基于電子鼻和氣相離子遷移譜對美人椒醬的風(fēng)味分析

(四川旅游學(xué)院食品學(xué)院,四川成都 610100)

食品的氣味主要由鼻腔上部的嗅覺上皮細(xì)胞感知,揮發(fā)性芳香物質(zhì)通過刺激鼻腔內(nèi)的嗅覺神經(jīng)細(xì)胞而在中樞引起的一種感覺[1]。但個體差異、喜好、生理和心理狀況等對嗅覺的影響較大,所以,依靠人的鼻子對食品氣味進(jìn)行辨別的穩(wěn)定性和重復(fù)性較差。電子鼻是智能嗅覺識別系統(tǒng),通過模擬人的生理嗅覺傳感技術(shù),將傳感器陣列所獲得的被分析物質(zhì)的響應(yīng)信號,再利用參數(shù)模型技術(shù)[2]把響應(yīng)信號處理成坐標(biāo),從而形成指紋圖譜,得到不同氣味之間的差異,進(jìn)而能避免生理嗅覺的缺陷,保證同一樣品的穩(wěn)定性和重復(fù)性[3]。目前,電子鼻在辣椒及其制品在風(fēng)味檢測方面得到廣泛應(yīng)用,如辣椒發(fā)酵后揮發(fā)性成分檢測[4]、不同包裝貨架期線椒檢測分析[5]、自發(fā)氣調(diào)包裝對辣椒貯藏品質(zhì)的影響[6]、電子鼻在辣椒粉風(fēng)味評價中的應(yīng)用[7]、不同加工方式辣椒制品的品質(zhì)研究[8]等。這說明電子鼻能夠?qū)⒗苯芳捌渲破窂臍馕渡峡焖賲^(qū)分開。

目前,對辣椒及其制品的風(fēng)味成分分析的主流方法是氣相色譜-質(zhì)譜法(GC-MS)[9-11],但該方法對于像鄰二甲苯和間二甲苯類型的同分異構(gòu)體和極性相近的物質(zhì)分辨率較差,且對低保留指數(shù)(RI)和痕量物質(zhì)的靈敏度較低。氣相-離子遷移譜是近年來出現(xiàn)的一種新型氣相分離和檢測技術(shù)[12-13],該項技術(shù)整合了GC-IMS在分離和檢測方面的優(yōu)勢,形成具有高靈敏度、高分辨率、操作簡便、分析高效等特點,特別適合于一些揮發(fā)性有機(jī)化合物的痕量檢測。目前,國內(nèi)外將GC-IMS用于食品檢測分析的相關(guān)文獻(xiàn)較少,且主要集中于植物油工藝[14]、植物油種類鑒別及摻假檢測[15-17]、菌類風(fēng)味成分分析[18]、鮮凍肉品儲藏時間及解凍方式判別[19-20]、減肥類保健食品檢測[21]、保鮮方式對水產(chǎn)品風(fēng)味的影響[22]等方面,目前尚未見GC-IMS應(yīng)用于辣椒醬的報道。

本研究以發(fā)酵前后和炒制前后不同加工工藝的6種美人椒醬為研究對象,采用電子鼻和HS-GC-IMS對樣品進(jìn)行揮發(fā)性風(fēng)味成分分析,并對采集到的揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析(PCA)和判別因子分析(DFA),將數(shù)據(jù)以可視化的方式表示出來,以期為辣椒醬不同加工工藝的識別提供一種新的檢測方法。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新鮮紅美人椒、花椒、生姜、蒜 市售;白糖 太古糖業(yè)有限公司;食用油 秦皇島金海食品工業(yè)有限公司;食鹽 中鹽長江鹽化有限公司;北京二鍋頭酒(56°) 北京時代坊龍酒業(yè)有限公司。

