結(jié)合GC-MS和GC-IMS分析不同處理方式下玉米的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)

孫嘉卿，馮 濤，張 燦，張康逸?

（1. 上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 香料香精技術(shù)與工程學(xué)院，上海 201418；2. 河南省農(nóng)科院農(nóng)副產(chǎn)品加工研究中心，河南 鄭州 450002）

玉米被稱(chēng)為“黃金食品”，是禾本科玉蜀黍?qū)僖荒晟荼局参铮a(chǎn)于中南美洲，是世界重要的糧食和飼料作物[1]，廣泛分布于美國(guó)、中國(guó)、巴西等國(guó)家[2]。玉米含有淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪、纖維等多種營(yíng)養(yǎng)成分，此外還含有豐富的鈣、鐵、鎂、硒、維生素、胡蘿卜素、尼克酸等。玉米具有一定的藥用功效，如可以防治心血管疾病，促進(jìn)腸壁蠕動(dòng)、預(yù)防便秘、抗氧化、防癌抗癌等。鮮食玉米具有降低血壓、防癌抗癌、益智健腦等功效，隨著人們對(duì)保健意識(shí)的增強(qiáng)，鮮食玉米越來(lái)越受到人們的喜愛(ài)，消費(fèi)迅速增長(zhǎng)。到2020年全國(guó)鮮食玉米種植面積達(dá)到1 500萬(wàn)畝。目前，全國(guó)鮮食玉米種植面積超過(guò)1 200萬(wàn)畝[3]。近年來(lái)人們一方面致力于玉米副產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)[4]，另一方面對(duì)于不同處理方式的變化過(guò)程如凍藏過(guò)程中[5]、不同干燥工藝等對(duì)玉米品質(zhì)及風(fēng)味的影響[6]、或不同品種鮮食甜糯玉米揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)主成分分析[7]均有較多的研究，但針對(duì)不同的處理方式產(chǎn)生的風(fēng)味物質(zhì)的對(duì)比分析研究較少。

氣相色譜-離子遷移譜法（GC-IMS）是近年來(lái)在新興技術(shù)領(lǐng)域興起的熱度較高的氣相分離檢測(cè)技術(shù)[8]，該技術(shù)結(jié)合了氣相色譜的高分離能力和離子遷移率光譜（IMS）的快速響應(yīng)、高靈敏度、大氣壓下室溫下即可進(jìn)行、無(wú)需進(jìn)行預(yù)處理即可提供快速分析和可變體積進(jìn)樣的優(yōu)點(diǎn)，又彌補(bǔ)了氣相色譜的低鑒別能力[9]。在食品檢測(cè)[10]、鑒別[11]、溯源、分級(jí)[12]等各個(gè)領(lǐng)域發(fā)展迅速。目前已有研究采用HS-SPME[13-14]、SPME[15]等對(duì)玉米風(fēng)味進(jìn)行研究，但是將GC-IMS技術(shù)用來(lái)表征不同處理方式下的青豆揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)指紋圖譜的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。

1 材料與方法

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)用的玉米采摘時(shí)間、采摘成熟度相似，保存方法為冷藏。其不同處理方式見(jiàn)表1。

1.2 儀器與設(shè)備

FlavourSpec?風(fēng)味分析儀、GCMS（5975C-7890 A）氣質(zhì)聯(lián)用儀、G4513A16位自動(dòng)進(jìn)樣塔：美國(guó)安捷倫科技有限公司；50/20 μm DVB/CAR/PDMS萃取頭：美國(guó)色譜科公司；MP5002電子天平：上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司；HH-S2數(shù)顯恒溫水浴鍋：金壇市醫(yī)療儀器廠；2-辛醇：上海源葉生物科技有限公司。

表1 玉米樣品Table 1 Corn sample

1.3 實(shí)驗(yàn)條件

1.3.1 GC-IMS測(cè)定條件

頂空進(jìn)樣條件：頂空孵化溫度：40 ℃；孵化時(shí)間：15 min；頂空進(jìn)樣針溫度：45 ℃；進(jìn)樣量：500 uL；孵化轉(zhuǎn)速：500 rpm。

GC-IMS條件：色譜柱類(lèi)型：FS-SE-54-CB-1 15m ID：0.53 mm；柱溫：60 ℃；漂移氣（高純N2，純度≥99.999%）；流速：150 mL/min；IMS探測(cè)器溫度：45 ℃。

