基于S-曲線法和OAV法研究食品中不同香韻相互作用

李霞 高陽(yáng) 牛云蔚 朱建才 周?chē)?guó)俊 楊君

摘要：通過(guò)S-曲線法和OAV法對(duì)食品中5種香韻（甜香、烤香、木香、酸香、果香）進(jìn)行了相互作用機(jī)制的研究。結(jié)果表明，不同香韻相互作用時(shí)，原有香韻的閾值、OAV值都發(fā)生了改變。10組香韻混合物中有5組呈現(xiàn)掩蓋作用，3組呈現(xiàn)加成作用，2組呈現(xiàn)協(xié)同作用。通過(guò)累加模型構(gòu)建香氣強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型，不同香韻混合后，OI（Sum）與OI（Mea）兩者均呈現(xiàn)出線性關(guān)系，R2均大于0.90，表明10組混合物均具有良好的擬合效果。通過(guò)香氣模型預(yù)測(cè)各香韻種類(lèi)不同比例等條件變化后的香氣強(qiáng)度與掩蓋程度，為食品香精配方實(shí)際加香后的理論香氣強(qiáng)度與效果做出準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。

關(guān)鍵詞：食品香韻；香氣協(xié)同；S-曲線法；OAV法

中圖分類(lèi)號(hào)：TS207.3? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1000-9973（2023）05-0087-05

Abstract： The interaction mechanism of five aroma notes （sweet aroma， roasted aroma， fruity aroma， woody aroma and sour aroma） in food is studied by S-curve method and OAV method. The results show that the threshold value and OAV value of the original aroma notes change when different aroma notes interact with each other. Among the ten groups of aroma note mixtures， five groups show masking effect， three groups show addition effect， and two groups show synergistic effect. The prediction model of aroma intensity is established by additive model. After different aroma notes are mixed， OI （Sum） and OI （Mea） show linear relationship， R2 is greater than 0.90， indicating that all the ten groups of mixtures have good fitting effect. The aroma model is used to predict the aroma intensity and masking degree after the changes of various aroma note types and different proportions， so as to accurately predict the theoretical aroma intensity and effect of food flavor formula after the actual addition of aroma.

Key words： food aroma notes; aroma synergy; S-curve method; OAV method

收稿日期：2022-11-15

基金項(xiàng)目：浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司科技項(xiàng)目（ZJZY2021C002）

作者簡(jiǎn)介：李霞（1981—），女，工程師，博士，研究方向：風(fēng)味化學(xué)。

*通信作者：楊君（1972—），男，碩士，研究方向：風(fēng)味化學(xué)。

近年來(lái)，人們對(duì)食品風(fēng)味的要求逐漸提高，食品中的香氣成分復(fù)雜，這些香氣的形成不是各個(gè)化合物氣味的簡(jiǎn)單加和，而是由這些化合物相互作用最終形成的[1]。由于不同香韻香氣成分之間關(guān)聯(lián)的復(fù)雜性和作用的多樣性，很難客觀、快速、有效地確定香氣協(xié)調(diào)的食用香精組成與配方結(jié)構(gòu)。目前只能借助于傳統(tǒng)調(diào)香師經(jīng)過(guò)不斷的調(diào)香實(shí)驗(yàn)來(lái)對(duì)香氣成分用量以及香韻構(gòu)成進(jìn)行優(yōu)化。大多數(shù)食品都有著復(fù)雜的香韻結(jié)構(gòu)，其香韻結(jié)構(gòu)之間也有著復(fù)雜的相互作用機(jī)制。因此，探究食品中香氣成分及其不同香韻結(jié)構(gòu)之間的協(xié)同作用機(jī)制等科學(xué)問(wèn)題，已經(jīng)成為食用香精特征香氣調(diào)控技術(shù)能否從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化、制約香精行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸問(wèn)題。

