玉米凍藏過程中揮發(fā)性成分變化及主成分分析

徐瑞，李洪軍,2，賀稚非,2*

1(西南大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院，重慶，400716) 2(重慶市特色食品工程技術(shù)研究中心，重慶，400716)

玉米(ZeamaysL.)是禾本科玉蜀黍?qū)?年生草本植物，在全球三大谷物中，總產(chǎn)量和平均單產(chǎn)均居于世界首位，也是我國的主要糧食作物之一。玉米生產(chǎn)季節(jié)性強，有研究表明，玉米在儲藏過程中水分、可溶性糖、可溶性蛋白含量存在不同程度的下降，呼吸強度增大，直接影響了玉米的風(fēng)味與食用品質(zhì)[1]。特殊的玉米香氣是玉米氣味感官質(zhì)量的獨特特征，也是感官評定的重要指標(biāo)之一。

食品中揮發(fā)性成分的提取方法主要包括超臨界萃取法[2]、蒸餾萃取法、固相微萃取法等。頂空-固相微萃取(HS-SPME)技術(shù)由于其具有對樣品處理簡單[4]、萃取溫度溫和、低沸點揮發(fā)物損失少[5]、成本低[6]、環(huán)境友好[7]等特點，廣泛應(yīng)用于各類食品揮發(fā)性成分分析[8-10]。主成分分析(PCA)是一種多變量統(tǒng)計工具，通過數(shù)學(xué)降維的方法，用幾個綜合變量來代替原來眾多的變量，可以簡化數(shù)據(jù)并揭示變量間的關(guān)系[11]。目前，主成分分析作為一種多元分析技術(shù)已廣泛應(yīng)用于不同物質(zhì)的揮發(fā)性風(fēng)味成分的綜合分析中[7, 12-13]。

在玉米揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)檢測方面，早在1978年，MICHAEL[14]等就采用GC-MS檢測了玉米中揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)。而近年來，國內(nèi)學(xué)者也對玉米中揮發(fā)性成分進(jìn)行了研究，例如：褚能明等[7]對不同品種的鮮食甜糯玉米揮發(fā)性風(fēng)味進(jìn)行了分析，宋江峰等對玉米罐頭加工[15]和貯藏[16]過程中的揮發(fā)性風(fēng)味進(jìn)行了分析，馬良[17]等研究了玉米常溫貯藏下?lián)]發(fā)性成分變化，但是目前對鮮食玉米在凍藏過程中揮發(fā)性風(fēng)味成分的研究較少。本實驗采用HS-SPME結(jié)合GC-MS，對不同凍藏溫度下凍藏期間玉米揮發(fā)性風(fēng)味成分的種類和相對含量進(jìn)行分析，并對主要揮發(fā)性成分進(jìn)行主成分分析，以期明確凍藏溫度和時間對玉米風(fēng)味的影響，為玉米凍藏保鮮提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

糯玉米，購于重慶市大足區(qū)龍頭農(nóng)產(chǎn)品公司；BSA323S型電子天平，賽多利斯科學(xué)儀器(北京)有限公司；HH-S型恒溫水浴鍋，常州普天儀器制造有限公司；固相微萃取裝置(配有50/30μm DVB/CAR/PDMS萃取頭)，美國Supelco公司；QP2010型氣相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用儀(配有EI離子源及GC-MS solution 2.50工作站)，日本島津公司。

1.2 方法

1.2.1 樣品處理

取無損無傷的新鮮玉米，去掉最外一層包衣后，分別在-4、-18、-40℃條件下貯藏，在1、2、3個月時分別取樣，對揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)進(jìn)行測定和分析。為方便表示，3個溫度依次為T1、T2、T3，3個貯藏時間依次為S1、S2、S3。

1.2.2 揮發(fā)性風(fēng)味成分的提取

采用HS-SPME方法對玉米揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)進(jìn)行采集，參考LAOPONGSIT等[18]和馬良等[17]的方法，略做改動。

取3.5 g完整無損的玉米粒樣品，加入頂空進(jìn)樣瓶中，用聚四氟乙烯隔墊密封，手動插入50/30 μm DVB/CAR/PDMS萃取頭，在70 ℃恒溫水浴中萃取60 min。萃取完畢后，迅速插入氣相色譜進(jìn)樣口，在250 ℃不分流模式下解析3 min。

