基于氣相離子遷移色譜結合感官評價法對植物基杏仁酸奶揮發性風味物質的表征及分析

馬杰,周建中,張婷,張濤,周芷夷,年國芳

(新疆農業大學 食品科學與藥學學院,新疆 烏魯木齊,830052)

近些年,隨著人們收入和生活水平不斷提高,不同營養風味的功能酸奶開發逐漸成為熱點,消費者更加關注酸奶品質價值的提升[1]。植物基產品符合大眾消費者所追求的健康、營養、美味的飲食需求,使得植物基市場發展迅猛,植物基食品研發隨之成為趨勢[2]。其中,植物基酸奶的競爭尤為激烈,與動物基酸奶相比,植物基酸奶具有不含膽固醇、易吸收、低熱量等諸多優點[3]。植物基酸奶作為一種新興地研究領域,具有動物乳不可比擬的許多優點。注重乳糖不耐受或由于飲食偏好而希望非乳制品替代品的人群,例如素食主義者,會選擇無乳糖的植物基酸奶作為替代品[4]。目前,較多的研究表現在植物基酸奶產品的開發。BASKAR等[5]研制了一款利用花生、燕麥和椰奶植物基酸奶并表現出低脫水收縮率及適宜的黏度和流變性與較高的整體可接受性。AYDAR等[6]開發了一款菊芋和杏仁奶生產的新型植物基酸奶,確定了由不同比例的植物奶制成的植物基酸奶的關鍵工藝參數。

然而,JAEGER等[7]研究表明,植物基酸奶的感官特性是大多數消費者接納它的最大障礙,解決這些感官缺陷對于獲得主流市場接受至關重要。為此國內外學者做了大量研究:WANG等[8]研究銅抑制酸奶后酸化模型,表明銅對酸奶整體風味有重要影響;MA等[9]研究表明漂燙工藝使脂肪氧化酶(lipoxygenase, LOX)失活,在降低風味揮發性程度方面起著重要作用。MASI等[10]研究發現在發酵體系中補充鼠李糖乳桿菌可改善植物基酸奶風味特性。ZHAO等[11]研究燕麥β-葡聚糖引入,可顯著減少醛類化合物,顯著增加醇類、酮類和酸類化合物。YANG等[12]研究發現豌豆植物基酸奶和綠豆植物基酸奶在相同培養物發酵條件下的揮發性風味化合物相近且主要的揮發性風味化合物是醛和酮。ZHANG等[13]研究發酵對鷹嘴豆奶的影響,表明基于酶解和山藥添加的乳酸菌發酵可改善鷹嘴豆奶為原始成分的植物性酸乳產品風味。

氣相色譜-離子遷移譜(gas chromatography-ion mobility spectroscopy, GC-IMS)是一種用于分析樣品揮發性化合物的先進檢測技術,具有:a)檢測限低,靈敏度高,適于痕量組分分析檢測;b)在大氣壓條件下工作,無須繁瑣昂貴的真空系統;c)操作難度低、易上手,樣品不需濃縮富集等處理,有利于保持風味物質的穩定性;d)體積小、重量輕、功耗低、速度快檢測 (ms級別),可用于現場快速檢測[14]等諸多優點。

對于植物基酸奶風味品質提升、改善的研究,大多體現在發酵基質的處理方面,故本研究依據杏仁富油高蛋白、熱處理易激發濃郁堅果香氣的特性,以不同方式處理的杏仁為原料,經乳酸菌發酵制備的植物基杏仁酸奶為研究對象,利用感官評價4款酸奶揮發性風味情況,采用GC-IMS技術構建揮發性風味物質的指紋圖譜,結合主成分分析方法,對植物酸奶風味物質進行表征及解析,以期探明植物基杏仁酸奶的風味物質組分情況,為植物基酸奶的風味提升、品質改良與調控提供一定科學價值參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

脫殼杏仁,購于新疆烏魯木齊華凌干果市場(當年產的小白杏仁);菌種,直投式乳酸菌發酵劑(保加利亞乳桿菌、嗜熱鏈球菌);蔗糖、葡萄糖,新疆烏魯木齊市北園春市場;正構酮類(2-丁酮、2戊酮、2-己酮、2-庚酮、2-辛酮、2-壬酮)等所有分離所用有機溶劑均為國產分析純。

