蔡心如,劉敬科,生慶海,3,趙 巍,張愛霞,劉瑩瑩,劉 晶,李朋亮

(1.河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院,河北 石家莊 050061;2.河北省農(nóng)林科學(xué)院生物技術(shù)與食品科學(xué)研究所,河北 石家莊 050051;3.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院 河北 保定 071001)

膨化食品是一種在高溫或高溫高壓下加工的食品,其在制作過程中將食品內(nèi)部的水分瞬間氣化,壓力迅速下降,食品體積瞬間膨脹,達到酥脆膨松的狀態(tài)?！妒称钒踩珖覙藴?膨化食品》(GB 17401—2014)將膨化食品分為兩大類:一類是經(jīng)油脂煎炸或經(jīng)植物油噴灑、浸漬的油炸型膨化食品,如薯片、妙脆角、蝦片、鍋巴等;另一類是通過焙烤或高壓等工藝制作的非油炸型膨化食品,如雪米餅、小饅頭、爆米花等。

膨化食品除具有酥脆口感外,還具有宜人的烘烤香,是其重要特征之一。這些香氣成分除脂質(zhì)熱降解形成的脂肪族揮發(fā)性成分外,還包含多種雜環(huán)類揮發(fā)性成分。雜環(huán)類揮發(fā)性成分主要來源于食品膨化過程中的美拉德反應(yīng),包括吡嗪類、吡咯類和呋喃類等化合物,對提升膨化食品香氣具有重要貢獻。然而,雜環(huán)類香氣成分因呈香閾值低、呈香特性豐富、含量低、種類多而不容易被檢測到,當(dāng)前在食品風(fēng)味的研究中缺乏足夠的關(guān)注。本文主要對膨化食品種類、雜環(huán)類揮發(fā)性成分、檢測方法和形成機理進行了介紹,為膨化食品香氣的相關(guān)研究提供參考。

1 膨化食品

膨化食品通常是以谷類、豆類、薯類、蔬菜、肉、蛋、乳等為原料,在添加一定比例的調(diào)味料后,經(jīng)油炸、焙烤或高溫擠壓等工藝,使其體積膨大,內(nèi)部組織發(fā)生變化,形成具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)的食品。常見的膨化食品有膨化玉米片、膨化米餅、膨化豌豆、膨化餅干、鍋巴等。

膨化食品可以通過一臺膨化機實現(xiàn)一系列單元操作,包括混合、熟化、破碎、殺菌、預(yù)干燥、成型等工藝而制成膨化產(chǎn)品。生產(chǎn)設(shè)備除具有操作簡單、能耗低、生產(chǎn)效率高等特點外[1],還具有鈍化食品中一些不良因子的功能,同時能夠改善其營養(yǎng)成分品質(zhì),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過敏原含量,促進大豆的消化和吸收[3-4]。同時,膨化技術(shù)也能提高藜麥中的可溶性膳食纖維,其制品還可以改善腸道菌群,有益腸道健康[5],高含量的膳食纖維又能增加飽腹感,預(yù)防肥胖,降低餐后血糖[6],對于全谷物的利用有積極作用。

更為重要的是,膨化食品除具有上述特點外,還賦予食品令人愉悅的香氣,比如谷物類膨化食品具有烘烤香;果蔬類膨化食品具有濃郁的水果和蔬菜的天然香氣;肉類膨化食品則具有濃郁的肉香味和熏烤味。這些香氣是膨化食品的重要品質(zhì)之一,其形成機理十分復(fù)雜,除食材本身的香氣成分外,還包括高溫下發(fā)生的脂質(zhì)降解和美拉德反應(yīng)等產(chǎn)生的香氣,其中脂質(zhì)降解主要形成脂肪族的不飽和醛等,而美拉德反應(yīng)主要形成雜環(huán)類香氣成分。然而當(dāng)前的研究主要關(guān)注于脂肪族的不飽和醛類成分,缺乏對雜環(huán)類揮發(fā)性成分的研究。

