美拉德反應改善香菇柄酶解液的風味

劉培基，崔文甲，王文亮，弓志青，楊正友

1(山東省農業科學院 農產品研究所，山東省農產品精深加工技術重點實驗室，農業農村部新食品資源加工重點實驗室，山東 濟南，250100)2(山東農業大學 生命科學學院，山東 泰安，271000)

香菇是我國產量最大的食用菌，具有特殊的鮮香風味[1]。香菇是一種藥食兩用的真菌[2]，不僅含有蛋白質、氨基酸、維生素和礦物質等多種營養成分，有促進人體新陳代謝、提高機體適應力的功效[3]，還富含核苷酸、有機酸等多種呈味物質，可以作為開發食用菌調味品的原料。但目前香菇主要以鮮食、粗加工為主，產品附加值低[4]。在香菇的加工過程中，風味和滋味都是重要的考慮因素，香菇的特征風味物質有二甲基三硫、二甲基二硫、1-辛烯-3-醇、3-甲基丁醛、己醛、2-甲基丁醛、1-庚烯-3-酮、E-2-壬烯醛、(E，E)-2，4-壬二烯醛和 2-十一酮10種揮發性成分，其中1-辛烯-3-醇又稱蘑菇醇，可以散發出特有的蘑菇香氣[5]，香菇的特征滋味物質主要是香菇中的鮮味氨基酸和鮮味核苷酸[6]。香菇經過酶解，更易釋放其帶有菇香的風味物質[7]。費英敏等[8]使用木瓜蛋白酶對香菇進行酶解，通過研究發現香菇中香味成分主要是香菇酸分解生成的香菇精，另外還含有水溶性鮮味物質，因此可用作食品調味品。但是，香菇酶解液存在苦、澀等不良風味[9]。美拉德反應可以減少香菇酶解液中不良風味，產生令人愉悅的香味。與香菇在酶解工藝方面的研究相比，目前香菇等食用菌通過美拉德反應進行加工和利用的研究還比較少。

美拉德反應會改善食品的風味，產生誘人的色澤，是提升物質功能和特性的一種改性方式[10]。美拉德反應廣泛存在于食品工業中，這種褐變反應不是在酶的作用下發生的，所以又被稱為非酶褐變反應。它是由羰基化合物(還原糖類)和氨基化合物(氨基酸和蛋白質)在常溫或加熱時發生的一系列反應，經過復雜的歷程最終生成棕色甚至是黑色的大分子物質擬黑素或稱類黑精[11]。還原糖種類及添加量、反應時間、反應溫度和初始反應系統pH在美拉德反應中都有非常重要的影響[12]。馮濤等[13]采用固相微萃取-氣相色譜-質譜聯用技術(solid phase micro extraction-gas chromatography-mass spectrometer，SPME-GC-MS)，研究其揮發性風味化合物，發現L-阿拉伯糖分別與4種氨基酸反應均產生具有烤香和可可香的風味化合物。因此，研究不同還原糖對美拉德反應產物風味物質及特性的影響成為當前熱點。

本實驗以吸光度和感官評價作指標，對香菇柄酶解液美拉德反應工藝進行優化。香菇柄是香菇在生產加工過程中的下腳料，由于口感較差，往往被當作廢物處理，造成浪費[14]，香菇柄與香菇含有相同的營養物質，且纖維素含量比香菇蓋中還要高[15]。目前，把香菇柄酶解液與美拉德反應相結合制備風味獨特菇香風味的調味料引起人們關注。本研究采用的氣相離子遷移譜(gas chromatography-ion mobility spectrometry，GC-IMS)，樣品不需要前處理，會先利用氣相色譜對樣品進行分離，直接對樣品進行頂空進樣分析，再使用IMS檢測器檢測得到樣品的揮發性組分信息，形成指紋圖譜。通過圖譜可以分析香菇柄酶解液美拉德反應產物的風味特性變化，為香菇柄的精深加工和應用提供了理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新鮮帶柄香菇，濟南市歷城區桑園路華聯超市。

風味蛋白酶(20 U/mg)、菠蘿蛋白酶(300 U/mg)、纖維素酶(400 U/mg)，食品級，上海源葉生物科技有限公司；D-木糖、果糖、葡萄糖、蔗糖、甘露糖、麥芽糖，山東西王糖業有限公司；檸檬酸，鄭州鄭亞化工產品有限公司；檸檬酸鈉,濰坊英軒實業有限公司。

