不同煎炸阶段薯条和煎炸油中关键风味成分分析

徐立荣，常佳睿，梅 雪，朱晨菲，吴港城，张 晖，金青哲，王兴国

（江南大学 食品学院，江苏 无锡 214122）

煎炸是一种流行、快速的烹饪方法，几十年来一直在国内和商业上使用以提高食品的感官质量[1]。煎炸食品的风味是最终决定煎炸食品接受程度的基础, 也是决定性的感官特征之一[2]。从实用性和经济效益的角度来看，煎炸油在家庭厨房、餐馆和餐饮业中得到了持续的应用。而油一旦被加热，油脂就开始改变。最终，油脂的变化会直接影响食品的感官特性和风味[3]。在煎炸过程中一些化学反应（例如热氧化、水解和聚合反应）发生，其中涉及三酰甘油、多糖和蛋白质的复杂变化，这些反应可以诱导产生挥发性物质，并决定油炸产品的感官特性。在这些反应中，脂质氧化起着主要作用，氧化产生的氢过氧化物最终分解成风味化合物（如醛、酮和醇）从而决定煎炸食品的风味[4]。因此，为了获得高质量的煎炸食品，了解煎炸过程中的油脂降解现象和油脂对煎炸食品的影响是至关重要的。

Blumenthal进行的研究提出了“煎炸油质量曲线”（以五个阶段表示的油脂变化：诱导、新鲜、最佳、降解和废弃阶段），以解释油裂变与食品质量之间的相互关系。第一阶段制备的煎炸产品是生的，颜色和气味都很淡[5]；随着油的进一步降解，煎炸过程进入了“新鲜”和“最佳”阶段，食品质量改善，出现了金黄色和理想的风味；最后，油继续降解，进入“降解”和“废弃”阶段。在最后阶段，煎炸油的长期使用导致脂质氧化过度，使得感官评分较低。

然而，质量曲线是基于煎炸食品的感官评价所得，目前尚不清楚哪些理想和异味化合物在诱导、最佳和降解阶段控制不同的风味评分，香气化合物的详细定量信息仍有待进一步研究。许多研究评估了油类型对薯条风味的影响[6-7]，然而，只有少数研究评估油的降解对薯条风味化合物的影响，其中一项研究是由Enriquez-Fernandez等发起的，研究了油类型和新鲜度对薯条感官特性的影响，但仍不确定是哪几种挥发性化合物引起的变化[8]。此外，Santos等的研究比较了 3种商品油在煎炸过程中对土豆感官质量的影响[9]，该研究粗略地表明了马铃薯的挥发性化合物的特征，但忽略了关键香气活性化合物的变化。

在最近的研究中，分子感官科学被用于全面分析油和其他食品基质中的关键香气活性化合物[10-11]。因此，本研究的目的是利用分子感官科学分析，对煎炸薯条和高油菜籽油中关键气味活性风味化合物在诱导、最佳和降解阶段的定量信息进行表征和比较。本研究的结果将有助于控制煎炸食品的异味形成，改善煎炸食品的香气。还可为食品工业的风味控制和标准化提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

新鲜马铃薯（茄薯L，贺兰15品种）：山东某农场；高油酸菜籽油，存放于4 ℃下，无添加剂：嘉吉粮油公司；异辛烷、甲醇、正己烷为色谱纯，其余试剂均为分析纯：国药控股集团化学试剂有限公司；挥发性化合物标准品：西格玛试剂公司。

1.2 仪器与设备

Aigoli，最大容量为2.5 L的商用油炸锅：中国；固相微萃取装置、纤维萃取头（50/30 μm）DVB/CAR/PDMS萃取头：美国色谱科公司；Trace 1300 ISQ气相色谱质谱联用仪（GC-MS）：美国赛默飞世尔科技公司。

1.3 实验方法

1.3.1 煎炸实验

高油酸菜籽油加热到（150±2）℃，每批次（100±2）g土豆下锅炸5 min，55 min后进行下一个批次，总体煎炸时间为 4 d；（8 h/d），29 h后总极性组分超过27%。因此，每批次煎炸结束后收集薯条和煎炸油，以供进一步分析。

1.3.2 脂肪酸分析

根据Li等报道的方法，以十九烷酸甲酯为内标测定脂肪酸组成[12]。用 Agilent7820对脂肪酸组成进行了气相色谱分析，具体测定参数参考本课题组之前的研究[13]。

