HS-SPME結合GC-MS分析麻辣火鍋底料炒制和熬煮過程中揮發性物質的變化

楊 莉,賈洪鋒,楊 芳,宋璐衫,黃 英,張 淼,涂夢婕,何 蓮

(四川旅游學院食品學院,四川成都 610100)

火鍋是獨特的中國飲食,麻辣火鍋作為火鍋的味型補充,受到越來越多消費者的青睞[1]。近幾年,年輕人作為麻辣火鍋的主要消費力群體,人均消費不斷增長,對麻辣火鍋的滋味、香氣要求更加嚴格[2]。火鍋的香氣主要由火鍋底料影響,火鍋底料中包含多種香辛料:辣椒、八角、香葉、桂皮、花椒等,在加熱特別是炒制過程中,調味料中的多種揮發性物質(Volatile Components,VCs)會逸散出來,炒制時間長短影響香氣的種類[3]。傳統火鍋底料制作過程中,除了合理的炒制時間,其熬煮過程也影響著火鍋的口感。在熬煮過程中,一部分VCs散播到空氣中,一部分非VCs溶解在湯底中,這樣就形成了火鍋十里飄香、口味濃郁的特點。火鍋底料中的香辛料除了提供香氣成分,也能達到一定的防腐、抑菌效果[4]。

近年來,綠色分析化學概念進入到食品分析行業,研究者設計出了成本更低、儀器設備更小的樣品制備方法——微萃取方法。微萃取方法能有效減少或消除化學試劑引起的環境污染問題。此外,能用于樣品量小甚至痕量物質的分析,例如固相微萃取技術(Solid-phase Micro Extraction,SPME)、攪拌棒吸附萃取、分散固相微萃取、填充注射器中的微萃取等。SPME由于其操作方便、靈敏度高、損失小等特點廣泛運用于食品樣品前處理。填充在SPME柱中的填充劑決定吸附的物質種類,近年來,由于納米材料的多樣性,這些材料在樣品和預濃縮過程中起著重要的作用[5-8]。

本實驗采用頂空固相微萃取(Headspace Solid-phase Micro Extraction,HS-SPME)與氣相色譜-質譜(Gas Chromatography-mass Spectrometry,GC-MS)聯用的方法,研究火鍋底料中的VCs。通過分析火鍋底料中VCs在炒制和熬煮過程中的變化,可以窺探火鍋滋味的變化,為探究火鍋底料開發利用及質量控制、使用安全性提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

牛油 重慶市帥克食品有限公司;干辣椒、郫縣豆瓣、姜、蒜、酵母抽提物、味精、雞精、花椒粉、香辛料(八角、桂皮、茴香、山奈、香葉)、醪糟 四川永輝超市。

SQ8型氣相色譜-質譜聯用儀 美國鉑金埃爾默儀器有限公司;萃取頭(75 μm CAR/PDMS) 美國Supelco公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 火鍋底料主要原輔料 牛油40%,干辣椒8%,郫縣豆瓣30%,老姜末2.5%,大蒜2.5%,酵母抽提物1%,味精1%,雞精2%,花椒粉1.5%,食鹽1%,香辛料2.5%(八角、桂皮、茴香、山奈、香葉)、醪糟汁8%。

1.2.2 火鍋底料炒制和熬煮工藝流程 用電磁爐將牛油加熱5 min后,冷卻至80 ℃,然后加入干辣椒、郫縣豆瓣、老姜末、大蒜、酵母抽提物、味精、雞精、花椒粉、香辛料、醪糟汁,于400 W功率下炒制30 min。30 min后,于800 W功率下再按底料∶水=1∶4熬煮火鍋底料,熬煮100 min。

1.2.3 取樣方法 取混合均勻的火鍋底料樣品4 g于15 mL頂空瓶中,作為火鍋底料原料樣品;炒制的火鍋底料取樣:分別取400 W功率下炒制15、30 min的樣品4 g置于15 mL頂空瓶中。

熬煮的火鍋底料取樣:取火鍋底料湯底,在800 W功率下,連續熬煮100 min,每隔25 min取樣4 g置于15 mL頂空瓶中(熬煮0 min的樣品和炒制30 min的樣品處于同一時刻,因此從熬煮第25 min開始取樣)。

1.2.4 頂空條件 將裝有樣品的頂空瓶置于65 ℃平衡30 min。然后將老化(250 ℃,10 min)的萃取頭插入頂空瓶中吸附30 min,再將針頭插入GC-MS進樣口,250 ℃解析5 min。

