食品风味物质合成机理及检测方法研究进展
食品风味物质合成机理及检测方法研究进展
风味物质是影响食物风味和口感的主要物质，是判断食品品质的重要指标。本文综述了多种食品关键风味物质成分组成及其合成机理，包括水果、蔬菜、谷物、酒类等，并对现有食品风味主要检测方法的原理、应用范围、主要优缺点和研究进展进行总结，最后阐述风味物质在食品加工中的应用和前景，以期为未来风味物质的研究提供一定理论参考。
食品风味定义
食品风味是大脑中多种感官感受器协同产生的一种综合性响应，一般包括滋味和气味两方面，可以对食品的品质等特性做出快速、直观的初步判断。食品风味在决定食品市场价值和消费者满意度中起主导作用，随着社会生产力和人们对日常生活中饮食要求的不断提高，人们对食品风味品质的需求也随之提升，故而对食品风味品质的研究成为近年来食品科学的重要方向。现如今，分析风味物质的技术多为模拟人的嗅觉系统，如图1所示。
风味物质是影响食物风味和口感的主要物质，是判断食品品质的重要指标，对风味物质的化学组成进行研究可促进食品风味及口感的优化。挥发性风味物质主要为有机酸、酯类、醛类和挥发性酚类等，不同食品主要风味物质的组成也不尽相同，表1列举了部分食品的风味物质组成情况。
食品风味物质合成机理
食品中风味物质是以脂肪酸、碳水化合物和氨基酸等为前体物质进行的多种代谢过程反应生成的产物。水果成熟过程中形成的风味物质及代谢过程如图2所示。
水果成熟过程中由于各种生理生化反应和结构变化，使水果风味特性有所不同，对其差异性进行分析、鉴定，并比较不同品种、不同成熟度水果中的关键挥发性风味物质，总结其合成途径，为风味物质的实验研究提供理论依据。以亚油酸和亚麻酸为前体物质产生酯类、萜类、酮类、挥发性酸类及C 6 ～C 9 的醛类和醇类等是水果形成风味物质的主要途径。
蔬菜中的风味物质是由酯类、醛类、酮类、醇类、萜烯类及含硫化合物等不同挥发性成分组成的混合物，其中芳香气味的化学物质共同作用使之散发出蔬菜特有的香味，其风味物质生成的主要代谢途径如图3所示。
研究蔬菜的风味物质成分不仅有助于了解蔬菜生长过程中的物质代谢、生长环境等对风味物质的种类及含量的影响，而且能够探究影响感官品质的内在因素，进而可以进行不同类别食品的识别、分类、加工优化和保质期评估等，对提升食品质量和优化加工工艺都具有十分重要的意义。
2.1 脂肪酸代谢
脂肪酸代谢形成果蔬香气物质的生物合成途径如图4所示。
目前认为，脂肪酸代谢可产生食品风味物质中的直链脂肪族醇、醛、酮和酯类物质，脂肪酸代谢形成风味物质主要通过脂肪酸α-氧化、β-氧化及LOX途径。
2.1.1 脂肪酸α-氧化
脂肪酸α-氧化是脂肪酸过氧化物酶催化长链脂肪酸的α-碳原子氧化脱羧生成醛基的过程。一分子长链脂肪酸通过一系列的变化后，氧化产生一分子CO 2 和相应的醛，再生成比原长链脂肪酸少1 个碳原子的脂肪酸，生成的脂肪酸仍然进入上述途径进行氧化脱羧等反应，再一次进入α-氧化过程，如图5所示，在此过程中生成醛类和酯类等风味物质。
当α-氧化使长链脂肪酸拆解为C 12 以下的脂肪酸时，α-氧化酶体系的活性减弱或消失，C 12 以下的脂肪酸即可进入其他氧化途径（如β-氧化）进行代谢。与β-氧化相比，α-氧化较少见。
2.1.2 脂肪酸β-氧化
脂肪酸β-氧化是在一系列酶的作用下，脂肪酸在α-碳原子和β-碳原子之间断裂，生成乙酰辅酶A，并拆解掉2 个碳原子形成脂酰辅酶A，在酯交换反应前将其还原为相应醇的过程，如图6所示。脂肪酸β-氧化过程可概括为活化、转移、β-氧化及最后的三羧酸循环。
研究证明，桃中青草香的挥发性物质源于戊醛、庚烯醛等六碳化合物，此类化合物的合成是以脂肪酸为前体物质，经α-氧化和β-氧化等逐步氧化、裂解和还原形成。葡萄中的乙酸乙酯、梨中的癸二烯酸酯及杏、桃等其他水果在成熟时产生的令人愉悦的果香成分，多由脂肪酸经β-氧化途径衍生的中碳链化合物形成。
2.1.3 LOX途径
