在日常生活中，人們對(duì)食品的追求早已從“吃得飽”轉(zhuǎn)向“吃得好”。然而，在食品加工過(guò)程中，風(fēng)味提升與營(yíng)養(yǎng)保留、甚至食品安全之間，往往存在難以調(diào)和的矛盾：高溫加工帶來(lái)誘人香氣的同時(shí)，也可能造成營(yíng)養(yǎng)流失，甚至產(chǎn)生潛在有害物質(zhì)。
圍繞這一關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，南開大學(xué)食品科學(xué)與健康研究團(tuán)隊(duì)近期在國(guó)際權(quán)威期刊發(fā)表系列研究成果，系統(tǒng)揭示了加工方式與加工環(huán)境對(duì)食品品質(zhì)、結(jié)構(gòu)、風(fēng)味及安全性的協(xié)同影響機(jī)制，并提出可行的優(yōu)化策略，為健康食品加工提供了新思路。
01 板栗加工研究：空氣炸技術(shù)實(shí)現(xiàn)“風(fēng)味+營(yíng)養(yǎng)”雙贏
板栗作為我國(guó)重要的特色經(jīng)濟(jì)作物，富含淀粉、蛋白質(zhì)及多酚類活性物質(zhì)，兼具營(yíng)養(yǎng)價(jià)值與功能潛力。然而，不同熱加工方式如何影響其品質(zhì)，一直缺乏系統(tǒng)研究。借助賽默飛世爾的氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(GC-MS)，研究團(tuán)隊(duì)在發(fā)表于《Food Chemistry》的研究中，以兩種典型板栗品種為對(duì)象，對(duì)蒸制(100℃)、空氣炸(150℃)和烘烤(200℃)三種常見(jiàn)加工方式進(jìn)行了系統(tǒng)比較。
該研究共鑒定出73種揮發(fā)性化合物，并發(fā)現(xiàn)不同加工方式對(duì)風(fēng)味形成路徑具有顯著影響。研究發(fā)現(xiàn)，原始板栗中較為豐富的天然揮發(fā)物，在熱加工過(guò)程中會(huì)發(fā)生顯著轉(zhuǎn)化。蒸制條件下，由于溫度較低且環(huán)境濕潤(rùn)，一部分天然風(fēng)味得以保留，例如具有青草和花香氣息的醇類化合物仍然占據(jù)一定比例，使得整體風(fēng)味呈現(xiàn)出較為清新自然的特征。然而，當(dāng)加工方式轉(zhuǎn)變?yōu)榭諝庹ɑ蚝婵緯r(shí)，隨著溫度升高以及水分降低，體系中美拉德反應(yīng)和脂質(zhì)氧化反應(yīng)顯著增強(qiáng)，揮發(fā)物組成發(fā)生根本性改變。尤其是在空氣炸條件下，GC-MS檢測(cè)到的揮發(fā)性物質(zhì)種類明顯增加，雜環(huán)化合物和含氧有機(jī)物比例上升，其中如2-呋喃甲醇等典型焦糖香氣物質(zhì)大量生成，使得板栗呈現(xiàn)出更加濃郁且層次豐富的烘焙風(fēng)味。相比之下，高溫烘烤雖然同樣促進(jìn)風(fēng)味物質(zhì)生成，但由于反應(yīng)過(guò)于劇烈，會(huì)加速多酚損失，降低其潛在健康價(jià)值。同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生如1-辛烯-3-醇等帶有土腥或蘑菇氣味的成分，這類物質(zhì)往往被認(rèn)為是不理想風(fēng)味的重要來(lái)源。
通過(guò)對(duì)這些揮發(fā)物的系統(tǒng)分析可以看出，不同加工方式并不僅僅改變風(fēng)味“強(qiáng)弱”，更重要的是改變了風(fēng)味的“結(jié)構(gòu)”。空氣炸之所以在感官評(píng)價(jià)中表現(xiàn)最佳，正是因?yàn)槠湓贕C-MS層面上形成了一種更加均衡的揮發(fā)物組合：既保留了一部分天然香氣，又適度引入了焦糖和堅(jiān)果類風(fēng)味，同時(shí)避免了過(guò)度氧化帶來(lái)的不良?xì)馕丁＿@一結(jié)果從分子層面解釋了消費(fèi)者對(duì)不同加工板栗偏好的差異，也說(shuō)明風(fēng)味優(yōu)化本質(zhì)上是對(duì)揮發(fā)物體系的精準(zhǔn)調(diào)控。
圖1 板栗不同加工方式下營(yíng)養(yǎng)及活性成分變化(點(diǎn)擊查看大圖)
圖2 板栗揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)組成與變化
