采用電子鼻和GC-MS技術(shù) 研究慕薩萊思中揮發(fā)性成分

張 璐,張 昱,黃 英,軒 燕,侯旭杰,*

(1.塔里木大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,新疆阿拉爾 843300;2.南疆特色農(nóng)產(chǎn)品深加工兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆阿拉爾 843300)

“慕薩萊思”是新疆阿瓦提縣流傳千年極富民族特色的特有飲品,是當(dāng)?shù)厣贁?shù)民族釀造的一種葡萄酒類(lèi)的天然果汁,被視作古代西域葡萄酒的“活化石”[1],是古代絲綢之路商賈與刀郎部落友好交往的文化產(chǎn)物。與現(xiàn)代工藝釀造的葡萄酒不同,慕薩萊思酒體的顏色略微暗淡混濁,口感質(zhì)樸醇厚,具有令人愉悅的芳香氣味[2]。它是將和田紅等葡萄,經(jīng)過(guò)壓榨取汁,熬煮濃縮之后,通過(guò)自然發(fā)酵釀制而成的具有獨(dú)特風(fēng)格的葡萄酒。根據(jù)當(dāng)?shù)厝说膫€(gè)人口味以及需求不同,在釀造過(guò)程中可以適當(dāng)加入一些鹿茸、紅棗、枸杞、藏紅花、大蕓等中藥材,因而含有眾多對(duì)人體有益的維生素、氨基酸以及多酚類(lèi)化合物等,其營(yíng)養(yǎng)豐富,具有一定的養(yǎng)生功效,是保健品中的極品[3-5]。

為充分利用我區(qū)的葡萄品種資源并提高慕薩萊思產(chǎn)品的附加值和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力,對(duì)酒中風(fēng)味物質(zhì)的研究尤為重要。目前慕薩萊思香氣成分研究還處于起步階段,張雅茹等[6]初步確定了慕薩萊思中的數(shù)種香氣成分。在此基礎(chǔ)上對(duì)典型慕薩萊思呈香物質(zhì)進(jìn)行檢測(cè),獲得其典型性香氣物質(zhì)。電子鼻[7-8]作為新興鑒別檢測(cè)手段,能夠利用數(shù)據(jù)建立模型進(jìn)行定性定量研究,可以為今后對(duì)慕薩萊思酒的區(qū)分鑒別提供參考基礎(chǔ)。

本研究以新疆阿瓦提刀郎慕薩萊思公司的慕薩萊思為樣品。利用固相微萃取(SPME)和氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)以及智能感官電子鼻,對(duì)慕薩萊思酒樣的呈香物質(zhì)進(jìn)行萃取、檢測(cè)以及特征分析。篩選出慕薩萊思中主要的特征香氣成分,獲得其典型性香氣物質(zhì),彌補(bǔ)單一分析方法的不全面性,分別從宏觀和微觀上對(duì)慕薩萊思呈香物質(zhì)的差異進(jìn)行相互驗(yàn)證,建立快速檢測(cè)辨別方法。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

慕薩萊思不同酒精度原酒(8%vol、10%vol、11%vol,編號(hào)依次為為G1、G2、G3)、慕薩萊思成品酒(8%vol、10%vol、11%vol 為2016年釀制的葡萄味的穆薩萊思,編號(hào)依次為G4、G5、G6,G7為2015年釀制的瓶裝添加大蕓穆薩萊思葡萄酒) 產(chǎn)自新疆阿瓦提縣的刀郎慕薩萊思有限公司;丙醇(純度≥99.5%)、丙酮(純度≥99.5%)、異丙醇(純度≥99.5%) 色譜純,法國(guó)Alpha-MOS公司;環(huán)己酮(純度≥99.5%)上海東土化工進(jìn)出口有限公司。

氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC型號(hào)7890A;MS型號(hào)5975C) 美國(guó)Agilent公司;萃取頭(50/30 μm DVB/CAR/PDMS) 美國(guó)Supelco公司;FOX4000型電子鼻 法國(guó)Alpha-MOS公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 電子鼻的檢測(cè)條件 取1 mL(用蒸餾水稀釋20倍)的慕薩萊思酒樣于10 mL的電子鼻頂空專(zhuān)用瓶中,每個(gè)樣品三次平行,整個(gè)過(guò)程都在冰上進(jìn)行。吸取頂空氣體2 mL注入電子鼻系統(tǒng)中,進(jìn)行檢測(cè)分析。其主要檢測(cè)參數(shù)包括:空氣流速為150 mL/min,數(shù)據(jù)采集時(shí)間為120 s,延滯時(shí)間為240 s。

1.2.2 GC-MS的分析條件 樣品制備:準(zhǔn)確稱(chēng)取1.0 g NaCl放置于10 mL的頂空瓶中,分別放入磁力攪拌轉(zhuǎn)子。依次加入3 mL的慕薩萊思酒樣。每個(gè)樣品加入10μL濃度為2μL/mL的環(huán)己酮內(nèi)標(biāo)液,密封備用。選取50/30 μm DVB/CAR/PDMS萃取頭,將萃取纖維插入放有酒樣的頂空瓶中,置于酒樣液面20 mm的頂空空間,在300 r/min的轉(zhuǎn)速下萃取20 min(在放入萃取纖維頭前樣品在60 ℃的恒溫下預(yù)先平衡20 min,取出手柄,直接進(jìn)行GC-MS分析,解析時(shí)間為3 min。

色譜條件:色譜柱:VF-WAXms(60 m×0.25 mm×0.25 μm);初始溫度為60 ℃,然后以5 ℃/min的升溫速度升至110 ℃,再以3 ℃/min的升溫速度升至215 ℃,保持3 min;再以5 ℃/min的升溫速度升至240 ℃,保持10 min。載氣為氦氣,流量為1.2 mL/min,進(jìn)樣口溫度為230 ℃,檢測(cè)器溫度為240 ℃。

質(zhì)譜條件:EI電離源,電子能量為70 eV,燈絲流量為0.20 mA。檢測(cè)器電壓為350V。掃描范圍為50～550 amu,離子源溫度為230 ℃,傳輸線溫度270 ℃。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用電子鼻系統(tǒng)自帶的軟件Alpha M.O.S分析軟件,對(duì)電子鼻的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析。將掃描的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,主要包括數(shù)據(jù)的挖掘、校準(zhǔn)、歸一化,主成分分析(PCA)以及判別因子分析(DFA)。判別因子分析(DFA)是電子鼻最常用的模式識(shí)別方法,它是根據(jù)不同樣品所屬類(lèi)別不同,對(duì)原始數(shù)據(jù)的向量進(jìn)行線性變換,能夠使不同樣品很好的區(qū)分開(kāi)[9]。而主成分分析(PCA)是將電子鼻不同傳感器提取的總體數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和降維,對(duì)降維后的特征向量進(jìn)行分類(lèi)。通常若樣品信息的總貢獻(xiàn)率超過(guò)70%,認(rèn)為此方法可用[10]。

GC-MS實(shí)驗(yàn)采用內(nèi)標(biāo)法,選取環(huán)己酮作為內(nèi)標(biāo)物對(duì)慕薩萊思香氣進(jìn)行定量分析,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的濃度以及峰面積通過(guò)公式計(jì)算出香氣物質(zhì)的相對(duì)含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 采用電子鼻技術(shù)對(duì)慕薩萊思進(jìn)行區(qū)分

本次實(shí)驗(yàn)使用電子鼻系統(tǒng),通過(guò)Alpha M.O.S軟件建立PCA模型,如圖1所示,采用PCA模式識(shí)別方法,PC1和PC2的總貢獻(xiàn)率達(dá)98.8%,通過(guò)PCA降維后,提取的主成分包含了慕薩萊思的絕大部分信息,不同酒精度(8%、10%、11%),從左到右呈現(xiàn)依次遞增趨勢(shì),G4、G5在左側(cè),G6和G7在右側(cè),區(qū)分指數(shù)DI值達(dá)80,區(qū)分效果較為理想[11]。如下圖2所示,可以看出經(jīng)過(guò)DFA模型處理后,同組的樣品聚集更接近,不同組之間的距離被放大。DF1和DF2判別因子對(duì)整體信息的總貢獻(xiàn)率達(dá)97.9%,能夠代表樣品的絕大部分信息,也可以很好地加以區(qū)分。

