文章信息
基金项目
- 广东省基础与应用基础研究基金(2022A1515111059);广东省科技计划项目(2023B0202010025);仲华基因科技产业学院大学生创新创业训练计划项目(ZHCY2023001);仲恺农业工程大学学生创新基金(215018877AA13)
作者简介
- 李林(1998—),女,在读硕士生,研究方向为花生香味品质,E-mail:lilin981001@163.com.
通讯作者
- 包格根(1989—),女,博士,蒙古族,副教授,研究方向为作物品质生理,E-mail:baogegen@126.com.
文章历史
- 收稿日期:2023-10-29
花生(Peanut)原名落花生(Arachis hypogaea L.),属于豆科一年生草本植物,总产量居我国油料作物之首。花生仁营养成分主要包括蛋白质、脂肪、总碳水化合物和灰分[1],其营养成分易被人体消化吸收,具有滋养补益、延年益寿的作用,被人们称作“长生果”[2]。花生仁因其营养价值和独特的香味,深受消费者的喜爱。我国用于榨油的花生占花生总产量的50%~60%,鲜食花生和留种花生占花生总产量的30%,用于出口的花生占花生总产量的10%[3]。花生油富含单不饱和脂肪、蛋白质、白藜芦醇、β-植物固醇、叶酸等,具有保护心脑血管、降糖和抗衰老等功能[4],属于优质食用油。经过压榨后产生的花生粕和花生壳,尤其是花生粕中含有大量蛋白质,属于优质的植物蛋白质[5-7]。花生仁富含优质脂肪和蛋白质,其中包含8种人体必需氨基酸[8],氨基酸是花生香味物质的前体[9]。通过美拉德反应(Maillard reaction)产生的氮氧杂环类化合物,如吡嗪、吡咯、吡啶、呋喃酮等挥发性物质赋予花生香味[10]。本文对花生香味物质成分、花生香味物质分类、花生香味物质的提取和鉴定方法、影响花生香味物质形成的因素以及花生香味物质抑制黄曲霉的污染等方面进行综述,为研究花生香味品质形成提供理论依据。希望能利用花生香味和其加工中产生的香味或副产物作为天然食品香精和原料,提高花生利用率,增加加工生产企业的经济效益和带动农民种植花生的积极性,从而提高经济及社会效益[11],进一步推动乡村振兴的发展。
1 花生仁香味物质的成分分析香味和滋味共同组成食品的风味。香味是指食品中各种挥发性物质产生的香味;滋味是人类通过口腔咀嚼对食品风味的感觉和评价[6]。目前研究花生香味物质成分主要集中在花生仁本身、加工后以及储藏过程中产生香味物质。
1.1 新鲜花生仁香味物质成分分析Pattee等[12]通过低温真空蒸馏法(Low-temperature vacuum distillation)和差低温捕集分离收集法(Differential cryogenic trapping),并结合气相色谱法(Gas chromatograph,GC)对新鲜花生仁香味物质成分进行鉴定分析,发现新鲜花生仁中的主要香味物质为己醛。Brown等[13]在新鲜花生仁中鉴定出10种醛类化合物,其中也包含己醛。Smith等[14]通过选择性离子流管质谱法(Selected ion flow tube-mass spectrometry,SIFT-MS)鉴定到己醛,并且发现新鲜花生仁中的己醛含量高于烘烤花生仁。Koji[15]通过气相质谱法(Gas chromatography–mass spectrometry,GC-MS)鉴定到己醛是新鲜花生仁香味物质的重要成分。史文青等[3]通过电子鼻法(Electronic noise,EN)和GC-MS对新鲜花生仁香味物质成分进行分析,共鉴定出16种挥发性化合物,主要包括烷烃类、醛类、醇类化合物。刘云花[16]通过顶空固相微萃取-气质联用法(Headspace solid-phase microextraction gas chromatography-mass spectrometry,HS-SPME-GC-MS)对不同温度压榨的花生仁中香味物质进行鉴定分析,发现醛类含量随着压榨温度的升高下降。因此,新鲜花生仁中的香味物质成分主要是烃类、醛类、醇类,其中已醛是新鲜花生仁中重要的香味物质。