1.2.5 色譜條件 色譜柱:Elite-5MS(30 m×0.25 mm×0.25 μm);升溫程序:進樣口溫度250 ℃。起始溫度65 ℃,保持2 min,以5 ℃/min升至130 ℃,再以20 ℃/min升至250 ℃,保持2 min;載氣(He,純度99.99%)流速1.0 mL/min;分流比:10∶1[3,9]。

1.2.6 質譜條件 EI離子源,電子轟擊能量為70 eV;離子源溫度250 ℃;質量掃描范圍m/z 40～450。

1.3 化合物定性

將質譜圖與標準質譜圖(NIST2011)對照,并對比相關文獻進行確定。各組分相對含量按照峰面積歸一化法計算[10]。

1.4 數據處理

采用Excel 2007進行數據統計分析,采用Origin 8.0制圖。

2 結果與分析

2.1 火鍋底料炒制和熬煮過程中VCs的變化

取炒制過程中的火鍋底料測量其VCs,GC-MS總離子圖如圖1所示。炒制得到的火鍋底料,按底料∶水=1∶4熬煮火鍋底料,取熬煮過程中的火鍋湯底測其VCs,GC-MS總離子圖如圖2所示。各色譜峰按照面積歸一化法確定相應樣品中各化合物的相對含量。炒制和熬煮過程中分別最多得到53、50種VCs,包括烯類、醛類、酮類、醇類、酸及酯類等(如表2、表3所示),其中烯類和醇類化合物含量較高,各類化合物占總面積的百分比如圖3所示。

圖1 火鍋底料炒制過程中GC-MS的總離子圖

圖2 火鍋底料熬煮過程中GC-MS的總離子圖

圖3 火鍋底料炒制和熬煮過程中VCs相對含量

炒制火鍋底料的過程中(圖1),隨著炒制時間的延長,產生的VCs種類和含量都發生了變化。與火鍋底料原料相比,VCs的種類發生了較大的變化,炒制過程中VCs的含量變化較大。這可能與炒制的時間和溫度有關。

熬煮火鍋底料的過程中(圖2),VCs的種類變化不大,含量變化較大。保留時間第7、11 min左右、15 min左右的VCs含量較多,其種類和含量也完全不同于炒制的火鍋底料。這可能是底料中的香辛料等溶解的溶劑不同造成的,炒制過程中使用的是牛油,而熬煮過程中加入了食用水。另一方面,調味料所處的溫度不一樣,炒制過程中調味料所處的溫度較高,而熬煮過程中溫度相對較低,火鍋底料中的糖類物質、氨基酸受美拉德反應的影響,會生成醛類、內酯類等具有香氣的VCs。溫度越高,受熱時間越長,香氣物質越多。這些都可能對其中的VCs產生不同的影響。

從圖3中可以看出,炒制和熬煮過程中,醇類物質、烯類物質相對含量較多,尤其是醇類,炒制過程中相對含量增加,加水熬煮后其含量先降低后增加。醛類物質等炒制過程中,其相對含量先增加后降低,加水熬煮后其相對含量持續增加,但增加趨勢不顯著。酮類物質、酸及酯類物質相對含量在整個操作過程中變化相對不明顯。

2.2 火鍋底料炒制和熬煮過程中VCs的種類及成分

2.2.1 烯類 烯類物質是火鍋底料炒制和熬煮過程中重要的VCs,其化合物主要源自于脂肪酸烷氧自由基的斷裂[11]。本次實驗檢測出了多種烯類物質(炒制過程16種,熬煮過程18種,具體類別如表1,表2所示),許多種烯類物質是目前火鍋底料研究中未發現過的:d-檸檬烯是香料中的天然成分,存在于檸檬草油、松針油、香菜油,有新鮮的橙子香味及檸檬樣香氣,并在抑制活性氧和炎癥因子上有一定成效[12];松油烯常存在于小豆蔻油、芫荽油中,可由α-蒎烯異構化得到。它具有環內共軛雙鍵結構,可與親雙烯體(如乙醛、丙烯醛、丙烯腈、丁烯酮等)加成,生成具有木香、花香、草香、龍涎香、紫羅蘭香的環化產物[13];α-姜黃烯是姜科植物姜黃、生姜和郁金塊莖揮發油的主要成分,具有一定抗生育活性,且無雌激素樣和抗雌激素活性[14]。其中混旋體的α-姜黃烯有一定的抗生育活性,光學活性的(-)-姜烯避孕率近100%[15]。菖蒲烯是一種倍半萜烯,可能存在于香葉中,可調節人單核細胞樹突狀細胞的分化,增強人體內免疫應答[16]。目前通過HS-SPME檢測出來的揮發性烯類大部分具有生理活性,對人體健康有一定益處。