1.2 儀器與設備

FlavourSpec?風味分析儀,德國G.A.S 公司;DJ120B-P65型破壁豆漿機,浙江紹興蘇泊爾生活電器有限公司;AL204型電子天平,梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;HSX-150型恒溫恒濕培養箱,上海申賢恒溫設備廠;BCD-TX型冷藏冰箱,青島海爾股份有限公司;ZYJ-7090單螺桿型榨油機,東莞市方太電器有限公司;FW-100型AH-100D納米均質機,加拿大 ATS 工業系統有限公司;高速萬能粉碎機,北京市永光明醫療儀器有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 植物基杏仁酸奶制備工藝

工藝流程如下:

杏仁前處理→預煮→磨漿→調配→均質→殺菌→接種→發酵(40.5 ℃,10.5 h)→后熟(4 ℃,24 h)→冷藏

1.3.2 不同杏仁原料的處理

熱燙去皮:將無機械損傷、病蟲害、褐變的完整的甜杏仁放入沸水中煮2～3 min,快速撈入冷水冷卻,手工褪皮并濾干水分,待用。

將褪皮杏仁放入烘箱干燥3 h至水分質量分數達3%～5%,用實驗室單螺桿壓榨機進行脫脂,收集脫脂副產物杏仁粕,并按1∶10 (g∶mL)料水比浸于去離子水中,加0.5 %碳酸氫鈉浸泡12 h再經料理機磨漿后得到杏仁奶,在80 ℃條件下預煮10～15 min,消除杏仁粕漿發出的澀味、鈍化內源酶防止后期產生異味,同時便于后續磨漿等操作,使風味更加濃厚。

杏仁奶中添加6%(質量分數)蔗糖及2%(質量分數)葡萄糖經均質機30 MPa均質,于90 ℃條件下滅菌5 min,殺菌完成降溫至室溫,添加發酵劑發酵,混勻后置于恒溫培養箱,于(40±1) ℃下發酵 10 h,后置于4 ℃冰箱后熟 24 h 得到植物酸奶成品。

為對比不同處理方式處理原料發酵制備的植物基杏仁酸奶揮發性化合物差異,具體實驗樣本及組成見表1,所有樣品滅菌、預熱、發酵、冷藏與后熟工藝處理均一致。

表1 不同處理樣本的組成情況Table 1 Composition of different treatment samples

具體植物酸奶制備方法如下:

AF的制備:杏仁前處理→預煮→磨漿→調配→均質→殺菌→接種→發酵[(40±1) ℃,10.5 h]→后熟(4 ℃,24 h)→冷藏

PF的制備:杏仁前處理→熱榨脫脂→堿溶酸沉法提蛋白→預煮→磨漿→調配→均質→殺菌→接種→發酵[(40±1) ℃,10.5 h]→后熟(4 ℃,24 h)→冷藏

DF的制備:杏仁前處理→冷榨脫脂→預煮→磨漿→調配→均質→殺菌→接種→發酵[(40±1) ℃,10.5 h]→后熟(4 ℃,24 h)→冷藏

TF的制備:杏仁前處理→冷榨脫脂→130 ℃條件焙烤10 min→預煮→磨漿→調配→均質→殺菌→接種→發酵[(40±1) ℃,10.5 h]→后熟(4 ℃,24 h)→冷藏

1.3.3 GC-IMS分析條件

頂空進樣條件:精確稱取3 g酸奶樣品置于20 mL 頂空瓶中,60 ℃孵育10 min后進樣。進樣體積0.5 mL,進樣針溫度65 ℃,孵化轉速500 r/min。

氣相離子遷移色譜單元條件:色譜柱類型,FS-SE-54-CB-0.5 15 m ID:0.53 mm,分析時間25 min,柱溫60 ℃,載氣/漂移氣體N2,IMS溫度45 ℃。

1.3.4 定量描述感官評價法

采用定量描述感官評價法[15],在實驗團隊內經專業的感官培訓及感官評價語系的引導篩選出合格的10位同學(5名男生,5名女生),組成感官評價小組。根據感官評價小組的描述,經討論確立了5個風味感官評價維度以及各維度的評價標準(表2)。

