玉米油加熱過(guò)程中揮發(fā)性物質(zhì)形成機(jī)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(yè)大學(xué) 食品學(xué)院，遼寧 大連，116034)2(國(guó)家海洋食品工程技術(shù)研究中心，遼寧 大連，116034) 3(大連工業(yè)大學(xué) 紡織與材料工程學(xué)院，遼寧 大連，116034)4 (沈陽(yáng)市化工學(xué)校，遼寧 沈陽(yáng)，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(lái)源，它不僅為人類提供營(yíng)養(yǎng)，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(yíng)養(yǎng)價(jià)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(duì)膽固醇的吸收。同時(shí)玉米油是必需脂肪酸的極好來(lái)源，其含量超過(guò)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(duì)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(shí)驗(yàn)表明玉米油對(duì)唐氏綜合癥小鼠有積極的治療作用[4]。

在世界范圍內(nèi)，尤其是在中國(guó)，使用玉米油進(jìn)行油炸是一種常見(jiàn)的食品熱加工烹飪方法，而相關(guān)的油炸食品也深受廣大消費(fèi)者的喜愛(ài)。同時(shí)，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(guò)程是煎炸油和油炸食品風(fēng)味形成的關(guān)鍵操作過(guò)程，在此過(guò)程中，玉米油中的不飽和脂肪酸氧化被認(rèn)為是揮發(fā)性物質(zhì)的主要來(lái)源，這些揮發(fā)性物質(zhì)構(gòu)成了油炸食品的風(fēng)味，包括香味和不和諧的風(fēng)味，特別是不和諧的風(fēng)味物質(zhì)是引起油炸食品酸敗的主要原因[5]。近年來(lái)，研究人員在煎炸油和油炸食品中的異味成分構(gòu)成和特征方面進(jìn)行了大量的研究工作，研究發(fā)現(xiàn)在煎炸油和油炸食品的的尾氣中檢測(cè)出大量的揮發(fā)性醛類物質(zhì)，如：己醛、庚醛和戊醛等，這些醛類通常給人帶來(lái)不快的腐臭味道且縮短油炸食品的保質(zhì)期，并影響消費(fèi)者對(duì)相關(guān)食品的接受度[6-7]。研究同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在常溫條件下長(zhǎng)期放置的玉米油及其相關(guān)食品，由于自氧化、光敏氧化生成的醛類也是其不和諧風(fēng)味及相關(guān)食品風(fēng)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(guò)程中風(fēng)味的形成機(jī)制，本文應(yīng)用真空輔助固相微萃取(solid-phase microextraction，SPME)技術(shù)分析檢測(cè)加熱過(guò)程中不同溫度段玉米油揮發(fā)性物質(zhì)的構(gòu)成，從而揭示熱加工過(guò)程中不同溫度段風(fēng)味的形成和特點(diǎn)，進(jìn)而闡明玉米油熱加工過(guò)程風(fēng)味形成的機(jī)制，為油脂熱加工過(guò)程中風(fēng)味的人工調(diào)控提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

玉米油，遼寧省大連市當(dāng)?shù)爻?；?biāo)準(zhǔn)化學(xué)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(duì)二甲苯、苯乙烯、2-戊呋喃和C4-C20正構(gòu)烷烴(均為分析純)，美國(guó)Sigma-Aldrich(上海)公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