如今對(duì)食品香韻協(xié)同的主要研究方法有S-曲線法[2-3]、OAV法[4]、σ-τ圖法[5]。Lytra等[6]采用了S-曲線法對(duì)3-羥基丁酸乙酯對(duì)映體在葡萄酒中的含量大小以及其對(duì)風(fēng)味的影響進(jìn)行了研究，其結(jié)果表明了這種酯對(duì)紅酒香氣的間接貢獻(xiàn)，即增強(qiáng)了果香特征的感知，也就是其對(duì)水果香氣產(chǎn)生了協(xié)同作用。張翼鵬等[7]采用了S-曲線法對(duì)西梅中的特征香氣成分己醛、突厥烯酮、3-甲硫基丙醛、反-2-戊烯醛等進(jìn)行了研究，其結(jié)果表明己醛、突厥烯酮、 3-甲硫基丙醛3種香氣成分與溶液中的其他組分發(fā)生了協(xié)同作用，增強(qiáng)了混合液的香氣，而反-2-戊烯醛會(huì)降低其混合液的香氣濃度，與混合液的其他組分發(fā)生掩蓋作用。Cameleyre等[8]研究了5種高級(jí)醇類(lèi)對(duì)紅酒果香感知的影響，揭示了這些高級(jí)醇類(lèi)在數(shù)量和質(zhì)量上都參與了掩蓋葡萄酒中的果香感知。該方法擴(kuò)展了體系范圍，除研究二元體系外，還研究了香韻多元成分之間的相互作用，并以圖形形式直觀表現(xiàn)。因此，在研究香氣成分相互協(xié)同作用時(shí)，S-曲線法具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

OAV法是通過(guò)將混合物的實(shí)測(cè)OAV值與理論OAV值做對(duì)比來(lái)判斷混合物中各組分之間的相互作用。Guadagni等[9]利用OAV法考察了番茄汁體系與其香氣成分甲基硫醚之間的相互作用，表明了甲基硫醚與番茄汁體系的協(xié)同作用。Culleré等[10]應(yīng)用OAV法研究了9種醛類(lèi)物質(zhì)在葡萄酒氧化過(guò)程中對(duì)葡萄酒香氣的影響，其結(jié)果表明這些醛類(lèi)物質(zhì)大多與葡萄酒中的香氣成分有協(xié)同作用，而且添加的香氣種類(lèi)數(shù)越多，其協(xié)同作用或是掩蓋作用也會(huì)越明顯。

本文以酸香、甜香、木香、果香、烤香等常見(jiàn)食品中的香韻為研究對(duì)象，通過(guò)S-曲線法、OAV法研究不同香韻之間的相互作用；通過(guò)累加模型對(duì)香韻組合后的香氣進(jìn)行強(qiáng)度預(yù)測(cè)，以期為食用香精調(diào)配提供技術(shù)支持與理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

乙醇（分析級(jí)，99.7%）：國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑股份上海有限公司；愈創(chuàng)木酚、丁香酚、4-乙烯基愈創(chuàng)木酚、己酸、戊酸、乙酸、麥芽酚、乙基麥芽酚、呋喃酮、2-甲基吡嗪、2-乙?；拎骸?，3-二甲基吡嗪、己酸乙酯、丁酸乙酯：純度均大于99%，TCI公司；所用純凈水由美國(guó)Millipore公司Milli-Q凈化系統(tǒng)制備。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 不同香韻閾值測(cè)定

利用S-曲線法測(cè)定閾值。感官評(píng)估在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 8589：2007 指導(dǎo)下建立的專(zhuān)業(yè)感官實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。樣品在受控室溫 25 ℃下進(jìn)行評(píng)估，使用帶蓋棕色玻璃瓶，含有約 5 mL 液體，用3位數(shù)隨機(jī)編碼。感官小組由10 名成員組成，其中男性4名，女性 6 名，年齡在22～25 歲。小組成員從最高濃度開(kāi)始，最高濃度的選取根據(jù)估計(jì)閾值或查閱文獻(xiàn)的閾值濃度來(lái)進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄U(kuò)大。如果小組成員可以挑選出含有香氣化合物的溶液，則對(duì)下一個(gè)較低濃度的樣品進(jìn)行同樣的測(cè)試，依次稀釋往下進(jìn)行，稀釋溶液為20%乙醇。記錄小組成員的判斷結(jié)果，并計(jì)算其檢測(cè)概率。檢測(cè)概率p為判斷正確的人數(shù)與總?cè)藬?shù)之比。并結(jié)合校正公式計(jì)算校正后的檢測(cè)概率，校正公式為P=（3p－1）/2（其中P為檢測(cè)概率的校正值，p為實(shí)際測(cè)得的檢測(cè)概率值），由 S-曲線擬合的濃度/響應(yīng)函數(shù)：

P=1/（1+exp（－x－x0D）。

式中：x 為濃度對(duì)數(shù)值：logQ（Q 為物質(zhì)濃度）；x0 為閾值對(duì)數(shù)值（P=0.5）；b=1/D為S曲線的斜率；P為檢測(cè)概率。

