谷子(Setaria italica)作为中国最古老的栽培作物之一,素有“五谷之首”的美誉[1]。谷子不仅具备较强的耐旱性与广泛的适应性,更是一种具有可持续发展性的作物资源[2]。谷子脱壳后称为小米,小米的食用方式以煮粥为主[1]。小米粥富含多种营养素,并具有清热解渴、健胃除湿、利尿及改善肠道健康等多种生理功能[2-4],深受消费者喜爱。
食品的感官品质是影响消费者接受度的关键因素之一[5]。相关研究表明,小米粥的感官品质受小米品种、烹饪用水、熬煮时间、加工方式、贮藏时间以及小米预处理等诸多因素影响[1,3-4,6-8]。不同品种小米的蛋白质、脂肪及淀粉组成存在差异,直接影响小米粥挥发性风味成分与质构特性[4,6],其中淀粉类型与含量显著影响小米粥的稠度与适口性[4]。熬煮时间与加工方式对小米粥风味的形成具有重要调控作用[3,6],尤其是醛类等关键香气物质随熬煮进程逐步积累[1,6],其生成与不饱和脂肪酸的热氧化过程密切相关[1,9]。烹饪用水的酸碱度、硬度以及矿物质含量皆会对小米粥中糖类与氨基酸的溶出过程产生影响,进而作用于小米粥的色泽与整体风味轮廓[7]。预处理方式及贮藏条件亦会引起粥体结构与风味成分的变化,进而对最终的感官品质产生影响[6,8]。
目前针对小米粥熬煮过程中色泽、香气、滋味等多感官属性协同演变的系统解析研究较少。因此,本研究通过测定不同熬煮阶段小米粥的感官评分、理化指标、游离氨基酸、非挥发性代谢物及挥发性风味化合物,结合多元统计分析方法,系统揭示熬煮过程中风味成分的动态规律与物质基础及其与感官特性之间的关系。以期为小米粥的工业化生产与品质调控提供理论依据,从而推动我国小米产业的高质量发展。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
晋谷21,植于山西省晋中市太谷区,并于2023年9月收获,经脱壳除杂后得到小米样品。盐酸奎宁、单宁酸、酚酞、谷氨酸钠,上海麦克林生化有限公司;柠檬酸、正丁醇,上海易恩化学有限公司;二硝基水杨酸、芦丁、Al(NO3)3、没食子酸、柠檬酸钠、2,4,6-三甲基吡啶(内标),上海阿拉丁科技有限公司;无水乙醇、酚酞、NaNO2,天津市天力有限公司;福林酚、NaOH,北京索莱宝科技有限公司。
1.2 仪器与设备
DF-101S型油浴锅,郑州市华特仪器有限公司;NH300型便携式电脑色差仪,深圳市三恩驰科技有限公司;MCR-102型流变仪,奥地利安东帕有限公司;Concentrator plus型真空浓缩仪,德国艾本德股份公司;Biochrom 30+型全自动氨基酸分析仪,英国柏楉有限公司;A211型pH计、Trace1300-isq7000型气相色谱质谱联用仪,赛默飞世尔科技有限公司。
1.3 实验方法
1.3.1 小米粥的制备
将小米与超纯水按照1∶25(g∶mL)的比例置于厚壁耐压瓶(100 mL,外径×螺口为46 cm×11 cm)中,加盖密封后,置于100 ℃油浴锅中进行熬煮。小米粥样品分别于5、10、15、20、25 min五个阶段取样,并命名为MZ1、MZ2、MZ3、MZ4、MZ5。
1.3.2 小米粥感官评价
1.3.2.1 小米粥滋味轮廓分析
10名同学(男女比例1∶1,20～25岁)为滋味评定小组成员,各评定成员均以标准品进行为期2个月的味觉敏感培训。不同味道标准品分别为蔗糖(甜味)、柠檬酸(酸味)、盐酸奎宁(苦味)、NaCl(咸味)、槲皮素(涩味),标准品分别为1～5级的不同浓度,且浓度在味觉上均接近小米粥的滋味。评定小组成员确定与样品最相似的标准物浓度进行打分。
1.3.2.2 小米粥整体感官评价
小米粥样品含米粒,温度维持于(37±2) ℃。感官评价根据GB/T 16291.1—2012《感官分析 选拔、培训与管理评价员一般导则 第1部分:优选评价员》和GB/T 12312—2012《感官分析 味觉敏感度的测定方法》进行。感官评价标准见表1。
表1 小米粥感官评分表[8]
Table 1 Sensory evaluation criteria for the edible quality of foxtail millet porridge[8]
感官评价指标分值评价标准色泽20金黄色且有光泽(16～20)浅黄色略有光泽(12～15)颜色发白或较暗且无光泽(0～11)外观形态20米粒开花均匀且形态完整;米汤浑浊,小米均匀分散于汤中(16～20)米粒开花不均,部分过烂或过硬;米汤浑浊,小米与汤轻微分层(12～15)米粒完全未开花或完全崩解;米汤清澈,分层明显(0～11)香气30香气独特且浓郁(24～30)香气清淡(18～23)几乎闻不到香气(0～17)滋味30入口顺滑;咽后口腔有余香和回甘,滋味协调饱满(24～30)略有涩感或轻微颗粒感;回味平淡(18～23)口感粗糙,无味(0～17)
1.3.3 色泽、可溶性固形物及黏度分析
色泽利用色差仪进行分析测定[10]。固形物含量参考郭静[11]的方法进行分析。黏度分析利用流变仪,并于25 ℃设定应变速率为0.1～100 s-1分析样品黏度特性。