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

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

應(yīng)用真空輔助固相微萃取系統(tǒng)對(duì)玉米油進(jìn)行升溫和揮發(fā)物的收集，該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)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(guò)程中揮發(fā)性物質(zhì)形成的規(guī)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(shí)將樣品瓶2置于70 ℃的水浴鍋中恒溫加熱。待玉米油揮發(fā)性化合物達(dá)到飽和狀態(tài)，將樣品瓶2抽真空3 min達(dá)到負(fù)壓狀態(tài)。利用樣品瓶2中產(chǎn)生的負(fù)壓將樣品瓶1中的揮發(fā)性化合物通過(guò)聚四氟乙烯管導(dǎo)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(fā)性化合物吸附30 min，完成揮發(fā)性物質(zhì)的萃取吸附，隨即立刻插入到GC-MS進(jìn)樣口中進(jìn)行檢測(cè)，并將2號(hào)瓶取出，更換新瓶，用真空泵將瓶抽到負(fù)壓，等待下一溫度下?lián)]發(fā)性化合物的引入。同時(shí)，樣品瓶1繼續(xù)加熱到下一個(gè)溫度，然后用真空泵將樣品瓶1抽真空3 min，以清除上一個(gè)溫度段殘留在瓶中的揮發(fā)性化合物，進(jìn)而消除對(duì)下一溫度段產(chǎn)生的揮發(fā)性化合物的干擾。重復(fù)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(shí)間為3 min，以 5 ℃/min的速率升至280 ℃，320 ℃后運(yùn)行5 min，整個(gè)周期時(shí)間為52 min。進(jìn)樣口溫度250 ℃；檢測(cè)器250 ℃；質(zhì)量選擇檢測(cè)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(cè)器溫度150 ℃。以相同氣色譜條件檢測(cè)正構(gòu)烷烴 (C7-C30)，計(jì)算保留指數(shù)。采用NIST11譜庫(kù)檢索及比對(duì)文獻(xiàn)報(bào)道的RI值，保留匹配度大于或等于800的成分，對(duì)化合物進(jìn)行鑒定分析，然后通過(guò)和標(biāo)準(zhǔn)化合物進(jìn)行比對(duì)，最終確定化合物的種類。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

1.5.1 顯著性分析

對(duì)玉米油中揮發(fā)性風(fēng)味成分的測(cè)定進(jìn)行了3次重復(fù)試驗(yàn)。數(shù)據(jù)以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)誤差表示。采用SPSS 16.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。均數(shù)間的差異采用單因素方差分析(鄧肯多變量檢驗(yàn))。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(zhuǎn)化為低維變量的一種多元統(tǒng)計(jì)分析方法，是一種多重?cái)?shù)據(jù)分析技術(shù)。使用 Unscrambler 9.7對(duì)半連續(xù)加熱過(guò)程中不同溫度下玉米油的揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行主成分分析，檢驗(yàn)其重復(fù)以及各化合物分布區(qū)域和所起的貢獻(xiàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 加熱過(guò)程中玉米油中揮發(fā)性化合物的組成

基于色譜峰質(zhì)圖與NIST標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)譜圖以及標(biāo)準(zhǔn)化合物綜合比對(duì)，玉米油加熱過(guò)程中，共定性分析檢測(cè)到了52種揮發(fā)性物質(zhì)，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(zhì)在所鑒定出的物質(zhì)中比例最大，是玉米油揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的主要構(gòu)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(fā)性醛類是油脂氧化產(chǎn)生的主要的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)，其風(fēng)味閾值相對(duì)較低[13-15]，一般低濃度的揮發(fā)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(diào)節(jié)和控制揮發(fā)性醛類的生成對(duì)改善相關(guān)食品的風(fēng)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(chǎn)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(shí)研究發(fā)現(xiàn)，加熱產(chǎn)生的揮發(fā)性醛主要來(lái)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(lái)源于油酸，戊醛、己醛，2,4-癸二醛主要來(lái)源于亞油酸；2,4-庚二烯醛來(lái)源于亞麻酸[5]。

