夏威夷果又名澳洲坚果,原产于澳大利亚东海岸、北纬26°～29°的新南威尔士北部和昆士兰州南部。其富含不饱和脂肪酸、蛋白质及矿物质,可以有效降低胆固醇含量、预防心血管疾病和2型糖尿病的发生[1],素有“干果皇后”“坚果之王”的美称。
夏威夷果油是夏威夷果的深加工产品,富含单不饱和脂肪酸和生物活性成分,如生育酚和植物甾醇[2],可以预防动脉粥状硬化、保护内黏膜系统[3]并有一定的抗氧化性和保湿特性,可被应用于食品、化妆品领域[4]。然而,夏威夷果精深加工产品多集中于夏威夷果乳饮料等液态产品[5-7],产品单一、高值化转化不足,说明其资源潜力尚未得到充分挖掘。
挂耳咖啡是将咖啡豆磨粉后再装入滤袋的便携式咖啡,可以满足消费者对便携和风味的需求。有研究表明,挂耳咖啡风味与脂质含量呈正相关[8],夏威夷果油具有典型坚果香气并能丰富咖啡油脂感,因此,添加夏威夷果油到挂耳咖啡产品中既为咖啡制品的品质升级与品类创新提供了新路径,又填补了夏威夷果固态便携复合产品的市场空白,具有良好的研究价值与产业应用前景。
本研究对经烘烤后冷榨夏威夷果油的风味进行了解析,并将其与咖啡粉复配进行夏威夷果油挂耳咖啡产品的开发。采用响应面法优化夏威夷果烘烤温度和时间,随后对优化后的夏威夷果进行冷榨制油,并采用气相色谱-离子迁移谱联用技术(gas chromatography-ion mobility spectrometry,GC-IMS)鉴定其风味特征成分,结合二维谱图、差异谱图、指纹图谱及主成分分析(principal component analysis,PCA)明确烘烤对夏威夷果油风味组分的影响。通过感官评价确定冷榨夏威夷果油的最佳添加量及咖啡粉的最佳研磨细度,并建立了酸价与过氧化值的一级动力学模型进行产品货架期预测。以期为夏威夷果油挂耳咖啡的配方优化、工艺参数确定及品质控制提供基础数据,同时为冷榨夏威夷果油的高值化利用提供思路。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
夏威夷坚果仁,东兴市怡诚食品开发有限公司(桂热1号,真空包装,含水量<4%);蓝调之境中度烘烤100%阿拉比卡咖啡豆,京东京造自营旗舰店;挂耳式咖啡滤纸袋,CLITON京东自营旗舰店;正构酮(2-丁酮、2-戊酮、2-己酮、2-庚酮、2-辛酮、2-壬酮,均为分析纯),阿拉丁公司;99.999%N2、20 mL顶空瓶,山东海能科学仪器有限公司。
1.2 仪器与设备
MTB600D-B电子天平,深圳市美孚电子有限公司;PTC40C1家用电烤箱,广东美的厨房电器制造有限公司;ZYJ-9018不锈钢家用小型榨油机,江门市贝尔斯顿电器有限公司;HC-2061高速离心机,安徽中科中佳科学仪器有限公司;FlavourSpec@ GC-IMS仪、VOCal数据处理软件(0.4.03),德国G.A.S.公司;CTC-PAL3静态顶空自动进样装置,瑞士CTC Analytics AG公司;MXT-WAX毛细管色谱柱(30 m×0.53 mm,1.0 μm),美国Restek公司;KMDJ-HS-A手摇式咖啡豆研磨机,CLITON京东自营旗舰店;RE-52AA旋转蒸发器,上海亚荣生化仪器厂。
1.3 实验方法
1.3.1 夏威夷果预处理
将夏威夷生干果仁清洗烘干,筛选颗粒饱满大小均一的果仁,进行烘烤(120、140、160 ℃,15、20、25 min),冷却后进行榨油以及感官评价。
称取30 g烘烤后的夏威夷果,并切成黄豆粒大小,放入榨油机中进行榨油,经初步过滤后装入棕色样品瓶,4 ℃冷藏12 h,取上层油脂3 000 r/min离心5 min,分离油脂与残渣,得到夏威夷果油样品,重复3次。
1.3.2 夏威夷果烘烤工艺优化
邀请20名食品专业师生,依据感官评分标准表(表1),对烘烤过后的夏威夷果仁以及对应的夏威夷果油进行感官评价,取平均值作为最终结果。在感官评价实验基础上,选取烘烤温度(A)和时间(B)作为试验因素,以感官评分为响应值,利用Box-Benhken中心组合试验设计原理进行两因素三水平的响应面试验,响应面试验因素水平如表2所示。