2 膨化食品的雜環(huán)類香氣成分

雜環(huán)類揮發(fā)性成分是指分子中含有一個或多個雜原子(如氧、氮、硫等)且具有揮發(fā)性的有機化合物,在食品香氣中主要包括吡嗪、呋喃、吡咯等,同時也包含少量的噻唑、咪唑、吡啶、噠嗪等成分。這些化合物種類多、含量低、呈香特性豐富、呈香閾值低,研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)膨化技術(shù)處理的食品香氣成分明顯增多,尤其是形成了多種雜環(huán)類揮發(fā)性成分[7-8],對膨化食品香氣形成具有重要貢獻。

吡嗪類、呋喃類和吡咯類等雜環(huán)類香氣成分,主要呈現(xiàn)烘烤香和甜香[9],有的也呈現(xiàn)花果香或者青草氣味。這些成分因不同修飾基團的修飾而呈現(xiàn)多種多樣,導(dǎo)致呈香閾值差異很大,呈香特性也不盡相同,其基本結(jié)構(gòu)見表1。

表1 吡嗪、吡咯和呋喃類揮發(fā)性成分的基本結(jié)構(gòu)

吡嗪類物質(zhì)為六元環(huán)結(jié)構(gòu),對位上存在兩個氮原子(表1),其余位置可以同時被一個或者多個基團修飾,因此結(jié)構(gòu)復(fù)雜,導(dǎo)致呈香特性差異十分明顯[10]。據(jù)報道吡嗪類揮發(fā)性成分是膨化食品中最常見的雜環(huán)類成分,其呈香閾值范圍廣,如2-乙基-3,5-二甲基吡嗪的呈香閾值為0.000 04 mg/L,而乙基吡嗪的呈香閾值為100 mg/L,呈香閾值差異達250萬倍;呈香特性差異明顯,如2,5-二甲基吡嗪呈現(xiàn)泥土味和生土豆味,其位置異構(gòu)體2,6-二甲基吡嗪卻呈現(xiàn)堅果的烘烤香,而結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的2-乙酰基-3-甲基吡嗪卻呈現(xiàn)熏肉香(表2)。整體而言,吡嗪類化合物主要以烘烤香為主。

表2 膨化食品雜環(huán)的香氣成分[13-14]

呋喃類物質(zhì)是在美拉德反應(yīng)中最早被發(fā)現(xiàn)的雜環(huán)類化合物[11],為含單氧原子的五元環(huán)結(jié)構(gòu)(表1)。與吡嗪類化合物相同,不同成分因結(jié)構(gòu)不同其呈香差異很大,如2,5-二乙基呋喃的呈香閾值為0.000 5 mg/L,而2,5-二甲基呋喃呈香閾值為8 mg/L,其呈香閾值可差1.6萬倍;大部分呋喃類化合物同樣呈現(xiàn)烘烤香,僅少部分呈現(xiàn)其它香味,如2-戊基呋喃呈現(xiàn)花果香(表2)。

吡咯類物質(zhì)為含一個氮原子的五元環(huán)結(jié)構(gòu)(見表1),與吡嗪類化合物不同的是,除了其碳原子被多種基團修飾外,吡咯類化合物也可以自身在環(huán)上形成酮類(吡咯烷酮)或者醇類(吡咯烷醇),其氮原子位置也可以被修飾(N-甲基吡咯烷酮),也可與呋喃類、苯等物質(zhì)縮合形成復(fù)雜的雜環(huán)類成分(1-糠基吡咯,吲哚)等。吡咯類化合物氣味強烈,其呈香閾值普遍較低,如2-乙酰-1-吡咯啉是大米的特征香氣成分,其呈香閾值為0.000 02 mg/L,N-甲基吡咯烷酮為0.000 05 mg/L,而1-糠基吡咯為0.1 mg/L。吡咯類化合物也主要呈現(xiàn)烘烤香和堅果香。

