氣相離子遷移色譜解析白砂糖和黃油對面包感官品質(zhì)和風味物質(zhì)的影響

胡宇薇，高夢祥

（長江大學生命科學學院，湖北 荊州 434025）

面包具有豐富的營養(yǎng)、細膩的口感，深受消費者喜愛。目前，世界上大約有2/3的人以面包為主食。正是因為面包等烘焙食品越來越受到人們歡迎，對面包的風味口感以及營養(yǎng)的要求越來越高，健康營養(yǎng)的原材料也不斷應用于烘焙食品之中，使其品質(zhì)和營養(yǎng)不斷提升。面包的原料主要是面粉、水、發(fā)酵劑和一些輔料，如白砂糖、黃油等。這些輔料是影響面包氣味與品質(zhì)的重要物質(zhì)。

白砂糖在面包生產(chǎn)中起到重要作用，糖是酵母發(fā)酵的主要能量來源，適量添加糖可使酵母在發(fā)酵過程中充分發(fā)揮作用。其次，糖在面包中作為甜味劑并增加其營養(yǎng)價值，還可以增加面包的色澤和香味，增加面包柔軟度，延長面包保鮮期等。糖在發(fā)酵過程中，一部分分解成CO和乙醇，CO氣體使面團膨脹，乙醇使面包產(chǎn)生風味和香氣。一部分在面包烘烤時通過美拉德反應使面包表皮變黃，還有一部分使面包有甜味，還能防止水分蒸發(fā)以免面包迅速老化。

黃油是面包中很重要的配料，可以使面包體積增大，使制品更加松軟，產(chǎn)生濃郁的氣味，賦予面包良好的口感。黃油中的油脂和面團中的面筋結(jié)合后可以形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，面包制作中發(fā)酵而產(chǎn)生的CO得以保留，增加面包體積，使面包口感松軟。因此，在生產(chǎn)制作面包時，需要黃油改善制品的口感、保證成品的品質(zhì)要求、延長產(chǎn)品的保存期限，這不僅提高成品的營養(yǎng)，提升香味，還可以美化制品的色澤。

氣相離子遷移色譜（gas chromatography-ion mobility spectrometry，GC-IMS）是一種靈敏的分析技術(shù)，能夠?qū)]發(fā)性有機化合物進行全面評估和定量，并提供連續(xù)的注入功能和快速的分析能力。此外，GC-IMS能夠在不進行預處理和富集處理的情況下直接進樣，并且能夠?qū)崟r檢測揮發(fā)性有機化合物的含量。目前，GC-IMS廣泛應用于安全、環(huán)境、呼吸醫(yī)學和食品科學等多個領(lǐng)域。

本實驗用酵母菌和乳酸菌混合發(fā)酵，使用GC-IMS、電子鼻、質(zhì)構(gòu)儀等探究白砂糖和黃油對面包的感官品質(zhì)、比容、質(zhì)構(gòu)和揮發(fā)性風味物質(zhì)等方面的影響，以期為營養(yǎng)健康、品質(zhì)優(yōu)良面包的開發(fā)提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

高筋小麥粉 河南新鄉(xiāng)市新良糧油加工有限責任公司；白砂糖 云南阿鵬哥商貿(mào)有限公司；黃油 墨谷實業(yè)（上海）有限公司；培養(yǎng)基：葡萄糖、蛋白胨、酵母提取物、磷酸二氫鉀等常規(guī)試劑均為分析純。

釀酒酵母（，編號：bio-65134）、植物乳桿菌（，編號：bio-61676） 北京百歐博偉生物公司。經(jīng)前期實驗，采取兩菌種生物量1∶1（g/g）用于混合發(fā)酵面包。

1.2 儀器與設備

TA.XT.plus質(zhì)構(gòu)儀 英國Stable Micro Systems公司；PEN 3.5電子鼻 德國Airsence 公司；DL-T06面包機、DL-K33B電烤箱 廣東東菱電器有限公司；FlavourSpec風味分析儀由490 GC儀（美國Agilent公司）、FS-SE-54-CB毛細管柱（15 m×0.53 mm）、IMS儀器（FlavourSpec，德國G.A.S公司）組成，配備自動進樣器單元（瑞士思特斯分析儀器有限公司）。

