煎制成熟度对牛排挥发性风味物质及感官的影响

黄佳,倪呈,贾洪锋,杨倩,张振宇,张淼

(四川旅游学院 食品学院,四川 成都,610100)

随着我国经济迅速发展,西餐在城市中逐渐普及,牛排作为西餐的代表,逐渐成为了一种大众熟知的食品原料。常采用煎制的方式对牛排进行烹饪,短时间的高温使牛排表面水分快速蒸发,内部水分蒸发受阻,从而形成外焦里嫩的口感;经焦糖化和美拉德反应,具有诱人色泽和独特风味。根据熟制程度的不同,可将煎制牛排分为一分熟(rare)、三分熟(medium rare)、五分熟(medium)、七分熟(medium well)和九分熟(well-done)。

近年来,国内外关于牛排已经有了大量研究,主要方向有牛排嫩化工艺[1-2]、气调包装[3-5]、烹饪方式对牛排品质的影响[6-7]、调理牛排的品质分析与优化[8-9]等。在牛排风味方面,KERTH[10]研究了牛排厚度和表面温度对挥发性风味物质的影响,SONG等[11]研究了牛油氧化中牛肉风味前体物的形成,ELMORE等[12]研究了脂肪在牛排风味形成中的作用,WALL等[13]研究了烤制温度对西冷牛排挥发性风味和质构的影响。本项目组在前期研究了不同成熟度煎制牛排中挥发性物质的变化[14],但是并未确定关键挥发性风味物质及挥发性物质对不同成熟度煎制牛排风味的贡献。

本研究以肉眼牛排为原料,利用感官评价和GC-MS技术,采用热图结合相对气味活度值(relative odor activity value,ROAV)分析煎制过程中不同成熟度牛排挥发性风味物质和感官品质的变化,探究煎制成熟度对牛排关键挥发性风味物质的影响,为煎制牛排品质控制和进一步研究提供一定的参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

冷冻肉眼牛排(原切,厚度1.2 cm):产地阿根廷,成都天海贸易有限公司;食用植物调和油,益海嘉里集团泉州福海粮油工业有限公司;2-甲基-3-庚酮(色谱纯),斯坦福分析化学公司。

1.2 仪器与设备

YH-M10002电子天平,五鑫衡器有限公司;C21-WK2102电磁炉,美的集团有限公司;不粘平底锅,苏泊尔集团有限公司;57328-U固相微萃取头[50/30 μm DVB/CAR/PDMS StableFlex/SS(1 cm) Gray],美国Supelco公司;AR882+红外测温仪,香港希玛仪表集团有限公司;T-105中心温度计,深圳市拓尔为电子科技有限公司;GCMS-QP2010Ultra气相色谱质谱联用仪,日本岛津公司;CA-HM食品热量成分检测仪,日本JWP有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 样品制备

牛排于4 ℃解冻后切成6.0 cm×8.0 cm×1.2 cm的大小,电磁炉功率2 100 W,不粘平底锅中加入食用油8.0 g,待红外测温仪测得油温280 ℃时放入牛排进行煎制。通过控制煎制时间来控制不同成熟度,根据牛排中心温度鉴定成熟度,获得一分熟、三分熟、五分熟、七分熟、九分熟(全熟)的牛排。具体判定条件见表1[15-16]。

表1 煎制牛排成熟度判定表Table 1 The maturity of pan-fried beef steaks

1.3.2 感官评价

将煎制好的各成熟度牛排切割成1.0 cm×1.0 cm×1.2 cm的肉块,分别盛放于白色圆盘,并进行3位随机数字编号。评价小组由12 位经过培训的评价员组成,整个评价过程在专用感官评价室进行,小组成员互不接触交流,评价不同样品需用清水漱口。评价项目包括色泽、香气、滋味、嫩度、多汁性和总体可接受度,采用9分制进行评价[17],具体评分标准见表2。最后取平均值,作为感官评价最终结果。