LOX可专一催化含有(顺,顺)-1,4-戊二烯结构的多元不饱和脂肪酸的加氧反应，产生风味物质。Arora等发现LOX使多元不饱和脂肪酸发生酶促氧化，生成含有共轭双键的多元不饱和脂肪酸氢过氧化物，在氢过氧化物裂解酶（HPL）的进一步作用下，产生不同的挥发性风味物质，过程如图7所示。
研究表明，番茄果实中C 5 香气物质的形成可能是LOX参与的结果。鲜食糯玉米的主要挥发性风味成分是由LOX途径产生的小分子醛、醇类物质。此外，LOX也参与水稻、花生、黄瓜、苹果、桃等植物风味物质的形成。
2.2 氨基酸代谢
低碳原子数的醇、醛、酸、酯等一系列有机化合物和芳香化合物是各种水果和蔬菜中的主要风味物质，多为氨基酸通过转氨酶、脱羧酶、脱氢酶和酯合酶等合成，代谢途径如图8所示。
氨基酸代谢可在植物体内转化为挥发性酚、醚和某些含芳香环的化合物及支链脂肪醇、醛、酮和酯类化合物。此外，半胱氨酸、甲硫氨酸及其衍生物通过生物合成途径形成葱属中以S-氧化硫代丙醛、二烯丙基硫代亚磺酸酯、香菇酸及甲硫醚等为主的含硫化合物。
2.3 碳水化合物代谢
碳水化合物的代谢可形成几乎所有的风味前体物质，同时也可直接形成少数风味物质成分。单糖经糖酵解（EMP）途径生成丙酮酸后，再经脱氢酶作用生成乙酰辅酶A，然后分别经酰基转移酶和还原酶作用生成乙酸某酯和某酸乙酯，如图9所示。
可溶性糖类经碳水化合物代谢形成植物生长过程中的风味物质，也可为植物进一步的合成代谢提供最佳条件，产物羟甲基糠醛的含量与果蔬的风味密切相关。综上所述，风味物质含量和糖分含量影响果实的风味品质，此外，碳水化合物次生代谢途径可产生大部分果实中的挥发性香气物质成分。
2.4 其他代谢途径
除上述主要代谢途径外，其他代谢途径也可产生风味物质，例如，生成萜类物质的甲羟基戊酸（MVA）途径及生成萜类物质和类胡萝卜衍生物的甲基赤藓糖醇磷酸（MEP）途径等，其代谢途径及产物如图10所示。
2 种代谢途径前体物质、酶及反应所在的亚细胞空间位置有明显差异，但在反应过程中都生成了IPP及其异构体DMAPP。MVA途径生成倍半烯（C15）和三萜（C30）；MEP途径则生成单萜（C10）、二萜（C20）、四萜（C40）和挥发性类胡萝卜素衍生物。目前已发现40000 种不同结构的萜类物质，是天然产物中种类最多的一类。柑橘类水果的主要香气物质为萜烯类物质柠檬烯。
食品风味物质检测方法
在食品风味物质的分析过程中，样品前处理、分析温度及检测速度对其分析结果的准确性尤为重要。随着现代仪器分析技术的不断发展，目前常用的分析技术主要为GC及其联用技术，包括GC-离子迁移谱（GC-IMS）、全二维GC-MS联用（GC×GC-qMS）、GC-O-MS技术。LC及其联用技术和电子鼻分析技术也是常用的风味物质分析技术。
3.1 GC及其联用技术
GC-MS技术是目前应用最广泛的风味检测技术，其原理是利用GC法进行样品分离，MS法进行样品鉴定。GC-MS更适合检测沸点较低的成分，如呈现麦香风味的吡嗪类物质，其优点是可以在复杂组分中区分和鉴别不同物质，缺点是预处理较复杂，难以满足分析物的快速检测要求。固相微萃取与GC-MS联用可应用于饮料、果蔬、肉制品和烘焙食品等挥发性风味物质的检测分析。
GC-IMS多用于食品风味物质分析，将样品中的挥发性成分经色谱柱预分离后直接洗脱至IMS电离室进行离子迁移分析。该技术将GC的高分离性与IMS的高灵敏度结合起来，实现了优势相互叠加的分析效果，预处理不需要冷凝，可以在常压、低温条件下分析样品，最大程度保留样品中的风味物质。因此，该方法具有灵敏度高、选择性广、操作简单、检测高效等诸多优点。GC×GC-qMS在前期分离阶段经第1根柱子分离后进行浓缩聚集，以周期性的脉冲形式释放到第2根柱子进行继续分离，最后进入色谱检测器，在一维GC的基础上对挥发性物质进行二次分离，达到正交分离的效果，具有高灵敏度、高峰容量和高分辨率，适用于挥发性物质的定性表征，是一种快速、简便的挥发性风味物质检测技术。GC-O-MS是将GC-MS技术的高效分离能力与电子鼻技术的嗅闻能力联合使用，用于鉴别食品中挥发性物质的呈香特性。GC及其衍生技术在食品风味检测中的应用如表2所示。
3.2 LC及其联用技术