表2 植物基杏仁酸奶的感官評價Table 2 Sensory evaluation of plant-based almond yogurt

1.4 數據處理

儀器配套的分析軟件包括Libraries search和 3款插件,可分別從不同角度進行樣品分析。Libraries search:用于查看分析譜圖和數據的定性定量,應用軟件內置的NIST數據庫和IMS數據庫可對物質進行定性分析,用戶可根據需求利用標準品自行擴充數據。圖中每一個點代表一種揮發性有機物,對其建立標準曲線后可進行定量分析;Reporter插件:直接對比樣品之間的譜圖差異(三維譜圖、二維俯視圖和差異譜圖);Gallery Plot插件:指紋圖譜對比,直觀且定量地比較不同樣品之間的揮發性有機物差異;Dynamic 主成分分析(principal components analysis, PCA)插件:動態主成分分析,用于將樣品聚類分析,以及快速確定未知樣品的種類。采用Origin 2018 軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 植物基杏仁酸奶的感官評價

圖1為4款植物基酸奶的感官評價結果,不同植物基杏仁酸奶的感官評價存在明顯差異,其中焙烤味、堅果味、酸乳味具有明顯差異,就具體酸奶樣本而言,AF由于含豐富脂質體,導致發酵過程中小分子脂肪酸大量產生,樣本酸乳味最為濃烈,水果味較淺,焙烤味最低;PF由于經過高溫壓榨處理、使得原料脂肪酸發生劣變,蛋白質發生變性導致發酵程度偏低,樣本焙烤味最為濃烈,酸乳味、水果味較差,堅果味適中;DF發酵型酸奶的酸乳味、水果味與AF及TF發酵植物基酸奶接近,堅果味與生青味均衡適度,焙烤味相較其他樣本略差;TF植物基酸奶各風味值均較好,生青味略低,整體接受度較好,感官評分最佳,這可能與杏仁在烘烤過程中的形成的羧酸類主要風味物質,它將其他不良風味很好的掩蔽或者熱加工過程中將一些產生生青類的物質及前體降解代謝轉化有關[16]。

圖1 四款植物基酸奶的感官評價結果Fig.1 Sensory evaluation results of four plant-based yogurts

2.2 四款植物基杏仁酸奶GC-IMS三維譜圖差異

為便于直觀地觀察和比較酸奶樣本的揮發性物質差異,采用三維譜圖對不同處理的植物基杏仁酸奶產生的揮發性有機物進行表征,圖2 生成的數據是4款植物基酸奶的三維譜圖(保留時間,遷移時間和峰強度)從圖中可以直觀看出不同植物基杏仁酸奶樣品中揮發性有機物的差異。A區域的信號峰值高度不同,表明4款酸奶的此處物質含量存在差異;B區域的信號峰密集程度不同,表明他們的揮發性風味物質存在較為明顯的差異性。但由于觀察不便,因此下面取俯視圖進行差異對比。

圖2 四款植物基杏仁酸奶揮發性有機物的GC-IMS三維譜圖Fig.2 GC-IMS 3D spectra of volatile organic compounds of four plant-based almond yogurts

2.3 四款植物基杏仁酸奶GC-IMS二維譜圖分析

圖3是4款酸奶的揮發性物質的離子遷移譜圖,橫坐標1.0處紅色豎線為反應離子峰(reaction ion peak,RIP)(歸一化處理)。縱坐標代表氣相色譜的保留時間(s),橫坐標代表離子遷移時間(歸一化處理),RIP峰兩側的每一個點代表一種揮發性有機物,顏色代表物質的濃度,白色表示濃度較低,紅色表示濃度較高,顏色越深表示濃度越大[17]。如圖3所示,通過GC-IMS很好地分離了4款酸奶中的揮發性化合物,不同植物基杏仁酸奶樣品中的揮發性有機物存在差異,DF樣品峰亮度較低,風味特征較其他組不明顯;為了更加明顯地對比這種差異,可采用差異對比模式(圖4):選取其中一個樣品的譜圖作為參比,其他樣品的譜圖扣減參比。如果二者揮發性有機物一致,則扣減后的背景為白色,而紅色代表該物質的濃度高于參比,藍色代表該物質的濃度低于參比,正如圖4所示PF組含有更豐富的揮發性有機物質,DF次之,最后是TF。值得注意的是,不同的化合物具有不同的風味特征,樣品中都出現了一些具有特殊氣味的揮發性物質。

