膨化食品中的杂环类挥发性成分及其形成机理

蔡心如,刘敬科,生庆海,3,赵 巍,张爱霞,刘莹莹,刘 晶,李朋亮

(1.河北经贸大学生物科学与工程学院,河北 石家庄 050061;2.河北省农林科学院生物技术与食品科学研究所,河北 石家庄 050051;3.河北农业大学食品科技学院 河北 保定 071001)

膨化食品是一种在高温或高温高压下加工的食品,其在制作过程中将食品内部的水分瞬间气化,压力迅速下降,食品体积瞬间膨胀,达到酥脆膨松的状态。《食品安全国家标准 膨化食品》(GB 17401—2014)将膨化食品分为两大类:一类是经油脂煎炸或经植物油喷洒、浸渍的油炸型膨化食品,如薯片、妙脆角、虾片、锅巴等;另一类是通过焙烤或高压等工艺制作的非油炸型膨化食品,如雪米饼、小馒头、爆米花等。

膨化食品除具有酥脆口感外,还具有宜人的烘烤香,是其重要特征之一。这些香气成分除脂质热降解形成的脂肪族挥发性成分外,还包含多种杂环类挥发性成分。杂环类挥发性成分主要来源于食品膨化过程中的美拉德反应,包括吡嗪类、吡咯类和呋喃类等化合物,对提升膨化食品香气具有重要贡献。然而,杂环类香气成分因呈香阈值低、呈香特性丰富、含量低、种类多而不容易被检测到,当前在食品风味的研究中缺乏足够的关注。本文主要对膨化食品种类、杂环类挥发性成分、检测方法和形成机理进行了介绍,为膨化食品香气的相关研究提供参考。

1 膨化食品

膨化食品通常是以谷类、豆类、薯类、蔬菜、肉、蛋、乳等为原料,在添加一定比例的调味料后,经油炸、焙烤或高温挤压等工艺,使其体积膨大,内部组织发生变化,形成具有蜂窝状结构的食品。常见的膨化食品有膨化玉米片、膨化米饼、膨化豌豆、膨化饼干、锅巴等。

膨化食品可以通过一台膨化机实现一系列单元操作,包括混合、熟化、破碎、杀菌、预干燥、成型等工艺而制成膨化产品。生产设备除具有操作简单、能耗低、生产效率高等特点外[1],还具有钝化食品中一些不良因子的功能,同时能够改善其营养成分品质,提高其消化、吸收和生物利用率[2],如膨化可以降低大豆的胰蛋白酶抑制因子和过敏原含量,促进大豆的消化和吸收[3-4]。同时,膨化技术也能提高藜麦中的可溶性膳食纤维,其制品还可以改善肠道菌群,有益肠道健康[5],高含量的膳食纤维又能增加饱腹感,预防肥胖,降低餐后血糖[6],对于全谷物的利用有积极作用。

更为重要的是,膨化食品除具有上述特点外,还赋予食品令人愉悦的香气,比如谷物类膨化食品具有烘烤香;果蔬类膨化食品具有浓郁的水果和蔬菜的天然香气;肉类膨化食品则具有浓郁的肉香味和熏烤味。这些香气是膨化食品的重要品质之一,其形成机理十分复杂,除食材本身的香气成分外,还包括高温下发生的脂质降解和美拉德反应等产生的香气,其中脂质降解主要形成脂肪族的不饱和醛等,而美拉德反应主要形成杂环类香气成分。然而当前的研究主要关注于脂肪族的不饱和醛类成分,缺乏对杂环类挥发性成分的研究。

2 膨化食品的杂环类香气成分

杂环类挥发性成分是指分子中含有一个或多个杂原子(如氧、氮、硫等)且具有挥发性的有机化合物,在食品香气中主要包括吡嗪、呋喃、吡咯等,同时也包含少量的噻唑、咪唑、吡啶、哒嗪等成分。这些化合物种类多、含量低、呈香特性丰富、呈香阈值低,研究发现经膨化技术处理的食品香气成分明显增多,尤其是形成了多种杂环类挥发性成分[7-8],对膨化食品香气形成具有重要贡献。

