雙斑東方鲀魚頭美拉德反應工藝優化及揮發性風味物質分析

劉瑞 劉智禹 陳貝 方旭波 張瑞娟 陳小娥

摘要：為了提高雙斑東方鲀魚頭的附加值，制備了河鲀魚風味基料。以魚頭為原料，酶解后利用美拉德反應對其進行增香、呈色，采用正交試驗優化工藝條件，并利用氣相色譜-質譜（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）聯用技術和電子鼻分析美拉德反應前、后揮發性物質的變化。結果表明，雙斑東方鲀魚頭酶解液美拉德反應的最適條件為木糖-氨基葡萄糖配比1∶2、還原糖添加量3.5%、反應時間65 min、反應溫度115 ℃。GC-MS結果顯示，美拉德反應改善了酶解液的整體風味，醛類是美拉德反應產物中最主要的揮發性物質，其他化合物則使其風味更加豐富。電子鼻雷達圖分析結果與GC-MS數據結果基本保持一致。該研究結果為以雙斑東方鲀魚頭為原料開發海鮮風味基料提供了理論基礎。

關鍵詞：雙斑東方鲀魚頭；美拉德反應；正交試驗；風味；GC-MS；電子鼻

中圖分類號：TS254.1 ?????文獻標志碼：A ????文章編號：1000-9973（2024）04-0109-07

Optimization of Maillard Reaction Process of Takifugu bimaculatus

Head and Analysis of Volatile Flavor Substances

LIU Rui1，2， LIU Zhi-yu2， CHEN Bei2， FANG Xu-bo3*， ZHANG Rui-juan3， CHEN Xiao-e1

（1.College of Food and Pharmacy， Zhejiang Ocean University， Zhoushan 316022， China; 2.Key

Laboratory of Propagation， Cultivation and High-value Utilization of Marine Organisms in Fujian Province，

Xiamen 361013， China; 3.Zhejiang International Maritime College， Zhoushan 316024， China）

Abstract： In order to improve the added value of Takifugu bimaculatus head， the pufferfish flavor basic material is prepared. With fish head as the raw material， after enzymatic hydrolysis， Maillard reaction is used to enhance its aroma and color. The process conditions are optimized by orthogonal test. The changes of volatile substances before and after Maillard reaction are analyzed by gas chromatography-mass spectrometry （GC-MS） and electronic nose. The results show that the optimum conditions for Maillard reaction of Takifugu bimaculatus head enzymatic hydrolysate are as follows： xylose-glucosamine ratio is 1∶2， the addition amount of reducing sugar is 3.5%， reaction time is 65 min and reaction temperature is 115 ℃. The results of GC-MS show that Maillard reaction improves the overall flavor of enzymatic hydrolysate. Aldehydes are the main volatile substances in Maillard reaction products， and other compounds make the flavor richer. The analysis results of electronic nose radar diagram are basically consistent with the results of GC-MS data. The results of this study have provided a theoretical basis for the development of seafood flavor basic material with Takifugu bimaculatus head as the raw material.

Key words： Takifugu bimaculatus head; Maillard reaction; orthogonal test; flavor; GC-MS; electronic nose

收稿日期：2023-09-08

基金項目：福建省海洋生物增養殖與高值化利用重點實驗室開放基金（2020fjscq02）

作者簡介：劉瑞（1999—），女，碩士，研究方向：水產加工與貯藏。

*通信作者：方旭波（1972—），男，教授，博士，研究方向：水產加工與貯藏。

雙斑東方鲀（Takifugu bimaculatus）屬鲀形目、鲀科、東方鲀屬，為福建省養殖河鲀的主要品種之一[1]。養殖雙斑東方鲀營養價值較高、風味獨特[2]，其中魚皮與魚肉均為無毒級別，可安全食用[3]。近年來，東方鲀養殖業發展迅速，在其加工過程中由于缺乏良好的利用途徑，魚頭大多作為副產物被丟棄，造成了嚴重的資源浪費[4]。

