基于電子鼻與SPME-GC-MS法分析咸鲅魚加工過程揮發(fā)性風(fēng)味成分變化

,, ,,長湖

(中國海洋大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,食品科學(xué)與人類健康實(shí)驗(yàn)室,山東青島 266003)

鲅魚又名藍(lán)點(diǎn)馬鮫,主要分布于北太平洋西部,我國渤海、黃海、東海是主要產(chǎn)地,為北方經(jīng)濟(jì)魚類之一。腌制鲅魚是我國沿海地區(qū)最具代表性的咸干魚制品,即以鮮(凍)魚肉為主要原料,采用食鹽腌制工藝和干燥工藝加工而成的傳統(tǒng)水產(chǎn)品[1],具有獨(dú)特的風(fēng)味,深受消費(fèi)者歡迎。

揮發(fā)性風(fēng)味是評(píng)價(jià)咸干魚制品品質(zhì)優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一,電子鼻(electronic nose)作為一種新型人工智能嗅覺裝置,靈敏度高、操作簡單、攜帶方便,它測量的數(shù)據(jù)與人類的感官評(píng)價(jià)相關(guān)性好[2]，并且能對(duì)樣品的整體風(fēng)味成分進(jìn)行區(qū)分,但不能對(duì)風(fēng)味物質(zhì)進(jìn)行定性定量分析。固相微萃取-氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用測定法(SPME-GC-MS)能檢測食品中揮發(fā)性物質(zhì)的種類和含量,與電子鼻技術(shù)進(jìn)行聯(lián)用能對(duì)食品中的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)進(jìn)行分析。例如王霞等[3]利用電子鼻與SPME-GC-MS技術(shù)分析了加熱后黃鰭金槍魚的特征氣味成分。有研究表明,醛類、醇類、酮類、烴類、酯類、酸類、胺類、含氮含氧化合物等的相互作用形成咸魚風(fēng)味[4]。不同咸魚其主體風(fēng)味成分不同,楊錫洪等[5]研究表明3-甲基-1-丁醇、1-戊烯-3-醇、1-辛烯-3-醇、2-丁酮、3-甲基丁醛是金絲魚的特征香氣成分,己醛、辛醛、壬醛、庚醛、1-戊烯-3-醇、1-辛烯-3-醇是咸帶魚的主要風(fēng)味成分。李來好等[5]研究了咸魚的特征香氣,劉勝男等[6]研究了利用電子鼻技術(shù)能夠較好地區(qū)分部分不同地區(qū)的咸鲅魚樣品的香氣。

本研究采用電子鼻和SPME-GC-MS技術(shù),研究咸鲅魚從原料到成品的生產(chǎn)加工過程中風(fēng)味成分變化,探究咸鲅魚風(fēng)味形成的關(guān)鍵加工步驟,為優(yōu)化其加工工藝、提高咸魚品質(zhì)提供理論基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 材料與儀器

鮮鲅魚 體長43～45 cm,體重1～1.3 kg,于冷庫凍藏備用,青島市場購買;食鹽 市售。

PEN3型電子鼻 德國Airsense公司;7980A/5975C型氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀 美國Agilent公司;二乙基苯/碳分子篩/聚二甲基硅氧烷(DVB/CAR/PDMS)50/30 μm型萃取頭、PK1 57330-U型SPME手動(dòng)進(jìn)樣柄 美國Supelco公司;HP-5MS(30 m×0.25 mm×0.25 μm)型毛細(xì)管色譜柱 美國Agilent公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 咸鲅魚加工工藝 工藝流程:鲅魚解凍→沖洗→腌制→冷風(fēng)干燥→成品。

操作要點(diǎn):取鲅魚流水解凍后去頭尾、內(nèi)臟,切成5 cm×5 cm魚塊。采用干腌法,添加2%(m:m)鹽于10 ℃腌制1 h后流水沖洗脫鹽,然后進(jìn)行冷風(fēng)干燥(20 ℃,40 cm3/s)。取鮮魚、腌制、干制4、10、24、36、48 h 7個(gè)階段的樣品(依次標(biāo)記為1、2、3、4、5、6、7號(hào)樣品)。