表1 夏威夷果仁及果油感官评价标准
Table 1 Sensory evaluation standards for macadamia nuts and macadamia nut oil
项目满分标准坚果香气(0～20分)坚果香味浓郁纯正坚果色泽(0～20分)呈现均匀金黄色,无焦褐色坚果余味(0～20分)风味协调,余味悠长且无杂味油脂香气(0～10分)油脂奶油香气浓郁纯正油脂色泽(0～10分)油脂澄清透亮,呈浅金黄色,无焦褐色总体接受程度(0～20分)夏威夷果仁及油脂整体品质极佳,接受度高
表2 响应面试验的因素与水平编码
Table 2 Factors and level coding in response surface experiment
因素低水平(-1)中心点(0)高水平(+1)温度/℃120140160时间/min152025
1.3.3 夏威夷果油挥发性成分分析
选取新鲜夏威夷果仁和按照优化烘烤工艺制备的夏威夷果仁,低温压榨并根据以下条件进行GC-IMS分析。
顶空进样条件:称取2 g样品置于20 mL顶空瓶中,于80 ℃、500 r/min条件下孵化20 min;进样体积为500 μL,采用不分流模式进样,进样针温度85 ℃。
GC条件:色谱柱温度60 ℃,进样口温度80 ℃;以高纯N2为载气,初始流速2.0 mL/min,保持2 min,随后在8 min内线性升至10.0 mL/min,再于10 min内线性升至100.0 mL/min并保持30 min;色谱运行时间为50 min。
IMS条件:采用氚源(3H)电离,迁移管长度53 mm,电场强度500 V/cm,迁移管温度45 ℃;以高纯N2作为漂移气,流速75.0 mL/min;采用正离子模式检测。
1.3.4 夏威夷果油挂耳咖啡产品开发及配方优化
为筛选最佳咖啡配方,将咖啡豆研磨成3个不同细度(15、25、35目),并按咖啡粉质量的5%、10%、15%添加夏威夷果油制成挂耳咖啡样品,正交试验因素水平见表3。以每袋10 g装入滤纸袋中,加入90 ℃水(150 g)2 min完成冲泡,邀请20名食品系的师生进行感官评价,进行两因素三水平正交实验(表3),以感官评分评价(表4)。
表3 正交试验因素水平设计
Table 3 Factor level design of orthogonal experiment
水平因素研磨细度/目果油添加量/%11552251033515
表4 夏威夷果油挂耳咖啡优化配方感官评价评分标准
Table 4 Sensory evaluation criteria for optimized formula of macadamia nut oil drip coffee
等级分数范围/分描述优86～100香气浓郁且层次分明,口感顺滑,酸甜苦平衡,余味悠长良71～85香气明显但单一,口感有轻微粗糙感,风味协调但余味较短中≤70香气平淡或部分缺失,口感过苦/过酸/油腻,整体勉强可接受
1.3.5 夏威夷果油挂耳咖啡货架期预测
1.3.5.1 样品加速氧化实验
称取200 g优化后的工艺制备咖啡以10 g/袋装入滤纸袋(95 mm×85 mm×115 mm)并封口制成样品。
参考段蕾等[9]的烘箱加速氧化方法并稍作修改,设定烘箱温度为60 ℃,将制备好的夏威夷果油挂耳咖啡放入烘箱中,期间每3 d取样,并测定样品的酸价与过氧化值。
1.3.5.2 夏威夷果油挂耳咖啡酸价测定
参考李康宁等[10]的方法,称取样品100 g,装入索氏脂肪提取装置,加入适量石油醚(30～60 ℃),水浴加热(60 ℃)回流提取4 h。对提取液进行旋蒸(45 ℃)直至溶剂完全蒸干,残留的液体即为酸价试样。酸价的测定参照GB 5009.229—2025《食品安全国家标准 食品中酸价的测定》,以mg/g表示。
