主成分分析法在研究宜賓芽菜風味物質(zhì)變化中的應用

左　勇，王小龍，江　鵬，傅　彬，楊小龍，葉碧霞，張　晶

（四川理工學院生物工程學院，四川自貢643000）

主成分分析法在研究宜賓芽菜風味物質(zhì)變化中的應用

左勇，王小龍，江鵬，傅彬，楊小龍，葉碧霞，張晶

（四川理工學院生物工程學院，四川自貢643000）

為研究宜賓芽菜發(fā)酵過程中風味物質(zhì)變化情況，采用HS-GC-MS法對宜賓芽菜發(fā)酵過程中不同時期的樣本分析，以該數(shù)據(jù)為樣本，用主成分分析法研究其主要特征風味物質(zhì)。結果表明：不同發(fā)酵時間段共檢測出78種香味物質(zhì)，其中有烯烴類21種、醇類23種、酯類12種、醛類4種、酮類7種、醚類3種、苯環(huán)類6種和其他類2種；利用主成分分析法共提取出6個主成分及對宜賓芽菜香味影響較大的物質(zhì)12種。通過本文的研究能夠掌握芽菜發(fā)酵過程中的風味變化，為芽菜的風味改善和新產(chǎn)品研發(fā)提供理論依據(jù)。

宜賓芽菜，主成分分析法，發(fā)酵，風味物質(zhì)

宜賓芽菜是由葉用芥菜的嫩莖劃成條狀腌制而成，有川菜“四大名菜”之稱，是宜賓的特產(chǎn)［1］。宜賓芽菜具有特殊的風味、口感和色澤，營養(yǎng)豐富，這主要是由于芽菜在發(fā)酵過程中，各種不同微生物共同作用，發(fā)生一系列的生化反應，生成各種香味物質(zhì)，賦予了芽菜濃郁的香味［2］。芽菜香氣成分是決定其品質(zhì)優(yōu)劣極其重要的因素，因此研究宜賓芽菜的風味組成具有重要的意義［3］。

主成分分析是一種多元統(tǒng)計分析技術，采用降維或?qū)⒍鄠€指標轉化為少數(shù)幾個綜合指標的方法，簡化數(shù)據(jù)和揭示變量間的關系［4］。目前主成分分析法已廣泛應用于食品中揮發(fā)性風味物質(zhì)的研究。李紅蕾等［5］用主成分分析法對黃酒釀制過程中風味物質(zhì)變化規(guī)律的研究，實現(xiàn)對不同釀制階段黃酒中揮發(fā)性風味物質(zhì)的分析與確定。范琳等［6］用主成分分析法研究豆豉后發(fā)酵過程中揮發(fā)性成分的動態(tài)變化，結果得出在整個后發(fā)酵過程中15 d時，樣品的風味最好，25 d和30 d次之。楊立平等［7］在研究秘魯魷魚絲加工過程中揮發(fā)性風味物質(zhì)的變化規(guī)律時，結果得出主成分分析測試樣品的識別貢獻率均達99.8%以上。本研究主要通過HS-GC-MS技術對宜賓芽菜發(fā)酵過程中不同時期的揮發(fā)性風味物質(zhì)進行提取，用SPSS軟件對所得數(shù)據(jù)進行處理以及主成分分析，旨在研究宜賓芽菜發(fā)酵不同時期的主要風味物質(zhì)種類以及含量，為HS-GC-MS技術在宜賓芽菜生產(chǎn)工藝中評價芽菜品質(zhì)提供實驗依據(jù)。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

芽菜樣品宜賓雙誼富康芽菜廠同一批次分別發(fā)酵15 d（Ⅰ），30 d（Ⅱ），60 d（Ⅲ），90 d（Ⅳ），120 d（Ⅴ），150 d（Ⅵ）。

氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀（Agilent 6890-5975）美國安捷倫公司；手動SPME進樣器、50/30UM DVB/CAR on PDMS固相微萃取頭上海安譜科學儀器有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1樣品的頂空固相微萃取條件取芽菜6 g直接置于15 mL的頂空進樣瓶中，于磁力攪拌器上70℃加熱平衡30 min后，使用SPME萃取頭進行萃取。使用前先將固相微萃取的萃取頭在氣相色譜儀的進樣口250℃老化1 h。將老化的固相微萃取器插在樣品瓶上，65℃水浴吸附45 min后拔出，插入氣相色譜儀進樣口，于250℃解析5 min［8］。