1.2.3 氣相色譜-質(zhì)譜檢測

氣相色譜條件：色譜柱為DB-5MS毛細(xì)管柱(30 m×0.25 mm，0.25 μm)；程序升溫：柱溫箱起始溫度40 ℃，保持4 min；先以8 ℃/min速率升溫至120 ℃，保持5 min；再以6 ℃/min速率升溫至250 ℃，保持5 min；載氣為高純氦氣，柱流量1.0 mL/min，壓力49.7 kPa；進(jìn)樣口溫度250 ℃；進(jìn)樣量1 μL；進(jìn)樣方式：不分流模式。

質(zhì)譜條件：離子源溫度200 ℃，接口溫度250 ℃；溶劑延遲時間3.1 min；電離方式為EI；電子能量70 eV；質(zhì)量掃描范圍(m/z)為35～400，掃描速度769 u/s，采集方式為SCAN模式。

1.2.4 揮發(fā)性成分定性與定量分析

定性分析：經(jīng)GC-MS分析后，通過計算機檢索與儀器所配置的NIST08、NIST08s、PEST_EI、PESTEI_3標(biāo)準(zhǔn)譜庫進(jìn)行對照確定，篩選記錄匹配度大于80(最大值為100)的物質(zhì)。定量分析：按峰面積歸一化法進(jìn)行，求得各揮發(fā)性成分的相對百分含量。

1.2.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用IBM SPSS Statistics 20.0軟件對玉米揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行主成分分析(PCA)。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米不同貯藏階段揮發(fā)性成分的總體結(jié)果

從9個樣品中共檢測出259種揮發(fā)性成分，其中烴類83種、醇類18種、酮類26種、醛類38種、酸類19種、酯類60種、其他類15種。在S1T1、S1T2、S1T3、S2T1、S2T2、S2T3、S3T1、S3T2、S3T3中分別檢測出了106、118、138、78、89、78、99、95、85種揮發(fā)性成分，如表1所示。

表1 不同貯藏階段揮發(fā)性成分種類及相對含量

注：S1、S2、S3分別代表貯藏1、2、3個月，T1、T2、T3分別代表貯藏溫度為-4、-18、-40 ℃。

隨著貯藏時間的增加，當(dāng)貯藏溫度為-4 ℃(T1)和-18 ℃(T2)時，烴類物質(zhì)相對含量呈先增加后減少趨勢；醇類物質(zhì)種類數(shù)量及相對含量均不斷增加；酮類物質(zhì)種類不斷減少。當(dāng)貯藏溫度為-18 ℃(T2)與-40 ℃(T3)時，醛、酸、酯類物質(zhì)相對含量呈先減少后增加趨勢。存在區(qū)別的是，當(dāng)貯藏溫度為-4 ℃(T1)時，醛類物質(zhì)相對含量不斷增加；酸類物質(zhì)的種類數(shù)量和相對含量均不斷降低。而當(dāng)貯藏溫度為-40 ℃(T3)時，烴類物質(zhì)相對含量逐漸增加；醇類物質(zhì)種類數(shù)量不斷增加，而相對含量呈先增加后降低趨勢；酮類物質(zhì)種類數(shù)量與相對含量不斷減少。

另外，當(dāng)貯藏時間為1個月時(S1)，貯藏溫度越低，烴類、酮類物質(zhì)種類數(shù)量越多，相對含量越??；與-4 ℃和-40 ℃相比，在-18 ℃貯藏環(huán)境下，醇類、醛類物質(zhì)相對含量較大，酸類、酯類物質(zhì)相對含量較小。當(dāng)貯藏時間為2個月(S2)時，貯藏溫度越低，醇類物質(zhì)相對含量越大；醛、酸、酯類物質(zhì)在-4 ℃貯藏環(huán)境下相對含量較多；烴類、酮類物質(zhì)在-18 ℃貯藏環(huán)境下種類數(shù)量與相對含量較大。當(dāng)貯藏時間為3個月(S3)時，貯藏溫度越低，烴、酮、酯類物質(zhì)相對含量越大；醛類物質(zhì)種類數(shù)量和相對含量越低；與-4 ℃和-40 ℃相比，-18 ℃貯藏環(huán)境下的醇類、酸類物質(zhì)相對含量較大。

