甘薯烤制過程中美拉德反應(yīng)主要成分及香味成分含量的動態(tài)變化

鄭美玲，張文潔，朱遠(yuǎn)洋，馮衍闖，徐如彥，張峻松

（1.鄭州輕工業(yè)大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.江蘇中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，江蘇 南京 210008）

甘薯別稱紅薯、番薯、地瓜，是世界上重要的糧食作物，我國是世界第一大甘薯生產(chǎn)國[1]。甘薯具有極高的營養(yǎng)價值，明朝李時珍的《本草綱目》記載：“番薯具有補(bǔ)虛乏、益氣力、健脾胃、強(qiáng)腎陽之功效”。現(xiàn)代研究表明，甘薯含有豐富的糖類、蛋白質(zhì)、維生素等，具有刺激腸道蠕動、增強(qiáng)免疫力、抗衰老等多種保健功能[2]。

甘薯經(jīng)烤制后，香甜可口、十分誘人，常作為街頭小吃，是理想的休閑食品。國內(nèi)外研究表明，烤甘薯散發(fā)的特殊烤甜香韻源于烤制過程中甘薯內(nèi)部碳水化合物的降解，其中美拉德反應(yīng)極為重要[3-6]。美拉德反應(yīng)廣泛存在于食品加工過程中，通常是還原糖與氨基化合物（氨基酸、蛋白質(zhì)等）間的縮合反應(yīng)，該反應(yīng)會產(chǎn)生醛、酮、含氧雜環(huán)類化合物等一系列揮發(fā)性香味成分[7-8]。目前，國內(nèi)學(xué)者利用這一形成機(jī)制成功研制了烤甘薯香料并驗證了其加香效果[4,9-10]。然而，對于甘薯烤制過程中美拉德反應(yīng)主要成分及揮發(fā)性香味物質(zhì)的動態(tài)變化鮮見報道。鑒于此，本文重點關(guān)注甘薯烤制過程中淀粉、糖類、氨基酸等主要成分的含量變化、淀粉酶活性變化及揮發(fā)性香味成分含量的變化，旨在揭示其動態(tài)變化規(guī)律，以期進(jìn)一步闡明烤甘薯香氣的形成機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

1.1.1 材料與試劑

龍薯9號，購于河南鄭州；3,5-二硝基水楊酸，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；氫氧化鈉、酒石酸鉀鈉、亞硫酸鈉、醋酸鉛、硫酸鈉，天津市大茂化學(xué)試劑廠；結(jié)晶酚，北京華越洋生物有限公司；蒸餾水，杭州娃哈哈集團(tuán)有限公司；鹽酸，洛陽昊華化學(xué)試劑有限公司；無水乙醇（AR），天津市富宇精細(xì)化工有限公司；乙酸苯乙酯、三乙胺、異硫氰酸苯酯（≥98%），百靈威科技有限公司；甲醇（≥99.8%），迪馬科技有限公司；濃硫酸，洛陽昊華化學(xué)試劑有限公司；可溶性淀粉、葡萄糖、果糖、蔗糖、麥芽糖，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；甲基紅、21種氨基酸標(biāo)準(zhǔn)品，上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

1.1.2 儀器與設(shè)備

7890B/5977A氣相色譜-質(zhì)譜（GC/MS）聯(lián)用儀，美國Agilent公司；1260型高效液相色譜儀（配備自動進(jìn)樣器，DAD，ELSD），美國Agilent公司；EL204電子天平（感量：0.000 1 g），Mettler-Toledo儀器（上海）有限公司；BGZ-140電熱鼓風(fēng)干燥箱，上海博迅實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠；SB-1300水浴鍋，上海愛郎儀器有限公司；SHB-3循環(huán)水多用真空泵，鄭州杜甫儀器廠；HZQ-F160全溫振蕩儀，太倉市實驗設(shè)備廠；FJ200-SH型數(shù)顯高速分散均質(zhì)機(jī)，上海標(biāo)本模型廠；TG16-WS高速離心機(jī)，湖南滬廉離心機(jī)有限公司；D-37520離心機(jī)，德國賽默飛科技有限公司。