表2 煎制牛排感官评价表Table 2 The standard for sensory evaluation of pan-fried beef steaks

1.3.3 挥发性风味物质的固相微萃取

称取剁碎成肉末的均匀样品3.0 g于10 mL顶空瓶中并加入200 μL 3.868 μg/μL 2-甲基-3-庚酮,于60 ℃水浴平衡5 min,插入已老化的SPME萃取头,顶空萃取55 min,上机解析5 min。

1.3.4 挥发性风味物质的测定

气相色谱条件:色谱柱为SH-Rtx-Wax毛细管柱(30 m×0.32 mm×0.25 μm);升温程序:40 ℃保持3 min,以5 ℃/min升至200 ℃,再以10 ℃/min升至230 ℃保持3 min;载气(He)流速1.68 mL/min,不分流进样。

质谱条件:电子电离源,电子能量70 eV,传输线温度230 ℃,离子源温度250 ℃,质量扫描范围m/z50～500,全扫描模式。

1.3.5 挥发性风味物质分析

定性分析:与NIST17质谱库进行比较分析,根据最小拟合度:80来辨别挥发性物质的成分。

半定量分析:以2-甲基-3-庚酮为内标,挥发性物质含量按公式(1)计算:

(1)

式中:wi,待测物质的含量,μg/kg;Ai,挥发性物质的峰面积;A0,内标物2-甲基-3-庚酮的峰面积;w0,内标溶液的含量,μg/kg。

ROAV按公式(2)[18]计算:

(2)

式中:wi,挥发性风味物质含量,μg/kg;Ti,该挥发性成分嗅觉阈值,μg/kg;Tmax,气味贡献最大挥发性风味物质的阈值,μg/kg;wmax,气味贡献最大挥发性风味物质含量,μg/kg。

1.3.6 主要成分分析

将制备好的不同成熟度煎制牛排样品装入干燥无污染的样品皿,样品量为100 g,食品热量成分检测仪模式设定为“meat”,开机预热0.5 h,且每次测试完成后都需用空白样品皿进行校正。测定指标包括蛋白质含量、脂肪含量、碳水化合物含量和水分含量。

1.4 数据处理

所有实验数据平行测定3次,结果用平均值±标准差表示,保留小数点后两位。使用Excel 2016对数据进行计算和汇总;采用Origin 2021绘制柱聚类热图;利用SPSS Statistics 26进行显著性差异分析,P<0.05为差异显著;通过XLSTAT 2021进行偏最小二乘法回归(partial least squares regression,PLSR)分析。

2 结果与分析

2.1 牛排样品的感官评价结果热图分析

由图1可知,样品的色泽、滋味和香气随着成熟度的增加逐渐增加,嫩度和多汁性随着成熟度的增加逐渐降低,说明随着成熟度的增加,煎制加热时间的延长促进了牛排色泽、滋味和香气的生成,且煎制加热时间的延长使牛排的口感逐渐变老。嫩度对肉类及其产品的感官和质量特性有很大影响[19],但图1中总体可接受度随着成熟度的增加而逐渐增加(与之相反,嫩度在变小),这主要是因为感官鉴评小组人员的饮食习惯更加倾向于食用成熟度较高的牛排。郎玉苗等[17]的研究也指出成熟度较高的牛排(终点中心温度为72～100 ℃)风味和总体可接受性得分显著高于成熟度较低的牛排(终点中心温度为45、60 ℃)(P<0.05);孟祥忍等[20]的研究也发现,三分熟牛排的感官评分最低,七分熟牛排的感官评分最高;随着牛排熟制程度的增加,感官评分逐渐上升,虽然三分熟牛排的剪切力最低,嫩度最好,但明显该嫩度下牛排还未达到大多数消费者的食用要求;七分熟牛排的嫩度不如三分熟、五分熟牛排,但是随着加热时间的延长,中心温度的升高,牛排的风味能更大限度地体现出来。

图1 感官评价结果热图分析Fig.1 Heat map and cluster diagram of sensory evaluation of different pan-fried beef steaks

不同的煎制牛排样品聚类为两大类,即一分熟、三分熟和五分熟为一大类(其中三分熟和五分熟为一类),七分熟和九分熟为一大类。说明随着煎制成熟度的增加,牛排样品形成非常明显的聚类,孟祥忍等[20]的研究也指出,七分熟牛排与三分熟、五分熟牛排的感官评分有显著差异(P<0.05)。