雜環(huán)類化合物種類繁多,平均來看其呈香閾值遠遠低于脂肪族的不飽和醛類物質(zhì),主要呈現(xiàn)烘烤香和堅果香,為膨化食品的主體香味,其對香氣的貢獻不容忽視。雜環(huán)類香氣成分主要來源于美拉德反應(yīng),原則上在該反應(yīng)中會形成多種雜環(huán)類揮發(fā)性成分[12],但在膨化食品中檢測出的雜環(huán)類化合物數(shù)量并不多,可能原因是這些雜環(huán)類化合物含量很低,難以被檢測到,同時結(jié)構(gòu)復(fù)雜,不容易被鑒定出。

3 雜環(huán)類揮發(fā)性成分的檢測

食品中的雜環(huán)類揮發(fā)性成分通常只以微量的形式存在,因此在分析前需要對樣品中的揮發(fā)性成分進行濃縮。在過去幾十年中開發(fā)出了許多前處理方法,包括同時蒸餾萃取法(SDE)、減壓蒸餾萃取法(VDE)、固相微萃取法(SPME)、靜態(tài)頂空吸附法(HAS)、攪拌棒吸附萃取(SBSE)、動態(tài)頂空吸附法、溶劑輔助風(fēng)味蒸發(fā)法(SAFE)等。其中,SPME、SAFE、SBSE和SDE為常用的樣品預(yù)處理方法。

SPME可以快速富集和凈化目標化合物,靈敏度高,但不同的萃取頭對揮發(fā)性成分的吸附能力不同,沒有一種萃取頭可以吸附所有揮發(fā)性成分,因此可以選擇多種萃取頭聯(lián)合使用,盡可能多地吸附樣品中的揮發(fā)性成分;SAFE需要在高真空度下操作,耗費時間長,并且只針對液體樣品的揮發(fā)性成分進行濃縮,因此在處理固體樣品時需要先用液體將固體樣品中的揮發(fā)性成分進行提取或者將固體樣品分散在液體中;SBSE是利用攪拌棒表面的涂層物質(zhì)吸附樣品中的揮發(fā)性成分,這種方法比SPME更靈敏,且可以在更廣泛的溫度范圍內(nèi)使用;SDE具有簡單、高效的優(yōu)點,但耗時比較長,并且一些成分容易在加熱的過程中發(fā)生合成、降解或者轉(zhuǎn)化。

然而,當(dāng)前的前處理方法適合所有的揮發(fā)性成分,到目前為止還沒有一種特殊的前處理方法專門用于雜環(huán)類揮發(fā)性成分的提取和濃縮。由于雜環(huán)類揮發(fā)性成分較一般的揮發(fā)性成分種類更多、含量更低,因此專門的提取和濃縮方法有待進一步發(fā)掘。

雜環(huán)類揮發(fā)性成分由于其濃度很低,因此需要使用高靈敏度和精確度的分析方法來定性定量。常用的檢測方法有氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用分析法(GC-MS)、二維氣質(zhì)聯(lián)用儀(GC×GC-MS)、氣相色譜-離子遷移色譜(GC-IMS)等。其中,GC-MS對未知化合物具有獨特的鑒定能力,可以對上百種揮發(fā)性物質(zhì)進行測定,但是由于揮發(fā)性成分的含量差異太大,種類太多,導(dǎo)致在用GC-MS分析揮發(fā)性成分時,存在峰重疊或者未檢出的情況,盡管每個廠家的GC-MS分析軟件均能利用解卷積的算法識別這些重疊的成分,但是依然有許多低含量成分被高含量物質(zhì)掩蓋,不能被分析出。GC×GC-MS是在GC-MS的基礎(chǔ)上,利用串聯(lián)色譜柱對揮發(fā)性成分進行分離,其分離效果和靈敏度要遠高于GC-MS,適宜低含量揮發(fā)性成分的檢測[15]。GC-IMS是近些年新興的一種方法,檢測時間短,檢測種類全,樣品前處理簡單,然而往往多用于頂空進樣,一般不進行液體進樣,因此應(yīng)用方面不如GC-MS靈活。