美拉德反應是指在加熱條件下，還原糖的羰基與氨基酸、肽或蛋白質的氨基之間發生的一種非酶促褐變反應[5]。該反應可產生數百種化合物，賦予食品誘人的色澤和獨特的芳香風味[6]。陳啟航等[7]以鰹魚蒸煮液為原料，利用美拉德反應制備具有鰹魚風味的調味基料。步營等[8]發現藍蛤超高壓酶解液經過美拉德反應后的風味得到明顯改善，用其研發了一種風味良好、天然營養的海鮮調味料。邢貴鵬等[9]以羅非魚熬煮液和木糖為原料，探究美拉德反應的最優條件，得到的產物風味較好，具有濃郁的海鮮風味。雙斑東方鲀魚頭富含蛋白質，經蛋白酶酶解后形成大量多肽和氨基酸，可以與還原糖混合加熱進行美拉德反應，用于制作海鮮風味基料，然而目前關于此方面的研究鮮有報道。

本試驗以雙斑東方鲀魚頭為原料，利用美拉德反應對其進行增香、呈色，以感官評分和褐變程度為指標，通過單因素試驗結合正交試驗優化美拉德反應參數，確定最佳工藝條件，然后通過氣相色譜-質譜（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）聯用技術和電子鼻對比美拉德反應前、后產物的揮發性風味物質差異，為雙斑東方鲀魚頭的高值化利用提供了一定的參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

雙斑東方鲀魚頭（質量為（50±5） g）：購于福建省漳州市漳浦縣佛曇鎮。

風味蛋白酶（15 000 U/g）：江蘇銳陽生物科技有限公司；木糖、氨基葡萄糖（均為食品級）：山東鑫泰生物科技有限公司；氫氧化鈉、鹽酸等試劑（均為分析純）：國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

BXM-30R立式壓力蒸汽滅菌器 上海博迅醫療生物儀器股份有限公司；UV-2800紫外可見分光光度計 尤尼柯（上海）儀器有限公司；PEN3便攜式電子鼻 德國Airsense公司；Trace 1310 ISQ-LT GC-MS聯用儀 美國賽默飛世爾科技公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 雙斑東方鲀魚頭酶解液的制備

將雙斑東方鲀魚頭用流水解凍，去眼、去鰓、去皮后洗凈，用攪碎機攪碎，按料液比1∶5（g/mL）加入去離子水，再次攪拌。酶解液的制備參照方旭波等[10]的方法，并略作修改，調節pH至7.0，加入350 U/g的風味蛋白酶后于50 ℃下酶解3 h，反應結束后置于沸水中滅酶10 min，冷卻至室溫，使用4層紗布過濾，收集濾液，于4 ℃冰箱中冷藏備用。

1.3.2 美拉德反應產物的制備

將雙斑東方鲀魚頭酶解液濾液轉移至錐形瓶中，向其中添加一定量的還原糖，混合均勻，封口，置于高壓蒸汽滅菌鍋中進行美拉德反應。反應結束后冷卻至室溫，于4 ℃冰箱中冷藏備用。

1.3.3 單因素試驗

以木糖-氨基葡萄糖配比（1∶3、1∶2、1∶1、2∶1、3∶1）、還原糖添加量（1.0%、2.0%、3.0%、4.0%、5.0%）、反應時間（40，50，60，70，80 min）和反應溫度（85，95，105，115，125 ℃）作為單因素，考察不同因素對美拉德反應產物褐變程度和感官評分的影響，其余各因素固定為還原糖添加量3.0%、木糖-氨基葡萄糖配比1∶1、反應時間60 min、反應溫度115 ℃，每組各做3次平行試驗。