2.2 牛排煎制过程挥发性风味物质的含量与数量

从5个成熟度样品中共测得挥发性风味物质100种,包括烃类20种、醇类12种、醛类22种、酮类20种、酸类15种、酯类7种、其他类4 种。由图2可知,一分熟样品的挥发性风味物质含量最少,为(1 070.59±120.44)μg/kg,三分熟样品为(1 422.64±217.77)μg/kg,五分熟样品为(1 363.75±221.51)μg/kg,七分熟样品为(1 464.49±196.96)μg/kg,九分熟样品为(1 046.55±99.90)μg/kg。随着煎制成熟度的增加,牛排中挥发性风味物质含量呈现一定的波动变化趋势,三分熟样品中挥发性风味物质含量相比一分熟样品增加较多,五分熟样品含量低于三分熟样品,七分熟样品中挥发性风味物质含量达到最高,九分熟样品含量略低于一分熟。挥发性风味物质的数量变化趋势与含量的变化趋势相似,呈现波动变化;一分熟、三分熟、五分熟、七分熟和九分熟牛排中挥发性风味物质数量分别为66、69、61、70、42种。九分熟样品检出挥发性风味物质的种类最少(远低于一分熟样品),含量也略低于一分熟样品,这可能是因为进一步加热使部分挥发性风味物质分解或生成其他物质,也可能与长时间加热导致挥发性风味物质大量挥发有关,其具体原因有待进一步研究。

2.2.1 烃类物质

由表3可知,随成熟度的增加,烃类物质的含量与数量呈先增加后减少的变化趋势。这可能是因为前期脂肪酸降解或氨基酸氧化[21]的进行,产生的烃类增加;有些烃类是形成杂环化合物的前体,后期继续发生反应使烃类物质数量和含量减少[22]。通常来说,烃类化合物阈值较高[21],对牛排总体风味贡献小,可起修饰作用。5 种成熟度样品检出的烃类物质数量和含量具有明显差异,共同含有的烃类物质为1-乙基-2-甲基-苯、1,2,3-三甲基-苯、均三甲苯。

表3 不同成熟度牛排的烃类物质Table 3 Volatile hydrocarbons detected in pan-fried beef steaks

2.2.2 醇类物质

由表4可知,随成熟度的增加,醇类物质的数量和含量呈浮动趋势。检出的醇大部分为饱和醇,阈值较高,对于牛排的风味影响较小;不饱和醇阈值稍低,可调节总体香气[23]。C7～C10的饱和醇具有芳香气味,碳数再增加,饱和醇的气味逐渐减弱至无嗅觉[24]。含量最高的醇类为1-十六醇、1-辛烯-3-醇、3-辛醇,其中1-辛烯-3-醇是由亚油酸的氢过氧化物降解产生的,具有蘑菇香味[25],阈值较低,对牛排的整体风味具有重要的贡献作用;3-辛醇具有蘑菇香、干酪香[26]。5 种样品的醇类物质具有显著差异,共同含有的醇类为乙氧基二甘醇、4-异丙氧基丁醇。

表4 不同成熟度牛排的醇类物质Table 4 Volatile alcohols detected in pan-fried beef steaks

2.2.3 醛类物质

由表5可知,5 种样品中醛类物质数量最多,随成熟度的增加,其数量先增加后减少,含量逐渐增加。醛类主要来源于脂肪氧化、降解以及氨基酸Strecker反应,挥发性较强且阈值一般较低,是肉类特征风味形成的主要成分之一[27]。5 种样品共同检出醛类物质16 种,重合度较高,但其含量具有显著差异。共有醛类分别为己醛、(E)-2-庚烯醛、壬醛、(E)-2-辛烯醛、(E,E)-2,4-庚二烯醛、苯甲醛、(E)-2-壬烯醛、(E)-2-癸烯醛、(E,E)-2,4-壬二烯醛、2-十一烯醛、(E,Z)-2,4-癸二烯醛、(E,E)-2,4-癸二烯醛、十三醛、4,5-环氧-(E)-2-癸醛、十五醛、十六醛。其中壬醛为油酸的氧化产物[28],具有油炸、脂香味;苯甲醛是酪氨酸降解产物[29],具有苦杏仁味。