2.2 玉米貯藏過程中主要揮發(fā)性成分的變化分析

檢測到的63種主要揮發(fā)性成分在各樣品中的相對含量如表2所示。

表2 不同貯藏階段的主要揮發(fā)性成分及相對含量

續(xù)表2

中文名S1T1S1T2S1T3S2T1S2T2S2T3S2T1S2T2S2T3硬脂酸2.692.541.96------4-甲基-2-二甲氨基-戌酸0.610.490.97---0.801.951.02亞油酸1.700.871.030.06-----正十四碳酸1.690.471.31------巖芹酸0.630.541.22------癸二酸二壬酯---8.873.644.050.04--抗壞血酸二棕櫚酸酯7.413.845.21------正己酸乙烯酯------5.754.725.29十四酸異丙酯0.520.160.168.172.483.05---棕櫚酸異丙酯---5.901.462.030.400.310.65棕櫚酸乙酯2.131.711.770.860.710.71---棕櫚酸甲酯------0.721.891.479-十六碳烯酸乙酯0.160.56-0.180.740.31-0.851.03亞油酸乙酯0.960.841.23------鄰苯二甲酸二異丁酯0.240.080.071.000.310.450.160.240.2612-十三烷酸甲酯1.470.630.58------硬脂酸乙酯-0.330.360.60--0.060.131.02正己酸乙酯------0.831.24-2-正戊基呋喃8.906.646.153.2114.086.775.645.286.64

注：S1、S2、S3分別代表貯藏1、2、3個月，T1、T2、T3分別代表貯藏溫度為-4、-18、-40 ℃。

2.2.1 烴類物質(zhì)變化

烷烴是植物蠟質(zhì)重要組成部分之一，在自然界植物的葉、莖、花以及果實等器官和組織的表面廣泛存在，常應(yīng)用于植物個體差異性和種群多樣性研究[19]。由表2可知，正十七烷、正十六烷、2,6,10-三甲基-十五烷等的相對含量在貯藏期間均呈先上升后下降趨勢，且-4 ℃貯藏時變化更明顯。雖然烴類物質(zhì)總相對含量較高，但通常其閾值較高，根據(jù)香味物質(zhì)與分子結(jié)構(gòu)的理論可知[3]，烴類物質(zhì)對玉米風(fēng)味的貢獻(xiàn)不大。

2.2.2 醇類物質(zhì)變化

在貯藏期間，醇類物質(zhì)種類由2～4種增加至7～10種，相對含量增加的有飽和醇(正己醇)、半萜醇(芳樟醇、柏木醇)、烯醇(順-3-壬烯-1-醇)等，這可能來源于脂氧合酶對部分脂肪酸的氧化作用、醇脫氫酶對部分醛類物質(zhì)的還原作用[20]、酯類物質(zhì)的水解反應(yīng)[21]等。通過比較三種貯藏溫度發(fā)現(xiàn)，-4 ℃與-18 ℃貯藏時的種類數(shù)量變化較大，表明-4 ℃與-18 ℃條件下比更低溫度貯藏時更易發(fā)生上述反應(yīng)，產(chǎn)生了新的醇類物質(zhì)。飽和醇風(fēng)味閾值較高，香味不明顯；不飽和醇閾值較低，具有蘑菇香氣[21]，對玉米香氣存在一定貢獻(xiàn)。

