基于電子鼻和GC-MS技術(shù)分析大頭菜的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)

趙慧君，王玉榮，李昕沂，趙楠，郭壯*

(1.湖北文理學(xué)院食品科學(xué)與工程學(xué)院 鄂西北傳統(tǒng)發(fā)酵食品研究所，湖北 襄陽 441053；2.四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，成都 610066)

大頭菜是以芥菜為原料，經(jīng)晾曬、腌制、脫水和發(fā)酵等工序制作而成的一種傳統(tǒng)腌菜[1]。我國四川、湖北和山東等地都有制作和食用大頭菜的習(xí)俗，但各地加工大頭菜的方式略有不同，獨特的腌制及發(fā)酵方式造就了各地大頭菜特有的風(fēng)味[2]。本研究團隊采用電子舌技術(shù)和常規(guī)理化分析方法對四川成都、湖北襄陽和山東菏澤產(chǎn)大頭菜的產(chǎn)品品質(zhì)進行了評價，結(jié)果發(fā)現(xiàn)酸味是不同地區(qū)產(chǎn)大頭菜差異最大的滋味指標(biāo)[3]，襄陽大頭菜食鹽含量最高而成武醬大頭具有最高的蛋白質(zhì)、氨基酸態(tài)氮、還原糖和總酸含量[4]。風(fēng)味作為大頭菜品質(zhì)的重要構(gòu)成部分，直接決定了消費者對產(chǎn)品的喜好程度，然而目前關(guān)于不同地區(qū)產(chǎn)大頭菜風(fēng)味品質(zhì)評價的研究報道尚少。

電子鼻是利用氣體傳感器陣列的響應(yīng)圖案來識別氣味的電子系統(tǒng)，能夠快速、實時和連續(xù)性地監(jiān)測氣味指紋及其變化，然后將測得的指紋數(shù)據(jù)與建立的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫比對，應(yīng)用軟件進行電子指紋識別[5]，已廣泛應(yīng)用于發(fā)酵食品品質(zhì)動態(tài)監(jiān)測[6]、油脂氧化分析[7]、食品烘焙工藝優(yōu)化[8]和貨架期內(nèi)食品品質(zhì)評價[9]等方面。氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(gas chromatography-mass spectrometer，GC-MS)綜合了色譜法的分離能力和質(zhì)譜的定性長處，可在較短時間內(nèi)完成多組分混合物的定性和定量分析，具有靈敏度高、定性能力強的優(yōu)點[10]，目前已經(jīng)在大頭菜揮發(fā)性香味物質(zhì)分析方面有了廣泛的應(yīng)用[11,12]。

本研究以四川成都地區(qū)大頭菜、中國地理標(biāo)識產(chǎn)品湖北襄陽大頭菜和山東菏澤成武醬大頭為研究對象，采用電子鼻技術(shù)對其風(fēng)味品質(zhì)進行了評價，并采用GC-MS技術(shù)對襄陽大頭菜的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)進行了解析，以期為后續(xù)大頭菜相關(guān)產(chǎn)品品質(zhì)的改良提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大頭菜：從四川成都市郫都區(qū)和都江堰市的農(nóng)戶家中采集大頭菜樣品7個，從襄陽市2家企業(yè)和5個農(nóng)戶家中采集大頭菜樣品7個，從成武縣農(nóng)戶家中采集大頭菜樣品2個并購買袋裝大頭菜產(chǎn)品2個。

1.2 材料與設(shè)備

GCMS-QP2020氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀 島津企業(yè)管理(中國)有限公司；FOX4000電子鼻 法國Alpha M.O.S公司；SYG-4數(shù)顯恒溫水浴鍋 常州朗越儀器制造有限公司；JJ224BC分析天平 常熟市雙杰測試儀器廠。

1.3 試驗方法

1.3.1 基于FOX4000電子鼻大頭菜中敏感類型物質(zhì)的測定

參照文獻[13]中的頂空進樣法測定且進行了參數(shù)優(yōu)化。取切碎大頭菜樣品3.5 g置于20 mL頂空瓶中，密封，每隔2 s以500 r/min的速度攪拌5 s，40 ℃頂空孵化300 s以使風(fēng)味物質(zhì)揮發(fā)到頂部空間，然后用自動進樣器將其抽出匯入載氣流。測定參數(shù)：以干燥空氣為載氣，流量為150 mL/min，沖洗時間為120 s，注射器溫度為50 ℃，注射量為2.5 mL，注射速度為500 μL/s，持續(xù)采集時間為120 s，采集頻率為1 s。每個樣品重復(fù)測定5次，以后4次的結(jié)果為本研究的原始數(shù)據(jù)。FOX4000電子鼻含有3個高效傳感器室，共18根傳感器，但不同傳感器響應(yīng)性能有交叉部分，為提高其可靠性，對傳感器陣列進行了優(yōu)化，僅使用LY/G，LY/AA，LY/Gh，LY/gCT，LY/gCT1，T30/1，P10/1，P10/2，T70/2，PA/2，P30/1，P30/2，TA/2 13根傳感器。測樣品時傳感器實際響應(yīng)強度值R=(R1-R0)/R0，其中R1表示各傳感器測樣品時的電阻值，R0表示各傳感器測干燥空氣產(chǎn)生的電阻值。