1.2.2色譜和質(zhì)譜條件色譜條件［9］：進樣口溫度250℃；檢測器溫度300℃，進樣量l μL；色譜柱：HP-5MS，50 m×200 μm×0.33 μm；程序升溫：初溫50℃，以5℃/min的速率升溫到120℃，保持1 min，再以10℃/min的速率升溫到230℃保持5 min；進樣口溫度250℃，不分流；載氣為氦氣；體積流量為1.0 mL/min。

質(zhì)譜條件：離子化方式EI；離子源：EI源；離子化能量：70 eV；離子源溫度：150℃；掃描質(zhì)量：30～395 amu；四極桿溫度：230℃；接口溫度：250℃；倍增器電壓：1960 V；載氣：高純度He2（純度99.999%）；載氣流量：l mL/min。

1.2.3數(shù)據(jù)處理［3］由GC-MS得到的譜圖經(jīng)計算機在（NIST05）標準譜庫的檢索，確定出揮發(fā)性風味成分。僅當匹配度純度＞800的鑒定結果才予以采納，并采用峰面積歸一化法算出各成分的峰面積。

主成分分析：采用SPSS 19.0軟件，將氣相樣本數(shù)據(jù)標準化處理后，做因子分析，可得到主成分的方差貢獻表，選擇累計貢獻率達到85%以上的主成分；再根據(jù)方差貢獻度求出相應主成分數(shù)學模型及主成分特征向量。

圖1　不同時期GC-MS色譜分析圖Fig.1　Different periods of GC-MS chromatographic analysis chart

2　結果與分析

2.1芽菜發(fā)酵過程中香氣成分分析

2.1.1GC-MS色譜圖采用固相微萃取-氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用分別對發(fā)酵15 d（Ⅰ），30 d（Ⅱ），60 d（Ⅲ），90 d（Ⅳ），120 d（Ⅴ），150 d（Ⅵ）中揮發(fā)性成分進行分析，得到樣品的總離子流，如圖1所示。

2.1.2香氣成分分析利用HS-GC-MS法對芽菜發(fā)酵過程不同時期進行揮發(fā)性風味物質(zhì)成分分析，香氣成分各組分經(jīng)計算機譜庫，并結合相關文獻［10-12］檢索，共檢測出78種揮發(fā)性物質(zhì)，如表1所示。從Ⅰ中共檢測出28種揮發(fā)性物質(zhì)，Ⅱ中檢測出35種揮發(fā)性物質(zhì)，Ⅲ中共檢測出31種揮發(fā)性物質(zhì)，Ⅳ中共檢測出29種揮發(fā)性物質(zhì)，Ⅴ中檢測出揮發(fā)性物質(zhì)最多共42種，Ⅵ檢測出揮發(fā)性物質(zhì)31種。其中Ⅱ特有的香味物質(zhì)有順-4-（1-甲基乙基）環(huán)己醇；Ⅲ特有的香味物質(zhì)有2，7-二甲基-2，6-亞辛基-1-醇、環(huán)戊烷、（3，1，0）-雙環(huán)-異亞丙基-1-甲基-乙烷；Ⅳ特有的香味物質(zhì)有對-薄荷-1-烯-8-醇、2-環(huán)乙烯-4-（1-甲基乙基）-1-酮；Ⅴ特有的香味物質(zhì)有3－甲基－1－丁醇、1-甲基乙基-4-甲基-3-環(huán)戊烯醇、反式-薄荷烯醇、苯乙醇、（Z）-3，7-二甲基-2，6-亞辛基-1-醇丙酸酯、亞麻酸乙酯、壬酸乙酯、4-（1-甲基乙基）苯甲醇乙酸酯、間異丙基甲苯、1-甲氧基-4-（1-丙烯基）苯、壬基-環(huán)丙烷；Ⅵ特有的香味物質(zhì)是β-月桂烯。

表1　芽菜發(fā)酵不同時期揮發(fā)性成分及其相對含量Table 1　Volatile aroma components and the relative contents in sprout different periods of fermentation

續(xù)表

2.2宜賓芽菜發(fā)酵不同時期揮發(fā)性物質(zhì)的主成分分析

提取對芽菜不同發(fā)酵時期香味貢獻度大的物質(zhì)，利用SPSS 19.1軟件對不同發(fā)酵時期芽菜揮發(fā)性物質(zhì)的相對含量進行主成分分析，得到主成分相關矩陣的特征值、方差貢獻率及累計貢獻率如表2所示。由表2可知第1主成分貢獻率為27.038%，第2主成分貢獻率為18.421%，第3主成分貢獻率為13.926%，第4主成分貢獻率為11.866%，第5主成分貢獻率為10.905%，第6主成分貢獻率為8.182%，根據(jù)主成分提取累計貢獻度大于90%的要求可知［13］，此6個主成分已包含絕大多數(shù)樣本信息量，故依據(jù)其貢獻率大小依次編號為第1、2、3、4、5、6主成分。

