，还可以美化制品的色泽。

气相离子迁移色谱（gas chromatography-ion mobility spectrometry，GC-IMS）是一种灵敏的分析技术，能够对挥发性有机化合物进行全面评估和定量，并提供连续的注入功能和快速的分析能力。此外，GC-IMS能够在不进行预处理和富集处理的情况下直接进样，并且能够实时检测挥发性有机化合物的含量。目前，GC-IMS广泛应用于安全、环境、呼吸医学和食品科学等多个领域。

本实验用酵母菌和乳酸菌混合发酵，使用GC-IMS、电子鼻、质构仪等探究白砂糖和黄油对面包的感官品质、比容、质构和挥发性风味物质等方面的影响，以期为营养健康、品质优良面包的开发提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

高筋小麦粉 河南新乡市新良粮油加工有限责任公司；白砂糖 云南阿鹏哥商贸有限公司；黄油 墨谷实业（上海）有限公司；培养基：葡萄糖、蛋白胨、酵母提取物、磷酸二氢钾等常规试剂均为分析纯。

酿酒酵母（，编号：bio-65134）、植物乳杆菌（，编号：bio-61676） 北京百欧博伟生物公司。经前期实验，采取两菌种生物量1∶1（g/g）用于混合发酵面包。

1.2 仪器与设备

TA.XT.plus质构仪 英国Stable Micro Systems公司；PEN 3.5电子鼻 德国Airsence 公司；DL-T06面包机、DL-K33B电烤箱 广东东菱电器有限公司；FlavourSpec风味分析仪由490 GC仪（美国Agilent公司）、FS-SE-54-CB毛细管柱（15 m×0.53 mm）、IMS仪器（FlavourSpec，德国G.A.S公司）组成，配备自动进样器单元（瑞士思特斯分析仪器有限公司）。

1.3 方法

1.3.1 原料配比

对照样品（A）：面粉150 g、水90 g、酿酒酵母1.5 g、植物乳杆菌1.5 g。

白砂糖样品（B）：面粉150 g、水90 g、白砂糖22.5 g、酿酒酵母1.5 g、植物乳杆菌1.5 g。

白砂糖黄油样品（C）：面粉150 g、水90 g、白砂糖22.5 g、黄油15 g、酿酒酵母1.5 g、植物乳杆菌1.5 g。

1.3.2 菌种的准备

将菌种接种到液体培养基中在摇床（150 r/min）中培养48 h，培养结束后使用离心法将发酵好的菌液在8 000 r/min，4 ℃离心10 min，弃去上清液，然后用无菌水洗涤，再次离心收集沉淀待用。

1.3.3 面包的制作

参照孟凡冰等的方法，稍作改动。以白砂糖黄油样品为例，先将90 g水和全部离心菌体搅拌均匀，静止10 min，使菌体活化，后将150 g面粉、22.5 g白砂糖、菌体混合液加入面包机中搅拌5 min，再加入15 g黄油搅拌10 min，面团充分搅拌之后先放入发酵箱中发酵2 h，然后取出称取每50 g为一个面团，整形后放入模具，再放入发酵箱中放置1 h，取出后放入烤箱（上火160 ℃，下火180 ℃）烤制30 min。烘焙后，面包在室温（25±2）℃冷却2 h，密封在密封袋中以备检测分析使用。

1.3.4 感官评价

以文献[15]的方法为依据，稍作修改。面包样品的感官分析由12 名小组成员，小组成员被要求评估编码样本的外观形状、表面色泽、组织结构、弹韧性和气味口感。面包没有标记，随机放置，小组成员被要求直接在问卷上对每个参数做出回答（表1）。提供水用于样品间冲洗。

表1 感官评价评定标准Table 1 Criteria of sensory evaluation for bread

1.3.5 比容和体积测定

采用小米排阻法测定面包体积。取一个烧杯，用小米装满，压实并用尺子刮平，取出小米并放入面包，将米铺到原来的位置。另取一个量筒测出剩下小米的体积即为面包体积。用电子秤测出面包的质量，计算测定后的面包的体积与质量的比值。