最后通過(guò)Sigma Plot軟件繪制物質(zhì)濃度Q-檢測(cè)概率P曲線，并根據(jù)S-曲線公式得出實(shí)測(cè)擬合S-曲線，定義縱坐標(biāo)P=0.5時(shí)，對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)為閾值。

1.2.2 食品不同香韻間協(xié)同作用研究

1.2.2.1 S-曲線法研究協(xié)同作用

A、B混合后，通過(guò)公式：P（AB）=P（A）+P（B）－P（A）×P（B）計(jì)算P（AB），繪制log（濃度）-檢測(cè)概率P曲線，并進(jìn)行擬合。其中濃度為加和值，A、B濃度保持原比例。若評(píng)價(jià)小組實(shí)測(cè)混合物閾值的概率低于理論概率，則發(fā)生掩蓋現(xiàn)象；若高于理論概率，則發(fā)生相互增強(qiáng)作用或協(xié)同作用；若等于理論概率，則不發(fā)生混合相互作用。

協(xié)同作用判定標(biāo)準(zhǔn)：D=實(shí)測(cè)閾值/理論閾值，當(dāng)D>1時(shí)，掩蓋作用；D=1時(shí)，無(wú)作用；0.5

1.2.2.2 利用OAV法研究協(xié)同作用

通過(guò)混合物的實(shí)測(cè)OAV與理論OAV的比值來(lái)判斷混合物中組分間的相互作用。其中混合物的實(shí)測(cè)OAV是混合物濃度與混合物實(shí)測(cè)閾值的比值；理論OAV值是混合物中各個(gè)組分的OAV值之和?；旌衔飳?shí)測(cè)閾值通過(guò)S-曲線測(cè)定，濃度為各組分濃度加和。若實(shí)測(cè)OAV與理論OAV相等，則為加成作用；若實(shí)測(cè)OAV高于理論OAV，則為協(xié)同作用；若實(shí)測(cè)OAV低于理論OAV，則為掩蓋作用。

判別公式：A=理論OAV/實(shí)測(cè)OAV，當(dāng)A<0.5時(shí)，協(xié)同作用；0.51時(shí)，掩蓋作用。

1.2.3 香韻強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型

本實(shí)驗(yàn)選擇食品中常見(jiàn)的酸香香韻（乙酸、己酸、戊酸）、木香香韻（愈創(chuàng)木酚、丁香酚、4-乙烯基愈創(chuàng)木酚）、烤香香韻（2-甲基吡嗪、2-乙酰基吡嗪、2，3-二甲基吡嗪）、甜香香韻（麥芽酚、呋喃酮、乙基麥芽酚）、果香（己酸乙酯、丁酸乙酯）5個(gè)香韻混合物，每個(gè)成分配制5個(gè)不同濃度的樣品（見(jiàn)表2）。感官小組依次測(cè)定并計(jì)算每個(gè)樣品的平均香氣強(qiáng)度（OI）。強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)為1～12級(jí)，標(biāo)準(zhǔn)品為1-丁醇，對(duì)應(yīng)的濃度見(jiàn)表1。按照所測(cè)定的香氣物質(zhì)的閾值，計(jì)算各個(gè)香氣成分的活性值（OAV），計(jì)算對(duì)應(yīng)的對(duì)數(shù)值，并計(jì)算OI與lnOAV（香氣活性值的對(duì)數(shù)值）的關(guān)系，通過(guò)擬合構(gòu)建線性模型。

香韻混合物通常由多種香氣物質(zhì)混合組成，且香氣物質(zhì)間普遍存在著相互作用。隨著混合物中物質(zhì)種類(lèi)的增多，香氣物質(zhì)間的相互作用越復(fù)雜。所以，評(píng)價(jià)香氣混合物的香氣特征并非將其各組分進(jìn)行簡(jiǎn)單加和。根據(jù)香氣物質(zhì)間相互作用表現(xiàn)出的規(guī)律，提出了一系列香氣物質(zhì)強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型。

1.2.3.1 累加模型

根據(jù)表2所提供的濃度點(diǎn)，分別配制5個(gè)不同濃度的10組不同香韻混合物，感官小組依次測(cè)定各樣品的香氣強(qiáng)度，并計(jì)算平均強(qiáng)度值OI（Mea）。利用累加模型預(yù)測(cè)各樣品的香氣強(qiáng)度OI（Sum），累加模型根據(jù)混合物的總體香氣強(qiáng)度等于各個(gè)組分單獨(dú)存在時(shí)強(qiáng)度值的簡(jiǎn)單加和，計(jì)算公式：OI=OIa+OIb+OIc+…+OIn。以累加模型預(yù)測(cè)結(jié)果OI（Sum）為橫坐標(biāo)、感官測(cè)定結(jié)果OI（Mea）為縱坐標(biāo)，將其擬合為線性模型。