1.2 方法

1.2.1 樣品制備

取12個大小中等（質(zhì)量約為400 g）、完好無損的甘薯，洗凈瀝干后放入烤箱，200℃下分別烤制0、15、30、45、60、75、90、105、120 min，將烤后甘薯用數(shù)顯高速分散均質(zhì)機(jī)打漿、混合均勻，待分析。

1.2.2 淀粉含量的測定

準(zhǔn)確稱取5 g甘薯樣品于50 mL離心管中，加入10 mL乙醚后3 000 r/min離心10 min以除去脂肪，重復(fù)5次，棄去上清液。再加入30 mL 85%乙醇溶液3 000 r/min離心10 min以除去可溶性糖，重復(fù)5次，棄去上清液。參照GB 5009.9—2016[11]的酸水解法對殘渣進(jìn)行處理，制備待測液。

吸取2.0 mL待測液于25 mL試管中，先加入1.5 mL DNS試劑，搖勻，沸水浴中煮沸5 min，流水冷卻后定容至25 mL。以不含待測液的溶液為參照，用紫外分光光度計在540 nm波長下測吸光度，平行測定3次[12]。

1.2.3 淀粉酶活性的測定

準(zhǔn)確稱取1.0 g甘薯樣品，放入50 mL離心管中，加入12 mL蒸餾水，于3 000 r/min下離心20 min，將上清液轉(zhuǎn)移到50 mL容量瓶中，同法進(jìn)行第二次處理，定容，即為甘薯淀粉酶活性待測液。

吸取0.2 mL待測液于25 mL試管中，加入1 mL在40℃水浴的1%淀粉溶液，搖勻，40℃下水浴15min，加入2 mL DNS試劑，搖勻，沸水浴中煮沸5 min，流水冷卻后定容至25 mL。以不含待測液的溶液為參照，用紫外分光光度計在540 nm波長下測吸光度，平行測定3次[13]。

1.2.4 可溶性總糖、還原糖含量的測定

準(zhǔn)確稱取1.0 g甘薯樣品，放入100 mL燒杯中，先加入少量蒸餾水調(diào)成糊狀，然后加入25 mL蒸餾水，攪勻，置于50℃水浴鍋中浸提20 min。將溶液過濾至100 mL容量瓶中，對殘渣同法進(jìn)行二次處理，定容，即為甘薯可溶性總糖、還原糖待測液。

參照姚黎霞[12]的方法對可溶性總糖、還原糖含量進(jìn)行測定。

1.2.5 葡萄糖、果糖、蔗糖、麥芽糖含量的測定

對照品溶液的制備：準(zhǔn)確稱取葡萄糖、果糖、蔗糖、麥芽糖各0.05 g于50 mL容量瓶中，加入純水溶解，定容至刻度線，得到濃度約為1.0 mg/mL的混合對照儲備液。將混合對照儲備液逐級稀釋成500、250、100、25、10、2.5、1μg/mL的標(biāo)準(zhǔn)溶液。

樣品溶液的制備：將“1.2.4”中待測液用純水稀釋10倍后，過0.22μm水相膜后，進(jìn)行HPLC分析。

色譜條件：色譜柱為Prevail Carb ES(250 mm×4.6 mm,5μm)；流動相為水(A)—乙腈(B)，洗脫梯度：0～20 min，20%～25%A；20～36 min，25%～45%A；26～33 min，45%A；33～37 min，45%～20%A；37～40 min，20%A；流速：0.8 mL/min；進(jìn)樣量：5μL。

1.2.6 氨基酸含量的測定

對照品溶液的制備：準(zhǔn)確稱取21種氨基酸各0.025 g于50 mL容量瓶中，加入純水溶解，定容至刻度線，得到濃度約為0.5 mg/mL的混合對照儲備液。將混合對照儲備液逐級稀釋成250、200、150、50、25、10、0.5μg/mL的標(biāo)準(zhǔn)溶液。

樣品溶液的制備：稱取5.0 g甘薯樣品，置于50 mL離心管中，加水25 mL，渦旋振蕩15 min后，置于高速離心機(jī)10 000 r/min離心20 min，將上清液轉(zhuǎn)移至25 mL容量瓶中，加水定容至刻度線，備用。

衍生試劑的制備、溶液的衍生及色譜條件均參照李江含等[14]的方法進(jìn)行。以濃度（x）為橫坐標(biāo)，峰面積（y）為縱坐標(biāo)，擬合回歸方程，見表1。