脂肪酸甲酯的制备：取50.0 mg待测油样于5 mL离心管中，加入1.0 mL色谱纯正己烷使其溶解均匀；然后加入0.5 mL 2 mol/L的氢氧化钾-甲醇溶液，并在漩涡震荡仪上震荡30 s；取上清液，转移至另一离心管，加入少量无水硫酸钠，离心后取上清液，过0.22 µm滤膜，待检测。

气相色谱分析条件：进样口温度：250 ℃；分流比：100∶1；进样量：1 µL；载气：高纯氮气（99.99%）；载气流速：20 mL/min，恒流模式；检测器温度：250 ℃。程序升温过程：在 60 ℃保持3 min；然后以5 ℃/min升温至150 ℃并保持15 min；最后以2 ℃/min升温至 220 ℃并保持10 min。脂肪酸采用内标相对定量。

1.3.3 酸值、茴香胺值和总极性组分测定

酸价、茴香胺值和总极性组分的检测分别按照国家标准GB 5009.227—2016《食品安全国家标准 食品中过氧化值的测定》、GB/T 24304—2009《动植物油脂 茴香胺值的测定》和国标 GB 5009.202—2016《食品安全国家标准 食用油中极性组分（PC）的测定》制备型快速柱层析法执行。

1.3.4 测定薯条的水分和总油含量及颜色

采用烘箱干燥法测定样品的含水率[14]，用索氏提取法测定薯条样品的含油量[15]。

1.3.5 感官评定

由 80名感官小组成员（65%为女性；18～40岁，来自江南大学）对薯条样品进行了消费者喜好评价，从 1（极不喜欢的风味）到 7分（极喜欢的风味），小组成员按照国家标准方法 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》进行了培训。

过程：将薯条放在纸杯中，用3位随机数字标记，并提交给每个评估人员。来自江南大学的12名受过训练的小组成员评估高油酸菜籽油和薯条的感官属性。在分析之前，通过描述性测试选择了几种香气品质，参考Thurer等的研究[7]。选定的气味属性的强度绿色/草状、金属、油炸、脂肪、汗味、腐臭的味道用来描述高油酸菜籽油和煮熟的土豆、烘烤、焦糖、油炸、脂肪、陈腐、金属和陈腐味用来描述薯条，感官专家按线性尺度从0（不可感知）到3分（强烈可感知）打分，每个样本由每个小组成员评估三次。

1.3.6 气相色谱法−嗅觉质谱法（GC-O-MS）对香气提取物进行稀释分析

采用GC-MS结合嗅觉端口对样品进行分析。在DB-WAX柱上（30 m×0.25 mm×25 μm）进行GC−O分析，实验条件与 GC−MS测定挥发性物质一致，将GC入口分离比从4∶1提高到16∶1、64∶1、256∶1，对样品进行稀释。风味稀释（FD）因子被定义为可检测香气化合物的最大稀释度。

1.3.7 香气活性化合物的定量和气味活性值的计算

SPME方法参考 Santos等[9]进行的研究，并在此基础上作少量修改。气味活性化合物通过外部标准方法与质谱定量，并在选定的离子监测模式下检测。在定量分析之前依照该研究中所述方法做少量修改[16]，对薯条进行了进一步的处理以获得一种人工无味基质，通过分子蒸馏得到无味的精制菜籽油，气味活度值（OAVs）被计算为每种气味的浓度与其各自在油中的阈值的比值，阈值是从先前的研究中得到的[17]。

1.4 数据分析

所有分析均进行三次平行。使用SPSS statistics 22软件进行了单因素方差分析和多重比较。

2 结果和分析

2.1 理化分析

2.1.1 煎炸油的脂肪酸组成

煎炸过程中高油酸菜籽油的脂肪酸组成变化见表1。在新鲜高油酸菜籽油中主要的脂肪酸为油酸（72.79 g/100 g），脂质的氧化敏感性与其脂肪酸组成有关，导致不同的挥发性化合物从脂肪酸中降解[18]。在煎炸过程中，油酸从 72.79下降到59.94 g/100 g。同时，多不饱和脂肪酸的降解随着煎炸时间的延长而增加，具体表现为从17.49下降到11.17 g/100 g。此外，高油酸菜籽油中亚油酸和亚麻酸的含量也降低。在煎炸过程结束时，高油酸菜籽油中，亚油酸和亚麻酸分别减少 4.34和1.89 g/100 g。饱和脂肪酸也随煎炸时间（8.25～6.66 g/100 g）呈下降趋势。这些结果与先前对Liu等的研究一致[18]。另外，反式脂肪酸是油热降解的常见指标。随着煎炸时间的延长，高油酸菜籽油中的反式脂肪酸增加，从 0.23增加到 0.31 g/100 g。这与大豆油和橄榄油在煎炸28 h期间的增加趋势是一致的[19]。

