基于顶空-气相色谱-离子迁移谱分析蒸制过程中草鱼肉挥发性成分的变化

方心如,肖乃勇,郭全友,施文正,3*

1(上海海洋大学 食品学院,上海,201306)2(中国水产科学研究院东海水产研究所,上海,200090) 3(国家淡水水产品加工技术研发分中心(上海),上海,201306)

草鱼(Ctenopharyngodonidellus)是我国传统养殖的“四大家鱼”之一,其养殖总产量居淡水鱼总产量之首。草鱼具有肉质鲜美、细嫩等优点,营养极丰富,富含多种长链多不饱和脂肪酸(polyunsaturated fatty acid,PUFA),但因其土腥味重、易腐败等特点[1],令一些消费者很难接受,不利于草鱼资源的综合利用开发及草鱼产业的发展。作为肉类加工和食用的主要方法,热处理不仅可以使产品具有良好的颜色,而且可以杀死微生物,提高产品质量。蒸制作为一种传统的热加工方式,也被认为是最健康的热加工方式,不仅可以最大限度地保留食品的营养成分和感官特性,也减少了油、盐的摄入,与现代人的健康饮食需求相契合。

风味通常决定了食品整体的感官特征,在评价食品的营养价值和新鲜度方面发挥重要作用。根据以往的研究[2-3],肉类中大部分挥发性成分由脂肪氧化形成,这些物质大多是不稳定的,在加工过程中会发生进一步的反应,形成其他稳定的物质;此外,美拉德反应的发生,及挥发性物质的协同效应都会导致风味的变化。国内外对草鱼挥发性成分的研究很多,但主要集中在冷藏方式[4]、致死方式[5]、贮藏过程[6]、烹饪方式[7]对风味的影响,而热加工对于草鱼风味变化的研究较少,对蒸制过程中草鱼白肉和红肉风味变化的研究还未见报道。

对于淡水鱼风味的分析主要有电子鼻、GC-MS、全二维气相色谱-飞行时间质谱等技术。顶空-气相色谱-离子迁移谱(headspace-gas chromatography-ion mobility spectrometry,GC-IMS)是一种新兴的风味分析技术,基于气相中不同离子在电场中迁移速度的差异来表征化学离子物质[8]。与其他传统分析技术相比,GC-IMS具有高灵敏度、低检测限、不需要对样品进行预处理、二次分离、提高分离效果、形成三维谱图、用插件直观比较谱图等优势。近年来,它已成功用于分析食品的风味,包括德州扒鸡[9]、水蜜桃[10]、培根[11]、酸浆豆腐[12]和鸡蛋[8]。

因此,本文采用顶空-气相色谱-离子迁移谱(headspace-gas chromatography-ion mobility spectroscopy, HS-GC-IMS)对草鱼白肉和红肉在蒸制过程中的挥发性成分进行分析,并探讨了较适宜的蒸制处理时间及白肉、红肉在蒸制过程中的风味变化差异,对草鱼的后续加工及菜品的开发提供参考和理论依据。

1 材料与方法

1.1 实验原料

新鲜草鱼[每尾鱼质量为(3 500±200) g],共10条,购于上海市浦东新区古棕路农工商超市。

1.2 仪器与设备

A25 实验室小型均质机,上海福克设备有限公司;FlavourSpec®气相色谱-离子迁移谱联用仪,德国G.A.S公司。

1.3 实验方法

1.3.1 样品前处理

鲜活草鱼采用即杀方式,重击头部致死,去头及内脏,在4 ℃条件下分别取其白肉和红肉。置于100 ℃蒸锅内隔水蒸制3、6、9、12、15 min,分别得到蒸制白肉样品(D3、D6、D9、D12和D15)和蒸制红肉样品(R3、R6、R9、R12和R15)。以未经处理的草鱼白肉(D0)和红肉(R0)为对照组,待测。

