基于電子感官技術(shù)結(jié)合GC-MS分析不同干燥方式下 澳洲堅果風(fēng)味的差異

任二芳，劉功德，艾靜汶，牛德寶，羅朝丹，羅小杰

（1.廣西壯族自治區(qū)亞熱帶作物研究所，廣西亞熱帶水果加工工程技術(shù)研究中心，廣西南寧 530001）

（2.廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院，廣西南寧 530004）

澳洲堅果營養(yǎng)豐富，香脆可口，其脂肪含量高達(dá)80%以上，主要以不飽和脂肪酸為主[1,2]，此外還富含蛋白質(zhì)、維生素、礦物質(zhì)等[3,4]，享有“干果皇后”之稱。澳洲堅果原產(chǎn)于澳大利亞昆士蘭與新南威爾士的亞熱帶雨林，目前我國廣東、廣西、云南、福建、四川、重慶及貴州均有種植，其中云南省是我國的主產(chǎn)地區(qū)[5]。截至2016年底，我國澳洲堅果種植面積超過3.15×105hm2，位居世界第一。新鮮的澳洲堅果含水量高達(dá)約32%[6]，因此，干燥是澳洲堅果產(chǎn)品保存和加工的重要環(huán)節(jié)，它不僅可以防止果仁氧化變質(zhì)，還可以提高澳洲堅果的質(zhì)量，延長儲藏期[7]。隨著科技的進(jìn)步，澳洲堅果的干燥方式日趨增多，主要有自然干燥、熱風(fēng)干燥、微波輔助熱風(fēng)干燥、熱泵干燥等多種干燥方法，美國學(xué)者Cykler[8]提出了采用冷凍熱泵干燥系統(tǒng)干燥帶殼堅果，果仁含水率從20%～30%降至1.5%僅用6 h，不僅縮短了干燥周期，而且果仁的風(fēng)味、色澤等指標(biāo)與常規(guī)干燥條件下得到的果仁產(chǎn)品質(zhì)量并無明顯差異；刁卓超等[9]研究了熱風(fēng)干燥過程中澳洲堅果的干燥特性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)溫度對澳洲堅果干燥特性的影響非常顯著，溫度越高，干燥周期越短；F.A.Silva等[10]采用熱風(fēng)與微波相結(jié)合的方法干燥澳洲堅果，結(jié)果表明：微波輔以熱風(fēng)干燥能有效減少干燥時間，并且果仁的過氧化值和不飽和脂肪酸含量與經(jīng)過傳統(tǒng)工藝干燥的產(chǎn)品并無明顯差別。國內(nèi)對澳洲堅果的研究始于自20世紀(jì)70年代，由于各種原因，澳洲堅果的加工工藝、干燥技術(shù)等方面突破較少，亟需大批科研人員對堅果的干燥進(jìn)行深入研究，然而，目前通過對比不同干燥方式下澳洲堅果風(fēng)味差異還鮮有報道。

電子舌模擬人體味覺系統(tǒng)對食品進(jìn)行評價，是近年來用于分析滋味的新型檢測手段[11-13]。電子鼻具有模仿人體嗅覺系統(tǒng)的功能，可對復(fù)雜氣味進(jìn)行識別[14]。氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（GC-MS）因其靈敏度高、選擇性好等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于揮發(fā)性和半揮發(fā)性成分的定性定量分析[15]，例如用于研究烘烤咖啡豆[16]、蘋果醋[17]、鰱魚糜[18]等的揮發(fā)性化合物。但GC-MS與電子鼻相反，只可以檢測單一物質(zhì)揮發(fā)性組分，具有一定的局限性[19]，然而電子鼻結(jié)合氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)可以從宏觀和微觀上全面研究食品揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)，是檢測食品風(fēng)味物質(zhì)的主要檢測手段[20]。近年來，HS-SPME-GC-MS、電子鼻和電子舌技術(shù)常用來分析食品基質(zhì)化合物的揮發(fā)物和滋味，例如用于質(zhì)量控制、新鮮分級、存儲條件和認(rèn)證，還有食物的鑒別，例如蔬菜、水果、茶和咖啡、牛奶、葡萄酒、魚和肉[21]。Dong等[16]采用電子鼻、電子舌及HS-SPME-GC-MS比較評價常溫干燥、太陽能干燥、熱泵干燥、熱風(fēng)干燥及冷凍干燥方法對烤制咖啡豆的揮發(fā)組分和滋味特性的影響，實驗發(fā)現(xiàn)熱泵干燥在保存酮，酚和酯方面表現(xiàn)優(yōu)異。PCA與電子鼻、電子舌以及HS-SPME-GC- MS可有效地區(qū)分不同干燥后的烘焙咖啡樣品。Zhang等[22]利用電子鼻、電子舌及SDE-GC-MS對比研究真空冷凍干燥、熱風(fēng)干燥、微波干燥、真空微波干燥方法下金鯧魚片的揮發(fā)性風(fēng)味成分及潛在機(jī)理，研究表明電子鼻和電子舌能有效鑒別4種樣品。SDE-GC-MS鑒定出包括碳?xì)浠衔?39)、醛(15)、酯(10)和醇(9)等86種揮發(fā)性風(fēng)味成分。李婷等[23]采用SPME-GC-MS與電子鼻技術(shù)分析發(fā)酵乳中的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)，結(jié)果表明復(fù)配發(fā)酵乳均以酸類、醛類、酮類、醇類、酯類、烷烴類及氮類等化合物組成。鮑偉等[24]基于電子鼻、電子舌和GC-MS分析飼料中添加金槍魚蒸煮液對巴馬香豬豬肉氣味和滋味的影響，研究發(fā)現(xiàn)喂食金槍魚蒸煮液可以有效提高巴馬香豬豬肉的氣味和滋味。