1.3 方法

1.3.1 原料配比

對照樣品（A）：面粉150 g、水90 g、釀酒酵母1.5 g、植物乳桿菌1.5 g。

白砂糖樣品（B）：面粉150 g、水90 g、白砂糖22.5 g、釀酒酵母1.5 g、植物乳桿菌1.5 g。

白砂糖黃油樣品（C）：面粉150 g、水90 g、白砂糖22.5 g、黃油15 g、釀酒酵母1.5 g、植物乳桿菌1.5 g。

1.3.2 菌種的準備

將菌種接種到液體培養(yǎng)基中在搖床（150 r/min）中培養(yǎng)48 h，培養(yǎng)結(jié)束后使用離心法將發(fā)酵好的菌液在8 000 r/min，4 ℃離心10 min，棄去上清液，然后用無菌水洗滌，再次離心收集沉淀待用。

1.3.3 面包的制作

參照孟凡冰等的方法，稍作改動。以白砂糖黃油樣品為例，先將90 g水和全部離心菌體攪拌均勻，靜止10 min，使菌體活化，后將150 g面粉、22.5 g白砂糖、菌體混合液加入面包機中攪拌5 min，再加入15 g黃油攪拌10 min，面團充分攪拌之后先放入發(fā)酵箱中發(fā)酵2 h，然后取出稱取每50 g為一個面團，整形后放入模具，再放入發(fā)酵箱中放置1 h，取出后放入烤箱（上火160 ℃，下火180 ℃）烤制30 min。烘焙后，面包在室溫（25±2）℃冷卻2 h，密封在密封袋中以備檢測分析使用。

1.3.4 感官評價

以文獻[15]的方法為依據(jù)，稍作修改。面包樣品的感官分析由12 名小組成員，小組成員被要求評估編碼樣本的外觀形狀、表面色澤、組織結(jié)構(gòu)、彈韌性和氣味口感。面包沒有標記，隨機放置，小組成員被要求直接在問卷上對每個參數(shù)做出回答（表1）。提供水用于樣品間沖洗。

表1 感官評價評定標準Table 1 Criteria of sensory evaluation for bread

1.3.5 比容和體積測定

采用小米排阻法測定面包體積。取一個燒杯，用小米裝滿，壓實并用尺子刮平，取出小米并放入面包，將米鋪到原來的位置。另取一個量筒測出剩下小米的體積即為面包體積。用電子秤測出面包的質(zhì)量，計算測定后的面包的體積與質(zhì)量的比值。

1.3.6 質(zhì)構(gòu)特性分析

利用質(zhì)構(gòu)儀TPA模式測定面包樣品的硬度、黏度、彈性、咀嚼度等指標，評價其質(zhì)構(gòu)特性。將面包樣品放置至室溫后，切取10 mm厚度的中間層，放置于質(zhì)構(gòu)儀探頭面積下的載物臺上，進行測定。質(zhì)構(gòu)儀的力設定為2 500 N，探頭型號P/36，下降速率設置為60 mm/s，形變量為50%，初始力為0.05 N。每次對同樣規(guī)格同一配方的3 個樣品進行質(zhì)構(gòu)測定。

1.3.7 揮發(fā)性風味物質(zhì)主成分分析（principal component analysis，PCA）

采用電子鼻對樣品揮發(fā)性風味物質(zhì)主成分進行分析（表2）。使用清潔的空氣沖洗腔室，直到傳感器信號回到基線，清潔的空氣通過帶有木炭過濾器的第2個空心針供應。使用帶導管的空心針刺穿小瓶的密封，并以恒定速率從頂部空間吸收揮發(fā)性氣體。測量時間為100 s，取各傳感器在80～82 s時的響應值，采用電子鼻自帶軟件WinMuster進行PCA。

表2 電子鼻傳感器敏感物質(zhì)Table 2 Electronic nose sensors sensitive to different volatile substances used in this study

1.3.8 揮發(fā)性風味物質(zhì)分析

采用GC-IMS分析面包樣品中揮發(fā)性有機化合物。面包去掉表皮，切碎面包芯，取5 g樣品置于20 mL頂空瓶中，60 ℃孵育15 min，50 ℃保溫15 min，用1 mL氣密加熱注射器在65 ℃條件下直接從頂空取樣（500 μL）。其他條件：柱溫60 ℃，載氣（N，純度≥99.999%），流速，前2 min采取2 mL/min，后20 min 采取100 mL/min；IMS溫度45 ℃，漂移氣（N，純度≥99.999%），流速150 mL/min。

