基于電子鼻和GC-IMS分析復(fù)熱對(duì)香菇湯揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的影響

劉常園， 方東路， 湯 靜， 胡秋輝,2， 趙立艷,*

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科技學(xué)院， 江蘇 南京 210095；2.南京財(cái)經(jīng)大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 南京 210023)

香菇(Lentinusedodes(Berk.) Pegler)又名花菇、花蕈、香信、椎茸、厚菇等，鮮味濃郁，有“山珍之冠”“菇中之王”等美譽(yù)，深受消費(fèi)者喜愛[1]。香菇中含有豐富的碳水化合物、蛋白質(zhì)、游離氨基酸、維生素、脂肪酸、膳食纖維及鈣、磷、鐵等元素，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值極高[2-3]。此外，香菇中富含多糖、多酚等多種生物活性成分，具有顯著的抗氧化、抗腫瘤、免疫調(diào)節(jié)等功能[4-7]。

香菇湯產(chǎn)品，味道鮮美、營(yíng)養(yǎng)豐富，是香菇的主要消費(fèi)方式之一。隨著香菇產(chǎn)量的增加和人們對(duì)香菇的認(rèn)知逐漸加深，香菇加工產(chǎn)品不斷出現(xiàn)，豐富了市場(chǎng)上香菇的產(chǎn)品形式。即食型香菇湯產(chǎn)品的研發(fā)，也逐漸引起了人們的廣泛關(guān)注。

人們對(duì)預(yù)制湯類的消費(fèi)習(xí)慣是趁熱食用，因此，對(duì)于即食型香菇湯產(chǎn)品來說，在食用前，會(huì)經(jīng)過復(fù)熱處理，而且此過程可以殺死一些貯藏過程中增殖的微生物，提高食品的安全性[8]。復(fù)熱過程中，不可避免地會(huì)出現(xiàn)食品營(yíng)養(yǎng)成分、物理特性、感官特性改變的情況，而且復(fù)熱時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)香菇湯產(chǎn)品品質(zhì)的影響越大。呂翡燕[9]利用微波復(fù)熱蟹味菇菌菇煲(1 300 W、3 min)，發(fā)現(xiàn)復(fù)熱前后蛋白質(zhì)無顯著變化，而湯中的多糖含量增加，酚類物質(zhì)和黃酮類物質(zhì)經(jīng)過復(fù)熱處理都呈減少趨勢(shì)，游離氨基酸含量明顯減少，風(fēng)味氨基酸的組分也呈減少趨勢(shì)，減少量在50%以上。Dermiki等[10]認(rèn)為，新鮮香菇的獨(dú)特氣味是由直鏈含硫化合物(如二甲基二硫、二甲基三硫)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。Wu等[11]研究發(fā)現(xiàn)，含硫化合物屬于熱敏物質(zhì)，極易在熱處理過程中受熱降解。而復(fù)熱處理為二次加熱的過程，會(huì)對(duì)香菇湯的風(fēng)味特征產(chǎn)生影響。因此，選擇適合的復(fù)熱方式對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)的保證具有重要意義。

本研究利用電子鼻和GC-IMS(氣相離子遷移色譜)技術(shù)分析了室溫貯藏(20 ℃)的即食型香菇湯產(chǎn)品經(jīng)微波和蒸汽復(fù)熱后整體風(fēng)味的變化情況，以期為香菇湯產(chǎn)品復(fù)熱方式的選擇和應(yīng)用提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮香菇(品種：香菇808)、胡蘿卜、蔥姜、食鹽，南京市玄武區(qū)紫金商業(yè)街蘇果超市；黃原膠、麥芽糊精(均為食品級(jí))，上海源葉生物科技有限公司；3,5-二硝基水楊酸，上海阿拉丁工業(yè)有限公司；四水合酒石酸鉀鈉、無水亞硫酸鈉，上海馬克林生物化學(xué)試劑公司。

1.2 儀器與設(shè)備

R2017-0349型高溫蒸煮鍋，山東中潤(rùn)機(jī)械有限公司；HH-6型數(shù)顯電子恒溫水浴鍋，常州國(guó)華電器有限公司；HC238-AV型微波爐，廣東美的微波爐制造有限公司；70-2型切片機(jī)，MSC International有限公司；JYL-C022E型勻漿機(jī)，九陽股份有限公司；MJ-54A型高壓蒸汽滅菌鍋，上海施都凱儀器設(shè)備有限公司；Fox-3000型電子鼻，法國(guó)Alpha MOS公司；H1-00053型氣相色譜- 離子遷移譜儀，德國(guó)GAS公司；DM-4型電子天平，上海精天電子儀器有限公司。