1.2.2 電子鼻的測定 分別取0.5 g樣品置于50 mL頂空瓶中,加蓋密封,常溫平衡15 min后,依次用電子鼻進(jìn)行監(jiān)測。

1.2.3 SPME-GC-MS分析條件 固相微萃取方法:取2 g樣品放入20 mL頂空瓶中,水浴60 ℃平衡5 min,將SPME萃取頭插入到頂空瓶中頂空60 ℃吸附30 min,迅速插入GC進(jìn)樣口中。

色譜條件:色譜柱為HP-5MS(30 m× 0.25 mm,0.25 μm);進(jìn)樣口溫度250 ℃;采用分流模式進(jìn)樣(分流比10∶1);載氣:氦氣,柱流速:1 mL/min,解吸時(shí)間:5 min,解吸溫度250 ℃;采用階段式程序升溫模式,初始溫度40 ℃,保持5 min,以10 ℃/min升至250 ℃,保持4 min。

質(zhì)譜條件:電離方式EI,電子能量70 eV,離子源溫度250 ℃,傳輸線溫度250 ℃。掃描質(zhì)量范圍m/z 45～300。

1.2.4 關(guān)鍵風(fēng)味化合物的確定 采用相對(duì)氣味活度值(relative odor activity value,ROAV)法[15],定義對(duì)樣品風(fēng)味貢獻(xiàn)最大的組分:ROAVstan=100,對(duì)其他揮發(fā)性成分按下式計(jì)算:

式(1)

式中:Ci、Ti是各揮發(fā)性組分的相對(duì)含量和相對(duì)應(yīng)的感覺閾值;Crstan、Tstan分別是對(duì)樣品總體風(fēng)味貢獻(xiàn)最大的組分的相對(duì)含量和相對(duì)應(yīng)的感覺閾值。

1.3 數(shù)據(jù)分析

電子鼻采用Winmuster軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理,分析方法包括主成分分析(PCA)和線性判別分析(LDA)。

GC-MS采用NIST譜庫和Wiley譜庫對(duì)揮發(fā)性成分進(jìn)行定性分析(匹配度大于80,最大值為10 0)。通過Excel數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)揮發(fā)性風(fēng)味成分總面積(扣除硅氧烷類雜峰及其他非嗅感物質(zhì)雜峰),按面積歸一化法求得各揮發(fā)性成分的相對(duì)含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同加工階段咸魚樣品電子鼻分析

PCA分析是通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和降維將信息指標(biāo)重新組合成一組互相無關(guān)的新的幾個(gè)綜合指標(biāo),同時(shí)可根據(jù)實(shí)際需要去除較少的綜合指標(biāo),以盡可能多地反映原來信息指標(biāo),通過二維圖顯示區(qū)分樣品的分析方法[8-9]。由圖1可知,第一主成分(Principal component 1,PC1)和第二主成分(Principal component 1,PC2)的貢獻(xiàn)率分別為69.81%和25.32%,累計(jì)達(dá)95.13%(大于90%),說明PC1和PC2能反映樣品的整體信息。圖中每個(gè)圓圈代表不同加工階段樣品數(shù)據(jù)信息,可以看出各階段樣品均有獨(dú)立的區(qū)域,說明PCA分析可以區(qū)分鮮魚與加工后不同階段的咸魚樣品。其中1、4號(hào)樣品隨主軸1向右橫向變化。2、3、5、6、7號(hào)樣品沿主軸2變化,第一主成分影響較小,可能是因?yàn)檫@些樣品中主要的揮發(fā)性物質(zhì)種類或含量相差不大。根據(jù)PC1和PC2兩個(gè)主成分,PCA分析可以區(qū)分不同加工階段樣品氣味。

圖1 7個(gè)不同階段樣品的PCA分析Fig.1 Principal component analysis of spanish mackerel samples in 7 stages