1.2 烘烤花生仁香味物质成分分析花生仁通过烘烤会发生美拉德反应,也被称为羰氨反应。美拉德反应是指在室温或加热条件下,羰基化合物(如还原糖、脂类)和氨基化合物(如氨基酸、蛋白质)发生的非酶褐变反应,在这过程中产生的挥发性物质赋予香味、滋味和色泽[13]。花生仁通过美拉德反应产生的独特香味物质由多种挥发性物质共同组成。1966年,Mason等[17]首次确定低分子量烷基吡嗪类化合物是烘烤花生仁的基本香味物质成分。随着化合物分离技术的发展,更多花生香味物质成分被鉴定。1970年,Johnson等[18]利用红光和紫外光谱技术在烘烤花生仁中鉴定出23种吡嗪类化合物。1977年,Buckholz等[19]通过GC-MS也证实吡嗪类化合物是烘烤花生仁中的重要香味物质。1981年,Ho等[20]通过对烘烤花生仁的香味物质进行全面系统的分析,鉴定到酯类化合物,包括γ-巴豆酰内酯、3-甲基-γ-巴豆酰内酯、5-羟基-4-壬烯酸、内酯。1996年,Leunissen等[21]基于超临界流体萃取技术(Supercritical fluid extraction,SFE)和GC-MS技术鉴定到烘烤花生仁中的香味物质主要是吡嗪类化合物,包括甲基吡嗪、2, 6-二甲基吡嗪、乙基吡嗪、2, 3-二甲基吡嗪、2, 3, 5-三甲基吡嗪、2-乙基-5-甲基吡嗪、2-乙基-6-甲基吡嗪、3-乙基-2, 5-二乙基吡嗪。2008年,Greene等[22]通过气相色谱-嗅觉法(Gas chromatography olfactometry,GC-O)鉴定到烘烤花生仁中含有2-乙酰-1-吡咯啉(2-AP)。2010年,及晓东等[23]研究表明翻炒花生仁中也鉴定到2-AP。2-AP在多种作物中被证明是重要的香味物质成分,包括水稻(Oryza sativa L.)[24]、玉米(Zea mays)[25]、南瓜(Cucurbita moschata Duch.)[26]等。因此,烘烤花生仁的独特香味物质成分主要是吡嗪类和酯类,包括甲基吡嗪、2, 6-二甲基吡嗪、乙基吡嗪、2, 3-二甲基吡嗪、2, 3, 5-三甲基吡嗪、2-乙基-5-甲基吡嗪、2-乙基-6-甲基吡嗪、3-乙基-2, 5-二乙基吡嗪,γ-巴豆酰内酯、3-甲基-γ-巴豆酰内酯、5-羟基-4-壬烯酸、内酯以及2-AP。
1.3 花生仁不良香味物质成分分析花生仁在经过微波和干燥处理中会产生水果发酵味[27]。Pattee等[28]通过水蒸汽蒸馏提取(Steam distillation,SD)和GC法,经高温胁迫后花生仁产生的不良气味进行分析,鉴定出11种挥发性物质,包括醛类、酮类、醇类等。Singleon等[29]在22、35、45、50 ℃不同温度条件下处理花生仁,通过GC法对香味物质成分以及通过感官评定员对花生仁香味进行鉴定评估,发现在50℃条件下花生产生的乙醇、乙醛和乙酸乙酯气味令人反感。John等[30]通过GC-O法和溶剂辅助蒸馏法(Solvent assisted flavor evaporator,SAFE)在40℃长时间处理的未成熟花生仁中鉴定出含有水果发酵味的酯类化合物,包括2-甲基丙酸乙酯、2-甲基丁酸乙酯、3-甲基丁酸乙酯。Schirack等[31]采用溶剂浸提法,结合SAFE、GC-O、GC-MS和香味提取物稀释分析法(Aroma extract dilution analysis,AEDA)等技术鉴定出微波烘烤花生仁的香味物质成分,发现苯乙醛、愈创木酚、2, 5-二甲基吡嗪是主要异味挥发物。也有研究表明,微波处理后的花生仁会产生共轭二烯和共轭三烯等有害物质[32]。综上所述,花生仁产生不良香味主要是受加工温度和加工时间的影响,产生的不良香味物质多为醛类、酯类和酮类,包括乙醇、乙醛、乙酸乙酯、2-甲基丙酸乙酯、2-甲基丁酸乙酯、3-甲基丁酸乙酯、苯乙醛、愈创木酚和2, 5-二甲基吡嗪。