圖1 現(xiàn)代工藝慕薩萊思的PCA模型Fig.1 PCA model of modern technology Musalais

圖2 現(xiàn)代工藝慕薩萊思的DFA模型Fig.2 DFA model of modern technology Musalais

2.2 GC-MS揮發(fā)性成分分析

由表2可知慕薩萊思原酒及成品酒中共檢測(cè)出揮發(fā)性物質(zhì)164種,G1共檢測(cè)出67種揮發(fā)性物質(zhì);G2共檢測(cè)出47種揮發(fā)性物質(zhì);G3共檢測(cè)出55種揮發(fā)性物質(zhì),G4共檢測(cè)出45種揮發(fā)性物質(zhì);G5檢測(cè)出54種揮發(fā)性物質(zhì);G6共檢測(cè)出57種揮發(fā)性物質(zhì);G7共檢測(cè)出51種揮發(fā)性物質(zhì)。其中共有物質(zhì)16種,包括:1-戊醇、苯乙醇、己酸、辛酸、山梨酸、癸酸、月桂酸、乙酸乙酯、丁二酸二乙酯、5-甲基呋喃醛、苯乙酸乙酯、棕櫚酸乙酯、肉豆蔻酸乙酯、硬脂酸乙酯、辛酸乙酯、2,4-二叔丁基苯酚構(gòu)成了慕薩萊思的主體風(fēng)味物質(zhì)。從原酒到成品酒中主要的揮發(fā)性物質(zhì)包括醇類(lèi)、酸類(lèi)、酯類(lèi)以及少量的醛類(lèi)、酮類(lèi)等。原酒中特有物質(zhì)有異丁醇、異戊酸甲酯、乙酸異戊酯、苯甲醛、月桂酸乙酯、乙烯基-2-甲氧基苯酚。成品酒中特有的揮發(fā)性物質(zhì)主要有:2,4-二叔丁基苯酚、丁二酸單乙酯、肉豆蔻酸、肉豆蔻酸乙酯、異戊醇、十二醛二甲縮醛。原酒中乙酸異戊酯具有香蕉及水果香;月桂酸乙酯具有花果的芳香氣味;苯甲醛具有苦杏仁、櫻桃及堅(jiān)果香。成品酒中肉豆蔻酸、肉豆蔻酸乙酯具有椰子、油脂的香味;異戊醇具有酒精味、成熟果實(shí)揮發(fā)性氣味。由此可知慕薩萊思原酒及成品酒中主要香氣以花香水果香豐富、具有濃厚的醇香味及焦糖香,此外還有堅(jiān)果、杏仁味及脂肪香,香氣較為豐富,典型性強(qiáng)。

表2 慕薩萊思揮發(fā)性成分分析結(jié)果Table 2 Result of Musalaisi volatile components

續(xù)表

續(xù)表

續(xù)表

2.3 原酒及成品酒揮發(fā)性成分含量對(duì)比

如下圖3可知,含量較高的物質(zhì)主要是1-戊醇、苯乙醇等一些高級(jí)醇類(lèi)。G1原酒中還檢測(cè)出香葉醇、松油醇這兩種醇屬于萜烯類(lèi)化合物,主要來(lái)源于葡萄原料的品種香。其中含量較高的酯類(lèi)主要是:辛酸乙酯、苯乙酸乙酯、月桂酸乙酯、棕櫚酸乙酯等。三個(gè)發(fā)酵罐中的原酒中酯類(lèi)物質(zhì)的種類(lèi)和含量存在著一定的差異。G1原酒中的總酯類(lèi)含量相對(duì)較高,G3原酒中酯類(lèi)物質(zhì)含量較低。可能是三個(gè)發(fā)酵罐中的原酒的陳釀時(shí)間不同,G2原酒陳釀的時(shí)間相對(duì)較短,一般陳釀時(shí)間越長(zhǎng)酯類(lèi)物質(zhì)會(huì)通過(guò)酯化作用的緩慢增加。G1中酸類(lèi)含量最高,其中含量較高的辛酸、癸酸、月桂酸、山梨酸均高于G2和G3。其中G1原酒中(E)-反-2-辛烯醛含量較高為6.71 mg/L,主要來(lái)源于葡萄品種,屬于品種香,具有令人愉快的綠葉清香和水果香氣。G1中的2,4-二叔丁基苯酚含量明顯高于G2和G3,其主要來(lái)源于一類(lèi)香氣。

