基于電子鼻和氣質(zhì)聯(lián)用評價煮制方式對香菇湯揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的影響

劉常園,方東路,張毅航,鄭惠華,2,胡秋輝,3,趙立艷,*

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部食用菌加工重點實驗室,江蘇南京 210095;2.江蘇安惠生物科技有限公司,江蘇南通 226009;3.南京財經(jīng)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇南京 210023)

香菇(Lentinusedodes)是世界上種植量排名第二的食用菌,僅次于雙孢菇(Agaricusbisporus),占全球食用菌總量的25%[1]。香菇因其較高的營養(yǎng)價值、理想的風(fēng)味和良好的藥用特性成為亞洲最受歡迎的蘑菇,其種植面積和食用量也逐年增加[2]。香菇富含碳水化合物、蛋白質(zhì)、游離氨基酸、維生素、脂肪酸、膳食纖維和鈣、磷、鐵等元素,具有很高的營養(yǎng)價值[3-4]。香菇還含有豐富的生物活性成分,例如多糖和多酚等,使其具有顯著的抗氧化性[5]、抗腫瘤[6]、抗癌[7]、免疫調(diào)節(jié)[8]、抗病毒[9]、抗炎[10]、調(diào)節(jié)糖尿病[11]。此外,香菇還具有抗齲的能力[12]。

食用菌的香氣會影響消費者的接受程度和產(chǎn)品的感官特性[13],它主要來源于不飽和脂肪酸的自氧化或酶促氧化,且被氧化的脂質(zhì)進(jìn)一步與蛋白質(zhì)、肽和游離氨基的相互作用。Strecker降解和美拉德反應(yīng)也是食品中揮發(fā)性物質(zhì)形成的重要途徑[14-15]。李琴[16]研究發(fā)現(xiàn),煮制方式對雙孢蘑菇湯揮發(fā)性風(fēng)味成分組成有顯著的影響。香菇的特征性揮發(fā)性化合物是C8化合物和含硫化合物。1-辛烯-3-醇和3-辛酮是香菇中主要的C8化合物,僅存在于新鮮香菇中;1-辛烯-3-醇帶有甜味和青草味,3-辛酮帶有甜味、果味、泥土和奶酪或蘑菇的香氣[17]。Dermiki等[18]認(rèn)為,新鮮香菇的獨特氣味是由直鏈含硫化合物(如:二甲基二硫化物、二甲基三硫化物)和環(huán)狀含硫化合物,尤其是1,2,4-三硫雜環(huán)戊烷、1,2,4,5-四硫雜環(huán)丁烷和蘑菇香精產(chǎn)生的。C8化合物和含硫化合物均是熱敏物質(zhì),極易在熱處理過程中受熱降解[19],進(jìn)而對香菇產(chǎn)品的香氣特征及品質(zhì)產(chǎn)生影響。

電子鼻是一種模擬生物嗅覺系統(tǒng)的高新技術(shù)。它的工作原理是通過非選擇性傳感器陣列與氣味活性分子之間的相互作用產(chǎn)生電信號;此電信號被傳輸?shù)接嬎銠C(jī)上,利用多元數(shù)據(jù)統(tǒng)計軟件進(jìn)行分析[20]。電子鼻檢測是一種很好的氣味分析方法,因為它可以獲取樣品中香氣成分的較為全面信息,而非香氣成分的定性和定量測定[21]。固相微萃取(Solid phase mirco-extraction,SPME)-氣質(zhì)聯(lián)用(Gas chromatography mass spectrometry,GC-MS)技術(shù)操作簡單、分離性好和靈敏度高,是對食品中揮發(fā)性風(fēng)味成分定性定量分析最常用的方法[22-23]。

本研究以香菇湯為研究對象,利用電子鼻和SPME-GC-MS聯(lián)用技術(shù)對高溫煮制(120 ℃ 20 min)、變溫煮制(120 ℃ 10 min后120～100 ℃ 10 min)和傳統(tǒng)常壓煮制(100 ℃ 20 min)三種方式煮制的香菇湯的揮發(fā)性風(fēng)味成分進(jìn)行分析鑒定,探明不同方式煮制的香菇湯中揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的含量和種類的變化情況,以期為香菇湯的工業(yè)化生產(chǎn)提供理論支撐和技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新鮮香菇,胡蘿卜,蔥姜,食鹽 市售;黃原膠、麥芽糊精 均為食品級,上海源葉生物科技有限公司。