GZX-9240MBE型電熱鼓風干燥箱，上海博迅實業有限公司醫療設備廠；ZN-20L型小型粉碎機，北京興時利和科技發展有限公司；SHZ-A型水浴恒溫振蕩器，上海博迅醫療生物儀器股份有限公司；SG2型便攜式pH計，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；1260型高效液相色譜儀，Agilent公司；UV-6100型紫外分光光度計，上海元析儀器有限公司；Centrifuge 5804R型離心機，德國Eppendorf生命科學公司；Agilent 7890N/5975氣質聯用(GC-MS)儀，美國 Agilent公司；20 mL頂空鉗口樣品瓶、固相微萃取裝置、50/30 μm DVB/CAR/PDMS萃取頭，美國Supelco公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 香菇柄酶解液的制備

新鮮的帶柄香菇，取下末端帶根的香菇柄。香菇柄切片并放入電熱鼓風干燥箱中烘干，用小型粉碎機將干香菇進行粉碎，過100目篩。采用實驗室前期確定的復合酶解工藝進行制備[16]。酶解條件為料液比1∶15(g∶mL)，酶添加量為0.72%(質量分數)，m(風味蛋白酶)∶m(菠蘿蛋白酶)∶m(纖維素酶)=20∶2∶1，時間2 h，58 ℃。酶解結束后在100 ℃下滅酶10 min，7 000 r/min離心20 min，取上清液，得到香菇酶解液。

1.2.2 美拉德反應改良香菇柄酶解液風味反應條件的確定

1.2.2.1 還原糖種類及配比對酶解液美拉德反應產物風味的影響

取制備好的香菇柄酶解液40 g，分別添加木糖、果糖、葡萄糖、蔗糖、甘露糖、麥芽糖4 g，調節pH值至6，110 ℃條件下進行美拉德反應，反應時間為120 min，冷卻后進行感官評定。

1.2.2.2 確定蔗糖與果糖最佳配比

取制備好的香菇柄酶解液40 g，分別添加入4 g復配還原糖(果糖和蔗糖添加質量比分別為1∶4、1∶2、1∶1、2∶1、4∶1)進行實驗，冷卻后進行感官評定。

1.2.2.3 美拉德反應條件單因素試驗

取制備好的香菇柄酶解液40 g，加入復配還原糖(果糖和蔗糖質量比為1∶2)進行美拉德反應，冷卻后進行感官評定。考察不同美拉德反應條件：還原糖添加量(6%、8%、10%、12%、14%)(質量分數)，初始pH值(5、5.5、6、6.5、7)，反應溫度(80、90、100、110、120 ℃)，反應時間(80、90、100、110、120 min)對酶解液的影響。

1.2.2.4 正交試驗優化美拉德反應條件

如表1所示，在單因素試驗的基礎上，分別以感官評分和A420為指標，選取溫度、時間、pH值和還原糖添加量為因素，設計進行4因素3水平正交試驗，對香菇柄酶解液美拉德反應條件進行優化。

表1 正交試驗L9(34)因素水平表Table 1 Factors and levels for orthogonal experimental design

1.2.3 美拉德反應產物的感官評價

請6名(3男3女)受過專業訓練的感官評定員組成感官評定小祖，對本實驗的樣品進行感官評定鑒評并進行打分。本實驗通過嗅覺及味覺對待測產物的風味特性進行評分，從腥糊味、香味、苦澀味、鮮甜味及醇厚感5個方面進行感官評價，評分標準如表2所示。

表2 感官評價標準Table 2 Sensory evaluation criteria

1.2.4 美拉德反應程度的測定

香菇酶解液在420 nm吸光度值反映了香菇酶解液中美拉德反應程度的高低[17]。將美拉德反應產物稀釋10倍，以超純水為空白，在420 nm處測其吸光度值，對其美拉德反應的褐變程度進行檢測。每次檢測做3組平行，實驗結果取平均值。