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2.1.2 煎炸油的酸值、茴香胺值和总极性组分的变化

不同煎炸时间高油菜籽油的酸值、茴香胺值和总极性组分的变化如表2所示，在高油酸菜籽油中，随着煎炸时间的推移，酸值迅速增加，在煎炸29 h后达到4.80 mg/g。茴香胺值表示二次氧化的程度。鲜新油中茴香胺值含量较低（3.00），深度煎炸8 h后急剧增加到111.14。然后，该值呈现缓慢增长趋势由121.00到156.18，直到煎炸时间结束。总极性组分的含量是煎炸过程中最具代表性的指标之一，它描述了煎炸油的变质程度。根据中国国家标准，当总极性组分超过27%时，煎炸油应丢弃[13]。在长时间的煎炸过程中，高油酸菜籽油的总极性组分含量逐渐增加，在煎炸29 h时达到27%。

表2 不同煎炸时间高油菜籽油的酸值、茴香胺值和总极性组分的变化Table 2 Changes of acid value, anisidine value and total polar components of high rapeseed oil at different frying times

2.1.3 薯条的水分、含油量变化

薯条在煎炸过程中的油和水分含量如表3所示。由表可知，马铃薯油炸后水分显著降低21%，含油率从0.11%急剧上升到30.58%。上升脂肪吸收率随着水分的减少而降低，最终油含率从29.17%到33.14%不等。然而，这些结果随煎炸时间的变化而变化。先前的研究证实，煎炸过程中表面活性剂的形成影响了传热和传质的速率[20]。这些表面活性剂所涉及的变化可能会导致土豆煎炸过程中油含量的波动。

表3 薯条生产过程中水分和油含量的变化Table 3 Changes in moisture and oil content during the production of French fries

2.2 长期煎炸对薯条感官评价的影响

油脂的变化会直接影响食品的风味，总极性组分是响应煎炸油氧化程度的重要指标，因此，油中总极性组分的浓度与煎炸食品的风味质量有关。图1显示了薯条的风味感官得分与煎炸油的总极性组分浓度的关系。 第一批薯条的风味评分和第1 h时候煎炸的薯条的风味评分均低于2～3 h煎炸。在煎炸过程开始时，薯条的风味不是最佳的。新鲜油的风味通常是平淡的，需要经过适度的氧化来为消费者开发理想的煎炸风味。在本研究中，煎炸油在150 ℃下加热1至4 h作为诱导期是足够的，在此期间总极性组分含量为 3.5%～8.0%。煎炸5～20 h，所制备的薯条的风味评分高于诱导期制备的风味评分，此期间总极性组分浓度从 8%提高到 20%。在此期间，薯条具有最佳的煎炸风味。随着总极性组分含量在22 h后增加到 22%，薯条的风味评分下降到 5.4分。因此，当总极性组分在22%以上时，应控制煎炸油，以延长最佳阶段。然而，薯条的风味发展表现出三个明显的阶段，即诱导、最佳和降解阶段。在煎炸的新鲜阶段，风味得到了改善，随后，进入最佳阶段，风味评分较高，在最佳阶段几乎保持不变。在降解阶段逐渐变得不易接受。为了获得各阶段的关键香气化合物，选择了总极性组分在0.05、10和29 h分别为3%、10.5%和27%的高油酸菜籽油中制备的薯条样品及其相关的煎炸油进行进一步分析。

图1 不同批次薯条的风味评分与油中的总极性化合物之间的关系Fig.1 The relationship between the flavor scores of different batches of French fries and the total polar compounds in the oil