FOX4000電子鼻(由18個金屬氧化物傳感器組成)、Alpha SOFTV12數(shù)據(jù)分析軟件 法國Alpha MOS公司;FlavourSpec?食品風(fēng)味分析儀(含CTC自動頂空進(jìn)樣器、Laboratory Analytical Viewer(LAV)分析軟件、GC×IMS Library Search軟件及軟件內(nèi)置的NIST數(shù)據(jù)庫和IMS數(shù)據(jù)庫對物質(zhì)進(jìn)行定性分析) 德國G.A.S公司;TP101電子數(shù)顯食品溫度計 世紀(jì)怡豐科技有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品準(zhǔn)備 根據(jù)參考文獻(xiàn)[23-24]和預(yù)實驗,確定待測樣品的制備工藝如下:

樣品1:將新鮮紅美人椒去柄洗凈、瀝干后,搗碎即得新鮮紅美人椒醬。密封待測。

樣品2:取55 g樣品1、食用油64.21 g、油溫248.5 ℃、炒制3.0 min,冷卻后密封待測。

樣品3:新鮮紅美人椒180.0 g,涼開水800.0 mL,鹽水比1.5∶10,自然發(fā)酵16 d后撈出瀝干,搗碎,密封待測。

樣品4:取55 g樣品3、食用油64.21 g、油溫248.5 ℃、炒制3.0 min,冷卻后密封待測。

樣品5:新鮮紅美人椒180.0 g,涼開水800.0 mL,鹽水比1.5∶10,花椒11.0 g,生姜80.0 g,白糖25.0 g,大蒜10.0 g,白酒10.0 g,自然發(fā)酵16 d后撈出瀝干,搗碎,密封待測。

樣品6:取55 g樣品5、食用油64.21 g、油溫248.5 ℃、炒制3.0 min冷卻后密封待測。

1.2.2 電子鼻檢測

1.2.2.1 樣品處理 準(zhǔn)確稱取1.0 g樣品于10 mL的頂空瓶中,加蓋,密封,編號,待測。

1.2.2.2 分析參數(shù) 手動進(jìn)樣,頂空加熱時間300 s,頂空溫度70 ℃,載氣為合成干燥空氣,進(jìn)樣量為1500 μL,進(jìn)樣速度為1500 μL/s,數(shù)據(jù)采集周期為1.0 s,數(shù)據(jù)采集時間為120 s,數(shù)據(jù)采集延遲180 s,數(shù)據(jù)采集流量150 mL/min。平行測定5次,取后3次傳感器在第120 s時獲得的穩(wěn)定信號進(jìn)行分析。

1.2.3 氣相色譜-離子遷移譜(GC-IMS)分析方法

1.2.3.1 自動進(jìn)樣器條件 孵化溫度:60 ℃;孵化時間:30 min;進(jìn)樣方式:頂空進(jìn)樣;進(jìn)樣體積:200 μL;進(jìn)樣針溫度:65 ℃;加熱方式:振蕩加熱;振蕩速度:500 r/min;不分流;清洗時間:5 min。

1.2.3.2 GC條件 色譜柱:FS-SE-54-CB-1;石英毛細(xì)管柱(15 m×0.53 mm,0.5 μm);色譜柱溫度:50 ℃;載氣:N2(純度≥99.999%);載氣流速:初始流速0～2 min,2 mL/min;2～10 min,2～20 mL/min;10～20 min,20～100 mL/min;20～30 min,100～150 mL/min;分析時間:30 min。

1.2.3.3 IMS檢測條件 漂移管長度:98 mm;管內(nèi)線性電壓:500 V/cm;漂移管溫度:45 ℃;漂移氣:N2(純度≥99.999%);漂移氣流量:150 mL/min;放射源:β射線(氚,3H);離子化模式:正離子。平行測定3次。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理 利用電子鼻的Alpha SOFTV12數(shù)據(jù)分析軟件對捕獲的美人椒醬風(fēng)味數(shù)據(jù)進(jìn)行PCA及DFA分析;利用FlavourSpec?配備的Laboratory Analytical Viewer(LAV)分析軟件及GC×IMS Library Search定性軟件對美人椒醬的VOCs 進(jìn)行采集和分析;軟件內(nèi)置的NIST數(shù)據(jù)庫和IMS數(shù)據(jù)庫對物質(zhì)進(jìn)行定性分析。