1.2.3.2 香韻組合香氣強(qiáng)度預(yù)測(cè)

首先建立5個(gè)香韻（酸香、木香、烤香、甜香、果香）的OI-lnOAV香氣模型，再利用累加模型研究10組不同香韻結(jié)構(gòu)（酸香與木香、酸香與烤香、烤香與木香、烤香與甜香、木香與甜香、酸香與甜香、果香與酸香、果香與木香、果香與烤香、果香與甜香）的香氣強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同香韻間協(xié)同作用研究

由表3 可知，食品中不同香韻相互作用時(shí)，原有香韻的閾值、OAV值都發(fā)生了改變，使得實(shí)測(cè)閾值和理論閾值、實(shí)測(cè)OAV和理論OAV存在偏差，兩者之間的比值有大于1也有小于1。通過(guò)不同香韻協(xié)同作用研究，發(fā)現(xiàn)不同香韻之間主要具有加成或掩蓋作用。

通過(guò)木香香韻（愈創(chuàng)木酚、丁香酚、4-乙烯基愈創(chuàng)木酚）與甜香香韻（麥芽酚、呋喃酮、乙基麥芽酚）的S-曲線圖（見(jiàn)圖1）可知，木香香韻和甜香香韻混合后，S-曲線向左移動(dòng)，閾值變小，實(shí)測(cè)值與理論值分別為1.745 8，2.666 9 mg/kg，D值（實(shí)測(cè)閾值/理論閾值）為0.654 6，表明發(fā)生了加成作用。通過(guò)OAV法研究，A值（理論OAV/實(shí)測(cè)OAV）為0.795 5，表明發(fā)生了加成作用。兩種協(xié)同方法計(jì)算公式不同，但結(jié)果相同，均表明甜香香韻與木香香韻之間的相互作用為加成作用。通過(guò)酸香香韻（乙酸、己酸、戊酸）與甜香香韻（麥芽酚、呋喃酮、乙基麥芽酚）的S-曲線圖可以看出酸香香韻和甜香香韻混合后，S-曲線向左移動(dòng)，閾值變小，實(shí)驗(yàn)值與理論值分別為3.811 5，12.921 1 mg/kg，D值（實(shí)測(cè)閾值/理論閾值）為0.295，表明發(fā)生了協(xié)同作用。通過(guò)OAV法研究，A值為0.255 2，表明發(fā)生了協(xié)同作用。S-曲線法和OAV法獲得了相同的結(jié)果，說(shuō)明酸香香韻與甜香香韻之間發(fā)生協(xié)同作用，導(dǎo)致兩個(gè)香韻香氣成分的揮發(fā)性能增強(qiáng)，揮發(fā)物含量升高。

在木香香韻（愈創(chuàng)木酚、丁香酚、異丁香酚）與酸香香韻（乙酸、己酸、戊酸）的S-曲線圖（見(jiàn)圖1）中，木香香韻和酸香香韻混合后，S-曲線向左移動(dòng)，閾值變小，實(shí)測(cè)值與理論值分別為1.590 4，3.750 3 mg/kg，D值（實(shí)測(cè)閾值/理論閾值）為0.424，表明發(fā)生了協(xié)同作用。通過(guò)OAV法研究，A值為0.388，表明發(fā)生了協(xié)同作用?？梢钥闯?，S-曲線法和OAV法獲得了相同的結(jié)果，即木香香韻與酸香香韻的混合發(fā)生協(xié)同作用。

在酸香香韻（乙酸、己酸、戊酸）與烤香香韻（2-甲基吡嗪、2-乙酰基吡嗪、2，3-二甲基吡嗪）的S-曲線圖中，酸香香韻和烤香香韻混合后，S-曲線向右移動(dòng)，閾值變大，實(shí)測(cè)值與理論值分別為0.937 6，0.010 2 mg/kg，D值（實(shí)測(cè)閾值/理論閾值）為91.921 6，表明發(fā)生了掩蓋作用。通過(guò)OAV法研究，A值為6.419，表明發(fā)生了掩蓋作用?？梢钥闯?，S-曲線法和OAV法獲得了相同的結(jié)果，即酸香香韻與烤香香韻的混合，導(dǎo)致香氣成分的揮發(fā)性能弱化，揮發(fā)含量降低，發(fā)生掩蓋作用。

