曲奇作为一种常见的烘焙食品,广受大众喜爱,其含糖含脂量高,在烘焙过程中易发生美拉德反应、糖降解、油脂氧化等各种反应,一方面增加了食品的香味、色泽,但同时也会产生各种有害物质,危害人们健康。如油脂在高温条件下发生分解、聚合、氧化、缩合等一系列反应,产生乙二醛(glyoxal, GO)和丙酮醛(methylglyoxal, MGO)等二羰基化合物;糖类和蛋白质中氨基酸发生美拉德反应,生成GO、MGO和3-脱氧葡糖酮(3-deoxyglucosone, 3-DG)等活泼羰基化合物。这些羰基化合物反应活性高,易引发蛋白质交联和糖基化,还会生成晚期糖基化终末产物(advanced glycation end products, AGEs)。AGEs分为荧光AGEs和非荧光 AGEs,其中以GO为前体物质的羧甲基赖氨酸(carboxymethyl lysine, CML)和以MGO为前体物质的羧乙基赖氨酸(carboxyethyl lysine, CEL)是非荧光AGEs的典型代表物质。高含量的活泼羰基化合物和AGEs在人体内容易导致糖尿病及其并发症、心血管疾病、肾炎、阿茨海默症和帕金森病等严重的慢性疾病[1-2]。此外,这些活泼羰基化合物也是5-羟甲基糠醛(5-hydroxymethyl furfural, 5-HMF)、丙烯酰胺形成的重要前体物质。如MGO和GO与天冬酰胺反应形成丙烯酰胺的速度分别为葡萄糖的4倍和364倍[3]。丙烯酰胺是致癌物和神经毒性物质,具有一定的生殖毒性和免疫毒性[4],而HMF在体内会经转硫酶转化,形成致癌物质羟甲基糠酰磺酸盐,对人体产生危害[5-6]。
寻找合适的羰基化合物清除剂已成为近年来的研究热点,黄酮类物质及氨基酸均被发现能够通过消除活泼羰基化合物,有效抑制食品热加工过程中的一些有害物质。如10 mmol/L根皮素能够有效减少39.7%的 HMF[7],16 μg/mL儿茶素对丙烯酰胺的抑制率能达到61.7%[8]。作为食品添加剂的半胱氨酸[9],在曲奇制作过程中单独添加1.5 g/kg时,HMF、GO、MGO的形成量较空白组分别显著下降94.3%、89.6%和85.0%。研究发现,作为抗氧化剂和防腐剂的甘氨酸,在160 ℃条件下反应30 min,丙烯酰胺的消除率达到70.4%[10]。作为功能性食品配料的γ-氨基丁酸[11],在生理条件下也能够消除77% MGO[12]。丙氨酸常作为增味剂,研究发现其也能在生理条件下消除51% MGO[12]。但对它们的应用研究发现,在热加工食品制作过程中单独加入某些多酚或氨基酸,均会对食品的感官品质产生影响。其中,多酚添加对曲奇的口感影响较大,龙成艳等[7]发现在月饼制作过程中,随着根皮素添加量的增加,月饼出现明显苦涩味,并且月饼的色泽、气味等各方面均有下降,HU等[13]在曲奇制作工艺中加入儿茶素也出现了同样的情况,这可能与多酚类物质本身具有一定苦涩味有关。氨基酸的添加主要影响曲奇的色泽及酥脆度,对口感的影响较小。如L-半胱氨酸[14]的添加虽然能够有效提高曲奇酥性,但添加过多会使曲奇明显变白,影响产品外观颜色;本课题组的前期研究还发现单独添加γ-氨基丁酸和甘氨酸[15]虽可消除有害物,但曲奇易发生褐变,颜色偏暗。因此,氨基酸或多酚的单独添加往往会对产品的颜色等感官品质带来负面影响,如何在不改变食品感官品质的前提下有效控制这些有害物质是将这些羰基化合物清除剂应用于热加工食品安全控制的关键。此外,由于食品体系十分复杂,食品热加工过程中,MGO、GO、3-DG等活泼羰基化合物同时产生,它们又作为HMF、丙烯酰胺、CML、CEL、荧光AGEs的前体物质,影响着这些有害物的进一步形成。但以往研究多是围绕氨基酸消除单一有害物进行分析,对多种有害物的同步控制研究较少。