1.3.6 质构特性分析

利用质构仪TPA模式测定面包样品的硬度、黏度、弹性、咀嚼度等指标，评价其质构特性。将面包样品放置至室温后，切取10 mm厚度的中间层，放置于质构仪探头面积下的载物台上，进行测定。质构仪的力设定为2 500 N，探头型号P/36，下降速率设置为60 mm/s，形变量为50%，初始力为0.05 N。每次对同样规格同一配方的3 个样品进行质构测定。

1.3.7 挥发性风味物质主成分分析（principal component analysis，PCA）

采用电子鼻对样品挥发性风味物质主成分进行分析（表2）。使用清洁的空气冲洗腔室，直到传感器信号回到基线，清洁的空气通过带有木炭过滤器的第2个空心针供应。使用带导管的空心针刺穿小瓶的密封，并以恒定速率从顶部空间吸收挥发性气体。测量时间为100 s，取各传感器在80～82 s时的响应值，采用电子鼻自带软件WinMuster进行PCA。

表2 电子鼻传感器敏感物质Table 2 Electronic nose sensors sensitive to different volatile substances used in this study

1.3.8 挥发性风味物质分析

采用GC-IMS分析面包样品中挥发性有机化合物。面包去掉表皮，切碎面包芯，取5 g样品置于20 mL顶空瓶中，60 ℃孵育15 min，50 ℃保温15 min，用1 mL气密加热注射器在65 ℃条件下直接从顶空取样（500 μL）。其他条件：柱温60 ℃，载气（N，纯度≥99.999%），流速，前2 min采取2 mL/min，后20 min 采取100 mL/min；IMS温度45 ℃，漂移气（N，纯度≥99.999%），流速150 mL/min。

1.4 数据处理

面团发酵和面包制作进行3 次独立实验，GC-IMS分析使用3 份样品。结果表示为3 次重复测量的平均值。GC-IMS结果使用仪器配套的分析软件进行分析，其中包括VOCal和3 款插件。VOCal用于分析谱图和数据的定性定量。Reporter插件可以直接对比样品之间的谱图差异。Gallery Plot插件为指纹图谱对比，直观且定量地比较不同样品之间的挥发性有机物差异。动态PCA和相似度分析图用Dynamic PCA插件分析，用于将样品聚类分析和相似度分析。所有获得数据用Origin 8.5软件进行分析。

2 结果与分析

2.1 白砂糖和黄油对面包感官评价的影响

由图1可知，当原料只有面粉和水时，面包体积较小，应为没有糖参加美拉德反应，表面没有良好的色泽，味道较差。当加入白砂糖和黄油后，面包的形态完整丰满，色泽鲜艳，富有光泽，无焦糊，面包内部切面色泽淡黄，气孔分布均匀，口感柔软细腻，甜味适宜，表皮柔软，感官评分达到82.8。加入白砂糖和黄油，能很好地融合于小麦面筋网络结构中，提高面筋筋度，使面团表面光滑，膨胀度及持气性升高，整体产品口感较优。

图1 感官评价雷达图Fig.1 Radar chart of sensory evaluation

2.2 白砂糖和黄油对面包比容和体积的影响

由图2可知，在3 类面包样品中，体积在不断增加，但在比容方面无显著性差异，表明白砂糖和黄油的加入不会对面包的比容产生影响。面包体积与面包评分呈线性相关，在一定程度下面包体积越大，面包评分越高。体积增大，可能是由于酵母菌和植物乳杆菌在发酵面团时对白砂糖和黄油起到较好的分解作用。白砂糖作为酵母的能源物质，在醒发过程中发酵产气，进而使面包的体积增大。黄油作为固体油脂，具有可塑性，起酥性和融合性，其物理变化随着温度的变化而改变，有助于提高面筋延展性能。而体积增加比容不变，说明面包个体在面包烘焙的过程中质量产生改变，也就是说，相同质量的面团，加入白砂糖和黄油后烘焙过程的质量损失变小，而在质量损失变小的情况下，产生气体的体积反而增加。

图2 白砂糖和黄油对面包比容和体积的影响Fig.2 Effects of white sugar and butter on specific volume and volume of bread

2.3 白砂糖和黄油对面包质构特性的影响

面包胶黏性、弹性和回复性等质构特性与面包品质呈正相关，硬度、胶黏性和咀嚼性等质构特性与面包的品质呈负相关。面包的硬度越高，口感越差，适度的弹性可增加面包的耐咀嚼性，而弹性过高则会导致面包口感弹牙，降低品质。