化合物保留指數(shù)(RI值)計算方法:通過測試已知保留指數(shù)標(biāo)品(2-丁酮、2-戊酮、2-己酮、2-庚酮、2-辛酮、2-壬酮)的保留時間,經(jīng)FlavourSpec?自帶的GC×IMS Library Search軟件擬合出保留時間與保留指數(shù)RI的關(guān)系,再將美人椒醬HS-GC-IMS捕捉到的VOCs的保留時間轉(zhuǎn)化為保留指數(shù)RI。

用Excel和Origin軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計和繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 電子鼻(E-nose)對不同加工方式的6種美人椒醬的風(fēng)味響應(yīng)

2.1.1 不同加工方式美人椒醬的雷達(dá)圖 根據(jù)6種美人椒醬在各傳感器上平行測定數(shù)據(jù)的平均響應(yīng)值,建立雷達(dá)指紋圖譜和傳感器信號強(qiáng)度圖,見圖1。由圖1可知,美人椒醬風(fēng)味差異主要集中在T30/1、P10/1、P10/2、P40/1、T70/2、PA/2、P30/1、P40/2、P30/2、T40/2、T40/1、TA/2等12根傳感器上,表明電子鼻對采用不同加工方式的美人椒醬樣品風(fēng)味區(qū)分效果較好,尤其是在傳感器P10/1、P40/1、T70/2、PA/2、P40/2、TA/2上,區(qū)分效果更佳?？傮w而言,電子鼻對未炒制的樣品即樣品1、樣品3和樣品5的響應(yīng)信號較強(qiáng);對炒制的樣品即樣品2、樣品4和樣品6區(qū)分度更佳;P10/1、P10/2、P40/1、T70/2、PA/2、P30/1、P40/2、P30/2、T40/2、T40/1、TA/2對炒制前后的樣品,即樣品1和樣品2、樣品3和樣品4、樣品5和樣品6區(qū)分度佳;炒制前的響應(yīng)信號強(qiáng)于炒制后,說明經(jīng)過熱處理后,醇類化合物、硫化物、碳?xì)浠衔锏扔袡C(jī)化合物有所損失。炒制前的三種樣品在傳感器P10/1、P10/2、P40/1、T70/2、PA/2、P30/2、TA/2上的響應(yīng)信號強(qiáng)度,樣品5的響應(yīng)信號均強(qiáng)于樣品1和樣品3;炒制后的樣品在傳感器 T30/1、P10/1、P10/2、P40/1、T70/2、PA/2、P30/1、P40/2、P30/2、T40/2、T40/1、TA/2上的響應(yīng)信號強(qiáng)度,按照樣品2、樣品4和樣品6依次遞增。以上說明,含香辛料自然發(fā)酵制備的樣品風(fēng)味更佳。

圖1 電子鼻檢測不同加工方式的6種美人椒醬的風(fēng)味雷達(dá)圖Fig.1 The radar fingerprint of the different processing methodsCapsicum frutescens L. sauce by E-nose

2.1.2 不同加工方式美人椒醬的PCA和DFA分析 由圖2a可知,第一主成分(PC1)貢獻(xiàn)率為83.96%,第二主成分(PC2)貢獻(xiàn)率為13.108%,PC1與PC2的貢獻(xiàn)率之和為97.068%,說明對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行線性變換和降維時,核心成分有效的保留,分析結(jié)果能反映出樣品的總體特征[25]。樣品1和樣品2的主要差異在PC1,樣品3和樣品4的主要差異在PC2,樣品5和樣品6的主要差異在PC1。DFA將不同數(shù)據(jù)之間的差異擴(kuò)大,縮小同類數(shù)據(jù)的差異。由DFA圖可知,美人椒醬樣品在DFA中能夠更好的被區(qū)分。因此,電子鼻能將采用不同加工方式的美人椒醬樣品的風(fēng)味物質(zhì)進(jìn)行有效地區(qū)分,6種美人椒醬樣品的風(fēng)味物質(zhì)存在明顯差異。

