家用空气炸锅与油炸锅对无麸质豆类薯片中HMF及风味化合物的影响比较研究

本研究比较了空气炸锅与油炸锅两种家用烹饪方式对无麸质豆类薯片品质的影响，重点关注了5-羟甲基糠醛（HMF）生成量、风味化合物组成及感官特性。结果表明，空气炸锅制备的薯片脂肪含量显著降低（2.98% vs 22.62%），但HMF含量更高（7.54 ppm），且硬度更大（8187.8 g）。通过GC-MS鉴定出67种挥发性成分，包括苯系物、萜烯类及冠醚化合物。感官评价显示20%红豆粉替代的油炸薯片最受欢迎。研究为功能性无麸质食品开发提供了重要数据支撑。

　　

1 引言

小麦面粉中的麸质蛋白可能对乳糜泻、麸质共济失调和非乳糜泻麸质敏感人群产生不良影响。随着乳糜泻患者数量增加，无麸质产品需求日益增长。市售无麸质产品通常基于淀粉配方，易老化且营养含量低。在无麸质产品生产中，常使用无麸质谷物和豆类面粉，如大米、玉米、大豆、花生、鹰嘴豆粉，以及荞麦、藜麦、苋菜等类谷物产品。亲水胶体如瓜尔胶也常用于模拟麸质的流变特性。

豆类含有18%–35%蛋白质，是纤维、矿物质、维生素、氨基酸、多酚和生物活性肽的来源，脂肪和热量较低。菜豆（Phaseolus vulgaris L.）是最重要的豆类之一，蛋白质含量14%–33%，富含赖氨酸、苯丙氨酸和酪氨酸等氨基酸。红豆蛋白质含量约20%，其中三分之一为必需氨基酸，消化吸收率高。黑豆是蛋白质、膳食纤维、维生素和异黄酮、酚酸等生物活性化合物的极好来源。

不同热处理方式在改善产品感官特性的同时，也会导致一些不良热加工污染物的形成。消费者日益关注油炸食品的高脂肪含量，多家公司提出了旨在用可实现类似感官特性、更好营养品质和易用性的烹饪系统替代油炸的替代设备。近年来普及的快速气流技术（空气炸锅）可用于烹饪各种食品，该技术通过在烹饪室内循环过热空气，实现更均匀的温度分布。

美拉德反应的某些终产物可能具有毒性和致癌性，尤其存在于烘焙或油炸产品中。美拉德反应和脂质氧化共同作用形成大量挥发性化合物，如醛类、醇类、呋喃类和酮类。薯片风味不仅受原料类型影响，还受油炸油组成、温度和油炸时间的影响。

5-羟甲基糠醛（HMF）是食品热加工过程中产生的有毒物质，可能致癌或导致许多慢性疾病的发展。了解这些潜在风险因素的形成途径对于减少其在热加工食品中的出现至关重要。

2 材料与方法

2.1 材料

无麸质黑豆、红豆、玉米、大米和土豆粉、玉米淀粉和瓜尔胶从无麸质原料供应商（Ingro G?da, ?stanbul）获得，玉米油（Hüner Ya?, Adana）和盐（Billur Tuz, ?zmir）从土耳其Ayd?n当地市场购买。

2.2 方法

2.2.1 薯片生产

稍微修改Kaplan等人的方法生产薯片。除水和油外，将表中给出的成分混合5分钟以均质化。向均质的无麸质面粉混合物中加入50±5 mL饮用水和1.5 g玉米油（用于空气炸锅油炸），用搅拌机（Kiwi Mixer, KMX-3635, Türkiye）以第2档揉捏5分钟获得面团。将面团用保鲜膜包裹静置30分钟以确保所需水合作用。将静置后的面团用面团辊压装置（Tu?ra ?elik, P247895s8441, Türkiye）的第6档辊压至1 mm厚度，用5 cm直径模具切割并准备油炸。薯片在180°C的油炸锅（Philips Fryer, HD6151/80, The Netherlands）中油炸70秒，在空气炸锅（Philips Airfryer XXL, HD9650/90, The Netherlands）中使用移动应用程序（Philips NutriU app）中给出的马铃薯薯片配方在165°C下油炸10分钟。最后在室温下冷却并分3组平行分析。

2.2.2 理化分析

根据AOAC方法测定薯片的干物质（方法934.01）、灰分（方法942.05）和脂肪（方法954.02）含量。使用Hunter-Lab Mini Scan XE色度计（Reston, VA, USA）测定颜色值（L、a和b）。使用L、a和b颜色值，根据相对于对照薯片样品的公式计算总色差（?E）。使用公式计算褐变指数（BI）值。