樣品前處理：稱(chēng)取2 g樣品，置于20 mL頂空瓶中，40 ℃孵育15 min后進(jìn)樣。

1.3.2 GC-MS 測(cè)定樣品前處理

樣品前處理：稱(chēng)取不同處理的玉米樣品各6 g，置于30 mL棕色螺口固相微萃取樣品瓶中，放入80 ℃恒溫水浴鍋中平衡20 min；同時(shí)，將固相微萃取頭插入 GC-MS儀的進(jìn)樣口中，在250 ℃條件下老化20 min。然后再將萃取頭插入平衡好的樣品瓶中，在 80 ℃恒溫水浴條件下吸附 50 min后取出，插入氣相色譜進(jìn)樣口，解吸6 min。

1.3.3 GC-MS分析條件

色譜條件：色譜毛細(xì)管柱為DB-5MS（60 mm×0.32 mm，1 μm）；色譜柱起始溫度40 ℃，保持2 min，以5 ℃/min的升溫速率升至180 ℃，再以 10 ℃/min的升溫速率升至 250 ℃，并保持10 min。載氣為氦氣，載氣流量為 0.8 mL/min，壓力為3.29×104Pa，進(jìn)樣口溫度為250 ℃，運(yùn)行時(shí)間47 min。

質(zhì)譜條件：電子轟擊（electron impact，IE）離子源，電子能量70 eV，離子源溫度230 ℃，四級(jí)桿溫度為 150 ℃，質(zhì)量掃描范圍為 35～450 m/z，溶劑延遲3 min。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用功能軟件 Laboratory Analytical Viewer和分析軟件和三款插件 Reporter、Gallery Plot、Dynamic PCA以及GC×IMS Library Search對(duì)圖譜進(jìn)行差異分析，通過(guò)內(nèi)置的NIST 2014氣相保留指數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)與G.A.S的IMS遷移時(shí)間數(shù)據(jù)庫(kù)二維定性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 GC-IMS檢測(cè)下不同處理方式玉米樣品中的風(fēng)味差異

不同處理方式的玉米樣品揮發(fā)性物質(zhì) GC-IMS圖譜見(jiàn)圖 1，縱坐標(biāo)代表氣相色譜的保留時(shí)間，橫坐標(biāo)代表離子遷移時(shí)間，橫坐標(biāo) 1.0處豎線(xiàn)為RIP峰（反應(yīng)離子峰，經(jīng)歸一化處理）。RIP峰兩側(cè)的每一個(gè)點(diǎn)代表一種揮發(fā)性有機(jī)物，顏色越深表示濃度越大。結(jié)合以上說(shuō)明及GC-IMS二維俯視圖可以對(duì)不同樣品之間的揮發(fā)性物質(zhì)組成進(jìn)行直觀比較。當(dāng)以鮮玉米為參照，差異化分析所有譜圖時(shí)，風(fēng)味物質(zhì)的差異更加一目了然。與對(duì)照玉米相比，清洗玉米的樣品風(fēng)味譜圖和其較為相似，風(fēng)味物質(zhì)濃度相差不大；譜圖較為相似的漂燙、預(yù)冷、速凍三種處理方式下的玉米樣品有了變化，但對(duì)風(fēng)味的影響相對(duì)較小，蒸、煮處理后的玉米風(fēng)味物質(zhì)明顯減少，變化較為明顯；炒制及凍干樣品的譜圖中，揮發(fā)性物質(zhì)種類(lèi)最為豐富、與其他處理方式的玉米差異最大，最為明顯。

2.2 GC-IMS檢測(cè)下不同處理方式玉米樣品風(fēng)味物質(zhì)指紋圖譜對(duì)比

為了更具體直觀表現(xiàn)不同樣品、不同過(guò)程中揮發(fā)性物質(zhì)的變化規(guī)律和相對(duì)含量的比較，我們借助 Gallery Plot插件來(lái)繪制揮發(fā)性物質(zhì)的指紋譜圖，直觀且定量地比較不同樣品之間的揮發(fā)性有機(jī)物差異。