盡管以上分析儀器可以實現(xiàn)對揮發(fā)性成分的定性和定量,但無法揭示化合物對人類感官的影響。GC和嗅聞系統(tǒng)(Olfactometry)結(jié)合可以用來識別揮發(fā)性成分的氣味特征,評估該揮發(fā)性成分對食品香氣的貢獻。將GC-O與GC-MS相結(jié)合,既可定性揮發(fā)性成分,也可以識別揮發(fā)性成分的氣味特征,進而利用香氣提取稀釋分析(AEDA)、香氣重組實驗,添加/消減實驗綜合篩選香氣的活性成分[16]。

值得注意的是,到目前為止所有的儀器只能針對所有揮發(fā)性成分進行檢測,對于雜環(huán)類揮發(fā)性成分缺乏特異性,GC關(guān)聯(lián)火焰光度檢測器(FPD)可以實現(xiàn)對吡嗪類和吡咯類化合物的檢測[17],但是對于其它雜環(huán)類成分可能不具有檢測能力,并且該檢測器缺乏定性能力,檢測限較高。由于雜環(huán)類揮發(fā)性成分含量過低,因此GC×GC-MS或許為最佳分析儀器。

4 雜環(huán)類成分形成機理

膨化食品中的雜環(huán)類揮發(fā)性成分主要來源于美拉德反應(yīng)[18]。美拉德反應(yīng)主要發(fā)生在還原糖和氨基酸、肽或蛋白質(zhì)的游離氨基之間。反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間、pH值和體系的水分活度對美拉德反應(yīng)具有重要影響,從而也影響雜環(huán)類揮發(fā)性成分的形成[19]。根據(jù)Hodge[20]的模型,美拉德反應(yīng)初始階段氨基酸的氨基和糖的羰基之間發(fā)生縮合反應(yīng)形成Amadori或Heyns化合物,Amadori或Heyns化合物熱解可以形成多種雜環(huán)類揮發(fā)性成分,熱解過程產(chǎn)生的α-二羰基化合物與氨基酸發(fā)生縮合反應(yīng)使氨基酸脫去羧基,這一過程稱為Strecker降解反應(yīng),對于雜環(huán)類揮發(fā)性成分的形成也具有重要貢獻。

事實上,雜環(huán)類揮發(fā)性成分隨著食品加工溫度的提高和加熱時間的延長其種類和含量均會有明顯的增加,在堿性環(huán)境下更容易促使其形成,并且能夠改變美拉德反應(yīng)的烯醇化路徑[21-22]。然而,到目前為止僅有部分雜環(huán)類揮發(fā)性成分的形成途徑通過同位素標記的形式被了解,大多數(shù)的雜環(huán)類揮發(fā)性成分形成途徑并不清楚。

吡嗪類化合物的形成規(guī)律較為清晰,主要由2分子的α-氨基酮縮合而成,帶不同基團的α-氨基酮形成不同的吡嗪類化合物(圖1)。α-氨基酮的形成主要有三條途徑:①美拉德反應(yīng)中的Strecker降解反應(yīng)形成[23];②α-二羰基化合物經(jīng)過氨化、脫水、還原形成[24];③氨基酸脫羧基和氨基后,會形成α-羥基羰基化合物,該化合物會進一步與氨基發(fā)生Amadori重排,形成α-氨基酮[25]。對于前兩種途徑形成的吡嗪類化合物,碳原子一般來源于碳水化合物,而氮原子一般來源于氨基酸,對于最后一種途徑形成的吡嗪類化合物,主要由氨基酸的元素構(gòu)成。但是在復(fù)雜的美拉德反應(yīng)中,各種途徑是同時存在的,因此各種來源的α-氨基酮之間的縮合反應(yīng)均存在。