从表3可以看出，白砂糖的加入没有显著改变质构特性，白砂糖和黄油同时加入时，面包的硬度和弹性有显著差异，硬度和弹性分别减小35.35%和37.91%。白砂糖黄油面包样品硬度、胶黏性、弹性和咀嚼性最低，说明白砂糖黄油面包样品结构更为蓬松，口感更为柔软，在咀嚼时，耐咀嚼性较好且所需要的能量相对较小，与王然等的研究一致。可能是由于黄油中含有会与乳酸菌中的酸类物质反应的物质，使面包更加柔软，对面团面筋破坏力度较小，使面包在质构特性方面更优。且黄油的加入使面包的水分含量高、膨胀度好、组织蓬松、比容大，面包相对柔软、硬度小，面包组织状态良好、弹性大。由此可见，面包原料可以通过合适的比例配合协同发酵，为面包形成理想品质提供了保障。

表3 白砂糖和黄油对面包质构特性的影响Table 3 Effects of white sugar and butter on texture characteristics of bread

2.4 白砂糖和黄油对面包挥发性物质主成分的影响

图3可区分不同面包样品的风味差异，面包样品响应强度均较大的传感器有W5S、W1S、W1W、W2S和W2W，它们分别对氮氧化物、甲烷、硫化物、乙醇和芳香化合物灵敏。结合表2说明面包的主要风味物质来源于乙醇、氮氧化合物等芳香成分。对响应值较高的5 种传感器响应值进行分析（图4）可以看出，除了烷类W1S传感器，其他传感器对白砂糖黄油样品的响应值最大。说明白砂糖和黄油对面包中氮氧化物、硫化合物、芳香族化合物、芳烃化合物、甲烷类和乙醇等化合物的产生影响显著。Kim等也发现乙醇是面包中最丰富的挥发性化合物。在W1C、W6S、W3C、W5C和W3S 五个传感器中响应值较低，表明白砂糖和黄油对这5 个传感器对应的芳烃化合物、氢化物、氨芳香分子等极性分子含量影响较小。

图3 电子鼻雷达图Fig.3 Electronic nose radar chart

图4 电子鼻传感器差异图Fig.4 Response of electronic nose sensors to three breads

对3 类面包样品进行PCA（图5），结果表明：PC1贡献率为80.68%，PC2贡献率为19.32%，说明2 个PC可以很好地反映样品的整体信息。3 类面包样品形成的风味主成分区域在横坐标上距离较大，几乎无重叠，说明这3 种面包样品之间差异明显，感官差别较大，风味差异显著，说明白砂糖和黄油可显著改变面包的风味。面包样品挥发性风味物质的种类和浓度明显不同。白砂糖黄油面包样品明显比其他2 类样品的香气物质浓度高。

图5 3 类面包电子鼻PCA图Fig.5 PCA plot of electronic nose data of three breads

从GC-IMS数据库中共鉴定出47 种化合物的单体及部分物质的二聚体（20 种物质未鉴定出），已鉴定的物质见表4。表4显示，挥发性化合物包括17 种醛类、10 种醇类、8 种酮类、6 种酯类、2 种吡嗪类、2 种呋喃类、1 种酸类和1 种烷类。

表4 面包样品中鉴定出的挥发性化合物Table 4 Volatile compounds identified in three bread samples

续表4

2.5 白砂糖和黄油对挥发性风味物质的影响

如图6所示，图6b选取对照面包样品指纹谱图作为参比，白砂糖样品和白砂糖黄油面包样品的谱图扣除参比，若该物质的浓度高于参比，则为红色；低于参比，则为蓝色。图7中颜色深浅程度代表挥发性化合物的含量，颜色越亮，含量越高。从图6、7可以看出，每种样品的完整挥发性有机物信息以及样品之间挥发性有机物的差异。

图6 面包样品的GC-IMS三维图谱（a）和GC-IMS光谱差值图（b）Fig.6 Three-dimensional GC-IMS spectra (a) and differential GC-IMS spectra (b) of three bread samples