醇酮類化合物是繼玉米油加熱過(guò)程中鑒定出的揮發(fā)性醛類之后第二大類風(fēng)味化合物，醇類包括飽和醇、不飽和醇和環(huán)狀醇。并且揮發(fā)性醇酮揮發(fā)性化合物是在150 ℃以后形成的。醇類物質(zhì)的形成主要源于脂質(zhì)氧化或醛類物質(zhì)的還原[19]。在這些揮發(fā)性醇中， 1-辛烯-3-醇，作為一種具有蘑菇氣味的重要揮發(fā)性醇，它是亞油酸-10-氫過(guò)氧化物的分解產(chǎn)物。在熱加工過(guò)程如油炸過(guò)程中，亞油酸-10-氫過(guò)氧化物分解生成的2-辛烯-1-醇中羥基的位置異構(gòu)化是形成1-辛烯-3-醇主要反應(yīng)途徑之一[20-21]。揮發(fā)性酮是油炸食品味道的重要組成，高濃度的揮發(fā)性酮類給人帶來(lái)濃烈的溶劑味，低濃度的酮類通常帶來(lái)一定的花香；如，6-十二烷酮[22]。然而，在油炸過(guò)程中產(chǎn)生的揮發(fā)性酮被認(rèn)為是對(duì)人體健康有潛在危害的物質(zhì)。一方面，甲基酮等揮發(fā)性酮可能是飽和脂肪酸的熱過(guò)氧化產(chǎn)物；另一方面，在深度油炸過(guò)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(guò)程中同時(shí)檢測(cè)到了一定量的呋喃類，芳香族和酸酯類化合物，呋喃類揮發(fā)物通常帶來(lái)一定的甜香味，但是其具有一定的毒性。研究發(fā)現(xiàn)其與肝臟腫瘤(肝細(xì)胞腺瘤或癌)[25]和白血病[26]的發(fā)病有關(guān)。同時(shí)氧化多不飽和脂肪酸可以促進(jìn)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(shí)：(E)-4-羥基-2-壬烯醛是戊基呋喃的前體[27-28]，研究同時(shí)發(fā)現(xiàn)氨基酸可以催化α,β-不飽和醛轉(zhuǎn)化為烷基呋喃，相應(yīng)α,β-不飽和醛是中間產(chǎn)物。例如，2-乙基呋喃可以由(E)-2-己烯醛通過(guò)4-羥基-2-己烯醛形成，2-丙基呋喃可以由(E)-2-庚醛通過(guò)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(chǎn)生的，因此，油脂中的脂肪酸的構(gòu)成影響α,β-不飽和醛轉(zhuǎn)化為相應(yīng)呋喃的生成。同時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,芳香族類化合物僅在60 ℃以下可以檢測(cè)到，在較高溫度下均未檢出。推測(cè)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(fā)物對(duì)油脂風(fēng)味的影響相對(duì)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(guò)程中產(chǎn)生的揮發(fā)性化合物Table 1 Volatile compounds from the corn oil in the heating process

續(xù)表1

2.2 不同加熱溫度下玉米油揮發(fā)性物質(zhì)的變化規(guī)律

食品的加熱過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，伴隨著許多化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生和物質(zhì)的形成。為了探索玉米油風(fēng)味的形成機(jī)理，研究不同加熱溫度下產(chǎn)生的揮發(fā)性物質(zhì)的構(gòu)成非常必要。圖3直觀地展示了加熱過(guò)程中玉米油不同揮發(fā)物的形成溫度，以及各溫度段揮發(fā)性物質(zhì)的構(gòu)成。同時(shí)，不同溫度下各揮發(fā)性物質(zhì)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(duì)較少，暖色系表示化合物含量相對(duì)較大，具體見(jiàn)圖4。

圖3 玉米油各揮發(fā)性物質(zhì)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(fā)物的形成溫度，玉米油在不同加熱溫度點(diǎn)的揮發(fā)物組成如圖3所示。總的趨勢(shì)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(shí)共鑒定出7個(gè)揮發(fā)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(duì)二甲苯。然而，這并不意味著這些化合物是在這個(gè)溫度點(diǎn)產(chǎn)生的，有可能是玉米油的基本揮發(fā)成分。隨著溫度的升高，在60 ℃和 90 ℃下分別產(chǎn)生了5種和2種揮發(fā)物。如圖3所示，在60 ℃下生成了辛醛、環(huán)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(jiàn)低溫下生成的醛類物質(zhì)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(shì)，繪制了玉米油揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的熱圖。結(jié)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(shù)揮發(fā)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(fā)性物質(zhì)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(fā)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(guò)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(fù)相關(guān)。油脂的酸臭和油漆味與戊醛有關(guān)。魚腥味和豆腥味與(E,E)-2-4-癸二烯醛呈中度相關(guān)。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(guān)。此外，己醛是一種已知的脂質(zhì)氧化分解產(chǎn)物，已被用作各種油脂氧化的指標(biāo)。同時(shí)，由圖3可以看出，在此溫度點(diǎn)，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(gè)加熱過(guò)程中，150 ℃被認(rèn)為是形成玉米油揮發(fā)性化合物的臨界溫度點(diǎn)，異味開始大量釋放。120 ℃和180 ℃分別有4種和11種揮發(fā)性化合物生成，大多數(shù)酮類揮發(fā)性化合物在150 ℃下生成，酸在180 ℃下檢測(cè)。

