玉米油加熱過程中揮發性物質形成機制

程琨雅,杜冰，付月，寶宇翔，肖琳，王繽晨，耿宇鳳，董亮*

1(大連工業大學 食品學院，遼寧 大連，116034)2(國家海洋食品工程技術研究中心，遼寧 大連，116034) 3(大連工業大學 紡織與材料工程學院，遼寧 大連，116034)4 (沈陽市化工學校，遼寧 沈陽，110122)

植物油是人類重要的食物，也是人體必需脂肪酸的主要來源，它不僅為人類提供營養，還能提供能量。玉米油是一種人們常食用的植物油，具有很高的營養價值[1-2]。研究表明，玉米油中含有0.77%的植物甾醇，可以減少人體對膽固醇的吸收。同時玉米油是必需脂肪酸的極好來源，其含量超過600 g/kg，主要以亞油酸(C18∶2)為代表。盡管玉米油的不飽和程度很高，生育酚含量也相對較高，約為1 g/kg。其中γ-生育酚占70%～80%，α-生育酚占20%～25%，δ-生育酚占3%～5%[3]。實驗表明玉米油對唐氏綜合癥小鼠有積極的治療作用[4]。

在世界范圍內，尤其是在中國，使用玉米油進行油炸是一種常見的食品熱加工烹飪方法，而相關的油炸食品也深受廣大消費者的喜愛。同時，其他的熱加工也是玉米油主要的食用方式。研究表明，加熱過程是煎炸油和油炸食品風味形成的關鍵操作過程，在此過程中，玉米油中的不飽和脂肪酸氧化被認為是揮發性物質的主要來源，這些揮發性物質構成了油炸食品的風味，包括香味和不和諧的風味，特別是不和諧的風味物質是引起油炸食品酸敗的主要原因[5]。近年來，研究人員在煎炸油和油炸食品中的異味成分構成和特征方面進行了大量的研究工作，研究發現在煎炸油和油炸食品的的尾氣中檢測出大量的揮發性醛類物質，如：己醛、庚醛和戊醛等，這些醛類通常給人帶來不快的腐臭味道且縮短油炸食品的保質期，并影響消費者對相關食品的接受度[6-7]。研究同時發現，在常溫條件下長期放置的玉米油及其相關食品，由于自氧化、光敏氧化生成的醛類也是其不和諧風味及相關食品風味劣化的主要原因[8-10]。

鑒于此，為了探究玉米油在熱加工特別是油炸過程中風味的形成機制，本文應用真空輔助固相微萃取(solid-phase microextraction，SPME)技術分析檢測加熱過程中不同溫度段玉米油揮發性物質的構成，從而揭示熱加工過程中不同溫度段風味的形成和特點，進而闡明玉米油熱加工過程風味形成的機制，為油脂熱加工過程中風味的人工調控提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

玉米油，遼寧省大連市當地超市；標準化學品:戊醛、己醛、庚醛、辛醛、糠醛、1-戊三醇、戊醇、己醇、庚醇、辛醇、甲苯、乙苯、對二甲苯、苯乙烯、2-戊呋喃和C4-C20正構烷烴(均為分析純)，美國Sigma-Aldrich(上海)公司。

1.2 實驗儀器

Supelco 50/30 μm DVB/CAR/PDMS 手動固相微萃取(SPME)萃取頭，美國 Supelco 公司；Agilent 7890A/5975C 氣相色譜質聯用儀，美國安捷倫科技有限公司；BS224S 電子分析天平，德國賽多利斯科學儀器；HH-4 型數顯恒溫水浴鍋，常州智博瑞儀器制造有限公司。

1.3 實驗方法

應用真空輔助固相微萃取系統對玉米油進行升溫和揮發物的收集，該系統已經應用于本課題組的前期研究工作中，并成功的揭示了小麥粉和大豆油在熱加工過程中揮發性物質形成的規律[11-12]。裝置如圖1所示，取0.1 g的玉米油放置在樣品瓶1中，將樣品瓶1置于油浴中，初始溫度為30 ℃，加熱30 min。同時將樣品瓶2置于70 ℃的水浴鍋中恒溫加熱。待玉米油揮發性化合物達到飽和狀態，將樣品瓶2抽真空3 min達到負壓狀態。利用樣品瓶2中產生的負壓將樣品瓶1中的揮發性化合物通過聚四氟乙烯管導入到樣品瓶2中，將SPME萃取頭置于樣品瓶2中的玉米油揮發性化合物吸附30 min，完成揮發性物質的萃取吸附，隨即立刻插入到GC-MS進樣口中進行檢測，并將2號瓶取出，更換新瓶，用真空泵將瓶抽到負壓，等待下一溫度下揮發性化合物的引入。同時，樣品瓶1繼續加熱到下一個溫度，然后用真空泵將樣品瓶1抽真空3 min，以清除上一個溫度段殘留在瓶中的揮發性化合物，進而消除對下一溫度段產生的揮發性化合物的干擾。重復上述操作，將玉米油加熱至60、90、120、150和180 ℃。