1.2.5 氨基酸分析

參照崔文甲等[18]的方法進行測定。

1.2.6 有機酸的測定

參照李曉[19]的方法進行測定。

1.2.7 揮發性化合物的測定

1.2.7.1 氣相色譜離子遷移譜聯用技術測定方法

取2 mL樣品放入20 mL頂空進樣瓶中，40 ℃孵化10 min，用氣相離子遷移譜儀FlavourSpec?進行測試，G.A.S.開發的功能軟件分析酶解液和最優工藝美拉德反應產物(Maillard reaction products，MRPs)中揮發性有機物，得到差異圖譜；通過軟件內置的NIST數據庫和IMS數據庫對比，可對物質進行定性分析。

1.2.7.2 氣相離子遷移譜實驗條件

分析時間20 min；色譜柱類型FS-SE-54-CB-1，15 m，ID 0.53 mm；柱溫60 ℃；載氣流量分別為0～2 min，2 mL/min；2～10 min，2～20 mL/min；10～15 min，20～100 mL/min；15～20 min，100 mL/min；漂移氣流量150 mL/min；載氣/漂移氣N2；IMS溫度45 ℃；進樣針溫度45 ℃。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 還原糖種類對香菇酶解液美拉德反應產物風味的影響

本研究選取了木糖、果糖、葡萄糖、蔗糖、甘露糖和麥芽糖作為反應的還原糖。如圖1所示，果糖組及蔗糖組鮮味、甜味方面感官評分較高。美拉德反應后多種風味物質相互協調[20]、共同作用，使果糖和蔗糖參與的MRPs擁有豐富的口味層次感，在醇厚感及味覺豐富度得分較高。

a-木糖;b-果糖;c-葡萄糖;d-蔗糖;e-甘露糖;f-麥芽糖圖1 不同還原糖對MRPs感官評價得分的影響Fig.1 Effects of different reducing sugars on sensory evaluation scores of MRPs

由表3可知，在6組實驗中，蔗糖作為還原糖參與反應產生的MRPs液感官評定總分最高，其次是果糖組。將MRPs在420 nm處的吸光度分析及感官評定結果分析相結合，發現果糖組在吸光度值和感官評定總分方面都達到較高水平。木糖、蔗糖及甘露糖組在感官評定總分都十分突出，蔗糖組在鮮味、甜味、醇厚感、味覺豐富度及感官評定總分等幾個方面的得分均為最高，且成本低于甘露糖。所以最終選擇蔗糖及果糖進行還原糖復配，復配工藝可以使優勢互補，感官評定各個方面都達到較高水平。

表3 不同還原糖對MRPs吸光值(420 nm)及感官評價總分的影響Table 3 Effects of different reducing sugars on MRPs absorbance value (420 nm) and sensory evaluation total score

2.1.2 還原糖復配比例對香菇酶解液美拉德反應產物風味的影響

由圖2和表4可知，蔗糖與果糖不同配比情況下，感官評分變化較為明顯。當蔗糖與果糖的添加質量比為2∶1時，酶解液的感官評價總分最高，綜合口感很好，且在A420也處于較高水平，美拉德反應程度較好。綜合考慮，選擇蔗糖與果糖質量比為2∶1為較好的復配比例。

2.1.3 還原糖添加量對香菇酶解液美拉德反應產物風味的影響

美拉德反應主要是還原糖與氨基酸之間的反應，所以還原糖添加量對于美拉德反應產物的風味有較大影響。由圖3可知，隨著還原糖添加量的增加，美拉德反應程度總體呈現增大趨勢；當還原糖添加量大于10%(質量分數)，會產生腥味、糊味等不良風味，感官評價總分急劇下降。綜合考慮，選取10%(質量分數)為最優還原糖添加量。

圖2 蔗糖與果糖添加比例對MRPs感官評價總分的影響Fig.2 Effect of sucrose and fructose ratio on sensory evaluation score of MRPs注:不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)(下同)

表4 蔗糖與果糖添加比例對MRPs吸光值(420 nm)及感官評價總分的影響Table 4 Effects of sucrose and fructose addition ratio on MRPs absorption value (420 nm) and sensory evaluation total score

2.1.4 反應時間對香菇酶解液美拉德反應產物風味的影響

由圖4可知，隨著反應時間的增加，MRPs在420 nm處的吸光度值持續增加，美拉德反應程度增大。在選定的反應時間范圍內，MRPs感官評價總分呈現先上升再下降的趨勢，當反應時間為110 min時，感官評價總分最高。所以選取110 min為最優的美拉德反應時間。

圖3 還原糖添加量對MRPs感官評分及吸光度值(420 nm)的影響Fig.3 Effect of reducing sugar content on sensory score and absorbance (420 nm) of MRPs

