許春平,張弛,薛云,王宣靜,李天笑,鄒琳,吳彥*

(1.鄭州輕工業(yè)大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院,鄭州 450002；2.廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心,南寧 530001)

紅薯即番薯,屬旋花科一年生草本植物。紅薯中含有多種人體必需的氨基酸、維生素和鈣、鐵、磷等礦物質(zhì),并且富含膳食纖維和黏液多糖蛋白,具有極高的營養(yǎng)與藥用價(jià)值[1]。楊金初等[2]以紅薯水提物為美拉德反應(yīng)原料,制備出香味純正逼真的烤紅薯香料。戴魁等[3]研究發(fā)現(xiàn)模擬烘烤條件下由紅薯制備的香料具有突出的烤紅薯特征香氣,并在味覺上更加突出了烤紅薯的甜味。

食品中還原糖與蛋白質(zhì)、氨基酸等氨基化合物發(fā)生美拉德反應(yīng),對食品風(fēng)味起到重要的作用[4]。徐慢等[5]以谷氨酸和木糖為起始原料,通過美拉德反應(yīng)制備美拉德反應(yīng)中間體,從反應(yīng)物配比、初始反應(yīng)pH 及真空脫水方法等方面進(jìn)行了優(yōu)化,提高了水相中反應(yīng)中間體轉(zhuǎn)化率,顯著提高了桃酥中吡嗪、吡咯的含量,豐富了焙烤香氣。張勝男等[6]優(yōu)化了還原糖種類和用量、氨基酸種類和用量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間及pH 值等條件,通過美拉德反應(yīng)開發(fā)可食用產(chǎn)品及配料,提高了海參腸的利用價(jià)值。

國內(nèi)外關(guān)于天然植物紅薯提取物與焦糖化料液結(jié)合美拉德反應(yīng)制備香料的報(bào)道很少,本研究采用美拉德反應(yīng)制備紅薯天然香料,摻配葡萄糖焦糖化料液提質(zhì)增香。通過Box-Behnken響應(yīng)曲面法設(shè)計(jì)比較了加熱溫度、加熱時(shí)間、體系初始pH、紅薯提取物與葡萄糖焦糖化料液配比對紅薯香料品質(zhì)影響的強(qiáng)弱,以感官評分為依據(jù)優(yōu)化反應(yīng)條件。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

煙薯25號:購自山西省忻州市繁峙縣。

1 mol/L NaOH、二氯甲烷、無水乙醇(AR)：天津市富宇化工有限公司;0.821 1 mg/mL乙酸苯乙酯(色譜純)：美國Sigma-Aldrich公司;食用葡萄糖：內(nèi)蒙古阜豐生物科技有限公司;無水碳酸鈉、無水硫酸鈉(均為分析純)：天津市大茂化學(xué)試劑廠。

Q-100A3高速多功能粉碎機(jī) 上海冰都電器有限公司;DGX-9143電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海?，攲?shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司;TGL-16M 離心機(jī) 上海盧湘儀離心機(jī)儀器有限公司;DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器 上海湃瀾儀器有限公司;SHZ-D(Ⅲ)循環(huán)水式多用真空泵 河南省予華儀器有限公司;Ultra-3400紫外可見分光光度計(jì) 深圳市華倫康盛科技有限公司;NR200色差儀 廣州市鴻靖實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 紅薯提取物的制備

參考楊金初等[7]的方法制備紅薯提取物。將干紅薯切成1 cm3,置于高速粉碎機(jī)中粉碎,然后過20目篩,準(zhǔn)確稱取200 g紅薯粉,加入4 000 mL水,用集熱式恒溫加熱磁力攪拌器在60 ℃下攪拌6 h后以4 000 r/min的轉(zhuǎn)速離心20 min,在濾渣中加入2 000 mL水繼續(xù)在60 ℃下攪拌2 h后離心,合并兩次攪拌后的濾液,在體系壓力95 kPa、水浴溫度50 ℃的條件下旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)得到紅薯提取物。

