基于GC-IMS 技術(shù)分析不同香辛料水煮液的風(fēng)味物質(zhì)組成差異

尹含靚，肖 何，鄧高文，劉 洋,2，蔣立文,2,*，李 跑,2，王建輝

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410128；2.食品科學(xué)與生物技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙 410128；3.長(zhǎng)沙理工大學(xué)，湖南省水生資源食品加工工程技術(shù)研究中心，湖南長(zhǎng)沙 410114）

香辛料主要是指一類(lèi)可以呈現(xiàn)出香、麻、甜、辣、辛、苦等多種特征風(fēng)味的天然植物原料，一般來(lái)源于植物的果實(shí)、根、莖、葉、種子，例如八角、香菜籽、丁香、生姜、胡椒、月桂、桂皮等[1?2]。我國(guó)香辛料資源豐富，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21725-2017[3]認(rèn)定的香辛料有67 種，并根據(jù)呈味特征將其分為濃香型、辛辣型、淡香型三類(lèi)。香辛料屬于天然食品添加劑，無(wú)規(guī)定使用量。將香辛料添加于食品中，其中含有的揮發(fā)性物質(zhì)會(huì)賦予食品特殊的風(fēng)味[4?5]，還可以掩蓋食物中的不良風(fēng)味，如肉制品中的血腥味[6]。香辛料中含有大量酚類(lèi)化合物和黃酮類(lèi)物質(zhì)，具有強(qiáng)抗氧化作用[7?8]。香辛料還有抑菌、抗炎、抗癌等多種作用[9?12]，有抑菌作用的香辛料可以作為防腐劑延長(zhǎng)食品保質(zhì)期，而有抗癌、抗炎等作用的香辛料則對(duì)人體健康有一定的益處。

香辛料在日常生活中主要作為食品調(diào)味料使用，例如熬制火鍋底料、燉湯、鹵肉制品等，其風(fēng)味對(duì)食品的感官品質(zhì)發(fā)揮著重要的作用，目前鹵料在鹵肉制品中作用極為重要，因此研究香辛料水煮液中的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)對(duì)推動(dòng)香辛料的利用和發(fā)展具有重要的意義。目前對(duì)香辛料中揮發(fā)性物質(zhì)的研究主要是通過(guò)氣相色譜-質(zhì)譜（gas chromatography-mass spectrometry,GC-MS）聯(lián)用技術(shù)，例如袁華偉等[13]利用GCMS 對(duì)6 種香辛料的揮發(fā)性成分進(jìn)行了分析，得到八角、大蒜、桂皮、花椒、生姜、山奈中分別含有54、24、33、58、73、63 種揮發(fā)性物質(zhì)，不同香辛料中揮發(fā)性成分的種類(lèi)和數(shù)量差異較大。劉素梅等[14]利用GC-MS 在香辛料調(diào)味品中鑒定出了48 種香氣成分，含量最多的化合物是烯類(lèi)。

氣相色譜-離子遷移譜（gas chromatography-ion mobility spectroscopy, GC-IMS）聯(lián)用技術(shù)是近年來(lái)新興的揮發(fā)性物質(zhì)分析方法，與GC-MS 技術(shù)相比，GC-IMS 技術(shù)具有高靈敏、無(wú)損、檢測(cè)效率高、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[15?16]。GC-IMS 已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各類(lèi)食品中風(fēng)味物質(zhì)研究、品質(zhì)檢測(cè)分析等[17?21]，但是將該技術(shù)應(yīng)用于香辛料水煮液中風(fēng)味物質(zhì)的研究還很少。香菜籽、陳皮、印度辣椒、八角、香茅草、花椒、良姜、草果、公丁、香葉、白扣、孜然、小茴、桂皮、白芷水煮液等為日常醬鹵制品中常用的鹵料[22?23]，因此本研究基于GC-IMS 技術(shù)對(duì)這15 種香辛料水煮液中的揮發(fā)性成分進(jìn)行了分析比較，旨在為香辛料水煮液的快速判別和香氣研究提供參考，