吡嗪类、呋喃类和吡咯类等杂环类香气成分,主要呈现烘烤香和甜香[9],有的也呈现花果香或者青草气味。这些成分因不同修饰基团的修饰而呈现多种多样,导致呈香阈值差异很大,呈香特性也不尽相同,其基本结构见表1。

表1 吡嗪、吡咯和呋喃类挥发性成分的基本结构

吡嗪类物质为六元环结构,对位上存在两个氮原子(表1),其余位置可以同时被一个或者多个基团修饰,因此结构复杂,导致呈香特性差异十分明显[10]。据报道吡嗪类挥发性成分是膨化食品中最常见的杂环类成分,其呈香阈值范围广,如2-乙基-3,5-二甲基吡嗪的呈香阈值为0.000 04 mg/L,而乙基吡嗪的呈香阈值为100 mg/L,呈香阈值差异达250万倍;呈香特性差异明显,如2,5-二甲基吡嗪呈现泥土味和生土豆味,其位置异构体2,6-二甲基吡嗪却呈现坚果的烘烤香,而结构较为复杂的2-乙酰基-3-甲基吡嗪却呈现熏肉香(表2)。整体而言,吡嗪类化合物主要以烘烤香为主。

表2 膨化食品杂环的香气成分[13-14]

呋喃类物质是在美拉德反应中最早被发现的杂环类化合物[11],为含单氧原子的五元环结构(表1)。与吡嗪类化合物相同,不同成分因结构不同其呈香差异很大,如2,5-二乙基呋喃的呈香阈值为0.000 5 mg/L,而2,5-二甲基呋喃呈香阈值为8 mg/L,其呈香阈值可差1.6万倍;大部分呋喃类化合物同样呈现烘烤香,仅少部分呈现其它香味,如2-戊基呋喃呈现花果香(表2)。

吡咯类物质为含一个氮原子的五元环结构(见表1),与吡嗪类化合物不同的是,除了其碳原子被多种基团修饰外,吡咯类化合物也可以自身在环上形成酮类(吡咯烷酮)或者醇类(吡咯烷醇),其氮原子位置也可以被修饰(N-甲基吡咯烷酮),也可与呋喃类、苯等物质缩合形成复杂的杂环类成分(1-糠基吡咯,吲哚)等。吡咯类化合物气味强烈,其呈香阈值普遍较低,如2-乙酰-1-吡咯啉是大米的特征香气成分,其呈香阈值为0.000 02 mg/L,N-甲基吡咯烷酮为0.000 05 mg/L,而1-糠基吡咯为0.1 mg/L。吡咯类化合物也主要呈现烘烤香和坚果香。

杂环类化合物种类繁多,平均来看其呈香阈值远远低于脂肪族的不饱和醛类物质,主要呈现烘烤香和坚果香,为膨化食品的主体香味,其对香气的贡献不容忽视。杂环类香气成分主要来源于美拉德反应,原则上在该反应中会形成多种杂环类挥发性成分[12],但在膨化食品中检测出的杂环类化合物数量并不多,可能原因是这些杂环类化合物含量很低,难以被检测到,同时结构复杂,不容易被鉴定出。

3 杂环类挥发性成分的检测

食品中的杂环类挥发性成分通常只以微量的形式存在,因此在分析前需要对样品中的挥发性成分进行浓缩。在过去几十年中开发出了许多前处理方法,包括同时蒸馏萃取法(SDE)、减压蒸馏萃取法(VDE)、固相微萃取法(SPME)、静态顶空吸附法(HAS)、搅拌棒吸附萃取(SBSE)、动态顶空吸附法、溶剂辅助风味蒸发法(SAFE)等。其中,SPME、SAFE、SBSE和SDE为常用的样品预处理方法。