圖4 反應時間對MRPs感官評分及吸光度值(420 nm)的影響Fig.4 Effect of the reaction time on sensory score and absorbance (420 nm) of MRPs

2.1.5 反應溫度對香菇酶解液美拉德反應產物風味的影響

由圖5可知，隨著反應溫度的增加，MRPs在420 nm處的吸光度值增加，美拉德反應程度增大。MRPs感官評價總分隨著溫度的增加，呈現先上升再下降的趨勢，在100 ℃條件下，MRPs感官評價總分最高。所以選取100 ℃為美拉德反應的最優溫度。

圖5 反應溫度對MRPs感官評分及吸光度值(420 nm)的影響Fig.5 Effect of the reaction temperature on sensory score and absorbance (420 nm) of MRPs

2.1.6 反應體系初始pH對香菇酶解液美拉德反應產物風味的影響

由圖6可知，選取的初始pH處于弱酸和弱堿范圍內，隨著反應體系初始pH不斷提高，MRPs的感官評價總分先上升再下降，當初始pH值為6時，感官評分最高，且吸光度值最高，美拉德反應程度最大。綜合考慮，選取反應體系初始pH值為6。

圖6 pH對MRPs感官評分及吸光度值(420 nm)的影響Fig.6 Effect of pH on sensory score and absorbance (420 nm) of MRPs

2.2 正交試驗結果

通過單因素試驗結果，選擇溫度、時間、初始pH值和還原糖添加量為影響因素，設計正交試驗，對香菇柄酶解液美拉德反應工藝進行優化。根據表5中各因素極差大小可知,4個因素對MRPs感官評分的影響順序為溫度(A)>pH(C)>時間(B)>還原糖添加量(D)，根據因素間感官評價總分和極差分析，還原糖添加量、反應時間、反應溫度、初始pH值皆對酶解液感官品質影響顯著(P<0.05)，最優組合為A2B2C1D2，即反應溫度為100 ℃，反應時間為110 min，初始pH為5.5，還原糖添加量為10%(質量分數)。在此條件下，重復3次實驗，最后測得A420為0.347 6，美拉德反應程度較高，感官評價總分為21.33，風味較好。

表5 正交試驗結果Table 5 The result of orthogonal experimental

2.3 游離氨基酸種類及含量分析

由表6可知，甜味氨基酸和無味氨基酸含量有少量增加，鮮味氨基酸含量有所降低，苦味氨基酸含量則明顯降低。游離氨基酸不僅在食品的營養功效中發揮著重要作用，也是重要的滋味成分和氣味前體物質[21]，還可以與食品體系中的其他成分協同作用，影響食品風味。在美拉德反應中，部分氨基酸作為美拉德反應的前體物質參與反應，導致了其含量的減少，但這部分氨基酸會轉變成為其他呈味物質，繼續影響酶解液的風味[22-23]。美拉德反應后，谷氨酸含量均有所提高，說明美拉德反應并未破壞原料中的谷氨酸，保留了酶解液原有的鮮味[24-25]。美拉德反應后，呈味氨基酸占總游離氨基酸的比率(delicious amino acids/total free amino acid，DAA/TFAA)有所減少，主要是由于苦味氨基酸含量大量減少，酶解液苦味也明顯降低。

表6 美拉德反應對香菇柄酶解液中游離氨基酸含量的影響Table 6 Effect of Maillard reaction on the content of free amino acids in Lentinus edodes enzymatic hydrolysis solution

2.4 有機酸種類及含量的分析

由表7可知，經美拉德反應后，酶解液中有機酸有明顯變化。其中酒石酸、檸檬酸、丁二酸、馬來酸的含量明顯增加，這是由于在美拉德反應中，酶解液中的香菇細胞結構遭到破壞，使有機酸完全釋放到MRPs中，導致其含量升高[26]。草酸、蘋果酸、乳酸和富馬酸含量降低，可能是由于在美拉德反應的高溫條件下，酶解液中的這些有機酸發生氧化，或者是在加熱過程中發生脫羧反應[27]。

表7 美拉德反應對香菇柄酶解液中有機酸含量的影響Table 7 Effect of Maillard reaction on the content of organic acid in the enzymatic hydrolysate of mushroom stalk