鑒于此，為更好地了解不同干燥方式下澳洲堅果風(fēng)味物質(zhì)的差異，本研究以四種干燥方式下（自然晾曬、熱泵干燥、熱風(fēng)干燥、超聲協(xié)同熱風(fēng)干燥）的澳洲堅果為研究對象，采用電子舌、電子鼻電子感官技術(shù)結(jié)合GC-MS對其滋味和揮發(fā)性組分進(jìn)行系統(tǒng)比較，分析不同干燥方式下澳洲堅果風(fēng)味物質(zhì)的差異，從而為澳洲堅果的采后產(chǎn)地初加工提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

澳洲堅果青皮果，品種為桂熱5號，于2019年10月采于廣西扶綏夏果種植有限責(zé)任公司；氯化銀、氯化鉀、L(+)-酒石酸等，均為國產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

L550臺式低速大容量離心機(jī)，湘儀離心機(jī)儀器有限公司；電子舌（SA-402B味覺分析系統(tǒng)），日本INSENT公司；PEN3型電子鼻，德國AIRSENSE公司；Pegasus BT氣相色譜高通量飛行時間質(zhì)譜聯(lián)用儀，美國LECO公司；電子鼻各個傳感器的名稱及性能描述見表1。

表1 電子鼻傳感器性能描述Table 1 Performance description of electronic nose sensors

1.3 實驗方法

1.3.1 樣品制備

參照廣西扶綏夏果種植有限責(zé)任公司的澳洲堅果干燥方式，首先選擇無病蟲害的澳洲堅果脫青皮，脫青皮后的澳洲堅果進(jìn)行自然風(fēng)吹24.00 h，然后采用表2不同方式對澳洲堅果進(jìn)行干燥，干燥結(jié)束澳洲堅果水分含量均降至3.00%以下。

表2 澳洲堅果的不同干燥方式Table 2 Different drying methods for Macadamia nuts

1.3.2 澳洲堅果滋味的檢測

1.3.2.1 樣品前處理

首先將不同方式干燥完成的澳洲堅果去殼，得到的澳洲堅果果仁進(jìn)行切碎處理，切碎的果仁與40.00 ℃蒸餾水以1:5的比例混合，之后在4000 r/min轉(zhuǎn)速下離心35.00 min，并用200目紗布過濾，過濾液冷卻后取水相，待檢測。

1.3.2.2 電子舌檢測條件

實驗前，傳感器與參比電極需活化至少24.00 h，鮮味、咸味、酸味、苦味及澀味檢測采用兩步清洗法，樣品測試時間為30.00 s；甜味檢測采用甜味測試法，樣品測試時間為30.00 s，每個樣品重復(fù)測定5次，保留后3次的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1.3.3 澳洲堅果氣味的檢測

1.3.3.1 樣品前處理

電子鼻檢測前樣品處理參照姜水[25]方法：將每種方式干燥的澳洲堅果去殼，均選用大小基本一致的澳洲堅果果仁20顆放入500.00 mL燒杯中，密封置于室溫環(huán)境，頂空時間為2.50 h。每個樣品的密封時間間隔15.00 min，從而確保每個樣品的頂空時間一致。

1.3.3.2 電子鼻檢測條件

電子鼻聯(lián)用吸附熱解析裝置（EDU）檢測，設(shè)備設(shè)置：進(jìn)樣間隔時間1 s，清洗時間200 s，零點配平時間5 s，測試時間100 s；EDU設(shè)置：進(jìn)樣時間60 s，后進(jìn)樣時間10 s，解析時間120 s，注射時間100 s，清洗時間120 s，冷卻時間360 s，進(jìn)樣流速300.00 mL/min。

