北京工商大学刘野教授等：核桃油风味品质提升技术研究进展

我国植物油料资源十分丰富,其中核桃是最为常见的木本油料来源之一,其含油量在所有木本油料中最高。核桃油的营养价值较高,其中不饱和脂肪酸总量占总脂肪酸含量的90%左右,以亚油酸和亚麻酸等人体必需脂肪酸为主,核桃油中还富含酚类和甾醇类等多种活性成分,这些物质赋予了核桃油显著的抗氧化、增强免疫力、延缓衰老、调节人体胆固醇、促进视网膜发育等功效。

相较于花生油、菜籽油等发展较为成熟的油品,目前我国核桃油加工水平较低,核桃油产品结构单一,大都是通过压榨法制取的热榨核桃油和冷榨核桃油。不同的制油工艺会导致核桃油在风味品质上存在差异,热榨加工会导致核桃蛋白变性和溶解度降低,从而限制核桃蛋白的利用,冷榨核桃油存在风味寡淡的问题,限制了核桃油市场发展。

目前核桃油的提取方法包括超临界CO₂提取法、有机溶液浸出法、超声波辅助提取法、水酶法、压榨法^[1]。核桃仁是含油量极高的特种油料,富含不饱和脂肪酸、生育酚等多种营养成分,压榨法在核桃油的制取过程中,避免了与有机溶剂的直接接触,降低了油脂中的溶剂残留,并减少了营养成分和风味的损失,最大限度保留核桃油中独特的香气^[2],因此,本研究重点综述压榨法提取核桃油的工艺,工艺流程见图1^[3]。

图1 热榨和冷榨核桃油的制备工艺流程

Fig.1 Preparation process of hot and cold pressed walnut oil

1.1 热榨核桃油

现阶段热榨法制取核桃油的工艺首先是将核桃精选、去壳、破碎后得到核桃仁,将核桃仁高温加热处理,使油料内部发生美拉德反应和油脂氧化反应,再经过螺旋压榨机进行榨油,过滤后得到热榨核桃油^[4]。热榨法制取核桃油经过了一定的加热工艺,炒料过程中发生的美拉德反应生成了芳香类化合物,使核桃油获得浓郁的风味,但高温处理使得核桃粕中蛋白质严重变性和破坏,仅能作为饲料工业的蛋白源,附加值较低^[5]。

1.2 冷榨核桃油

冷榨核桃油在制备过程中使用了低温冷榨工序,去皮后直接送入低温压榨机进行榨油,降低了由于油温过高导致的蛋白质等功能性物质的损失,使油料中的维生素E、A以及其他脂溶性的营养物质都得以保存,并且冷榨核桃粕的溶解性、乳化性和吸水性均优于热榨核桃粕,具有更好的加工特性^[6]。同时,由于冷榨制油工艺污染量相对较小,具有绿色环保、操作简便、投入较小、造价低廉的特点^[7]。

冷榨法作为一种传统制油工艺,油料不经过明火烹炒,直接进行压榨生产核桃油,通过低温压榨工艺制取的核桃油色泽较好,最大限度地保留了核桃中原有的营养物质,同时获得了低变性的核桃粕,再利用性更高,因此冷榨法更适用于高品质核桃油的制取^[8-10]。但冷榨法制取得到的核桃油风味较为寡淡,无法满足人们对核桃油的风味需求,现阶段冷榨核桃油的风味品质提升是行业内重点关注的内容。