因此,本研究针对以上问题,选择了4种对活泼羰基化合物清除能力较高的氨基酸(丙氨酸、γ-氨基丁酸、半胱氨酸、甘氨酸),以感官评价作为单因素实验指标,确定4种氨基酸在曲奇制作中的添加范围。再利用正交试验,以感官评价、色度、质构、有害物抑制效果为指标,筛选出一种不仅能同步降低HMF、丙烯酰胺、α-二羰基化合物和AGEs含量,同时能改善曲奇感官品质的最佳氨基酸添加配方。本研究旨在通过氨基酸复配的方式控制热加工食品中有害物形成的同时不影响其感官品质,为提升焙烤食品的安全性提供新的研究思路和方向。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
黄油(无盐),恒天然商贸有限公司;白砂糖,广州福正东海食品有限公司;食用盐、高筋面粉,益海嘉里食品工业有限公司;奶粉(脱脂),内蒙古伊利实业集团有限公司;γ-氨基丁酸、丙氨酸、甘氨酸及半胱氨酸,河北华恒生物科技有限公司;5-羟甲基糠醛(98%)、乙二醛(质量分数40%水溶液),北京百灵威科技有限公司;丙酮醛(体积分数40%水溶液),上海麦克林生化科技有限公司;正己烷、邻苯二胺(99%)、氢氧化钠、甲醇(分析级)、氨水、硼砂,天津大茂化学试剂厂;硼氢化钠,天津市福晨化学试剂厂;3-脱氧奥苏糖(95%),TRC加拿大有限公司;羧甲基赖氨酸、羧乙基赖氨酸,北京百灵威科技有限公司;丙酮、浓盐酸,广东明谷化工技术有限公司;乙酸(色谱级)、甲酸(色谱级),天津科米欧化学试剂有限公司;甲醇(色谱级),北京迈瑞达科技有限公司。
1.2 仪器与设备
DL-11型电烤箱,广东志高空调有限公司;pH计,梅特勒-托利多仪器有限公司;TS7010型分光色差仪,深圳市三恩时科技有限公司;质构仪,英国Stable.Micro System 公司;XW-80A型微型涡旋混合仪,上海泸西分析仪器厂;LC-20AT高效液相色谱,日本岛津公司;氨基酸水解管,华玻仪器;氮吹仪,杭州奥盛仪有限公司;LC-MS8045三重四级杆液质联用仪[配有电喷雾离子源 (ESI)],日本岛津公司;电子天平,梅特勒-托利多仪器有限公司;Zorbax SB-Aq色谱柱,安捷伦科技有限公司;PCX固相萃取柱,广州绿百草科学仪器有限公司;5804-R型离心机,艾本德中国有限公司;MB-580型酶标仪,深圳汇松科技有限公司。
1.3 实验方法
1.3.1 曲奇样品的制备
1.3.1.1 不添加氨基酸的空白组曲奇样品制备
曲奇配方:149.7 g无盐黄油、84.35 g白砂糖、0.63 g 食用盐、210.88 g小麦粉、12.65 g脱脂奶粉、4.21 g鸡蛋及7 g蛋黄。制作方法:先将黄油、白砂糖及食用盐混合均匀,再依次加入蛋黄液和全蛋液、脱脂奶粉、小麦粉,制成直径5 cm、厚度1 cm大小的面团。置于烤箱(顶部温度200 ℃、底部温度150 ℃)中,烘烤10 min,饼干分2次制备。待焙烤后的曲奇温度降至室温,将2次制备饼干混匀随机抽取一部分进行感官评价,其余样品用食品密封袋包装贮存在-20 ℃冰箱中待测。
1.3.1.2 单因素试验
(a)半胱氨酸添加量对曲奇感官品质的影响
在曲奇制作过程中,将小麦粉与0.3 g/kg γ-氨基丁酸(氨基酸添加量均以面团质量计)、0.5 g/kg丙氨酸、0.5 g/kg甘氨酸,和不同添加水平(0.1 g/kg、0.2 g/kg、0.3 g/kg、0.4 g/kg、0.5 g/kg)半胱氨酸混合,制作面团,研究不同半胱氨酸添加量对曲奇品质的影响。
(b)γ-氨基丁酸添加量对曲奇感官品质的影响
在曲奇制作过程中,将小麦粉与0.3 g/kg半胱氨酸、0.5 g/kg丙氨酸、0.5 g/kg甘氨酸,和不同添加水平(0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 g/kg)γ-氨基丁酸混合,制作面团,研究不同γ-氨基丁酸添加量对曲奇品质的影响。
(c)丙氨酸添加量对曲奇感官品质的影响
在曲奇制作过程中,将小麦粉与0.3 g/kg半胱氨酸、0.3 g/kg γ-氨基丁酸、0.5 g/kg甘氨酸,和不同添加水平(0.1、0.3、0.5、0.7、0.9 g/kg)丙氨酸,制作面团,研究不同丙氨酸添加量对曲奇品质的影响。
(d)甘氨酸添加量对曲奇感官品质的影响