R2017-0349高溫蒸煮鍋 山東中潤機(jī)械有限公司;HC238-AV微波爐 廣東美的微波爐制造有限公司;70-2切片機(jī) MSC International公司;Allegra 64R臺式高速冷凍離心機(jī) 南京百瑞達(dá)生物科技有限公司;Fox-3000電子鼻 法國Alpha MOS公司;7890A-5975C GC-MS 美國Agilent公司;頂空固相瓶20 mL 南京昊銳的實驗器材有限公司;HH-6數(shù)顯電子恒溫水浴鍋 常州國華電器有限責(zé)任有限公司;JYL-C022E勻漿機(jī) 九陽股份有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 香菇煮制方法 將清洗好的新鮮香菇用切片機(jī)切成香菇條(1 cm×5 cm),取一定質(zhì)量的香菇條,按香菇條∶水=50∶1 (g/mL)取一定量水,于微波爐中300 W燙漂90 s[24],備用;準(zhǔn)確稱取0.25%(與香菇的質(zhì)量比,以下同)的黃原膠,加入100倍的水,攪拌20 min后靜置30 min,使黃原膠充分吸水溶脹,然后加入2.7%糊精,0.7%鹽,之后按照香菇:水=1∶5 (g/mL)加入水,待沸騰后,將香菇、4%胡蘿卜絲、0.5%蔥和0.5%姜放入,開始煮制。煮制完成后,將香菇湯均勻分裝,快速冷卻,備用。三種煮制方式是:高溫煮制:120 ℃恒溫煮制20 min;變溫煮制:先120 ℃恒溫煮制10 min,然后自然降溫到100 ℃變溫煮制10 min;傳統(tǒng)常壓煮制:100 ℃恒溫煮制20 min。

勻漿后香菇湯樣品中揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)含量以干基計,其樣品水分含量按照GB 5009.3-2016《食品中水分的測定》進(jìn)行測定。

1.2.2 電子鼻分析 以高速檔(40000 r/min)勻漿香菇湯,并稱取2 g置于頂空固相瓶中,立即用帶有聚四氟乙烯的蓋子進(jìn)行密封,然后于室溫下平衡45 min,平衡后用電子鼻進(jìn)行測量。測量條件為:檢測時間為180 s,延滯時間為1080 s,載氣為潔凈的空氣,流速為150 mL/min。電子鼻各傳感器對應(yīng)的響應(yīng)參考物質(zhì)[25]如表1所示。

表1 電子鼻各傳感器對應(yīng)的參考物質(zhì)

1.2.3 SPME-GC-MS分析 參照Li等[26]的方法進(jìn)行GC-MS測定。

1.2.3.1 頂空固相微萃取 稱取2 g勻漿后香菇湯樣品于頂空固相瓶中,立即用聚四氟乙烯蓋子密封,密封后放入60 ℃水浴鍋中,用DVB/CAR/PDMS固相萃取頭進(jìn)行提取揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì),萃取時間為40 min,萃取頭距離瓶底樣品的距離保持在2 cm。固相萃取頭在使用前需在氮氣保護(hù)下插入氣相色譜進(jìn)樣口進(jìn)行老化以去除萃取頭上面的雜質(zhì),老化溫度為250 ℃,時間為30 min。

1.2.3.2 GC-MS分析 色譜條件:色譜柱為HP-5MS毛細(xì)管柱(30 m×250 μm,0.25 μm)。升溫程序:初始溫度45 ℃,保持3 min,以5 ℃/min的速度升到85 ℃,保持3 min,再以10 ℃/min的速度升至220 ℃,保持2 min,最后以5 ℃/min的速度升至230 ℃,保持7 min;載氣He;流速0.8 mL/min;不分流。質(zhì)譜條件:電子轟擊(EI)離子源;電子能量70 eV;離子源溫度230 ℃;質(zhì)量掃描范圍35～550 u,進(jìn)樣口溫度250 ℃,MS四極桿溫度150 ℃。

1.2.4 保留指數(shù)(RI)的計算 取C7-C40正構(gòu)烷烴混標(biāo)作為標(biāo)準(zhǔn)品,按照上述實驗條件進(jìn)行操作分析,記錄每個正構(gòu)烷烴的保留時間,計算各揮發(fā)性組分的RI值[27]。

RI=100n+100[(tx-tn)/(tn+l-tn)]

