速溶豆粉、牛奶粉及羊奶粉揮發(fā)性成分的比較

葛麗琴,孫雪楓,王遠興

(南昌大學食品科學與技術國家重點實驗室,江西南昌 330047)

速溶豆粉是經(jīng)由脫皮、浸泡、磨漿、殺菌、脫臭、噴霧干燥等一系列工藝制成的粉狀即溶速食飲品,其含有豐富的植物蛋白與磷脂,還含有維生素B1、B2、煙酸和鐵、鈣等礦物質(zhì),其含有的不飽和脂肪酸具有防止膽固醇沉積的作用,是深受國民喜愛且老少皆宜的營養(yǎng)飲品,素有“植物奶”的美譽[1]。奶粉主要是以牛乳汁為原料,或使用羊、驢等其他動物的乳汁生產(chǎn)的產(chǎn)品,經(jīng)過消毒、脫水、干燥等工藝制成的粉末,其營養(yǎng)價值豐富、含鈣量高、機體吸收利用率高,具有較好的保健和醫(yī)療價值,被譽為“白色血液”,是目前奶制品市場的主流。其中,羊奶粉因其相較牛奶粉含更多的乳清蛋白,更少的酪蛋白,且脂肪球體積小,含有較高水平的中鏈脂肪酸,更容易被人體消化吸收,而逐漸受到消費者和市場的歡迎[2]。

固相微萃取技術(solid-phase micro-extraction,SPME)是常用的一種較理想有效的前處理萃取方法,它能夠?qū)⑤腿∨c濃縮同時進行,對于揮發(fā)性物質(zhì)種類較復雜且含量較低的樣品有較好的萃取效果,具有萃取條件溫和、靈敏度高、無需溶劑、操作簡便、用量少等特點[3-4]。氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(gas chromatography-mass spectrometry,GC-MS)是鑒別揮發(fā)性和半揮發(fā)性有機化合物的有用工具,它具有高分離性能和準確的鑒定能力,常用于檢測小分子易揮發(fā)、極性低、低沸點代謝物,或者經(jīng)過衍生化后有揮發(fā)性的物質(zhì),是當前主要的分析平臺之一[5]。

目前,國內(nèi)外針對速溶豆粉、牛奶粉及羊奶粉多是從營養(yǎng)成分、健康功能等方面進行研究[6-7],而就速溶豆粉、牛奶粉和羊奶粉揮發(fā)性成分的比較研究報道較少。本文以速溶豆粉、牛奶粉與羊奶粉為研究對象,采用固相微萃取-氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用(solid-phase micro-extraction gas-chromatography mass spectrometry,SPME-GC-MS)為研究手段,結合主成分分析和聚類分析,對速溶豆粉、牛奶粉與羊奶粉的揮發(fā)性成分進行檢測,旨在分析比較三者揮發(fā)性成分的差異性。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

本實驗所測速溶豆粉、牛奶粉與羊奶粉樣品 均來源于市售常見品牌,其中速溶豆粉7種,每種3個批次,來源于永和、維維、金龍魚、南方、北大荒、Unisoy、Ovaltine等品牌;牛奶粉9種,每種3個批次 來源于伊利、飛鶴、雀巢、光明、蒙牛、海乳、Anchor、Cowala、Devondale等品牌;羊奶粉6種,每種3個批次 來源于美羚、西蒙、尤愛倍特、Karivita、Caprilac、Flevomel等品牌;正構烷烴(C7～C30)的混合標準品(色譜級) 美國Supelco公司。

Agilent 7890-7000B三重串聯(lián)四極桿氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(配有MassHunter Workstation色譜工作站和NIST MS Search 2.0質(zhì)譜檢索數(shù)據(jù)庫)、HP-5MS石英毛細管柱(30 m×0.25 mm,0.25 μm) 美國Agilent公司;萃取手柄、50/30 μm二乙烯基苯/羧乙基/聚二甲基硅氧烷(Divinylbenzene/carboxen/polydimethylsiloxane,DVB-CAR-PDMS)固相微萃取纖維頭 美國Supelco公司;AL104電子天平 瑞士Mettler Toledo公司;HH-2數(shù)顯恒溫水浴鍋 國華電器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 前處理條件 綜合周宸丞等[8]、艾對等[9]前處理方法并優(yōu)化后確定前處理條件:稱取2.00 g試樣于20 mL頂空瓶中,用聚四氟乙烯隔墊蓋子密封;將頂空瓶置70 ℃水浴鍋中水浴平衡30 min,每隔10 min晃動瓶身;再將固相萃取頭插入頂空萃取瓶中,萃取吸附30 min。萃取結束后將萃取頭放入GC-MS進樣口中,250 ℃解析5 min,使得揮發(fā)性成分得到分離。