在曲奇制作过程中,将小麦粉与0.3 g/kg半胱氨酸、0.3 g/kg γ-氨基丁酸、0.5 g/kg丙氨酸,和添加水平(0.1、0.3、0.5、0.7、0.9 g/kg)甘氨酸,制作面团,研究不同甘氨酸添加量对曲奇品质的影响。
1.3.1.3 正交试验设计
以单因素试验结果为依据,进行正交试验。正交试验因素水平见表1。
表1 L9(34)正交试验因素水平表
Table 1 L9(34) orthogonal experimental factors and level design
水平因素A(半胱氨酸)/(g/kg)B(γ-氨基丁酸)/(g/kg)C(丙氨酸)/(g/kg)D(甘氨酸)/(g/kg)10.050.30.50.320.10.350.60.430.150.40.70.5
1.3.2 曲奇的感官评价
取降至室温的曲奇样品进行感官评价,根据T/AHFIA 019—2019《曲奇饼干》对曲奇饼干的色泽、气味、甜度、组织形态、口感、总体可接受度进行评价打分。参考GB/T 16291.1—2012《感官分析 选拔、培训与感官评价员一般导则 第1部分:优选评价员》,选择20名(10名男性和10名女性,年龄在20～40岁)接受过感官评价训练的人员作为小组成员,感官评定前对评定小组成员进行曲奇饼干相关知识的培训,使他们对曲奇饼干品质的感官评定标准有清楚的了解,对曲奇饼干的感官特性有分析和判断的能力。感官评定实验在安静整洁的感官评定实验室内进行,在测试期间样品随机放置,并且每次品尝样品之前小组成员用纯净水漱口。评价标准参照GB/T 20980—2021《饼干质量通则》。具体详见表2。
表2 曲奇感官评价表
Table 2 Sensory evaluation of cookies
感官特性评价标准参考分数/分外形均匀圆整,大小均匀,厚度均匀,无变形,表面光滑16～20形态(20分)圆角形状略不均匀,尺寸均匀,厚度不均匀,变形轻微,表面光滑 8～15圆角形状不均匀,尺寸不均匀,厚度不均匀,变形,表面粗糙0～7表面棕黄色或金黄色,颜色均匀,无焦边13～15颜色(15分)颜色基本均匀,有一些烧焦的边缘 8～12颜色不均匀,太白或太焦0～7内部组织精细,横截面精细并且均匀,具有多个孔隙13～15质地(15分)内部组织相对粗糙,横截面不均匀,孔隙率较大 8～12内部组织粗糙,质地疏松0～7清脆细腻,不粘牙,有适度的甜味21～25口感(25分)有点脆,有点粘牙,有适度的甜味11～20更硬,不脆或不脆,粘牙,太甜或不够甜 0～10纯正的香气,浓郁的奶香,无异味21～25香味(25分)淡牛奶味11～20没有牛奶香气,有气味 0～10
1.3.3 曲奇色度测定
取曲奇样品,用分光色差仪测定曲奇的饼面两侧的L*、a*和b*值,使用前用标准白板和标准黑板进行校准,参照五点取样法每组样品测定5次,平行3组[7]。
1.3.4 曲奇质构测定
用质构仪检测曲奇样品的质构,采用全质构模式,选用TA41探头并采用以下TPA参数:预测试速度2.00 mm/s,测试速度 3.00 mm/s,返回速度 3.00 mm/s,触发力1 g,探头下压位移2 mm,负载单元10 000 g [16],每组样品测定5次,平行3组。
1.3.5 曲奇水提物制备
随机抽取一半样品粉碎,研磨均匀,对粉末样品采用四分法进行混合取样,取1 g曲奇粉末溶于10 mL正己烷中,涡旋10 min,10 000 r/min离心10 min后除去上清液。以上操作重复2次以除去曲奇粉末中的油脂。取沉淀,加5 mL蒸馏水,涡旋5 min,10 000 r/min 离心5 min后取上清液。重复上述操作3次,合并上清液,定容至15 mL,获得15 mL水提物。
1.3.6 曲奇中CML和CEL的提取
参考翁婷[14]的方法并稍作修改。取1 g曲奇粉末溶于10 mL正己烷中,涡旋10 min,10 000 r/min离心10 min后除去上清液。以上操作重复2次,取沉淀置于通风橱中直至液体挥干,获得脱脂后的干燥沉淀物。