圖3 四款植物基杏仁酸奶中揮發性有機物的GC-IMS二維譜圖Fig.3 GC-IMS spectra of volatile organic compounds in four plant-based almond yogurts

圖4 四款植物基杏仁酸奶揮發性有機物的GC-IMS譜圖Fig.4 GC-IMS spectra of volatile organic compounds of four plant-based almond yogurt

2.4 四款植物基杏仁酸奶GC-IMS指紋譜圖分析

為進一步解析各樣品揮發性風味化合物的差異,選擇GC-IMS二維圖中的每個峰生成指紋圖譜系,以識別不同各組樣品特征峰區域。行和列分別表示不同時間的揮發性物質及其相應的量(圖中每一行代表一個樣品中選取的全部信號峰),圖中每一列代表同一揮發性有機物在不同樣品中的信號峰從圖中可以看出每種樣品的完整揮發性有機物信息以及樣品之間揮發性有機物的差異,圖5為4款酸奶指紋圖譜。

圖5 四款植物基杏仁酸奶揮發性有機物的指紋圖譜Fig.5 Gallery plot of volatile organic compounds of four plant-based almond yogurts

眾所周知,酸奶的風味主要在發酵進程中產生,通過酶促和化學反應形成的,包括脂質氧化、碳水化合物發酵、脂解、氨基酸分解代謝和蛋白水解及微生物代謝等途徑。正如圖5所示,1-辛烯-3-酮、六甲基環三硅氧烷、異戊烯醛、1-戊醇、2,3-丁二酮(雙乙酰)、乙酸、乙偶姻、乙酸乙酯、苯甲醛、1,4-二氧六環、丁醛、2-丙硫醇、1-己醇、對2-庚烯醛(a區域)被視為構成4款酸奶樣品的共有風味特征峰區域,但各組分在含量上有明顯差異,如AF含有丙酸含量最為豐富,感官評價結果也顯示更具乳酸味、酸味濃烈的特征。酮類化合物具有特定的風味特征和低風味閾值,主要來自脂肪酸的β-氧化[18]以及氨基酸的降解或微生物代謝[19]。醛是由乳脂氧化產生的,由于風味閾值低,醛在低濃度下具有特征性的脂肪香氣,但高于臨界值的較高濃度會產生腐爛、腐臭或其他異味[20],PF組異戊烯醛、丁醛明顯高于其他組,二者在高濃度情況下會產生刺激性不良風味,這與感官評價中PF焙烤味濃烈,總接受度低的結果一致;乙酸是由于酸奶中細菌的檸檬酸、乳酸代謝而發生的[21],由乳糖發酵產生,也可由游離脂肪酸分解生成。AF和TF組乙酸峰較明顯,這對應了感官評價中AF、TF乳酸味濃烈這一感官評價結果。

過度或不平衡的脂質氧化和脂肪分解也會導致異味[22]。反-2-庚烯醛、2-甲基,2-丙烯醛、2-甲基丁醛、糠醛、丁醛、戊醛、己醛、庚醛、異硫氰酸烯丙酯、2-丁酮、2-庚酮、2-戊酮、2,3-戊二酮、丙醇、3-辛醇、5-甲基-2呋喃甲醇、1-丙硫醇、1-己醇、丙酸糠酯、乙酸異戊酯等(b區域)構成PF風味特征峰區域,己醛和反-2-庚烯醛等不良風味醛類化合物較豐富,與感官評價結果一致。c區構成AF、TF風味特征峰,二者均含豐富乙醇,其中3-甲基-2-丁醇被視為具有芳香特征的成分[23],而TF組3-甲基-2-丁醇含量明顯高于其他組,這與感官評價TF整體接受度最佳的結果相一致。乙酸異丙酯、乙酸異戊酯、異戊醇、2-甲基-1-丁醇、2-甲基丙醇、等構成AF風味特征峰區域,酯類常具有水果和清甜的香氣,其主要來源于乳脂肪酸和醇的酯化反應[24]它們賦予AF令人愉悅的水果香氣,但2-丁醇、2-戊酮、3-戊酮(d區域)的存在為AF帶來刺鼻的異味,綜合考量TF總體可接受度最高、DF次之。