1.3.4 正交試驗

在單因素試驗的基礎上，以感官評分為指標，進行正交優化試驗，見表1。

1.3.5 感官評定

參照方旭波等[10]的方法并作適當修改。感官評定小組由10名經過專業培訓的食品專業學生組成，根據表2中的評分標準，對雙斑東方鲀魚頭酶解液美拉德反應產物進行獨立評價打分，滿分為50分，其中氣味20分、滋味15分、色澤15分，分值越大，說明美拉德反應產物的風味越好。每組評分的結果為剔除異常數后所取的平均值。

1.3.6 褐變程度測定

褐變程度的測定參照柯志剛等[11]的方法，并略作修改。將1.3.2中獲得的美拉德反應液在8 000 r/min、4 ℃條件下離心10 min，收集上清液。將上清液稀釋11倍后，在波長420 nm處測定其吸光度值。

1.3.7 GC-MS分析

參照Zhang等[5]的方法，并略作修改。分別取5 mL酶解液濾液和美拉德反應液置于20 mL頂空瓶中，加入10 μL 2，4，6-三甲基吡啶（0.1 mg/mL）作為內標物，擰緊瓶蓋后插入75 μm 的PDMS SPME 萃取頭，于55 ℃萃取30 min，用氣相色譜-質譜聯用儀（GC-MS）進行分析測定。

GC條件：TG-Wax色譜柱（60 m×0.25 mm×0.25 μm），進樣采用分流模式，分流比為5∶1，載氣（高純度氦氣）流速為1.0 mL/min，升溫程序；起始溫度40 ℃，保持1 min，再以3 ℃/min的速率升溫至180 ℃，最后以20 ℃/min的速率升溫至230 ℃，保持15 min。

質譜條件：電子碰撞（EI）模式，電離能70 eV，發射電流50 μA，離子源溫度260 ℃，傳輸線溫度230 ℃，進樣口溫度250 ℃，質量掃描范圍（m/z）：29～350 amu，掃描時間間隔0.2 s。

1.3.8 電子鼻分析

參照李澤林等[12]的方法，并略作修改。分別取20 mL酶解液濾液和美拉德反應液置于50 mL燒杯中，用保鮮膜密封，在室溫下靜置40 min，進行電子鼻檢測分析，通過WinMuster軟件分析得到樣品氣味對電子鼻10個金屬傳感器的響應值信息。測定參數：采樣時間設置為98 s，載氣流速和進樣流量均設置為200 mL/min。每組做3個平行。傳感器的識別性能見表3[12-13]。

1.4 數據處理

采用SPSS 18.0軟件進行數據分析，采用OriginPro ?2018軟件繪圖。氣味雷達圖通過WinMuster軟件獲取響應值結果后使用OriginPro 2018軟件制作。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 木糖-氨基葡萄糖配比對美拉德反應產物的影響

木糖是美拉德反應常用的還原糖之一，氨基葡萄糖含氨基和羰基，單一物質具備發生美拉德反應的條件[14]。本研究以木糖和氨基葡萄糖搭配使用進行美拉德反應，并研究二者的最佳配比。木糖-氨基葡萄糖配比對美拉德反應產物的影響見圖1。

由圖1可知，當還原糖配比為1∶2時，雙斑東方鲀魚頭酶解液美拉德反應產物呈現出最佳的風味和品質。還原糖配比從1∶3調整至3∶1，即當木糖配比不斷增加時，褐變程度越來越大，感官評分先升后降，表明木糖配比的提高會使美拉德反應加劇，比例過高時，產品品質下降。綜上所述，選擇木糖-氨基葡萄糖配比為1∶2進行正交優化試驗。

2.1.2 還原糖添加量對美拉德反應產物的影響

由圖2可知，褐變程度隨著還原糖添加量的增加而加劇。還原糖添加量較少時，感官評分和褐變程度均較低，其原因可能是還原糖作為美拉德反應的重要前體物質，在添加量不足的情況下，反應程度降低，導致產生的芳香分子量減小，總體風味不夠豐滿醇厚；但當還原糖添加量過多時，導致美拉德反應過程中生成大量類黑精等物質，從而產生濃重的焦苦味，掩蓋了其他芳香氣味，使得感官急劇劣變；當還原糖添加量為3%時，感官評分最高。綜上所述，選擇還原糖添加量為3%進行正交優化試驗。