2 花生香味物质的种类 2.1 花生香味物质的来源花生香味是由吡嗪类、吡咯类、呋喃类、吡啶类、醛类、酮类、醇类、烃类、芳香类等多种挥发性物质组成,不同的挥发性物质具有不同的香味。其中,吡嗪类化合物是花生仁通过美拉德反应后产生的,其香味透散性好且浓郁,具有坚果和烘焙的香味[33];呋喃类化合物是许多热加工坚果和油料作物加工后产生的香味物质;醛类化合物是脂肪降解的产物,对香味影响较大,具有鲜味;醇类、烃类化合物是在脂质过氧化物的裂解中产生,具有芳香、微刺激的香味[34]。
花生的香味物质主要来源途径有美拉德反应、脂肪氧化和热降解反应、氨基酸和糖类降解反应3种[35]。付丽宇等[36]发现脂肪酸、氨基酸和碳水化合物为香味物质的前体物质,香味物质合成途径主要包括萜类化合物代谢、氨基酸代谢、脂肪酸代谢和异戊二烯类化合物生物合成等途径[37]。孙国昊等[38]研究发现在高油酸花生仁与普通花生仁中,脂肪酸含量的不同会影响香味物质的浓度和丰度。秦洋等[11]通过GC-MS对烘烤花生营养成分进行分析发现,经过烘烤后花生仁中还原糖、氨基酸及油脂含量降低,表明这些营养成分均参与美拉德反应且产生香味物质。
2.2 花生香味物质的组成1971年,Johnson等[39]通过GC-MS法在烘烤花生中鉴定出19种产生坚果香味的烷基吡嗪类化合物;同年,在花生仁榨油过程中进行真空脱气提取香味物质,鉴定出2-丁酮、4-甲基-3-戊烯酮、2-戊基呋喃、甲基呋喃酮、N- 乙基吡咯-2-甲醛、N-甲基吡咯-2-甲醛、噻吩-2-甲醛、4-甲基-2-苯基-2-戊烯醛、5- 甲基-2-吡咯醛等花生香味物质成分[40]。这些鉴定出的香味物质大多与碳水化合物、脂质、游离氨基酸和蛋白质参与的美拉德反应相关。1981年,Ho等[20]发现烘烤花生仁中香味物质包括具有坚果味的2-丁内酯、3-甲基-2-丁内酯、2-异丙基-4、5-甲基噻唑、2-丙基-4, 5- 二乙基噻唑以及具有油炸气味的5-羟基-4-壬烯酸和内酯。2010年,李淑荣等[27]将烘烤花生仁经固相微萃取法(Solid-phase microextraction,SPME)和GC-MS法鉴定到巧克力味的3-甲基丁醛,焦糖味的2-甲基丁醛,鱼腥味的2-(2- 羟乙基)-3-甲基-4-噻唑,烘烤坚果味的2, 5- 二甲基吡嗪、2, 6-二甲基吡嗪、2-乙基-5-甲基吡嗪,爆米花味的乙基吡嗪,生土豆味的呋喃醛和具有甜味的苯乙醛等;同年,Chetschik等[41]通过GC-O、稳定同位素稀释法(Stable isotope dilution method,SIDA),从生花生和炒花生中鉴定出具有浓郁爆米花味的甲硫醇、2, 3-戊二酮、3-(甲硫基)丙醛和2-AP(详见表 1)。
3 花生香味物质的提取与鉴定 3.1 花生香味物质的提取方法
花生香味物质最早使用的提取方法是减压蒸馏捕集(Vacuum distillation capture)、溶剂浸提法(Solvent extraction)结合气相色谱技术[34]。减压蒸馏捕集是通过降低沸点,利用不同物质之间不同的沸点来分离提纯物质。溶剂浸提法是利用香味物质在某些溶剂中良好的溶解性,通过溶剂萃取浓缩,将香味物质进行分离,再通过气相色谱质谱分析。随着科技发展,还出现顶空吹扫法(Purge-trapping)、SFE、SPME等更先进的提取方法(详见表 2)。