圖2 電子鼻對不同加工方式的6種美人椒醬風(fēng)味的PCA和DFA圖Fig.2 PCA and DFA chart of the different processing methods Capsicum frutescens L. sauce by E-nose

2.2 頂空氣相-離子遷移譜(HS-GC-IMS)數(shù)據(jù)分析

2.2.1 美人椒醬的HS-GC-IMS分析 在進(jìn)行HS-GC-IMS分析前,將樣品冷至室溫、密封、冷藏。分析時,采用頂空進(jìn)樣,最大程度地保留美人椒醬所產(chǎn)生的VOCs特征組分,避免由于外界條件如溫度等的波動導(dǎo)致樣品中易揮發(fā)物質(zhì)的損失,以確保分析結(jié)果的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

圖3為美人椒醬的HS-GC-IMS二維譜圖,縱坐標(biāo)為GC分離時VOCs 的保留時間,橫坐標(biāo)為IMS分離時VOCs相對于反應(yīng)離子峰的漂移時間。反應(yīng)離子峰右側(cè)的每一個點代表一種VOCs,藍(lán)色為背景,紅色代表物質(zhì)成分,顏色越深表示含量越高。從圖3中可以看出不同加工工藝組樣品內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)物可通過GC-IMS很好地分離,且可直觀看出不同加工工藝下的VOCs差別,根據(jù)VOCs氣相色譜保留時間和離子遷移時間對VOCs進(jìn)行定性分析。美人椒醬在不同加工工藝過程中,共檢測出103種VOCs,通過與內(nèi)置的NIST 2014氣相保留指數(shù)數(shù)據(jù)庫和G.A.S的IMS遷移時間數(shù)據(jù)庫進(jìn)行二維定性,確定了38 種VOCs(見表1)。為了更為直觀對比不同加工工藝間VOCs的差異,利用LAV軟件的Gallery Plot插件,自動生成VOCs指紋圖譜(見圖5)。

圖4為采用美人椒醬的HS-GC-IMS三維譜圖,第三維坐標(biāo)為VOCs在IMS中的離子峰強(qiáng)度。HS-GC-IMS根據(jù)樣品中復(fù)雜的VOCs組分與色譜柱固定相之間的作用力強(qiáng)弱進(jìn)行初步的GC分離,不同保留時間流出的組分以氣態(tài)分子的形式被離子源軟電離后形成分子離子群,由于組分離子在質(zhì)量、碰撞截面和電荷數(shù)等因素上的差異,在環(huán)境氣壓下由周期性離子脈沖驅(qū)動先后進(jìn)入線性漂移電場并獲得不同的遷移速率并進(jìn)行二次分離,通過獲取離子漂移時間和離子峰強(qiáng)度可分別對各組分進(jìn)行定性和定量分析。從圖3和圖4可以看出,采用不同加工工藝的美人椒醬的VOCs的差異主要表現(xiàn)在離子峰的位置、數(shù)量、強(qiáng)度及時間上。從圖3和圖4中明顯地看出具有相同保留時間和漂移時間的VOCs,其斑點的有無和顏色的深淺表示物質(zhì)的積累和分解程度,由此可看出美人椒醬樣品由于加工方式的不同,VOCs的種類和濃度也隨之變化。

圖3 美人椒醬的HS-GC-IMS二維譜圖比較Fig.3 Comparison of two dimensional HS-GC-IMS spectra of Capsicum frutescens L. sauce

圖4 美人椒醬的HS-GC-IMS三維譜圖比較Fig.4 Comparison of three dimensional HS-GC-IMS spectra of Capsicum frutescens L. sauce

