GC-MS結(jié)合電子鼻分析干燥方式對杏鮑菇揮發(fā)性風(fēng)味成分的影響

馬 琦，伯繼芳，馮 莉，佴逸凡，王小晶，李 梅*，徐懷德*

（西北農(nóng)林科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

杏鮑菇（Pleurotus eryngii）又名刺芹側(cè)耳，因其具有杏仁香味和鮑魚的口感而得名，隸屬擔(dān)子菌門、傘菌目、側(cè)耳科、側(cè)耳屬[1]。杏鮑菇營養(yǎng)豐富，富含蛋白質(zhì)、碳水化合物、維生素和多種礦物質(zhì)，且具有抗菌、抗癌、抗氧化、降血脂、降血糖和免疫調(diào)節(jié)等多種生理功能，是集食用、藥用于一體的珍稀食用菌[2-5]。由于杏鮑菇采后呼吸作用旺盛，且極易受到微生物侵害，腐爛變質(zhì)，嚴(yán)重影響鮮菇品質(zhì)[6]。因此可以通過干燥保存杏鮑菇并進(jìn)行深加工提高附加值。但在干燥過程中，揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)易發(fā)生變化影響品質(zhì)[7]。張艷榮等[8]研究表明真空冷凍干燥能較好保持姬松茸原有風(fēng)味；Tian Yuting等[9]發(fā)現(xiàn)真空微波干燥有利于保存香菇品質(zhì)和風(fēng)味；王洪彩等[10]研究發(fā)現(xiàn)中短波紅外干燥的香菇感官品質(zhì)和化學(xué)品質(zhì)均優(yōu)于熱風(fēng)干燥后的香菇。電子鼻可以快速準(zhǔn)確地檢測出不同的香氣類型，通常對一些產(chǎn)品的整體信息提供綜合評估[11]，氣相色譜-質(zhì)譜（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）主要用于揮發(fā)性物質(zhì)的定性和半定量[12]，國內(nèi)外采用GC-MS聯(lián)用技術(shù)研究揮發(fā)性成分的應(yīng)用已十分廣泛。Zhou Jinjie等[13]利用GC-MS結(jié)合電子鼻對8 種商品蘑菇進(jìn)行了鑒別；Pei Fei等[14]采用GC-MS結(jié)合電子鼻研究了2 種干燥方式對雙孢蘑菇揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的影響。唐秋實(shí)等[15]利用GC-MS研究了干燥工藝對杏鮑菇風(fēng)味物質(zhì)的影響。

以GC-MS結(jié)合電子鼻對不同干燥方式的杏鮑菇揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行定性及定量，并對其進(jìn)行主成分分析（principal component analysis，PCA）的相關(guān)報道較少。為此，本研究擬采用冷凍干燥（freeze drying，F(xiàn)D）、熱風(fēng)干燥（hot air drying，HAD）、中短波紅外干燥（short- and medium-wave infrared drying，ID）和微波真空干燥（microwave vacuum drying，MVD）4 種方式對杏鮑菇進(jìn)行干燥處理，結(jié)合電子鼻、GC-MS技術(shù)對4 種干燥方式處理的杏鮑菇樣品揮發(fā)性成分進(jìn)行分析，并采用PCA建立干燥杏鮑菇揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的評價模型，為杏鮑菇的干燥加工提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

杏鮑菇，購于楊凌天合生物有限公司，購置后當(dāng)天處理，裝入密封袋置于干燥器中保存。

正癸醇（色譜純） 阿拉丁試劑（上海）有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

PEN3電子鼻 德國Airsense公司；LGJ-12A中短波紅外干燥機(jī) 圣泰科紅外科技有限公司；FD5-2.5真空冷凍干燥機(jī) 美國西盟（SIM）公司；HW2微波真空冷凍干燥機(jī) 廣州華園微波設(shè)備科技有限公司；WGL-230B電熱鼓風(fēng)干燥箱 天津市泰斯特儀器有限公司；GCMS-QP2010 GC-MS聯(lián)用儀 日本島津公司；50/30 μm二乙烯基苯/碳分子篩/聚二甲基硅氧烷（divinylbenzene/carboxen/polydimethylsiloxane，DVB/CAR/PDMS）萃取頭 美國Supelco公司。