分析核桃油关键风味成分的一般流程是:1)核桃油中风味成分提取,2)风味活性成分鉴定,3)缺失重组实验确定核桃油关键风味成分,具体分析流程见表1^[34-40]。

表1 2种压榨核桃油的风味成分分析方法

Tab.1 Analysis process of flavor components in walnut oil

2.1 风味成分提取

核桃油挥发性风味成分分析,通常先将油样的风味组分进行富集,随后经气相色谱-质谱(GC-MS)联用对收集起来的风味物质进行分析检测。Torres等^[11]利用固相微萃取-气相色谱质谱联用技术(SPME-GC-MS)对3个品种的冷榨核桃油中挥发性成分进行测定,所有品种核桃油中的挥发性成分以醛类和烃类为主,其中正戊烷的含量(8.84%～19.46%)最高,其次是(E,E)-2,4-癸二烯醛和壬醛。Kalogiouri等^[12]利用顶空固相微萃取气质联用技术(HS-SPME-GC-MS)对市面上冷榨核桃油的挥发性物质进行分析测定,检测到的主要挥发性物质为醛类,其次为酮类和醇类,其中醛类物质含量最高的是己醛。Bail等^[13]通过SPME-GC-MS检测不同工艺条件下的热榨核桃油,发现所有核桃油中检测到的挥发性化合物都是典型的焙烧反应产物,分别是糠醛(1.3%～12.5%)、甲基-吡嗪(0.6%～1.8%)、二甲基-吡嗪(0.3%～2.2%)。

2.2 风味活性成分鉴定

核桃油中风味活性成分的鉴定是在挥发性风味成分分析的基础上,对提取后检测出的风味组分进行进一步的分析测定。王勇^[14]利用HS-SPME-GC-MS结合相对气味活度值(ROAV)对市售冷榨核桃油的香气成分进行了分析,测出9种香气成分,分别为(E,E)-2,4-癸二烯醛、1-辛烯-3-醇、己醛、壬醛、2-辛烯醛、辛醛、(E)-2-癸烯醛、(E)-2-庚烯醛、2-戊基呋喃。贾潇等^[15]通过溶剂辅助蒸发萃取(SAFE)和顶空固相微萃取(HS-SPME)分别提取热榨核桃油中的挥发性成分,再经芳香提取物稀释分析(AEDA)确定风味活性成分,其中热榨核桃油经过SAFE提取得到40种风味化合物;(E,E)-2,4-庚二烯醛、苯甲醛、癸醛、辛酸、壬酸、2-乙基-5-甲基吡嗪、2-戊基呋喃、萘和愈创木酚对核桃油特殊气味贡献最大,其香气稀释因子FD均为81;而冷榨核桃油通过HS-SPME提取到了26种风味化合物,其中含量较高的化合物为己醛、糠醛、乙酸和2-甲基吡嗪。李欢康等^[16]利用顶空气相色谱-质谱(HS-GC-MS)测定分析了核桃油中的挥发性物质,冷榨和热榨核桃油分别测得43种和62种挥发性物质,冷榨核桃油中挥发性物质含量较高的是(E)-2-庚烯醛、正己醛和(Z)-2-辛烯;结合ROAV和主成分分析(PCA),确定了壬醛、(E)-2-壬醛、(E,E)-2,4-癸二烯醛和1-辛烯-3-醇是热榨核桃油中的风味活性成分。

2.3 关键风味成分鉴定

因为工艺程序的不同,热榨核桃油和冷榨核桃油在风味成分上略有差异。为进一步鉴定和区别热榨核桃油和冷榨核桃油中的关键风味成分,还需要进行缺失、重组实验。Xu等^[17]采用二维气相色谱-嗅觉-质谱联用技术(GC×GC-O-MS)和顶空-气相色谱-离子迁移谱联用技术(HS-GC-IMS)分析冷榨核桃油和热榨核桃油的香气成分,通过FD值、气味活性值(OAV)和重组实验,发现1-辛烯-3-醇、环己醇和苯甲醛是冷榨核桃油的关键风味化合物,而3-甲基丁醛、(E,E)-2,4-壬二烯醛、壬醛、1-辛烯-3-醇、3-戊醇、1-辛醇、糠醛是热榨核桃油的关键风味成分。

不同植物油中的挥发性成分差异很大,但其形成途径有一些共同的特点^[18-20]。在植物油的香气化合物中,有些是植物油料内源性的,它们是在种子或果实的萌发和生长过程中形成的,并在提取过程中直接转移到油中,而大部分香气化合物是在加工过程中产生的。这类挥发性化合物的产生有多种途径,包括压榨过程中的美拉德反应、Strecker降解和加热过程中其他化合物的热降解。可通过了解香气化合物生成反应机制和原理,开发品质提升方法,从而达到提升植物油风味品质的目的^[21-22]。