2.1.3 反應時間對美拉德反應產物的影響

由圖3可知，反應時間低于60 min時，隨著反應時間的不斷延長，雙斑東方鲀魚頭酶解液美拉德反應呈色物質不斷積累，褐變程度隨之增加，香氣物質不斷產生，感官評分隨之上升；反應時間超過60 min后，褐變程度仍隨著反應時間的延長而增加，但感官評分開始下降，這可能是由于反應時間過長導致反應原料不斷消耗，美拉德反應不再劇烈，褐變程度逐漸減緩，此時繼續反應使得產品出現不良風味和口感，感官評分下降。綜上所述，選擇反應時間為60 min進行正交優化試驗，這與邢貴鵬等[9]的研究結果相似。

2.1.4 反應溫度對美拉德反應產物的影響

由圖4可知，隨著反應溫度從85 ℃升高至125 ℃，美拉德反應產物的褐變程度逐漸加劇，感官評分則呈先上升后下降的趨勢。當反應溫度為115 ℃時，感官評分達到最高值，此時雙斑東方鲀魚頭酶解液美拉德反應產物呈棕褐色，香氣協調，味道濃郁。當反應溫度過高時，反應速度急劇加快，感官評分迅速下降，導致產品的接受度降低，這是由于過度反應產生了焦苦味和黑棕色物質，掩蓋了香味和河鲀魚味。綜上所述，選擇反應溫度為115 ℃進行正交優化試驗，這與王林果等[15]的研究結果相似。

2.2 正交試驗結果分析及驗證

由表4可知，影響雙斑東方鲀魚頭美拉德反應產物感官評分的因素大小順序為D＞B＞C＞A。最佳工藝條件為A2B3C3D2，即木糖-氨基葡萄糖配比為1∶2，還原糖添加量為3.5%，反應時間為65 min，反應溫度為115 ℃，在此基礎上進行了驗證試驗，平行3次，得到的感官評分為44.3±0.3，高于表4中的任一數據，說明正交試驗得到的美拉德工藝優化參數具有適用性和可靠性。美拉德反應得到的產品魚香味濃，無腥味和其他異味，總體香味豐滿，口感細膩，味道鮮美，顏色呈深棕色，光澤感強。

2.3 美拉德反應前、后揮發性物質變化分析

雙斑東方鲀魚頭酶解液和美拉德反應產物的GC-MS分析結果見圖5和表5。

由表5可知，共檢測出揮發性化合物68種，其中酶解液中檢測出45種揮發性物質，美拉德反應液中檢測出65種揮發性物質，包括20種醛類、8種酮類、11種醇類、4種酯類、4種芳香烴類、3種烷烴類、10種雜環類化合物和5種其他化合物。這些化合物組成了雙斑東方鲀魚頭美拉德反應前、后的揮發性風味輪廓，美拉德反應前、后揮發性物質在數量和含量上存在著顯著差異，其中美拉德反應后揮發性風味物質的總體數量明顯增多，對芳香味貢獻較大的多數化合物含量提高，腥味相關化合物含量降低。醛類是在雙斑東方鲀魚頭美拉德反應產物風味中起最主要作用的揮發性物質，其他種類化合物尤其是呋喃類、吡嗪類、含硫類化合物則使其風味更加豐富。