其中:tx、tn和tn+1(tn

1.3 數(shù)據(jù)處理

每組樣品測定3次,取平均值。實驗數(shù)據(jù)利用Microsoft Office Excel 2010軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析,Origin 2018軟件對實驗數(shù)據(jù)處理作圖,每組數(shù)據(jù)測定3次,結(jié)果以平均值呈現(xiàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 電子鼻分析

主成分分析法(PCA)是一種較常用數(shù)據(jù)統(tǒng)計手段,此分析方法能夠降低數(shù)據(jù)矩陣的維數(shù),保留原始數(shù)據(jù)集的大部分信息并解釋各變量之間的相關(guān)性[28]。電子鼻分析的結(jié)果如圖1所示。PC1和PC2分別代表總方差的72.4%和15.0%,累計貢獻(xiàn)率為87.4%,這表明前兩個主成分足以反映原始電子鼻數(shù)據(jù)集的總體情況(圖1a)。高溫煮制香菇湯主要位于第三象限,在PC1和PC2的負(fù)半軸。變溫煮制香菇湯與傳統(tǒng)常壓煮制香菇湯在PC1上得到了較好的分離。此外,變溫煮制和傳統(tǒng)煮制香菇湯分別位于PC1正半軸和負(fù)半軸,與PC2的具有正相關(guān)。由此可以看出,電子鼻能夠根據(jù)香氣清楚地區(qū)分用不同方法煮制的香菇湯樣品。三種香菇湯樣品的載荷圖見圖1b,傳感器LY2/LG與傳統(tǒng)常壓煮制香菇湯的香氣成分具有更大的相關(guān)性,傳感器T30/1、P10/1、PA/2和T70/2對高溫煮制香菇湯的風(fēng)味成分關(guān)聯(lián)性更強(qiáng),而傳感器LY2/AA、LY2/G、LY2/gCT和LY2/GH對變溫煮制香菇湯的整體風(fēng)味特征貢獻(xiàn)更多。為進(jìn)一步探索不同煮制方式對香菇湯風(fēng)味的影響,采用HS-SPME-GC-MS對香菇湯的風(fēng)味物質(zhì)組成作分析鑒定。

2.2 HS-SPME-GC-MS分析

糖類、脂肪酸和氨基酸是許多生化反應(yīng)的起始底物,涉及大量不同的酶促反應(yīng)系統(tǒng),最終會形成許多揮發(fā)性化合物[14]。香菇湯中揮發(fā)性風(fēng)味化合物的百分含量如表2所示。通過與NIST 08庫和RI作對比,確定了50種揮發(fā)性風(fēng)味化合物。根據(jù)化學(xué)性質(zhì),將所測定的香菇湯中的50種揮發(fā)性風(fēng)味化合物分為六個類別,其中有烴類(15種)、醛和酮類化合物(5種)、醇類(11種)、酯類(12種)、含硫化合物(4種)和其他類化合物(3種)。確定了其總揮發(fā)性風(fēng)味化合物種類為高溫煮制香菇湯35個,變溫煮制香菇湯34個,傳統(tǒng)常壓煮制香菇湯27個。高溫煮制和變溫煮制香菇湯中揮發(fā)性風(fēng)味化合物種類多于傳統(tǒng)常壓煮制樣品的原因是在熱處理過程中,美拉德反應(yīng)的發(fā)生及引發(fā)的許多其他反應(yīng)例如脂質(zhì)氧化和降解、氧化的脂質(zhì)與蛋白質(zhì)或氨基酸之間的相互作用、維生素降解等,產(chǎn)生大量的揮發(fā)性物質(zhì)[29]。由圖2可知,在高溫煮制香菇湯中,烴類和酯類揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的百分含量更高;在變溫煮制香菇湯中,烴類和醇類揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的百分含量更高;在傳統(tǒng)常壓煮制香菇湯中,烴類和含硫化合物類揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的百分含量更高。