1.2.2 色譜條件 色譜柱:HP-5 MS石英毛細柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm);升溫程序:起始柱溫40 ℃,保持3 min,以5 ℃/min升至60 ℃,然后以3 ℃/min升至150 ℃,保持2 min,最后以10 ℃/min 升至230 ℃;載氣為高純氦氣(純度≥99.999%);載氣流速為1 mL/min;進樣口溫度250 ℃;分流比為1∶1。

1.2.3 質(zhì)譜條件 電子轟擊離子源;電離電壓70 eV;傳輸線溫度250 ℃;離子源溫度230 ℃;四級桿溫度為150 ℃;溶劑延遲3 min;質(zhì)量掃描方式為全掃描模式;質(zhì)量掃描范圍m/z 30～500。

1.2.4 定性與定量方法 定性:根據(jù) NIST MS Search 2.0 質(zhì)譜圖庫檢索結果,結合保留指數(shù)定性。

保留指數(shù)(retention index,RI)的測定方法:將正構烷烴標準品以液體進樣的形式,按照上述 1.3.2 的升溫程序進行分離。進樣量為1 μL,分流比為20∶1。記錄每個正構烷烴標準品出峰的保留時間,各組分的保留指數(shù)計算采用 Kovats 保留指數(shù)計算公式[10]:

式中:RI為待測組分的保留指數(shù);RTx為待測組分的保留時間;n和n+1分別表示正構烷烴的碳原子數(shù);其中RTn

定量:運用峰面積歸一化法得到各揮發(fā)性成分的相對含量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

使用IBM SPSS Statistics 22統(tǒng)計學分析軟件和SIMCA-P 13.0版軟件對數(shù)據(jù)進行分析,采用Origin8.5作圖軟件制圖。

2 結果與分析

2.1 速溶豆粉、牛奶粉與羊奶粉揮發(fā)性成分的GC-MS分析

速溶豆粉、牛奶粉和羊奶粉的揮發(fā)性成分總離子流色譜圖分別如圖1～圖3所示。比較圖1～圖3可以觀察到,在5～10 min范圍內(nèi),羊奶粉有明顯區(qū)別于另兩者的峰,鑒定的揮發(fā)性物質(zhì)為庚醛、2-庚酮和二甲基砜,羊奶粉的揮發(fā)性成分出峰時間比較接近,峰較為密集,速溶豆粉和牛奶粉的峰分離度較好,三者能夠明顯區(qū)分開。

圖1 速溶豆粉揮發(fā)性成分總離子流色譜圖Fig.1 Total ion chromatogram of volatile components of instant soybean powder

圖2 牛奶粉揮發(fā)性成分總離子流色譜圖Fig.2 Total ion chromatogram of volatile components of milk powder

圖3 羊奶粉揮發(fā)性成分總離子流色譜圖Fig.3 Total ion chromatogram of volatile components of goat milk powder

從圖1可以看出,速溶豆粉的揮發(fā)性成分主要集中在16～21、27～31和34～38 min,在20.96 min出現(xiàn)最大峰為十二烷,占總揮發(fā)性成分的11.4%,其余高峰物質(zhì)分別為壬醛、2,2,4,6,6-五甲基庚烷、(E,E)-3,5-辛二烯-2-酮、右旋萜二烯、3-甲基十三烷、十四烷、2,6-二叔丁基對甲酚等;從圖2可以看出,牛奶粉的揮發(fā)性成分主要集中在11～21和26～30 min,在11.68 min出現(xiàn)最大峰為2,2,4,6,6-五甲基庚烷,占總揮發(fā)性成分的19.04%,其余高峰物質(zhì)分別為壬醛、十二烷、十四烷、δ-癸內(nèi)酯、二甲基砜等;從圖3可以看出,羊奶粉的揮發(fā)性成分主要集中在5～21和27～30 min,在16.67 min出現(xiàn)最大峰為壬醛,占總揮發(fā)性成分的14.95%,其余高峰物質(zhì)分別為2,2,4,6,6-五甲基庚烷、右旋萜二烯、壬醛、十二烷、二甲基砜等。綜上來看,三者均含有壬醛、2,2,4,6,6-五甲基庚烷、十二烷等物質(zhì),且相對含量較高,速溶豆粉和牛奶粉最大峰都為烴類物質(zhì),而羊奶粉最大峰是醛酮類物質(zhì),這可能是影響風味的原因之一。