1.3.2 样品的GC-IMS分析

参考刘安齐等[13]的方法,略作修改。

自动进样条件:准确称取2.0 g样品置于20 mL顶空瓶中,设置孵育温度为60 ℃,孵化转速为500 r/min,孵育时间为15 min,采用顶空自动进样的方式,进样量为500 μL,进样针温度65 ℃,不分流模式进样。

GC条件:采用强极性色谱柱MXT-WAX(30 m×0.53 mm,1 μm),柱温60 ℃,载气为N2(≥99.999%),运行时间30 min,初始流速为2.0 mL/min,保持2 min;8 min内升至10 mL/min;10 min内升至100 mL/min并保持10 min。离子迁移谱检测温度为45 ℃,漂移气为N2。

1.3.3 样品的感官评定

将经过前处理的样品置于盘中,分别从外观、气味、滋味及口感3个维度进行感官评定。感官评定小组由10名(5名女性,5名男性)20～30岁的食品专业人员组成。评定标准如表1[14-15]所示,因白肉和红肉在色泽上存在差异,故针对外观标准略作修改。

1.4 数据分析

利用Excel和SPSS 23对数据进行统计分析,结果用“平均值±标准差”表示。利用软件Origin 2023对分析结果进行绘图。利用GC-IMS仪器自带的Laboratory Analytical Viewer(LAV)分析软件,GC-IMS Library Search软件内置的NIST数据库和IMS数据库对挥发性成分进行定性分析;利用Reporter插件和Gallery Plot插件进行样品间挥发性成分的差异化分析。

表1 蒸制过程中草鱼肉气味感官评定标准Table 1 Sensory evaluation criteria for grass carp during steaming

2 结果与分析

2.1 蒸制过程中草鱼肉挥发性成分的谱图分析

利用GC-IMS分别分析蒸制草鱼白肉和红肉中的挥发性成分,得到了挥发性成分的二维谱图(图1)。图1中1.0处红色竖线表示反应离子峰(reaction ion peak,RIP),每个位于RIP两侧的点都代表了样品中的一种挥发性化合物,在漂移时间0.9～1.8 ms和保留时间200～1 200 s内信号较多,说明该区域内有效的挥发性化合物较多。如图1-A所示,选取草鱼白肉生样(D0)的二维谱图作为参比,其余5个样品(D3、D6、D9、D12和D15)为扣除参比谱图,扣除的背景为白色,红色表示挥发性成分含量高于参比,蓝色则表示挥发性化成分含量低于参比。可以看出,D3、D6、D9、D12和D15的样本谱图中出现越来越多的红色斑点,这说明大部分挥发性成分的含量随蒸制时间延长而增加;由图1-B可知,在草鱼红肉中,挥发性成分的变化也呈现相同的趋势。对比图1-A和图1-B发现,在保留时间为300 s附近,白肉样品的谱图中出现更多红色斑点;相反,在400 s和900 s的保留时间附近,红肉样品显示出更多红色斑点。这一现象表明,白肉和红肉在同一蒸制时间点挥发性物质的组成和含量略有差异。这是由于白肉和红肉的营养组成不同,而温度升高会导致脂质氧化及美拉德反应的发生。利用GC-IMS可以将鱼肉样品的熟化程度及风味变化与具体的挥发性成分部分联系起来,为确定草鱼适宜的蒸制时间提供一定的参考。

A-草鱼白肉;B-草鱼红肉图1 蒸制过程中草鱼肉的二维谱图Fig.1 2D-topographic plots of grass carp meat during steaming

2.2 蒸制过程中草鱼肉的风味变化

为了进一步比较草鱼白肉和红肉在蒸制过程中挥发性化合物的变化,利用GC×IMS Library Search 软件内置的数据库对草鱼白肉和红肉在蒸制过程中的挥发性成分进行二维定性。在电离区,单个化合物因浓度增大可能会产生一个以上的信号(单体、二聚体甚至三聚体)[9]。表2和表3分别列出了在白肉和红肉中所鉴定的组分,草鱼肉蒸制过程中可明确定性的挥发性化合物有40种,鉴定出的挥发性化合物的碳链普遍集中在C3～C9,其中醛类15种、醇类8种、酮类8种、酯类4种、芳香族2种和杂环类3种;其中草鱼白肉(34种)和红肉(37种)共有挥发性化合物31种。仅在白肉中鉴定出的挥发性成分包括3-甲基丁醛、2-辛醇和异丁酸乙酯;仅在红肉中鉴定出的挥发性成分包括苯甲醛、异戊醇、2-辛酮、乳酸丁酯、2-甲基吡嗪和2-乙基吡嗪。