表1 氨基酸標(biāo)準(zhǔn)品的出峰時間及標(biāo)準(zhǔn)曲線方程Table 1 Retention time of amino acid standards and standard curve equation

1.2.7 揮發(fā)性香味成分的測定

準(zhǔn)確稱取10.0 g甘薯樣品，加入30 mL甲醇溶劑（內(nèi)標(biāo)為乙酸苯乙酯），180r/min搖床振蕩提取20min，高速離心機(jī)4 000 r/min離心10 min，取適量上清液，過0.45μm有機(jī)膜，進(jìn)行GC-MS分析。

色譜條件：色譜柱HP-5MS（30 m×250μm×0.25μm）；進(jìn)樣口溫度280℃；分流比5∶1；載氣He，流速1.0 mL/min；升溫程序為50℃（保持2 min），然后以4℃/min的速率升溫至180℃（保持5 min），最后以10℃/min速率升溫至280℃（保持2 min）。

質(zhì)譜條件：電子轟擊離子源（EI）源電子能量70eV；質(zhì)量掃描范圍30～550 amu；離子源溫度230℃；四極桿溫度150℃，傳輸線溫度280℃，溶劑延遲7 min。

利用NIST11譜庫檢索，以匹配度高于80%者予以定性，采用內(nèi)標(biāo)法進(jìn)行半定量。

1.2.8 數(shù)據(jù)處理

上述試驗均設(shè)置3組平行，數(shù)據(jù)采用Excel進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 淀粉含量的變化

由圖1可以看出，經(jīng)過烤制后，甘薯中淀粉含量先減少后趨于平穩(wěn)，淀粉總損失率達(dá)49.47%。本研究結(jié)論表明，甘薯在烤制45 min時淀粉酶完全失活，甘薯在烤制45 min內(nèi)淀粉損失量達(dá)總損失量的57.69%，這個時間段內(nèi)淀粉含量的下降應(yīng)該是淀粉酶的水解作用所致的。烤制45 min后，淀粉不再受到淀粉酶的作用，但相關(guān)研究表明該品種甘薯淀粉在加熱溫度為68.75℃即可發(fā)生糊化，45 min后甘薯中淀粉含量的繼續(xù)下降可能與此有關(guān)[15]。陸國權(quán)等[16]和李臣[17]的研究表明，不同品種的甘薯經(jīng)烤制熟化后淀粉含量均呈現(xiàn)降低趨勢。

圖1 不同烤制時間淀粉含量變化曲線Fig.1 Change curve of starch contents after different baking time

2.2 淀粉酶活性的變化

甘薯中含有大量淀粉酶，其中β-淀粉酶占絕大部分，只有極少量的α-淀粉酶，前者作用于淀粉最終產(chǎn)物是麥芽糖，副產(chǎn)物少，最適溫度為73～75℃，后者作用于淀粉可產(chǎn)生低聚糖、少量麥芽糖和葡萄糖等，最適溫度是70～75℃。兩者相比，α-淀粉酶對甘薯糖化影響作用不大[18-20]。烤制初期烤箱快速升溫，達(dá)到70℃僅需要6 min，達(dá)到淀粉酶完全失去活性的溫度（90℃）[20]需要10 min，但由于甘薯體積較大，熱量從甘薯外層向內(nèi)部傳遞需要較長的時間。因此烤制初期是一部分淀粉酶達(dá)到了最適溫度，活性增強(qiáng)，具體表現(xiàn)為淀粉在15～30 min內(nèi)減少速率最快（圖2）。而甘薯外層由于溫度過高，淀粉酶開始失活，整薯淀粉酶活性呈現(xiàn)下降趨勢。甘薯烤制至30 min時，高溫已傳遞至甘薯中心位置，淀粉酶幾乎完全失去活性。

圖2 不同烤制時間淀粉酶活性變化曲線Fig.2 Variation curveof amylaseactivitiesafter different baking time