1.2.2 葡萄糖焦糖化料液的制備

參考朱遠(yuǎn)洋等[8]的方法制備葡萄糖焦糖化料液。準(zhǔn)確稱取100 g無水葡萄糖,加入20%糖質(zhì)量的無水碳酸鈉作為反應(yīng)助劑,加入250 mL水超聲攪拌均勻后在160 ℃的油浴鍋中加熱30 min，制備焦糖化料液。

1.2.3 美拉德反應(yīng)單因素實(shí)驗(yàn)

影響美拉德反應(yīng)生成特定風(fēng)味的主要影響因素有反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度、反應(yīng)pH 等條件[9-10]。設(shè)置單因素實(shí)驗(yàn),分別研究反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度、初始pH、紅薯提取物與焦糖化料液比值對紅薯香料品質(zhì)的影響。其中,反應(yīng)時(shí)間單因素實(shí)驗(yàn):紅薯提取物與葡萄糖焦糖化料液配比為3∶1,pH 為6.0,反應(yīng)溫度為120 ℃,設(shè)置反應(yīng)時(shí)間分別為20,40,60,80,100,120 min;反應(yīng)溫度單因素實(shí)驗(yàn):紅薯提取物與葡萄糖焦糖化料液配比為3∶1,pH 為6.0,反應(yīng)時(shí)間為40 min,設(shè)置反應(yīng)溫度分別為80,90,100,110,120 ℃;反應(yīng)pH 單因素實(shí)驗(yàn):紅薯提取物與葡萄糖焦糖化料液配比為3∶1,反應(yīng)溫度為100 ℃,反應(yīng)時(shí)間為40 min,用1 mol/L 的NaOH 溶液調(diào)pH 為5.0,6.0,7.0,8.0,9.0;料液配比單因素實(shí)驗(yàn):反應(yīng)溫度為100 ℃,反應(yīng)時(shí)間為40 min,反應(yīng)pH 為7.0,紅薯提取物與葡萄糖焦糖化料液配比分別為5∶1、4∶1、3∶1、2∶1、1∶1。

1.2.4 褐變程度測定

將各個(gè)反應(yīng)樣品稀釋1 000倍后使用紫外可見分光光度計(jì)測定在420 nm 處的吸光度值,用其表示美拉德反應(yīng)產(chǎn)物的褐變程度,作為晚期褐變聚合物類黑素形成的指標(biāo)[11-12]。

1.2.5 顏色參數(shù)測定

取1 g樣品加入500 mL水溶解后用色差儀測定L*、a*、b*數(shù)值。樣品的顏色可以通過CIE色度系統(tǒng)中的L*、a*、b*3個(gè)顏色參數(shù)在三維空間坐標(biāo)中準(zhǔn)確地表示出來。其中L*代表亮度值,其值介于0～100表示由黑色到白色；a*代表紅綠度,其值介于-120～120表示由綠色向紅色變化；b*代表黃藍(lán)度,其值介于-120～120表示由藍(lán)色向黃色變化[13]。

1.2.6 感官評價(jià)

對優(yōu)化后的美拉德反應(yīng)制備的紅薯香料按照GB/T 14454.2—2008《香料香氣評定法》[14]進(jìn)行感官評價(jià)。從薯香、果香、膏香、烘烤香、甜香5個(gè)方面進(jìn)行嗅香評價(jià),每個(gè)方面最高分5分,最低分0分,嗅其揮發(fā)性香氣,分辨其香氣特色,評定其類型、風(fēng)格及典型性的強(qiáng)弱程度,評價(jià)結(jié)果用雷達(dá)圖表示。

1.2.7 Box-Behnken響應(yīng)曲面法設(shè)計(jì)

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上選擇對紅薯香料有顯著影響的因素:反應(yīng)溫度(A)、反應(yīng)時(shí)間(B)、初始pH(C)和紅薯與焦糖化料液比例(D)4個(gè)因素為考察對象,以感官評分(Y)為考察指標(biāo),利用Box-Behnken方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),建立響應(yīng)面回歸模型,各因素和水平表見表1。