此外,对不同蒸制时间点的挥发性成分进行比较,并通过图2直观揭示了每种物质的动态变化。颜色明暗反映挥发性成分含量的差异,颜色越亮说明挥发性成分含量越高,反之则越低。如图2-A和图2-B所示,经过蒸制处理后,鱼肉样品中挥发性成分的含量明显高于生样对照组。随蒸制时间延长,鱼肉样品中大部分醛类、醇类和酮类物质的含量及挥发性成分的种类和含量总体呈上升趋势,与李锐等[16]对于汽蒸处理后罗非鱼片挥发性成分的研究结果一致,考虑可能与热处理过程中脂肪的氧化、氨基酸的降解及美拉德反应有关。

2.2.1 醛类化合物

醛类化合物在蒸制过程中的草鱼白肉和红肉中占主导地位。醛类物质是淡水鱼的特征风味物质[17],由于他们显示出较低的气味阈值和独特的气味特征,故对水产品风味形成具有重要贡献[18],一般认为来源于不饱和脂肪,酸在酶和微生物作用下降解。

由图2可知,鱼肉中异丁醛、糠醛、戊醛、己醛、(E)-2-庚烯醛、庚醛、苯乙醛、(E,E)-2,4-辛二烯醛、辛醛、壬醛的相对含量随蒸制时间延长呈不同程度增加。己醛、庚醛、戊醛是不饱和脂肪酸的氧化产物,分别和亚油酸、花生四烯酸、亚麻酸有关[19-20];辛醛和壬醛则来源于油酸的氧化降解[21],具有青草味和油脂味[22]。有报道称,(E)-2-辛烯醛来源于亚油酸的氧化[23],有一定鱼腥味,在蒸制过程中含量呈现先上升后下降的趋势,可以作为草鱼肉蒸制3 min的特征标志物;呈现肉香味的(E)-2-庚烯醛也在蒸制前3 min显著上升并趋于平稳。这些醛类的气味阈值较低,对蒸制后鱼肉风味的形成贡献较大。由表2和表3可知,在白肉(6 min)和红肉(9 min)样品中,异丁醛二聚体、戊醛二聚体、己醛和庚醛的相对含量已经达到生样对照组的20倍以上,并在后续蒸制过程中趋于稳定。在蒸制开始后的各时间点,己醛都是所有醛类化合物中相对含量最高的,同VILAR等[22]的研究一致,其在白肉中的含量高于红肉。此外,糠醛二聚体和苯乙醛的相对含量在红肉样品中显著增加,苯甲醛只在蒸制过程中的红肉中鉴定出。糠醛具有烧烤味和焦糖味,来源于热处理后的美拉德反应。苯甲醛(苦杏仁味)和苯乙醛(花香味)是Strecker醛,来源于氨基酸的Strecker降解[24]。虽然这些醛类化合物的气味阈值较高,但对于对蒸制过程中红肉特殊风味的形成具有一定贡献。

A-草鱼白肉;B-草鱼红肉图2 不同蒸制时间草鱼肉的Gallery Plot图Fig.2 Gallery Plot analysis of grass carp meat during steaming

表2 蒸制过程中草鱼白肉挥发性化合物定性分析信息Table 2 Qualitative information of volatile compounds in white meat of grass carp during streaming

表3 蒸制过程中草鱼红肉挥发性化合物定性分析信息Table 3 Qualitative information of volatile compounds in red meat of grass carp during streaming