1.3 方法

1.3.1 杏鮑菇干燥方式

4 種干燥方式制得的杏鮑菇樣品水分含量均控制在10%以下，符合NY/T 749—2012《綠色食品 食用菌》[16]。具體干燥操作如下：FD：將新鮮杏鮑菇切條后放在-80 ℃冰箱預(yù)凍存24 h，打開冷凍機(jī)，將物料裝盤放入，設(shè)置參數(shù)為：冷阱溫度-50 ℃，真空度10 Pa以下；HAD：設(shè)置電熱恒溫鼓風(fēng)箱溫度55 ℃，將新鮮杏鮑菇切條后鋪在隔板上干燥；ID：將杏鮑菇切條置于干燥隔板上，設(shè)置中短波紅外干燥設(shè)備溫度55 ℃、功率1 125 W、風(fēng)機(jī)風(fēng)速3 m/s；MVD：將處理好的杏鮑菇均勻鋪在干燥箱隔板上，開啟真空泵至真空度達(dá)到0.08 MPa，開啟微波，設(shè)置功率10 kW。

1.3.2 電子鼻傳感器檢測

PEN3便攜式電子鼻由金屬氧化物氣體傳感器陣列、氣體采樣裝置和信號處理單元組成，傳感器具有10 個金屬氧化物半導(dǎo)體型化學(xué)傳感元件，每種傳感元件對應(yīng)的敏感物質(zhì)類型不同。準(zhǔn)確稱取搗碎的新鮮杏鮑菇8.16 g，各粉末樣品1.0 g，分別置于40 mL頂空瓶中加蓋密封，室溫（25 ℃）靜置60 min，通過頂空進(jìn)樣的方式檢測。采樣完成后，經(jīng)活性炭過濾后的潔凈空氣被泵入電子鼻，對傳感器進(jìn)行清洗并使其恢復(fù)到初始狀態(tài)。每個樣品做5 個平行。

程序設(shè)置：樣品準(zhǔn)備時間5 s，測試時間60 s，傳感器清洗時間240 s，進(jìn)樣流量400 mL/min。傳感信號在40 s后基本穩(wěn)定，選定信號采集時間為50～53 s。

1.3.3 揮發(fā)性成分測定

準(zhǔn)確稱取1.67 g鮮樣，0.20 g各粉末樣品，分別置于15 mL頂空瓶中，用具有聚四氯乙烯隔墊的蓋子密封。頂空瓶于45 ℃條件下平衡20 min，然后將已活化好的萃取頭（DVB/CAR/PDMS 50/30 μm）推入頂空瓶進(jìn)行50 min的富集，解吸5 min。

GC條件：DB-1MS毛細(xì)管柱（60 m×250 μm，0.25 μm）；升溫程序：進(jìn)樣口溫度250 ℃，40 ℃保持3 min，以4 ℃/min升至120 ℃，以6 ℃/min升至240 ℃，保持12 min。載氣（He），柱流量1.0 mL/min，不分流模式。

MS條件：電子電離源；電子能量70 eV；離子源溫度230 ℃；接口溫度230 ℃；質(zhì)量掃描范圍m/z 35～500。

揮發(fā)性成分定性方法：根據(jù)得到的揮發(fā)性成分總離子流圖，利用NIST和Wiley標(biāo)準(zhǔn)譜庫進(jìn)行檢索比對各色譜峰的質(zhì)譜信息，選擇相似度達(dá)80%以上的成分結(jié)構(gòu)信息，以標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)保留時間和保留指數(shù)，并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜圖和參考文獻(xiàn)資料進(jìn)行核對確認(rèn)。

揮發(fā)性成分定量方法：參照周鑫等[17]的方法采用內(nèi)標(biāo)法定量，以正癸醇作內(nèi)標(biāo)物，按下式計算揮發(fā)性物質(zhì)含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

電子鼻數(shù)據(jù)分析：運(yùn)用Winmuster軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行PCA和線性判別分析（linear discriminant analysis，LDA）。

采用SPSS 20.0對4 種不同干燥方式得到的杏鮑菇揮發(fā)性成分含量進(jìn)行PCA，將數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后確定特征根、特征向量，根據(jù)各主成分值和主成分貢獻(xiàn)率得出干燥杏鮑菇揮發(fā)性成分的評價模型，由該模型計算出每種處理樣品的綜合得分。