表1 紅薯香料響應(yīng)面法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)因素和水平Table 1 Factors and levels of experiment design of sweet potato spices by response surface methodology

1.2.8 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

對實(shí)驗(yàn)得到的最優(yōu)水平組合進(jìn)行實(shí)驗(yàn),以驗(yàn)證結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2 結(jié)果與分析

2.1 美拉德反應(yīng)的單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 反應(yīng)時(shí)間的影響

由圖1可知,A420數(shù)值隨著反應(yīng)時(shí)間的延長不斷上升,且0～80 min上升趨勢較快,說明隨著反應(yīng)時(shí)間的延長,反應(yīng)液中的氨基酸與還原糖不斷發(fā)生反應(yīng),棕色物質(zhì)不斷增加,美拉德反應(yīng)程度逐漸增大,且0～80 min反應(yīng)較為劇烈。感官評分隨著反應(yīng)時(shí)間的延長先升高后降低,在40 min時(shí)最高,超過40 min后逐漸下降,可能是由于棕色物質(zhì)類黑精產(chǎn)生過量,經(jīng)環(huán)化后生成了一些不良風(fēng)味的物質(zhì)[15]。

圖1 反應(yīng)時(shí)間對各個(gè)樣品褐變及感官評分的影響Fig.1 Effect of reaction time on browning and sensory score of each sample

顏色可以作為美拉德反應(yīng)程度的一個(gè)重要且明顯的標(biāo)志[16]。褐變反應(yīng)帶來的顏色變化處于淺黃色和深褐色之間,取決于食物的類型和反應(yīng)程度[17]。由表2可知，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長,紅薯樣品的L*值逐漸減小,說明樣品亮度逐漸減小。a*值、b*值逐漸增大且均為正值，代表a*值向紅色方向偏移、b*值向黃色方向偏移,說明隨著反應(yīng)時(shí)間的延長，美拉德反應(yīng)生成的類黑精等色素物質(zhì)含量逐漸增大,導(dǎo)致顏色加深。

表2 不同時(shí)間樣品L* 、a* 、b* 顏色參數(shù)的測量數(shù)據(jù)Table 2 Measurement data of L* ,a* and b* color parameters of samples at different time

反應(yīng)時(shí)間對美拉德反應(yīng)有重要影響,反應(yīng)時(shí)間較短，生成的產(chǎn)物較少,隨著反應(yīng)時(shí)間的延長，生成的風(fēng)味物質(zhì)種類也隨之增加[18]。

由圖2可知,當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為40 min時(shí),樣品的薯香、甜香較突出,樣品的果香、膏香都優(yōu)于其他反應(yīng)時(shí)間樣品,感官品質(zhì)最高。因此，選擇40 min為美拉德反應(yīng)最佳時(shí)間。

圖2 不同時(shí)間樣品的嗅香評價(jià)雷達(dá)圖Fig.2 Odor evaluation radar map of samples at different time

2.1.2 反應(yīng)溫度的影響

不同加熱溫度下樣品在波長420 nm 處的吸光度值及感官評分結(jié)果見圖3。

圖3 反應(yīng)溫度對各個(gè)樣品褐變及感官評分的影響Fig.3 Effect of reaction temperature on browning and sensory score of each sample

由圖3可知，A420數(shù)值隨著反應(yīng)溫度的增加不斷上升,說明隨著溫度的升高,反應(yīng)速率加快,棕色物質(zhì)不斷增加。感官評分隨著反應(yīng)溫度的上升先升高后降低,在100 ℃時(shí)最大,超過100 ℃后下降。這是由于溫度過低時(shí)反應(yīng)程度不夠,生成的香味物質(zhì)較少。隨著溫度的增加會(huì)使反應(yīng)速率加快,讓香味物質(zhì)快速積累。但是溫度過高也會(huì)影響產(chǎn)品的綜合評分,當(dāng)溫度過高時(shí)反應(yīng)劇烈,產(chǎn)品色澤較深且雜味增多,焦糊味較重。