圖3 不同慕薩萊思原酒揮發(fā)性成分相對(duì)含量比較Fig.3 Comparison of relative contents of volatile components in different wines

如下圖4所示,G6和G7酒樣中醇類(lèi)物質(zhì)、酯類(lèi)物質(zhì)含量要高于G4和G5。由此可以發(fā)現(xiàn),四種慕薩萊思中醇類(lèi)、酯類(lèi)和酸類(lèi)以及少量的醛類(lèi)和酮類(lèi)是其主要的揮發(fā)性成分,其中醇類(lèi)在慕薩萊思酒中占有及其重要的位置,苯乙醇和異戊醇的含量相對(duì)較高。G7酒樣中還檢測(cè)出特有α-萜品烯、丁香酚等一些含量相對(duì)較低的物質(zhì),α-萜品烯具有類(lèi)似樹(shù)脂的氣味,而丁香酚具有甘甜的花香和辛香,賦予了慕薩萊思更為豐富的揮發(fā)性。此外酮類(lèi)和醛類(lèi)物質(zhì)在慕薩萊思中所占比例雖然很小,但在香氣的感官質(zhì)量上是形成該產(chǎn)品典型香氣特征的主要揮發(fā)性成分,在慕薩萊思產(chǎn)品的特征描述和感官評(píng)價(jià)上具有重要意義。

圖4 不同酒精度慕薩萊思揮發(fā)性成分相對(duì)含量比較Fig.4 Different alcohol Musalaisi volatile components relative content

2.4 主成分分析法分析慕薩萊思酒樣中主要揮發(fā)性成分

利用SPSS 20.0軟件對(duì)慕薩萊思發(fā)性成分進(jìn)行主成分分析,在所有的主成分構(gòu)成中,信息主要集中在前三個(gè)成分中,其累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到99.9%,主成分個(gè)數(shù)由累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到85%以上為依據(jù)。第一主成分的貢獻(xiàn)率為62.179%,第二主成分的貢獻(xiàn)率為21.602%,第三主成分的貢獻(xiàn)率為16.215%,由此可知,這三個(gè)主成分包含慕薩萊思揮發(fā)性成分的大部分信息,有限的摒除了不重要因素的影響,由表3可知,第一主成分中因子系數(shù)較高的有苯乙醇、丁二酸二乙酯、苯乙酸乙酯、棕櫚酸乙酯、月桂酸、5-甲基呋喃醛,其中苯乙醇的載荷最大,是第一主成分的最重要的影響因子;對(duì)第二主成分影響較大的因子是乙酸乙酯、辛酸、癸酸等,對(duì)第三主成分影響較大的因子是辛酸乙酯、己酸等。通過(guò)SPSS軟件分析可知慕薩萊思中主要的揮發(fā)性物質(zhì)為醇類(lèi)和酯類(lèi),部分醛類(lèi)的存在對(duì)慕薩萊思揮發(fā)性成分有負(fù)面影響(見(jiàn)圖5),確定出慕薩萊思主要的揮發(fā)性成分有苯乙醇、1-戊醇、己酸、辛酸、月桂酸、癸酸、乙酸乙酯、苯乙酸乙酯、辛酸乙酯、棕櫚酸乙酯等。