2.3 总体香气评价

对总极性组分为3%（RO1）、10.5%（RO2）、27%（RO3）的高油酸菜籽油和在相关煎炸油中制备的薯条（FF1、FF2、FF3）的总体感官进行了评价。如图2（a）、（b）所示，在 RO1、RO2和RO3样品中，油炸和脂肪香气被强烈感知，RO2与RO1和RO3相比具有更高的油炸气味。与RO1和RO2相比，RO3样品表现出较高的汗臭和酸败气味，从而导致了RO3的异味。在FF1、FF2和FF3样品中，煮熟的土豆、烘烤、焦糖和油炸气味被很好地感知到，FF2具有较高的油炸香气得分。然而，FF3样品含有更强烈的脂肪、陈腐和酸败的气味，这显著影响了薯条样品中的异味。感官评价表明，油的深度氧化在高油酸菜籽油和薯条中产生了异味，不仅通过增强脂肪、出汗和酸败的气味，而且还通过减少煎炸的香味。

图2 RO1，RO2，RO3（a）和FF1，FF2，FF3（b）的炸薯条的感官评价结果Fig.2 Sensory evaluation results of French fries of RO1, RO2, RO3(a) and FF1, FF2, FF3(b)

2.4 RO1、RO2、RO3、FF1、FF2和 FF3样品中香气活性化合物的鉴定

在高油酸菜籽油和薯条中共鉴定出 26种和34种香气活性化合物（表4）。薯条的分类几乎与先前的一项研究相似，该研究检测了棕榈油制备的薯条中的 43种挥发性化合物[21]。然而，这些风味化合物的贡献是不同的，其中醛显示出更高的FD值。一些饱和醛（己醛、庚醛、辛醛）、烯醛（(E)-2-辛烯醛、(E)-2-癸烯醛、(E)-2-十一烯醛）和二烯醛（(E,E)-2,4-庚烯醛、(E,E)-2,4-壬二烯醛、(E,Z)-2,4-癸二烯醛、(E,E)-2,4-癸二烯醛、反式-4,5-环氧-(E)-2-癸烯醛）是高油酸菜籽油的主要青草、脂肪、油炸和金属风味的贡献物质。与RO1相比，RO2和RO3中的这些醛类物质的 FD值相对较高。一些芳香活性化合物，特别是酸只在RO3样品中检测到，如己酸、庚酸和辛酸。而壬酸在RO3中的FD值（64）高于RO1和RO2。因此，这些新产生的酸可能导致汗臭和酸败的味道，并导致RO3中较低的感官评分。对于薯条，上述油氧化生成的二烯醛在薯条样品中比饱和醛和单烯醛具有更重要的风味贡献。此外，2,5-二甲基吡嗪（烤味）、3-(甲硫基)-丙醛(薯土豆风味)和2,5-二甲基-4-羟基-3(2H)-呋喃酮（焦糖风味）在薯条中具有较高的FD值（≥64）。此外，与FF1和FF2相比，FF3中的己酸、庚酸、辛酸和壬酸具有较高的 FD值，从而导致酸败味。此外，苯乙醛中FD值的增加具有陈腐/蜡样气味，而 2,5-二甲基吡嗪和 2-乙基-6-甲基吡嗪中 FD值的降低可能导致感官得分降低。

表4 薯条和煎炸油挥发性化合物的气味贡献Table 4 Odor contribution of volatile compounds of French fries and frying oil

2.5 香气活性化合物的定量和气味活性值的计算

用外部标准方法对 GC-O-MS鉴定的高油酸菜籽油和薯条中的重要香气活性化合物进行了定量分析，计算了各自的OAV。与其他化合物比，(E,E)-2,4-癸二烯醛和反式-4,5-环氧-(E)-2-癸二烯醛及其OAVs的含量均较高（表5），与AEDA的结果一致。然而，与油炸气味有关的(E,E)-2,4-癸二烯醛含量最高的是RO2。同时，随着油炸时间的延长，其含量降低，导致油炸风味下降。如先前一项研究所报告，通过反aldol缩合反应，2,4-癸二烯醛可降解为2-辛醛和己醛[22]。此外，它还可以参与Mallard反应，这可能导致2,4-癸二烯醛的下降。(E)-2-癸烯醛、(E,E)-2,4-庚二烯醛和(E)-2-十一烯醛是高油酸菜籽油的重要化合物，它们具有较高的相对峰面积[23]。虽然AEDA的结果显示出较高的 FD值，但由于这些醛在油中的气味阈值相对较高，因此在这些醛中没有获得更高的OAV。饱和脂肪醛，即，己醛、辛醛和壬醛是典型的脂质氧化产物，随着煎炸时间的延长，它们在高油酸菜籽油中呈上升趋势，因此RO3的含量和OAV最高。这些饱和的醛类在高含量时也会导致酸败味[24]。如前所述，饱和醛，特别是己醛，可以从 2,4-癸二烯醛中降解，从而导致这些醛的增加[22]。四种芳香活性酸类化合物（己酸、庚酸、辛酸和壬酸）的浓度和OAV在RO3中均高于其他两种样品，其中壬酸的OAV最高（34）。因此，由于三种样品的浓度明显不同，这四种酸可以被认为是高油酸菜籽油中产生汗味和酸败味的关键芳香化合物。