2.2.3 酮類物質(zhì)變化

酮類物質(zhì)具有一定果香味，由表1可知，在貯藏期間酮類物質(zhì)種類由15～19種減少至10種，相對含量由12.58%～14.45%減少至9.13%～10.39%。與其他兩個貯藏溫度相比，當(dāng)貯藏1個月時，-4 ℃貯藏溫度下酮類物質(zhì)相對含量較高，而當(dāng)貯藏2、3個月時，-40 ℃貯藏溫度下酮類物質(zhì)相對含量較高。從表2可看出，2-庚酮的相對含量在酮類物質(zhì)中所占比例最大(近一半)，由于其具有類似梨的水果香味，對玉米香氣風(fēng)味有一定的保持作用。貯藏2、3個月時，-18 ℃、-40 ℃下的2-庚酮相對含量均高于-4 ℃條件下，表明凍藏溫度越低時，保持效果越好。2,3-辛二酮、4-甲基二苯甲酮在三個溫度貯藏到第3個月時均變?yōu)槲礄z出，而前者具有甜的奶油香，說明在貯藏期間玉米特有的香氣風(fēng)味存在逸散。2-壬酮、3-辛烯-2-酮、3,5-辛二烯-2-酮、1-辛烯-3-酮的相對含量波動較大，可能由于香氣的逸散和美拉德反應(yīng)、不飽和脂肪酸氧化分解反應(yīng)[16]的共同作用。有研究表明，一些酮類物質(zhì)在低閾值時與醛類或其他物質(zhì)存在相互作用，產(chǎn)生氣味增強或改變現(xiàn)象[21]。

2.2.4 醛類物質(zhì)變化

醛類物質(zhì)是揮發(fā)性成分的重要組成，多具有果香等令人愉悅的香味，因為閾值較低，對風(fēng)味形成起重要的作用[23]。本研究檢出的醛類主要包括飽和醛(己醛、庚醛、壬醛等)、單烯醛(反式-2-壬烯醛、反式-2-辛烯醛)，多為直鏈醛。結(jié)果表明，癸醛、辛醛、十二醛、7-十六烯醛等醛類物質(zhì)在貯藏3個月時相對含量均呈下降趨勢，壬醛在貯藏2個月時相對含量下降。其中，壬醛有花香和柑橘味、癸醛具有柑橘味和糖果味、辛醛有青草味和水果香、十二醛具有椰子香[17]，表明在貯藏期間玉米特有的香氣風(fēng)味逐漸散失。而壬醛相對含量在第3個月時上升，己醛、反式-2-壬烯醛、反式-2-辛烯醛在貯藏3個月期間相對含量呈上升趨勢，推測其來源于不飽和脂肪酸的部分氧化。當(dāng)貯藏3個月時，貯藏溫度越高，乙醛相對含量越大，其中-4 ℃下己醛相對含量最高達(dá)到32.3%，表明在-4 ℃貯藏溫度下存在較大反應(yīng)。各醛類物質(zhì)相對含量變化不一，可能由于不飽和脂肪酸氧化分解生成和酯化反應(yīng)消耗的共同作用。

2.2.5 酸類物質(zhì)變化

由表1可知，隨著貯藏時間的增加，-4、-18、-40 ℃條件下酸類物質(zhì)種類數(shù)量分別由11、9、16種減少至2、2、1種，相對含量分別由19.26%、10.83%、18.59%減少至0.88%、2.08%、1.02%。由表2可知，相對含量較高的反油酸、硬脂酸、亞油酸、十四碳酸等多種酸類物質(zhì)在3個溫度貯藏時均減少至未檢出，表明在本實驗條件下存在酸類物質(zhì)的大量減少，這與不飽和脂肪酸存在氧化的推測相符合。貯藏1個月時，貯藏溫度越高，反油酸、硬脂酸相對含量越高，這可能與脂肪分解有關(guān)。脂肪酸含量通常被視為谷物類品質(zhì)劣變的重要指標(biāo)之一[24]，玉米在禾谷類糧食中脂肪含量較高，貯藏過程中易發(fā)生脂類的分解，產(chǎn)生脂肪酸。而本研究中并無脂肪酸的大量增加，表明玉米在本實驗貯藏條件下無大量脂類分解，與馬良[17]等的25 ℃常溫貯藏存在差異。