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為了進(jìn)一步揭示品質(zhì)變化機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)引入了一系列先進(jìn)分析技術(shù)，對(duì)板栗結(jié)構(gòu)與質(zhì)構(gòu)進(jìn)行深入解析，實(shí)現(xiàn)了從微觀結(jié)構(gòu)到感官體驗(yàn)的系統(tǒng)關(guān)聯(lián)。結(jié)果表明，熱加工會(huì)顯著破壞淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)，但空氣炸樣品仍保持較高的相對(duì)結(jié)晶度，這一特性被認(rèn)為可能與其更穩(wěn)定的消化行為及潛在血糖調(diào)控能力相關(guān)。在質(zhì)構(gòu)方面，蒸制與空氣炸處理顯著降低了硬度，使板栗呈現(xiàn)更柔軟、糯性的口感，而高溫烘烤則使樣品變硬、干燥，影響食用體驗(yàn)。同時(shí)，烘烤還會(huì)引發(fā)更強(qiáng)烈的褐變反應(yīng)，使顏色加深。
圖3 不同加工方式對(duì)板栗質(zhì)構(gòu)與色澤的影響
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圖4 熱加工方式顯著影響板栗風(fēng)味與質(zhì)構(gòu)
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在110名受試者參與的感官評(píng)價(jià)中，空氣炸樣品獲得最高綜合評(píng)分。進(jìn)一步的相關(guān)性分析表明，“糯性”“外觀”和“香氣”是驅(qū)動(dòng)消費(fèi)者偏好的關(guān)鍵因素，其中糯性與整體喜好度的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.90。
最終，研究明確提出：150℃空氣炸是兼顧營(yíng)養(yǎng)保留與感官品質(zhì)的最優(yōu)加工方案。
02 低氧烘焙研究：破解風(fēng)味與安全的長(zhǎng)期矛盾
如果說(shuō)板栗研究關(guān)注“如何更好吃”，那么另一項(xiàng)發(fā)表于《Journal of Agricultural and Food Chemistry》的研究，則進(jìn)一步回答了“如何更安全地好吃”。在傳統(tǒng)烘焙過(guò)程中，糖類、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)發(fā)生復(fù)雜反應(yīng)，生成豐富風(fēng)味物質(zhì)，但同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生丙烯酰胺——一種被國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)列為潛在致癌物的有害物質(zhì)。
如何在保證風(fēng)味的同時(shí)降低有害物生成，成為食品科學(xué)領(lǐng)域的重要挑戰(zhàn)。為此，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地引入“氧氣濃度”這一關(guān)鍵變量，在190℃和210℃條件下，分別設(shè)置5%、10%和21%氧氣環(huán)境，對(duì)黃油曲奇進(jìn)行系統(tǒng)研究。
圖5 不同氧氣濃度下丙烯酰胺生成量
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圖6 烘焙條件(溫度、時(shí)間和氧氣濃度)與感官屬性及總體喜好之間的顯著相關(guān)性(點(diǎn)擊查看大圖)
圖7 餅干中風(fēng)味物質(zhì)與丙烯酰胺的主要生成途徑
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實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，氧氣濃度對(duì)丙烯酰胺生成具有決定性影響。在常規(guī)空氣條件(21%氧氣)下，其含量顯著升高；而在低氧環(huán)境(5%)下，可降低約50%，顯著提升食品安全性。與此同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)利用GC-MS對(duì)揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)進(jìn)行分析，并結(jié)合UPLC-MS/MS精確測(cè)定丙烯酰胺含量，通過(guò)主成分分析(PCA)構(gòu)建風(fēng)味與安全之間的關(guān)聯(lián)模型。在該研究中，團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)關(guān)注了一系列與美拉德反應(yīng)及脂質(zhì)氧化密切相關(guān)的關(guān)鍵揮發(fā)性化合物，如3-甲基丁醛(帶有堅(jiān)果和麥芽香氣)、甲硫醛(具有熟土豆香氣)、丁二酮(典型奶油香氣)以及多種吡嗪類化合物，這些物質(zhì)共同構(gòu)成了烘焙食品的核心風(fēng)味基礎(chǔ)。通過(guò)GC-MS定量分析發(fā)現(xiàn)，這些風(fēng)味物質(zhì)的生成與氧氣濃度密切相關(guān)：在較高氧氣環(huán)境下，脂質(zhì)氧化反應(yīng)更為活躍，醛類和酮類物質(zhì)含量顯著增加，從而強(qiáng)化了烘焙香氣；但與此同時(shí)，也會(huì)促進(jìn)某些不良風(fēng)味物質(zhì)的形成，例如(E)-2-壬烯醛，這類化合物通常帶有紙味或陳舊氣味，會(huì)對(duì)整體風(fēng)味產(chǎn)生負(fù)面影響。