為了更好地理解加熱過(guò)程中的玉米油風(fēng)味構(gòu)成和變化特性，應(yīng)用所鑒定出的53種化合物的數(shù)據(jù)進(jìn)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(gè)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(fā)性物質(zhì)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(fā)性物質(zhì)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(diǎn)(30、60、90、120 ℃)主要位于主成分一負(fù)載荷區(qū)域，而高溫的得分點(diǎn)(150，180 ℃)則位于主成分一的正載荷區(qū)。這表明低溫度時(shí)的揮發(fā)性物質(zhì)的構(gòu)成與高溫時(shí)有較大差異。同時(shí)，30、60、90、120 ℃的得分點(diǎn)彼此靠近甚至重疊，溫度較低時(shí)不同穩(wěn)定點(diǎn)的揮發(fā)性物質(zhì)的構(gòu)成較為相似。對(duì)應(yīng)于相應(yīng)的載荷圖(圖6)，發(fā)現(xiàn)辛醛、壬醛、癸醛、戊醇、環(huán)己酮等化合物對(duì)低溫時(shí)的風(fēng)味貢獻(xiàn)較大，同時(shí)，說(shuō)明這些化合物是在低于120 ℃下產(chǎn)生的。由圖5同時(shí)可知，在較高溫度150 ℃和180 ℃下的得分點(diǎn)和低溫下的得分點(diǎn)可以明顯區(qū)分開，分布在PC1的正載荷區(qū)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(fēng)味構(gòu)成有很大的差別。對(duì)應(yīng)載荷圖6，發(fā)現(xiàn)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(duì)高溫時(shí)的風(fēng)味貢獻(xiàn)較大，同時(shí)絕大多數(shù)揮發(fā)性化合物出現(xiàn)在這一區(qū)域內(nèi)，這也進(jìn)一步表明了絕大多數(shù)揮發(fā)性化合物是在較高溫度下形成的。

當(dāng)加熱溫度升高到大于120 ℃時(shí)，不同高溫點(diǎn)的玉米油風(fēng)味構(gòu)成差異也非常明顯。由圖5看出，150 ℃ 和180 ℃這2個(gè)溫度下的樣品首先因位于PC1的正載荷區(qū)域，區(qū)別于低溫度時(shí)的樣品；同時(shí)又分別位于PC2的正載荷區(qū)域和負(fù)載荷區(qū)域，由第二主成分分開。這表明150 ℃和180 ℃的揮發(fā)性物質(zhì)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(jié)合相應(yīng)的載荷圖發(fā)現(xiàn)大多數(shù)鑒定的揮發(fā)性化合物位于 PC1的正載荷區(qū)域，這表明所有這些化合物都參與了高溫度段樣品整體風(fēng)味輪廓的構(gòu)成，但卻有著量上的差異。對(duì)150 ℃時(shí)的風(fēng)味貢獻(xiàn)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(duì)180 ℃時(shí)的風(fēng)味貢獻(xiàn)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(jié)果一致，即這些揮發(fā)性化合物的含量在高溫度時(shí)處于一個(gè)基本含量較高且在增長(zhǎng)的水平，與一些文獻(xiàn)中報(bào)道的油脂氧化相關(guān)的一些醇、醛類物質(zhì)含量變化規(guī)律很符合。

3 結(jié)論

真空輔助頂空固相微萃取并結(jié)合氣質(zhì)聯(lián)用的方法(HS-SPME-GC-MS)可以有效地分析玉米油加熱過(guò)程中不同溫度點(diǎn)揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的構(gòu)成，確定了各揮發(fā)性物質(zhì)形成的溫度，150 ℃是整個(gè)加熱過(guò)程一個(gè)重要的溫度控制點(diǎn)，基本搞清了玉米油加熱過(guò)程中風(fēng)味的形成機(jī)制。