2.2.2 醇类化合物

醇类物质可以通过脂质氧化产生,还可以由氨基酸或相应醛通过微生物代谢产生[25]。蒸制过程中,糠醇、1-戊醇、2-乙基己醇等醇类物质含量在蒸制前期逐渐增加并在蒸制9 min后趋于稳定。1-戊醇可能来源于亚油酸的脂质氧化,表明热处理时间的延长更利于不饱和脂肪酸的自动氧化,2-乙基己醇二聚体的相对含量在蒸制后达到蒸制前的20倍以上,在红肉中的含量也远高于白肉,与刘夏磊等[26]对鲈鱼干采用热处理产生大量2-乙基己醇的研究结果一致。可能是高温下甘油三酯分解,释放出游离脂肪酸转化成酮类物质,进而氧化生成醇类物质。有研究认为,1-辛烯-3-醇与花生四烯酸、亚油酸的氧化有关[27],随蒸制时间的延长,白肉中1-辛烯-3-醇相对含量的变化趋势与其他醇类相似,但在红肉中呈现先增加后减少的趋势。大部分饱和醇及短链醇的气味阈值较高,如1-戊醇(果香味)、2-乙基己醇(花香味),因此对鱼肉气味贡献较小;不饱和醇如1-辛烯-3-醇(蘑菇味、泥土)阈值相对较低,对鱼肉整体气味贡献相对较大[28]。有研究表明,2,3-丁二醇可能是氨基酸分解代谢产生的化合物[2]。随蒸制时间的延长,白肉中2,3-丁二醇的相对含量基本不变,但在红肉中先增加后减少,这可能是由于草鱼白肉和红肉中氨基酸的含量存在差异及热处理对他们的影响[29]。异戊醇可能来源于脂肪氧化和美拉德反应的相互作用[30],本实验中,异戊醇只在红肉中检测到,其含量在蒸制过程中呈现先上升后下降的趋势。

2.2.3 酮类化合物

张慢[30]研究发现,100 ℃的高温蒸制下,可能会导致脂肪氧化和美拉德反应过度,进而生成一定的酮类物质。本研究中,2,3-丁二酮、2-丁酮、3-羟基-2-丁酮、2-戊酮和2-庚酮在草鱼蒸制过程中含量逐渐增加,在蒸制9 min后变化不大。酮类物质一般由美拉德反应产生,也有研究指出,3-羟基-2-丁酮可能是油酸的氧化产物[31],而2-庚酮可以通过亚油酸氧化生成[2]。2-己酮具有刺激性气味,在未蒸制的样品中含量最高,随蒸制时间的延长含量显著降低,可作为生草鱼肉潜在的特征标志物。2-辛酮只在红肉中检测到,呈现出醇味和腥味[30],其形成机制尚不明确。酮类物质多呈现奶香味、脂肪味,一般阈值较高,对鱼肉整体的风味贡献较小,有研究表明,部分酮类物质可能对产品风味起到一定的修饰作用[32]。

2.2.4 酯类及其他化合物

酸类和醇类进行酯化反应生成酯类化合物,是形成风味的重要途径之一[33]。整个蒸制过程中,鱼肉中的酯类化合物含量呈现不断上升的趋势。随蒸制时间的延长,苯乙烯的相对含量不断增加,与冯媛等[34]研究烹制后海鲶鱼汤挥发性成分的变化的结果一致,可能来源于热处理过程中芳香族氨基酸的氧化[35];相反,2-乙基呋喃的相对含量呈下降趋势,有报道称,呋喃类化合物有较强的泥土味[36]。值得注意的是,只在红肉中鉴定出2-甲基吡嗪和2-乙基吡嗪,吡嗪类化合物具有烤肉味,一般由美拉德反应产生[37]。这些化合物由于气味阈值较高且相对含量较醛酮醇类物质较低,对蒸制草鱼风味形成的影响有限。