1.3.4 澳洲堅果揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的檢測

1.3.4.1 頂空固相微萃取

將不同方式干燥的澳洲堅果去殼，分別取5.00 g澳洲堅果果仁置于20 mL頂空瓶中，將老化后的50/30 μm CAR/PDMS/DVB萃取頭插入樣品瓶頂空部分，于60 ℃吸附30 min，吸附后的萃取頭取出后插入氣相色譜進(jìn)樣口，于250 ℃解吸3 min，同時啟動儀器采集數(shù)據(jù)。

1.3.4.2 氣相色譜高通量飛行時間質(zhì)譜聯(lián)用儀檢測條件

色譜條件：色譜柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）；升溫程序：溫度40 ℃保持3 min，以10 deg/min升溫至230 ℃，保持5 min；進(jìn)樣口溫度為250 ℃；載氣：氦氣，流速為1.00 mL/min。

質(zhì)譜條件：電離方式為EI源，發(fā)射電流1 mA，電子能量70 eV，界面溫度250 ℃，離子源溫度200 ℃，探測器電壓2000 V。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)均使用Excel 2016和OriginPro 2016處理和繪圖，采用SPSS 22.0數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行主成分分析（principal component analysis，PCA）和線性判別分析（Linear discriminant analysis，LDA），電子鼻數(shù)據(jù)分析利用其自帶的Winmuster軟件進(jìn)行PCA分析和載荷分析（Loading analysis，LOA）。

2 結(jié)果與分析

2.1 基于電子舌技術(shù)分析不同干燥方式對澳洲堅果果仁滋味的影響

電子舌通過“味覺信息的轉(zhuǎn)換過程”可將測試樣品的電勢值轉(zhuǎn)化為味覺值，電子舌對4種處理的澳洲堅果果仁的滋味品質(zhì)進(jìn)行分析，結(jié)果見表3所示。本實驗以干燥前的新鮮澳洲堅果果仁為對照，由表3可見，在鮮味、甜味方面，處理1的澳洲堅果果仁的味覺值最大，分別為-0.66、-2.51，然而其在咸味上味覺值最小為0.23，均與其它三種處理方式的澳洲堅果果仁存在顯著差異（p＜0.05），同時四種處理的澳洲堅果果仁在酸味和苦味上均存在顯著差異（p＜0.05），但在澀味方面，處理2和處理3的澳洲堅果果仁味覺值較大，分別為0.54、0.52，均顯著高于（p＜0.05）處理1和處理4的樣品。

主成分分析（principlecomponent analysis，PCA）是非監(jiān)督類模式識別中的一種重要的分類方法，它是通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和降維，并對降維后的特征向量進(jìn)行線性分類，從而最大程度體現(xiàn)不同樣品間的差異[26]。判別函數(shù)分析（linear discriminant analysis，LDA）是統(tǒng)計學(xué)上的一種分析方法，將高維的模式樣本投影到最佳鑒別矢量空間，以達(dá)到抽取分類信息和降低特征空間維數(shù)的效果[27]。圖1和圖2分別為電子舌檢測和區(qū)分不同干燥方式下澳洲堅果果仁的PCA和LDA圖。在PCA圖中第1主成分和第2主成分的貢獻(xiàn)率分別達(dá)到62.79%和27.10%，前兩主成分的累計貢獻(xiàn)率為89.89%。在用PCA進(jìn)行分析時，若兩主成分的貢獻(xiàn)率小于95.00%，則表示分析中有干擾成分，說明該方法在數(shù)據(jù)分析中不合適[15]。而在LDA圖中第1主成分和第2主成分的貢獻(xiàn)率分別達(dá)到88.60%和8.00%，前兩主成分的累計貢獻(xiàn)率為96.60%，高于PCA分析。由圖2可以看出，四種干燥方式的澳洲堅果仁均落在互不干擾的區(qū)域，區(qū)域之間的距離代表了澳洲堅果樣品之間的味覺差異，處理2和處理3的澳洲堅果間距較小，處理1與其他三種處理方式的澳洲堅果間距較大，說明熱泵干燥和熱風(fēng)干燥的澳洲堅果味覺相似度較高，而自然晾曬與熱泵干燥、熱風(fēng)干燥及超聲協(xié)同熱風(fēng)干燥的澳洲堅果味覺相似度較小。