1.3 香菇湯的制備工藝

新鮮香菇清洗干凈后用切片機(jī)切成香菇條，于微波爐中300 W燙漂90 s，備用；胡蘿卜切絲備用；準(zhǔn)確稱取質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.25%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，之后與質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.7%的麥芽糊精一起加入冷水中，協(xié)同增稠香菇湯，并在水中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.7%的食鹽。待水沸騰后，放入香菇、胡蘿卜及蔥、姜。香菇與水料液比為1∶5(g/mL)，胡蘿卜絲、蔥、姜的添加量分別為質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%、0.5%、0.5%，100 ℃煮制20 min。罐裝，85～95 ℃水浴排氣15 min，趁熱封罐，121 ℃高溫蒸汽殺菌20 min后，快速冷卻至室溫。

圖1 香菇湯的生產(chǎn)工藝Fig.1 Production process of L.edodes soups

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

1.4.1香菇湯的復(fù)熱方法

將香菇湯產(chǎn)品放置在室溫中貯藏3 d，進(jìn)行復(fù)熱研究[9]。為最大程度地減少預(yù)制食品的營(yíng)養(yǎng)和感官特征等品質(zhì)指標(biāo)的變化，確定復(fù)熱終點(diǎn)為香菇湯中心溫度達(dá)到70 ℃[12-15]。

微波復(fù)熱：將香菇湯開蓋，整瓶放入微波爐中，微波功率設(shè)置為600 W[16]，復(fù)熱到產(chǎn)品中心溫度為70 ℃，用時(shí)114 s。

蒸汽復(fù)熱：將香菇湯開蓋，電磁爐溫度設(shè)置為120 ℃，待水沸騰后，將整瓶香菇湯置于籠屜中，蓋上鍋蓋，復(fù)熱到產(chǎn)品中心溫度為70 ℃，用時(shí)7.5 min。

1.4.2電子鼻分析

將復(fù)熱前后香菇湯進(jìn)行勻漿處理，稱取勻漿后樣品各2 g于頂空瓶中，立即用帶有聚四氟乙烯涂層的蓋子進(jìn)行密封，然后于室溫下平衡45 min，之后用電子鼻進(jìn)行檢測(cè)。設(shè)定電子鼻的檢測(cè)時(shí)間為180 s，延滯時(shí)間為1 080 s，潔凈的空氣作為載氣，載氣流速為150 mL/min。

1.4.3氣相離子遷移色譜分析

香菇湯樣品前處理：將復(fù)熱前后的香菇湯進(jìn)行高速擋勻漿處理，準(zhǔn)確稱取勻漿液各1.0 g，置于20 mL頂空瓶中，立即用帶有聚四氟乙烯涂層的蓋子進(jìn)行密封，待測(cè)。

頂空孵化條件：頂空孵化溫度為50 ℃，孵化時(shí)間為15 min，振蕩加熱，振蕩速度為500 r/min，頂空進(jìn)樣針溫度為85 ℃，進(jìn)樣量為0.5 mL，采用不分流模式，進(jìn)樣速度為10 mL/min，用高純氮?dú)馔苿?dòng)和清洗頂空進(jìn)樣針，清洗時(shí)間為15 min。

GC-IMS條件：漂移管長(zhǎng)度為10 cm，管內(nèi)線性電壓為400 V/cm，漂移管溫度為60 ℃，漂移氣體為高純氮?dú)猓瑲怏w流速為150 mL/min，IMS探測(cè)器溫度為45 ℃。

根據(jù)揮發(fā)性化合物的保留時(shí)間和遷移時(shí)間，以C4～C9酮繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，軟件內(nèi)置的NIST數(shù)據(jù)庫和IMS數(shù)據(jù)庫可對(duì)物質(zhì)進(jìn)行定性分析。GC-IMS具有獨(dú)立的用于數(shù)據(jù)采集的軟件——LAV軟件，可用于數(shù)據(jù)可視化、對(duì)齊和自動(dòng)信號(hào)測(cè)量[17]。利用儀器LAV軟件，生成揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)GC-IMS譜圖。

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用IBM SPSS Statistics 20.0軟件和Microsoft Office Excel 2010軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，Origin 2018 對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪圖，每個(gè)樣品平行測(cè)定3次。