从图7中挥发性化合物的离子峰排列可明显看出，3 个平行测定的面包样品组内含共有挥发性化合物，即组内样品具有明显的相似性，仅区别于浓度大小；不同面包样品含有对应时间内所特有的挥发性化合物，样品组间则呈现出明显的差异。即3 类面包样品中有相似的挥发性香气物质，也有不同种类和含量的挥发性香气物质。

图7 3 类面包样品挥发性化合物的指纹图谱Fig.7 Fingerprint of volatile compounds in three bread samples

3 种样品面包中含量较高的是乙醇、异戊醇、乙酸乙酯、2-羟基丙酸乙酯。1-辛基-3-醇、异丁醇、丁醛、()-2-己烯醛、3-甲基-2-异丁基吡嗪等含量差异较小。

对照面包样品与其他2 组样品相比，乙醇、异戊醇、乙酸乙酯、2-戊基呋喃、苯乙醛、1-己醇、2-乙基呋喃、丙醛、3-甲基戊醇、1-壬醇、壬醛、()-2-壬烯醛、()-2-辛烯醛、庚醛等物质的含量较高。乙醇、苯乙醛、1-己醇、壬醛、()-2-壬烯醛、庚醛等在面包中气味活度值（odor active value，OAV）大于1，则说明这些香气物质为对照面包样品中的主要气味成分，其中醛类物质含量较高，有研究证明醛类物质是原辅料中脂质氧化降解产生的，面粉气味的主要物质。有产生愉快气味的化合物，如乙酸乙酯具有水果香味，2-戊基呋喃被认为是小麦面包中最具香气活性的呋喃，可由美拉德反应或亚油酸氧化反应生成，为面包提供香气。也有对面包气味产生不良影响的，如较高的酸、壬醛、癸醛等，可能获得消费者对面包新鲜度的消极评价。

白砂糖面包样品与其他2 组样品相比，2-羟基丙酸乙酯、3-羟基-2-丁酮、2,3-戊二酮、-3-己烯醇、苯甲醛、2-丙醇、()-2-庚烯醛、3-甲基丁醛等物质的含量较高。苯甲醛、()-2-庚烯醛等在面包中OAV大于1，苯甲醛具有烧焦的，甜味的风味，是由于白砂糖在烘焙过程中发生美拉德反应产生的，也可能是糖本身的味道。

黄油面包样品与其他2 组样品相比，2-庚酮、己醛、2-丁酮、2-戊酮、乙酸甲酯、1-丁醇、糠醛、戊醛、己酸乙酯、癸醛、甲基吡嗪、乙酸异戊酯、2-壬酮、2-甲基丁酸等物质的含量较高。其中酮类物质含量远大于其他，酯类含量也相对较高，酯类产生于面团发酵再烘焙环节，多具有果香、酒香、甜味等令人愉快的味道。可能是黄油本身的味道或黄油加热后产生的特殊香味。己醛、1-丁醇、糠醛、己酸乙酯、2-甲基丁酸等在面包中OAV大于1。乙酸甲酯、乙酸异戊酯、己酸乙酯等酯类是易挥发的风味物质，同时是发酵香气成分中的主要呈香物质。白砂糖黄油面包样品中酯类含量增加，面包产生更好的香味。烘烤过程中的高温使酶及微生物失活，美拉德反应及脂肪酸氧化成为风味化合物的主要来源，如糠醛是美拉德反应标志产物，酸性环境下有利于糠醛的产生，糠醛的含量可能会改变面包的甜味。

3 结论

白砂糖和黄油对面包的外观、颜色、组织、弹性以及气味和口感得到显著性改善。同时能改善面团的发酵特性，面团的持气性增大，面包体积增大；也能改变面包的质构特性，样品的硬度、咀嚼性显著降低，弹性显著增大，面包的品质得到改善。白砂糖和黄油可显著改变面包样品中挥发性风味物质主成分，对面包中氮氧化物、硫化合物、芳香族化合物、芳烃化合物、甲烷类和乙醇等化合物的产生影响显著。在鉴定出的47 种化合物中，白砂糖和黄油显著影响面包样品挥发性风味物质的种类和含量。其中，呈香的酯类物质含量明显增加，改善了面包的食味品质。