表5 不同成熟度牛排的醛类物质Table 5 Volatile aldehydes detected in pan-fried beef steaks

续表5

2.2.4 酮类物质

由表6可知,酮类物质的数量和含量均随成熟度的增加先增加后减少,样品间具有显著差异,七成熟时数量最多,三成熟时含量最高。酮类物质主要来源于脂肪、醇类氧化和酯类分解[30],酮类化合物大多阈值较高,对总体风味贡献小,但有些酮类是形成杂环类物质的重要中间体,有利于肉香味的形成[28]。5种样品共同含有的酮类物质有3-庚酮、3-甲基-2-庚酮、3,3,6-三甲基-1,5-庚二烯-4-酮、4-辛酮、5-壬酮、3-羟基-3-甲基-2-丁酮。

表6 不同成熟度牛排的酮类物质Table 6 Volatile ketones detected in pan-fried beef steaks

2.2.5 酸类、酯类和其他类物质

由表7可知,5种样品的酸类物质种类和含量差异较大,随成熟度波动变化,其主要来源于脂肪降解和氧化,往往具有不愉快的气味,如丁酸具有腐臭的酸味,正己酸具有不愉快的辛辣味,辛酸具有腐臭味等[31]。七分熟样品酸类物质含量明显增加,这可能是由于氨基酸Strecker反应、酯类物质降解导致酸类物质含量上升。5 种样品共同检出的酸类为十四酸和油酸。

表7 不同成熟度牛排的酸类、酯类和其他类物质Table 7 Volatile acids, esters, and other compounds detected in pan-fried beef steaks

5种样品中酯类物质含量随成熟度先减少后增加再减少,样品间具有显著差异,无共同酯类检出。酯类主要通过酯化反应生成,一般C1～C10的酯类具有水果香味,长链酯类具有油脂香味[32],但阈值较高,对香气的贡献不及醛类,可丰富总体香味。进一步煎制使酯类物质挥发或降解,导致后期含量减少。

其他类物质包括杂环类和醚类,其含量随成熟度的增加上下波动。杂环类化合物主要来源于美拉德反应和氨基酸降解,多具有肉香[33],虽然含量较低,但由于阈值通常较低,对整体香气的形成起着至关重要的作用。2-戊基呋喃主要由亚油酸氧化降解而来,具有青香、肉香味,往往被认为对肉类风味具有重要贡献[34]。甲氧基苯基肟具有霉味、肉香;茴香脑是具有茴香和甜味的醚类[35],对牛排风味有协调作用。

2.2.6 牛排煎制过程挥发性风味物质的热图分析

为了更加直观地反映出挥发性风味物质含量随煎制成熟度的变化,将5种煎制样品检测出的所有挥发性风味物质进行热图分析,如图3所示,由红到蓝表示该物质的含量由高到低。有34 种物质在三分熟及之后被检出,如2,8-二甲基-4-亚甲基-壬烷、1-十六醇、3,3,4-三甲基-己烷、柠檬酸三丁酯、2,4-二甲基苯甲醛、2-甲基-4-庚酮等,有6种物质的含量随煎制程度增加而升高,说明煎制能显著促进牛排挥发性风味物质的生成。有8 种物质的含量随煎制成熟度增加而减少或后期未检出,如5-亚甲基-壬烷、2-甲基-3-乙基-2-庚烯、4-乙基环己醇、苯甲酸等。有35 种物质的含量随成熟度增加先增加后减少,其余17 种物质的含量无明显变化规律,呈波动状态。相比之下,十六烷、4-乙基环己醇、4-癸醇、苯甲酸、十六酸乙酯等挥发性物质在一分熟样品中的含量比其他样品更高;5-亚甲基-壬烷、4-辛酮、3-甲基-2-庚酮、甲酸庚酯、5-壬酮等在三分熟样品中含量更高;十六醛、4-乙基-3-辛烯、己醛、5-甲基-2-己酮等在五分熟样品中含量更高;1-正丙基环戊醇、2-甲基-2-己醇、十六醛、甲氧基苯基-肟、(E)-2-癸烯醛等在七分熟样品中含量更高;2-甲基-4-庚酮、反油酸、(E,E)-2,4-癸二烯醛、(E,E)-2,4-庚二烯醛、2,4-二甲基苯甲醛等在九分熟样品中中含量更高。