1.3.5.3 夏威夷果油挂耳咖啡过氧化值测定
参考李康宁等[10]的方法,称取样品100 g,加入样品体积2～3倍的石油醚(30～60 ℃),使样品与溶剂充分混合。封口后超声波处理5～10 min,静置浸提12 h以上,用含有无水硫酸钠的漏斗过滤,旋蒸(<40 ℃)滤液直至溶剂完全蒸干,残留液体即为待测试样。过氧化值的测定参照GB 5009.227—2023《食品安全国家标准 食品中过氧化值的测定》,以g/100 g表示。
1.4 数据处理
所有实验至少重复3次,使用VOCal软件(0.4.03)内置的GC保留指数(NIST 2020)数据库和IMS迁移时间数据库检索和比对,对目标物进行定性分析。利用VOCal数据处理软件中的 Reporter、Gallery Plot和Dynamic PCA等插件绘制谱图和PCA图,用于样品间挥发性有机物的对比。
2 结果与分析
2.1 夏威夷果烘烤工艺优化
2.1.1 烘烤时间和温度的影响
随着烘烤时间的增加和烘烤温度的升高,美拉德反应和焦糖化速度加快,夏威夷果仁颜色由淡黄色逐渐变为深褐色(图1),到160 ℃时出现焦化,与Aruwajoye等[11]的研究结果一致。将120、140 ℃烘烤后的果仁经低温压榨获得夏威夷果油(图2),并进行感官评价(图3)。结果表明,120 ℃的夏威夷果油颜色较浅,140 ℃时,油脂色泽和香气在15～25 min与时间呈正相关。且其果仁和果油的评分比120 ℃更高。因此,烘烤温度和时间与果油的品质高度相关。
图1 不同烘烤工艺的夏威夷果仁
Fig.1 Macadamia nuts under different roasting processes
图2 不同烘烤工艺制备的夏威夷果油
Fig.2 Macadamia nut oil prepared using different roasting method
图3 感官评分雷达图
Fig.3 Sensory evaluation radar chart
2.1.2 烘烤工艺优化
为优化夏威夷果烘烤工艺,以烘烤温度、烘烤时间为变量,感官评分为指标,进行响应面试验,Box-Behnken试验设计及结果如表5所示。
表5 夏威夷果烘烤参数优化响应面试验设计与结果
Table 5 Response surface methodology design and results for optimization of macadamia nut roasting parameters
实验编号烘烤温度/℃烘烤时间/min感官评分/分11201567.8121202072.6331202577.2441401579.7351402087.5961402576.5471601557.3781602054.7391602543.26101402083.94111402085.91121402087.79131402085.93
运用Python的Statsmodels库对表5中的实验数据进行多元回归拟合,建立了二次多项式回归模型。感官评分(Y)的回归方程为:Y=-1 969.03+28.18A-0.13B-0.01A2-0.06B2-0.13AB其中,A为温度编码值,B为时间编码值。模型方差分析结果如表6所示。
表6 回归方程方差分析表
Table 6 Analysis of variance table for regression equation
来源平方和自由度均方F值P值回归模型2 400.815480.1684.77<0.000 1温度(A)647.301647.30114.28<0.000 1时间(B)10.32110.321.820.219 0温度2(A2)1 075.5911 075.59189.89<0.000 1时间2(B2)76.97176.9713.590.007 8交互项(AB)138.531138.5324.460.001 7残差237.1175.66--纯误差9.7242.43--失拟项29.9339.984.110.103 0总计2 440.4612 - - -