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)熱前后香菇湯的電子鼻分析結(jié)果

電子鼻利用氣體傳感器陣列對(duì)特殊氣體分子的敏感性，來識(shí)別樣品中的氣味成分，并對(duì)所檢測(cè)到的氣味進(jìn)行判別和分析[18]，復(fù)熱前后香菇湯電子鼻分析結(jié)果見表1、圖2。由表1和圖2可知，氣體傳感器LY2/LG、PA/2、T70/2、P40/1、P10/2、P10/1和T30/1對(duì)香菇湯產(chǎn)品的響應(yīng)值較高，且對(duì)未復(fù)熱香菇湯的響應(yīng)值要顯著高于對(duì)微波復(fù)熱和蒸汽復(fù)熱香菇湯的響應(yīng)值(P<0.05)；而微波復(fù)熱和蒸汽復(fù)熱香菇湯之間，無顯著差異(P>0.05)。氣體傳感器LY2/G、LY2/AA、LY2/GH、LY2/gCTL和LY2/gCT對(duì)香菇湯產(chǎn)品的響應(yīng)值較低，且對(duì)未復(fù)熱香菇湯的響應(yīng)值要顯著低于對(duì)蒸汽復(fù)熱和微波復(fù)熱香菇湯的響應(yīng)值(P<0.05)；而微波復(fù)熱和蒸汽復(fù)熱香菇湯之間，無顯著差異(P>0.05)。這說明復(fù)熱后香菇湯的氣味特征與未復(fù)熱香菇湯的氣味特征，存在著較大的差異，而蒸汽復(fù)熱和微波復(fù)熱香菇湯的氣味圖譜較為相似。

表1 復(fù)熱前后香菇湯的電子鼻傳感器響應(yīng)值Tab.1 Electronic nose sensor response value ofL.edodes soups before and after reheating

圖2 復(fù)熱前后香菇湯的電子鼻雷達(dá)圖譜Fig.2 Electronic nose radar fingerprint chart of L.edodes soups before and after reheating

主成分分析法(PCA)是一種較為常用的數(shù)據(jù)處理方法，此分析方法能夠降低數(shù)據(jù)矩陣的維度，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[19]。用電子鼻分析復(fù)熱前后香菇湯的氣味變化情況，并對(duì)電子鼻數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，見圖3。由圖3可以看出，PC1的貢獻(xiàn)率為94.8%，PC2的貢獻(xiàn)率為4.0%，累計(jì)貢獻(xiàn)率為98.8%，能夠很好地說明電子鼻數(shù)據(jù)集的整體情況。而且，圖3中，蒸汽復(fù)熱和微波復(fù)熱香菇湯兩者間有部分重疊，但與未復(fù)熱香菇湯分離開來，這說明蒸汽復(fù)熱和微波復(fù)熱香菇湯兩者之間香氣組成較為相似，但與未復(fù)熱香菇湯的香氣特征差別較大。為進(jìn)一步分析蒸汽復(fù)熱、微波復(fù)熱和未復(fù)熱香菇湯之間香氣的具體差異，利用GC-IMS對(duì)復(fù)熱前后香菇湯的香氣組分進(jìn)行分析。

圖3 復(fù)熱前后香菇湯的電子鼻主成分分析Fig.3 Electronic nose principal component analysis of L.edodes soups before and after reheating

2.2 復(fù)熱前后香菇湯的氣相離子遷移色譜分析結(jié)果

GC-IMS是一種快速、高靈敏、高選擇性、無需樣品前處理、高效便捷的揮發(fā)性風(fēng)味成分分析新技術(shù)[20]。當(dāng)GC檢測(cè)器與IMS聯(lián)用時(shí)，GC保留時(shí)間和IMS漂移時(shí)間相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)所測(cè)樣品中揮發(fā)性化合物的二維分離[21]。目前，GC-IMS已被廣泛地應(yīng)用于醫(yī)療診斷、環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品質(zhì)量和安全控制等領(lǐng)域中[22-25]。GC-IMS分析方法能夠作為可視化工具分析樣品的揮發(fā)性風(fēng)味化合物；GC-IMS譜圖能夠充分反映出GC-IMS的檢測(cè)結(jié)果，且檢測(cè)結(jié)果穩(wěn)定有效[26]。

表2是利用GC-IMS鑒定出的復(fù)熱前后香菇湯中的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)信息。由表2可知，在復(fù)熱前后香菇湯中，共分離鑒定出56種揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)，其中包括酯類7種，醛類17種，酮類10種，醇類15種，酸類2種，含硫化合物2種，萜烯類2種，雜環(huán)類1種。

為了直觀地獲得不同復(fù)熱方式對(duì)香菇湯的揮發(fā)性風(fēng)味成分影響情況的信息，利用GC-IMS的LAV軟件中的Gallery Plot插件，對(duì)定性出的離子峰生成指紋圖譜(見圖4)。圖4中每個(gè)亮點(diǎn)均代表著一種揮發(fā)性風(fēng)味化合物，點(diǎn)的顏色越深，說明此揮發(fā)性風(fēng)味化合物的含量越高。一種化合物可能會(huì)在同一水平上產(chǎn)生1～2個(gè)斑點(diǎn)，這分別代表此物質(zhì)的單體和二聚體，具體取決于化合物的性質(zhì)和含量[27]。