更為關(guān)鍵的是，GC-MS結(jié)果還揭示了氧氣在食品加工中的“雙重作用”。一方面，氧氣作為反應(yīng)參與者，可以促進(jìn)風(fēng)味物質(zhì)的生成，使食品具有更濃郁的香氣；另一方面，它又通過(guò)促進(jìn)脂質(zhì)氧化和相關(guān)反應(yīng)路徑，加速丙烯酰胺等有害物質(zhì)的形成。在低氧條件下，這種平衡關(guān)系發(fā)生了變化。GC-MS數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)氧氣濃度降低至5%時(shí)，不良揮發(fā)物明顯減少，而關(guān)鍵香氣物質(zhì)的含量并未顯著下降，說(shuō)明風(fēng)味并沒(méi)有簡(jiǎn)單地“減弱”，而是趨于更加純凈和協(xié)調(diào)。這一結(jié)果與感官評(píng)價(jià)高度一致：低氧條件下的樣品在香氣表現(xiàn)上更加柔和自然，整體接受度反而更高。
結(jié)果表明，氧氣不僅參與脂質(zhì)氧化和美拉德反應(yīng)，還會(huì)影響關(guān)鍵風(fēng)味物質(zhì)的生成路徑。在低氧條件下，不良風(fēng)味物質(zhì)顯著減少，而關(guān)鍵香氣成分保持穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)味與安全的平衡。
圖8 加工條件與風(fēng)味、安全指標(biāo)的關(guān)聯(lián)分析(PCA)
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感官評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了這一趨勢(shì)：在190℃、5%氧氣條件下，樣品在香氣、口感及整體喜好度方面均表現(xiàn)最佳。
研究最終提出：低氧烘焙是一種兼顧風(fēng)味品質(zhì)與食品安全的有效策略。
03 構(gòu)建食品加工新范式：精準(zhǔn)調(diào)控驅(qū)動(dòng)品質(zhì)升級(jí)
兩項(xiàng)研究雖然對(duì)象不同，卻在核心科學(xué)問(wèn)題上形成了高度統(tǒng)一：通過(guò)精準(zhǔn)調(diào)控加工條件，實(shí)現(xiàn)食品“風(fēng)味—營(yíng)養(yǎng)—安全”的協(xié)同優(yōu)化。無(wú)論是空氣炸技術(shù)對(duì)熱傳遞方式的優(yōu)化，還是低氧環(huán)境對(duì)反應(yīng)路徑的調(diào)控，本質(zhì)上都體現(xiàn)了食品加工從經(jīng)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)向科學(xué)調(diào)控的轉(zhuǎn)變。
從兩項(xiàng)研究可以看出，GC-MS不僅提供了風(fēng)味物質(zhì)的“清單”，更重要的是揭示了食品加工過(guò)程中復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。無(wú)論是板栗的熱加工，還是曲奇的低氧烘焙，其風(fēng)味差異都可以追溯到揮發(fā)物生成路徑的變化，而這些路徑又受到溫度、氧氣等加工條件的精細(xì)調(diào)控。通過(guò)對(duì)揮發(fā)性物質(zhì)的深入解析，研究人員得以從分子層面理解“好吃”的來(lái)源，并進(jìn)一步找到在風(fēng)味、營(yíng)養(yǎng)與安全之間實(shí)現(xiàn)平衡的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。
也正是在這一意義上，GC-MS讓食品科學(xué)從經(jīng)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)走向機(jī)制驅(qū)動(dòng)，使“風(fēng)味優(yōu)化”不再依賴反復(fù)試驗(yàn)，而是可以通過(guò)調(diào)控關(guān)鍵參數(shù)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)。這不僅提升了研究的科學(xué)性，也為食品工業(yè)提供了更加可控和可推廣的技術(shù)路徑。
參考文獻(xiàn)：
Yu Z. et al. Comparative analysis of quality, structural, and flavor alterations in chestnuts subjected to different thermal processing techniques. Food Chemistry, 2025.