由不同煎制熟度样品聚类分析(图3)可知,一分熟和三分熟聚在一起,五分熟和九分熟聚在一起,说明这两组中样品的挥发性物质较为接近;曼哈顿距离增大,五分熟、七分熟、九分熟聚在一起,说明3种成熟度样品挥发性物质具有相似性。总体上样品分为3类:一分熟和三分熟为一类,五分熟和九分熟为一类,七分熟为一类。七分熟样品所含挥发性风味物质与其他样品具有显著差异,可能是由于随着脂肪酸氧化和氨基酸降解产生了一些新的物质,大多为烃类、醇类和酮类,如2,8-二甲基-4-亚甲基-壬烷、3,3,4-三甲基-己烷、3-乙基-2-甲基-戊烷、1-正丙基环戊醇、1-十六醇、十八酸、3-甲基-2-丁烯酸环丁酯等,这些物质易被氧化或相互反应,因此在九分熟中未检出。

图3 挥发性风味物质含量热图Fig.3 Heat map and cluster diagram of volatile flavor compounds of different pan-fried beef steaks

2.3 不同成熟度牛排挥发性风味物质的ROAV

为进一步找出对煎制牛排总体风味具有主要贡献的挥发性风味物质,采用ROAV法对检出的物质进行分析。一般认为ROAV越大,该物质对总体风味贡献越大[39]。关键挥发性风味物质的ROAV热图分析如图4所示。

表8中筛选出了ROAV≥1的挥发性风味物质。5 种成熟度样品中分别检测出20、20、19、20、17 种关键风味物质,醛类物质数量最多,可能是煎制牛排风味形成的重要组成部分。在煎制过程中对牛排总体风味具有较大贡献的物质有1-辛烯-3-醇、辛醛、壬醛、(E)-2-壬烯醛、(E)-2-癸烯醛、(E,E)-2,4-壬二烯醛、2-十一烯醛、(E,E)-2,4-癸二烯醛、3-庚酮、己酸等,这些物质主要提供油脂香、青草香、肉香、果香、焦甜香。表8结合图4可知,(E)-2-癸烯醛(C10)在牛排煎制过程中均为贡献最大的风味物质;辛醛(C3)、5-壬酮(D15)、3-羟基-3-甲基-2-丁酮(D17)、己酸(E4)随煎制程度增加,其ROAV逐渐减小;(E,E)-2,4-癸二烯醛(C17)随成熟度增加,其ROAV增大;(E)-2-庚烯醛(C4)、(E,E)-2,4-壬二烯醛(C12)、十六醛(C22)、3-庚酮(D1)在五分熟及之后ROAV逐渐减小;(E)-2壬烯醛(C9)、2,4-二甲基苯甲醛(C14)、2-十一烯醛(C15)在五分熟及之后ROAV逐渐增大,由此可得,随煎制程度增加,牛排的果香、青草香、奶油香、坚果香减弱,总体香味以油脂香和肉香为主。

图4 关键挥发性风味物质的ROAV热图Fig.4 Heat map and cluster diagram of key aroma-active compounds of different pan-fried beef steaks

不同煎制熟度样品间关键挥发性风味物质的ROAV差异显著,根据不同样品间的聚类分析可知三分熟和五分熟聚在一起,七分熟和九分熟聚在一起,说明这2组中样品的香气成分较为接近;曼哈顿距离增大,三分熟、五分熟、七分熟、九分熟聚在一起,说明4种成熟度样品香气具有相似性。一分熟样品所含挥发性风味物质与其他样品具有显著差异,说明煎制成熟度对牛排挥发性风味物质生成具有较大影响。

