甘薯烤制過程中美拉德反應主要成分及香味成分含量的動態(tài)變化

鄭美玲，張文潔，朱遠洋，馮衍闖，徐如彥，張峻松

（1.鄭州輕工業(yè)大學食品與生物工程學院，河南 鄭州 450001；2.江蘇中煙工業(yè)有限責任公司技術中心，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：“番薯具有補虛乏、益氣力、健脾胃、強腎陽之功效”?，F(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，其中美拉德反應極為重要[3-6]。美拉德反應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，該反應會產(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)學者利用這一形成機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，以期進一步闡明烤甘薯香氣的形成機制。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

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，國藥集團化學試劑有限公司；氫氧化鈉、酒石酸鉀鈉、亞硫酸鈉、醋酸鉛、硫酸鈉，天津市大茂化學試劑廠；結晶酚，北京華越洋生物有限公司；蒸餾水，杭州娃哈哈集團有限公司；鹽酸，洛陽昊華化學試劑有限公司；無水乙醇（AR），天津市富宇精細化工有限公司；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，天津市科密歐化學試劑有限公司；甲基紅、21種氨基酸標準品，上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

1.1.2 儀器與設備

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電熱鼓風干燥箱，上海博迅實業(yè)有限公司醫(yī)療設備廠；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，太倉市實驗設備廠；FJ200-SH型數(shù)顯高速分散均質(zhì)機，上海標本模型廠；TG16-WS高速離心機，湖南滬廉離心機有限公司；D-37520離心機，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)機打漿、混合均勻，待分析。

1.2.2 淀粉含量的測定

準確稱取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5次，棄去上清液。參照GB 5009.9—2016[11]的酸水解法對殘渣進行處理，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的標準溶液。

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；進樣量：5μL。

1.2.6 氨基酸含量的測定

對照品溶液的制備：準確稱取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的標準溶液。

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]的方法進行。以濃度（x）為橫坐標，峰面積（y）為縱坐標，擬合回歸方程，見表1。

表1 氨基酸標準品的出峰時間及標準曲線方程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

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

色譜條件：色譜柱HP-5MS（30 m×250μm×0.25μm）；進樣口溫度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)標法進行半定量。

1.2.8 數(shù)據(jù)處理

上述試驗均設置3組平行，數(shù)據(jù)采用Excel進行分析。

2 結果與分析

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49.47%。本研究結論表明，甘薯在烤制45 min時淀粉酶完全失活，甘薯在烤制45 min內(nèi)淀粉損失量達總損失量的57.69%，這個時間段內(nèi)淀粉含量的下降應該是淀粉酶的水解作用所致的?？局?5 min后，淀粉不再受到淀粉酶的作用，但相關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[15]。陸國權等[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，達到70℃僅需要6 min，達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到了最適溫度，活性增強，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，降解產(chǎn)生和反應消耗速率的不同可能是導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，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，淀粉不再進行水解，麥芽糖作為反應底物不斷被消耗，氨基酸含量尤其是易發(fā)生反應的半胱氨酸、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，氮源不足導致美拉德反應速率減緩。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 結論

甘薯在烤制過程中發(fā)生一系列復雜反應，主要是美拉德反應與焦糖化反應，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主要成分、淀粉酶活性及揮發(fā)性香味成分進行了測定分析，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；最后，在烤制后期（90～120 min），甘薯內(nèi)部易反應的氨基酸消耗殆盡，導致美拉德反應極為緩慢或終止。

本研究中甘薯的烤制溫度為200℃，多項研究結果表明，當加熱溫度達到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，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的進行，但該反應與甘薯內(nèi)部理化指標的關系尚不明確，后續(xù)可結合焦糖化反應原理及影響因素等方面進行深入探究。