Deng J. et al. Advancing Butter Cookie Quality: Low-Oxygen Baking as a Dual Approach for Sensory Enhancement and Acrylamide Mitigation. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2025.
作者信息
呂瑩爽
副教授，南開大學(xué)公共衛(wèi)生與健康研究院，天津市食品科學(xué)與健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)。呂瑩爽于美國(guó)伊利諾伊大學(xué)香檳分校食品科學(xué)與人類營(yíng)養(yǎng)專業(yè)獲得博士學(xué)位， 曾全職擔(dān)任知名食品與香精公司研發(fā)科學(xué)家。多次在北美食品科學(xué)技術(shù)(IFT)及國(guó)際食品保護(hù)學(xué)會(huì)(IAFP) 等國(guó)際會(huì)議年會(huì)上進(jìn)行學(xué)術(shù)匯報(bào)，其科研成果先后4次于IFT年會(huì)參評(píng)獲獎(jiǎng)，發(fā)表高水平SCI期刊論文數(shù)篇，得到了國(guó)際同行的廣泛認(rèn)可。在擔(dān)任公司感官評(píng)定部門的負(fù)責(zé)人期間，主持了風(fēng)味以及新產(chǎn)品的評(píng)估與改良，對(duì)多尺度測(cè)量結(jié)果進(jìn)行建模分析。
王碩
南開大學(xué)特聘杰出教授、博士生導(dǎo)師。國(guó)家杰出青年基金獲得者、長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授、國(guó)家萬(wàn)人計(jì)劃科技領(lǐng)軍人才、教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃”人員、國(guó)家“百千萬(wàn)人才工程”國(guó)家級(jí)人選、IUFoST國(guó)際食品科學(xué)院Fellow、IUFoST執(zhí)委。“安全科學(xué)與工程”第七屆學(xué)科評(píng)議組成員、國(guó)家食品安全標(biāo)準(zhǔn)審評(píng)委員會(huì)委員、國(guó)家食品風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估專家委員會(huì)委員、中國(guó)營(yíng)養(yǎng)學(xué)會(huì)營(yíng)養(yǎng)與保健食品分會(huì)委員、中國(guó)營(yíng)養(yǎng)保健食品協(xié)會(huì)腸道微生物專業(yè)委員會(huì)委員、享受國(guó)務(wù)院特殊津貼。
近年來(lái)主要致力于食品營(yíng)養(yǎng)與健康、食品安全、食品加工過(guò)程控制等方向研究，在腸道免疫、能量代謝和機(jī)體免疫，基于膳食成分與腸道微生物的互作，母乳功能成分、膳食功能因子與營(yíng)養(yǎng)素的分泌代謝規(guī)律和健康效應(yīng)，功能納米材料食品安全精準(zhǔn)體外檢測(cè)和體內(nèi)可視化研究方法，納米抗體免疫檢測(cè)理論和檢測(cè)技術(shù)，加工食品營(yíng)養(yǎng)素消化性和生物可利用性，加工危害物減控機(jī)制及健康危害控制等方面開展大量工作。
以第一作者或通訊作者身份在國(guó)內(nèi)外知名SCI學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表論文791篇，總他引次數(shù)14218次，H-index為70。2015~2023年連續(xù)九年入選Elsevier發(fā)布的中國(guó)高被引學(xué)者榜單。主持和參與出版了9部食品領(lǐng)域?qū)Ｖ?，獲得50余項(xiàng)發(fā)明專利授權(quán)。近五年先后承擔(dān)了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、教育部和人事部等國(guó)家級(jí)重大科研項(xiàng)目30余項(xiàng)。獲得國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，國(guó)家專利優(yōu)秀獎(jiǎng)1項(xiàng)，天津市科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，天津市專利金獎(jiǎng)1項(xiàng)，教育部、天津市自然科學(xué)和科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)4項(xiàng)。
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