1.3.2 基于GC-MS技術(shù)對襄陽大頭菜揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的分析

樣品處理：稱取大頭菜樣品10 g于頂空樣品瓶中，加入0.1 g/mL NaCl溶液，并以帶聚四氟乙烯的鋁帽密封，置于60 ℃條件下振蕩30 min后平衡10 min后進入GC-MS開始采集數(shù)據(jù)。

GC條件：SH-Rtx-Wax(30 m×2.25 mm×0.25 μm)極性毛細管色譜柱；傳輸線溫度：200 ℃；進樣口溫度：230 ℃；溫控程序：開始溫度40 ℃，保持5 min，以5 ℃/min上升至150 ℃，然后以10 ℃/min上升至230 ℃，保持6 min；載氣：N2，He，Ar；流量：1.2 mL/min；分流模式進樣，分流比：15∶1。

MS條件：離子源：EI離子源；電子能量：(70±0.1) eV；離子源溫度：220 V；m/z范圍：33.00～450 amu；通過NIST14標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜庫和保留指數(shù)定性對未知化合物進行定性，且僅當(dāng)匹配度高于80%時的結(jié)果才予以采用；采用儀器自帶工作站對數(shù)據(jù)進行面積歸一化處理，確定組分的相對含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用電子鼻自帶Alphasoft V11軟件進行傳感器信號強度處理，基于數(shù)據(jù)矩陣使用主成分分析(principal coordinate analysis，PCA)、典范對應(yīng)分析(canonical correlation analyses，CCA)、聚類分析(cluster analysis，CA)和多元方差分析(multivariate analysis of variance，MANOVA)對不同地區(qū)大頭菜風(fēng)味品質(zhì)進行評價，使用kruskal-wallis檢驗對各傳感器對不同地區(qū)大頭菜響應(yīng)值的差異性進行分析。除雷達圖使用Excel 2016軟件繪制外，其他圖均使用Origin 8.5軟件繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 基于電子鼻技術(shù)對不同地區(qū)大頭菜風(fēng)味品質(zhì)的差異性分析

本研究首先采用電子鼻技術(shù)對不同地區(qū)大頭菜風(fēng)味品質(zhì)進行了分析，各傳感器響應(yīng)曲線見圖1。

圖1 各傳感器響應(yīng)曲線圖Fig.1 The response curve of each sensor

由圖1可知，每個傳感器每秒產(chǎn)生的響應(yīng)值略有不同，在進行數(shù)據(jù)處理與分析時，選擇各傳感器最大響應(yīng)值進行分析。各傳感器對不同地區(qū)大頭菜響應(yīng)值的差異性分析見表1。

表1 各傳感器對不同地區(qū)大頭菜響應(yīng)值的差異性分析Table 1 Significance analysis of each sensor response in salted mustard root collected from different regions

注：0.004±0.002表示平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；含有相同字母的同一行數(shù)據(jù)差異不顯著(P<0.05)。

由表1可知，傳感器T30/1，P10/2，T70/2，PA/2，P30/1，P30/2，TA/2對湖北襄陽大頭菜的響應(yīng)值顯著偏低(P<0.05)，而傳感器LY2/gCT呈現(xiàn)出相反的趨勢(P>0.05)。由于傳感器TA/2，T30/1，T70/2，P30/1，P30/2分別對食物的香氣或發(fā)酵氣味敏感，因而成武醬大頭的風(fēng)味品質(zhì)優(yōu)于襄陽大頭菜，這可能與其加工工藝有關(guān)，成武醬大頭為醬大頭菜而襄陽大頭菜為腌大頭菜。值得一提的是，雖然傳感器LY2/G，LY2/AA，LY2/Gh，LY2/gCT1，P10/1對不同地區(qū)產(chǎn)大頭菜的響應(yīng)值差異亦顯著(P<0.05)，但實際響應(yīng)強度值均接近于0，因而可認為大頭菜中不含有胺類和硫化氫等有毒氣體?；谥鞒煞值腜C1和PC2因子得分圖見圖2。

圖2 不同地區(qū)大頭菜風(fēng)味品質(zhì)的主成分分析Fig.2 Evaluation of the flavor profile characterization of salted mustard root collected from different regions based on principal coordinate analysis

由圖2可知，不同地區(qū)的大頭菜樣品雖有部分交叉但整體上呈現(xiàn)出較明顯的分離趨勢，其中5 個襄陽大頭菜樣品多數(shù)分布在第二象限，4個成武醬大頭樣品主要分布在第一象限，而四川大頭菜主要分布在第三和第四象限。由此可見，不同地區(qū)產(chǎn)大頭菜的風(fēng)味品質(zhì)存在較大差異。本研究進一步使用典范對應(yīng)分析對不同地區(qū)大頭菜風(fēng)味品質(zhì)進行了評價，結(jié)果見圖3。