LDA分析更加注重樣品在空間中的分布狀態(tài)及彼此之間的距離分析,使組與組之間的變異達(dá)到最大[9]。由圖2可知,判別式LD1和LD2的貢獻(xiàn)率分別為79.01%和12.83%,總貢獻(xiàn)率為91.84%(大于90%),可以很好地反映樣品的整體信息。1、2、3、7號(hào)樣品有獨(dú)立的區(qū)域,隨主軸1向左變化,說明都具有各自特殊的香氣成分且PC1是主要影響因素,說明腌制、干制初期及干制后期氣味成分或含量發(fā)生變化。5、6號(hào)樣品有大部分重疊,6號(hào)樣品和4、5號(hào)樣品均有重合部分,隨主軸2向下移動(dòng),說明PC2是主要影響因素且此過程中氣味變化不明顯。與PCA分析相比較,LDA分析中4、5、6號(hào)樣品相互交叉,但1、2、3、7號(hào)樣品距離較遠(yuǎn),說明LDA分析能提高樣品的分類精度。LDA分析能提高咸魚樣品的分類精度,與PCA分析相結(jié)合能更好地區(qū)分不同加工階段的咸魚樣品。為明確加工過程中風(fēng)味成分的變化,采用GC-MS方法對(duì)揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)成分進(jìn)行進(jìn)一步分析與鑒定。

圖2 7個(gè)不同階段樣品的LDA分析Fig.2 LDA plot of spanish mackerel samples in 7 stages

2.2 GC-MS分析

2.2.1 咸鲅魚加工過程揮發(fā)性風(fēng)味成分種類及相對(duì)含量的變化 通過SPME-GC-MS共檢測出91種揮發(fā)性物質(zhì),對(duì)咸鲅魚7個(gè)加工階段樣品用GC-MS分析、鑒定得到的揮發(fā)性成分按結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類,結(jié)果見表1。

表1 咸鲅魚不同加工階段揮發(fā)性物質(zhì)種類和相對(duì)含量Table 1 Changes in composition and relative content of compound classes during salted processing

由表1可知,醛類、醇類、酮類及烴類物質(zhì)構(gòu)成咸鲅魚主要的揮發(fā)性物質(zhì),通過分析加工過程中這些物質(zhì)的變化趨勢(shì)可初步研究咸鲅魚風(fēng)味形成過程。醛類、醇類和烴類物質(zhì)是咸鲅魚含量最豐富的三類物質(zhì),其總相對(duì)含量在加工前、腌制、初干燥及成品過程中分別達(dá)到28.30%、60.22%、57.36%和71.25%,表明這三類的變化對(duì)咸魚風(fēng)味形成有重要影響,此結(jié)果與電子鼻結(jié)果相一致。

醛類物質(zhì)能在脂質(zhì)氧化過程中快速形成且感覺閾值較低,對(duì)咸魚風(fēng)味有重大貢獻(xiàn)[4]。魚加工前后醛種類數(shù)增加,相對(duì)含量由8.43%增加到28.42%,但增加過程呈動(dòng)態(tài)變化,其相對(duì)含量的增加與減少與其生成量與損失量密切相關(guān)。腌制過程中醛類物質(zhì)種類數(shù)變化不大,相對(duì)含量由8.43%增加到22.52%,可能原因?yàn)榘l(fā)生脂肪氧化,烷氧基自由基分解產(chǎn)生醛類物質(zhì)[4]。在干燥階段,醛類物質(zhì)由7種增加到11種,相對(duì)含量呈動(dòng)態(tài)變化,上升趨勢(shì)可能與蛋白質(zhì)水解程度有關(guān),蛋白質(zhì)水解產(chǎn)生大量游離氨基酸,氨基酸氧化降解形成醛,使得醛類物質(zhì)大幅增加[4]。下降趨勢(shì)可能因?yàn)槿╊愇镔|(zhì)及其降解產(chǎn)物之間相互反應(yīng),還有醛類物質(zhì)與氨基酸之間的反應(yīng),使得醛類物質(zhì)生成量小于參加反應(yīng)損失量從而減少[10]。此變化過程與丁麗麗[4]等研究結(jié)果相一致,在干燥階段取兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)測得醛類物質(zhì)含量呈上升趨勢(shì),認(rèn)為蛋白質(zhì)水解產(chǎn)生的游離氨基酸氧化降解形成醛使其含量增加。本實(shí)驗(yàn)中干燥階段取5個(gè)點(diǎn)能更加詳細(xì)展現(xiàn)醛類物質(zhì)變化趨勢(shì)。

