電子鼻結(jié)合全二維氣相色譜質(zhì)譜分析銅仁珍珠花生烘烤前后揮發(fā)性風(fēng)味成分的變化

林 茂，孟繁博，黃道梅，李國林，鄭秀艷，陳 曦，宋光艷

(1.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展研究所，貴州 貴陽 550006; 2.貴州省農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，貴州 貴陽 550006; 3.貴州博欣生態(tài)農(nóng)業(yè)科技有限公司，貴州 貴陽 550006)

花生是油食兼用農(nóng)作物，根據(jù)加工用途的不同可分為油用型和食用型，食用型花生由于蛋白質(zhì)含量高，鮮食口感佳，可作為食品原料，也可烘烤加工成休閑食品，在烘烤加工過程中，由于氨基酸與還原糖之間會發(fā)生美拉德反應(yīng)、脂肪氧化反應(yīng)和糖降解反應(yīng)等[1-2]，揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的組成非常復(fù)雜，任何一種食品的風(fēng)味都是由多種香味組分組成。焙烤、蒸煮和微波輔助等加工方式都會引起食品中的油脂和蛋白發(fā)生變化，產(chǎn)生揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)[3]。前人研究表明花生中的香味物質(zhì)主要由上百種的揮發(fā)性成分構(gòu)成[4-5]1966年Mason等對烘烤花生揮發(fā)性化合物進(jìn)行研究，認(rèn)為低分子量烷基吡嗪類化合物為花生的基本風(fēng)味物質(zhì)，此外在花生中還檢測到甲醛苯乙醛異丁醛等單羰基化合物及甲苯等無羰基化合物等揮發(fā)性物質(zhì)[6-7]。Ho等測定了焙烤花生中的揮發(fā)性物質(zhì)，獲得了131種揮發(fā)性成分，主要包括烴類醇類醛類酸類酮類酯類吡嗪等[8-9]。其中，吡嗪類是形成花生風(fēng)味的主要揮發(fā)性成分，并認(rèn)為2-環(huán)內(nèi)酯3-甲基-2-環(huán)內(nèi)酯、2-異戊基-4,5-甲基噻唑2-戊基-4,5-二乙基噻唑有令人愉快的堅(jiān)果味[10]。Warner等研究認(rèn)為，2-甲基吡嗪(2-methylpyrazine)、2,5-二甲基吡嗪(2,5-dimethylpyrazine)、2,6-二甲基吡嗪(2,6-dimethylpyrazine)、2,3,5-三甲基吡嗪(2,3,5-trimethylpyrazine)和乙基吡嗪(ethylpyrazine)等是花生風(fēng)味中主要的吡嗪類物質(zhì)[11]。Johnson等利用光譜技術(shù)從烘烤花生中鑒定出47種新的揮發(fā)性成分，包括23種未曾報到的吡嗪類化合物、7種呋喃類化合物、3種2-苯-2-烯烴化合物、6種吡咯類化合物、2種噻吩類及一些混合物，初步確定烷基吡嗪類化合物是產(chǎn)生花生堅(jiān)果風(fēng)味的主要物質(zhì)[12-13]。揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)在食品中含量普遍偏低，但又能代表植物食品中的典型氣味。據(jù)研究報道，花生中的揮發(fā)性物質(zhì)主要有吡嗪類、醛類、醇類、酮類、酯類、吡咯、吡啶等，其中吡嗪類物質(zhì)是烘烤花生中最主要的揮發(fā)性風(fēng)味成分[14-15]。不同花生品種所含風(fēng)味物質(zhì)種類及含量有一定差異，因此其香味、口感等感官特性在不同品種間差異較大[16-17]。

銅仁珍珠花生是貴州獲得國家地理標(biāo)準(zhǔn)保護(hù)的地方特色農(nóng)產(chǎn)品，因其蛋白質(zhì)含量高、口感香甜、風(fēng)味佳而備受市場歡迎[18]，作為貴州地方特色農(nóng)產(chǎn)品，銅仁珍珠花生多以鮮食或烘烤加工成休閑制品，目前對其風(fēng)味的研究尚屬空白。本研究應(yīng)用電子鼻和全二維氣相色譜質(zhì)儀分析不同加工處理后銅仁珍珠花生的氣味和揮發(fā)性風(fēng)味，對比分析了銅仁珍珠花生生品和不同方式烘烤制品中的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)變化，旨在了解銅仁珍珠花生烘烤前后的揮發(fā)性風(fēng)味特性，為銅仁珍珠花生加工提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及主要儀器設(shè)備

1.1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料由貴州省農(nóng)作物品種資源研究所提供，同田種植收獲后，40℃烘干至水分含量<6%，裝入密閉容器瓶中放置冰箱中(4℃)備用。