对于提升热榨核桃油的风味品质,最为常见的方法是把控工艺流程参数^[23]。适宜的加热工艺条件可使核桃油产生浓郁的风味,但温度过高、时间过长会使核桃油产生明显的焦煳味,影响口感,同时造成核桃油颜色过深、过氧化值上升和维生素E流失,影响核桃油产品的品质。张向杰等^[24]对比了不同加热时间和温度对核桃油色泽、酸价、过氧化值和脂肪酸的影响,发现加热烘烤温度120～140 ℃、加热时间30～40 min时得到的产品风味口感最佳,产品的感官评价得分最高。

虽然热榨过程经过蒸炒,核桃油能生成特殊风味物质,但其加热时间长、温度高,很可能造成蛋白质的严重变性,从而给油粕的综合利用带来困难,还会产生某些影响核桃油风味品质的物质^[25]。而对于附加值较高的核桃产品来说,低温冷榨法更适用于核桃油的制取。不同于传统热榨法,冷榨核桃油没有经过高温焙炒过程,没有发生美拉德反应,气味和口感上没有热榨油浓郁,因此,现有工艺下的冷榨核桃油存在风味寡淡的问题^[26-27]。原料预处理、浸出法和酶解法等冷榨油增香技术可以用于提升冷榨核桃油风味品质。

3.1 原料预处理增香技术

为了让冷榨核桃油获得良好的风味,最为常见的手段是先将核桃仁进行加热预处理,其本身所含的蛋白质、碳水化合物、油脂等在高温有氧的条件下会发生美拉德反应和油脂氧化反应,生成的挥发性产物和非挥发性产物对核桃油的风味和品质有着重要影响^[28]。

目前较为常见的加热前处理方式有微波加热和烘焙加热2种。微波加热是一种新型的原料预处理方式,微波渗透到油籽内部时,电磁场与油籽成分相互作用,使热量直接到达油籽内部,降低了热传递阻力,避免了油料中心温度过高造成营养物质的损失^[29]。同时微波预处理可增加吡嗪类、呋喃类、吡咯类等挥发性化合物的生成,使所得油脂具有良好的风味^[30]。Zhou等^[31]通过微波预处理改善核桃油的风味和氧化稳定性,证实了微波预处理可以有效地生成2-甲基吡嗪、2,5-二甲基吡嗪、2-乙基吡嗪等吡嗪类化合物,处理2 min便可以产生典型的烘焙味。且核桃油中吡嗪的含量与微波处理强度呈正相关,当核桃在2 450 MHz频率和600 W功率下微波处理超过2 min时,会感觉到明显的烘烤气味。

烘焙加热预处理会让油籽在后续提油过程中产生更多挥发性化合物。醛类和醇类物质是未焙烤或轻度焙烤后植物油中的主要挥发性化合物,由脂质分解和Strecker降解过程产生^[32]。Strecker降解反应即氨基酸与二羰基化合物反应时,氨基酸脱氧脱羧生成比原来氨基酸少一个碳原子的氨基酮,氨基与二羰基化合物结合并缩合成吡嗪类物质(图2)。随着加热温度的增加,核桃油料中部分挥发性醛类和醇类的挥发浓度降低,而N-杂环化合物则因Strecker降解而增加,有助于具有烘烤味、坚果味和芳香味等特征风味的挥发性物质的生成^[33]。Bi等^[34]将核桃在130 ℃下烘烤10、20、30 min,随后将烘烤后的核桃仁送入榨油机压榨,对得到的核桃油进行HS-SPME-GC-MS和GC-O分析,共检测出挥发性化合物71种,鉴定出香气化合物17种,证明了烘焙预处理能有效促进核桃油中醛类和吡嗪类香气化合物的生成。可见核桃原料的加热预处理对核桃油风味化合物变化有着很大的影响^[35]。

图2 Strecker降解生成吡嗪类物质

Fig.2 Pyrazines formation by Strecker degradation

原料预处理增香技术被广泛应用于油脂加工中,其目的是提高油脂的提取效率,提高营养价值和稳定性,微波加热和烘焙工艺手段会产生更多关键的芳香活性化合物,并使核桃油具有独特的坚果味、烘焙味和焦糖味,提高消费者的接受度^[36-37]。但在热处理过程中也应该注意到一些缺点,例如会导致一些有害化合物的产生,如多环芳香烃和丙烯酰胺^[38]。经过热处理的油料中有害物质的含量高于原本油料中有害物质的含量,因此,还需要对增香型核桃油中的有害物质进行健康风险评估。