LC-MS是在气态中根据质荷比的不同将其分离并进行检测的仪器，通常用于分析小分子质量的非挥发性化合物；UPLC-MS/MS以LC作为分离系统，MS为检测系统，将离子碎片按质量分开，经检测器得到MS图。UPLC-MS/MS具有高选择性、高灵敏度及结构信息检测完整性的优点，适合检测啤酒中高沸点的化合物，应用主要集中在食品安全领域；高效液相色谱（HPLC）法在经典LC法的基础上提高柱效，采用高压输送流动相的技术，应用范围广，适用性强，不受分析对象挥发性和热稳定性的限制，可同时测定多种糖组分，已经各类果实风味物质检测中有所应用；也可检测挥发性酸类化合物。
3.3 电子鼻分析技术
电子鼻使用由不同特定传感器组成的传感器阵列模拟人类的嗅觉系统，可以对气味样本中存在的大多数挥发性化合物做出反应。电子鼻包括传感器阵列、数据预处理和模式识别3 个部分。当传感器检测到在其阈值范围内的气味时，就会形成与浓度相关的电信号，并将其发送到电子面板进行分析。优点是所需样本量小，分析速度快；缺点是很难对食品样品中存在的单个化合物进行识别或定量。
风味物质检测在食品中的应用
食品风味物质检测越来越广泛地应用于食品科学领域，既可以用于食品地理标志的识别、分类、掺假检测、保质期评估和加工流程优化等过程，又可以为食品新鲜度的鉴定、生产过程质量的控制和产品定级等方面提供重要依据。
4.1 风味物质的检测
指纹分析是一类基于食品的某种品质特性，获取一系列数据资料，建立指纹模型，最终进行统计和分类的技术，具有快速、准确、灵敏的特点，将成为食品风味物质分析研究领域的趋势。于怀智等采用GC-IMS技术分析水蜜桃的风味物质，结果表明，不同产地水蜜桃中均含有大量酯类物质，包括乙酸乙酯、乙酸丁酯和乙酸戊酯等，其种类大致相同，含量不同。
4.2 鉴伪
采用不同检测技术测定不同样品的风味物质，对比指纹图谱，寻找特征差异成分，从而实现食品样品的鉴伪。甘国璇等研究发现，不同超高压杀菌条件下获得的沃柑汁指纹图谱中，乙酸异戊酯、己醛、2-庚酮、(Z)-3-己烯醇、α-蒎烯、乙酸乙酯、庚醛和正己醇属于潜在差异标志物，其中庚醛和正己醇可认为是鉴别超高压杀菌沃柑汁与非杀菌沃柑汁的理想标志物。
4.3 质量控制
分析样品的风味物质组成，建立指纹图谱并进行相似度评价，进一步通过层次聚类分析和正交偏最小二乘法-判别分析，对不同等级的样品进行分类和鉴别。Alves等分析啤酒在5 个酿造流程中的挥发性指纹图谱，发现醛和呋喃是麦芽汁制备过程中占主导地位的挥发性风味物质，而脂肪酸酯和醇是后续流程中的主要挥发性风味物质。
结语
随着气候问题凸显，伴随着资源耗竭、人口增长、食物浪费与人们日益增长的对美好生活的向往，食品领域未来发展面临着严峻的挑战，与此同时，对食品科技的创新发展提出更高的要求。风味是食品品质的基本属性之一，是影响消费者喜好的关键因素。在食品风味物质领域飞速发展的同时，仍有一些问题有待解决：1）基于GC-IMS和代谢组学技术建立的鉴伪方法受到风味和代谢产物数据库的限制，因此有一部分风味成分和特征代谢产物无法被鉴定，影响鉴伪的准确度；2）基于目前技术可以建立果汁的定性鉴伪方法，有关果汁的定量鉴伪方法仍是本领域的难点和热点，需要进一步研究果汁的定量研究方法；3）传统的化学计量或统计方法在处理和分析数据时，校正模型的效果又会受到噪声、样本多样性和数据复杂性的影响。如今，机器学习技术由于具有强大的处理非线性信息、提取特征变量和建立校正模型的能力而广泛应用在食品的各个领域。因此，将机器学习技术结合无损检测技术应用到食品鉴伪领域是未来的发展方向。
本文《食品风味物质合成机理及检测方法研究进展》来源于《食品科学》2024年45卷16期329-336页。作者：吴鸣、吴浚滢、范琦琦、张光、刘晓飞、张娜。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20230606-049。点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。