由表1可知,速溶豆粉、牛奶粉和羊奶粉分別鑒定出42、48、47種揮發(fā)性物質(zhì),包括醇類、醛酮類、烴類、酸類、酯類和其他類物質(zhì)等。整體來看,相比另外兩種奶粉,速溶豆粉中檢出的醇類和酸類物質(zhì)含量最多;相比速溶豆粉和羊奶粉,牛奶粉中檢出的烴類和酯類物質(zhì)含量最多;相比速溶豆粉和牛奶粉,羊奶粉中檢出的醛酮類和其他類物質(zhì)含量最多。速溶豆粉、牛奶粉和羊奶粉中醛酮類和烴類物質(zhì)含量均較多,其總和占總相對含量的77.14%～85.01%,可能對其風味有重要貢獻。揮發(fā)性成分中十二醛、十一烷、1-十三烯、7-甲基十三烷只在牛奶粉中檢出,1-戊醇、3-辛烯-2-酮、2-甲基十三烷、γ-十二內(nèi)酯只在羊奶粉中有檢出,而速溶豆粉中檢測到的(E,E)-3,5-辛二烯-2-酮和2,6-二叔丁基對甲酚相對含量遠高于另兩種物質(zhì),這些物質(zhì)可能是三者揮發(fā)性風味的差異物質(zhì)。

表1 速溶豆粉、牛奶粉與羊奶粉揮發(fā)性成分定性分析及相對含量Table 1 Qualitative analysis and relative content of volatile components of instant soybean powder,goat milk powder and milk powder

續(xù)表

從圖4可以看出,速溶豆粉檢出的醇類物質(zhì)種類最多(4種);在牛奶粉中檢出烴類物質(zhì)種類最多(25種);在羊奶粉中檢出的醛酮類(11種)、酯類(8種)和其他類物質(zhì)(3種)種類均較多。整體來看,三者中檢出的烴類、醛酮類、酯類的個數(shù)均較多,可能對風味有重要影響。

圖4 速溶豆粉、羊奶粉與奶粉的各類揮發(fā)性成分種類數(shù)對比Fig.4 Comparison of number of various volatile components of instant soybean powder,goat milk powder and milk powder

綜上看來,速溶豆粉、牛奶粉和羊奶粉揮發(fā)性成分中烴類的相對含量在總揮發(fā)性成分比重均最大,其中速溶豆粉中烴類物質(zhì)相對含量占比56.72%;牛奶粉中烴類物質(zhì)含量高達66.07%,是三者中烴類物質(zhì)含量最高的;而羊奶粉中烴類物質(zhì)含量占比也高達51.22%。但由于烴類物質(zhì)風味閾值較高,對于揮發(fā)性風味的貢獻并不大[28]。其次,占比較大的是醛酮類物質(zhì),醛酮類物質(zhì)是脂肪發(fā)生氧化反應產(chǎn)生的二次氧化產(chǎn)物[29]。由于速溶豆粉的脂肪含量比羊奶粉與牛奶粉低,速溶豆粉含脂18%[30],牛奶粉含脂26%[31],而羊奶粉脂肪含量高達30%以上[32],這可能是導致羊奶粉與牛奶粉含有的醛酮類物質(zhì)比速溶豆粉高的原因。醛酮類物質(zhì)風味閾值較低,對于揮發(fā)性風味的貢獻較大,是奶粉風味的常見特征組分[27]。檢出的醛酮類物質(zhì)主要包括己醛、庚醛、壬醛、癸醛、2-庚酮、3-辛烯-2-酮和(E,E)-3,5-辛二烯-2-酮,三者按醛酮類物質(zhì)含量由高到低依次是羊奶粉、速溶豆粉和牛奶粉。醛酮類物質(zhì)含量的差異對三者的特征風味具有突出貢獻。其他類物質(zhì)包括二甲基砜、2-正戊基呋喃、2,6-二叔丁基對甲酚,其中二甲基砜主要是來自乳制品中甲硫氨酸降解產(chǎn)生[33],風味閾值較低;2-正戊基呋喃通常被報道為亞油酸的氧化產(chǎn)物[34],閾值較低,對氣味有很大的貢獻;2,6-二叔丁基對甲酚是常用的酚類抗氧化劑,閾值較低,對氣味具有一定的貢獻。速溶豆粉未檢測到其他類物質(zhì)中的含硫物質(zhì)二甲基砜,而羊奶粉與牛奶粉中二甲基砜相對含量較高,并且羊奶粉的二甲基砜相對含量遠高于牛奶粉,高達12.13%,這一結果與雷飛艷等[35]的研究結果一致。