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

實(shí)驗(yàn)用的香辛料 采購(gòu)于湖南長(zhǎng)沙。

FlavourSpec?氣相-離子遷移譜儀 德國(guó)G.A.S 公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 香辛料水煮液的制備 15 種香辛料按1：50 的質(zhì)量比例分別加水煮制，煮沸后維持30 min，冷卻后，于4 ℃冰箱中冷藏密封保存。香辛料編號(hào)信息如下：香菜籽（XCZ）、陳皮（CP）、印度辣椒（YDLJ）、八角（BJ）、香茅草（XMC）、花椒（HJ）、良姜（LJ）、草果（CG）、公?。℅D）、香葉（XY）、白扣（BK）、孜然（ZR）、小茴（XH）、桂皮（GP）、白芷（BZ）。

1.2.2 進(jìn)樣條件 分別取待測(cè)樣品各1 mL 于20 mL頂空瓶中，封口。40 ℃孵化15 min 后進(jìn)樣，進(jìn)樣針溫度為85 ℃，進(jìn)樣體積200 μL。

1.2.3 GC-IMS 條件 色譜柱為FS-SE-54-CB-0.5（15 m，ID:0.53 mm）；柱溫60 ℃；分析時(shí)間45 min；載氣/漂移氣N2；載氣流量：初始流速2 mL/min，保持2 min；8 min 內(nèi)線(xiàn)性升至10 mL/min；10 min 內(nèi)線(xiàn)性升至100 mL/min；25 min 內(nèi)線(xiàn)性升至150 mL/min；漂移氣流量150 mL/min；IMS 溫度45 ℃。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用儀器配套軟件 Laboratory Analytical Viewer（LAV）查看分析圖譜，對(duì)其建立標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)后可進(jìn)行定量分析。GC×IMS Library Search 軟件內(nèi)置的NIST 數(shù)據(jù)庫(kù)和IMS 數(shù)據(jù)庫(kù)可對(duì)揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行定性分析，通過(guò)與數(shù)據(jù)庫(kù)匹配可確定單體、二聚體和三聚體。用Gallery Plot 插件進(jìn)行指紋圖譜對(duì)比，直接定量比較不同樣品間揮發(fā)性有機(jī)物差異。Dynamic PCA 插件可進(jìn)行動(dòng)態(tài)主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 香辛料水煮液的離子遷移圖譜

圖1 為香辛料煮液樣品（以花椒水煮液為例）的離子遷移譜圖，RIP 峰兩側(cè)的每個(gè)點(diǎn)都代表一種揮發(fā)性物質(zhì)，紅色越深表示物質(zhì)的濃度越高。從圖1 可以看出，樣品中的揮發(fā)性物質(zhì)能通過(guò)GC-IMS 很好地分離，并且根據(jù)保留時(shí)間和離子遷移時(shí)間，對(duì)比軟件內(nèi)置的NIST 數(shù)據(jù)庫(kù)和IMS 數(shù)據(jù)庫(kù)可對(duì)揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行定性。

圖1 花椒水煮液氣相離子遷移譜Fig.1 GC-IMS of HJ boiling liquid

2.2 香辛料水煮液的揮發(fā)性物質(zhì)定性及組分統(tǒng)計(jì)

從15 種香辛料水煮液中檢測(cè)出揮發(fā)性物質(zhì)共計(jì)134 種，其中通過(guò)GC-IMS 數(shù)據(jù)庫(kù)已定性88 種物質(zhì)（表1），未定性的46 種物質(zhì)還有待進(jìn)一步研究。表1 中列出了已定性揮發(fā)物質(zhì)的名稱(chēng)、CAS 號(hào)、分子式、保留指數(shù)、保留時(shí)間和遷移時(shí)間，有部分化合物產(chǎn)生了單體和二聚體甚至三聚體的信號(hào)，可能是通過(guò)漂移區(qū)時(shí)被分析的離子和中性分子之間形成了加合物[24?25]。88 種已定性物質(zhì)中包含26 種醛類(lèi)、14 種醇類(lèi)、12 種酮類(lèi)、21 種酯類(lèi)、11 種烯類(lèi)及4 種其它類(lèi)。