2 結(jié)果與分析

2.1 電子鼻測定結(jié)果

圖1 不同干燥方式下杏鮑菇樣品的PCA（A）和LDA（B）圖Fig.1 PCA (A) and LDA (B) plots of dried P. eryngii samples obtained by different drying methods

PCA是將電子鼻數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理，提取主要特征進(jìn)行線性分析，將主要信息保留在幾個不相關(guān)的主成分中[18]。PCA中累計貢獻(xiàn)率越大，則主成分可以更好地反映各個指標(biāo)的信息[19]。由圖1A可知，F(xiàn)S及各干樣的PC1和PC2的貢獻(xiàn)率分別為98.01%和1.96%，累計貢獻(xiàn)率為99.97%，表明2 個主成分能夠反映原始數(shù)據(jù)的信息。FS在PC1上與其他樣品距離較大，說明干燥改變了樣品的揮發(fā)性物質(zhì)。FD與其他樣品距離較遠(yuǎn)，表明其在揮發(fā)性成分上與其他樣品有一定差異，而ID、HAD和MVD的樣品在PC1上未能完全分開，說明這幾種干燥方式制得的樣品揮發(fā)性成分整體差異相對較小，揮發(fā)性物質(zhì)有一定的共性，PCA不能對其進(jìn)行良好區(qū)分。因此，需要運(yùn)用LDA方法進(jìn)一步分析。

LDA是利用所有傳感器的信號研究樣品所屬類別的一種統(tǒng)計方法[20]。由圖1B可知，LDA1和LDA2的貢獻(xiàn)率分別為55.55%和38.87%，累計貢獻(xiàn)率達(dá)到94.42%，不同樣品在LDA圖中的分布呈現(xiàn)明顯的變化趨勢，可以達(dá)到區(qū)分FS及各干樣的目的。在LDA1上FS與幾種干樣距離較遠(yuǎn)，說明在干燥過程中揮發(fā)性物質(zhì)豐度逐漸減小。而HAD與FD樣品在LDA1上距離較近，但在LDA2上則可完全分開?？傮w上來看，F(xiàn)S及各干樣均能被較好地區(qū)分開，且有一定變化趨勢。

通過電子鼻對FS和各干樣的揮發(fā)性成分進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)PCA和LDA均能很好地區(qū)分FS和干樣。但利用PCA不能很好地區(qū)分各干樣之間的揮發(fā)性成分，LDA則能進(jìn)行明顯區(qū)分，說明LDA是辨別不同干燥方式處理后杏鮑菇揮發(fā)性成分差異的有效分析方法。

2.2 揮發(fā)性成分種類及含量

表1 不同干燥方式的杏鮑菇樣品揮發(fā)性成分化學(xué)組成與含量Table 1 Kinds and contents of volatile components identified from dried P. eryngii obtained by different drying methods

續(xù)表1

杏鮑菇中富含蛋白質(zhì)、多糖類，這些物質(zhì)在干燥過程中容易發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)[21-22]。據(jù)文獻(xiàn)報道，揮發(fā)性成分的生成有多條途徑：不飽和脂肪酸的化學(xué)或酶促氧化，以及與蛋白質(zhì)、肽和游離氨基酸的相互作用，長鏈化合物的降解，美拉德反應(yīng)等[23-24]。由表1和表2可知，F(xiàn)S和4 種干樣的揮發(fā)性成分有明顯差異。采用GC-MS共檢測出99 種揮發(fā)性物質(zhì)，可分為6 大類：醇（19 種）、醛（18 種）、酮（15 種）、酯（14 種）、烷烴（21 種）、其他（12 種），在FS、FD、HAD、ID、MVD中分別檢測到35、52、46、52 種和47 種化合物。FS中總揮發(fā)性成分含量最高（289.60 μg/g），其次是ID（133.14 μg/g）、FD（117.21 μg/g）、HAD（96.45 μg/g）及MVD（43.84 μg/g）。在干燥過程中，杏鮑菇中的揮發(fā)性物質(zhì)雖有一定損失，但有新的揮發(fā)性成分生成。