在脱脂样品中加入 5 mL 0.2 mol/L 硼酸盐缓冲溶液(pH 9.2)和 250 μL 2 mol/L 硼氢化钠溶液(溶于 0.1 mol/L氢氧化钠溶液中),涡旋 5 min,4 ℃ 反应 12 h。反应后加入2.5 mL 600 g/L三氯乙酸溶液,涡旋 5 min,10 000 r/min 离心 5 min,除去上清液。所得沉淀用丙酮试剂清洗、挥干,取干燥后样品移入氨基酸水解管中,加入 10 mL 6 mol/L 盐酸溶液后抽真空并充入氮气,密封。将水解管置于110 ℃恒温油浴锅中水解24 h。水解后,取出全部内容物,用水定容至 25 mL,10 000 r/min 离心 5 min,取上清液,即样品酸水解溶液。
用3 mL 1 mL/min 甲醇和 3 mL 0.1 mol/L盐酸溶液预处理PCX 固相萃取柱。向萃取柱中加入500 μL 样品酸水解溶液,并用 3 mL 0.1 mol/L 盐酸溶液和 3 mL 水对滤筒进行洗涤。用 5 mL溶液V(氨水)∶V(甲醇)=5∶95对固相萃取柱中物质进行洗脱,收集的洗脱液过 0.22 μm有机系滤膜,以便后续高效液相色谱-质谱联用(high performance liquid chromatography-mass spectrometry,HPLC-MS/MS)检测。
1.4 检测方法
1.4.1 HMF的检测
HMF的检测方法参考WANG等[16]稍作修改。取1 mL水提物过0.22 μm水系滤膜,采用HPLC测定HMF含量。检测方法:Zorbax SB-Aq色谱柱(4.6 mm×250 mm,5 μm);进样体积:20 μL;流动相:0.1%乙酸水(A相),甲醇(B相);洗脱程序:5% B相,等度洗脱25 min;检测波长:284 nm。
1.4.2 GO、MGO、3-DG的检测
GO、MGO、3-DG的检测方法参考ZHANG等[17]的衍生方法。取1 mL水提物,加入0.1 mL 1 mol/L pH 9.0 邻苯二胺溶液,于60 ℃下水浴避光反应6 h。衍生后样品过0.22 μm有机系滤膜,采用HPLC测定二羰基化合物含量。测定方法:Zorbax SB-Aq 色谱柱(4.6 mm×250 mm,5 μm)。进样体积:50 μL;流动相:0.1%乙酸水(A相),甲醇(B相);洗脱程序:0～15 min,28%～43% B相;15～30 min,43%～75% B相;30～35 min,75% B相。检测波长:314 nm。
1.4.3 丙烯酰胺的检测
取1 mL水提物过0.22 μm水系滤膜,采用HPLC-MS/MS测定丙烯酰胺含量。液相检测方法:Zorbax SB-Aq色谱柱(4.6 mm×250 mm,5 μm);进样体积:1 μL;流动相:0.1%乙酸水(A相),甲醇(B相);洗脱程序:5% B相,等度洗脱15 min;检测波长:284 nm。质谱条件为ESI+,多反应监测(multiple reaction monitoring,MRM)模式,MRM分析条件为:定量离子对为m/z=72/55,定性离子对为m/z=72/44和m/z=72/27。
1.4.4 曲奇中AGEs物质的检测
1.4.4.1 荧光AGEs和蛋白质氧化产物的检测
通过不同波长下的特征荧光强度,对荧光AGEs及蛋白质氧化产物进行定量分析。取1 mL水提物过0.45 μm水系滤膜,取过滤样品100 μL加至96孔黑色平板中,用酶标仪测定AGEs和蛋白质氧化产物(二酪氨酸、犬尿氨酸和N-甲酰犬尿氨酸)的荧光强度(激发波长/发射波长分别为325/440、330/415、365/480、325/434 nm)。
1.4.4.2 CML和CEL的测定
参考林钦等[18]的方法,CML和CEL的测定采用HPLC-MS/MS法。液相检测条件:Zorbax SB-Aq色谱柱(4.6 mm×250 mm,5 μm);进样体积:10 μL;流动相:0.1%甲酸水(A相),甲醇(B相);洗脱程序:30% B相,等度洗脱10 min;检测波长:284 nm。质谱条件为ESI+,MRM模式,MRM分析条件为:CML定量离子对为m/z=205/84,定性离子对为205/130。CEL定量离子对为m/z=219/84,定性离子对为219/130。