2.5 四款植物基杏仁酸奶揮發性化合物定性結果

根據GC-IMS檢測結果,共檢測到55個信號峰,并全部鑒定了其中的揮發性組分如表3所示,包括醛類化合物13種、醇類化合物16種、酮類化合物11種、酯類化合物8種、酸類化合物3種、烷烴類化合物2種、呋喃類化合物1種、烯烴類化合物1種,這些揮發性有機化合物共同構成了4款植物基杏仁酸奶的特征性風味。

表3 四款植物基杏仁酸奶揮發性化合物定性結果Table 3 Qualitative results of volatile compounds of four plant-based almond yogurts

2.6 四款植物基杏仁酸奶GC-IMS主成分分析

4款植物基杏仁酸奶的PCA結果如圖6所示。PC1和PC2的貢獻率分別為57 %和19 %,累計方差貢獻率為76 %,表明PCA結果有效。從圖中直觀的看出各組樣本3次重復均較好重疊在一起,表明實驗重復性較好、具有信服力;AF與TF最為鄰近,說明他們二者組分情況接近,PF與AF、TF樣本較為遙遠,表明組分差異較為明顯。PCA結果與指紋圖譜分析結論一致,經過短時焙烤后的植物基杏仁酸奶氣味更加濃郁持久、口感純正,冷榨處理次之,然后是原料發酵酸奶,最后是熱榨脫脂后的蛋白發酵酸奶。

圖6 四款植物基杏仁酸奶PCA圖Fig.6 PCA of four plant-based almond yogurts

2.7 四款植物基杏仁酸奶聚類熱圖分析

4款植物基杏仁酸奶揮發性成分相對含量聚類熱圖如圖7所示,通過Pearman相關系數分析不同原料處理的發酵植物基酸奶與特征性揮發性成分之間的相關性,圖中紫色代表負相關,紅色代表正相關性(具體見于右側的圖例)。從圖中可以直觀的觀察到4款樣品之間不同化合物相對含量差異明顯,對樣本聚類分析,分為兩大類PF為單獨一類,而AF、DF TF為一類,與指紋圖譜分析結果及主成分分析結果相一致。

圖7 四款植物基杏仁酸奶成分含量聚類熱圖Fig.7 Heat map of composition content of four plant-based almond yogurt

3 結論與討論

本研究中杏仁含豐富油脂和蛋白質,這對植物基杏仁酸奶的生產提出重大考驗,實際操作中,杏仁原料發酵的植物酸奶品質更加不穩定,易分層沉降,易產生異味;熱榨脫脂提杏仁蛋白發酵的植物基酸奶顏色發生劣變,總體接受度欠佳;冷榨半脫脂的植物酸奶風味稍佳,但不及冷榨半脫脂聯合焙烤處理的植物酸奶風味淳厚。

GC-IMS技術簡單高效,應用場景廣泛,檢測結果真實準確,通過GC-IMS技術結合定量描述感官評定方法研究杏仁原料發酵、杏仁蛋白發酵、冷榨脫脂發酵、冷榨脫脂聯合烘烤處理再發酵等處理方式對于植物基質杏仁酸奶風味的影響,構建了植物基杏仁酸奶揮發性成分指紋圖譜,對植物基杏仁酸奶特征揮發性風味組分進行解析,共獲得55種揮發性成分,包括醛類13種、醇類16種、酮類11種、酯類8種、酸類3種、烷烴類2種、呋喃類1種、烯烴類1種,檢測結果與感官評價結果一致,同時,檢測結果表明,不同原料處理的植物基酸奶特征揮發性物質存在明顯差異;構建的PCA較準確的將不同樣本酸奶做了差異區分,即PF單獨為一類,AF、DF TF為一類,聚類熱圖分析也很好地驗證了這一點。

隨著近些年研究從業人員對植物酸奶品質的不懈探索,植物基酸奶大放光彩,為社會帶來更多裨益,植物基酸奶國內起步稍晚,針對風味的表征調控及改良的國內研究還較少,團隊也會為此繼續努力。該研究建立了基于GC-IMS技術結合感官評價表征并分析植物基發酵酸奶揮發性風味物質的具體舉措,進一步為植物基酸奶的開發及風味品質調控與改良提供價值參考。