2.2.2 美人椒醬中揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)變化分析 圖5是利用儀器FlavourSpec?系統(tǒng)自帶的LAV軟件內(nèi)置的Gallery Plot插件所建立的美人椒醬HS-GC-IMS譜圖中VOCs的指紋圖譜。每一行代表一個樣品,每個樣品平行測定3次,由該樣品所含的全部揮發(fā)性有機(jī)物信號峰組成,每一列為同一保留時間及漂移時間下的有機(jī)物(不同樣品中相同的物質(zhì))的信號峰。從圖5中VOCs的離子峰排列可明顯看出,平行測定的美人椒醬樣品含有共有VOCs,僅區(qū)別于濃度大小,樣品組內(nèi)具有明顯的相似性,不同加工工藝的美人椒醬樣品含有對應(yīng)時間內(nèi)所特有的VOCs,樣品組間則呈現(xiàn)出明顯的差異。

圖5 美人椒醬HS-GC-IMS譜圖中VOCs的指紋圖譜Fig.5 Fingerprints of VOCs in HS-GC-IMS spectrum of Capsicum frutescens L. sauce注:圖5中的字母ABCD表示不同的區(qū)域,橫坐標(biāo)為化合物的編號,縱坐標(biāo)為樣品編號(每個樣品平行測定3次)。

由圖5可知,各樣品的VOCs種類和濃度,組內(nèi)相似度高。以原料美人椒醬樣品1為參照,炒制后的樣品2、樣品4和樣品6與樣品1在VOCs的種類和濃度上有明顯差異;以樣品1為參照,發(fā)酵后的樣品3和樣品5與樣品1在VOCs的種類和濃度也有明顯差異;樣品1和樣品2,樣品3和樣品4,樣品5和樣品6相比,炒制前后的樣品VOCs的種類和濃度間也有明顯差異,進(jìn)一步說明HS-GC-IMS可有效地區(qū)分采用不同加工工藝的美人椒醬。此外,樣品5是在香辛料花椒、生姜、大蒜等作用下自然發(fā)酵的美人椒醬,無論是VOCs的種類還是濃度均高于其他5種樣品,這說明,有香辛料參與發(fā)酵的美人椒醬風(fēng)味最為特別。

由圖5結(jié)合表1(化合物的編號與指紋圖譜一致)可知,圖5中A框(1～31號有機(jī)化合物)為樣品5的特征峰區(qū)域,VOCs有:alpha-萜品醇、芳樟醇、丁香油酚、2-壬酮、麥芽酚、檸檬烯(單體和二聚體)、β-蒎烯、α-蒎烯、2-庚酮、2,5-二甲基吡嗪、呋喃酮/菠蘿酮(二聚體)、2-乙?；秽?二聚體)、三甲基吡嗪、2-庚酮(二聚體)、香蕉油/乙酸異戊酯等,這類揮發(fā)性有機(jī)物在其它幾個樣品中含量很少,進(jìn)一步說明樣品5的風(fēng)味最為獨特,這可能與在新鮮紅美人椒發(fā)酵過程中,加入了香辛料花椒、生姜、蒜等協(xié)同作用有關(guān)。然而,將樣品5炒制后即樣品6中,樣品5的特征峰幾乎全部減弱甚至消失。B框(32～44號有機(jī)化合物)為樣品1的特征峰區(qū)域,VOCs有:己醛(二聚體)、二甲基二硫醚、乙酸戊酯/香蕉油、2-己烯-1-醇(單體和二聚體)。但經(jīng)過炒制和經(jīng)過發(fā)酵后,己醛(二聚體)、二甲基二硫醚、乙酸戊酯/香蕉油、2-己烯-1-醇(單體和二聚體)等的濃度降低甚至消失。C框(45～73號有機(jī)物)為樣品3和樣品5共有的特征峰,可能是提供發(fā)酵風(fēng)味的物質(zhì),檢出的VOCs有:乙酸戊酯/香蕉油(二聚體)、乙酸異戊酯(二聚體)、3-戊酮、3-甲基丁酸;經(jīng)過炒制后,該組特征峰亦減弱甚至消失。D框(74～88號有機(jī)物)為樣品4和樣品6的特征峰,檢出的物質(zhì)有:己醛、3-甲基丁醛、丙酮、2-甲基丙醇、甲硫基丙醛(單體和二聚體)、2-戊酮;樣品4和樣品6的特征峰相似,濃度亦接近,所以樣品4和樣品6風(fēng)味相似。其原因可能為,炒制溫度較高,樣品3和樣品5特征VOCs揮發(fā)或者發(fā)生了化學(xué)反應(yīng),從而減小了炒制后的樣品4和樣品6的差異。在6個樣品中普遍存在的化合物有:乙酸乙酯、乙醇、2-丁酮和丁醛。