2.5 氣相離子遷移譜分析揮發性風味物質

通過GC-IMS對美拉德反應后香菇酶解液中的揮發性風味物質進行分析，結果如表8所示。共檢測出37種揮發性化合物，包括醛類、酮類、醇類、酸類、脂類、雜環化合物及醚類。

表8 酶解液及MRPs中的揮發性風味物質的鑒定結果及分析[28-34]Table 8 Identification and analysis of volatile flavor substances in enzymatic hydrolysate and MRPs

圖7為具有明顯差異的美拉德反應前后酶解液的VOCs離子峰圖，美拉德反應前后的酶解液具有共同的VOCs，但部分風味物質濃度明顯不同。圖中的每一行為一個樣品，由該樣品所含的全部VOCs信號峰組成；每一列為同一保留時間及漂移時間下的有機物(不同樣品中相同的物質)的信號峰。反應后組的樣品為在前文所述正交實驗吸光度值最優條件和感官評價最優條件下的美拉德反應產物。從指紋圖中縱向對比可以看出，虛線框區域中的風味物質有庚醛、二甲基二硫、二甲基三硫、3-辛酮和異戊醇等帶有魚腥、臭味等刺激性不良風味，經過美拉德反應，MRPs中這些物質的濃度明顯減少甚至消失，腥味減輕，與前文感官評價中結果一致。同時MRPs中產生了大量新的風味物質，其中，實線框區域的風味物質為香菇柄酶解液-蔗糖-果糖體系的MRPs的特征風味物質，其中包括乙醇、環己酮、丙酮、2-甲基吡嗪和2-乙酰基吡咯等，這些風味物質帶有香甜氣息及烤香風味，對樣品整體風味有明顯的改善。實驗結果表明，香菇酶解液通過美拉德反應，減少了二甲基二硫、二甲基三硫等物質帶來的刺激性氣味，保留了香菇的特征香氣，并通過美拉德反應生成的2-甲基吡嗪和2-乙酰基吡咯等物質給酶解液帶來烤香等香味，使香菇酶解液的風味達到令人更易接受的程度，為進一步開發香菇天然調味料提供研究基礎。

圖7 香菇酶解液美拉德反應前后GC-IMS圖譜中VOCs的指紋圖譜Fig.7 Fingerprint of VOCs in GC-IMS before and after Maillard reaction of Lentinus edodes enzymatic hydrolysate注：“1～15”代表樣品在GC-IMS檢測到的但還未被識別出種類的風味化合物

圖8為香菇柄酶解液及其美拉德反應產物的主成分分析(principal components analysis，PCA)結果。用GC-IMS獲得的美拉德反應前后酶解液樣品的PCA結果，清楚地顯示了在美拉德反應前后香菇酶解液樣品之間的分離結果。酶解液和MRPs得到很好的區分，在風味上有明顯差異。主成分1和主成分2的累計貢獻率高達99%，通過二維平面數據點圖的分布及情況可以直接看出美拉德反應前后酶解液的差異性。隨著美拉德反應的進行，樣品在PCA圖中從左到右分布，差異性較大，結合感官評價，說明美拉德反應對香菇柄酶解液的風味具有改善作用。

圖8 香菇酶解液美拉德反應前后基于GC-IMS的PCA分析Fig.8 PCA analysis of Lentinus edodes enzymatic hydrolysate before and after Maillard reaction was based on GC-IMS

3 結論

為獲得擁有特征風味的香菇風味基料，提高香菇柄的利用率，對美拉德反應體系還原糖進行復配工藝，并對體系最終產物進行風味分析。確定了美拉德反應改良香菇酶解液風味的工藝條件為選用果糖與蔗糖復合添加，復合質量比1∶2，添加質量分數10.0%，反應體系初始pH值為5.5，100 ℃反應110 min。經美拉德反應后，擁有不良風味的庚醛、二甲基二硫、二甲基三硫、3-辛酮和異戊醇等物質含量明顯減少甚至消失，并生成了MRPs的特征風味物質乙醇、環己酮、丙酮、2-甲基吡嗪和2-乙酰基吡咯等，為體系帶來特殊的香甜氣息和烤香風味。美拉德反應對香菇柄酶解液的風味有明顯改良作用，反應后的酶解液風味得到了較大改善，腥味減弱，鮮香味濃郁，為香菇風味調味料的開發提供了理論支持。