圖1 不同處理方式的玉米樣品揮發(fā)性物質(zhì)成分二維譜圖（俯視圖）Fig.1 Two dimensional spectrum of volatile compounds in corn samples with different treatment methods (top view)

圖2 不同處理方式的玉米樣品Gallery Plot指紋譜圖Fig.2 Gallery plot fingerprint of corn samples with different treatment methods

圖2中每一行代表一個(gè)樣品中選取的全部信號(hào)峰，圖中每一列代表同一揮發(fā)性有機(jī)物在不同樣品中的信號(hào)峰。從圖中可以看出每種樣品的完整揮發(fā)性有機(jī)物信息以及樣品之間揮發(fā)性有機(jī)物的差異。不同樣品的風(fēng)味物質(zhì)變化在Gallery Plot指紋譜圖更加明顯，每一列是不同樣品中的一種風(fēng)味物質(zhì)，顏色深淺代表濃度高低，通過(guò)縱向的比較，不同風(fēng)味物質(zhì)濃度呈現(xiàn)一定的規(guī)律，非常直觀。玉米中部分風(fēng)味物質(zhì)未準(zhǔn)確定性，我們以阿拉伯?dāng)?shù)字順序編號(hào)并放于最后，主要對(duì)已準(zhǔn)確定性的37種揮發(fā)性成分進(jìn)行分析，我們把這些物質(zhì)按照醇、醛、酮等進(jìn)行分類(lèi)，相同種類(lèi)的物質(zhì)放在一起，以便分析不同加工過(guò)程中，樣品中的風(fēng)味物質(zhì)變化規(guī)律。如圖 2A框所示，主要是鮮玉米中的1-辛烯-3-醇、反-2-己烯醇、戊醇、2-丙醇等醇類(lèi)物質(zhì)，我們看到醇類(lèi)物質(zhì)在鮮玉米中濃度最高，且清洗、漂燙、預(yù)冷過(guò)程基本沒(méi)有改變，經(jīng)過(guò)蒸煮炒凍干等加工過(guò)程后濃度會(huì)降低。如圖2B框所示，乙酸乙酯、乙酸丁酯等酯類(lèi)物質(zhì)的變化規(guī)律類(lèi)似醇類(lèi)物質(zhì)，在鮮玉米中濃度最高，在速凍、清洗、漂燙、預(yù)冷等工藝的處理下濃度逐漸減小均有所降低，經(jīng)蒸煮炒或凍干處理后濃度達(dá)到最低。如圖2C框所示，辛醛、2-庚醛、壬醛、3-甲基丁醛等各種醛類(lèi)物質(zhì)在蒸和煮的過(guò)程中濃度會(huì)達(dá)到最大，說(shuō)明蒸煮的過(guò)程中生成大量的醛類(lèi)物質(zhì)。如圖2D框所示，2-庚酮、2-丁酮、3-羥基-2-丁酮、2-甲基-吡嗪、2-乙基-3，5-二甲基吡嗪、2-戊基呋喃等酮類(lèi)物質(zhì)、吡嗪及呋喃等雜環(huán)衍生物會(huì)在炒制過(guò)程中大量生成，濃度最高。

2.3 GC-MS 和GC-IMS兩種不同檢測(cè)方式下不同處理方式玉米樣品風(fēng)味物質(zhì)對(duì)比

表2，3分別為GC-IMS和GC-MS所分析出的9種不同處理方式下玉米的主要風(fēng)味物質(zhì)。

通過(guò)對(duì)比分析不同處理方式下玉米的共有風(fēng)味物質(zhì)，由圖3韋恩圖發(fā)現(xiàn)，GC-MS和GC-IMS共同檢測(cè)出的風(fēng)味物質(zhì)一般為3～7種，多為正己醛、1-辛烯-3-醇、辛醇、2-戊基噻唑等化合物，推測(cè)為玉米的主要風(fēng)味物質(zhì)。具體的：壬醛為九種不同處理方式下兩種不同檢測(cè)方法均共有的風(fēng)味物質(zhì)；除凍干玉米外，其他處理方式中均檢測(cè)出正己醛、2-戊基呋喃、1-辛烯-3-醇；凍干、炒制、蒸玉米中兩種檢測(cè)方法共同檢出的風(fēng)味物質(zhì)有苯甲醛；除凍干、炒制、蒸煮外，其他的處理方式中共同檢測(cè)出反2-辛烯醛，與本研究GC-IMS單獨(dú)檢測(cè)時(shí)醛類(lèi)濃度逐漸降低的結(jié)論一致，即經(jīng)蒸煮炒或凍干處理后濃度達(dá)到最低。