由表6可知,该模型P值<0.000 1,极显著,模型相关系数R2=0.98,调整决定系数
能较好地反映各因素与感官评分之间的关系,拟合能力较强。一次项A,二次项A2、B2,交互项AB的P值<0.01,达到极显著水平。比较各因素的F值可知,对感官评分的影响程度排序为温度(A)>交互作用(AB)>时间(B)。Göncüo
lu Ta
等[12]的研究也发现同样的结果,这可能是因为高温导致坚果含水量降低[13],同时加快美拉德反应和焦糖化反应速率[12]。
如图4所示,响应面曲线坡度较陡,等高线形状呈椭圆形,表明烘烤温度和烘烤时间的交互影响极显著,这与表6结果一致。
a-等高线图;b-响应面图
图4 烘烤温度和时间的交互作用的等高线图和响应面图
Fig.4 Contour plot and response surface plot of interaction between roasting temperature and time
基于Box-Behnken响应面模型,预测最优烘烤工艺参数为烘烤温度134 ℃、烘烤时间20 min,此条件下感官评分预测值为87分。在此参数下进行3次重复验证试验,所测感官评分为89分,与软件模型预测的最佳值十分接近,说明该模型的预测性良好,能够用于实际操作。
2.2 烘烤工艺对夏威夷果油挥发性成分(风味)的影响
夏威夷果油中的挥发性成分是影响挂耳咖啡风味特征和感官品质的重要因素。为探究烘烤对果油挥发性物质的影响及与咖啡风味的适配性,本研究采用GC-IMS技术,分析烘烤温度和时间对夏威夷果仁冷榨所得果油的挥发性成分的影响。
2.2.1 挥发性成分谱图分析
对GC-IMS二维谱图(图5-a)进行比较分析,并以未烘烤组谱图为参比,对各烘烤组谱图进行差值扣减,获得差异谱图(图5-b)。其中扣除背景为白色,红色代表该物质的含量高于参比,蓝色代表含量低于参比,可见烘烤后果油在挥发性物质组成上发生显著变化。
a-二维谱图;b-差异谱图;c-指纹图谱
图5 夏威夷果果油样品中挥发性成分谱图
Fig.5 Volatile components chromatogram of macadamia nut oil samples
进一步对挥发性物质进行指纹图谱分析(图5-c),图中每一行代表一个样品中选取的全部信号峰,每一列代表同一挥发性有机物在不同样品中的信号峰(序号代表未定性物质)。从图中可以看出烘烤组与未烘烤组之间挥发性物质存在差异,2种样品中共鉴定出挥发性成分73种,90个峰,其中醇类11种、醛类15种、酮类13种、酯类8种、呋喃类4种、吡嗪类8种、硫醚类3种、芳香烃类3种、酸类3种及其他5种。检出物质类别与前人的实验结果一致[14-16]。其中,烘烤组相较于未烘烤组整体风味物质数量更多,层次更丰富(如B、C、D、E框所示)。美拉德产物2,5-二甲基吡嗪的峰体积由72.02～77.89升至967.49～975.89,增幅超12倍;焦糖化反应产物羟基丙酮-M的峰体积由1 265.78～1 381.26升至7 120.47～7 214.49,增幅达5倍,仅异丙醇相较于未烘烤组有所减少(如A框所示)。
未烘烤组呈现以青草香(己醛)、果香(乙酸乙酯)和酸味(乙酸)为主的清新风味,与Pino等[17]研究结果一致。烘烤组则呈现以美拉德反应产物吡嗪类(2,5-二甲基吡嗪)、醛酮类(苯乙醛)、脂类(1,4-丁内酯)及焦糖化产物(羟基丙酮-M)为主的坚果、可可风味。静玮等[15]的研究认为,吡嗪类化合物主要来源于氨基酸与还原糖之间的美拉德反应、氨基酸的斯特雷克降解反应和热解反应,醛类的形成除了上述3种途径外还有脂质的自动氧化。
值得注意的是,己醛(青草香、脂肪味)较未烘烤组无明显变化,该结果可能因为脂氧合酶活性在适度温度下选择性抑制。说明烘烤组夏威夷果油不仅可以为咖啡提供清新风味,同时还可以提供独特的烘烤风味,从而提供更加丰富的风味层次。