圖2 三種煮制方式煮制的香菇湯的各類揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的百分含量

由表2可以發(fā)現(xiàn),在高溫煮制香菇湯中烴類的百分含量為25.71%,變溫煮制香菇湯為29.63%,傳統(tǒng)常壓煮制為13.60%。烴類化合物可能源于脂肪酸的均裂[30],其氣味活性閾值一般較高,不易引起明顯的嗅感[31]。在高溫煮制香菇湯中醇類化合物的百分含量為14.54%,變溫煮制香菇湯為18.10%,傳統(tǒng)常壓煮制為2.60%。醇類化合物的閾值通常較高,對樣品整體風(fēng)味貢獻(xiàn)不大,其一般具有芳香、青草香、酸敗味和土霉味,主要來源于脂肪的氧化分解、氨基酸還原和碳水化合物的代謝[32]。在高溫煮制香菇湯中酯類化合物的百分含量為16.74%,變溫煮制香菇湯為2.02%,傳統(tǒng)常壓煮制為0.63%。酯類化合物一般具有水果香氣,主要來源于脂肪酸的氧化和氨基酸的分解[33]。醛酮類化合物在高溫煮制香菇湯中的百分含量為0.58%,變溫煮制香菇湯為0.61%,傳統(tǒng)常壓煮制為3.25%。酮類化合物由多不飽和脂肪酸的熱氧化或降解、氨基酸降解或微生物氧化產(chǎn)生,其氣味閾值一般較低,對香菇湯的整體風(fēng)味影響較大[34]。醛類化合物是不飽和脂肪酸氧化的產(chǎn)物,氣味閾值一般也較低,對香菇湯整體風(fēng)味的形成有重要影響[35-36]。含硫化合物是香菇中特征揮發(fā)性風(fēng)味成分,帶來一種令人愉快的香菇風(fēng)味。其在高溫煮制香菇湯中含硫化合物的百分含量為0.47%,變溫煮制香菇湯為2.20%,傳統(tǒng)常壓煮制為32.82%。其他類化合物在三種香菇湯中的占比分別是:0.44%、2.74%和1.07%。由此可知,高溫煮制的香菇湯中,酯類化合物含量要高于變溫和傳統(tǒng)常壓煮制香菇湯;變溫煮制香菇湯中,烴類、醇類和其他類化合物最高;而傳統(tǒng)常壓煮制對香菇的特征風(fēng)味物質(zhì)-含硫化合物和醛酮類化合物保留更好。結(jié)合電子鼻的各傳感器的特征響應(yīng)物質(zhì)可知,傳統(tǒng)常壓煮制香菇湯中含硫化合物對風(fēng)味的貢獻(xiàn)更突出;高溫煮制香菇湯中極性有機(jī)化合物、烴類、和芳香族化合物含量較高;變溫煮制香菇湯中醇類、碳氧化合物含量較豐富。由此可以說明三種香菇湯具有不同的香氣特征,這也能證明電子鼻和GC-MS的結(jié)果較為一致。

表2 不同方法煮制的香菇湯中揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的百分含量

續(xù)表

在香菇湯中沒有檢測到1-辛烯-3-醇和3-辛酮,因為這兩種C8化合物對熱敏感,極易受熱降解[37]。含硫化合物對香菇的獨特風(fēng)味的產(chǎn)生起著重要的作用,尤其是蘑菇香精、1,2,4,5-四硫環(huán)己烷和1,2,4,6-四硫環(huán)庚烷。有研究報道[18]稱,蘑菇香精對人體健康十分有益,在抑制血小板聚集方面具有積極的作用。在此項研究中,僅在變溫煮制和傳統(tǒng)常壓煮制香菇湯中檢測到了蘑菇香精,并且傳統(tǒng)常壓煮制香菇湯中的蘑菇香精百分含量要高于變溫煮制香菇湯。

3 結(jié)論

利用電子鼻對高溫、變溫和傳統(tǒng)常壓煮制的香菇湯的整體香氣特征進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)3種香菇湯的風(fēng)味特征有明顯區(qū)別,結(jié)合主成分分析發(fā)現(xiàn)3種方式煮制的香菇湯在主成分分析圖中能夠分離開來。進(jìn)一步用SPME-GC-MS對香菇湯的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)進(jìn)行分析鑒定,結(jié)果發(fā)現(xiàn),高溫煮制的香菇湯中酯類化合物含量為16.74%,高于變溫和傳統(tǒng)常壓煮制香菇湯;烴類、醇類和其他類化合物在變溫煮制香菇湯中含量最高,分別為29.63%、18.10%和2.74%;而傳統(tǒng)常壓煮制對香菇的特征風(fēng)味物質(zhì)-含硫化合物和醛酮類化合物保留更好,其百分含量分別為32.82%和3.25%。本研究以精準(zhǔn)的數(shù)字化加工參數(shù),模擬傳統(tǒng)大火快煮、大火轉(zhuǎn)小火煮制和小火慢熬的煮制方式,探明了各方式在煮制過程中揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的變化規(guī)律,為香菇湯的生產(chǎn)提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)指導(dǎo)。