醛類物質的閾值較低，因此即使微量也對雙斑東方鲀魚頭美拉德反應液的香氣具有突出貢獻，這類物質可能源于不飽和脂肪酸氧化、蛋白質或者氨基酸Strecker降解等一系列化學反應[16]。已有研究證明很多Strecker醛自身及其反應產物對食品風味有著十分顯著的促進作用[17]。其中，C6～C12飽和醛類物質的閾值相對更低[18]，對風味的貢獻較大，一般有青草及芳香的脂肪氣味。本試驗中檢測到了20種醛類物質，其中酶解液中有14種，比美拉德反應液少了6種。與魚腥味有關的庚醛[19]在美拉德反應后相對質量濃度由41.67 ng/mL降低至21.98 ng/mL，說明美拉德反應具有一定的脫腥作用。美拉德反應后，除了反-2-壬烯醛含量降低外，其他與芳香味有關的醛類揮發性風味物質均在美拉德反應后出現或者含量增加，對海鮮風味產生重要影響。其中，異戊醛和糠醛含量增加最明顯，異戊醛具有麥芽味、蘋果香，糠醛具有燒烤味和焦糖味，表明在美拉德反應中異戊醛和糠醛的產率較高，是雙斑東方鲀魚頭美拉德反應產物中重要的香氣化合物。2-甲基丁醛增加幅度也較大，作為常用香料已廣泛用于食品工業中，具有可可香、咖啡香和蘋果香等風味。這些醛類物質的種類及含量變化表明，通過美拉德反應，雙斑東方鲀魚頭的腥味得到了有效改善，花香、果香、烘烤香等多種香氣更加凸顯，使得產物的整體風味更加圓潤柔和、和諧飽滿、富有層次感。此外，醛類物質在與其他物質混合時還通常起到增強其風味的作用，其中和酮類物質的交互作用在魚、肉制品形成獨特風味的過程中發揮著重要作用[9]。

本研究中共檢測出8種酮類，其來源可能是醇類的氧化或脂類的分解[20]。由于酮類物質的氣味閾值一般高于其同分異構體的醛類物質[16]，所以相對于醛類物質，酮類對風味的貢獻作用不大，但對整體風味也有一定的促進作用。酮類主要賦予水產品花香和果香，通?；ㄏ愕奈兜缽姸扰c碳鏈長度成正比[21]。本研究中，丙酮含量最高，具有辛辣甜味，經美拉德反應后含量有所降低。2-丁酮、2，3-丁二酮、4-環戊烯-1，3-二酮和2，6-二甲基-3-庚酮的含量增加較明顯，其中2-丁酮具有水果香，2，3-丁二酮具有黃油香，可作為食品香料。

醇類物質的感官閾值較高，對水產品的風味貢獻小，一般與其他物質混合，對風味有重疊效應[21]。醇類物質通常有芳香、泥土味、青草味。在本研究中，美拉德反應液中檢測出11種醇類物質，比美拉德反應前增加了2種。糠醇、1-辛烯-3-醇和4-萜烯醇三者含量在美拉德反應后增加較明顯，使特征芳香風味進一步得到了增強。1-辛烯-3-醇為脂肪氧化產物，具有玫瑰香、蘑菇香和泥土味，可以增強肉味的感官強度[22]。但美拉德反應后，產生了異丁醇，增加了反應體系的苦味。

共檢測出4種酯類化合物，美拉德反應使得酯類含量顯著上升。酯類物質一般由羧酸和醇經酯化反應生成[20]，通常具有典型的水果香氣。在美拉德反應液中檢測出的4種酯類中，乙酸乙酯含量最高，具有令人愉悅的水果味和甜味。

本研究中檢測出的烴類主要包括芳香烴和烷烴。烴類物質一般香氣閾值較高，因此認為其對雙斑東方鲀魚頭美拉德反應液的整體風味沒有重要貢獻，然而一些芳香烴，如具有水果味和糖果味的鄰二甲苯、呈現煙熏味的對二甲苯和具有甜香、脂香、塑料味的苯乙烯可以使雙斑東方鲀魚頭美拉德反應液的風味更加飽滿[23]。另外，它們還是形成對肉味有貢獻作用的雜環類化合物的重要中間體[24]。