1.3.4 pH及总酸、总酚、总黄酮和还原糖的测定
pH值采用pH计测定。总酸含量根据GB 12456—2021《食品安全国家标准 食品中总酸的测定(含第1号修改单)》中酸碱指示剂滴定法测定。黄酮与多酚含量参考马薇薇[10]的方法进行测定。还原糖含量采用二硝基水杨酸比色法[12]测定。
1.3.5 游离氨基酸分析
样品预处理利用真空浓缩仪,45 ℃浓缩至样品中无水分,加入500 μL去离子水,并用0.22 μm滤膜过滤。采用GB 5009.124—2016《食品安全国家标准 食品中氨基酸的测定》,利用氨基酸分析仪进行分析。
1.3.6 小米粥中非挥发性代谢物分析
小米粥中非挥发性代谢物通过武汉迈维代谢生物科技股份有限公司非靶向代谢组检测技术检测,采用高效液相色谱-串联质谱(ultra performance liquid chromatography-tandem mass spectrometry,UPLC-MS/MS)技术及迈维代谢自建植物特有数据库MWDB进行定性定量分析。参照马薇薇[10]的方法对小米粥中的代谢物进行分析。
1.3.7 小米粥挥发性化合物分析
样品预处理:取4 mL样品,加入20 μL 0.02 mg/mL 2,4,6-三甲基吡啶和1.2 g NaCl于顶空瓶中。孵育和萃取条件:50 ℃下平衡30 min后,聚二乙烯基苯/Carboxen/聚二甲基硅氧烷(DVB/CAR/PDMS)(65 μm)萃取头暴露于样品瓶上层空气中,于50 ℃萃取30 min。气相色谱条件:色谱柱为SH-Rtx-5MS毛细管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm),进样口温度250 ℃;柱温箱初始温度35 ℃,以3 ℃/min升至116 ℃,以10 ℃/min升至280 ℃,维持3 min;载气为高纯氦气(99.999%),流速1.0 mL/min,不分流模式。质谱条件:离子源为EI源,离子源温度230 ℃,四极杆温度150 ℃,采用全扫描模式采集信号,电子轰击能量70 eV,扫描质量范围35～550 amu。
定性与定量分析:检测结果经NIST数据库检索与匹配,选取正反匹配度>800的鉴定结果;通过内标2,4,6-三甲基吡啶进行相对定量分析。
1.4 数据分析
所有实验重复3次。利用SPSS 27.0软件进行差异显著性分析(P<0.05),并计算皮尔逊相关系数,相关系数阈值分别为r>0.90(显著)和r>0.95(极显著)。利用MetaboAnalyst进行偏最小二乘法判别分析(partial least squares-discriminant analysis,PLS-DA)和变量投影重要性(variable importance in projection,VIP)分析作图。挥发性化合物和非挥发性化合物基于VIP>1且P<0.05初步筛选出差异代谢物,非挥发性化合物依据《ChemTastesDB》进行味觉属性归类,采用Origin 22、TBTools和Chiplot作图。
2 结果与分析
2.1 小米粥熬煮过程中感官特性变化
采用感官评价分析熬煮时间对小米粥整体感官轮廓的影响(图1)。随熬煮时间的延长,小米粥的总体感官评分逐渐升高,在熬煮20 min时达到最高,之后略有下降(图1-a)。粥液色泽逐渐趋向黄色,在20 min时评分达最高,随后有所下降。在熬煮过程中,粥液由清澈转为浑浊,米粒体积逐渐增大,呈现出完整、膨胀直至崩解的动态变化(图1-b),该结果与SANG等[4]报道的小米粒在煮制过程中呈现“表面开裂-吸水膨胀-结构崩解”的演变特征一致。在熬煮20 min时,米粒开花均匀、形态完整,外观评分最高。随着熬煮时间进一步延长,米粒逐渐崩解失去完整性,导致外观评分下降。香气与滋味评分随着熬煮时间延长逐渐升高,熬煮20 min与25 min的粥样在香气和滋味轮廓上较为接近,均达到最大值。
a-小米粥感官评价;b-小米粒结构变化
图1 小米粥熬煮过程感官特性变化规律
Fig.1 Alteration patterns of sensory characteristics during the cooking process of millet congee
2.2 小米粥熬煮过程中色泽及形态的变化
随着熬煮时间的延长,小米粥的黄色值(b*,图2-a)、类胡萝卜素含量(图2-b)、可溶性固形物含量(图2-c)及黏度(图2-d)显著升高(p<0.05)。小米的黄色主要源于其含有的类胡萝卜素[13]。在熬煮过程中小米粒颜色由初始的浅黄、深黄色逐渐转变为白色[4],表明类胡萝卜素逐渐由米粒迁移至粥液中(图2-b),使得粥液的黄色值相应上升(图2-a),从而使粥样呈现令人愉悦的黄色。然而,粥液色泽评分在熬煮25 min时低于20 min(图1-a),推测由于粥液浑浊度增加所致,具体原因有待进一步分析。
a-小米粥色泽;b-类胡萝卜素;c-可溶性固形物;d-黏度
图2 小米粥熬煮过程中色泽及形态的变化规律