醇類物質(zhì)在杏鮑菇揮發(fā)性物質(zhì)中含量最高，其前體物質(zhì)主要是多不飽和脂肪酸[25]。在FS中醇類物質(zhì)含量可達(dá)254.46 μg/g，其中1-辛烯-3-醇是主要揮發(fā)性物質(zhì)（210.16 μg/g），其次是環(huán)辛醇、正辛醇、1-戊醇（表1）。1-辛烯-3-醇被稱為蘑菇醇，有標(biāo)志性的蘑菇氣味，是一種脂肪族不飽和醇[26]。正辛醇也具有典型的蘑菇風(fēng)味[27]。1-戊醇呈現(xiàn)出雜醇油的氣味，對風(fēng)味有不利影響[28]。這幾種干燥方式均會導(dǎo)致八碳化合物的嚴(yán)重?fù)p失，最終使得干樣中醇和酮的比例顯著降低，可能是由干燥過程中熱分解引起的。這與前人研究的變化趨勢一致[29-30]。

醛類物質(zhì)在食用菌中含量比較豐富，其氣味閾值較低，對總體揮發(fā)性成分的貢獻(xiàn)較大，C5～C9的醛類來自脂肪氧化和降解[31]，具有脂香氣味。許多Strecker醛本身及其反應(yīng)產(chǎn)物對于食品香料也是非常重要的[32]。杏鮑菇經(jīng)干燥后醛類化合物在含量和種類上均有所上升，ID樣品中正己醛含量最高，達(dá)到23.55 μg/g，在HAD樣品中的含量為12.86 μg/g，正己醛可以賦予食品清香的味道[33]。苯甲醛除在FD樣品中未檢測出外，在其他幾種樣品中均有檢出，具有特殊杏仁香味，可以賦予產(chǎn)物脂香風(fēng)味[34]。反-2-辛烯醛和2-甲基丁醛是所有樣品共有的醛類物質(zhì)，分別呈現(xiàn)出黃瓜樣香氣和獨(dú)特的可可香氣[28]。

短鏈酮類具有脂香和焦香香氣，長鏈酮類則呈現(xiàn)出花香氣息[8]。隨著干燥的進(jìn)行，酮類物質(zhì)的含量較FS均有所上升。FS的酮類香氣物質(zhì)含量僅為3.23 μg/g，而FD、HAD、ID和MVD樣品的酮類香氣物質(zhì)含量分別為8.61、13.79、10.57、4.93 μg/g。酮類物質(zhì)含量的增多可能是由不飽和脂肪酸的降解引起的[25]。1-辛烯-3-酮在MVD樣品中未檢出，甲基壬基甲酮是FS及干樣中共有的酮類，此外，干燥過程生成了較多的仲辛酮。

據(jù)文獻(xiàn)報道酯類物質(zhì)會賦予食品甜香氣味和輕微油脂氣味[35]。酯類物質(zhì)在FS中含量最多，每種干燥方式都使得酯類物質(zhì)含量下降了一半以上，其中HAD破壞程度最大，使得酯類含量從11.18 μg/g降至2.91 μg/g。丁酸甲酯是4 種干樣中共有的酯類，其平均含量為0.56 μg/g，辛酸甲酯在MVD樣品中未檢出，這可能是由于微波輻射作用導(dǎo)致了脂質(zhì)的損失。FS中含量較高的癸酸甲酯、月桂酸甲酯在干樣中均未檢出，可能是因?yàn)楦稍锛耙恍?fù)雜的化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致了酯在一定程度上的降解。

本實(shí)驗(yàn)從4 種干燥杏鮑菇中共檢測出21 種烷烴類化合物。與FS（6.46 μg/g）相比，MVD樣品（0.98 μg/g）的烷烴類化合物含量均有較大幅度的下降，F(xiàn)D樣品芳香族化合物的含量均有所上升，這與Pei Fei等[14]的研究結(jié)果一致。此外，4 種干樣中均生成了新的烷烴類化合物。烴類物質(zhì)因其閾值較高，在整體上對杏鮑菇揮發(fā)性成分影響不大，但一些烷烴類獨(dú)特風(fēng)味，如在FS、IFD、ID及MVD中檢測到的D-檸檬烯，可賦予食品新鮮橙子香氣及檸檬香氣[36]。

綜上，干燥增加了杏鮑菇中揮發(fā)性物質(zhì)的數(shù)量，但導(dǎo)致了總揮發(fā)性成分及八碳化合物含量的顯著下降，并且不同的干燥方式制備的杏鮑菇樣品中揮發(fā)性物質(zhì)的種類和含量不同。