2.2 速溶豆粉、牛奶粉及羊奶粉揮發(fā)性成分的聚類分析與主成分分析

為了表征和鑒定速溶豆粉、羊奶粉和奶粉的不同化學型,將揮發(fā)性成分進行聚類分析(CA)和主成分分析(PCA)。獲得聚類分析構建的樹狀圖和主成分分析的二維得分圖和載荷圖,如圖5～圖6所示。

圖5 速溶豆粉、羊奶粉與牛奶粉揮發(fā)性成分的聚類分析樹狀圖Fig.5 Cluster analysis of instant bean powder, goat milk powder and milk powder

圖6 66個樣品的主成分二維得分圖(A)和二維載荷圖(B)Fig.6 PCA 2D score plots(a)and 2D loading plots(b)of 66 samples注:圖6(A)中數(shù)字表示不同樣本; 圖6(B)中數(shù)字與表1一致,表示不同揮發(fā)性成分。

由圖5可以看出,通過聚類分析樹狀圖可以將速溶豆粉、牛奶粉和羊奶粉三者明顯的區(qū)分開。歐氏距離可用于表示樣品的相似程度,相似程度越高的樣品,歐氏距離越小[36]。從右往左看,在距離為24時(圖5中虛線Ⅰ處),樣品聚為兩大類:第一類為速溶豆粉,第二類為羊奶粉與牛奶粉;在距離為22時(圖5中虛線Ⅱ處)可將樣品分為三類:速溶豆粉3、羊奶粉與牛奶粉、其余速溶豆粉;在距離為18時(圖5中虛線Ⅲ處)將樣品分為五類:速溶豆粉3、速溶豆粉7、其余速溶豆粉、羊奶粉、牛奶粉。由此表明,聚類分析能很好地應用于速溶豆粉、牛奶粉和羊奶粉揮發(fā)性成分的區(qū)分。

結合表1發(fā)現(xiàn),1-辛烯-3-醇(3.26%)、癸醛(2.32%)、(E,E)-3,5-辛二烯-2-酮(5.28%)、1-十二烯(2.20%)、正癸酸(2.40%)、丙位辛內(nèi)酯(1.15%)、2-正戊基呋喃(1.12%)、2,6-二叔丁基對甲酚(6.50%)在速溶豆粉中含量明顯高于牛奶粉和羊奶粉,可推斷出這些物質(zhì)對速溶豆粉特征風味的形成具有突出貢獻;壬醛(14.01%)、2-壬酮(1.15%)、2,2,4,6,6-五甲基庚烷(19.04%)、十一烷(2.01%)、十二烷(16.88%)、δ-癸內(nèi)酯(3.47%)、1-十三烯(0.38%)在牛奶粉中含量明顯高于速溶豆粉與羊奶粉,可推斷出這些物質(zhì)對牛奶粉特征風味的形成具有主要貢獻;庚醛(3.01%)、反-2-辛烯醛(2.10%)、壬醛(14.95%)、2-庚酮(1.08%)、3-辛烯-2-酮(1.94%)、右旋萜二烯(10.01%)、γ-十二內(nèi)酯(0.20%)、二甲基砜(12.13%)在羊奶粉奶粉中含量明顯高于速溶豆粉與牛奶粉,推斷是羊奶粉特征風味物質(zhì)的主要貢獻物質(zhì)。

圖6A得分圖表示速溶豆粉、牛奶粉和羊奶粉三者基于揮發(fā)性成分的相似性與差異性,圖6(B)載荷圖表示引起樣品差異的關鍵變量。不同的變量對區(qū)分模型的建立和貢獻是不一樣的。從理論上來說,載荷圖中越是遠離中心點的變量,對得分圖的貢獻越大,而這種物質(zhì)正是不同類型樣本中的差異成分[37]。由圖6A二維得分圖可知,速溶豆粉、牛奶粉和羊奶粉可以明顯被分為三類,區(qū)分度較好。由圖6B二維載荷圖可知,2,2-二甲基-1-癸醇(4)、1-十二烯(26)、3-甲基十三烷(35)、2,6,10-三甲基十二烷(36)、2,2-二甲基-1-辛醇(5)、庚醛(7)、γ-十二內(nèi)酯(49)、二甲基砜(54)、正十七烷(42)、1-戊醇(1)、2-甲基十三烷(34)、反-2-辛烯醛(9)等揮發(fā)性成分遠離y軸;而十二烷(27)、丁位十二內(nèi)酯(50)、δ-癸內(nèi)酯(48)、1-十三烯(29)、十四烷(37)、丁位十四內(nèi)酯(52)、十一烷基環(huán)戊烷(41)、苯甲醛(8)、2-正戊基呋喃(55)、己醛(6)等揮發(fā)性成分遠離 x軸。這些物質(zhì)遠離中心點,貢獻較大,是樣本中的差異成分。