表2　6個主成分的特征值及其貢獻率Table 2　Eigenvalues，contribution and cumulative contribution of 6 principal components

表3　主成分載荷矩陣Table 3　Principal component loading matrix

續(xù)表

由表3可知，對第一主成分貢獻較大的物質(zhì)有右旋檸檬烯、反-1-甲基-4-（1-甲基乙基）-2-環(huán)己烯-1-醇、（Z）-3，7-二甲基-2，6-亞辛基-1-醇、2-甲基-1-丙醇、反-3-甲基-6-（1-甲基乙基）-2-環(huán)己烯-1-醇、3-甲基-1-丁醇、1-甲基乙基-4-甲基-3-環(huán)戊烯醇、反式-薄荷烯醇、苯乙醇、（Z）-3，7-二甲基-2，6-亞辛基-1-醇丙酸酯、亞麻酸乙酯、壬酸乙酯、間異丙基甲苯、1-甲氧基-4-（1-丙烯基）苯、對異丙基苯甲醛等物質(zhì)；對第二主成分貢獻較大的物質(zhì)有4-萜烯醇、對異丙基環(huán)己醇、薄荷醇、3，7-二甲基-1，6-辛二烯-3-醇、7-醇、水楊酸乙酯、2-十一酮等物質(zhì)；對第三主成分貢獻較大的物質(zhì)有α-水芹烯、4-［1-甲乙基］-1-甲基-1，3-環(huán)己二烯、6，6-二甲基-2-亞甲基雙環(huán)［3，1，1］庚-3-醇、2，7-二甲基-2，6-亞辛基-1-醇、4-［1-甲基亞乙基］-2-環(huán)己烯基-1-酮、3甲基-6-（1-甲基乙基）-2-環(huán)己烯-1-酮、1，4，7，10，13，16-六氧環(huán)十八烷、環(huán)戊烷、（3，1，0）-雙環(huán)-異亞丙基-1-甲基-乙烷、（1S-順）-1，2，3，5，6，8a-六氫-4，7-二甲基-1-（1-甲基乙基）-萘等物質(zhì)；對第四主成分貢獻較大的物質(zhì)有1，4-二甲基-5，1-甲乙基-環(huán)戊烯、3，7-二甲基-1，3，7-辛三烯、α-松油醇、4-異丙基-苯乙醇、α，α，4-三甲基-3-環(huán)己烯-1-甲醇、3-甲基丁酸己酯、4-異丙基環(huán)己酮、乙醛等物質(zhì)；對第五主成分貢獻較大的物質(zhì)有β-蒎烯、4-甲基-1-（1-甲基乙基）-二環(huán)［3.1.0］己-2-烯、β-月桂烯、對甲基苯異丙醇、1-甲基-2-（1-甲乙基）苯、4-亞甲基-1-異丙基雙環(huán)［3，1，0］己烷、苯甲醛、八（乙二醇）-（十二烷基）醚等物質(zhì)；對第六主成分貢獻較大的物質(zhì)有4-甲基-1-（1-甲基乙基）-二環(huán)［3.1.0］己-2-烯、順-4-（1-甲基乙基）環(huán)己醇、1，7，7-三甲基-二環(huán)［2，2，1］庚-2-基醋酸酯、2-羥基-丙酸乙酯、3-（4-甲基-3-戊烯基）-呋喃等物質(zhì)。

由表1中香味物質(zhì)的相對物質(zhì)含量、表2中的主成分和表3中主成分載荷矩陣計算出第一、第二主成分值并以第一主成分值為橫坐標、第二主成分值為縱坐標作散點圖，見圖2。由PCA主成分散點圖2可知，影響芽菜香氣組成成分主要為在第一主成分和第二主成分正半軸處，即圖1中右上角圈類的物質(zhì)，依次為順-4-（1-甲基乙基）環(huán)己醇、2-十一酮、5-甲基-2-異丙基-3-環(huán)已烯-1-酮、對異丙基環(huán)己醇、乙酸乙酯、異硫氰酸烯丙酯、辛酸乙酯、癸酸乙酯、（Z）-3，7-二甲基-2，6-亞辛基-1-醇、2-甲基-1-丙醇、3，7-二甲基-1，6-辛二烯-3-醇、3-甲基-1-丁醇。