SPME可以快速富集和净化目标化合物,灵敏度高,但不同的萃取头对挥发性成分的吸附能力不同,没有一种萃取头可以吸附所有挥发性成分,因此可以选择多种萃取头联合使用,尽可能多地吸附样品中的挥发性成分;SAFE需要在高真空度下操作,耗费时间长,并且只针对液体样品的挥发性成分进行浓缩,因此在处理固体样品时需要先用液体将固体样品中的挥发性成分进行提取或者将固体样品分散在液体中;SBSE是利用搅拌棒表面的涂层物质吸附样品中的挥发性成分,这种方法比SPME更灵敏,且可以在更广泛的温度范围内使用;SDE具有简单、高效的优点,但耗时比较长,并且一些成分容易在加热的过程中发生合成、降解或者转化。

然而,当前的前处理方法适合所有的挥发性成分,到目前为止还没有一种特殊的前处理方法专门用于杂环类挥发性成分的提取和浓缩。由于杂环类挥发性成分较一般的挥发性成分种类更多、含量更低,因此专门的提取和浓缩方法有待进一步发掘。

杂环类挥发性成分由于其浓度很低,因此需要使用高灵敏度和精确度的分析方法来定性定量。常用的检测方法有气相色谱-质谱联用分析法(GC-MS)、二维气质联用仪(GC×GC-MS)、气相色谱-离子迁移色谱(GC-IMS)等。其中,GC-MS对未知化合物具有独特的鉴定能力,可以对上百种挥发性物质进行测定,但是由于挥发性成分的含量差异太大,种类太多,导致在用GC-MS分析挥发性成分时,存在峰重叠或者未检出的情况,尽管每个厂家的GC-MS分析软件均能利用解卷积的算法识别这些重叠的成分,但是依然有许多低含量成分被高含量物质掩盖,不能被分析出。GC×GC-MS是在GC-MS的基础上,利用串联色谱柱对挥发性成分进行分离,其分离效果和灵敏度要远高于GC-MS,适宜低含量挥发性成分的检测[15]。GC-IMS是近些年新兴的一种方法,检测时间短,检测种类全,样品前处理简单,然而往往多用于顶空进样,一般不进行液体进样,因此应用方面不如GC-MS灵活。

尽管以上分析仪器可以实现对挥发性成分的定性和定量,但无法揭示化合物对人类感官的影响。GC和嗅闻系统(Olfactometry)结合可以用来识别挥发性成分的气味特征,评估该挥发性成分对食品香气的贡献。将GC-O与GC-MS相结合,既可定性挥发性成分,也可以识别挥发性成分的气味特征,进而利用香气提取稀释分析(AEDA)、香气重组实验,添加/消减实验综合筛选香气的活性成分[16]。

值得注意的是,到目前为止所有的仪器只能针对所有挥发性成分进行检测,对于杂环类挥发性成分缺乏特异性,GC关联火焰光度检测器(FPD)可以实现对吡嗪类和吡咯类化合物的检测[17],但是对于其它杂环类成分可能不具有检测能力,并且该检测器缺乏定性能力,检测限较高。由于杂环类挥发性成分含量过低,因此GC×GC-MS或许为最佳分析仪器。

4 杂环类成分形成机理

膨化食品中的杂环类挥发性成分主要来源于美拉德反应[18]。美拉德反应主要发生在还原糖和氨基酸、肽或蛋白质的游离氨基之间。反应温度、反应时间、pH值和体系的水分活度对美拉德反应具有重要影响,从而也影响杂环类挥发性成分的形成[19]。根据Hodge[20]的模型,美拉德反应初始阶段氨基酸的氨基和糖的羰基之间发生缩合反应形成Amadori或Heyns化合物,Amadori或Heyns化合物热解可以形成多种杂环类挥发性成分,热解过程产生的α-二羰基化合物与氨基酸发生缩合反应使氨基酸脱去羧基,这一过程称为Strecker降解反应,对于杂环类挥发性成分的形成也具有重要贡献。

事实上,杂环类挥发性成分随着食品加工温度的提高和加热时间的延长其种类和含量均会有明显的增加,在碱性环境下更容易促使其形成,并且能够改变美拉德反应的烯醇化路径[21-22]。然而,到目前为止仅有部分杂环类挥发性成分的形成途径通过同位素标记的形式被了解,大多数的杂环类挥发性成分形成途径并不清楚。