圖3 不同地區(qū)大頭菜風(fēng)味品質(zhì)的典范對應(yīng)分析Fig.3 Evaluation of the flavor profile characterization of salted mustard root collected from different regions based on canonical correlation analysis

由圖3可知，相對于無監(jiān)督的主成分分析，在使用有監(jiān)督的典范對應(yīng)分析對18 個樣品進行空間排布時，不同地區(qū)產(chǎn)大頭菜呈現(xiàn)出明顯的分離趨勢，這進一步證明了不同地區(qū)產(chǎn)大頭菜樣品的風(fēng)味品質(zhì)存在較大差異。本研究進一步對不同地區(qū)產(chǎn)大頭菜風(fēng)味品質(zhì)的相似性進行了評價，各傳感器對不同地區(qū)大頭菜響應(yīng)值的雷達圖見圖4。

圖4 各傳感器對不同地區(qū)大頭菜響應(yīng)值的雷達圖Fig.4 Radar map of each sensor response in salted mustard root collected from different regions

由圖4可知，成武醬大頭和四川成都地區(qū)大頭菜的風(fēng)味品質(zhì)較為相似，除傳感器PA/2外，其他傳感器對兩類大頭菜樣品的響應(yīng)值無明顯差異，這與kruskal-wallis檢驗結(jié)果基本一致。由此可見，較之襄陽大頭菜，成武醬大頭和四川成都地區(qū)大頭菜風(fēng)味品質(zhì)較為相似。本研究進一步采用基于馬氏距離的聚類對這一定性結(jié)論進行了驗證[15]，結(jié)果見圖5。

圖5 不同地區(qū)大頭菜風(fēng)味品質(zhì)的聚類分析Fig.5 Evaluation of the flavor profile characterization of salted mustard root collected from different regions based on cluster analysis

注：“**”表示P<0.01，“***”表示P<0.001。

由圖5可知，四川成都地區(qū)大頭菜和菏澤成武醬大頭樣品形成了1個聚類，同時兩者與襄陽大頭菜形成了第2個聚類，這亦驗證了較之襄陽大頭菜，成武醬大頭和四川成都地區(qū)大頭菜風(fēng)味品質(zhì)較為相似。本研究進一步采用MANOVA對不同地區(qū)大頭菜的風(fēng)味品質(zhì)進行了顯著性分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)四川成都地區(qū)大頭菜和菏澤成武醬大頭差異非常顯著(P<0.01)，而兩者均與襄陽大頭菜差異極顯著(P<0.001)，這亦與PCA和CCA結(jié)果相一致。

2.2 基于GC-MS技術(shù)襄陽大頭菜揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的分析

本研究使用GC-MS技術(shù)對7個襄陽大頭菜樣品中揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的種類及含量進行了測定，共檢測出了37種揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)，其中醇類、醚類、醛類、酮類、烷烴類、烯烴類和酯類分別為5，3，9，3，2，11，2種，平均相對含量分別為19.76%，7.00%，35.37%，7.47%，0.17%，14.25%，14.36%。由此可知，襄陽大頭菜中主要揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)為醛類化合物，襄陽大頭菜揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的相對含量見表2。

表2 襄陽大頭菜揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的相對含量Table 2 The relative content of volatile flavor components in Xiangyang salted mustard root %

續(xù) 表

襄陽大頭菜樣品中平均相對含量大于5.0%的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)主要為3-丁炔-1-醇、壬醛、乙酸異戊酯、D-檸檬烯、丙酮、乙酸乙酯和異戊醛，其平均相對含量分別為17.52%，13.44%，7.52%，7.19%，7.16%，6.83%，6.11%。不同襄陽大頭菜樣品中主要揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)存在較大的差異，1#樣品中含量最多的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)為3-丁炔-1-醇，相對含量為66.24%；2#和5#樣品中含量最多的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)均為乙酸乙酯，相對含量分別為12.08%和35.74%；3#和4#樣品中含量最多的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)均為壬醛，相對含量分別為43.57%和24.33%；6#樣品中含量最多的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)為乙酸異戊酯，相對含量為31.00%；而7#樣品中含量較多的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)為苯甲醛和二甲基二硫醚，相對含量分別為19.89%和19.78%。

3 結(jié)論

采用電子鼻和GC-MS聯(lián)合技術(shù)對大頭菜的風(fēng)味品質(zhì)進行了比較研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)較之襄陽大頭菜，成武醬大頭和四川成都地區(qū)大頭菜風(fēng)味品質(zhì)較為相似，經(jīng)GC-MS分析發(fā)現(xiàn)襄陽大頭菜中主要揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)主要為壬醛、1,2-丙二烯-1,3-二酮、3-丁炔-1-醇、乙酸異戊酯、D-檸檬烯、丙酮、乙酸乙酯和異戊醛。