3.2 花生香味物质的鉴定方法
花生香味物质具有化合物结构多样且含量低的特点,需要多种分离与鉴定方法相互结合与补充,包括采用GC-O、EN、GC-MS、HS-SPMEGC-MS等感官评价手段来鉴定香味物质成分。GC-MS法分析主要对香味物质进行化学鉴定,而GC-O法分析是鉴别、分析和收集香味物质是否具有气味活性和确定各组分香味强度对整体香味贡献大小的信息[49]。尽管现在仪器检测香味的方法日益先进,但仪器的灵敏度远比不上人类的感官鼻子,感官评定是由训练有素的感官评定员通过人鼻对食物气味进行综合性的鉴别和评定[50]。香气活力值(Odor activity value,OAV)是表示香味成分强度的指标,判断该香味化合物对整体香味的贡献。当在固定介质中的香味质量浓度大于阈值时,人们可以嗅到或品尝到物质香味。当OAV ≥ 1,表示该香味物质对整体香味的贡献大;当OAV<1,表示该香味物质对整体香味的贡献小[51]。
Leunissen等[21]利用SFE法分离鉴定花生香味物质,并通过感官评价证实SFE法分离鉴定的吡嗪类化合物是花生烘烤香味的主要香味物质。Baker等[52]通过SPME法鉴定出花生烘烤前后吡嗪类化合物的含量变化显著。张春红等[53]通过顶空吹扫法收集法、GC-MS法和感官评价法,在烘烤花生仁、花生粕和花生壳中鉴定到112种挥发性物质,包括吡嗪类、呋喃类、吡咯类等化合物。Chetschik等[41]等研究表明2-AP的OAV值在翻炒花生仁中最高。孙国昊等[38]通过SAFE法结合蒸馏萃取法(Simultaneous distillation extraction,SDE)、GC-MS法和OVA值综合分析发现,在高油花生品种和普通花生品种压榨制取的花生油中,呋喃酮的含量在两种花生品种中存在显著差异且对花生油甜味具有重要贡献。
电子鼻技术(EN)不同于GC-MS法和GC-O法,它是通过鉴别区分多种气味成分的专业智能感官电子系统,其原理是不同的气体分子被传感器识别后,传感器信号会发生变化,随后传感器阵列会针对不同的气体分子绘制不同的指纹图谱,从而实现对检测气体的综合评价[54]。EN技术利用仿生功能,更贴近人类嗅觉,所以辨别花生香味会更加准确,还能检测到人类闻不到的气味,具有检测分析速度快、范围广、稳定性好、非破坏性等优点。EN技术主要的识别模式具体分类如表 3所示。史文青等[3]通过采集电子鼻不同传感器的数据,使用主成分分析(Principal component analysis,PCA)和线性判别式分析(Linear discriminant analysis,LDA)方法分析图谱,结果证明LDA方法可以将不同花生品种固有的香味区域进行明显区分,而PCA得到的PC1值与PC2值比较接近,花生品种香味区域相互交错不易区分,因此LDA方法分析花生仁香味物质优于PCA方法。叶蔺霜[54]为研究电子鼻技术在鉴定花生品质的应用,使用PCA、LDA和聚类分析方法对花生品质进行分析,结果表明使用电子鼻数据分析不同储藏时间的破壳花生,PCA(总贡献率87.9%)、LDA(总贡献率95.9%)分析结果均优于聚类分析(正确率81.5%),另外EN可以区分不同储存时间的破壳花生和完整花生,且LDA分析效果优于PCA分析。杨露露等[55]根据花生仁外表不同的颜色和纹路特征构建BP神经网络识别模型,可用于识别缺损、霉变的花生仁。目前电子鼻技术的识别模式在花生香味物质应用上多使用统计模式识别,如果运用其他更智能的识别模式将能更加准确构建完善花生香味识别系统。