從圖6可以看出,癸醛(11)、(E,E)-3,5-辛二烯-2-酮(15)、1-十二烯(26)、正癸酸(45)、丙位辛內(nèi)酯(46)、2-正戊基呋喃(55)、2,6-二叔丁基對甲酚(56)等揮發(fā)性物質(zhì)的載荷圖位置與得分圖中速溶豆粉所處位置類似,說明速溶豆粉中這些揮發(fā)性物質(zhì)含量較高,能作為速溶豆粉的關鍵揮發(fā)性物質(zhì),用來和牛奶粉和羊奶粉進行區(qū)分。十二烷(27)、丁位十二內(nèi)酯(50)、2-乙基己醇(3)、壬醛(10)、2-甲基癸烷(21)、鄰苯二甲酸正丁異辛酯(53)、十一烷(22)、2,2,4,6,6-五甲基庚烷(18)、1-十三烯(29)、δ-癸內(nèi)酯(48)、丁位十四內(nèi)酯(52)等揮發(fā)性物質(zhì)的載荷圖位置與得分圖中牛奶粉所處位置類似,說明牛奶粉中這些揮發(fā)性物質(zhì)含量較高,能作為牛奶粉的關鍵揮發(fā)性物質(zhì),用來和速溶豆粉和羊奶粉進行區(qū)分。1-戊醇(1)、反-2-辛烯醛(9)、庚醛(7)、二甲基砜(54)、3-辛烯-2-酮(14)等揮發(fā)性物質(zhì)的載荷圖位置與得分圖中羊奶粉所處位置類似,說明羊奶粉中這些揮發(fā)性物質(zhì)含量較高,能作為羊奶粉的關鍵揮發(fā)性物質(zhì),用來和牛奶粉和速溶豆粉進行區(qū)分。此分析結果和聚類分析結果一致,可以互相佐證。

3 結論

基于固相微萃取氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術對速溶豆粉、牛奶粉和羊奶粉的揮發(fā)性成分進行鑒定,在速溶豆粉中共鑒定出42種揮發(fā)性物質(zhì),牛奶粉中共鑒定出48種揮發(fā)性物質(zhì),羊奶粉中共鑒定出47種揮發(fā)性物質(zhì)。檢出的物質(zhì)主要包括醇類、醛酮類、烴類、酸類、酯類和其他類等物質(zhì),三者中烴類、醛酮類和酯類物質(zhì)的種類和含量均較高,其中速溶豆粉中檢測到的醇類和酸類物質(zhì)含量高于牛奶粉與羊奶粉;牛奶粉中檢測到的烴類和酯類物質(zhì)含量高于速溶豆粉和羊奶粉;羊奶粉中檢測到的醛酮類和其他類物質(zhì)含量高于速溶豆粉和牛奶粉。結合聚類分析和主成分分析兩種統(tǒng)計學方法進行數(shù)據(jù)研究,結果表明,癸醛、(E,E)-3,5-辛二烯-2-酮、1-十二烯、正癸酸、丙位辛內(nèi)酯、2-正戊基呋喃、2,6-二叔丁基對甲酚是速溶豆粉的關鍵揮發(fā)性物質(zhì);壬醛、δ-癸內(nèi)酯、十二烷、丁位十二內(nèi)酯、2,2,4,6,6-五甲基庚烷、1-十三烯是牛奶粉的關鍵揮發(fā)性物質(zhì);1-戊醇、庚醛、2-庚酮、二甲基砜、3-辛烯-2-酮、壬醛、γ-十二內(nèi)酯等揮發(fā)性物質(zhì)是羊奶粉的關鍵揮發(fā)性物質(zhì)。這些物質(zhì)可作為三者間的揮發(fā)性差異物。今后可以嘗試增加樣本的種類和數(shù)量,如探究不同產(chǎn)地、不同存儲時間或不同加工工藝的樣本之間的揮發(fā)性成分的差異。