表1 香辛料水煮液揮發(fā)性物質(zhì)鑒定結(jié)果Table 1 Identification results of volatile substances in spice boiling liquid

續(xù)表 1

續(xù)表 1

在孜然、印度辣椒、香葉、香茅草、小茴、香菜籽、良姜、花椒、桂皮、公丁、陳皮、草果、白芷、白扣、八角水煮液樣品中分別鑒定出了31、16、29、29、23、16、24、49、18、26、18、35、24、24、25 種揮發(fā)性物質(zhì)，花椒水煮液中所含揮發(fā)性物質(zhì)種類(lèi)最多。由圖2 可知，不同香辛料水煮液中含揮發(fā)性物質(zhì)的種類(lèi)基本上以醛類(lèi)居多，醇類(lèi)、醛類(lèi)、酮類(lèi)、酯類(lèi)揮發(fā)性物質(zhì)在所有香辛料水煮液樣品中都有，印度辣椒、香菜籽、桂皮和公丁水煮液中不含烯類(lèi)揮發(fā)物質(zhì)，含醛類(lèi)揮發(fā)物種類(lèi)最多的是草果水煮液，含醇類(lèi)、酯類(lèi)和烯類(lèi)揮發(fā)物種類(lèi)最多的是花椒水煮液，含酮類(lèi)揮發(fā)物種類(lèi)最多的是花椒和公丁水煮液。

圖2 不同香辛料水煮液樣品含揮發(fā)性物質(zhì)的種類(lèi)數(shù)Fig.2 The number of volatile substances in the sample of boiling water of different spices

2.3 不同香辛料水煮液的指紋圖譜分析

圖3 為香辛料水煮液樣品的指紋圖譜，圖中每一行代表一個(gè)樣品的全部信號(hào)峰，每一列代表同一種揮發(fā)性物質(zhì)在不同樣品中的信號(hào)峰，亮點(diǎn)的顏色越深代表?yè)]發(fā)性化合物的含量越高，從圖3 中可以看到每種樣品完整的揮發(fā)性物質(zhì)組成信息以及不同樣品間揮發(fā)性物質(zhì)的組成差異。每個(gè)樣品做了三個(gè)平行，可以從圖3 中明顯看出樣品平行測(cè)定結(jié)果的重復(fù)性較好，僅有含量的區(qū)別。

圖3 香辛料水煮液樣品中揮發(fā)性物質(zhì)的指紋圖譜Fig.3 Fingerprint of volatile matter of spices boiled liquid samples

黃色框中的2-甲基丁醛、3-甲基丁醛和正丁醛在白扣和公丁水煮液樣品中的含量高于其他樣品。棕色框中的α-蒎烯、β-蒎烯、α-水芹烯在花椒、草果、孜然、香葉等水煮液樣品中含量較高。紅色框中為各香辛料水煮液中的特征揮發(fā)性物質(zhì)，可以看到丁酸（奶酪味、臭味[26]）等為香茅草水煮液中的特征揮發(fā)物質(zhì)；花椒水煮液中的特征揮發(fā)物質(zhì)為苯甲酸甲酯、乙酸丁酯（果香[27]）、丙酸丁酯、乙酸異戊酯（香蕉和梨香[27]）、丙基丁酸、β-月桂烯、苯乙醛、2-環(huán)己烯-1-酮等，尤其酯類(lèi)物質(zhì)在花椒水煮液中含量很高；異戊酸甲酯等為良姜水煮液中的特征揮發(fā)物質(zhì)；草果水煮液中特征揮發(fā)物質(zhì)為E-2-辛烯醛、辛醛（花果香[28]）、庚醛（堅(jiān)果香[28]）、3-仲丁基-2-甲氧基吡嗪，草果水煮液中醛類(lèi)物質(zhì)很多，壬醛（油脂香[29]）、己醛（青草香[30]）、戊醛（果香和面包香[29]）等醛類(lèi)物質(zhì)（綠框中物質(zhì)）雖然不是草果水煮液中的特征物質(zhì)，但在草果水煮液中的含量要高于其它樣品；庚醛、2-糠醛、苯乙酸乙酯（花果香、蜂蜜香[26]）、2-甲基丁酸乙酯、環(huán)己酮、2-庚酮（果香[28]）、呋喃酮等為公丁水煮液中的特征揮發(fā)物質(zhì)；琥珀酸二乙酯（淡葡萄香[31]）、二丙基二硫、E-2-壬烯醛等為孜然水煮液中的特征揮發(fā)物質(zhì)；小茴水煮液中的特征物質(zhì)為2-戊酮、3-甲基丁醇（果香、酒香[26]）、丁酸甲酯等；桂皮水煮液中特征揮發(fā)物質(zhì)為苯甲醛（苦杏仁香[29]）、苯甲酸乙酯、1-薄荷醇；1，3-己二烯、E-2-戊烯醛等為白芷水煮液中的特征風(fēng)味物質(zhì)。