表5 煎炸油样品中香气活性化合物的浓度和气味活性值Table 5 Concentrations and odor activity values of aroma-active compounds in frying oil samples

薯条中香气活性化合物的浓度和气味活性值如表6所示，一些香气活性化合物，例如。3-甲硫基丙醛，2-乙基-3,5-二甲基吡嗪，2,5-二甲基-4-羟基-3(2H)-呋喃酮，苯乙醛和2-甲基丁醛是由美拉德反应产生的，在三个薯条样品中存在高浓度和 OAV值。这些化合物的高含量与先前研究的结果一致[22,25]。其中，与 FF1和FF2相比，FF3中苯乙醛的浓度和OAV最高。苯乙醛在低浓度下具有一定的青草味，但在较高浓度下产生了陈旧/纸板气味[26]，这引起了 FF3中的陈腐气味。Zamora等[27]进行的研究报道了不饱和醛（2,4-癸二烯醛、4,5-环氧-2-癸烯醛）的脂质氧化可将苯丙氨酸降解为相应的 Strecker醛，即苯乙醛。因此，我们可以推测，这些不饱和醛可能会诱导更多的苯乙醛产生。此外，对于醛的脂质氧化，FF2中具有理想油炸气味的(E,E)-2,4-癸二烯醛最高，从而获得了较高的感官评分。饱和醛（己醛、辛醛和壬醛）的浓度和 OAV随煎炸时间的增加而增加，FF3与FF1和FF2相比，这些饱和醛的浓度和OAV较高。它们的高浓度可能导致FF3具有更高的脂肪和酸败味。此外，FF3中的反式-4,5-环氧-(E)-2-癸烯醛表现出较高的浓度，导致 FF3中具有更多的金属气味。此外，在FF3中己酸和庚酸（均有汗味和酸败味）浓度比FF1和FF2高，而FF3中的壬酸表现出最高的OAV（OAV=124），这与AEDA的结果是一致的。因此，这些酸的上升导致了FF3的酸味。然而，AEDA和OAV的结果在(E)-2-十一稀和 2,5-二甲基吡嗪这几种物质上面不一致，它们表现出较高的FD因子值（64），但OAV较低。此外，2-乙基-3,5-二甲基吡嗪、己醛和壬酸在薯条中的FD值较低（≤16），OAV较高。

表6 薯条中香气活性化合物的浓度和气味活性值Table 6 Concentrations and odor activity values of aroma-active compounds in French fries

3 结论

在连续使用高油酸菜籽油的过程中，薯条风味的发展经历了三个明显的阶段（诱导，最佳，降解）。在第一煎炸阶段（总极性组分含量3.0%～8.0%）中，薯条的风味得到改善，下一阶段（总极性组分含量 8.0%～20%）则表现出较高的风味评分，最后阶段（总极性组分含量高于22%），风味评分的可接受度逐渐降低。分子感官科学分析表明，RO3和FF3中令人不快的恶臭味主要来源于新产生的酸，即己酸、庚酸和壬酸。此外，少量饱和醛（脂肪气味）和苯乙醛（陈腐气味）的增加也可能导致较低的感官评分。因此，为优化煎炸操作，必须尽可能地使油保持在最佳阶段内，并限制异味物质的产生。

致谢：这项工作得到了国家食品科学技术一级学科计划（JU FSTR20180202）、江苏省研究生研究与实践创新计划（KYCX20_1852）、国家自然科学基金（3191728）、江苏省博士后科研基金计划项目（2020Z297）的资助。