在甜香香韻（麥芽酚、呋喃酮、乙基麥芽酚）與果香香韻（己酸乙酯、丁酸乙酯）混合后S-曲線向右移動(dòng)，閾值變大，D值為3.906 9，A值為3.931 4，表明發(fā)生了掩蓋作用。酸香香韻與烤香香韻、酸香香韻與果香香韻、烤香香韻與果香香韻、木香香韻與果香香韻、果香香韻與甜香香韻混合后均為掩蓋作用。其中掩蓋作用較強(qiáng)的為酸香香韻與烤香香韻的混合物。酸香香韻與甜香香韻、酸香香韻與木香香韻混合后均為協(xié)同作用，酸香與甜香的協(xié)同作用較強(qiáng)，其余3組混合后均為加成作用。

2.2 香韻組合香氣強(qiáng)度預(yù)測(cè)

以累加模型預(yù)測(cè)結(jié)果OI（Sum）為橫坐標(biāo)、感官測(cè)定結(jié)果OI（Mea）為縱坐標(biāo)擬合成的不同香韻混合物線性模型（酸香與木香、酸香與烤香、烤香與木香、酸香與果香、酸香與甜香、烤香與甜香、烤香與果香、果香與木香、果香與甜香、木香與甜香）見(jiàn)圖2。

不同香韻混合物對(duì)應(yīng)的累加模型表達(dá)式中，lnOAV為香氣活性值的對(duì)數(shù)值，OI為香氣成分單獨(dú)存在時(shí)的香氣值，OI（Sum）為各香氣成分單獨(dú)存在香氣強(qiáng)度簡(jiǎn)單加和值，OI（Mea）為香氣成分混合后的強(qiáng)度測(cè)定值，見(jiàn)表4。

由以累加模型結(jié)果OI（Sum）為橫坐標(biāo)，感官測(cè)定結(jié)果OI（Mea）為縱坐標(biāo)建立的兩者之間的函數(shù)關(guān)系可以看出，不同的香韻兩兩混合之后，對(duì)于不同香韻混合物OI（Sum）與OI（Mea）兩者均呈現(xiàn)出線性關(guān)系（R2均大于0.90，表明10組混合物均具有良好的擬合效果）。隨著兩者濃度的增大，混合物的香氣強(qiáng)度也逐漸增強(qiáng)。如木香與甜香的累加模型為OI（Mea）=0.585 1×OI（Sum）-1.256 9（R2=0.999 1），烤香與木香的累加模型為OI（Mea）=0.578 0×OI（Sum）-0.670 2 （R2=0.998 5），酸香與果香的累加模型為OI（Mea）=0.527 4×OI（Sum）-0.749 4（R2=0.986 3）。在累加模型中，其中8組預(yù)測(cè)模型的R2高達(dá)0.99以上，木香與果香、酸香與果香的擬合效果相對(duì)較低。

3 結(jié)論

當(dāng)前食品風(fēng)味協(xié)同的研究熱點(diǎn)以及難點(diǎn)在于探究香氣化合物之間的協(xié)同機(jī)制并進(jìn)行調(diào)控；如何從風(fēng)味化合物的合成代謝途徑作用機(jī)理等方面找出最合適的調(diào)控手段，如何在考慮到工業(yè)生產(chǎn)的效率、成本、設(shè)備等問(wèn)題后將理論轉(zhuǎn)化為實(shí)際產(chǎn)品同時(shí)使產(chǎn)品的質(zhì)量風(fēng)味得到提升以滿足更多消費(fèi)者的需求等。通過(guò)不同香韻物質(zhì)間的相互作用研究，發(fā)現(xiàn)一般為掩蓋或加成作用。不同香韻香氣物質(zhì)之間的相互作用研究，為實(shí)際生產(chǎn)中控制香氣提供了理論支持。文章又通過(guò)累加模型構(gòu)建 香氣強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型，對(duì)總香氣強(qiáng)度和各組分香氣強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，能夠獲得不同香韻組合的香氣強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型，擬合效果較好。同時(shí)根據(jù)相對(duì)應(yīng)組合的S-曲線法和OAV法協(xié)同作用結(jié)果，以它們之間的相互作用關(guān)系為基礎(chǔ)，對(duì)于不同香韻，如酸香與果香之間的掩蓋作用，通過(guò)香氣模型預(yù)測(cè)各香韻種類(lèi)不同比例等條件變化后的香氣強(qiáng)度與掩蓋程度，為食品香精配方實(shí)際加香后的理論強(qiáng)度與效果做出預(yù)測(cè)。

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