Fig.2 The color and form changes during the cooking process of millet porridge
注:不同字母代表样品间显著性差异(P<0.05)(下同)。
随着熬煮过程中淀粉、蛋白质等组分溶出并进入粥液[8],粥液可溶性固形物含量显著增加。在熬煮15～20 min时,可溶性固形物含量增幅最大,而在20～25 min时,增幅明显减小(图2-c)。可溶性固形物的释放与溶出主要受熬制过程中谷物结构变化的影响[4],在熬煮初期(0～15 min),小米粒吸水率与膨胀率迅速上升,可溶性固形物逐渐溶出;在熬煮15～25 min,小米粒结构逐渐崩解,可溶性固形物含量大幅增加(图1-b)。粥液中可溶性固形物含量直接影响粥的稠度,淀粉作为可溶性固形物的主要组分,其糊化过程是影响粥稠度的关键因素[4]。随着淀粉颗粒吸水膨胀并破裂,小米粥黏度大幅增加(图2-d),尤其是在熬煮15 min后更为明显,最终赋予小米粥一定的黏稠口感。研究表明,小米粥的稠度与适口性呈极强的正相关[4,14],因此随熬煮时间延长,其感官评分逐渐提高(图1-a)。熬煮过程中可溶性固形物的溶出与淀粉的糊化共同作用,赋予了小米粥特有的质地与感官品质[1,3-4]。
2.3 小米粥熬煮过程中味觉化合物的动态变化
2.3.1 pH值、可滴定酸度、总酚、黄酮及还原糖
总酸度表示样品中酸的总量,而pH值衡量酸味强度[15-16]。随着熬煮时间延长,粥液pH值由7.00下降至6.66,而总酸度由445 mg/L显著上升至545 mg/L(图3-a)。这主要是由于有机酸、氨基酸、多酚等呈酸性物质在熬煮过程中逐渐溶出,引起粥液体系酸度变化,有助于小米粥整体风味的协调[17]。
a-pH值与总酸;b-总酚;c-总黄酮;d-还原糖
图3 小米粥熬煮过程中滋味理化指标的动态变化
Fig.3 Dynamic changes of taste and physical-chemical indicators during the cooking process of millet porridge
随熬煮时间的延长,总酚含量显著增加,黄酮类物质含量显著降低(图3-b、图3-c)。酚类和黄酮类化合物是食品中常见的活性成分,对口感协调与完整性具有重要影响。通常酚类化合物赋予食品一定的苦味和涩感,从而增强整体风味的层次[15]。研究表明,多酚含量与苦涩味呈正相关[18-19],其在熬煮过程中的含量动态变化对小米粥最终感官品质的形成具有一定的贡献。
糖类对产品的甜味起决定作用[20]。还原糖则随熬煮时间呈现显著上升趋势,这主要源于小米中单糖的溶出以及淀粉在加热过程中部分水解成葡萄糖(图3-d)。还原糖含量的增加则可赋予小米粥一定的甜味。
综上,在小米粥熬煮过程中,总酸度、总酚及还原糖含量均显著增加,总黄酮含量则显著下降。这些呈味物质的动态变化共同构成了小米粥酸味、苦涩味及甜味等基本滋味,从而提升其整体口感与滋味品质。
2.3.2 小米粥熬煮过程中游离氨基酸的动态变化
游离氨基酸作为重要的风味物质前体,对食品整体风味具有显著影响[21]。本研究在小米粥中共检测出15种氨基酸(图4),包括2种鲜味氨基酸(谷氨酸Glu和天冬氨酸Asp)、3种甜味氨基酸(丝氨酸Ser、脯氨酸Pro、丙氨酸Ala)和10种苦味氨基酸(精氨酸Arg、组氨酸His、苯丙氨酸Phe、酪氨酸Tyr、亮氨酸Leu、半胱氨酸Cys、蛋氨酸Met、赖氨酸Lys、异亮氨酸Ile、缬氨酸Val)。小米粥中游离氨基酸总量随熬煮时间延长呈先升后降趋势,在熬煮15 min时达到最高值(102.65 mg/L),之后随熬煮时间的延长而逐渐下降。
a-呈味氨基酸总量变化;b-氨基酸含量变化;c-PLS-DA;d-VIP
图4 小米粥中游离氨基酸随熬制时间的动态变化
Fig.4 Changes in amino acids in the flavor of millet porridge during different cooking times
a-差异呈味代谢物类别;b-不同滋味属性代谢物轮廓分析;c-差异呈味代谢物含量;d-PLS-DA分析;e-VIP(VIP>1.3)
图5 小米粥差异呈味代谢物分析
Fig.5 Analysis of differential tasting-contributing metabolites of foxtail millet porridg
小米粥中风味氨基酸的含量依次为:鲜味氨基酸(41.53～57.21 mg/L)>甜味氨基酸(15.25～31.05 mg/L)>苦味氨基酸(15.02～18.72 mg/L)(图4-a)。随着熬煮时间延长,鲜味氨基酸含量呈现先增加后减少的趋势,在熬煮15 min时达到最高值(57.21 mg/L),其中Asp含量总体呈上升趋势,而Glu则呈下降趋势;甜味氨基酸(Pro、Ala和Ser)随熬煮时间延长而持续升高;苦味氨基酸总量逐渐增加,其中Arg含量总体呈上升趋势,而Lys、Cys和Leu则呈下降趋势,其他氨基酸变化不显著(图4-b)。值得注意的是,甜味氨基酸含量的变化最为显著:熬煮5～10 min,其含量增加了33.26%;熬煮20 min后,较5 min时增幅达103.61%。