2.2.6 酯類物質(zhì)變化

酯類物質(zhì)也是玉米揮發(fā)性成分的重要組成部分，多具有水果樣芳香味[25]，對玉米香氣起重要作用[26]。隨著貯藏時間的增加，酯類物質(zhì)種類由27～34種減少至16～23種，相對含量由14.15%～21.06%減少至9.61%～12.72%。其中，抗壞血酸二棕櫚酸酯、棕櫚酸乙酯、亞油酸乙酯、12-十三烷酸甲酯4種酯類在3個貯藏溫度下貯藏1個月時含量較高，占酯類總相對含量的近一半，在貯藏3個月時均減少至未檢出，表明酯類物質(zhì)在本實驗貯藏條件下減少，可能由于水解反應(yīng)的結(jié)果[21]。其中，棕櫚酸乙酯具有奶油香氣，表明在貯藏期間玉米特有的香氣風(fēng)味成分存在減少情況。此外，貯藏1個月時，貯藏溫度越低，抗壞血酸二棕櫚酸酯、棕櫚酸乙酯、12-十三烷酸甲酯相對含量越小。癸二酸二壬酯、十四酸異丙酯、棕櫚酸異丙酯在貯藏2個月時突然增加，且-4 ℃貯藏下比-18 ℃和-40 ℃增加較多，可能由于酯化反應(yīng)的結(jié)果。

2.3 玉米貯藏過程中主要揮發(fā)性成分的主成分分析結(jié)果

使用SPSS 20.0軟件對主要揮發(fā)性成分進(jìn)行主成分分析，提取特征根大于1的主成分，得到主成分的特征值和特征向量見表3。由表3可知，第1主成分的貢獻(xiàn)率為31.207%，第2主成分的貢獻(xiàn)率為27.238%，第3主成分的貢獻(xiàn)率為15.371%，第4主成分的貢獻(xiàn)率為7.908%，第5主成分的貢獻(xiàn)率為6.547%。前5個主成分的累計貢獻(xiàn)率達(dá)88.270%，基本代表了樣品主要揮發(fā)性成分的組成，反映了原始變量的絕大部分信息，達(dá)到了降維目的。

表3 主成分的特征值及其貢獻(xiàn)率

由表4主成分載荷矩陣可知各主成分各變量的載荷值。

第1主成分中載荷較高的正影響揮發(fā)性成分有棕櫚酸乙酯、癸醛、2,3-辛二酮、4-甲基二苯甲酮、辛醛，載荷值分別為0.839、0.819、0.770、0.741、0.719，主要指向醛、酮類物質(zhì)；負(fù)向影響最大的為正己酸乙烯酯，載荷值為-0.958。

第2主成分中載荷較高的正影響揮發(fā)性成分依次為植烷、癸二酸二壬酯、棕櫚酸異丙酯、鄰苯二甲酸二異丁酯、十四酸異丙酯、2-甲基-3-乙基-1,3-己二烯，載荷值分別為0.962、0.858、0.832、0.798、0.796、0.790，主要指向酯類物質(zhì)；負(fù)向影響最大的為7-十六烯醛，載荷值為-0.817。

第3主成分中載荷較高的正影響揮發(fā)性成分的依次為2,6-二甲基-6-(4-甲基-3-戊烯基)雙環(huán)[3.1.1]庚-2-烯、2-正戊基呋喃、1,7-二甲基-7-(4-甲基-3-戊烯基)-三環(huán)[2.2.1.0(2,6)]庚烷、1-甲基-4-(5-甲基-1-亞甲基-4-己烯基)環(huán)己烯、3-辛烯-2-酮，載荷值分別為0.953、0.927、0.917、0.880、0.838，主要指向不飽和環(huán)烴類物質(zhì)；負(fù)向影響最大的為苯甲醛，載荷值為-0.660。

第4主成分中貢獻(xiàn)最大的是硬脂酸乙酯、順-3-壬烯-1-醇，載荷值分別為0.720、0.703；負(fù)向影響最大的為3,5-二甲基環(huán)己醇，載荷值為-0.588。第5主成分中載荷較高的正影響揮發(fā)性成分是庚醛，載荷值為0.486；負(fù)向影響最大的為正二十八烷，載荷值為-0.844。