醇類物質(zhì)主要來源于脂肪氧化分解以及糖、醛、氨基酸等還原[11],加工前后種類數(shù)由9種到14種,相對(duì)含量由9.46%到19.36%,但加工過程中醇類物質(zhì)相對(duì)含量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),干燥過程中可能因?yàn)橹|(zhì)氧化分解和醛類物質(zhì)還原使醇類物質(zhì)增加,而氧化反應(yīng)和酯化反應(yīng)使得醇類物質(zhì)減少。

酮類物質(zhì)可通過多不飽和脂肪酸的氧化分解、氨基酸降解或微生物氧化產(chǎn)生[12],在加工過程中酮類物質(zhì)相對(duì)含量較少,且其感覺閾值較高,對(duì)魚肉氣味的貢獻(xiàn)相對(duì)較小,但酮類對(duì)腥味物質(zhì)具有增強(qiáng)作用,它們的存在可使腥味增強(qiáng)或改變[3]。烴類化合物可通過烷基自由基的脂質(zhì)自氧化或類胡蘿卜素分解生成[13],干燥前后烴類物質(zhì)由13種增加到14種,但相對(duì)含量由31.23%降到23.47%,而醛類物質(zhì)由13.94%增加到28.42%,可能因?yàn)橄N類物質(zhì)生成烯醛類導(dǎo)致烴類物質(zhì)減少。

胺類尤其是三甲胺是魚腥味的主要來源,初期干燥胺類相對(duì)含量由11.19%降到6.76%,胺類物質(zhì)含量明顯降低,隨干燥時(shí)間加長胺類物質(zhì)含量逐漸增加到11.05%,但加工前后胺類物質(zhì)含量無明顯變化,說明腌制及干燥能抑制魚腐敗變質(zhì)。

2.2.2 咸鲅魚加工過程中主要風(fēng)味成分的變化分析 由表2可知,GC-MS分析共得到91種揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì),鮮魚、腌制、干燥4、10、24、36、48 h這7個(gè)階段揮發(fā)性風(fēng)味成分種類數(shù)分別為27、37、53、42、47、45種以及51種,主要由醛類、醇類、酮類、烴類、酸類等組成。在加工前后增加了24種揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì),從鮮魚到成品增加的揮發(fā)性物質(zhì)種類主要是支鏈醛、高級(jí)醇、烴類、酯類和酸類,且在7個(gè)階段樣品中只有16種物質(zhì)均被檢出,因此揮發(fā)性物質(zhì)的種類隨加工過程發(fā)生顯著變化。其中腌制和干燥階段是揮發(fā)性物質(zhì)產(chǎn)生的主要階段,揮發(fā)性物質(zhì)種類和含量發(fā)生變化,與電子鼻結(jié)果相一致。

表2 咸鲅魚加工過程中揮發(fā)性成分及相對(duì)含量Table 2 Changes in volatile compounds and their relative contents during salted processing

續(xù)表

續(xù)表

風(fēng)味特征與揮發(fā)性物質(zhì)的相對(duì)含量沒有直接關(guān)系,其對(duì)總體風(fēng)味的貢獻(xiàn)由揮發(fā)性物質(zhì)在風(fēng)味體系中的濃度與感覺閾值共同決定。為進(jìn)一步描述咸鲅魚的主體風(fēng)味成分變化,結(jié)合表2中揮發(fā)性物質(zhì)成分的相對(duì)含量和感覺閾值,其中壬醛相對(duì)含量較高,范圍為2.61%～9.32%,且感覺閾值較低,為1 μg/kg,綜合分析對(duì)咸鲅魚總體風(fēng)味貢獻(xiàn)最大,所以定義壬醛的相對(duì)氣味活度值ROAVstan=100。研究脆肉鯇魚肉揮發(fā)性風(fēng)味成分也是定義壬醛ROVA為100[14],其他揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)化合物的相對(duì)氣味活度值(ROAV)可由公式(1)計(jì)算得到,從而分析加工過程中咸鲅魚主體風(fēng)味構(gòu)成,并對(duì)其氣味特征進(jìn)行描述,結(jié)果見表3。