1.1.2 主要儀器設(shè)備

全二維氣相色譜—飛行時間質(zhì)譜(美國Zoex公司，GC×GC-TOF-MS)，其中GC×GC系統(tǒng)由美國Agilent 7890氣相色譜儀，便攜式電子鼻(德國Airsense公司，PEN3型)，磁力加熱攪拌裝置(美國Supelco 公司，PC-420D)，萃取頭(美國Supelco公司，PDMS/DVB/CAR 50/30μm)，烤箱(中國格蘭仕電器制造有限公司，K6 30L)，微波爐(中國格蘭仕電器制造有限公司，G80F20CL-B8)。

1.2 方法

1.2.1 檢測樣品的準(zhǔn)備

① 微波烘烤：選取無破損，色澤較好，大小一致的帶殼花生200 g，置于瓷盤中，用微波爐烘烤(輸出功率：800W，頻率：2450MHz)，烘烤3min，待烘烤完成完全冷卻后進(jìn)行分析。② 烤箱烘烤：選取無破損，色澤較好，大小一致帶殼花生200 g，置于烤盤中，烘烤30 min，烘烤溫度130 ℃，待烘烤完成完全冷卻后進(jìn)行分析。

1.2.2 檢測分析方法

① 電子鼻檢測：參考Wei等[19]的方法并略加修改，將烘烤后花生樣品粉碎后過10目篩，固定采用時間間隔1.0 s，清洗時間40.0 s，準(zhǔn)備進(jìn)樣時間5.0 s，測定時間100.0 s，每次測定完后將尾氣排出，再將通道清零后才能進(jìn)行第二輪的頂空進(jìn)樣，每組實(shí)驗(yàn)平行10次(表1)。

② 固相微萃取(HS-SPMS)：將1.2.1節(jié)烘烤樣品剝掉外殼，用研缽磨碎，稱取3 g放入20 mL頂空樣品瓶中，同時加入內(nèi)標(biāo)物乙酸苯乙酯1 μL，用頂空瓶蓋將其密封，然后將頂空瓶放入到固相微萃取加熱裝置中，在60 ℃條件下平衡20 min，利用已經(jīng)活化好的固相微萃取纖維頭(PDMS/DVB/CAR，50/30 μm)吸附15 min，間萃取頭插入GC進(jìn)樣口(進(jìn)樣口溫度250 ℃)，解析3.5 min，每個樣品重復(fù)2次。

③ 全二維氣相色譜—飛行時間質(zhì)譜(GC×GC-TOFMS)分析：一維色譜柱為HP-5MS(30 m×250 μm，0.25 μm)，二維色譜柱為DB-wax(1.5 m ×0.1 mm，0.1 μm)；初始溫度60 ℃(2 min)，以3 ℃/min升至230 ℃，保持5 min；恒流模式，流速0.8 mL/min；樣品運(yùn)行時間45 min；進(jìn)樣口溫度250 ℃；不分流模式進(jìn)樣。

④ 質(zhì)譜分析：電離源為EI，70 eV；離子源溫度280 ℃；傳輸線溫度300 ℃；質(zhì)量范圍45～450m/z；分辨率4000，F(xiàn)WHM；采集速度100 Hz。

表1 電子鼻傳感器名稱及性能

1.3 數(shù)據(jù)處理

電子鼻數(shù)據(jù)分析：取穩(wěn)定后70～75 s的數(shù)據(jù)信息,根據(jù)電子鼻自帶軟件進(jìn)行主成分分析(principal component analysis，PCA)GC×GC-TOFMS 數(shù)據(jù)分析：采用Zoex GC Image 全二維數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。對于香氣成分的定性鑒定采用標(biāo)準(zhǔn)譜庫檢索(NIST與Wiley最新譜庫同時檢索)，而定量分析則采用了內(nèi)標(biāo)相對定量法(假定校正因子F=1)。圖片數(shù)據(jù)分析：原始數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS17.0，圖表處理采用Orign 8.1。

2 結(jié)果與分析

2.1 電子鼻檢測

對各組電子鼻檢測結(jié)果分別取平均值，得到10根傳感器收集到氣味特征響應(yīng)值如圖1所示。橫坐標(biāo)表示時間，縱坐標(biāo)表示響應(yīng)強(qiáng)度對應(yīng)與于10根傳感器的相對電阻變化率。每一條曲線代表一個傳感器在100 s內(nèi)的相應(yīng)變化，在測定前10 s 時傳感器的響應(yīng)先快速增強(qiáng)，然后隨著電阻率增大，在50 s 以后傳感器的響應(yīng)變化趨于平穩(wěn)。

圖1 電子鼻對花生氣味物質(zhì)響應(yīng)圖Fig. 1 The response figure of electronic nose to peanut flavor matters注：1～10號為10根傳感器對應(yīng)的編號(詳見表1 )。Note: No.1-10 are serial numbers corresponding to table 1.