2.2.2 挥发性成分聚类分析
PCA是一种多元统计分析方法,通过风味物质的信号强度揭示样品之间的差异。如图6所示,PC1与PC2的贡献率之和达到了98%,两种样品组间差异显著,组内差异较小,说明2个主成分代表了主要信息特征,PC1与2,5-二甲基吡嗪-M、羟基丙酮-M等物质呈正相关,PC2与己醛、丁酸等物质呈正相关。未烘烤组样品聚类集中、组内差异较小,烘烤组可能因原料批次及脂质氧化程度出现较大偏差样品[18-20],但其挥发性成分仍以坚果特征风味物质(如吡嗪类)为主,2组样品在主成分空间中无重叠,组间差异显著。说明未烘烤组与烘烤组之间果油挥发性风味有极显著差异,实际生产中需严格控制夏威夷果原料批次及烘烤过程的脂质氧化程度,以保障产品风味的稳定性。
图6 挥发性成分的PCA图
Fig.6 PCA plot of volatile components
2.3 夏威夷果油挂耳咖啡复配工艺优化
果油添加量和咖啡研磨细度是影响挂耳咖啡品质的关键因素[21]。因此选取咖啡研磨细度和果油添加量进行两因素三水平正交试验,以感官评分为指标,筛选出最佳复配工艺。由9组样品的感官评定结果(表7)可知,咖啡研磨细度较低时,咖啡色泽较浅,风味较寡淡,可能因为间隙过大,萃取时间短,萃取不充分;细度升高后,咖啡色泽先加深后变浅,感官评分先上升后下降,可能因为细度过高导致萃取不均,整体口感失衡[21]。果油添加量较低时改善风味效果有限,随着添加量增加,咖啡色泽无明显变化,夏威夷果风味逐渐凸显,添加量过高会掩盖咖啡气味,并导致口感粗糙。对实验结果进行极差分析,由表7可知,各因素对感官评分的影响由大到小依次为A(研磨细度)>B(果油添加量);最优工艺条件为A2B2,感官评分为90分,其咖啡研磨细度为25目,夏威夷果油添加量为10%,此时色泽为深褐色,兼具咖啡与夏威夷果的坚果香气。市售挂耳咖啡的风味主要依赖于咖啡豆品种以及烘焙程度,风味层次相对单一。夏威夷果油的添加提高了脂质醇厚感,并赋予产品坚果特有的清新风味。
表7 正交试验方案及结果
Table 7 Orthogonal experimental design and results
编号AB得分/分11177.3321280.0031378.3342182.6752290.3362387.0073174.3383270.6793358.00k178.5578.11k286.6680.33k367.6674.44R195.89
2.4 夏威夷果油挂耳咖啡产品的贮藏稳定性研究
2.4.1 夏威夷果油挂耳咖啡加速氧化过程中酸价和过氧化值的变化
咖啡粉末与夏威夷果油中均含有大量脂肪酸,易发生氧化并产生令人不适的哈喇味以及酸味。酸价和过氧化值是判断脂质氧化程度的重要指标,因此采用60 ℃加速氧化实验对产品的货架期进行预测。
由图7可知,夏威夷果油挂耳咖啡样品的酸价随时间延长呈现上升趋势,至15 d时达到(4.42±0.17) mg/g。酸价提升可能是甘油三酯在环境和酶的作用下水解生成游离脂肪酸与甘油单酯/二酯,也有可能由于甘油三酯及游离脂肪酸氧化生成的初级氧化产物经β-断裂等途径降解为低分子质量有机酸,导致酸价上升。
a-酸价;b-过氧化值
图7 夏威夷果油挂耳咖啡加速氧化时酸价与过氧化值变化
Fig.7 Changes in acid value and peroxide value of macadamia nut oil drip coffee during accelerated oxidation
样品的过氧化值随时间延长呈现上升趋势,至15 d时达到(0.042±0.003) g/100 g。在0～3 d时,氢过氧化物积累速度较为缓慢,可能是因为氧化处于自由基引发阶段,速率受限,另一方面可能是夏威夷果油中的多酚类物质抑制了氧化过程。9～15 d时,过氧化值提升速度加快,可能由于氢过氧化物分解产生的次级自由基加速链式反应,导致氧化速率加快并表现为非线性增速。