使用质构分析仪（TA.XT2 Texture Analyzer）测定无麸质薯片的质地特性硬度值。使用P/2 2 mm圆柱形探头，分析前测试速度设置为2 mm/s，测试速度2 mm/s，测试后速度10 mm/s。触发力设置为30 g。

2.2.3 生物活性特性

为测定总酚含量和抗氧化活性制备提取物。首先，将4 g研磨样品与20 mL含HCl:甲醇:水（1:80:10, v/v/v）的酸化溶液在室温摇床水浴中保持2小时。以3000 rpm离心10分钟后，上清液用于分析。

分光光度法测定样品总酚含量。向0.1 mL样品中加入0.5 mL 10% Folin Ciocalteau试剂（v/v，水中）和1.5 mL 20%碳酸钠（v/v，水中）溶液，样品在室温黑暗条件下保持2小时。然后在分光光度计（Thermo Scientific Multiskan GO spectrophotometer, ThermoFisher Scientific）中于760 nm波长测量吸光度。结果以mg GAE/g表示。

抗氧化活性测量，首先制备DPPH储备溶液和工作溶液。然后向150 μL样品提取物中加入2850 μL DPPH工作溶液。将样品均匀混合并在室温黑暗条件下保持1小时。然后在分光光度计（Thermo Scientific Multiskan GO spectrophotometer, ThermoFisher Scientific, United States of America）中于515 nm波长测量吸光度。结果以μmol TE/100 g表示。

2.2.4 HMF分析

为测定HMF，取6.9 g样品并用蒸馏水稀释至50 mL。然后通过0.45-μm膜过滤器过滤以去除杂质。将样品注入HPLC设备（HPLC, Agilent Technologies, California/USA）。使用不同浓度HMF标准品制备的校准曲线定量测定样品中的HMF含量。流动相为80%蒸馏水和20%甲醇，流速1 mL/min。色谱分离在室温下在DAD检测器中285 nm波长进行。所用色谱柱特性：C18，粒径3 μm，柱长×内径；150×4.6 mm。

2.2.5 香气分析

采用固相微萃取（SPME）技术通过气相色谱-质谱联用（GC–MS）分析样品的挥发性成分。首先将2 g样品称入带隔膜帽的小瓶中，在40°C孵育30分钟以促进香气化合物从样品转移到周围介质。将DVB/CAR/PDMS纤维（65 μm, Supelco, Bellefonte PA/USA）引入小瓶顶空进行SPME，并在40°C保持额外30分钟。随后，将含有挥发性成分的纤维转移到GC–MS进样口。使用毛细管柱（Restek Rxi-5 ms, USA; 30 m×0.25 mm ID×0.25 μm）进行挥发性成分分析。进样口温度250°C，接口温度250°C，解吸时间3分钟。高纯度氦气为流动相。以不分流模式进样。GC柱温程序如下：起始50°C保持1分钟，然后以3°C/min升至200°C，再以8°C/min升至250°C，在250°C保持5分钟；MS扫描模式设置为35–450 m/z；电离能量70 eV。使用GC–MS上注册的库进行挥发性化合物鉴定。

2.2.6 感官分析

感官分析由58名年龄在18至44岁之间（15名男性和43名女性）且在感官评价方面半培训的研究人员进行。无麸质薯片用三位随机数字编码。样品以随机顺序在独立桌子的白色塑料盘上提供给小组成员。小组成员在测试每个样品前获得无盐面包和水以中和和漱口。要求小组成员在七点结构化量表（1=极度不喜欢；7=极度喜欢）上对味道、气味、颜色、脆度和整体喜好进行享乐评分。根据Ayd?n Adnan Menderes大学的伦理指南，本研究不需要伦理委员会批准。所有参与者在参与前均了解研究内容并同意。

2.3 统计分析

使用“Minitab 16统计程序”分析数据。使用ANOVA（单因素方差分析）和Tukey（多重比较检验）检验检测显著差异（α=0.05）。此外，为更好地理解热处理污染物的形成，对数据之间进行了Pearson相关分析。

3 结果与讨论

研究中使用的面粉的一些特性表明，由于膳食纤维含量高，红豆和黑豆粉的灰分含量高于其他面粉。玉米粉脂肪最丰富，而土豆粉最低。颜色特性方面，白色大米粉的L值最高，而黑豆粉因含有深色色素L值最低。考虑a和b值时，玉米粉给出了最高的红度和黄度值。

面粉的生物活性和毒理学特性显示，pH、总酚含量、抗氧化活性和HMF含量分别在以下范围内：6.23–7.18、0.17–0.99、0.16–0.22和0–10.43。红豆粉和玉米粉在总酚含量方面最丰富。尽管总酚物质含量不同，但面粉的抗氧化值未发现显著变化。分析面粉的毒理学特性时，发现HMF仅存在于豆粉中，其他面粉中太低无法检测到。