圖2為不同處理花生的10次平行檢測數(shù)據(jù)在PCA平面上的分布，各處理間分散，第一主成分和第二主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)96.23%，第一主成分貢獻(xiàn)率為81.47%、第二主成分貢獻(xiàn)率為14.76%。說明電子鼻能有效區(qū)分不同處理的花生氣味變化。從不同處理樣品間的距離來看，同一種烘烤方式處理花生間的距離最小，不同處理間的距離較大，尤其微波烘烤處理與生品之間的距離最大。為進(jìn)一步明確風(fēng)味成分的變化，采用GC×GC-TOFMS對揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)進(jìn)行進(jìn)一步的分析和鑒定。

2.2 不同處理花生揮發(fā)性成分的GC×GC-TOFMS分析

根據(jù)GC×GC-TOFMS的工作原理和文獻(xiàn)報道的分析條件[20-22]，對花生中揮發(fā)性成分的GC×GC-TOFMS鑒定方法進(jìn)行了優(yōu)化，獲得了花生樣品揮發(fā)性成分的GC×GC 全二維色譜圖 (圖3)。

圖2 銅仁珍珠花生生品和烘烤制品PCA分析 Fig.2 PCA result of raw and roasted Tongren peanut注：a，微波烘烤帶殼花生(Roasted peanut pods by microwave)；b，微波烘烤籽仁(Roasted peanut seed by microwave)；c，烤箱烘烤帶殼花生(Roasted peanut pod by oven)；d，烤箱烘烤籽仁(Roasted peanut seed by oven)；e，花生生品籽仁(Raw peanut seed)。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)譜庫自動檢索和手動對其相似度、保留時間等進(jìn)行比較分析。從表1 中可見，在生品中鑒定出20種揮發(fā)性成分，其中包括14種醛、3種吡嗪和3種其他成分。 從烤箱烘烤花生中揮發(fā)性成分來看，在籽仁中檢測到33種揮發(fā)性成分，包括17種醛、5種吡嗪和11種其他物質(zhì)；在帶殼花生中檢測到31種揮發(fā)性成分，包括16種醛類、4種吡嗪和11種其他揮發(fā)性成分。從微波烘烤花生中揮發(fā)性成分來看，在籽仁中檢測到39種揮發(fā)性成分，包括18種醛、7種吡嗪和14種其他物質(zhì)；在帶殼花生中檢測到38種揮發(fā)性成分，包括18種醛類、7種吡嗪和13種其他揮發(fā)性成分。從以上不同處理花生中的揮發(fā)性成分的變化可知，花生生品經(jīng)過烘烤加工以后，其中的揮發(fā)性成分發(fā)生了很大的改變，由原來的20種增加至40種，包括4種醛、4種吡嗪和14種其他物質(zhì)；由此可見，電子鼻檢測可初步確定烘烤花生中揮發(fā)性成分的種類增加。

性風(fēng)味物質(zhì)快速檢測方面的應(yīng)用越來越廣泛，已經(jīng)成功用于鴨、蝦、豬肉、牛肉、魚和雞肉等肉類的新鮮度評價及保藏貨架期的預(yù)測[28-34]。電子鼻用于花生中揮發(fā)性氣味的研究比較少，本研究結(jié)果表明，電子鼻能夠較好地區(qū)分銅仁珍珠花生生品和不同方式烘烤的樣品，主成分分析顯示各組樣品間差異明顯，電子鼻區(qū)分度好，并且通過電子鼻進(jìn)行前期分析操作便捷，對花生加工產(chǎn)品的品質(zhì)評價和質(zhì)量控制具有重要意義。

全二維氣相色譜質(zhì)譜在銅仁珍珠花生生品中檢測到20種揮發(fā)性風(fēng)味成分，其中醛類14種，吡嗪3種和其他成分3種；在烘烤樣品中共檢測到40種揮發(fā)性風(fēng)味成分，主要包括醛類18種，吡嗪類7種和其他成分16種。醛類和吡嗪類物質(zhì)是銅仁珍珠花生中的主要揮發(fā)性成分，生品通過加工以后，醛和吡嗪的種類和含量均有增加，尤其烘烤花生中吡嗪類物質(zhì)的含量增加顯著；但是烤箱烘烤和微波烘烤花生中的物質(zhì)種類和含量均有差異，烘烤溫度過高、時間過長時會影響吡嗪類揮發(fā)性風(fēng)味成分的形成。電子鼻對花生中揮發(fā)性風(fēng)味成分的判別與全二維氣相色譜質(zhì)譜的鑒定結(jié)果相一致。