表3 咸鲅魚特征風(fēng)味成分的相對(duì)氣味活度和氣味特征Table 3 Characteristic flavor compounds and ROAV during salted processing

一般認(rèn)為,當(dāng)ROAV≥1的物質(zhì)為所分析樣品的主體風(fēng)味成分,且ROVA值越大對(duì)樣品總體風(fēng)味的貢獻(xiàn)也就越大,另外0.1≤ROVA≤1的物質(zhì)對(duì)樣品總體風(fēng)味也有比較重要的影響[15]。結(jié)合表2可知表3中的幾種特征風(fēng)味的相對(duì)含量在腌制和干燥初期明顯增加,咸鲅魚的主體風(fēng)味由壬醛、己醛、庚醛、辛醛、癸醛、(Z)-4-庚烯醛、苯甲醛、1-辛烯-3-醇、戊醇、己醇等構(gòu)成?？偟膩碚f,咸鲅魚的主體風(fēng)味由醛類和烯醇類構(gòu)成。

醛類物質(zhì)主要來源于不飽和脂肪酸裂解產(chǎn)物,相對(duì)分子質(zhì)量低的醛類物質(zhì)感覺閾值也低[16],對(duì)魚風(fēng)味有顯著貢獻(xiàn)[17]。己醛、庚醛、壬醛和辛醛在各樣品中均被檢出,(Z)-4-庚烯醛除1號(hào)樣品外,在其他加工階段均被檢出,5種主要醛類總相對(duì)含量加工前后占魚揮發(fā)性成分由7.26%增加到21.63%,是咸魚香味主要的貢獻(xiàn)物質(zhì)。己醛主要來源于ω-6不飽和脂肪酸的氧化,具有青草味、腥味,是導(dǎo)致魚體產(chǎn)生腥味的主要物質(zhì)之一,常與C8、C9的揮發(fā)性化合物對(duì)魚肉的香味起協(xié)同作用[18]。在腌制過程中大量增加,可能是因?yàn)轷r鲅魚的不飽和脂肪酸在酶的作用下氧化而生成,干燥過程中可能因?yàn)橹舅岬难趸辜喝┰黾?隨干燥時(shí)間加長己醛含量減少,可能因?yàn)檠趸纸庵镜拿甘芨稍餃囟?、風(fēng)速、魚體水分活度等影響,酶活力下降導(dǎo)致干制后期己醛含量下降;庚醛具有魚腥味,辛醛具有脂肪-青草味,對(duì)腌制帶魚風(fēng)味形成有良好的調(diào)和作用[19],(Z)-4-庚烯醛呈清香、暗香和類亞麻油香,苯甲醛由苯丙氨酸Strecker降解生成,具有杏仁香、堅(jiān)果香和櫻桃香[20],這些醛類的變化趨勢(shì)與己醛總體一致,說明腌制與干燥階段是脂肪酸氧化的主要階段,干燥條件對(duì)酶活力有抑制作用,與丁麗麗等[4]的研究相一致。施文正等[21]研究表明庚醛、壬醛、(Z)-2-庚烯醛等對(duì)魚肉的腥味具有加和作用。盧春霞[13]等研究表明飽和直鏈醛如己醛、庚醛、壬醛、癸醛等是美國紅魚、大黃魚和鱸魚風(fēng)味的主要貢獻(xiàn)物質(zhì),吳燕燕等[20]研究表明己醛是腌制食品中主要的氧化產(chǎn)物,辛醛、壬醛、苯甲醛等物質(zhì)間的差異可能是導(dǎo)致腌干帶魚柔和香味的主要原因。因此加工過程中通過改變腌制、干制條件來控制己醛、庚醛、壬醛、癸醛等的含量可提高咸鲅魚的風(fēng)味品質(zhì)。