1.4 色譜條件

采用Agilent 7890A GC-MS5975C色譜儀， Agilent HP -5MS (30 m×0.25 mm，0.25μm)色譜柱；程序升溫：初始度30 ℃，保留時間為3 min，以 5 ℃/min的速率升至280 ℃，320 ℃后運行5 min，整個周期時間為52 min。進樣口溫度250 ℃；檢測器250 ℃；質量選擇檢測器溫度250 ℃；載氣氦氣，流速1 mL/min。EI電離源，電子能量為70 eV；離子源溫度230 ℃；掃描范圍40～400 amu，選取Scan模式。四極桿檢測器溫度150 ℃。以相同氣色譜條件檢測正構烷烴 (C7-C30)，計算保留指數。采用NIST11譜庫檢索及比對文獻報道的RI值，保留匹配度大于或等于800的成分，對化合物進行鑒定分析，然后通過和標準化合物進行比對，最終確定化合物的種類。

1.5 統計分析

1.5.1 顯著性分析

對玉米油中揮發性風味成分的測定進行了3次重復試驗。數據以均數±標準誤差表示。采用SPSS 16.0軟件進行統計分析。均數間的差異采用單因素方差分析(鄧肯多變量檢驗)。P<0.05表示差異顯著。

1.5.2 主成分分析

主成分分析(principal component analysis， PCA)，是將高維變量轉化為低維變量的一種多元統計分析方法，是一種多重數據分析技術。使用 Unscrambler 9.7對半連續加熱過程中不同溫度下玉米油的揮發性物質進行主成分分析，檢驗其重復以及各化合物分布區域和所起的貢獻。

2 結果與分析

2.1 加熱過程中玉米油中揮發性化合物的組成

基于色譜峰質圖與NIST標準質譜庫標準譜圖以及標準化合物綜合比對，玉米油加熱過程中，共定性分析檢測到了52種揮發性物質，包括醛(21種)、酮(8種)、醇(9種)、呋喃(3種)、酸和酯(8種)和芳香化合物(3種)，如表1所示。

由表1可以看出，醛類物質在所鑒定出的物質中比例最大，是玉米油揮發性風味物質的主要構成成分，共鑒定出8種飽和醛(戊醛、己醛、庚醛、辛醛、壬醛、癸醛、十一醛、十二醛)，9種烯烴醛[(E)-2-己烯醛，(Z)-2-庚烯醛，(E)-2-辛烯醛，(E)-2-壬烯醛，(E)-2-癸烯醛，(Z)-2-壬烯醛，2-十一烯醛，(Z) -4-庚烯醛，(E)-4-壬烯醛]，3種二烯醛[(E,E)-2,4-庚二烯醛，(E,E)-2,4-辛二烯醛，(E,E)-2,4-癸二烯醛]。揮發性醛類是油脂氧化產生的主要的揮發性風味物質，其風味閾值相對較低[13-15]，一般低濃度的揮發性醛通常賦予食品一定的麥香、奶油味以及焦糖味等香氣，而高濃度的醛則帶有濃烈的溶劑味，人們俗稱“哈喇味”，因此調節和控制揮發性醛類的生成對改善相關食品的風味有重要的意義。研究表明，醛類主要是不飽和脂肪酸熱氧化形成的產物。玉米油中亞油酸含量為59.8%，油酸25.8%，棕櫚酸11.0%，1.7%的硬脂酸和1.1%的亞麻酸。同時研究發現，加熱產生的揮發性醛主要來源于油酸、亞油酸和亞麻酸的氧化[16-18]。在醛類化合物中，壬醛主要來源于油酸，戊醛、己醛，2,4-癸二醛主要來源于亞油酸；2,4-庚二烯醛來源于亞麻酸[5]。

醇酮類化合物是繼玉米油加熱過程中鑒定出的揮發性醛類之后第二大類風味化合物，醇類包括飽和醇、不飽和醇和環狀醇。并且揮發性醇酮揮發性化合物是在150 ℃以后形成的。醇類物質的形成主要源于脂質氧化或醛類物質的還原[19]。在這些揮發性醇中， 1-辛烯-3-醇，作為一種具有蘑菇氣味的重要揮發性醇，它是亞油酸-10-氫過氧化物的分解產物。在熱加工過程如油炸過程中，亞油酸-10-氫過氧化物分解生成的2-辛烯-1-醇中羥基的位置異構化是形成1-辛烯-3-醇主要反應途徑之一[20-21]。揮發性酮是油炸食品味道的重要組成，高濃度的揮發性酮類給人帶來濃烈的溶劑味，低濃度的酮類通常帶來一定的花香；如，6-十二烷酮[22]。然而，在油炸過程中產生的揮發性酮被認為是對人體健康有潛在危害的物質。一方面，甲基酮等揮發性酮可能是飽和脂肪酸的熱過氧化產物；另一方面，在深度油炸過程中，由6-十二烯氧化分解生成的不飽和酮類，如6-十二烷酮可氧化生成其他酮類化合物[23-24]。