多数苦味氨基酸因感知阈值较高,一般被认为是不具有味觉活性,其苦味可被甜味和鲜味氨基酸掩盖[21]。然而,可通过与其他呈味物质发生相互作用,对整体风味产生协同增效或抑制效应,从而影响小米粥的风味品质[15]。熬煮后期(20 min后)甜味氨基酸含量的显著上升,与鲜味及苦味氨基酸共同作用,赋予小米粥协同的滋味口感。同时,游离氨基酸可作为美拉德反应等风味形成途径的前体物质,进一步丰富小米粥的香气特征[22]。
采用PLS-DA对不同熬煮时间小米粥中的游离氨基酸进行分析,结果显示各粥样之间游离氨基酸存在差异(图4-c)。基于VIP>1的标准,筛选得到7种关键差异游离氨基酸,分别为甜味氨基酸Ala、Ser和Pro,鲜味氨基酸Glu和Asp,以及苦味氨基酸Arg、Cys和Leu,表明这些氨基酸在熬煮过程中变化较为显著(图4-d)。
2.3.3 非靶向代谢组学分析小米粥熬煮过程中呈味物质的动态变化
为了进一步明确小米粥中的呈味物质基础及其动态变化,采用非靶向代谢组学分析不同熬煮时间小米粥中呈味非挥发性代谢物的含量变化。共鉴定出37种具有酸、甜、苦、鲜、涩5种不同味觉属性的代谢物,包括11种氨基酸衍生物、11种糖类、5种核苷酸及其衍生物、3种有机酸、3种脂质、2种醛酮类,酚酸类、甘油酯类和维生素各1种(图5-a)。
呈味代谢物的组成轮廓随熬煮时间的延长呈现动态变化(图5-b)。其中甜味代谢物占比较高(31.06%～47.41%),其相对含量在熬煮过程中呈先升后降趋势:熬煮5 min时为42.09%,15 min时达最高峰值(47.41%),后逐渐下降至31.06%。蔗糖、海藻糖、果糖、麦芽三糖等是主要的甜味物质(图5-c),可能来源于小米本身所含糖类及熬煮过程中淀粉的水解产物。这些糖类在熬煮过程中总体呈下降趋势,可能与参与美拉德反应等生成挥发性物质,赋予小米粥特征香气[1]。涩味代谢物占比仅次于甜味(28.22%～48.48%),且随熬煮时间延长逐渐上升(图5-b)。主要涩味物质包括亚麻酸、γ-亚麻酸和油酸。其中,油酸与γ-亚麻酸含量逐渐减少,亚麻酸则呈现先降后升的趋势(图5-c)。研究表明,油酸与亚麻酸等不饱和脂肪酸是小米粥挥发性风味物质的重要前体物质,在熬煮过程中因氧化转化为挥发性成分而逐渐消耗[9]。鲜味代谢物占比相对较低(6.51%～10.15%),主要由核苷酸、二肽及氨基酸组成,其中鸟苷5′-单磷酸(guanosine 5′-monophosphate,GMP)和肌苷5′-单磷酸(inosine 5′-monophosphate,IMP)的滋味阈值较低[23],是小米粥鲜味的主要贡献物质。苦味与酸味代谢物的占比分别为7.20%～11.78%和2.39%～3.10%,在熬煮过程中变化不大。其中,酸味代谢物主要包括琥珀酸、柠檬酸和丙酸,苦味代谢物主要包括二肽、泛酸、肌苷和腺苷等。总体而言,随熬煮时间延长,呈味代谢物总量呈逐步下降趋势。
通过对37种呈味代谢物进行PLS-DA,不同熬煮时间的小米粥得到有效区分,表明其呈味代谢物组成存在显著差异(图5-d)。依据分析结果,可将熬煮过程划分为初期(5 min)、中期(10～20 min)和晚期(25 min)。基于VIP>1.3筛选得到8种关键差异呈味代谢物(图5-e),分别为山梨糖(甜味)、水苏糖(甜味)、蔗糖(甜味)、麦芽糖醇(甜味)、GMP(鲜味)、泛酸(苦味)、γ-亚麻酸(涩味)和琥珀酸(酸味)(图5-e)。除泛酸含量随熬煮时间延长有所上升外,其余7种代谢物均呈逐渐下降趋势。
小米粥中贡献甜味特征的总还原糖和甜味氨基酸含量随熬煮时间的延长呈增加趋势,但山梨糖、水苏糖、蔗糖和麦芽糖醇则逐渐下降;贡献鲜味特征的鲜味氨基酸含量随熬煮时间的延长逐渐增加,但GMP含量逐渐减少;贡献酸味特征的琥珀酸的含量呈下降趋势,而粥样总酸则不断上升;贡献苦味和涩味特征的苦味氨基酸、总酚和泛酸含量累积增加,总黄酮和γ-亚麻酸含量则逐渐下降。由此可见,小米粥中不同味觉属性的物质随熬煮时间延长呈现多样化的动态变化。为深入解析各类关键差异呈味物质对小米粥滋味品质的影响,本研究进一步通过感官评价分析不同熬煮时间粥样的滋味评分,并探究滋味品质与呈味化合物的相关性。
2.3.4 滋味感官评价以及与呈味物质相关性
小米粥不同滋味属性随熬煮时间呈现不同的变化规律(图6-a)。其中,涩味与苦味逐渐减弱,甜味、鲜味与酸味则逐渐增强,并逐渐成为小米粥主要的味觉特征。
a-小米粥滋味感官评价雷达图;b-滋味相关性分析
图6 小米粥滋味轮廓变化规律
Fig.6 The changing pattern of the flavor profile of millet porridge
注:图中*显著(r>0.9);**极显著(r>0.95)(下同)。