1.5 数据处理
实验数据采用 Microsoft Excel 2019 软件处理,以平均值±标准差(mean±SD)表示。方差分析和Duncan′s显著性差异分析使用 IBM SPSS Statistics 22处理,显著性水平为 P<0.05,每组实验重复3次。使用 OriginPro 2023软件绘图。
2 结果与分析
2.1 单因素分析不同氨基酸的添加量对曲奇感官评价的影响
已有研究发现,氨基酸通过其氨基与有害醛的羰基发生羰氨缩合形成席夫碱,有效降低活泼羰基化合物含量[19]。但氨基酸添加量的多少对曲奇感官评价的影响较大。如单独添加L-半胱氨酸[14]能够有效提高曲奇酥性,但添加过多时,曲奇显著变白,影响产品外观颜色。在本课题组的前期研究中发现,单独添加γ-氨基丁酸和甘氨酸能够提高曲奇的脆度和弹性,但添加较多时,曲奇的褐变程度加重,曲奇明显变暗。本研究通过曲奇的感官品质变化,确定4种氨基酸在曲奇制作工艺中的添加范围。实验发现,不同氨基酸添加量对曲奇的感官有着不同的影响。
如图1-A所示,半胱氨酸的添加量不同,对曲奇的口感、香味和形态影响较大。0.1 g/kg的半胱氨酸添加量,可以使曲奇在形态、色泽、质地、口感、香味5个方面均分数较高,但随着半胱氨酸的添加量逐渐加大,曲奇的乳香味逐渐下降。半胱氨酸对饼干香味的影响可能是半胱氨酸自身含有的带异味的巯基官能团导致的,当半胱氨酸添加量过高时,异味明显。因此,正交试验中半胱氨酸的添加水平选择为0.05、0.1、0.15 g/kg。
A-半胱氨酸;B-γ氨基丁酸;C-丙氨酸;D-甘氨酸
图1 不同氨基酸的添加量对曲奇感官评价的影响
Fig.1 Effect of different additive amounts of amino acids on the sensory evaluation of cookies
如图1-B所示,在曲奇的制作中,γ-氨基丁酸的添加量为0.3～0.4 g/kg时,曲奇的香味、色泽、形态、口感均符合大众口味,此结果与前期研究结果一致。当γ-氨基丁酸的添加量为0.1～0.2 g/kg时,曲奇质地变软、黏度变大,过度褐变。由图1-B可知,当γ-氨基丁酸的添加量达到0.5 g/kg时,曲奇色泽评分较低,说明此添加量制作出的饼干褐变明显,影响外观。只有γ-氨基丁酸的添加量为0.3～0.4 g/kg时,曲奇的整体感官评价较好。因此,正交试验中,γ-氨基丁酸的添加水平确定为0.3、0.35、0.4 g/kg。
如图1-C所示,丙氨酸的添加量变化对曲奇感官评价的结果影响较小。当丙氨酸的添加量为0.5～0.7 g/kg时,曲奇的口感、香味及形态3个部分的分数较高。因此,正交试验中,丙氨酸的添加水平确定为0.5、0.6、0.7 g/kg。
如图1-D所示,甘氨酸的添加量对曲奇的形态影响较大。当甘氨酸的添加量为0.3～0.5 g/kg时,曲奇的性状、大小、厚度较均匀,无变形,表面光滑。因此,在正交试验中,甘氨酸的添加水平确定为0.3、0.4、0.5 g/kg。
2.2 正交试验分析添加复配氨基酸对曲奇感官评价的影响
综合单因素实验的结果,设计L9(34)的正交试验,正交设计表及试验结果如表3所示。比较试验中4种氨基酸A、B、C和D的极差R值,结果显示D(甘氨酸)>B(γ-氨基丁酸)>A(半胱氨酸)>C(丙氨酸),表明甘氨酸的添加量是最重要的影响因素,其次是γ-氨基丁酸、半胱氨酸和丙氨酸。这4个因素的重要性按降序排列为D>B>A>C。正交试验表明,曲奇配方的最佳氨基酸组合为配方8,即0.15 g/kg半胱氨酸、0.35 g/kg γ-氨基丁酸、0.5 g/kg丙氨酸和0.5 g/kg甘氨酸。
表3 氨基酸配方对曲奇感官评价的影响
Table 3 Sensory evaluation of nine kinds of amino acid compound cookies