由表3可知,隨著反應(yīng)溫度的升高,紅薯樣品的L*值逐漸減小,說明樣品亮度逐漸減小。a*值、b*值逐漸增大且均為正值,表示a*值向紅色方向偏移、b*值向黃色方向偏移。說明隨著反應(yīng)溫度的增加，美拉德反應(yīng)生成的類黑精等色素物質(zhì)含量逐漸增大,導(dǎo)致顏色加深。

表3 不同溫度樣品L*、a*、b*顏色參數(shù)的測量數(shù)據(jù)

反應(yīng)溫度對美拉德反應(yīng)來說是一個(gè)重要的影響因素,溫度過高或過低都會(huì)影響產(chǎn)品的綜合評分。由圖4可知,當(dāng)反應(yīng)溫度為100 ℃時(shí),樣品的薯香、甜香、烘烤香較突出,感官品質(zhì)較好。因此，選擇100 ℃為美拉德反應(yīng)的最佳溫度。

圖4 不同溫度樣品的嗅香評價(jià)雷達(dá)圖Fig.4 Odor evaluation radar map of samples at different temperatures

2.1.3 初始pH 的影響

不同初始pH的樣品在波長420 nm 處的吸光度值及感官評分結(jié)果見圖5。

圖5 初始pH 對各個(gè)樣品褐變及感官評分的影響Fig.5 Effect of initial pH value on browning and sensory score of each sample

由圖5可知，A420數(shù)值隨著初始pH 的增加不斷上升,感官評分隨著初始pH 的增加先升高后降低,在pH 為7.0時(shí)最大。初始pH 值過高或過低都會(huì)影響產(chǎn)品的整體風(fēng)味。

由表4可知,隨著初始pH 的增大,紅薯樣品的L*值逐漸減小,說明樣品亮度逐漸減小。a*值、b*值逐漸增大且均為正值,表示a*值向紅色方向偏移、b*值向黃色方向偏移,導(dǎo)致顏色加深。

表4 不同初始pH 樣品L* 、a* 、b* 顏色參數(shù)的測量數(shù)據(jù)Table 4 Measurement data of L* ,a* ,b* color parameters of samples at different initial pH values

pH 對美拉德反應(yīng)的生成物種類有重要的影響[19]。由圖6可知,當(dāng)初始pH 為7.0時(shí),樣品的薯香、膏香、甜香較突出,總體品質(zhì)最高。因此，選擇最佳初始pH為7.0。

圖6 不同初始pH 樣品的嗅香評價(jià)雷達(dá)圖Fig.6 Odor evaluation radar map of samples at different initial pH values

2.1.4 料液比的影響

不同料液比的樣品在波長420 nm 處的吸光度值及感官評分結(jié)果見圖7。

圖7 不同配比對各個(gè)樣品褐變及感官評分的影響Fig.7 Effect of different ratios of sweet potato to caramelized liquid on browning and sensory score of each sample

由圖7可知，A420數(shù)值隨著紅薯提取物比例的增加不斷上升,感官評分隨著紅薯提取物比例的增加先升高后降低,在紅薯提取物與焦糖化料液配比為3∶1時(shí)最大。

由表5可知,隨著料液配比中紅薯提取物比例的增加,紅薯樣品的L*值逐漸減小,說明樣品亮度逐漸減小。a*值、b*值逐漸增大且均為正值,表示a*值向紅色方向偏移、b*值向黃色方向偏移,顏色逐漸加深，這可能是棕色物質(zhì)增多造成的。

表5 不同配比樣品L* 、a* 、b* 顏色參數(shù)的測量數(shù)據(jù)Table 5 Measurement data of L* ,a* and b* color parameters of samples with different radios