表3 成分矩陣Table 3 Component matrix

圖5 旋轉(zhuǎn)空間中的成分圖Fig.5 Composition diagram rotating in space

通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn),原酒中苯乙醇的平均含量為66.761 mg/L,成品酒中苯乙醇的平均含量達(dá)108.031 mg/L,1-戊醇的平均含量在原酒和成品酒中變化不大;在原酒和成品酒中含量較高的酸類(lèi)物質(zhì)主要有辛酸、山梨酸、癸酸。其中癸酸和辛酸在成品酒中的含量要高于發(fā)酵罐的原酒,而山梨酸在成品酒中的平均含量78.987 mg/L要遠(yuǎn)高于原酒中山梨酸的平均含量0.691 mg/L,極大可能是成品酒中添加山梨酸鉀防腐劑所導(dǎo)致山梨酸的含量明顯增加。

醇類(lèi)物質(zhì)是慕薩萊思的主要揮發(fā)性物質(zhì),帶有芳香氣味。其中對(duì)揮發(fā)性成分影響較大主要是高級(jí)醇:苯乙醇、1-戊醇、異戊醇等。苯乙醇賦予了慕薩萊思蜂蜜香、玫瑰花香等宜人的香氣,醇類(lèi)中最重要的是戊醇,由發(fā)酵所產(chǎn)生,1-戊醇和異戊醇賦予了慕薩萊思果香及酒香風(fēng)味。當(dāng)這些雜醇的含量高于300 mg/L時(shí),會(huì)有辛辣刺激性氣味,G4和G5總醇的含量超過(guò)了300 mg/L,在口感上辛辣味較重。酯類(lèi)物質(zhì),通常是在發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的二類(lèi)香氣,有時(shí)也是陳釀過(guò)程中產(chǎn)生的三類(lèi)香氣,主要是酵母在生物合成以及陳釀過(guò)程中發(fā)生酯化作用所產(chǎn)生。在慕薩萊思中酯類(lèi)物質(zhì)的種類(lèi)相當(dāng)豐富,主要包括:乙酸乙酯、丁二酸二乙酯、苯乙酸乙酯、棕櫚酸乙酯、辛酸乙酯等。丁二酸二乙酯主要表現(xiàn)出微弱令人愉快的風(fēng)味;辛酸乙酯表現(xiàn)出香皂味、蠟燭味;苯乙酸乙酯和乙酸乙酯具有果香味[11]。多種酯類(lèi)化合物的共同作用會(huì)產(chǎn)生較大的風(fēng)味指數(shù)。酸類(lèi)物質(zhì)在慕薩萊思中主要來(lái)自于葡萄的成熟和酒精發(fā)酵過(guò)程,影響較大的酸類(lèi)物質(zhì)主要有:己酸、辛酸、山梨酸、癸酸。己酸具有類(lèi)似甜味,辛酸具有脂肪味,酸干酪味。而含量較高的山梨酸少量來(lái)源于葡萄原汁中,其余可能在成品酒中人為的添加所致。醛類(lèi)和酮類(lèi)物質(zhì)在慕薩萊思中的含量比很低,但在構(gòu)成慕薩萊思整體風(fēng)味中起著非常重要的作用。

2.5 GC-MS與電子鼻實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)關(guān)系

為了探究GC-MS與電子鼻數(shù)據(jù)的相關(guān)性,本研究利用偏最小二乘法(PLS)建立兩種儀器數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)模型,利用模型中決定系數(shù)R2的大小來(lái)判斷兩種儀器在測(cè)定上的相關(guān)性[12]。本實(shí)驗(yàn)選取慕薩萊思成品酒(G4、G5、G6、G7)為對(duì)象,為了便于數(shù)據(jù)處理的方便把GC-MS得到不同揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行高一級(jí)種屬的劃分?？偣矂澐譃?大類(lèi)物質(zhì):醇類(lèi),酯類(lèi),酸類(lèi)和醛類(lèi),并將不同揮發(fā)性物質(zhì)的相對(duì)含量按照劃分種屬進(jìn)行合并。這樣的劃分是數(shù)據(jù)具有代表性,并且更利于清晰PLS模型的建立。具體劃分結(jié)果和各種物質(zhì)相對(duì)含量見(jiàn)下表4,根據(jù)PLS模型的原理,將電子鼻的十八根傳感器進(jìn)行歸類(lèi),根據(jù)電子鼻對(duì)不同揮發(fā)性物質(zhì)的敏感性,歸為四大類(lèi)。以電子鼻傳感器數(shù)據(jù)為自變量,以GC-MS得到的四大類(lèi)化合物的相對(duì)含量為因變量來(lái)建立模型,根據(jù)決定系數(shù)R2的大小來(lái)判斷模型的可靠性和兩種儀器的相關(guān)性。R2數(shù)值越高,證明兩種儀器得到的數(shù)據(jù)相關(guān)性越高,模型可靠性和適用性越高。