小米粥中呈鲜味物质主要包括游离氨基酸、GMP、天冬氨酰-苯丙氨酸、腺苷-5′-单磷酸(adenosine 5′-monophosphate,AMP)以及IMP等(图4-b和图5-c)。谷氨酸是多数食品中鲜味的主要呈味物质,GMP与IMP可协同增强鲜味;同时,AMP与游离氨基酸之间也存在味觉交互增强作用[24]。熬煮过程中鲜味整体呈现增强趋势,Asp含量随熬煮时间延长逐渐增加,但Glu、GMP、IMP和AMP等呈鲜味组分的含量却逐渐下降,表明Asp对小米粥的鲜味特征具有重要作用。相关性分析表明,鲜味与呈甜味的还原糖、Ala与Ser以及呈苦味与涩味的总酚呈显著正相关(图6-b)。研究表明,酚类物质有助于增强食物味觉的复杂性[25],同时甜味与鲜味氨基酸之间协同作用,可增强食品的鲜味感知。因此,Asp是小米粥中贡献鲜味特征的重要化合物。
小米粥甜味的形成与粥液中可溶性糖类物质及甜味氨基酸的溶出有关(图3-d、图4-b和图5-c)。随着熬煮时间延长,还原糖与甜味氨基酸不断积累,为其甜味强度的持续增强提供了物质基础(图6-b),其中还原糖、Ala和Ser与甜味呈显著正相关。值得关注的是,甜味与总酚、泛酸呈显著正相关,表明总酚与泛酸可能通过风味协同或互补作用,有助于丰富小米粥的整体风味层次[15,24-25]。因此,还原糖、Ala和Ser是小米粥中贡献甜味特征的重要化合物。
酸味的增强与总酸度的上升趋势一致。然而本研究检出的主要有机酸(琥珀酸、柠檬酸及丙酸)含量随熬煮时间的延长呈下降趋势;相关性分析进一步表明,小米粥酸味与琥珀酸含量呈极显著负相关。这可能是因为其他未被检出的酸性代谢物对整体酸味产生贡献。此外,部分甜味化合物对酸味感知呈显著正相关,这可能源于不同呈味物质间的相互作用[15]。因此,本研究并未明确小米粥中贡献酸味特征的关键呈味化合物。
小米粥苦味与粥液中酚类物质、苦味氨基酸、二肽、泛酸、肌苷和腺苷等有关(图3-b、图3-c、图4-b和图5-c),涩味与酚类物质、亚麻酸、γ-亚麻酸和油酸有关(图3-b、图3-c和图5-c)。相关性分析表明,苦味与总黄酮、涩味与γ-亚麻酸呈现显著负相关,表明总黄酮和γ-亚麻酸是小米粥中贡献苦味与涩味特征的重要呈味化合物。苦味和涩味与还原糖以及呈甜味的氨基酸(Ala和Ser)呈显著负相关,表明甜味对苦涩味具有一定的掩盖作用,同时风味氨基酸有助于整体滋味的协调平衡[15]。此外,苦涩味与总酚、泛酸呈显著负相关,这可能源于不同呈味化合物间的协同或拮抗作用[15,26-27]。今后需进一步明确苦味与涩味的具体来源化合物及相互作用机制。
综上所述,Asp是小米粥中贡献鲜味特征的重要化合物,还原糖、Ala和Ser是贡献甜味特征的重要化合物,总黄酮和γ-亚麻酸则分别是贡献苦味与涩味特征的重要呈味化合物。小米粥滋味轮廓的形成与各呈味物质的动态变化相关,其中还原糖、总酚、总黄酮、Ala、Ser、山梨糖、GMP、泛酸、γ-亚麻酸和琥珀酸与小米粥的滋味属性显著相关;同时不同滋味属性的代谢物通过协同或拮抗作用,共同增强整体风味特征和浓郁度[15],形成了小米粥独特的滋味品质。
2.4 非靶向代谢组学分析小米粥挥发性风味化合物
挥发性气味是影响食品感官特征的关键质量指标之一[28-29],因此本研究采用SPME-GC-MS对不同小米粥样进行分析。在小米粥样中共鉴定得出共有46种化合物,包括醛类13种、烷烃类7种、酯类6种、酮类5种、酚酸类4种、苯衍生物4种、醇类3种及4种其他化合物(图7-a、图7-b)。小米粥中挥发性物质的组成轮廓随熬煮时间的增加而发生动态变化(图7-b)。随着熬煮时间的增加,醛类、苯衍生物和烷烃类的占比逐渐增加,酮类、酯类呈现先增加后减少的趋势,具有较低阈值的醛酮类、酯类及苯衍生物逐渐成为小米粥中的主要挥发性成分。同时,挥发性物质的总量随熬煮时间的延长逐渐增加,由80.92 μg/mL增加到111.72 μg/mL,这与ZHANG等[6]的研究一致。挥发性物质总量的增加可以归因于熬煮过程中脂质氧化、蛋白质分解焦糖化反应等一系列复杂的化学反应[1,6]。
a-挥发性化合物含量;b-挥发性化合物种类;c-PLS-DA;d-VIP(VIP>1.2)
图7 小米粥中的挥发性化合物随时间变化的动态规律
Fig.7 Dynamic evolution of volatile flavor compounds in millet porridge over time
醛类主要由不饱和脂质氧化及蛋白质分解产生,占小米粥总挥发性物质的40.57%～80.66%(图7-b)。随着烹饪时间的延长,醛类物质大幅增加,这与BI等[1]和LI等[9]的研究结果一致。醛类作为小米粥中种类最丰富、浓度最高、贡献最大的挥发性物质,赋予小米粥清香、青草香和果香等特征风味,对小米粥香气具有重要贡献[30]。因此其含量的增加对小米粥品质的形成具有重要意义[15]。己醛、戊二醛、2-甲基丁醛、反式-2-癸烯醛和苯甲醛是小米粥中主要的醛类物质,并且在熬煮过程中逐渐增加。研究表明,小米粥中醛类含量的增加可归因于不饱和脂肪酸油酸、亚麻酸等的氧化产生[9,15],本研究中也观察到了这些不饱和脂肪酸含量的减少(图5-c)。