主成分載荷矩陣顯示了各變量與各主成分之間的關(guān)系，數(shù)值的絕對值越大，表明該指標(biāo)與某一主成分的聯(lián)系緊密程度越大，反映了該指標(biāo)在該主成分上的載荷程度；載荷值小的揮發(fā)性成分對玉米的揮發(fā)性風(fēng)味貢獻(xiàn)小，同時也表明它的含量極低或未檢出。第1主成分和第2主成分的累計貢獻(xiàn)率為58.445%，說明這2個主成分對玉米揮發(fā)性成分的貢獻(xiàn)超過一半。由此可見，醛、酮、酯類物質(zhì)對玉米揮發(fā)性成分影響較大，可以認(rèn)為，棕櫚酸乙酯、癸醛、2,3-辛二酮、4-甲基二苯甲酮、辛醛、植烷、癸二酸二壬酯、棕櫚酸異丙酯、鄰苯二甲酸二異丁酯、十四酸異丙酯是玉米揮發(fā)性成分的主要特征化合物。

由表3可知，前2個主成分累計貢獻(xiàn)率為58.445%，前3個主成分累計貢獻(xiàn)率為73.816%，說明前2、3個主成分對玉米揮發(fā)性成分的貢獻(xiàn)均超過一半。分別作63種揮發(fā)性成分和9個樣品的主成分散點圖，2D圖分別以PCA 1、PCA 2為X、Y軸，3D圖分別以PCA 1、PCA 2、PCA 3為X、Y、Z軸，見圖1、圖2。

圖1 63種揮發(fā)性成分的主成分散點圖

Fig.1 PCA biplot for 63 volatile components

由圖1-a圖可知，大部分揮發(fā)性成分處于一、二、四象限。由圖2可以看出，9個樣品呈明顯的三組分布，S1T1、S1T2、S1T3為一組、S2T1、S2T2、S2T3為一組、S3T1、S3T2、S3T3為一組，表明貯藏時間對揮發(fā)性成分影響較大；S1T2、S1T3相比S1T1較為接近、S2T2、S2T3相比S2T1較為接近、S3T1、S3T2、S3T3較為接近，表明在貯藏1、2個月時，-18 ℃和-40 ℃相比-4 ℃貯藏下?lián)]發(fā)性成分較為接近，在貯藏3個月時，3種貯藏溫度下玉米揮發(fā)性成分整體差異不大。

圖2 9個樣品的主成分散點圖

Fig.2 PCA biplot for 9 corn samples

3 結(jié)論

通過HS-SPMC結(jié)合GS-MS技術(shù)，對不同凍藏溫度下貯藏期間玉米揮發(fā)性風(fēng)味成分的種類和相對含量進(jìn)行分析，共檢出烴類、醇類、醛類、酮類、酸類、酯類和少量其他類7大類物質(zhì)，共259種。研究發(fā)現(xiàn)，隨著貯藏時間的增加，醛、酸、酯類物質(zhì)在貯藏溫度為-18 ℃與-40 ℃時相對含量呈先減少后增加趨勢；醇類物質(zhì)在貯藏溫度為-4 ℃和-18 ℃時種類數(shù)量及相對含量均不斷增加。此外，當(dāng)貯藏1個月時，貯藏溫度越低，烴類、酮類物質(zhì)相對含量越??；貯藏3個月時，貯藏溫度越低，烴、酮、酯類物質(zhì)相對含量越大；而醛類物質(zhì)種類與相對含量越小。

選取63種主要揮發(fā)性成分，利用多元統(tǒng)計軟件進(jìn)行主成分分析，結(jié)果表明，前5個主成分累計貢獻(xiàn)率達(dá)88.270%，基本反映了玉米揮發(fā)性成分的整體信息。揮發(fā)性成分主要指向醛、酮、酯類物質(zhì)，棕櫚酸乙酯、癸醛、2,3-辛二酮、4-甲基二苯甲酮、辛醛、植烷、癸二酸二壬酯、棕櫚酸異丙酯、鄰苯二甲酸二異丁酯、十四酸異丙酯是玉米揮發(fā)性成分的主要特征化合物。從樣品主成分散點圖可看出，9個樣品呈明顯的3組分布，表明貯藏時間對揮發(fā)性成分影響較大；在貯藏1、2個月時，-18 ℃和-40 ℃相比-4 ℃貯藏下?lián)]發(fā)性成分較為接近，在貯藏3個月時，3種貯藏溫度下玉米的揮發(fā)性成分整體差異不大。綜合考慮經(jīng)濟因素表明在-18 ℃下貯藏2個月可較好地保存玉米的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)。