本研究中檢測到的雜環類化合物主要有呋喃類、吡嗪類、吡咯類和吲哚類，共10種，且美拉德反應后含量顯著增加。雙斑東方鲀魚頭中的含硫氨基酸通過Strecker降解產生硫化氫和氨，為大量雜環類風味物質的形成提供了前體物質，再經氧化生成吡嗪類化合物[18]。呋喃類化合物通常是由還原糖-氨基酸相互作用、糖或硫胺素受熱降解產生的[25]。一些呋喃類和吡嗪類化合物的氣味閾值較低，具有典型的肉香、烘烤香和焦香等令人愉快的氣味[24]，對雙斑東方鲀魚頭美拉德反應液的整體香氣貢獻較大。2-正戊基呋喃、（E）-2-（2-戊烯基）呋喃和2-甲基吡嗪三者含量較豐富，是賦予雙斑東方鲀魚頭美拉德產物關鍵肉香味的化合物。吲哚，又稱苯并吡咯，是一類具有復雜氣味特征的含氮化合物，低濃度時伴隨著令人愉悅的花香，而在高濃度時具有強烈而持久的糞便氣味。

含硫化合物的香氣閾值相對較低，可顯著影響食品的風味，被認為是引起基礎肉香氣特征的關鍵化合物[19]。在本研究中，美拉德反應后產生了含硫化合物二甲基三硫，能夠提供卷心菜味和魚腥味。此外，在雙斑東方鲀魚頭酶解液中檢測到了三甲胺，含量為13.38 ng/mL。作為魚腥味的標志性物質之一[26]，三甲胺的閾值較低，對雙斑東方鲀魚頭酶解液的整體風味具有不良影響。經美拉德反應后，其含量減少至3.67 ng/mL，魚腥味減弱，再一次說明了美拉德反應具有良好的脫腥作用。

2.4 美拉德反應前、后電子鼻結果分析

由圖6可知，美拉德反應前、后風味輪廓存在較大差異，響應值升高最明顯的傳感器為W1W、W2W和W2S，其他傳感器略有升高或降低。結合表3可知，W1W對硫化物靈敏，W2W對芳香成分和有機硫化物靈敏，W2S對醇類、醛類和酮類靈敏。該結果與GC-MS檢測結果基本一致，說明美拉德反應后體系中產生了較多的含硫化合物、醛類、酮類、醇類等芳香揮發性成分，使得肉香味、烘烤香和海鮮風味增強。由此說明，美拉德反應可以賦予食品誘人的香味，提高產物的感官品質。

3 結論

本研究以雙斑東方鲀副產物魚頭為原料，經風味蛋白酶酶解后，產生大量多肽和氨基酸等用于美拉德反應的前體物質，加入木糖和氨基葡萄糖后混合加熱即可發生反應，制備河鲀魚風味調味基料。以褐變程度和感官評分為指標，通過單因素試驗和正交試驗得到美拉德反應的最優條件為木糖-氨基葡萄糖配比1∶2、還原糖添加量3.5%、反應時間65 min、反應溫度115 ℃。在此條件下制備的美拉德反應產物感官評分為44.3±0.3，光澤度好，鮮味濃郁，風味怡人。通過GC-MS對雙斑東方鲀魚頭酶解液和美拉德反應產物進行揮發性風味物質檢測，分別檢測到45種和65種揮發性風味物質，包括20種醛類、8種酮類、11種醇類、4種酯類、4種芳香烴類、3種烷烴類、10種雜環類化合物和5種其他化合物。分析發現美拉德反應后，大量貢獻芳香味的化合物產生或增加，而與腥味有關的物質明顯減少，改善了雙斑東方鲀魚頭酶解液的整體風味。其中，醛類是構成雙斑東方鲀魚頭美拉德反應產物風味最主要的揮發性物質，其他種類化合物則使得整體風味更加協調、飽滿。電子鼻分析結果顯示，美拉德反應后響應值升高最明顯的傳感器為W1W、W2W和W2S，再次說明美拉德反應后體系中產生了較多的含硫化合物、醛類、酮類、醇類等芳香揮發性成分。本研究結果可為雙斑東方鲀加工副產物的高值化利用提供一定的借鑒和參考。

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