苯衍生物与烷烃是小米粥中仅次于醛类含量的主要挥发性化合物,这与BI等[1]的研究结果一致。随熬煮时间的延长,其含量由(2.62±0.20) μg/mL和(7.42±0.78) μg/mL逐渐增加到(24.48±2.30) μg/mL和(29.86±2.94) μg/mL。苯衍生物是生小米中主要的挥发性化合物[1],是小米中的气味活性物质。苯衍生物含量的增加可归因于长链饱和与不饱和烃类发生单分子环化、脱水、芳构化和环增长而形成[31]。小米粥中的苯衍生物主要包括二甲苯、异丙苯及苯乙烯,ZHANG等[6]在熬煮后的小米粥中并未检出苯衍生物,BI等[1]和LI等[9]虽检出了苯衍生物,但与本结果并不一致,这可能是由于小米品种及烹饪方式的不同而导致。
小米粥中的酯类来源于醇类和酸类的酯化反应,具有花香和果香,且阈值较低[15]。小米粥中的酯类在熬煮20 min时达到最高值(285.97±25.01) μg/mL,之后有所下降,但总量呈现增长的趋势。与BI等[1]研究一致。丁酸甲酯、2-甲基丁酸甲酯和己酸甲酯是小米粥中主要的酯类物质(≥90%)。
烷烃类化合物具有相对较高的风味阈值,对粥样的气味贡献较小。酮类、醇类及其他挥发性化合物在小米粥中所占比例较低。但这些挥发性物质对小米粥整体风味品质的形成具有一定的作用[1]。
采用PLS-DA进一步分析小米粥熬煮过程中挥发性化合物的差异(图7-c)。结果表明,通过风味化合物可有效区分不同熬煮时间的样品。依据VIP>1.2筛选得到13种差异性挥发性化合物,包括醛类5种、酯类3种、苯及其衍生物3种、烷烃类化合物2种(图7-d)。关键差异挥发性化合物戊酸甲酯(果香)、异戊酸甲酯(苹果香)、伞花烃(柑橘香)、反-2-辛烯醛(青草香)随熬煮时间延长而含量逐渐减少,而己醛(青草香)、十二烷、2-甲基丁醛(可可香)、丁酸甲酯(苹果香)、苯乙醛(果香)、异丙苯、邻二甲苯、正庚烷和苯甲醛(苦杏仁香)则逐渐增加。这13种挥发性化合物的差异是小米粥不同熬煮阶段香气变化的主要驱动因素,是小米粥香气优化的核心靶点。
2.5 小米粥熬煮过程中关键差异风味化合物与感官特性的相关性
为了综合评估风味化合物对感官属性的贡献,系统分析了小米粥熬制过程中综合感官评价与挥发性化合物及味觉化合物的相关性(图8)。结果表明,小米粥的黄色值(b*)以及丝氨酸、精氨酸、泛酸、正庚烷和苯甲醛的含量与小米粥色泽特征呈显著正相关。小米粥的色泽与类胡萝卜素呈正相关但并不显著,表明小米粥色泽的形成受多种因素共同影响,例如丝氨酸与精氨酸参与美拉德反应赋予颜色,泛酸、苯甲醛等物质本身呈淡黄色等。
图8 小米粥整体感官相关性分析
Fig.8 Analysis of the overall sensory correlation of millet porridge
在香气方面,小米粥的香气特征与还原糖、总酚、丝氨酸、泛酸、己醛、丁酸甲酯、正庚烷和苯乙醛呈显著正相关,与pH值、γ-亚麻酸、异戊酸甲酯呈显著负相关。热加工过程中,还原糖和氨基酸之间发生的美拉德反应、醇与酸之间的酯化反应以及油脂氧化等是挥发性化合物形成的重要途径[1,6,9],因此小米粥中的还原糖、总酚、丝氨酸、γ-亚麻酸及泛酸可作为挥发性化合物的前体物质参与小米粥香气特征的形成。
滋味方面,小米粥的滋味特征与总酸(酸味)、还原糖(甜味)、总酚(涩味)、丝氨酸(甜味)、精氨酸(苦味)、泛酸(苦味)呈显著正相关,与γ-亚麻酸(涩味)呈显著负相关。味觉物质之间相互作用,如酸与甜、酸与苦、酸与涩等[21],共同协调形成小米粥独特的滋味特征。
小米粥的整体感官评分与总酚、丝氨酸、精氨酸、泛酸等呈味物质以及正庚烷和苯乙醛等挥发性物质呈显著正相关,与γ-亚麻酸和异戊酸甲酯呈显著负相关。这说明滋味和香气特征是决定小米粥整体感官品质的主要因素。
3 结论
本研究系统探讨了小米粥熬煮过程中风味成分的动态规律与物质基础,并分析了其与感官特性之间的关系。结果表明,熬煮时间对小米粥综合感官品质具有显著影响,熬煮20 min时小米粥综合感官品质最佳;明确了小米粥中贡献鲜味(Asp)、甜味(还原糖、Ala和Ser)、苦味(总黄酮)和涩味(γ-亚麻酸)等滋味特征的重要呈味化合物;确定了13个小米粥关键香气成分;同时,风味成分与感官特性之间存在密切且复杂的交互作用。通过相关性分析,进一步明确了总酚、丝氨酸、精氨酸、泛酸和γ-亚麻酸等呈味物质以及正庚烷、苯乙醛和异戊酸甲酯等香气化合物是影响小米粥整体感官品质的关键物质,这些成分可作为评估小米粥品质的关键指标。本研究结果可为小米粥的工业化生产与工艺优化提供理论参考。
尽管本研究初步揭示了小米粥品质形成的物质基础,但仍需进一步探讨:解析可溶性固形物的详细组成及淀粉结构在熬煮过程中的变化,以更深入阐释小米粥色泽与质地形成机制;阐明滋味成分、香气物质与口感特性之间的协同或拮抗效应,揭示关键风味化合物对小米粥感官品质的影响途径;明确关键风味化合物的前体物质及其在热加工过程中的形成路径。以期为高品质小米产品开发提供更全面的科学支撑。