表2 G C-IMS分析顯示9種不同處理方式下的玉米揮發(fā)性物質(zhì)峰面積Table 2 Peak area of volatile compounds of corn under 9 different treating methods via GC-IMS

續(xù)表2

表3 GC-MS分析顯示不同處理方式下的玉米主要風(fēng)味物質(zhì)的相對(duì)含量（相對(duì)內(nèi)標(biāo)物2-辛醇的濃度）Table 3 GC-MS analysis shows the relative content of main flavor compounds (relative internal standard 2-octanol concentration) in different treatment methods %

續(xù)表3

在 GC-MS分析出的風(fēng)味物質(zhì)中，結(jié)合表 4的OAV值，得出以下結(jié)論。

醛類(lèi)中，以在兩種檢測(cè)方式檢測(cè)重合性較高的正己醛為例，其在蒸煮、炒制中的OAV值明顯高于其他處理方式，另外，所檢測(cè)到OAV值較高的醛的種類(lèi)也多于其他處理方式，在經(jīng)蒸處理后，帶有些許果子香氣的庚醛、帶有油脂氣的反，反-2，4-壬二烯醛的OAV值較高，且出現(xiàn)在其他處理方式之外，可能是因?yàn)楦邷刈饔孟掳l(fā)生美拉德反應(yīng)，故被考慮認(rèn)為是蒸玉米時(shí)產(chǎn)生的特征風(fēng)味。蒸玉米和煮玉米對(duì)比發(fā)現(xiàn)，主要風(fēng)味物質(zhì)類(lèi)似，但相比煮玉米，蒸玉米的風(fēng)味物質(zhì)更加豐富，從而更具研究?jī)r(jià)值。

圖3 不同處理方式下GC-MS和GC-IMS的風(fēng)味韋恩圖Fig.3 Venn diagram of flavor of GC-MS and gc-ims under different treatment methods

表4 G C-MS檢測(cè)下9中不同處理方式的玉米OAV值大于3的風(fēng)味物質(zhì)Table 4 Flavor compounds with OAV value greater than 3 detected by GC-MS

醇類(lèi)中，以 1-辛烯-3-醇為例，對(duì)照玉米中OAV值最高，蒸煮炒制等處理方式下明顯減低。這可能來(lái)源于脂氧合酶對(duì)部分脂肪酸的氧化作用、醇脫氫酶對(duì)部分醛類(lèi)物質(zhì)的還原作用[16]、酯類(lèi)物質(zhì)水解反應(yīng)的結(jié)果[17]。而具有生豆味，青草味特征的被認(rèn)為是與碳原子數(shù)6～8的醇類(lèi)正相關(guān)[18]。漂燙處理后醇類(lèi)物質(zhì)減少與牛麗影等的研究結(jié)果一致[19]。

對(duì)于2，5-二甲基吡嗪、2-戊基呋喃等雜環(huán)化合物很明顯在炒制玉米中含量最高，這可能是由于鮮玉米經(jīng)過(guò)炒制處理，在加熱過(guò)程中發(fā)生美拉德反應(yīng)，形成大量的雜環(huán)類(lèi)香味化合物[20]，很明顯可被認(rèn)為是炒玉米的關(guān)鍵呈香物質(zhì)。均與本研究GC-IMS單獨(dú)檢測(cè) 9種處理方式下醇類(lèi)、醛類(lèi)以及雜環(huán)類(lèi)化合物變化趨勢(shì)一致。

酯類(lèi)物質(zhì)是脂肪氧化產(chǎn)生的游離脂肪酸和醇的相互作用形成的，由于對(duì)香氣貢獻(xiàn)不大OAV值較小且差異不明顯，鄰苯二甲酸二異丁酯、14-甲基十五烷酸甲酯、鄰苯二甲酸二丁酯等雖然相對(duì)含量較少，但在不同種處理方式中均有發(fā)現(xiàn)，后續(xù)可考慮香氣重組缺失實(shí)驗(yàn)對(duì)其香氣貢獻(xiàn)值進(jìn)行更細(xì)致的評(píng)估，故未在表中列出。