薯片的一些理化特性显示，无麸质薯片的干物质、灰分和脂肪含量（%）分别在96.96–99.80、2.62–4.58和2.92–24.23范围内。与热空气炸锅相比，油中深度油炸的薯片干物质和脂肪含量测量更高。灰分含量与一些研究一致，与一些研究不同。这些差异是由于研究中使用的配方不同。

红豆粉的pH值高于黑豆粉。这一结果在薯片中也观察到。无论是空气炸锅还是油炸锅制备的薯片，红豆粉制作的薯片pH值都高于黑豆粉制作的薯片。

薯片的硬度很重要，因为薯片应足够耐用，在到达消费者之前不会破裂，并且在咀嚼时应酥脆。随着豆粉替代量的增加，薯片的硬度值降低，并且在更高温度下进行的深度油炸过程导致硬度值降低。

薯片的颜色值显示，由于红豆和黑豆粉比制备对照薯片的无麸质面粉混合物颜色更深，豆粉替代薯片的L值较低。随着替代率的增加，这种下降变得更加显著。油炸薯片的L值低于热空气炸锅油炸的薯片。分析薯片的值时，观察到随着红豆粉替代而增加。b值随着替代率的增加而降低，在油炸薯片中更高。这些结果也得到了?E值的支持。随着替代率的增加和使用黑豆粉，?E值增加。

薯片的生物活性和毒理学特性显示，无麸质薯片的总酚含量和抗氧化活性值范围分别为0.16至0.46 mg GAE/100 g和0.16至0.29 μmol TE/100 g，低于烘烤小麦薯片、红高粱粉玉米零食以及绿橄榄鹰嘴豆和豆薯片报道的值。这些差异可能与过程和原料品种的差异有关。

据报道，马铃薯薯片生产中HMF和丙烯酰胺的形成呈正相关，HMF的存在和数量是丙烯酰胺含量的指标。从这个角度来看，HMF的检测在薯片生产中非常重要。此外，由于它是美拉德反应的主要中间体之一，并且与热处理的严重程度有关，因此它是一个质量指标。本研究薯片的HMF含量在6.02至8.99 ppm之间。热空气炸锅生产的薯片HMF含量高于油炸锅油炸的薯片。在热空气炸锅生产的薯片中，黑豆粉替代的薯片HMF含量高于红豆粉替代的薯片。这一结果也与原料的初始HMF含量一致。当分析原料时，可见黑豆粉比红豆粉含有更多HMF。HMF含量增加的豆粉在其替代品中未发生任何变化。

进行的Pearson相关分析结果表明，这些有毒化合物与其它参数之间存在显著相关性。HMF与灰分、硬度和总酚含量呈正相关，与干物质、脂肪、a、b、BI和pH呈负相关。pH与b颜色值和HMF之间存在强相关性。L与抗氧化活性和HMF之间未发现相关性。其他相关性在统计上显著但相关性不强。

热空气炸锅和油炸锅之间的关系显示，除?E外所有值在统计上均不同。由于油炸过程在更高温度下进行，颜色值存在显著差异。虽然L值降低，但a和b值以及BI增加。随着总酚含量和抗氧化活性的增加，硬度值降低。然而，HMF较低。已知美拉德反应中形成的类黑精具有抗氧化作用，因此认为空气炸锅制作的薯片HMF和抗氧化活性更高是因为空气炸锅的油炸时间更长。

薯片的挥发性成分谱显示，总共鉴定出67种不同的挥发性化合物。薯片的主要挥发性成分谱包括苯、1-甲基-3-(1-甲基乙基)-、苯、1,3-二甲基-、β-月桂烯、γ-松油烯、邻伞花烃、对伞花烃、邻二甲苯、对二甲苯、乙酸三氯甲基酯、乙酸三氯酐、18,18′-双-1,4,7,10,13,16-六氧杂环十九烷和1,4,7,10,13,16-六氧杂环十八烷。

在不同油炸过程中产生的不同挥发性化合物也被检测到。2-庚烯醛、(E)-、3,5-辛二烯-2-醇、苯、1,2-二氯-、糠醛、1-己醇、2-乙基-、苯甲醛、戊酸和苯乙醇在空气炸锅薯片中检测到，而双环[2.2.1]庚-2-烯、2,7,7-三甲基-、2H-螺[1-苯并呋喃-3,2′-[1,3]二氧戊环]-5-胺、4-氨基-5-咪唑甲酰胺、N,N,O-三(三甲基硅烷基)-、3,4-二羟基扁桃酸、4TMS衍生物、环己烯、1-甲基-5-(1-甲基乙烯基)-、1(3H)-异苯并呋喃酮、6-(二甲基氨基)-3,3-双[4-(二甲基氨基)苯基]-、环戊烯、1-乙烯基-3-亚甲基-、环丙烷、1,1-二甲基-2-(3-甲基-1,3-丁二烯基)-、1,2,4-三唑-4-胺、5-乙基-3-(3-甲基-5-苯基吡唑-1-基)-和1,3,5-环庚三烯、3,7,7-三甲基-在油炸薯片中发现。