表1 火鍋底料炒制過程中VCs種類及含量

表2 火鍋底料熬煮過程中VCs種類及含量

火鍋底料中檢測出的多種天然烯類可構成火鍋底料的風味物成分,同時也對火鍋底料食用安全性造成一定影響。從加工過程來看,未加工的火鍋底料揮發性烯類物質含量較高,炒制階段烯類物質先急劇下降再緩慢回升,可能溫度會影響揮發性烯類物質的含量;熬煮階段,烯類物質的含量逐漸增多,說明揮發性烯類物質的含量與加工時間有關,時間越長,含量越多。

2.2.2 醛類 油脂中脂肪酸氧化降解產生直鏈醛類化合物,脂肪氧化生成六個碳原子以上醛類;美拉德反應也會產生醛[17],一些氨基酸代謝會產生醛類,比如苯丙氨酸代謝會產生苯乙醛。短鏈醛2-甲基丁醛具有很強的揮發性,其可能與牛油脂肪降解、糖類代謝或蛋白質的分解有關[18]。

炒制過程中檢測出10種醛類,熬煮過程中檢測出12種醛類,本次實驗除了檢測出苯甲醛、苯乙醛和檸檬醛外,還有許多之前有關火鍋底料研究未檢測到的醛類(具體類別如表1、表2所示)。熬煮過程中新檢測到2種醛類:3-甲硫基丙醛和壬醛。揮發性硫化物是造成燒焦味的主要因素,也是氨基酸代謝的產物。少量的3-甲硫基丙醛具有醬香、蔥香和紅燒肉味,量多時是火鍋底料熬煮過程中的不良氣味[19]。壬醛在濃度較低時為清香味,濃度較高時為動物油脂味,是脂肪氧化的產物[20]。3-甲硫基丙醛和壬醛是亞油酸氧化的產物,都有脂肪氣味[21]。3-甲硫基丙醛和壬醛都在熬煮過程后期出現,說明熬制時間過長,會導致火鍋底料中氨基酸和脂肪的變化,改變營養價值。

2.2.3 酮類 炒制過程中檢測到3-羥基-2-丁酮、(-)-α-側柏酮兩種,3-羥基-2-丁酮在炒制過程中呈下降趨勢,(-)-α-側柏酮呈上升趨勢,如表1所示。熬煮過程中檢測到香芹酮,其含量隨著熬煮時間的延長而降低。

3-羥基-2-丁酮廣泛存在于覆盆子、咖啡、奶油、可可等物質中,具有甜香、奶制品香,并帶有脂肪味[22],其引起的香味只存在于炒制過程中,熬煮過程未發現。(-)-α-側柏酮是萜類化合物,具有濃郁的特殊香氣,但動物實驗表明,其有輕度致抑郁的作用[23]。(-)-α-側柏酮是在加熱炒制過程中逐漸出現的,可能與物質的轉化有關,其機理有待進一步研究。香芹酮是一種呈香芹味的VCs,存在于茴香、蒔蘿籽、葛縷子中,對食源性細菌有強烈的抑制作用[24]。

2.2.4 醇類 醇類是火鍋底料中含量最多的VCs,主要來源于脂肪的氧化分解[1]。炒制過程中主要是直鏈飽和醇類,熬煮過程主要是不飽和醇類,如表1、表2所示。直鏈飽和醇例如異丁醇、正戊醇、異戊醇,其閾值較高,對風味影響不顯著,其含量也隨著炒制過程逐漸降低。不飽和醇類,比如桉葉油素、芳樟醇、苯乙醇、2-茨醇、4-萜烯醇、α-松油醇、2-亞芐基丙二醇、L-香芹醇等閾值較低,對風味的形成貢獻較大[3]。

醇類物質相對含量隨著炒制時間延長而增多,而熬煮過程受到湯底影響其相對含量下降后逐漸回升,說明兩種工序加工過程中,油脂一直被氧化分解。在火鍋底料熬煮過程中,乙醇對去腥、去臭有一定幫助。糠醇由糠醛轉化生成,其來自于底料中聚戊糖的裂解產物,是一種致癌物[25]。2-茨醇具有樟腦氣味,較易升華,主要來源于香料中。

2.2.5 酸及酯類 炒制過程只檢測出了低分子質量的酸類物質:乙酸,其含量隨著炒制時間的延長而減少,熬煮過程完全消失。由于原料中未發現乙酸的出現,說明其可能是油脂中的天然物質。