指标A(半胱氨酸)/(g/kg)B(γ-氨基丁酸)/(g/kg)C(丙氨酸)/(g/kg)D(甘氨酸)/(g/kg)感官评价/分11(0.05)1(0.3)1(0.5)1(0.3)74.45212(0.35)2(0.6)2(0.4)73.20313(0.4)3(0.7)3(0.5)76.5542(0.1)12382.405223179.706231270.4573(0.15)13275.808321383.779332173.05K1224.20232.65228.20227.20K2232.55236.20228.6219.45K3232.15220.05232.05242.25k174.7377.5576.0775.73k277.5278.7376.2273.15k377.3873.3577.3580.75R2.785.381.287.60
2.3 氨基酸复配对曲奇颜色和质构特性的影响
2.3.1 复配曲奇的颜色变化
褐变是曲奇在烘焙时的主要变化之一,不仅会影响到产品外观颜色,还可能影响口感及风味。图2是不同氨基酸组合配方制作曲奇的L*、a*和b*值。3个数值中L*值代表曲奇的亮度变化,是检测褐变的常用指数,L*值越高说明曲奇颜色越浅,抑制美拉德反应效果越好,褐变程度越低。a*值表示绿色(-)/红色(+)的程度[20],同时也是监测褐变的常用指数,a*值越低表明褐变程度越低。b*值表示蓝色(-)/黄色(+)的程度。
图2 氨基酸配方对曲奇色度的影响
Fig.2 Effcet of amino acid formulations on cookies colouration
注:小写英文字母不同表示具有显著性差异(P<0.05)(下同)。
如图2所示,添加氨基酸的9组样品的b*值与对照组并无显著性差异(P<0.05),说明氨基酸的添加不会影响曲奇的黄/蓝差异。除配方9外,其余8种配方均因为氨基酸的添加L*值显著上升,a*值显著下降,说明其他8种配方都有抑制曲奇褐变。其中配方3、5、8的抑制褐变效果最佳,L*值与空白组比分别高了13.54%、16.47%、13.30%,a*值与空白组比分别低了7.03%、9.33%、7.03%。配方9曲奇的亮度跟空白组比无变化,说明该配方下4种氨基酸的复配能够有效改善单一氨基酸添加对曲奇造成的亮度影响,但也说明其无法有效减少曲奇褐变。而配方3、5、8这3种氨基酸复配配方,对曲奇的褐变具有一定的抑制作用,但根据感官评价结果,配方8的氨基酸比例较为适宜,对曲奇颜色的影响可增加消费者对产品的喜好度。
研究发现L-半胱氨酸盐酸盐能够与曲奇烘焙过程中生成的产物醌反应生成一种更稳定的无色化合物[21]。并且刘洁等[22]发现,在面包的制作过程中,添加超过面粉量的0.1%甘氨酸,面包的亮度会逐渐变暗。课题组前期研究中发现,γ-氨基丁酸的褐变作用明显,在曲奇中单独添加γ-氨基丁酸,曲奇显著变暗。但将γ-氨基丁酸与半胱氨酸复配时,能够有效改善γ-氨基丁酸的褐变作用。
2.3.2 复配曲奇的质构
食品的感官性质直接影响消费者对于食品的选择,而食品质构又是食品感官评价中重要的依据,质构仪检测由于其客观性,很好地代替了感官评分法对于食品的质构性质评估。由表4可知,氨基酸的添加会导致曲奇的硬度、弹性、咀嚼性均有下降。相较于空白组而言,配方8制成的曲奇的硬度、弹性和咀嚼性下降的尤为显著,分别下降40.24%、37.21%、71.30%。本课题组前期研究发现,在曲奇制作过程中加入γ-氨基丁酸能够提高曲奇酥脆度。将半胱氨酸掺入小麦粉中,能够有效提高曲奇的质量系数,提高曲奇脆度[23]。配方8中半胱氨酸和γ-氨基丁酸的添加量较大,因此该配方对曲奇的脆度、弹性方面影响较大。曲奇中硬度、弹性和咀嚼性的下降表明曲奇的脆度更高、黏度更小,参考正交试验中的感官评价分数发现,配方8的曲奇感官评价分数最高,说明曲奇口感更酥脆后,消费者会更加喜爱。
表4 氨基酸配方对曲奇质构的影响
Table 4 Effect of amino acid formulation on the texture of cookies