空气炸锅生产的薯片共检测到57种不同的挥发性成分，油炸锅生产的薯片检测到46种不同的挥发性成分。

吡嗪是美拉德反应的典型产物。它们通常与积极的感官感知相关，如坚果味、棕色、烤制和烘烤味，但也与消极的感官感知相关，如生味和霉味。这些负面风味成分在无麸质豆薯片中未发现。用豆类替代马铃薯在这方面是积极的。

油炸风味源自(E,E)-2,4-癸二烯醛。这源于油炸油中最丰富的脂肪酸亚油酸的氧化。当分析样品中(E,E)-2,4-癸二烯醛的含量时，在空气炸锅和油炸锅油炸的样品中均发现，而在油炸锅油炸的薯片中含量最丰富，这意味着薯片具有油炸风味。

热处理油的分析中，己醛、庚醛、辛醛、壬醛和2-癸醛被确定为饱和和不饱和脂肪酸的特定恶臭。己醛是含亚油酸或其他6碳脂肪酸油的食物氧化过程中形成的最重要的次级产物之一，用于监测脂质氧化。挥发性次级氧化产物是油和油炸食品气味和味道的重要贡献者。多不饱和醛类次级氧化产物，如2,4-癸二烯醛、2,4-壬二烯醛、2,4-辛二烯醛、2-庚醛或2-辛烯醛，是理想的香气分子，在油中产生特征性油炸香气味道，而不是异味。然而，在热处理油的分析中，己醛、庚醛、辛醛、壬醛和2-癸醛等饱和和不饱和醛类被发现具有明显的异味。在空气炸锅生产的薯片中仅检测到壬醛。从这一点来看，可以说空气炸锅油炸过程在油炸油风味谱方面更有利。

薯片感官评价数据显示，味道评分最高的样品是油炸对照薯片、10%和20%红豆粉替代的薯片以及10%黑豆替代的薯片。尽管热空气炸锅薯片的硬度更高，但感官分析中脆度得分相似。分析总体喜好得分时，所有结果均高于平均值3.50。发现红豆粉替代品得分高于黑豆。可以说20%豆粉替代品更受欢迎，因为得分更高，尽管在统计上不显著。最不受欢迎的薯片是30%替代的薯片。考虑所有标准时，油炸对照和20%红豆粉替代的薯片得分最高。

4 结论

本研究结果为使用空气炸锅和油炸锅油炸生产无麸质薯片提供了详细信息。尽管表明可以用空气炸锅制作薯片，但这种声称比油炸更健康的技术在产生热处理污染物（HMF）方面落后于油炸锅。实际上，生产了脂肪含量减少7.5倍以上的薯片，这受到欢迎。这些发现很重要，因为它们表明消费者仅关注这种油炸方法中的油量可能是不充分的观点。

在薯片质量方面，结果有利于空气炸锅。颜色方面，空气炸锅薯片更具吸引力，但硬度更高。薯片的颜色更接近对照样品。然而，长的烹饪时间和低pH值被认为增加了美拉德反应，导致HMF量增加，而总酚含量和抗氧化活性得到更好保留。抗氧化活性结果在统计上差异不大。建议使用不同方法进行此分析。单一方法可能无法揭示差异。

除2,4-辛二烯醛外，油炸食品中所需的其它化合物均在薯片中检测到。2,4-癸二烯醛在两种油炸方法中均检测到，而其他理想化合物仅在空气炸锅生产的薯片中发现。在导致异味形成的化合物中，仅在空气炸锅生产的薯片中检测到壬醛。这些结果表明空气炸锅油炸过程在油炸油风味谱方面更有利，但这一结果未反映在感官分析得分中。这被认为是由于薯片在油、质地和其他香气信息方面的显著差异。

在替代的无麸质豆粉方面，用红豆粉而非黑豆粉生产的薯片获得更高的感官评分。油炸锅油炸的20%红豆粉替代薯片甚至比对照更受欢迎，得分最高。除了其丰富的营养成分外，红豆粉也受到消费者青睐，这是一个非常积极的结果。

建议未来研究调查不同家用油炸方法样品中美拉德反应产物和多环芳烃的影响。