由圖8可知,焦糖化料液占比較大時(shí)(1∶1),樣品的甜香較為突出,紅薯提取物占比較大時(shí)(5∶1),樣品的甜味較弱,在紅薯提取物與焦糖化料液配比為3∶1時(shí),各種味道較為均衡,總體評分最高。因此，選擇紅薯提取物與焦糖化料液配比3∶1為最佳配比。

圖8 不同配比樣品的嗅香評價(jià)雷達(dá)圖Fig.8 Odor evaluation radar map of samples with different radios of sweet potato to caramelized liquid

2.2 響應(yīng)面法優(yōu)化美拉德反應(yīng)工藝參數(shù)

采用Design Expert 10設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,共設(shè)計(jì)27個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn),3個(gè)零點(diǎn)實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案與實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 6 Box-Behnken experimental design scheme and results

續(xù) 表

回歸模型各項(xiàng)系數(shù)方差分析和顯著性檢驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 回歸模型各項(xiàng)系數(shù)方差分析和顯著性檢驗(yàn)結(jié)果Table 7 Results of variance analysis and significance test of each coefficient of regression model

續(xù) 表

由表7可知，回歸模型高度顯著(P<0.01);模型的失擬項(xiàng)不顯著(P=0.129>0.05),表明模型具有較高的可靠性;回歸模型的一次項(xiàng)A、D,二次項(xiàng)A2、B2、C2、D2對結(jié)果的影響均達(dá)到極顯著水平(P<0.01),回歸模型的一次項(xiàng)B,交互項(xiàng)BC對結(jié)果的影響顯著(P<0.05),回歸模型的擬合度R2=0.986 1,表明實(shí)驗(yàn)所得測定值與理論預(yù)測值相關(guān)性較好,可有效反映實(shí)際的實(shí)驗(yàn)值;調(diào)整系數(shù)RAdj2=0.969 8,說明該擬合模型可合理解釋96.98%的響應(yīng)值變化情況,實(shí)驗(yàn)誤差系數(shù)較小,擬合程度較高。根據(jù)F值大小可知,各因素對Y感官評分的影響主次順序?yàn)锳>D>B>C,即反應(yīng)溫度>紅薯與焦糖化料液比例>反應(yīng)時(shí)間>初始pH，且初始pH 對紅薯樣品的影響不顯著。

響應(yīng)面圖中曲線越彎曲,說明研究因素對結(jié)果的影響越大。通過三維圖,觀察曲面的傾斜度,確定二者對響應(yīng)值的影響程度,傾斜度越高,坡度越陡,說明二者的交互作用越顯著。

反應(yīng)溫度(A)、反應(yīng)時(shí)間(B)、初始pH(C)和紅薯與焦糖化料液比例(D)4個(gè)因素的兩兩交互作用對紅薯香料感官評分(Y)的影響通過Design Expert 10軟件分析,結(jié)果見圖9。

圖9 不同影響因素對紅薯香料感官評分的交互作用Fig.9 Interaction effects of different influencing factors on sensory score of sweet potato spices

由響應(yīng)面圖可以看出反應(yīng)時(shí)間和初始pH 之間的交互作用對感官評分的影響情況,二者響應(yīng)面曲面相對較陡峭,說明因素值變化對響應(yīng)值影響較大,影響達(dá)顯著水平(P<0.05)。其余曲面均平緩,表明交互作用對總峰面積的影響弱,無顯著性差異(P>0.05)。將感官評分(Y)最大化為優(yōu)化目標(biāo),運(yùn)用Design Expert 10軟件對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元回歸擬合分析,并結(jié)合實(shí)際操作的方便性,將實(shí)驗(yàn)最佳工藝參數(shù)確定為:反應(yīng)溫度(A)為100 ℃,反應(yīng)時(shí)間(B)為40 min,初始pH(C)為7.0,紅薯與焦糖化料液比例(D)為3∶1。在此條件下,進(jìn)行3次重復(fù)性實(shí)驗(yàn),測得實(shí)際感官評分平均值為84.6,與預(yù)測值84.1較接近,表明該回歸模型預(yù)測性較好。