吡嗪类化合物的形成规律较为清晰,主要由2分子的α-氨基酮缩合而成,带不同基团的α-氨基酮形成不同的吡嗪类化合物(图1)。α-氨基酮的形成主要有三条途径:①美拉德反应中的Strecker降解反应形成[23];②α-二羰基化合物经过氨化、脱水、还原形成[24];③氨基酸脱羧基和氨基后,会形成α-羟基羰基化合物,该化合物会进一步与氨基发生Amadori重排,形成α-氨基酮[25]。对于前两种途径形成的吡嗪类化合物,碳原子一般来源于碳水化合物,而氮原子一般来源于氨基酸,对于最后一种途径形成的吡嗪类化合物,主要由氨基酸的元素构成。但是在复杂的美拉德反应中,各种途径是同时存在的,因此各种来源的α-氨基酮之间的缩合反应均存在。

图1 吡嗪类化合物的形成途径

呋喃类化合物主要呈现烘烤香、焦糖香和花果香,是美拉德反应中最容易形成的杂环类挥发性成分之一。其形成机理复杂,不同的呋喃类化合物具有不同的形成方式,其形成具有以下特点:呋喃类化合物的碳原子大多数来自糖类部分,与氨基酸关联较少;形成的呋喃类化合物种类与氨基酸种类有关;一般由Amadori或Heyns化合物脱去氨基酸部分后的糖残基经氧化、环化或者参与Strecker降解反应形成。例如:4-羟基-2,5-二甲基-2-呋喃酮(HDMF),具有强烈的焦糖香,属于具有代表性的呋喃类香精,该化合物主要由两条途径形成,Amadori或Heyns化合物脱去氨基酸部分后,剩余的糖残基部分裂解形成α-二羰基化合物和烯二醇类化合物,这2个物质进一步环化形成4-羟基-2,5-二甲基-3(2H)呋喃酮(图2a)[26];也可以由己糖通过烯醇化形成3,4-二羟基-3-己烯-2,5-二酮,进而缩合形成HDMF(图2b)[27]。

图2 4-羟基-2,5-二甲基-2-呋喃酮的形成途径

吡咯环化合物可以在加热、酸性或碱性条件下将酮或醛与胺发生美拉德反应生成。具体而言,反应过程中酮或醛首先与胺发生亲核加成反应,生成Amadori或Heyns化合物。然后,Amadori或Heyns化合物经过缩合、质子转移和脱水等步骤,最终生成吡咯环化合物。但是一般认为吡咯类化合物的碳骨架来自于糖类,或者由Strecker降解反应形成的α-氨基酮与醛类等化合物缩合、环化、脱水形成。例如:2-乙酰-1-二氢吡咯是爆米花的重要香气成分,是由二氢吡咯和丙酮醛形成,而二氢吡咯可由葡萄糖和脯氨酸形成[27]。

尽管呋喃类和吡咯类是重要的杂环类香气成分,但是由于美拉德反应的复杂性,这两类化合物的形成过程并不明确,尚需要深入研究。对于部分呋喃类化合物,其碳原子组成只来源于糖部分,因此对于这些化合物其形成机理研究较为容易,然而并非所有呋喃类化合物均由糖部分形成,某些氨基酸也会参与其中,这跟糖和氨基酸种类有关。相比于呋喃类化合物,吡咯类化合物氮原子部分只能来源于氨基酸,而碳原子组成既可来自于氨基酸也可以来自于糖,因此其反应更为繁琐,其形成机理更加难以研究。

5 结论与展望

膨化食品已逐渐成为一种广受全球消费者喜爱的便捷食品,伴随着便捷食品需求的不断攀升及其膨化食品的易消化、风味好的优点,膨化食品市场将持续呈现增长趋势。杂环类挥发性成分对膨化食品香气具有重要贡献,鉴于其低含量、低香气阈值,在研究膨化食品香气时需要专门建立其检测方法。该类成分主要形成于美拉德反应,并且受诸多条件影响,由于其种类繁多,形成机理复杂,只有有限的杂环类成分形成途径被发现,因此关于杂环类成分的形成机理尚需要更多的研究。膨化食品香气阈值低,呈香种类多,其香气收人欢迎,其香气成分或许可以作为香味添加剂添加到其它食品中。