香菜籽、陳皮和印度辣椒水煮液樣品中揮發(fā)性物質(zhì)的種類(lèi)和含量均明顯低于其他樣品，而且沒(méi)有主要的揮發(fā)性物質(zhì)。在不同香辛料水煮液樣品已定性的特征揮發(fā)物質(zhì)中，醛類(lèi)和酯類(lèi)物質(zhì)較多。酯類(lèi)物質(zhì)一般來(lái)源于羧酸和醇的酯化作用[32]，通常具有花果香。醛類(lèi)物質(zhì)閾值較低，香氣較為濃烈，可以賦予香辛料水煮液獨(dú)特風(fēng)味，所以香辛料水煮液在鹵制肉類(lèi)、豆腐干等原料中可提供產(chǎn)品特殊的香氣和滋味，也可以為具有特殊味道的原料如牛肉、羊肉等掩蓋不良?xì)馕?，給人愉悅的香氣和滋味。

2.4 主成分聚類(lèi)分析

為了更直觀(guān)地區(qū)分不同香辛料水煮液風(fēng)味物質(zhì)差異，利用PCA 插件制作了主成分分析圖，結(jié)果如圖4 所示。從圖4 中明顯看出，花椒水煮液樣品與其他樣品的距離非常遠(yuǎn)，說(shuō)明花椒水煮液整體揮發(fā)性物質(zhì)的組成與其余樣品差異很大，小茴和公丁也與其他樣品距離較遠(yuǎn)，而香菜籽、陳皮、桂皮和印度辣椒的距離比較近，說(shuō)明幾者的風(fēng)味物質(zhì)比較相似，但仍有一定的差異。

圖4 香辛料水煮液樣品的PCA 分析圖Fig.4 PCA analysis chart of spice boiled liquid sample

3 結(jié)論

本研究利用GC-IMS 技術(shù)分析了不同香辛料水煮液的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)，共檢測(cè)到了134 種揮發(fā)性物質(zhì)，定性了88 種揮發(fā)性物質(zhì)，包括醇類(lèi)、醛類(lèi)、烯類(lèi)、酮類(lèi)、酯類(lèi)和其它類(lèi)，不同樣品中風(fēng)味物質(zhì)的種類(lèi)基本上以醛類(lèi)居多。通過(guò)構(gòu)建指紋圖譜，更清楚地區(qū)分了15 種樣品風(fēng)味物質(zhì)的差異，確定了不同樣品中的特征風(fēng)味物質(zhì)。香辛料水煮液樣品中的特征性風(fēng)味物質(zhì)以醛類(lèi)和酯類(lèi)居多。利用主成分分析，直觀(guān)地看到了不同香辛料水煮液樣品風(fēng)味的差異。研究結(jié)果可以為不同香辛料水煮液的判別和加工利用提供一定的依據(jù)，由于GC-IMS 軟件內(nèi)置的數(shù)據(jù)庫(kù)還不夠完善，有部分未定性的特征揮發(fā)性化合物有待進(jìn)一步研究。