4 影响花生香味物质积累的因素 4.1 基因型对花生香味物质的影响
Afolabi等[61]研究发现,不同基因型的花生蛋白质含量不同,而蛋白质含量是影响花生香味形成的重要因素[62]。Isleib等[63]和Harold等[64]选取美国3个主要花生产区的花生进行烘烤处理,通过感官评定员对花生香味物质进行鉴定,发现不同产区、不同品种花生其香味物质成分不同。Baker等[52]利用SPME法探究4种不同基因型花生品种中的吡嗪类化合物含量,结果发现在不同时间-温度组合下,‘Florida MD98’‘Florunner’‘Gerorgia Greene’和‘Sunoleic 97R’4个品种中的吡嗪类化合物含量存在显著差异,在相同处理下,吡嗪类化合物含量表现为‘Florida MD98’>‘Florunner’>‘Gerorgia Greene’>Sunoleic 97R。林茂等[65]对4个不同种皮颜色品种新鲜花生仁的营养成分进行分析并作感官评价,发现‘铜仁珍珠’和‘四粒红’这两个品种的种皮颜色分别是粉红和红色,花生仁去皮后香味物质感官评价优于带皮花生仁,而红-白色的‘红-白花’和‘黑珍珠’这两个品种的种皮颜色分别是红-白色和紫黑色,带皮花生仁的香味物质感官评价优于去皮花生仁,表明种皮对花生的感官评价影响大且深色种皮花生的花生香味更香。
4.2 籽粒含水量对花生香味物质的影响花生香味物质积累的前体物质(氨基酸和单糖)会伴随着烘烤过程含量增加[6]。Kyle等[66]通过SPME-GC-MS法鉴定发现,当籽粒含水量较低时,高油酸花生品种的过氧化值氧化速率比低油酸花生品种低,当种子储存时间延长时,花生仁中吡嗪类化合物含量减少、脂质氧化产物增加,并产生难闻气味。Robin等[67]研究发现,将不同含水量的花生仁置于150 ℃下烘烤,发现高含水量的花生仁比低含水量的花生仁更快发生变色,且总碳水化合物、氨基酸含量和含糖量均为高含水量花生仁高于低含水量花生仁。总碳水化合物和含糖量的增加,对花生仁产生烘烤香味有重要作用,氨基酸(天冬氨酸、谷氨酸、苯丙氨酸和组氨酸)在烘烤前期显著增加,同样也有利于提高花生仁香味。
4.3 加工方式对花生香味物质的影响花生的加工方式主要有烘烤、压榨、研磨、微波等方式[2]。加工温度和时间的改变,影响花生香味物质的积累[6]。Buckholz等[68]研究发现在163 ℃温度条件下,随着烘烤时间的延长,2个不同品种花生仁发生美拉德反应使羟基变少,花生颜色随之加深,吡嗪类化合物增加使香味浓郁,证明烘烤时间对花生香味物质的积累具有显著影响。刘晓君[9]利用HS-SPME-GC-MS、感官评定和EN法分析不同温度和翻炒时间对花生油香味物质形成的影响,发现在200 ℃高温翻炒下油脂香味浓郁,在130~180 ℃低温翻炒下油脂香味较淡,而且随着烘烤时间的增加,吡嗪类化合物赋予花生浓郁的烘烤味和坚果味。刘云花[16]采用HS-SPME-GC-MS法比较高/低温压榨花生油中的香味物质的差异,确定高温压榨花生油包含5种吡嗪物(2-乙基-5-甲基吡嗪、2-乙基-3, 5-二甲基吡嗪、2, 3-二甲基-5-乙基吡嗪、2-乙酰基-3-甲基吡嗪、2-甲基-5-丙烯基吡嗪)和1种吡咯物(2-AP),而低温压榨花生油含有香味物质大部分为醛类。史文青等[2]通过比较烘烤花生、微波花生、研磨花生酱和压榨花生油4种不同加工方法下香味物质成分的差异,发现吡嗪类化合物是烘烤花生、花生酱和花生油中重要的香味物质。因此,通过不同加工方式对花生香味物质积累的影响显著,为满足消费、生产的需要应选用合适的加工方式及加工时间。