炒制過程檢測出了4種酯類,熬煮過程檢測出了3種酯類,具體如表1、表2所示。其中乙酸乙酯出現在未炒制及炒制前期和熬煮第50 min時期。乙酸乙酯是具有水果香味的VCs,可以賦予火鍋底料愉悅的香氣,在酯化反應中,乙醇和乙酸反應可生成乙酸乙酯。實驗表明(表1),乙酸乙酯相對含量與乙酸相對含量呈反比,這可能是酯化反應的影響。肉桂酸乙酯存在于水果和葡萄酒等中,具有水果香氣。在熱源下,可由肉桂醛和乙醇酯化生成,具有一定的抗促癌作用[26]。熬煮過程中,肉桂酸乙酯的含量持續增加,這可能與肉桂醛的含量變化有關。

2.2.6 其他 炒制和熬煮過程還檢測出少量苯類、肟類、醚類、萘類化合物等,具體如表1、表2所示。其中鄰-異丙基苯在兩個加工過程中皆有較高含量;草蒿腦在熬煮過程中含量逐漸增多,草蒿腦不溶于水,溶于有機溶劑,存在于香料特別是茴香中,有香料的特征香氣[27]。熬煮過程才檢測到草蒿腦,這可能是草蒿腦的溢出與時間和溫度都有關系。芐基肼是一種毒性物質,主要用于制藥[28]。炒制過程未發現芐基肼,熬煮前段檢測出了芐基肼,說明熬煮時間越長,肼的含量越低。茴香腦又名茴香烯,是一種易揮發的簡單化合物,常存在于果實中,特別是八角茴香中。茴香腦具有一定甜味,同時也是殺蟲劑,可有效預防和治療與神經系統有關的疾病,與骨骼肌、心血管、糖尿病、胃腸道疾病和傷口愈合等有關[29]。

火鍋底料烹飪過程中,有大量的VCs產生,其中絕大部分與火鍋的香氣有關,構成了火鍋底料醇厚的氣味。這些物質要么來源于香料中的精油,要么來源于有關油脂的氧化降解,要么是復雜化學反應的產物。在這個過程中,也產生了極少量的有毒有害物質,有可能增加火鍋食用的未知風險。

3 討論與結論

通過HS-SPME的方法富集火鍋底料炒制和熬煮過程中的VCs,再結合GC-MS對物質進行分析,結果表明:炒制過程共檢測分析到53種VCs,熬煮過程共檢測分析到50種VCs,其種類包含烯類物質(主要是萜烯類)、醇類物質、醛類物質、酮類物質、酸及酯類物質,還有少量的醚類、烴類等。

烯類物質是火鍋底料烹飪過程中相對含量較多的一類物質,其含量隨著炒制和熬煮的過程不斷變化,但種類變化不大。熬煮后期,烯類物質含量最多,氣味最濃郁。這可能是采用牛油為油脂制作火鍋底料所致,熬煮時間越久,脂肪酸烷氧化程度越高,形成的烯類物質越多。醛類物質是火鍋底料中營養物質分解代謝產生的,炒制過程中醛類物質含量波動較大,熬煮過程醛類物質逐漸增多,說明加工時間越長,火鍋底料的營養價值下降越多。酮類物質在炒制和熬煮過程中都較少,其相對含量也基本不變,說明加熱溫度和加熱方式,不會影響酮類物質在火鍋湯底中的含量。閾值最低的酯類物質在檢測到的物質中所占比例不大,但對香氣的貢獻可能較多。閾值較高的直連飽和醇類物質,如乙醇、戊醇等,雖然其相對含量較高,但對香氣的貢獻可能較低[30]。具體貢獻有待進一步研究。

火鍋底料炒制過程中檢測到的有害VCs較少,糠醇是其中一種,其急性毒性經大鼠口服為LD50:275 mg/kg;小鼠口服為LC50:160 mg/kg,屬中等毒類[31]。炒制后期檢測出糠醇,說明炒制時間越久,其產生的積累越多。和人們實際預想的不一樣,熬煮過程中有毒物質芐基肼出現在熬煮前期,熬煮時間越長,芐基肼含量越低,最終完全消失,說明熬煮時間越長,有害成分可能越少(僅考慮VCs)。

綜上,基于HS-SPME-GC-MS分析麻辣火鍋底料炒制和熬煮過程中VCs的變化是一種較可靠的方法,實驗發現加工方式及時間會影響火鍋底料VCs的種類和含量。就有害物質而言,炒制時間越長,有害物質越多;而熬煮時間越長,則有害物質越少;但是由于本實驗測定的物質含量為相對含量,所以這些有害物質的含量是否達到對火鍋底料食用安全性產生影響的程度,還有待進一步的研究。從營養方面考慮,加熱時間越長,可能越不利于營養物質的保存。因此,人們食用麻辣火鍋的時候,適當炒制和熬煮是較合理的加工方式。