在玉米油加熱過程中同時檢測到了一定量的呋喃類，芳香族和酸酯類化合物，呋喃類揮發物通常帶來一定的甜香味，但是其具有一定的毒性。研究發現其與肝臟腫瘤(肝細胞腺瘤或癌)[25]和白血病[26]的發病有關。同時氧化多不飽和脂肪酸可以促進呋喃生成，且，α,β-不飽醛為烷基呋喃的前體。例如，有研究證實：(E)-4-羥基-2-壬烯醛是戊基呋喃的前體[27-28]，研究同時發現氨基酸可以催化α,β-不飽和醛轉化為烷基呋喃，相應α,β-不飽和醛是中間產物。例如，2-乙基呋喃可以由(E)-2-己烯醛通過4-羥基-2-己烯醛形成，2-丙基呋喃可以由(E)-2-庚醛通過4-羥基-2-庚醛形成[29]。由于α,β-不飽和醛是由脂肪酸氧化產生的，因此，油脂中的脂肪酸的構成影響α,β-不飽和醛轉化為相應呋喃的生成。同時實驗結果顯示,芳香族類化合物僅在60 ℃以下可以檢測到，在較高溫度下均未檢出。推測其原因是，這些化合物是油脂萃取中殘留的溶劑。酸酯類揮發物對油脂風味的影響相對較小，本研究不加以討論。

圖2 基于GC-MS的不同溫度加熱玉米油總離子流圖Fig.2 Total ion currentchromatogram of corn oil heated at different temperatures based on GC-MS

表1 玉米油在加熱過程中產生的揮發性化合物Table 1 Volatile compounds from the corn oil in the heating process

續表1

2.2 不同加熱溫度下玉米油揮發性物質的變化規律

食品的加熱過程是一個復雜的過程，伴隨著許多化學反應的發生和物質的形成。為了探索玉米油風味的形成機理，研究不同加熱溫度下產生的揮發性物質的構成非常必要。圖3直觀地展示了加熱過程中玉米油不同揮發物的形成溫度，以及各溫度段揮發性物質的構成。同時，不同溫度下各揮發性物質含量的變化以熱圖的方式加以表示，熱圖的顏色冷色系代表了化合物的含量相對較少，暖色系表示化合物含量相對較大，具體見圖4。

圖3 玉米油各揮發性物質的形成溫度Fig.3 The formation temperature of different volatile compounds

為了直觀地了解不同揮發物的形成溫度，玉米油在不同加熱溫度點的揮發物組成如圖3所示。總的趨勢表明，在較低的溫度下，只有少量醛類化合物形成；而大量的醛類、醇類、酮類和酸酯類化合物則是在較高的溫度下形成的。在30 ℃加熱時共鑒定出7個揮發物，包括醛(4種)、芳香族化合物(3種)分別為己醛、庚醛、壬醛、癸醛、甲苯、乙苯、對二甲苯。然而，這并不意味著這些化合物是在這個溫度點產生的，有可能是玉米油的基本揮發成分。隨著溫度的升高，在60 ℃和 90 ℃下分別產生了5種和2種揮發物。如圖3所示，在60 ℃下生成了辛醛、環己酮、鄰苯二甲酸二丁酯、棕櫚酸異丙酯、己二酸二(2-乙基己基)酯， 90 ℃下生成了2-戊基呋喃、1,2-苯二甲酸雙(2-甲基丙基)酯。可見低溫下生成的醛類物質基本上都是飽和醛。為了更直觀地觀察不同溫度下化合物的變化趨勢，繪制了玉米油揮發性風味物質的熱圖。結果如圖4所示。熱圖的顏色由冷逐漸變熱。圖3顯示了醛類、醇類和酮類、呋喃類、芳香族化合物和酸類酯的熱圖。從圖4也可以看出，除芳香族化合物外，大多數揮發性化合物的顏色隨著溫度的升高由冷逐漸變熱。

圖4 不同加熱溫度下玉米油揮發性物質熱圖Fig.4 Heatmaps of corn oil compounds in the course of heating