配方组合硬度/g弹性/mm咀嚼性/mJ空白组1 829.50±307.01a0.43±0.08a10.87±4.65a11 872.83±118.33a0.32±0.08a5.60±2.02bcd21 633.44±209.77bcd0.37±0.14a6.23±2.55bcd31 509.83±258.55abc0.39±0.10a7.98±3.90ab41 724.00±271.33ab0.31±0.05a6.18±0.79bcd51 680.00±412.64abcd0.33±0.09a7.05±1.42bc61 402.33±243.47cd0.33±0.10a6.47±2.08bcd71 369.33±264.03de0.36±0.25a4.03±2.22cd81 093.33±231.22e0.27±0.04a3.12±0.67d91 504.83±164.76bcd0.37±0.07a6.25±3.26bcd
注:小写英文字母不同表示具有显著性差异(P<0.05)(下同)。
2.4 氨基酸复配对曲奇中有害物质的同步抑制
曲奇等热加工食品在高温烘焙过程中不可避免的产生活泼羰基化合物、5-HMF、丙烯酰胺、AGEs等有害物质,易引发各种慢性疾病,对人体健康造成负面影响。本章节通过分析不同氨基酸复配配方制备曲奇中丙烯酰胺、HMF、CML、CEL、非荧光AGEs及其前体物质二羰基化合物,分析氨基酸复配对这些有害物的同步抑制效果,从食品安全控制的角度选择最佳的氨基酸添加配方。
2.4.1 复配氨基酸对GO、MGO、3-DG的抑制作用
GO、MGO和3-DG是典型的二羰基化合物,不仅是美拉德反应、焦糖化反应和脂质过氧化反应中产生的高活性中间体,也是丙烯酰胺和AGEs等有害物质的主要前体[1]。如图3所示,与空白样品相比,氨基酸复配能够显著减少曲奇中3-DG和MGO含量,但对GO的消除却没有表现出显著性。氨基酸复配组合对后者消除效果不显著的原因可能是真实食品体系复杂,且检测过程中需要经过较多步骤的处理,从而导致数据的误差较大,但从数值上看,配方3、4、5和8都降低了GO含量水平。对比不同配方下曲奇中MGO的消除效果,配方8的消除能力显著,MGO含量减少了27.8%。在所有曲奇配方中,配方1和配方8对3-DG的形成表现出最突出的抑制作用。与空白对照组相比,配方1和配方8的3-DG分别显著降低了48.0%和46.6%。比较上述消除效果,配方8中4种氨基酸的搭配对曲奇中的二羰基化合物综合消除效果最好。
图3 氨基酸配方对曲奇中有害物质的抑制作用
Fig.3 Inhibition of harmful substances in cookies by amino acid formulations
早期研究结果发现美拉德反应初期,氨基酸,如甘氨酸、丙氨酸及γ-氨基丁酸[12,24]可与Amadori产物反应,抑制其分子重排,进而抑制美拉德反应,减少了二羰基化合物的生成[1]。另外,半胱氨酸由于其存在活泼巯基,还能够通过缩硫醛反应、迈克尔加成反应及羰氨反应等途径与二羰基化合物形成加合物,进一步降低其含量[14]。GÖMERT等[25]等研究发现半胱氨酸分别与精氨酸、肌酸二元组合在消除MGO方面存在协同作用,二元组合后MGO的消除效果显著提高。因此推测半胱氨酸与组氨酸、γ-氨基丁酸复配时可能在消除MGO时也具有协同作用。配方8中半胱氨酸和甘氨酸的添加量为最大添加量,并且γ-氨基丁酸的添加量居中,因此消除二羰基化合物的综合效果最好。
2.4.2 对HMF形成的抑制作用
如图4所示,与空白组相比,添加氨基酸能够有效减少曲奇中的5-HMF含量。已有许多文献表明,半胱氨酸、甘氨酸、组氨酸、丙氨酸等氨基酸能与5-HMF反应生成加合物,从而有效消除5-HMF[14,26-28]。其中半胱氨酸由于有一个巯基存在,更容易与5-HMF发生迈克尔加成反应,并且半胱氨酸与组氨酸组合消除5-HMF的效果更佳[26]。因此4种氨基酸复配后消除5-HMF的能力可能比单一氨基酸更高。其中配方8的半胱氨酸添加量最大,消除5-HMF的效果最为显著,消除率高达92.1%。因此,在所有的复配氨基酸配方中,用配方8制备的曲奇5-HMF含量最低(0.98 mg/kg)。