3.2 浸出法增香技术

在植物油压榨制作过程中,由于油料油粕中还原糖的羰基和氨基酸的氨基在一定条件下发生美拉德反应而产生香味,因此,榨油后剩下的压榨饼粕一般都具有一定的香味,并且压榨饼粕还会有发生美拉德反应而发香的潜力。浸出法增香技术便是利用压榨后的油粕经过烹炒后与植物油充分混合一定时间,使油粕里残留的香气物质浸出到植物油中,得到增香植物油。现阶段此方法在植物油增香方面的应用范围较小,张春丽^[39]将压榨后的油茶饼粕粉碎至一定细度,随后在电磁锅中进行加热炒料,将翻炒好的油茶饼料粉与茶籽油按照一定料液比进行混合,密封静置一段时间后离心得到增香后的茶籽油,并对此浸出法增香工艺进行了正交试验和方差分析,通过感官评定实验确定了增香工艺的最优增香条件:油茶饼粕粉碎粒度为80目,炒料温度85 ℃,浸泡时间3.5 h,料液比(g/L)1∶5。

目前,浸出法增香技术应用范围较小,局限在于提取油料的香味物质时可能存在一定的损失,无法完全提取风味物质,尤其是对于那些难以溶解或与其他成分相互结合较紧密的挥发性化合物,并且浸出法增香技术通常需要较长的提取时间和大量的溶剂,这可能导致资源消耗和工艺成本的增加。尽管浸出法增香技术存在一些局限性,但其在茶籽油上的应用可为核桃油增香开辟新的思路途径,初榨后的核桃粕经过炒料后与冷榨核桃油进行混合,从而改善冷榨核桃油风味寡淡的瓶颈问题。

3.3 酶解法增香技术

酶解法增香技术是先将核桃粕进行酶解,通过酶解液中的氨基酸与外源还原糖发生美拉德反应,再用冷榨油萃取美拉德反应核桃风味料中的香气物质,达到增香植物油的目的。为更好地获得高品质的增香核桃油,选择合适的核桃粕进行酶解是极为关键的步骤。核桃粕是以核桃为原材料,在经过机械榨取之后所获得的副产品。对于不同的压榨工艺,所得到的核桃粕存在差异,相对于通过热榨工艺制油而获得的核桃粕,冷榨工艺制油得到的核桃粕蛋白质变性程度小,同时也在一定程度上避免了热榨过程中高温导致的油脂、蛋白质、类脂类物质破坏,从而最大限度地保护了核桃油中的有效营养物质,开发利用冷榨核桃粕^[40]成为了提升核桃油风味品质的发展方向。现有冷榨工艺下的核桃粕残油比例比较高,一般冷榨饼的残油比例为12%～20%,是传统热榨饼的2～3倍^[28],所以冷榨核桃粕更具有加工特性,可通过再次利用核桃粕中残留的蛋白质,提升冷榨核桃油的风味品质。

酶解法增香技术首先需要对核桃粕进行充分的酶解,关于核桃粕的酶解工艺的优化,刘猛等^[41]通过碱性蛋白酶对核桃粕进行酶解,研究pH值、酶解时间、料液比这3个方面对蛋白质提取率的影响,得出酶解条件中pH值对酶解效果影响最大,酶解时间的影响最小,通过实验确定了碱性蛋白酶酶解核桃粕的最佳酶解条件为pH 值为9.0、酶解温度45 ℃、酶解时间55 min、料液比(g/mL)1∶13。Mohgadam等^[42]通过胰蛋白酶水解核桃粕,发现胰蛋白酶介导的水解显著提高了核桃蛋白的溶解度、表面活性、发泡乳化性和抗氧化能力。

酶解法增香技术的关键在于核桃粕酶解液中的氨基酸和外源还原糖发生美拉德反应,通过冷榨核桃油萃取美拉德反应核桃风味料,强化冷榨核桃油的香味,解决冷榨油的风味寡淡问题。核桃粕酶解液中的氨基酸与还原糖经过加热反应,发生Strecker降解,大量吡嗪类物质生成^[43],从而得到具有强烈烘焙风味的美拉德反应核桃风味料。并且核桃富含多种不饱和脂肪酸,亚油酸和亚麻酸等脂肪酸在加热和氧化过程中会生成醛类、酯类等具有特殊香气的物质,从而达到增香的目的^[44]。核桃粕酶解液中的氨基酸和不同的葡萄糖在不同的反应温度、持续时间等环境条件下发生美拉德反应,能够有针对性地得到包括吡嗪类、吡咯类、呋喃类等各种香型的产品香味^[45],为提升冷榨核桃油风味品质提供更多的方法途径。