[1] BI S, WANG A, WANG Y P, et al.Effect of cooking on aroma profiles of Chinese foxtail millet (Setaria italica) and correlation with sensory quality[J].Food Chemistry, 2019, 289:680-692.
[2] CHENG L K, QU S, YUN Y Y, et al.Effects of different thermal processing methods on amino acid, fatty acid, and volatile flavor substance contents of Aohan millet (golden seedling millet)[J].Food Science &Nutrition, 2024, 12(11):9007-9024.
[3] LIU X Y, WANG S H, PAN M F, et al.Effect of cooking methods on volatile compounds and texture properties in millet porridge[J].Food Chemistry:X, 2024, 23:101652.
[4] SANG L M, ZHU Y Q, WANG C, et al.Effects of water migration and grain structural evolution on substance dissolution and consistency variation during cooking of different foxtail millet varieties porridge[J].Food Chemistry, 2025, 493:145945.
[5] LI H H, ZHAO K, CHEN L H, et al.LC-MS-based metabolomics approach to investigate the taste compounds formation of Jinhua ham prepared using Taihu pigs[J].Journal of Food Measurement and Characterization, 2024, 18(10):8186-8199.
[6] ZHANG Y R, YANG N, FRAY R G, et al.Characterization of volatile aroma compounds after in-vial cooking of foxtail millet porridge with gas chromatography-mass spectrometry[J].Journal of Cereal Science, 2018, 82:8-15.
[7] 段慧玲, 刘新凯, 李彦君, 等.不同水样对小米粥的理化及感官品质的影响[J].核农学报, 2024, 38(6):1087-1097.DUAN H L, LIU X K, LI Y J, et al.Effects of different water samples on the physicochemical and sensory quality of millet porridge[J].Journal of Nuclear Agricultural Sciences, 2024, 38(6):1087-1097.
[8] LYU P, LIU J L, WANG Q, et al.Influence of accelerating storage of foxtail millet on the edible and cooking quality of its porridge:An insight into the structural alteration of the in-situ protein and starch and physicochemical properties[J].International Journal of Biological Macromolecules, 2023, 240:124375.
[9] LI P L, ZHAO W, LIU Y Y, et al.Precursors of volatile organics in foxtail millet (Setaria italica) porridge:The relationship between volatile compounds and five fatty acids upon cooking[J].Journal of Cereal Science, 2021, 100:103253.