表1 美人椒醬的揮發(fā)性化合物的定性分析Table 1 Capsicum frutescens L.sauce’s volatiles components identified by GC-IMS

由圖3～圖5結(jié)合表1可知,隨著加工工藝的改變,VOCs的指紋信息亦會改變。主要原因在于,VOCs會隨著加工工藝條件的改變而變化(產(chǎn)生、消失或濃度改變),不同的VOCs的變化存在規(guī)律性,具體哪些VOCs發(fā)生了變化還有待使用標(biāo)準(zhǔn)品或其他分析儀器進(jìn)行佐證。

2.2.3 美人椒醬中揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)的RI分布 由表2可知,FlavourSpec?可有效地捕捉低RI的VOCs信息,RI<1000占比80.59%,RI<1100占比94.18%?？赡芘cFlavourSpec?采用較低溫度的恒溫升流模式有關(guān),相對于GC-MS而言,GC-IMS孵化溫度、進(jìn)樣溫度及色譜柱的柱溫均較低,在升流過程中,揮發(fā)性和半揮發(fā)性的有機(jī)物(VOCs)經(jīng)GC預(yù)分離后可有效地被IMS捕捉并檢測。因此,FlavourSpec?用于測試樣品的VOCs有明顯的優(yōu)越性。

表2 美人椒醬HS-GC-IMS譜圖中VOCs的RI分布Table 2 The RI distribution of VOCs in the HS-GC-IMS spectrum of Capsicum frutescens L. sauce

3 結(jié)論與討論

通過試驗證實,采用電子鼻(E-nose)和氣相色譜-離子遷移譜(GC-IMS)聯(lián)用技術(shù),可以將采用不同加工工藝的美人椒醬區(qū)分開,說明發(fā)酵前后和炒制前后的美人椒醬的揮發(fā)性風(fēng)味存在明顯差異。因此,對比分析不同加工工藝下的樣品揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)特征信息用于識別加工工藝的方法是可行的。利用電子鼻(E-nose)對不同加工工藝下的美人椒醬的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)進(jìn)行指紋采集,再結(jié)合化學(xué)計量學(xué)分析法PCA和DFA,可以將采用不同加工工藝的美人椒醬區(qū)分開。GC-IMS將不同加工工藝的美人椒醬的VOCs進(jìn)行指紋采集,對比分析HS-GC-IMS的二維、三維和指紋圖譜可以將不同加工工藝的美人椒醬進(jìn)行區(qū)分。由于目前IMS數(shù)據(jù)庫在辣椒及其制品領(lǐng)域的數(shù)據(jù)庫不完善,103種VOCs中只有38種物質(zhì)的定性結(jié)果,剩余的65種VOCs有待進(jìn)一步研究。

本試驗屬于新的分析檢測技術(shù)在辣椒醬工藝檢測中的創(chuàng)新性應(yīng)用探試,并且E-nose和GC-IMS均能夠?qū)⒉煌庸すに囅碌臉悠穮^(qū)分開,所以有望將E-nose和GC-IMS 聯(lián)用分析技術(shù)應(yīng)用于不同加工工藝鑒別的可能性。但是由于GC-IMS技術(shù)起步較晚,標(biāo)準(zhǔn)的VOCs數(shù)據(jù)庫不完善,若能完善數(shù)據(jù)庫的VOCs信息并將GC-IMS與化學(xué)計量學(xué)方法結(jié)合,則該技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒋鬄橥貙挕?/p>