醇類化合物來源于脂肪的氧化、氨基酸的還原和碳水化合物的代謝,不飽和醇類閾值較低,具有花香味、蘑菇味、土腥味或酸敗味,對(duì)于風(fēng)味貢獻(xiàn)較大[20]。由表3可知,1-辛烯-3-醇、1-戊烯-3-醇、1-戊醇、己醇是咸鲅魚主要風(fēng)味物質(zhì)。1-戊醇在干燥過程中逐漸增加,其來源可能是亞油酸的氧化,其在干燥初期到中期由0.78%到3.75%,說明此過程脂肪發(fā)生氧化生成醛、醇類物質(zhì),導(dǎo)致醛、醇類物質(zhì)明顯增加,干制后期1-戊醇由3.75%到3.11%,變化不明顯,而此過程中戊醛由12.35%降到3.37%,酯類由0.25%增加到0.54%,發(fā)生此種變化可能因?yàn)槿╊惡痛碱惏l(fā)生酯化反應(yīng)以及醛還原生成醇使得酯類物質(zhì)增加,醛類物質(zhì)顯著下降,另外微生物的代謝作用能產(chǎn)生醇,使得醇類在此過程中下降不明顯。己醇在干制初期到中期與戊醇變化趨勢(shì)類似,干制后期顯著下降,可能原因是5個(gè)碳原子以上的醛還原很慢,己醇的損失量大于生成量從而顯著下降。1-戊烯-3醇是咸魚的有效風(fēng)味成分,能產(chǎn)生烤洋蔥的香味,與魚腥味的產(chǎn)生有關(guān)[4]。1-辛烯-3-醇ROVA值在醇類物質(zhì)中最高且大于1,說明其對(duì)咸鲅魚風(fēng)味有顯著貢獻(xiàn),它是一種亞油酸的氫過氧化物的降解產(chǎn)物,具有類似蘑菇的氣味,普遍存在于淡水魚及海水魚的揮發(fā)香味物質(zhì)中[22]。1-辛烯-3-醇與其他醇類變化趨勢(shì)相似,在腌制和干制第一階段(干制前期到中期)相對(duì)含量增加,在干制第二階段下降。因此腌制和干制是咸魚特殊風(fēng)味產(chǎn)生的重要階段,控制腌制和干制條件可有效降低魚腥味提高咸魚風(fēng)味。

從咸鲅魚主要風(fēng)味成分的變化中可看出,腌制和干制是咸魚風(fēng)味產(chǎn)生的主要階段。從鮮魚到成品主要風(fēng)味成分都明顯增加,腌制是風(fēng)味成分種類和含量增加的階段,但在干燥階段會(huì)經(jīng)歷兩個(gè)過程即先增加后減少的過程,因此控制腌制條件和干燥條件能有效提高咸鲅魚品質(zhì)。

3 結(jié)論

通過電子鼻和GC-MS對(duì)咸鲅魚加工過程中揮發(fā)性成分變化進(jìn)行研究,表明腌制和干燥是咸魚特征風(fēng)味形成的主要過程。咸鲅魚的特征風(fēng)味主要由醛、醇、酮及烴類化合物構(gòu)成,其中己醛、壬醛、正辛醛、庚醛、(Z)-4-庚烯醛、苯甲醛、1-戊烯-3-醇、1-辛烯-3-醇是咸鲅魚主體風(fēng)味的主要成分。庚醛、正辛醛主要在腌制階段產(chǎn)生,己醛、壬醛、(Z)-4-庚烯醛、苯甲醛、1-戊烯-3-醇、1-辛烯-3-醇在腌制和干燥階段均產(chǎn)生。研究咸魚在加工過程主體風(fēng)味變化過程,為進(jìn)一步優(yōu)化加工工藝提高咸魚品質(zhì)奠定理論基礎(chǔ)。