圖1 吡嗪類化合物的形成途徑

呋喃類化合物主要呈現(xiàn)烘烤香、焦糖香和花果香,是美拉德反應(yīng)中最容易形成的雜環(huán)類揮發(fā)性成分之一。其形成機理復(fù)雜,不同的呋喃類化合物具有不同的形成方式,其形成具有以下特點:呋喃類化合物的碳原子大多數(shù)來自糖類部分,與氨基酸關(guān)聯(lián)較少;形成的呋喃類化合物種類與氨基酸種類有關(guān);一般由Amadori或Heyns化合物脫去氨基酸部分后的糖殘基經(jīng)氧化、環(huán)化或者參與Strecker降解反應(yīng)形成。例如:4-羥基-2,5-二甲基-2-呋喃酮(HDMF),具有強烈的焦糖香,屬于具有代表性的呋喃類香精,該化合物主要由兩條途徑形成,Amadori或Heyns化合物脫去氨基酸部分后,剩余的糖殘基部分裂解形成α-二羰基化合物和烯二醇類化合物,這2個物質(zhì)進一步環(huán)化形成4-羥基-2,5-二甲基-3(2H)呋喃酮(圖2a)[26];也可以由己糖通過烯醇化形成3,4-二羥基-3-己烯-2,5-二酮,進而縮合形成HDMF(圖2b)[27]。

圖2 4-羥基-2,5-二甲基-2-呋喃酮的形成途徑

吡咯環(huán)化合物可以在加熱、酸性或堿性條件下將酮或醛與胺發(fā)生美拉德反應(yīng)生成。具體而言,反應(yīng)過程中酮或醛首先與胺發(fā)生親核加成反應(yīng),生成Amadori或Heyns化合物。然后,Amadori或Heyns化合物經(jīng)過縮合、質(zhì)子轉(zhuǎn)移和脫水等步驟,最終生成吡咯環(huán)化合物。但是一般認為吡咯類化合物的碳骨架來自于糖類,或者由Strecker降解反應(yīng)形成的α-氨基酮與醛類等化合物縮合、環(huán)化、脫水形成。例如:2-乙酰-1-二氫吡咯是爆米花的重要香氣成分,是由二氫吡咯和丙酮醛形成,而二氫吡咯可由葡萄糖和脯氨酸形成[27]。

盡管呋喃類和吡咯類是重要的雜環(huán)類香氣成分,但是由于美拉德反應(yīng)的復(fù)雜性,這兩類化合物的形成過程并不明確,尚需要深入研究。對于部分呋喃類化合物,其碳原子組成只來源于糖部分,因此對于這些化合物其形成機理研究較為容易,然而并非所有呋喃類化合物均由糖部分形成,某些氨基酸也會參與其中,這跟糖和氨基酸種類有關(guān)。相比于呋喃類化合物,吡咯類化合物氮原子部分只能來源于氨基酸,而碳原子組成既可來自于氨基酸也可以來自于糖,因此其反應(yīng)更為繁瑣,其形成機理更加難以研究。

5 結(jié)論與展望

膨化食品已逐漸成為一種廣受全球消費者喜愛的便捷食品,伴隨著便捷食品需求的不斷攀升及其膨化食品的易消化、風(fēng)味好的優(yōu)點,膨化食品市場將持續(xù)呈現(xiàn)增長趨勢。雜環(huán)類揮發(fā)性成分對膨化食品香氣具有重要貢獻,鑒于其低含量、低香氣閾值,在研究膨化食品香氣時需要專門建立其檢測方法。該類成分主要形成于美拉德反應(yīng),并且受諸多條件影響,由于其種類繁多,形成機理復(fù)雜,只有有限的雜環(huán)類成分形成途徑被發(fā)現(xiàn),因此關(guān)于雜環(huán)類成分的形成機理尚需要更多的研究。膨化食品香氣閾值低,呈香種類多,其香氣收人歡迎,其香氣成分或許可以作為香味添加劑添加到其它食品中。