圖2　78種香氣成分的主成分散點圖Fig.2　PCA biplot for 78 identified aroma components

芽菜發(fā)酵初期異硫氰酸烯丙酯類化合物為其主要揮發(fā)性風味物質(zhì)，隨著發(fā)酵的進行，在乳酸菌等微生物的作用下產(chǎn)生一些醛類、脂類等揮發(fā)性的風味成分，因此脂類物質(zhì)在發(fā)酵接近中期占據(jù)主要風味，發(fā)酵后期產(chǎn)生了很多與乳酸菌發(fā)酵及酸性環(huán)境相關的風味成分，如對甲基苯異丙醇、反-3-甲基-6-（1-甲基乙基）-2-環(huán)己烯-1-醇、桉葉油醇等。發(fā)酵后期有部分新的揮發(fā)性風味化合物被檢測到，這可能和微生物的發(fā)酵作用以及一些其他的生物合成途徑有關。

3　結論與討論

3.1利用HS-GC-MS法對發(fā)酵不同時期的宜賓芽菜進行揮發(fā)性成分分析，共檢測出78種揮發(fā)性物質(zhì)，各樣品中檢測出揮發(fā)性物質(zhì)種類含量不一。芽菜發(fā)酵過程中各個時期都有特有的風味物質(zhì)，發(fā)酵初期主要是芽菜本身的風味和人為添加的調(diào)味物質(zhì)，隨著發(fā)酵的進行，部分風味逐漸消失，通過微生物作用的結果產(chǎn)生新的風味物質(zhì)。

3.2利用主成分分析法對78種揮發(fā)性物質(zhì)進行分析，共得到風味貢獻度大的主成分6組，影響芽菜香氣組成成分的主要物質(zhì)分別為順-4-（1-甲基乙基）環(huán)己醇、2-十一酮、5-甲基-2-異丙基-3-環(huán)已烯-1-酮、對異丙基環(huán)己醇等12種。其中醇類和脂類占多數(shù)，這與發(fā)酵過程中乳酸菌等微生物的發(fā)酵作用相關，也與芽菜細胞內(nèi)合成代謝及各種產(chǎn)物之間的反應相關。

3.3通過主成分分析法研究宜賓芽菜發(fā)酵不同時期風味物質(zhì)貢獻的差異性，找出對風味貢獻最大的物質(zhì)是可行的。目前用主成分分析法研究宜賓芽菜中揮發(fā)性風味成分的報道較少，僅有張靜等［3］對不同品種芽菜做過研究，但并不涉及到芽菜的發(fā)酵過程，不能掌握芽菜發(fā)酵過程中各種揮發(fā)性風味成分的變化情況。主成分分析是基于對數(shù)據(jù)的標準化處理、組合，主要是對物質(zhì)的數(shù)量及含量有比較客觀的反映［14］。然而食品的香味不僅由風味物質(zhì)的數(shù)量多少，含量高低決定，還與風味物質(zhì)的閾值有極大的關系，完全通過對數(shù)據(jù)仍有一定的局限性，無法完全真實地反映出對風味貢獻最大的物質(zhì)，因此可以考慮風味閾值、電子鼻、數(shù)據(jù)處理軟件等結合分析風味物質(zhì)的貢獻度。

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Principal component analysis in the study of Yibin sprouts flavor changing application

ZUO Yong，WANG Xiao-long，JIANG Peng，F(xiàn)U Bin，YANG Xiao-long，YE Bi-xia，ZHANG Jing
（Department of Bioengineering，Sichuan University of Science and Engineering，Zigong 643000，China）

To study changes in Yibin sprouts flavor substances in the case of the fermentation process，using HS-GC-MS method for sample Yibin sprouts different periods of fermentation process analysis to the data sample analysis method to study the main characteristics of flavor with principal component analysis.The results showed that：different fermentation periods were detected in 78 kinds of flavoring substances，thereinto olefin（21 kinds），alcohols（23 kinds），esters（12 kinds），aldehydes（4 kinds），ketones（7 kinds），ethers（3 kinds）and benzene ring（6 kinds）and the like，a total of six main components were extracted and a greater impact on the Yibin sprouts flavor substances 12 kinds using principal component analysis.Through the study of this paper could grasp the change of flavor in the fermentation process of bean sprouts，bean sprouts，provides the theory basis for the improvement of the flavor and new product development.

Yibin sprouts；PCA；fermentation；volatile flavor compounds

TS264.2

A

1002-0306（2015）16-0068-07

10.13386/j.issn1002-0306.2015.16.005

2014－11－18

左勇（1972-），男，碩士研究生，教授，主要從事發(fā)酵工程方面的研究，E-mail：sgzuoyong@tom.com。

2015四川省農(nóng)業(yè)科技轉化項目；2015固態(tài)發(fā)酵資源利用四川省重點實驗室；2013大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（201310622001）；四川理工學院培育項目（2013PY09）；四川理工學院研究生創(chuàng)新基金項目（y2013004）。