2.3 GC-MS分析結(jié)果

以0.821 1 mg/mL的乙酸苯乙酯為內(nèi)標(biāo)物,進(jìn)行GC-MS分析后,選取匹配度80%以上的揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行分析鑒定。紅薯提取物與葡萄糖焦糖化料液比例為3∶1、初始pH為7、在常溫下的混合樣品(對照)和紅薯提取物與葡萄糖焦糖化料液比例為3∶1、初始pH為7在100 ℃下加熱40 min的香料樣品(最優(yōu))的GC-MS結(jié)果見表8。

表8 兩種紅薯香料揮發(fā)性物質(zhì)GC-MS分析結(jié)果Table 8 GC-MS analysis results of volatile substances of two kinds of sweet potatoes μg/g

由表8可知,兩種不同方法處理的紅薯香料共有62種揮發(fā)性物質(zhì),已鑒定出揮發(fā)性物質(zhì)的種類主要包括酸類、醛類、酮類、醇類、酯類、酚類、烷烴類、烯烴類、胺類、其他等。紅薯提取物與葡萄糖焦糖化料液比例為3∶1、初始pH 為7在常溫下的混合樣品(對照)和最優(yōu)工藝下的紅薯香料樣品(最優(yōu))中已鑒定出的揮發(fā)性物質(zhì)分別為31,45種。按上述排列的各樣品中已鑒定出的揮發(fā)性物質(zhì)總量依次為24.00,95.12 μg/g,結(jié)果分析表明在最優(yōu)工藝下紅薯香料樣品中鑒定出的揮發(fā)性物質(zhì)種類比對照紅薯香料樣品多45%,最優(yōu)工藝下紅薯樣品比對照紅薯樣品揮發(fā)性物質(zhì)總量增加下近3倍,其中2-乙酰基吡咯、2-乙酰基呋喃、2-甲基苯并呋喃、7-甲基苯并呋喃等物質(zhì)為美拉德反應(yīng)的特征香味物質(zhì),多具有堅(jiān)果、烘烤氣息,5-羥甲基糠醛、糠醛、苯乙醛、糠醇、麥芽醇等物質(zhì)多具有甜香、果香等,對紅薯香料的感官品質(zhì)具有較好的影響。最優(yōu)工藝下紅薯樣品揮發(fā)性物質(zhì)的種類和含量都優(yōu)于對照紅薯樣品。

續(xù) 表

續(xù) 表

3 結(jié)論

通過Box-Behnken響應(yīng)曲面法設(shè)計(jì)比較了反應(yīng)溫度、紅薯與焦糖化料液比例、反應(yīng)時(shí)間、初始pH 對制備紅薯香料品質(zhì)影響的強(qiáng)弱,結(jié)果表明,反應(yīng)溫度>紅薯與焦糖化料液比例>反應(yīng)時(shí)間>初始pH。紅薯美拉德反應(yīng)制備食用香料的最優(yōu)工藝條件:反應(yīng)溫度100 ℃、紅薯提取物與焦糖化料液比例3∶1、反應(yīng)時(shí)間40 min、初始pH 7.0。在此條件下得到的紅薯香料感官評分最高,薯香、甜香、烘烤香、果香、膏香都較明顯,總體風(fēng)味較好。通過GC-MS分析鑒定出最優(yōu)工藝下紅薯香料樣品中揮發(fā)性物質(zhì)的種類比對照紅薯香料樣品增加45%,揮發(fā)性物質(zhì)含量增加近3倍。說明紅薯提取物與焦糖化料液結(jié)合美拉德反應(yīng)在最優(yōu)工藝條件下制備香料的方法真實(shí)可靠,具有一定可行性，并且該工藝較為簡單,設(shè)備要求較低,可為天然植物紅薯的開發(fā)應(yīng)用提供一定的參考價(jià)值。