在前述感官评价的聚类分析(图1)、挥发性风味物质含量聚类分析(图3)和关键挥发性风味物质ROAV聚类分析(图4)中,关键挥发性风味物质ROAV聚类分析和感官评价的聚类分析结果较为一致,样品分类与成熟度之间具有较好的相关性;但是挥发性风味物质含量聚类分析结果中五分熟和九分熟为一类,与感官评价及ROAV聚类分析结果有较大差异。究其原因,可能是因为挥发性风味物质含量聚类分析是以挥发性风味物质的含量作为分类的基础,但是从前述分析可以看出,在检出的挥发性风味物质中,含量的高低并不能体现其对风味贡献的大小,风味贡献的大小同时取决于含量和阈值[40]。因此,关键挥发性风味物质ROAV聚类分析和感官评价的聚类分析比以挥发性风味物质含量为基础的聚类更加合理一些。

2.4 主要成分与关键挥发性风味物质的相关性分析

食品热量成分检测仪对5 种煎制牛排样品的检测结果见表9;为了分析牛排中主要成分对挥发性风味的影响,使用PLSR分析主要成分与煎制牛排中关键风味物质的相关性,如图5所示。

由表9可知,不同成熟度煎制牛排间蛋白质、脂肪、碳水化合物和水的含量差异显著,可能是由于煎制过程中牛排受热从而导致相关指标出现差异。PLSR分析结果显示,前2个主成分贡献率为67.50%,可建立模型;将5个成熟度样品按照挥发性物质含量分为3类:一分熟和三分熟、五分熟和九分熟、七分熟,这与图3的聚类分析结果一致。牛排主要成分与风味物质的相关性分析中发现,蛋白质和碳水化合物与醛、酮类物质的生成具有明显相关性,如(E,E)-2,4-壬二烯醛、3-庚酮、己醛、(E)-2-癸烯醛、十五醛、2,4-二甲基苯甲醛等。脂肪与醛、醇、酯类物质的生成有相关性,如(E)-2-庚烯醛、1-辛烯-3醇、十六酸乙酯。水与风味物质的形成存在弱相关关系,可能会影响辛醛、己酸、3-羟基-3-甲基-2-丁酮的生成。

表9 不同成熟度牛排主要成分分析Table 9 The main chemical components of pan-fried beef steaks

一般认为碳水化合物与氨基酸发生美拉德反应产生酮类和杂环类化合物[41],而图5分析结果显示脂肪与2-戊基-呋喃也具有相关性,其形成机理有待深入研究。Strecker降解、脂肪氧化也是肉类特征风味形成的关键途径,可生成烃类、醇类、醛类、酮类等风味物质[42]。总的来说,对煎制牛排挥发性风味物质形成具有较强相关性的为蛋白质、碳水化合物和脂肪,这与刁小琴等[22]和胡子璇等[43]的结论相符。

3 结论

本研究利用感官评价以及固相微萃取-气相色谱-质谱联用技术,采用热图结合ROAV法探究煎制成熟度对牛排挥发性风味物质和感官品质的影响。共检测出挥发性风味物质100 种,包括烃类、醇类、醛类、酮类、酸类、酯类和其他类。七分熟牛排的感官评分最高,该成熟度挥发性风味物质含量与数量也为最高,说明七分熟牛排的风味能更大限度地体现出来。5 种成熟度样品中分别检测出20、20、19、20、17种关键风味物质,醛类物质种类最多,可能是煎制牛排风味形成的重要组成部分。聚类分析结果表明,关键挥发性风味物质ROAV聚类分析和感官评价的聚类分析比以挥发性风味物质含量为基础的聚类更加合理;感官评价和ROAV聚类分析结果指出三分熟和五分熟、七分熟和九分熟这2组样品的香气成分较为接近,一分熟样品与其他样品具有显著差异,说明煎制成熟度对牛排挥发性风味和感官品质影响较大。不同煎制成熟度牛排样品间检出的主要成分含量差异显著,且蛋白质、碳水化合物、脂肪与牛排挥发性风味物质的形成密切相关。综上,本研究初步分析了煎制成熟度对牛排挥发性风味物质和感官品质的影响,可为煎制牛排品质控制和进一步研究提供参考。