图4 氨基酸配方对曲奇中HMF的抑制作用
Fig.4 Inhibition of HMF in cookies by amino acid formulations
2.5 对丙烯酰胺形成的抑制作用
丙烯酰胺作为一种神经毒素和潜在的致癌物,是二羰基化合物的反应产物,现有文献报道多种氨基酸(甘氨酸、赖氨酸、半胱氨酸、谷氨酸等[29])能够有效消除丙烯酰胺,其中半胱氨酸和γ-氨基丁酸的消除效果较为显著。在160 ℃下,半胱氨酸能够消除96.5%的丙烯酰胺[4]。80 ℃下反应5 h,γ-氨基丁酸能够消除41%的丙烯酰胺[30]。
如图5所示,只有配方8消除效果较为显著(P<0.05),减少了38.4%丙烯酰胺。推测可能因为该配方中半胱氨酸和γ-氨基丁酸的添加量最大,这2种氨基酸对丙烯酰胺的消除效果在众多氨基酸中较为突出。
图5 氨基酸配方对曲奇中丙烯酰胺的抑制作用
Fig.5 Inhibition of acrylamide in cookies by amino acid formulations
2.6 对AGEs和蛋白质氧化产物形成的抑制作用
在焙烤过程中,曲奇产生的二羰基化合物会与蛋白质上的一些氨基酸残基如赖氨酸、精氨酸等发生反应形成AGEs,其中AGEs又分为荧光AGEs和非荧光AGEs。荧光AGEs主要包括丙酮醛赖氨酸二聚体、戊糖素、乙二醛赖氨酸二聚体等。非荧光AGEs主要是CML和CEL。除此之外,在蛋白质氧化的过程中,蛋白质中的酪氨酸和色氨酸残基也可被修饰并产生荧光物质,如二酪氨酸、犬尿氨酸、N-甲酰犬尿氨酸。这些物质则常作为评价蛋白质氧化程度的指标[14]。因此,测定不同氨基酸配方制成的曲奇中的AGEs及蛋白氧化产物,能够更好地了解曲奇中有害物的含量变化,选择更为合适的氨基酸配方。
相较于空白组,除配方6外,其他氨基酸配方均能显著抑制曲奇中荧光AGEs(图6)和非荧光AGEs(CML和CEL)(图7)形成。其中,配方8对荧光物质和非荧光物质的消除效果均十分显著。与空白组相比,配方8对荧光AGEs、二酪氨酸、犬尿氨酸和N-甲酰基犬尿氨素的消除效果分别达到62.3%、59.1%、53.5%和58.3%。并且,对CML和CEL的消除效果也十分显著,分别为50.0%和71.0%。基于氨基酸配方对活性羰基化合物的消除效果分析推测,配方8通过显著消除合成AGEs的前体物质即活泼羰基化合物,进而有效减少AGEs和蛋白质氧化产物的生成。
图6 氨基酸配方对曲奇中AGEs荧光物质的抑制作用
Fig.6 Inhibition of fluorescent substances of AGEs in cookies by amino acid formulations
图7 氨基酸配方对曲奇中蛋白质氧化物的抑制作用
Fig.7 Inhibition of protein oxides in cookies by amino acid formulations
3 讨论与结论
本文通过单因素实验及正交试验确定,曲奇中氨基酸的最佳添加配方为:半胱氨酸0.15 g/kg、γ-氨基丁酸0.35 g/kg、丙氨酸0.5 g/kg、甘氨酸0.5 g/kg。采用该配方制作的曲奇与空白组相比,HMF、MGO、3-DG、丙烯酰胺、CEL、CML、荧光AGEs分别降低92.1%、27.8%、46.6%、38.4%、50.0%、71.0%、62.3%。同时,氨基酸复配添加制备的曲奇酥脆性显著提高,感官品质有所改善。综合实验数据分析发现,使用氨基酸组合可以有效减少曲奇中各种有害物质产生的同时,也不会对曲奇的酥脆度产生负面影响。此研究结果为提高曲奇生产的安全性和质量提供了重要信息和指导。总之,氨基酸的组合可以作为一种可行的食品添加剂,消减食品中的有害物质,改善食品的感官特性与品质。
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