[10] 马薇薇. 基于非靶向代谢组学分析水质因子对小米粥滋味物质的影响[D].晋中:山西农业大学, 2024.MA W W.Analysis of the influence of water quality factors on taste substances of millet porridge based on non-targeted metabonomics[D].Jinzhong:Shanxi Agricultural University, 2024.
[11] 郭静. 中国谷子核心种质资源米汤固形物含量全基因组关联分析[D].晋中:山西农业大学, 2022.GUO J.Genome-wide association study on solid content of millet porridge of core germplasm resources of foxtail[D].Jinzhong:Shanxi Agricultural University, 2022.
[12] 王淑, 武悦, 王鹏.3, 5-二硝基水杨酸比色法测定番茄中可溶性糖[J].现代农业科技, 2025(1):142-144.WANG S, WU Y, WANG P.Colorimetric determination of soluble sugar in tomato with 3, 5- dinitrosalicylic acid[J].Modern Agricultural Science and Technology, 2025(1):142-144.
[13] SHEN R, YANG S P, ZHAO G H, et al.Identification of carotenoids in foxtail millet (Setaria italica) and the effects of cooking methods on carotenoid content[J].Journal of Cereal Science, 2015, 61:86-93.
[14] YANG T T, TAN X M, HUANG S, et al.Effects of experimental warming on physicochemical properties of indica rice starch in a double rice cropping system[J].Food Chemistry, 2020, 310:125981.
[15] LIU J L, ZHANG R, CHEN Z M, et al.Specific flavor substances of liqueur koji fermented foxtail millet beverage:As indicators of flavor characteristics and antioxidant capacity[J].Journal of Food Science, 2025, 90(9):e70496.
[16] GONG M, ZHOU Z L, LIU S P, et al.Formation pathways and precursors of furfural during Zhenjiang aromatic vinegar production[J].Food Chemistry, 2021, 354:129503.
[17] CHIDI B S, BAUER F F, ROSSOUW D.Organic acid metabolism and the impact of fermentation practices on wine acidity:A review[J].South African Journal of Enology and Viticulture, 2018, 39(2):1-15.DOI:10.21548/39-2-3164.
[18] CAO Q Q, WANG F, WANG J Q, et al.Effects of brewing water on the sensory attributes and physicochemical properties of tea infusions[J].Food Chemistry, 2021, 364:130235.
[19] HUANG R, XU C M.An overview of the perception and mitigation of astringency associated with phenolic compounds[J].Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, 2021, 20(1):1036-1074.
[20] ZOU S C, WU J C, SHAHID M Q, et al.Identification of key taste components in loquat using widely targeted metabolomics[J].Food Chemistry, 2020, 323:126822.
[21] LIU J L, YANG D H, LI P L, et al.Nonvolatile organic acids drive microbiota succession, causing flavor compound dynamics in naturally fermented millet sour congee[J].Journal of Food Composition and Analysis, 2025, 147:108099.
[22] WANG W L, ZHOU X R, LIU Y.Characterization and evaluation of umami taste:A review[J].TrAC Trends in Analytical Chemistry, 2020, 127:115876.
[23] YAMAGUCHI S, YOSHIKAWA T, IKEDA S, et al.Measurement of the relative taste intensity of some l-α-amino acids and 5′-nucleotides[J].Journal of Food Science, 1971, 36(6):846-849.
[24] BAI J, FAN Y, ZHU L L, et al.Characteristic flavor of Antarctic krill (Euphausia superba) and white shrimp (Penaeus vannamei) induced by thermal treatment[J].Food Chemistry, 2022, 378:132074.
[25] WANG Y X, NING J, WANG Y Y, et al.Pyrazine-driven umami enhancement in the Sauvignon Blanc-oyster food pairing:Elucidated through electronic tongue analyses and molecular simulations[J].Food Bioscience, 2026, 76:108323.
[26] YAN Y, ZOU M X, TANG C, et al.The insights into sour flavor and organic acids in alcoholic beverages[J].Food Chemistry, 2024, 460:140676.
[27] AROGUNDADE T J, OLUWAMUKOMI M O, DADA M A.Nutritional qualities and antioxidant properties of ginger-flavored biscuits developed from wheat, Bambara groundnut, and plantain flour blends[J].Food Frontiers, 2023, 4(1):407-419.
[28] FENG Y Z, SU G W, ZHAO H F, et al.Characterisation of aroma profiles of commercial soy sauce by odour activity value and omission test[J].Food Chemistry, 2015, 167:220-228.
[29] 冯敏, 樊馨, 袁晓萍, 等.水质参数对普洱生茶茶汤风味成分及感官特性的影响[J].食品科学, 2025, 46(24):218-225.FENG M, FAN X, YUAN X P, et al.Effects of water quality parameters on flavor components and sensory attributes of raw Pu-erh tea infusion[J].Food Science, 2025, 46(24):218-225.
[30] YANG J H, CUI S, SUN M J, et al.Dynamic evolution of volatile compounds during cold storage of sturgeon fillets analyzed by gas chromatography-ion mobility spectrometry and chemometric methods[J].Food Chemistry, 2025, 464:141741.
[31] MCGRATH T E, WOOTEN J B, GEOFFREY CHAN W, et al.Formation of polycyclic aromatic hydrocarbons from tobacco:The link between low temperature residual solid (char) and PAH formation[J].Food and Chemical Toxicology, 2007, 45(6):1039-1050.