如圖3所示，在150 ℃下生成的揮發性化合物有23種，包括醛(9種)、酮(3種)、醇(7種)、呋喃(1種)、酸酯(3種)，其中在加熱過程中生成的醛和醇化合物最多，如戊醛、(Z)-2-庚醛、(E)-2-辛烯醛、(E,E)-2,4-辛二烯醛、(E)-2-壬烯醛和(E,E)-2-4-癸二烯醛。油脂的黃油味和總體氣味與己醛、庚醛、戊基呋喃呈負相關。油脂的酸臭和油漆味與戊醛有關。魚腥味和豆腥味與(E,E)-2-4-癸二烯醛呈中度相關。油脂的草味、酸味、油漆味和丙烯醛味與己醛、庚醛、庚醛和戊基呋喃呈顯著正相關。此外，己醛是一種已知的脂質氧化分解產物，已被用作各種油脂氧化的指標。同時，由圖3可以看出，在此溫度點，己醛、庚醛、(Z)-2-庚醛和2-戊基呋喃的濃度也顯著增加。因此，在整個加熱過程中，150 ℃被認為是形成玉米油揮發性化合物的臨界溫度點，異味開始大量釋放。120 ℃和180 ℃分別有4種和11種揮發性化合物生成，大多數酮類揮發性化合物在150 ℃下生成，酸在180 ℃下檢測。

為了更好地理解加熱過程中的玉米油風味構成和變化特性，應用所鑒定出的53種化合物的數據進行了PCA，得分圖和載荷圖分別如圖5和圖6所示。其中前兩個主要成分PC1和PC2占總變化的73.8%，PC1解釋了49.7%的變化，PC2解釋了24.1%的變化。

圖5 玉米油揮發性物質主成分分析得分圖Fig.5 Score scatter plot of volatiles from corn oil

圖6 玉米油揮發性物質主成分分析載荷圖Fig.6 Loading plot of volatiles from corn oil

如圖5所示，低溫的得分點(30、60、90、120 ℃)主要位于主成分一負載荷區域，而高溫的得分點(150，180 ℃)則位于主成分一的正載荷區。這表明低溫度時的揮發性物質的構成與高溫時有較大差異。同時，30、60、90、120 ℃的得分點彼此靠近甚至重疊，溫度較低時不同穩定點的揮發性物質的構成較為相似。對應于相應的載荷圖(圖6)，發現辛醛、壬醛、癸醛、戊醇、環己酮等化合物對低溫時的風味貢獻較大，同時，說明這些化合物是在低于120 ℃下產生的。由圖5同時可知，在較高溫度150 ℃和180 ℃下的得分點和低溫下的得分點可以明顯區分開，分布在PC1的正載荷區域，即第一象限和第四象限，這表明玉米油在高溫下和低溫下風味構成有很大的差別。對應載荷圖6，發現己醛、庚醛、(E)-2-甲基-2-丁烯醛、(E)-2-己烯醛、(E)-2-壬烯醛、2-十一烯醛、十二醛等化合物對高溫時的風味貢獻較大，同時絕大多數揮發性化合物出現在這一區域內，這也進一步表明了絕大多數揮發性化合物是在較高溫度下形成的。

當加熱溫度升高到大于120 ℃時，不同高溫點的玉米油風味構成差異也非常明顯。由圖5看出，150 ℃ 和180 ℃這2個溫度下的樣品首先因位于PC1的正載荷區域，區別于低溫度時的樣品；同時又分別位于PC2的正載荷區域和負載荷區域，由第二主成分分開。這表明150 ℃和180 ℃的揮發性物質形成既有同作為高溫度加熱條件下的相似性，也有不同加熱溫度下的差異性。并且，結合相應的載荷圖發現大多數鑒定的揮發性化合物位于 PC1的正載荷區域，這表明所有這些化合物都參與了高溫度段樣品整體風味輪廓的構成，但卻有著量上的差異。對150 ℃時的風味貢獻較大的化合物有(E)-2-壬烯醛、2-十一烯醛、正戊醇、(E)-2-辛烯-1-醇、2-己烯-1-醇、2-庚酮、2-甲基四氫呋喃、己酸戊酯等，對180 ℃時的風味貢獻較大的化合物有庚醛、(E)-4-壬烯醛、十一醛、十二醛、庚醇、3-壬烯-2-酮、6-十二烷酮等。這和圖4的結果一致，即這些揮發性化合物的含量在高溫度時處于一個基本含量較高且在增長的水平，與一些文獻中報道的油脂氧化相關的一些醇、醛類物質含量變化規律很符合。

3 結論

真空輔助頂空固相微萃取并結合氣質聯用的方法(HS-SPME-GC-MS)可以有效地分析玉米油加熱過程中不同溫度點揮發性風味物質的構成，確定了各揮發性物質形成的溫度，150 ℃是整個加熱過程一個重要的溫度控制點，基本搞清了玉米油加熱過程中風味的形成機制。