2.4.2 夏威夷果油挂耳咖啡货架期预测模型的建立
结合加速氧化条件下挂耳咖啡酸价和过氧化值的变化,对挂耳咖啡的货架期进行动力学模型拟合,由表8与表9可知,过氧化值与酸价的一级动力学模型的回归系数(R2)均高于零级动力学模型。因此,对夏威夷果油挂耳咖啡采用一级动力学模型反映更准确。
表8 加速氧化条件下夏威夷果油挂耳咖啡的酸价反应动力学模型参数
Table 8 Kinetic model parameters of acid value for macadamia nut oil drip coffee under accelerated oxidation conditions
反应级数回归方程kR2零级y=0.098x+1.620.0980.967一级y=1.64e0.064x0.0640.983
表9 加速氧化条件下夏威夷果油挂耳咖啡的过氧化值反应动力学模型参数
Table 9 Kinetic model parameters of peroxide value for macadamia nut oil drip coffee under accelerated oxidation conditions
反应级数回归方程kR2零级y=0.143x+0.0100.1430.892一级y=0.010e0.105x0.1050.921
根据酸价限值3.0 mg/g,可在60 ℃下贮藏9.2 d,过氧化值限值0.25 g/100 g,可在60 ℃下贮藏28.1 d。因此,酸价是夏威夷果油挂耳咖啡货架期的首要限制因素,劣变由水解反应主导,而非初级氧化产物的积累。可能由于咖啡中含有绿原酸,会清除自由基,同时夏威夷果油中含有大量有助于提高氧化稳定性的生物活性成分,延迟了自由基链式反应的发生,降低了过氧化物的积累速度。由于咖啡货架期主要由感官评价决定且氧化受温度影响较小[22],采用夏威夷果油的Q10=2.15[23],推测常温(30 ℃)条件下货架期约为91 d。市售挂耳咖啡通常采用外包装来阻隔氧气与水分,货架期可达540 d,而本实验样品未采用外包装,故货架期受到影响[24-25]。同时夏威夷果油含有大量游离脂肪酸,导致挂耳咖啡酸价上升速度率加快,因此保质期较短。
3 结果与讨论
本研究通过夏威夷果油挥发性物质解析与挂耳咖啡产品复配工艺优化及其加速氧化实验,开发了一款兼具便携与感官创新的夏威夷果油复配挂耳咖啡产品。经工艺优化后的夏威夷果最佳烘烤参数为134 ℃、20 min,其感官评分达89分。利用GC-IMS技术对夏威夷果油挥发性物质进行分析发现,未烘烤组的挥发性风味物质数量较少,总含量较低,风味轮廓以青草香和果香为主,呈现清新但层次简单的风味特征。烘烤组的挥发性物质的数量和含量都显著升高,形成了1,4-丁内酯与2,5-二甲基吡嗪等关键风味物质,具有独特的焦糖坚果香调,说明美拉德反应与焦糖化反应对风味重构起主导作用。当夏威夷果油添加量为10%,咖啡细度为25目时,感官评分最高。本产品相较于市售挂耳咖啡风味层次更加多样,不仅具有深烘咖啡典型的焦香特征,同时具有一定的坚果清香。因增加了不饱和脂肪酸和生物活性物质含量,提升了产品健康附加值,可形成差异化竞争。60 ℃加速氧化实验揭示酸价与过氧化值变化符合一级动力学模型(R2≥0.92),酸价为产品劣变的首要指标。货架期模型预测常温无包装(30 ℃)贮藏条件下产品保质期为91 d,相比市售挂耳咖啡保质期(360～540 d)较短,因此,后续可采用高阻隔性新型包装材料结合真空或充氮等包装技术,提升产品稳定性和延长保质期。本研究为夏威夷果深加工开辟了高附加值路径,推动其从初级农产品向功能性食品原料转型,对促进坚果加工与健康食品产业升级具有重要实践意义。
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