表2 不同干燥方式的杏鮑菇樣品揮發(fā)性成分種類數(shù)與含量Table 2 Chemical classes and amounts of volatile compounds in dried P. eryngii samples obtained by different drying methods

2.3 PCA

2.3.1 不同干燥方式的杏鮑菇樣品揮發(fā)性成分PCA

表3 主成分的特征值及貢獻(xiàn)率Table 3 Eigenvalues, contribution and cumulative contributions of principal components

由表3可知，提取前3 個主成分，即可反映總體100%的原始變量信息。各主成分的載荷值代表該主成分對該類物質(zhì)反映程度的大小[37]。由表3、4可知，PC1的貢獻(xiàn)率達(dá)到60.651%，其與醇、酯和醛類3 類物質(zhì)的載荷系數(shù)較大，主要代表了這幾個變量；PC2的貢獻(xiàn)率為25.838%，主要反映指標(biāo)是酮類；PC3的貢獻(xiàn)率為13.511%，主要解釋了烷烴類的變量信息。此外，表4中PC1與醇類和酯類呈高度正相關(guān)；PC2與酮類呈正相關(guān)；PC3與烷烴類呈負(fù)相關(guān)。

表4 主成分的特征向量與載荷矩陣Table 4 Principal component eigenvectors and loading matrix

2.3.2 揮發(fā)性成分品質(zhì)評價模型的建立

根據(jù)3 個主成分6 類物質(zhì)各自的特征向量，可以得到各個主成分的得分，用F1、F2和F3表示，進(jìn)行揮發(fā)性成分品質(zhì)的綜合評價（表5），得到杏鮑菇干樣揮發(fā)性成分的線性關(guān)系式分別為：

將3 個主成分的貢獻(xiàn)率βi（i=1,2,3）作為加權(quán)系數(shù)。利用綜合函數(shù)F=βiFi建立杏鮑菇干樣揮發(fā)性成分評價模型：F=0.606 51F1+0.258 38F2+0.135 11F3，得到的綜合得分見表5。

表5 標(biāo)準(zhǔn)化后主成分綜合得分Table 5 Synthetic scores of principal components after standardization

由表5可知，PC1得分最高的是ID，其次是FD，PC2得分最高的為HAD，PC3得分最高的是HAD。由該模型可知，不同干燥方式的杏鮑菇樣品揮發(fā)性強(qiáng)度綜合得分由高到低依次為ID（0.51）、FD、HAD、MVD。因此，ID處理的杏鮑菇揮發(fā)性成分品質(zhì)最好。

3 結(jié) 論

電子鼻檢測結(jié)果與GC-MS的結(jié)果互相映證，不同干燥條件下樣品揮發(fā)性成分存在差異，LDA可以良好區(qū)分不同干燥方式，為杏鮑菇的加工方式提供了快速檢測的依據(jù)。

利用GC-MS技術(shù)分析了干燥前后杏鮑菇揮發(fā)性物質(zhì)組成及含量，共檢測出99 種揮發(fā)性物質(zhì)，在FS、FD、HAD、ID、MVD中分別檢測到35、52、46、52 種和47 種化合物，包括醇類、醛類、酮類、酯類、烷烴類和其他類化合物共6 類成分，F(xiàn)S的揮發(fā)性物質(zhì)含量最高，達(dá)到289.60 μg/g。干燥使得杏鮑菇的醇類和酯類物質(zhì)含量顯著下降，醛酮類物質(zhì)在種類和含量均上升，干燥過程中也生成了一些新的揮發(fā)性成分，不同干燥方式下的杏鮑菇揮發(fā)性成分具有顯著差異。

通過PCA建立的揮發(fā)性成分品質(zhì)綜合評價模型，得出ID干燥的杏鮑菇揮發(fā)性成分品質(zhì)最好，可以實(shí)現(xiàn)對杏鮑菇干燥方式的鑒別。本研究通過對干燥后杏鮑菇風(fēng)味品質(zhì)進(jìn)行分析，判斷出較為適宜的干燥方式，同時得到風(fēng)味較好的杏鮑菇干品，為今后杏鮑菇的干燥研究提供一定的理論基礎(chǔ)。