徐月华等^[46]利用核桃粕酶解液和还原糖的美拉德反应模拟热榨核桃油风味,在核桃粕酶解液中添加葡萄糖,使其中氨基酸态氮与还原糖摩尔比为1∶15,在140 ℃条件下加热90 min后得到美拉德反应核桃风味料,再向反应液中加入5 mL冷榨核桃油混合后离心分离得到具有浓香风味的核桃油样。通过GC-MS分析,增香型核桃油中检测出挥发性物质共42种,其中包括热榨核桃油的重要风味物质,如2,6-二甲基吡嗪、2,5-二甲基吡嗪等12种吡嗪类物质,占总挥发物含量的69.97%,且吡嗪类物质的总峰面积约为热榨核桃油的29倍。改进增香工艺制取的核桃油通过GC-MS和电子鼻测定发现,增香核桃油在风味上更加接近热榨核桃油^[47]。此方法通过使核桃粕酶解液和还原糖发生美拉德反应,利用得到的美拉德反应核桃风味料强化冷榨核桃油的香味,用于解决冷榨核桃油的风味寡淡的瓶颈问题,为提升冷榨核桃油风味品质提供了新方法。

图3为3种冷榨核桃油增香技术的工艺流程。相比较原料预处理和浸出法增香技术,酶解法增香技术能够更好地解决冷榨核桃油风味寡淡的瓶颈问题,获得的增香型核桃油的风味特征更加接近于热榨核桃油。此增香技术的关键就是对于美拉德反应的应用,其中还原糖会影响美拉德反应的速率和产物的生成^[48]。此外,美拉德反应和Strecker降解容易受到油料初始含水量、pH值、加热方式、时间和温度以及原料成分和微观结构等因素的影响。在简化模型体系中美拉德反应和Strecker降解的机理和过程已经得到了很好的研究^[49],但这些结果很难直接应用于像核桃这样的复杂食品体系中,不同的增香技术针对不同类型油料的工艺技术还需要进一步优化和完善,以调节其风味和感官品质。

图3 冷榨核桃油风味品质提升方法

Fig.3 Methods for improving flavor quality of cold-pressed walnut oil

我国核桃产量常年稳居世界第一,但在核桃油精深加工方面发展不够深入,核桃的精深加工产业仍需进一步发展。核桃油以其营养价值较高、延缓细胞老化、提高身体抵抗力等优点,越来越受到消费者的青睐。最为常见的核桃油制取工艺是机械压榨法,其中冷榨法制取的核桃油营养价值更高,市场应用前景更广阔,但是冷榨核桃油存在着风味寡淡的问题,限制了其产业发展。强化冷榨核桃油的香味,开发并应用增香技术成为了突破冷榨核桃油风味寡淡瓶颈的重要研究方向。目前冷榨核桃油增香技术主要包括原料预处理增香技术、浸出法增香技术和酶解法增香技术,但各自有相应的优缺点。原料预处理增香技术需要对加热温度和时间进行严格的把控,不合适的加热条件会使得油料原有的营养物质流失,氧化稳定性也会下降;浸出法增香技术在油粕粉与精炼油混合时可能会出现分层现象,需进一步研究此方法在核桃油增香上的可能性;酶解法增香技术通过酶解核桃粕,再次利用压榨制油副产物核桃粕中的蛋白质,然而,对于美拉德反应核桃风味料生香机理的研究还远远不足。本研究从核桃油原料、前处理方式和制油工艺3个方面分析了影响核桃油风味品质的相关因素,总结了现阶段增香技术,旨在解决冷榨核桃油风味寡淡的瓶颈问题。后续应在掌握核桃油生香机理的基础上,改进冷榨核桃油增香技术,以期获得风味品质更加独特的冷榨核桃油,推动核桃油产业的发展。