由圖4可以看出，復(fù)熱方式能夠改變香菇湯產(chǎn)品的揮發(fā)性風(fēng)味成分含量，且復(fù)熱后香菇湯的風(fēng)味物質(zhì)含量要比未復(fù)熱香菇湯的風(fēng)味物質(zhì)含量更高。如圖4中紅色矩形框a～g中所示，微波復(fù)熱香菇湯的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的點(diǎn)的顏色要比蒸汽復(fù)熱和未復(fù)熱香菇湯的深，所對(duì)應(yīng)的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)有：檸檬烯、辛醛及其二聚體、庚醛及其二聚體、2-環(huán)己烯-1-酮、2-糠醛及其二聚體、戊醛及其二聚體、2-甲基丙醛，說明這些揮發(fā)性風(fēng)味成分在微波復(fù)熱香菇湯中的含量要高于蒸汽復(fù)熱和未復(fù)熱香菇湯。而在紅色橢圓形框中的揮發(fā)性風(fēng)味成分，包括二甲基三硫、對(duì)甲酚、二甲基二硫、5-甲基-2-糠醛、1-己醇及其二聚體，在蒸汽復(fù)熱香菇湯中含量要高于未復(fù)熱和微波復(fù)熱香菇湯。

研究表明，醛酮類在微波復(fù)熱香菇湯中含量較高，一般具有果香氣味[28]，來源于多不飽和脂肪酸的熱氧化或熱降解等，其氣味閾值一般較低，對(duì)香菇湯的整體風(fēng)味影響較大[29-31]。由于微波可以加速脂質(zhì)氧化，因此微波復(fù)熱香菇湯中醛酮類化合物含量較高[32]。微波復(fù)熱香菇湯中還含有較高的檸檬烯，此物質(zhì)帶有一種柑橘的香氣，使香菇湯具有令人愉悅的氣味[33]。蒸汽復(fù)熱香菇湯中5-甲基-2-糠醛和含硫化合物的含量較高，含硫化合物是香菇的特征揮發(fā)性風(fēng)味成分，帶有一種令人愉快的香菇風(fēng)味。蒸汽復(fù)熱香菇湯中還含有較高含量的己醇，醇類物質(zhì)通常是由不飽和脂肪酸氧化產(chǎn)生的，己醇具有一種香甜的松子氣味，但其氣味閾值較高為8 000 μg/L[34]，對(duì)蒸汽復(fù)熱香菇湯的整體香氣特征貢獻(xiàn)不突出。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，蒸汽復(fù)熱和微波復(fù)熱香菇湯的香氣特征存在相似之處，也有不同之處。相似之處在于都有較高含量的、對(duì)氣味貢獻(xiàn)較大的醛類物質(zhì)；不同之處在于蒸汽復(fù)熱香菇湯中含硫化合物的含量較高，而在微波復(fù)熱香菇湯中醛酮類化合物含量較高。

3 結(jié) 論

利用電子鼻和GC-IMS分析復(fù)熱方式對(duì)香菇湯氣味特征的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：未復(fù)熱香菇湯與蒸汽、微波復(fù)熱香菇湯的電子鼻傳感器的響應(yīng)值存在顯著差異(P<0.05)，而蒸汽復(fù)熱與微波復(fù)熱香菇湯具有相似的氣味輪廓。GC-IMS分析定性出56種揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)以及部分物質(zhì)的二聚體。復(fù)熱前后，香菇湯的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)種類相同，而含量差異較大。在微波復(fù)熱香菇湯中，醛酮類化合物含量更高，如辛醛及其二聚體、庚醛及其二聚體、2-環(huán)己烯-1-酮、2-糠醛及其二聚體、戊醛及其二聚體、2-甲基丙醛，醛酮類化合物的氣味閾值一般較低，因此，微波復(fù)熱后香菇湯的風(fēng)味特征變化較大。而在蒸汽復(fù)熱香菇湯中，含硫化合物的含量更高，包括二甲基三硫、二甲基二硫，這兩種物質(zhì)為香菇的特征風(fēng)味，說明蒸汽復(fù)熱對(duì)香菇的特征風(fēng)味成分保留更好。本研究表明，復(fù)熱處理對(duì)香菇湯的風(fēng)味特征有較大的影響，且微波復(fù)熱影響最大。

表2 復(fù)熱前后香菇湯的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)定性分析Tab.2 Qualitative analysis of volatile flavor substances of L.edodes soups before and after reheating

圖4 不同方式復(fù)熱的香菇湯揮發(fā)性風(fēng)味成分的GC-IMS分析Fig.4 GC-IMS analysis of volatile flavor substances of L.edodes soups with different reheating methods