綜上，可以根據(jù)不同種化合物的總體含量初步對(duì)玉米的處理方式進(jìn)行判斷。

2.4 不同處理方式下玉米樣品的香氣輪廓圖

對(duì)9種不同處理方式下的玉米中OAV值大于100的風(fēng)味化合物結(jié)合其風(fēng)味特征，采用七個(gè)感官描述詞來(lái)評(píng)價(jià)其香氣：花甜香、脂肪青香、蘑菇干草香、堅(jiān)果烤土豆、蔬菜樣豆青香、苦杏仁樣、辛辣干柏油，在OAV值相差不大的情況下按照相對(duì)含量建立表5，并繪制香氣輪廓圖。

從圖 4中可以看出，經(jīng)不同方式處理的玉米與花甜香的香氣方向比較接近，且均以花甜香和脂肪青香為主，在蒸玉米中體現(xiàn)的尤為明顯?；ㄌ鹣阒饕扇扇?、癸醛、苯乙醛等醛類(lèi)化合物貢獻(xiàn)，脂肪青香主要是因?yàn)檎喝?、?2-壬醛、辛醇等所帶來(lái)。其中，對(duì)照玉米更多的是蔬菜樣豆青香，考慮到主要是受2-戊基呋喃的含量影響；凍干玉米和炒玉米中由苯甲醛帶來(lái)的苦杏仁香氣較明顯，脂質(zhì)氧化被認(rèn)為是導(dǎo)致甜玉米凍藏期間產(chǎn)生不良風(fēng)味的重要因素之一[21]。吡嗪類(lèi)物質(zhì)對(duì)炒玉米中的堅(jiān)果烤土豆的特征風(fēng)味貢獻(xiàn)較大；預(yù)冷玉米中各類(lèi)風(fēng)味較為均勻；煮玉米、蒸玉米和清洗玉米香氣輪廓最為接近，速凍玉米和漂燙玉米最為接近，與指紋圖譜所得結(jié)論基本一致。

表5 九種玉米七個(gè)香氣描述詞的相對(duì)含量Table 5 Relative contents of seven aroma descriptors of nine Maize Species

圖4 9 種玉米樣品的香氣輪廓圖Fig.4 Aroma profile of 9 corn samples

3 結(jié)論

總體看來(lái)，在不同處理方式下玉米所含的主要風(fēng)味物質(zhì)是固定的，但對(duì)于不同處理方式的特征風(fēng)味還是有對(duì)應(yīng)的變化。在對(duì)速凍、清洗、漂染、預(yù)冷、蒸、煮、炒、凍干以及對(duì)照玉米通過(guò)GC-MS分析，共得到152種風(fēng)味物質(zhì)，其中不同處理方式下OAV＞100關(guān)鍵呈香物質(zhì)有正己醛、反-2-辛烯醛、壬醛、反式-2-壬醛、癸醛、1-辛烯-3-醇、2-戊基呋喃等，GC-IMS分析中，得到26種香氣化合物。其中，壬醛、2-戊基呋喃、1-辛烯-3-醇等在采用 GC-MS分析時(shí)也被證明是不同處理方式下玉米的主要風(fēng)味物質(zhì)。但也有一些成分在不同處理方式下均被GC-IMS捕捉到但在GC-MS中出現(xiàn)頻率較低，比如庚醛僅在蒸玉米中、2-庚酮僅在清洗玉米中、苯甲醛僅在凍干玉米、炒玉米、蒸玉米中經(jīng)GC-MS發(fā)現(xiàn)。而有些在GC-MS分析中含量較高且 OAV值也較高的物質(zhì)如正己醛、癸醛、等未被GC-IMS捕捉，可能是由于香氣閾值較低。對(duì)于辛醇、棕櫚酸乙酯等香氣閾值高卻未被分析出的可能是由于譜庫(kù)建立不完整而顯示“unidentified”。根據(jù)本研究中不同處理方式下關(guān)鍵呈香物質(zhì)的差異，下一階段可結(jié)合相關(guān)加工產(chǎn)生特異性風(fēng)味的工藝進(jìn)一步進(jìn)行精細(xì)化研究，以尋找的最佳的加工玉米的方式。