2.3 可溶性總糖、還原糖含量的變化

由圖3可以看出，甘薯中的還原糖含量由烤前的3.48%增加到11.10%后又略有下降，可溶性總糖含量由6.19%增加到19.48%后略有下降。烤制30 min內(nèi)，甘薯中還原糖含量增加速率較快，是由于這個時間段內(nèi)淀粉在淀粉酶的作用下產(chǎn)生大量還原糖，淀粉水解的速率大于美拉德反應(yīng)的消耗速率。淀粉酶完全失活后，還原糖與可溶性總糖含量依然在增加，可能是淀粉水解產(chǎn)生的還原糖與原有雙糖在高溫作用下生成單糖，后期兩者含量降低是由于淀粉酶完全失活后還原糖作為美拉德反應(yīng)底物不斷被消耗。

圖3 不同烤制時間還原糖含量變化曲線Fig.3 Variation curve of reducing sugar contents after different baking time

2.4 葡萄糖、果糖、蔗糖、麥芽糖含量的變化

由圖4可以看出，麥芽糖從最初的0.27%迅速增加到10.76%，到后期又有所下降。前期在β-淀粉酶的作用下，淀粉水解為麥芽糖，后期含量下降是β-淀粉酶失活后，甘薯內(nèi)部因高溫發(fā)生美拉德或焦糖化反應(yīng)消耗了部分麥芽糖所致。而果糖、葡萄糖和蔗糖含量在烤制過程中幾乎沒有變化。Takahata等[20]研究也表明在低溫時僅發(fā)現(xiàn)微量麥芽糖，麥芽糖含量在50℃以上快速增加，在80～85℃時達(dá)到最大值，而果糖、葡萄糖和蔗糖含量幾乎不受烤制溫度的影響。

圖4 不同烤制時間葡萄糖、果糖、蔗糖、麥芽糖含量變化曲線Fig.4 Variation curves of glucose,fructose,sucroseand maltose contentsafter different bakingtime

2.5 氨基酸含量的變化

在甘薯中實際檢測出的氨基酸有18種，未檢測到羥基脯氨酸、甘氨酸和胱氨酸。未烤制甘薯中氨基酸總含量為11103.35μg/g，其中主要有亮氨酸（342.17μg/g）、半胱氨酸（993μg/g）、精氨酸（330.71μg/g）、谷氨酸（469.41μg/g）、苯丙氨酸（341.08μg/g）、絲氨酸（4 356.39μg/g）、蘇氨酸（351.77μg/g）、天冬氨酸（1 221.68μg/g）、酪氨酸（367.15μg/g）、脯氨酸（992.74μg/g），占總游離氨基酸含量的87.96%。由圖5可以看出，氨基酸總含量隨烤制溫度的升高而降低，這是由于甘薯內(nèi)部溫度升高氨基酸與糖易發(fā)生美拉德反應(yīng)消耗了部分氨基酸，烤制120 min后，甘薯內(nèi)游離氨基酸共減少了54.69%。由圖6可以看出，烤制過程中含量變化較大的幾種氨基酸有半胱氨酸、異亮氨酸、谷氨酸、天冬氨酸、絲氨酸。除半胱氨酸、異亮氨酸、谷氨酸、苯丙氨酸、纈氨酸、蘇氨酸、天冬氨酸及丙氨酸呈先增加后減少的趨勢外，其余氨基酸均呈減少或幾乎不變的趨勢。李臣[17]研究表明，不同品種甘薯在烤制結(jié)束后可溶性蛋白含量均降低，這意味著隨著時間的延長，甘薯中蛋白質(zhì)因加熱處理逐漸降解，本應(yīng)使氨基酸含量增加，但同時這些氨基酸又與還原糖發(fā)生美拉德反應(yīng)，降解產(chǎn)生和反應(yīng)消耗速率的不同可能是導(dǎo)致不同氨基酸含量變化趨勢不同的原因。絲氨酸及天冬氨酸在烤制過程中損失總和為5 134.91μg/g，占游離氨基酸損失總量的84.56%，這可能意味著絲氨酸及天冬氨酸對烤甘薯香氣的形成有著重要作用。

圖5 不同烤制時間氨基酸總含量變化曲線Fig.5 Variation curve of total amino acid contents after different baking time

圖6 不同烤制時間氨基酸含量變化曲線Fig.6 Variation curves of amino acid contentsafter different bakingtime

2.6 揮發(fā)性香味成分的變化

由表2可以看出，甘薯在烤制過程中共鑒定出44種香味成分。未烤制甘薯中香味成分含量最低，隨著烤制時間的增加，甘薯中香味成分總含量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，到45 min時甘薯中香味成分總含量達(dá)到最高值。