1.4 數(shù)據(jù)處理

面團發(fā)酵和面包制作進行3 次獨立實驗，GC-IMS分析使用3 份樣品。結(jié)果表示為3 次重復測量的平均值。GC-IMS結(jié)果使用儀器配套的分析軟件進行分析，其中包括VOCal和3 款插件。VOCal用于分析譜圖和數(shù)據(jù)的定性定量。Reporter插件可以直接對比樣品之間的譜圖差異。Gallery Plot插件為指紋圖譜對比，直觀且定量地比較不同樣品之間的揮發(fā)性有機物差異。動態(tài)PCA和相似度分析圖用Dynamic PCA插件分析，用于將樣品聚類分析和相似度分析。所有獲得數(shù)據(jù)用Origin 8.5軟件進行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 白砂糖和黃油對面包感官評價的影響

由圖1可知，當原料只有面粉和水時，面包體積較小，應為沒有糖參加美拉德反應，表面沒有良好的色澤，味道較差。當加入白砂糖和黃油后，面包的形態(tài)完整豐滿，色澤鮮艷，富有光澤，無焦糊，面包內(nèi)部切面色澤淡黃，氣孔分布均勻，口感柔軟細膩，甜味適宜，表皮柔軟，感官評分達到82.8。加入白砂糖和黃油，能很好地融合于小麥面筋網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中，提高面筋筋度，使面團表面光滑，膨脹度及持氣性升高，整體產(chǎn)品口感較優(yōu)。

圖1 感官評價雷達圖Fig.1 Radar chart of sensory evaluation

2.2 白砂糖和黃油對面包比容和體積的影響

由圖2可知，在3 類面包樣品中，體積在不斷增加，但在比容方面無顯著性差異，表明白砂糖和黃油的加入不會對面包的比容產(chǎn)生影響。面包體積與面包評分呈線性相關(guān)，在一定程度下面包體積越大，面包評分越高。體積增大，可能是由于酵母菌和植物乳桿菌在發(fā)酵面團時對白砂糖和黃油起到較好的分解作用。白砂糖作為酵母的能源物質(zhì)，在醒發(fā)過程中發(fā)酵產(chǎn)氣，進而使面包的體積增大。黃油作為固體油脂，具有可塑性，起酥性和融合性，其物理變化隨著溫度的變化而改變，有助于提高面筋延展性能。而體積增加比容不變，說明面包個體在面包烘焙的過程中質(zhì)量產(chǎn)生改變，也就是說，相同質(zhì)量的面團，加入白砂糖和黃油后烘焙過程的質(zhì)量損失變小，而在質(zhì)量損失變小的情況下，產(chǎn)生氣體的體積反而增加。

圖2 白砂糖和黃油對面包比容和體積的影響Fig.2 Effects of white sugar and butter on specific volume and volume of bread

2.3 白砂糖和黃油對面包質(zhì)構(gòu)特性的影響

面包膠黏性、彈性和回復性等質(zhì)構(gòu)特性與面包品質(zhì)呈正相關(guān)，硬度、膠黏性和咀嚼性等質(zhì)構(gòu)特性與面包的品質(zhì)呈負相關(guān)。面包的硬度越高，口感越差，適度的彈性可增加面包的耐咀嚼性，而彈性過高則會導致面包口感彈牙，降低品質(zhì)。

從表3可以看出，白砂糖的加入沒有顯著改變質(zhì)構(gòu)特性，白砂糖和黃油同時加入時，面包的硬度和彈性有顯著差異，硬度和彈性分別減小35.35%和37.91%。白砂糖黃油面包樣品硬度、膠黏性、彈性和咀嚼性最低，說明白砂糖黃油面包樣品結(jié)構(gòu)更為蓬松，口感更為柔軟，在咀嚼時，耐咀嚼性較好且所需要的能量相對較小，與王然等的研究一致?？赡苁怯捎邳S油中含有會與乳酸菌中的酸類物質(zhì)反應的物質(zhì)，使面包更加柔軟，對面團面筋破壞力度較小，使面包在質(zhì)構(gòu)特性方面更優(yōu)。且黃油的加入使面包的水分含量高、膨脹度好、組織蓬松、比容大，面包相對柔軟、硬度小，面包組織狀態(tài)良好、彈性大。由此可見，面包原料可以通過合適的比例配合協(xié)同發(fā)酵，為面包形成理想品質(zhì)提供了保障。