2.3 蒸制过程中草鱼肉挥发性成分的主成分分析

主成分分析是一种基于多变量统计的检测方法,利用风味物质的信号强度来呈现样本间的差异。图3是草鱼白肉和红肉在不同蒸制时间点挥发性成分的主成分分析结果。如图3-A所示,草鱼白肉PC1的贡献率为78.4%,PC2的贡献率为16.2%,PC1和PC2的累计贡献率达94.6%(>60%),表明这足以反映样品的总体特征。在PC1上,0、3 min的样品与6、9、12、15 min的样品距离较远,在PC2上,3 min的样品也与其他时间点上的样品明显区分。表明0、3、6 min是白肉风味变化的关键时间点,蒸制6 min后风味变化不明显。同理,如图3-B所示,草鱼红肉PC1的贡献率为76.1%,PC2的贡献率为14.3%,PC1和PC2的累计贡献率达90.4%。0、3、6 min的样品与9、12、15 min在第一主成分和第二主成分上有明显差异,表明草鱼红肉在蒸制9 min前与蒸制9 min后气味差异较大。在整个蒸制过程中,红肉的风味变化较白肉更为丰富。考虑到蒸制6 min时鱼肉仍从生鲜向熟制过渡,所以确定蒸制时间为9 min时,草鱼肉中的挥发性成分代表熟鱼肉的风味。

2.4 蒸制时间对草鱼肉感官评分的影响

图4显示了蒸制过程中草鱼感官评分的变化,可以看出白肉和红肉总体的变化趋势一致,但白肉各方面的感官评分总是高于红肉,说明白肉比红肉更容易被接受,这与YANG等[38]的研究结果一致。在外观、滋味及口感方面,蒸制前期草鱼肉的感官评价结果中显示出显著差异,而在蒸制9 min后无明显变化。在气味方面,草鱼白肉和红肉的感官评分都呈现先上升后下降的趋势,在蒸制9 min时最高,而蒸制15 min时显著下降,结合GC-IMS的分析结果可以推测,这是因为随着蒸制时间的延长,脂质氧化加剧,带有氧化味的挥发性化合物持续产生。因此,蒸制9 min的草鱼整体风味最佳。

A-草鱼白肉;B-草鱼红肉图3 蒸制过程中草鱼肉的主成分分析Fig.3 Principal component analysis plot of grass carp meat during steaming

A-草鱼白肉;B-草鱼红肉图4 蒸制过程中草鱼肉的感官评分Fig.4 Sensory scores of grass carp meat during steaming注:不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

3 结论

本文通过顶空-气相色谱-离子迁移色谱(HS-GC-IMS)结合主成分分析及感官评定对草鱼白肉和红肉在蒸制过程中挥发性风味的变化进行了分析。HS-GC-IMS分析结果表明,在蒸制草鱼白肉和红肉样品中分别鉴定出34种和37种挥发性成分,其中,它们共有的挥发性成分有31种。白肉和红肉在不同蒸制时间点,挥发性化合物组成和含量存在一定差异。在定性的挥发性成分中,醛类含量最高占主导地位,其次是醇类和醛类。蒸制处理会促进鱼肉中挥发性化合物的形成,特别是异丁醛、戊醛、己醛、庚醛、2-乙基己醇和2-戊酮;具有刺激性气味的2-己酮在蒸制后含量减少;也有个别挥发性化合物如(E)-2-辛烯醛、(E)-2-庚烯醛在蒸制3 min时含量最高。与白肉样品对比,蒸制后的红肉样品中鉴定出更多种挥发性成分;且在各蒸制时间点,红肉中挥发性成分含量总是高于白肉。主成分分析结果表明,草鱼肉在不同蒸制时间挥发性成分有明显差异,分别是白肉(0、3、6 min后)和红肉(0、3、6、9 min后),红肉的风味变化较白肉更为丰富。感官评定结果表明,蒸制9 min后,鱼肉的总感官评分最高,整体风味最佳,可以代表熟草鱼肉的风味。本研究可为草鱼最适蒸制工艺的确定及其不同部位肉(白肉和红肉)蒸制过程中挥发性风味的变化规律解析提供一定的理论基础。然而,由于风味物质形成过程十分复杂,这些风味物质在草鱼蒸制过程中的具体变化机制还需要进一步探讨。