表2 不同烤制時間烤甘薯香味成分含量Table2 Contentsof aromacomponentsin baked sweet potatoesafter different bakingtime

續(xù)表2 不同烤制時間烤甘薯香味成分含量Continue table 2 Contentsof aroma componentsin baked sweet potatoesafter different baking time

續(xù)表2 不同烤制時間烤甘薯香味成分含量Continue table 2 Contentsof aroma componentsin baked sweet potatoes after different baking time

將各烤制時間下香味成分進(jìn)行分類，由圖7可知，雜環(huán)類香味成分含量所占比重較大，主要包括環(huán)戊烯酮類、呋喃類、吡喃類等，產(chǎn)生于甘薯烤制過程中發(fā)生的美拉德和焦糖化反應(yīng)，這些物質(zhì)賦予烤甘薯烤甜香、焦甜香等香韻。如甲基環(huán)戊烯醇酮具有焦糖香及堅果香，主要用于食品香精的調(diào)制；異麥芽酚、麥芽酚具有濃烈的焦糖香和果香，主要用于食品加香與香味增效劑；糠醛呈甜感、焦糖的香韻；糠醇具有焦糖樣或略有烤甜香韻；4-羥基-2,5-二甲基-3（2H）呋喃酮呈果味、焦糖、草莓的香氣[21]。隨著烤制時間的增加，雜環(huán)類香味成分含量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，原因可能是溫度逐漸升高，甘薯水解產(chǎn)生的糖類與氮源發(fā)生美拉德反應(yīng)的速率加快，烤制至90 min后，甘薯內(nèi)部淀粉酶已完全失活，淀粉不再進(jìn)行水解，麥芽糖作為反應(yīng)底物不斷被消耗，氨基酸含量尤其是易發(fā)生反應(yīng)的半胱氨酸、異亮氨酸、谷氨酸、天冬氨酸、絲氨酸等氨基酸含量已接近最低值，氮源不足導(dǎo)致美拉德反應(yīng)速率減緩。酮類、胺類物質(zhì)含量呈現(xiàn)先增加后減少趨勢，醇類物質(zhì)總體呈現(xiàn)增加趨勢，醛類、酸類、烴類、酚類各物質(zhì)含量變化不大。

圖7 不同烤制時間烤甘薯香味成分含量變化情況Fig.7 Changes of aroma componentsin baked sweet potatoes after different baking time

3 結(jié)論

甘薯在烤制過程中發(fā)生一系列復(fù)雜反應(yīng)，主要是美拉德反應(yīng)與焦糖化反應(yīng)，賦予其烤甜香、焦甜香等獨特的烤甘薯香韻。本文對甘薯在烤制過程中涉及的美拉德反應(yīng)主要成分、淀粉酶活性及揮發(fā)性香味成分進(jìn)行了測定分析，根據(jù)其動態(tài)變化規(guī)律將甘薯烤制過程中的美拉德反應(yīng)分為以下3個過程：首先，在烤制前期（0～30 min），甘薯內(nèi)部淀粉酶在適溫下對淀粉進(jìn)行水解生成大量還原糖，尤其是麥芽糖；然后，在烤制中期（30～90 min），甘薯中還原糖尤其是麥芽糖與谷氨酸、絲氨酸、天冬氨酸等氨基酸發(fā)生美拉德反應(yīng)；最后，在烤制后期（90～120 min），甘薯內(nèi)部易反應(yīng)的氨基酸消耗殆盡，導(dǎo)致美拉德反應(yīng)極為緩慢或終止。

本研究中甘薯的烤制溫度為200℃，多項研究結(jié)果表明，當(dāng)加熱溫度達(dá)到150～200℃時，醛糖或酮糖在沒有氨基化合物存在的條件下會發(fā)生脫水、降解、縮合等反應(yīng)，產(chǎn)生一些揮發(fā)性醛、酮等香味物質(zhì)[22]。因此甘薯烤制過程中會伴隨著焦糖化反應(yīng)的進(jìn)行，但該反應(yīng)與甘薯內(nèi)部理化指標(biāo)的關(guān)系尚不明確，后續(xù)可結(jié)合焦糖化反應(yīng)原理及影響因素等方面進(jìn)行深入探究。