表3 白砂糖和黃油對面包質(zhì)構(gòu)特性的影響Table 3 Effects of white sugar and butter on texture characteristics of bread

2.4 白砂糖和黃油對面包揮發(fā)性物質(zhì)主成分的影響

圖3可區(qū)分不同面包樣品的風味差異，面包樣品響應強度均較大的傳感器有W5S、W1S、W1W、W2S和W2W，它們分別對氮氧化物、甲烷、硫化物、乙醇和芳香化合物靈敏。結(jié)合表2說明面包的主要風味物質(zhì)來源于乙醇、氮氧化合物等芳香成分。對響應值較高的5 種傳感器響應值進行分析（圖4）可以看出，除了烷類W1S傳感器，其他傳感器對白砂糖黃油樣品的響應值最大。說明白砂糖和黃油對面包中氮氧化物、硫化合物、芳香族化合物、芳烴化合物、甲烷類和乙醇等化合物的產(chǎn)生影響顯著。Kim等也發(fā)現(xiàn)乙醇是面包中最豐富的揮發(fā)性化合物。在W1C、W6S、W3C、W5C和W3S 五個傳感器中響應值較低，表明白砂糖和黃油對這5 個傳感器對應的芳烴化合物、氫化物、氨芳香分子等極性分子含量影響較小。

圖3 電子鼻雷達圖Fig.3 Electronic nose radar chart

圖4 電子鼻傳感器差異圖Fig.4 Response of electronic nose sensors to three breads

對3 類面包樣品進行PCA（圖5），結(jié)果表明：PC1貢獻率為80.68%，PC2貢獻率為19.32%，說明2 個PC可以很好地反映樣品的整體信息。3 類面包樣品形成的風味主成分區(qū)域在橫坐標上距離較大，幾乎無重疊，說明這3 種面包樣品之間差異明顯，感官差別較大，風味差異顯著，說明白砂糖和黃油可顯著改變面包的風味。面包樣品揮發(fā)性風味物質(zhì)的種類和濃度明顯不同。白砂糖黃油面包樣品明顯比其他2 類樣品的香氣物質(zhì)濃度高。

圖5 3 類面包電子鼻PCA圖Fig.5 PCA plot of electronic nose data of three breads

從GC-IMS數(shù)據(jù)庫中共鑒定出47 種化合物的單體及部分物質(zhì)的二聚體（20 種物質(zhì)未鑒定出），已鑒定的物質(zhì)見表4。表4顯示，揮發(fā)性化合物包括17 種醛類、10 種醇類、8 種酮類、6 種酯類、2 種吡嗪類、2 種呋喃類、1 種酸類和1 種烷類。

表4 面包樣品中鑒定出的揮發(fā)性化合物Table 4 Volatile compounds identified in three bread samples

續(xù)表4

2.5 白砂糖和黃油對揮發(fā)性風味物質(zhì)的影響

如圖6所示，圖6b選取對照面包樣品指紋譜圖作為參比，白砂糖樣品和白砂糖黃油面包樣品的譜圖扣除參比，若該物質(zhì)的濃度高于參比，則為紅色；低于參比，則為藍色。圖7中顏色深淺程度代表揮發(fā)性化合物的含量，顏色越亮，含量越高。從圖6、7可以看出，每種樣品的完整揮發(fā)性有機物信息以及樣品之間揮發(fā)性有機物的差異。

圖6 面包樣品的GC-IMS三維圖譜（a）和GC-IMS光譜差值圖（b）Fig.6 Three-dimensional GC-IMS spectra (a) and differential GC-IMS spectra (b) of three bread samples

從圖7中揮發(fā)性化合物的離子峰排列可明顯看出，3 個平行測定的面包樣品組內(nèi)含共有揮發(fā)性化合物，即組內(nèi)樣品具有明顯的相似性，僅區(qū)別于濃度大?。徊煌姘鼧悠泛袑獣r間內(nèi)所特有的揮發(fā)性化合物，樣品組間則呈現(xiàn)出明顯的差異。即3 類面包樣品中有相似的揮發(fā)性香氣物質(zhì)，也有不同種類和含量的揮發(fā)性香氣物質(zhì)。

圖7 3 類面包樣品揮發(fā)性化合物的指紋圖譜Fig.7 Fingerprint of volatile compounds in three bread samples