表4 GC-MS 檢測(cè)幾大類(lèi)揮發(fā)性化合物的相對(duì)含量Table 4 The relative contents of several categories of volatile compounds based on GC-MS datas

下圖6,PLS模型圖反映了醇類(lèi)、酸類(lèi)、酯類(lèi)和醛類(lèi)四大類(lèi)物質(zhì)的實(shí)際含量與模型的預(yù)測(cè)含量之間的關(guān)系。G4、G5、G6、G7四個(gè)酒樣的R2值依次為0.93、0.94、0.92、0.93?？梢钥吹剿膫€(gè)方程的R2均大于 90.0%,并且 PLS 模型的實(shí)際值和預(yù)測(cè)值表現(xiàn)良好。說(shuō)明 GC-MS 與電子鼻實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在區(qū)分不同慕薩萊思成品酒方面具有高度的相關(guān)性。

圖6 電子鼻和GC-MS得到的揮發(fā)性物質(zhì)實(shí)際值與預(yù)測(cè)值的PLS模型結(jié)果Fig.6 The PLS results for the actual and predicted responses of the content of volatile compounds based on E-nose and GC-MS datas

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)不同酒精度的成品酒進(jìn)行電子鼻檢測(cè),結(jié)果表明電子鼻可以有效地區(qū)分以上酒種。PCA模型的得分在80～100之間被認(rèn)為是比較好的,表明對(duì)樣品能夠很好的區(qū)分開(kāi)來(lái)。DFA模型主要用來(lái)預(yù)測(cè)未知樣品,結(jié)合使用PCA模型和DFA模型可以有效建立區(qū)分辨別不同種類(lèi)的慕薩萊思。本文中建立基于電子鼻技術(shù)對(duì)慕薩萊思以及葡萄濃縮汁快速的區(qū)分鑒別方法是可行的。

通過(guò)主成分分析可知,慕薩萊思中醇類(lèi)、酯類(lèi)以及酸類(lèi)物質(zhì)是最主要的揮發(fā)性組成成分。此外還有酮類(lèi)、醛類(lèi)、酚類(lèi)以及萜烯類(lèi)等其他揮發(fā)性物質(zhì)含量相對(duì)較低,但也共同參與構(gòu)成慕薩萊思香氣物質(zhì)的感官特異性,對(duì)整體揮發(fā)性成分的貢獻(xiàn)也非常重要。對(duì)慕薩萊思揮發(fā)性成分貢獻(xiàn)較大的物質(zhì)有苯乙醇、苯乙酸乙酯、己酸、丁二酸二乙酯等。

GC-MS的定量分析結(jié)果表明,不同種類(lèi)的慕薩萊思均能引起葡萄酒中不同香氣濃度的差異,從而引起慕薩萊思之間揮發(fā)性成分的差異,該差異能夠被電子鼻識(shí)別區(qū)分。GC-MS 與電子鼻數(shù)據(jù)結(jié)果建立的 PLS 模型決定系數(shù)均大于 90.0%,具有很好的相關(guān)性。采用具有“模糊評(píng)價(jià)”屬性的電子鼻技術(shù)結(jié)合具有“精準(zhǔn)檢測(cè)特性”的GC-MS分析方法可以對(duì)不同酒精度的慕薩萊思進(jìn)行區(qū)分。