4.4 栽培方式对花生香味物质的影响花生经过焙烤后还原糖、氨基酸、油脂和脂肪酸因参加美拉德反应,含量均发生变化,表明这些营养成分含量影响花生香味物质的积累[11]。刘妍等[69]研究表明翻耕、越冬作物压青与免耕处理相比,花生脂肪和蛋白质含量显著提高,脂肪和蛋白质是花生香味物质积累的重要前体物质。2-AP是决定香稻香味品质的重要挥发物质[70],在花生中也被鉴定到[71]。Du等[72]研究表明,与常规旋耕处理相比,犁耕和免耕处理能提高香米籽粒的2-AP含量。研究发现,栽培烤烟过程中控制氮肥和施水量,可以诱导烤烟物质积累转向香味物质积累[73]。据此,我们推测栽培方式的改变可以影响花生营养成分的变化,进而改变花生香味的形成。
5 花生香味物质对黄曲霉的抑制花生在收获后进行干燥、贮藏等过程中,容易受黄曲霉病菌污染,一方面花生仁受污染会造成严重的经济损失,另一方面黄曲霉毒素(Aflatoxins,AFs)B1的毒性和致癌性大,被认定为IA级致癌物[74],严重危害人体健康。Ang等[75]研究表明,2-甲基丁酸甲酯、2-苯基乙醇和β-石竹烯可以在体外抑制黄曲霉和寄生曲霉的产生,从而减少经济损失和危害人类健康。而花生香味物质中也包括醇类、酯类、呋喃类、酮类等抑制黄曲霉的多种挥发性物质。已有研究表明,抗病花生品种在受到黄曲霉病菌侵染时,体内会迅速产生酚类化合物、白藜芦醇等抗菌物质,抵御黄曲霉菌的入侵[76]。Li等[77]研究证实茉莉酸甲酯(MeJA)能抑制黄曲霉生长和黄曲霉毒素的产生,图 1为茉莉酸甲酯对黄曲霉毒素生物合成和真菌发育的抑制机制。因此,利用花生本身的香味物质,抑制花生在存储、加工中产生黄曲霉将是一种安全和环保的措施。
6 利用香味物质辨别植物油
香味物质还可以作为食用油是否掺假的依据。Hu等[78]通过顶空-全二维气相色谱/飞行时间质谱法(Headspace comprehensive twodimensional gas chromatography time-of-flight mass spectrometry,Headspace GC×GC–TOFMS)分析证明大豆、花生、油菜籽和葵花籽油均有各自特殊的香味物质,并且根据食用油的挥发性物质图谱可以区分4种植物油。赵方方[79]采用同样的分析方法,鉴定出芝麻油、花生油的醛类物质相对含量较高,菜籽油的醇类物质相对含量较高,而椰子油的酸脂类物质相对含量较高,证明根据香味物质含量可以准确鉴别植物油。因此,香味物质可以作为一种生物保护手段保护粮食安全,同时维护消费者的权益。
7 展望花生因其丰富的营养和独特的香味品质,深受消费者的喜爱。花生中香味物质种类多且复杂,随着科技发展,对花生香味物质的提取与鉴定更加精确、快捷。目前已鉴定到的花生香味物质包括吡嗪类、吡咯类、呋喃类、吡啶类、醛类、酮类、醇类、烃类、芳香类等,而且不同挥发性物质还具有不同的香味。已有研究表明花生的基因型、籽粒含水量、加工方式、栽培模式会影响花生香味物质的积累。我国花生品种种类繁多,品种之间的香味差异大,对不同花生品种香味物质积累的研究,有助于全面了解花生香味物质、挖掘高品质浓香花生品种,为探索花生香味品质形成的遗传机制提供基础。同时,已有大量文献表明耕作栽培模式影响水稻香味物质的积累,栽培模式影响花生营养品质,但不同耕作栽培模式直接影响花生香味物质的积累研究还未见报道。因此,进一步研究栽培模式对花生香味物质积累迫在眉睫。花生香味物质是由多种挥发性物质共同组合而成,形成花生香味物质的途径多。目前,人们对于花生香味物质的组成已经有较多认识,但花生香味基因定位和挖掘以及调控花生香味物质积累的机理尚未见报道,未来有望在这些方面进行研究,为培育高品质浓香花生品种提供理论依据,促进花生产业的可持续发展。
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(责任编辑 张辉玲)