3 種樣品面包中含量較高的是乙醇、異戊醇、乙酸乙酯、2-羥基丙酸乙酯。1-辛基-3-醇、異丁醇、丁醛、()-2-己烯醛、3-甲基-2-異丁基吡嗪等含量差異較小。

對照面包樣品與其他2 組樣品相比，乙醇、異戊醇、乙酸乙酯、2-戊基呋喃、苯乙醛、1-己醇、2-乙基呋喃、丙醛、3-甲基戊醇、1-壬醇、壬醛、()-2-壬烯醛、()-2-辛烯醛、庚醛等物質(zhì)的含量較高。乙醇、苯乙醛、1-己醇、壬醛、()-2-壬烯醛、庚醛等在面包中氣味活度值（odor active value，OAV）大于1，則說明這些香氣物質(zhì)為對照面包樣品中的主要氣味成分，其中醛類物質(zhì)含量較高，有研究證明醛類物質(zhì)是原輔料中脂質(zhì)氧化降解產(chǎn)生的，面粉氣味的主要物質(zhì)。有產(chǎn)生愉快氣味的化合物，如乙酸乙酯具有水果香味，2-戊基呋喃被認為是小麥面包中最具香氣活性的呋喃，可由美拉德反應或亞油酸氧化反應生成，為面包提供香氣。也有對面包氣味產(chǎn)生不良影響的，如較高的酸、壬醛、癸醛等，可能獲得消費者對面包新鮮度的消極評價。

白砂糖面包樣品與其他2 組樣品相比，2-羥基丙酸乙酯、3-羥基-2-丁酮、2,3-戊二酮、-3-己烯醇、苯甲醛、2-丙醇、()-2-庚烯醛、3-甲基丁醛等物質(zhì)的含量較高。苯甲醛、()-2-庚烯醛等在面包中OAV大于1，苯甲醛具有燒焦的，甜味的風味，是由于白砂糖在烘焙過程中發(fā)生美拉德反應產(chǎn)生的，也可能是糖本身的味道。

黃油面包樣品與其他2 組樣品相比，2-庚酮、己醛、2-丁酮、2-戊酮、乙酸甲酯、1-丁醇、糠醛、戊醛、己酸乙酯、癸醛、甲基吡嗪、乙酸異戊酯、2-壬酮、2-甲基丁酸等物質(zhì)的含量較高。其中酮類物質(zhì)含量遠大于其他，酯類含量也相對較高，酯類產(chǎn)生于面團發(fā)酵再烘焙環(huán)節(jié)，多具有果香、酒香、甜味等令人愉快的味道?？赡苁屈S油本身的味道或黃油加熱后產(chǎn)生的特殊香味。己醛、1-丁醇、糠醛、己酸乙酯、2-甲基丁酸等在面包中OAV大于1。乙酸甲酯、乙酸異戊酯、己酸乙酯等酯類是易揮發(fā)的風味物質(zhì)，同時是發(fā)酵香氣成分中的主要呈香物質(zhì)。白砂糖黃油面包樣品中酯類含量增加，面包產(chǎn)生更好的香味。烘烤過程中的高溫使酶及微生物失活，美拉德反應及脂肪酸氧化成為風味化合物的主要來源，如糠醛是美拉德反應標志產(chǎn)物，酸性環(huán)境下有利于糠醛的產(chǎn)生，糠醛的含量可能會改變面包的甜味。

3 結(jié)論

白砂糖和黃油對面包的外觀、顏色、組織、彈性以及氣味和口感得到顯著性改善。同時能改善面團的發(fā)酵特性，面團的持氣性增大，面包體積增大；也能改變面包的質(zhì)構(gòu)特性，樣品的硬度、咀嚼性顯著降低，彈性顯著增大，面包的品質(zhì)得到改善。白砂糖和黃油可顯著改變面包樣品中揮發(fā)性風味物質(zhì)主成分，對面包中氮氧化物、硫化合物、芳香族化合物、芳烴化合物、甲烷類和乙醇等化合物的產(chǎn)生影響顯著。在鑒定出的47 種化合物中，白砂糖和黃油顯著影響面包樣品揮發(fā)性風味物質(zhì)的種類和含量。其中，呈香的酯類物質(zhì)含量明顯增加，改善了面包的食味品質(zhì)。