圖1 電子舌的PCA分析Fig.1 PCA analysis of electronic tongue

圖2 電子舌的LDA分析Fig.2 LDA analysis of electronic tongue

表3 電子舌對不同處理澳洲堅果果仁的響應(yīng)分析Table 3 Electronic tongue analysis response for macadamia nut kernels with different treatments

2.2 基于電子鼻技術(shù)分析不同干燥方式對澳洲堅果果仁氣味的影響

PEN3型電子鼻共有10個金屬氧化物傳感器，不同性能的傳感器對不同濃度氣體敏感程度不同，這與氣味的屬性和含量呈正相關(guān)[28,29]。圖3為電子鼻傳感器對不同方式干燥的澳洲堅果果仁的響應(yīng)雷達(dá)圖。由圖3可見，10個傳感器對不同干燥方式處理的澳洲堅果均有響應(yīng)且響應(yīng)強(qiáng)度各不相同，其中傳感器W2W（芳香成分，對有機(jī)硫化物靈敏）的區(qū)分能力最強(qiáng)，其次是W1W（對無機(jī)硫化物靈敏）和W1S（對甲基類靈敏），其中處理1和處理4的澳洲堅果果仁響應(yīng)值均高于處理2和處理3組?？梢姡煌稍锓绞降陌闹迗怨械姆枷愠煞?、有機(jī)硫化物、無機(jī)硫化物及甲基類等揮發(fā)性成分含量區(qū)別較明顯。

圖3 電子鼻傳感器的響應(yīng)雷達(dá)圖Fig.3 Response radar chart of electronic nose sensor

圖4 電子鼻的PCA分析Fig.4 PCA analysis of electronic nose

不同方式干燥的澳洲堅果果仁的電子鼻PCA分析圖見圖4所示。從圖4可以看出，第一主成分的貢獻(xiàn)率為91.23%，第二主成分的貢獻(xiàn)率為7.56%，前兩主成分的累計貢獻(xiàn)率達(dá)到98.79%大于95.00%，可以有效反映原始數(shù)據(jù)的絕大部分信息。處理3和處理4的樣品距離較近，而其分別與處理1、處理2的澳洲堅果果仁距離較遠(yuǎn)，存在顯著性差異，說明干燥改變了樣品的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)，導(dǎo)致不同干燥方式的澳洲堅果仁樣品之間的風(fēng)味特征各不相同，但四種不同干燥方式的澳洲堅果果仁均分布在各自獨立的區(qū)域，說明電子鼻的PCA分析結(jié)果可以很好地區(qū)分不同干燥處理的澳洲堅果果仁的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)。

Loading分析法與PCA分析法相關(guān)度較高[30]，常用來檢查PCA空間中傳感器對模型數(shù)據(jù)分布的影響，可以判別傳感器響應(yīng)值在識別模式中的重要性[31]，篩選樣品區(qū)分過程中起主要區(qū)分作用的揮發(fā)性風(fēng)味化合物種類[32]，各傳感器離原點越遠(yuǎn)，其對主成分的貢獻(xiàn)越大，反之越小[33]。圖5為不同方式干燥的澳洲堅果果仁的電子鼻Loading分析結(jié)果圖，由圖5可知，傳感器W1S對第一主成分貢獻(xiàn)率最大，其次是傳感器W3S，說明第一主成分主要反映的是甲基類。傳感器W3C和W3S對第二主成分貢獻(xiàn)率較大，說明第二主成分主要反映的是氨類、長鏈烷烴。由此可見，傳感器W1S、W3S和W3C的識別、分析能力較強(qiáng)，在主成分分析時發(fā)揮了較大作用，起到了主要區(qū)分作用，其余七個傳感器的識別、分析能力相對較弱，區(qū)分作用不明顯。

圖5 電子鼻的Loading分析Fig.5 Loading analysis of electronic nose

2.3 基于GC-MS技術(shù)分析不同干燥方式對澳洲堅果果仁揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的影響

采用SPME-GC-MS分析不同干燥處理的澳洲堅果果仁的揮發(fā)性風(fēng)味化合物的質(zhì)譜結(jié)果見表4。由表4可知，4種澳洲堅果果仁共鑒定出227種揮發(fā)性成分，其中四種不同處理的澳洲堅果仁各占94種、94種、110種、105種，共有揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)36種。澳洲堅果仁的揮發(fā)性風(fēng)味化合物主要是由醇類、酯類、酸類、酮類、醛類、烷烴、烯烴、芳香烴、呋喃、醚及其他物質(zhì)組成。從化合物的種類和相對含量來看，烷烴和醛類是不同干燥處理的澳洲堅果仁的主要揮發(fā)性化合物，四種不同處理的澳洲堅果仁的烷烴相對含量分別為26.29%、40.76%、23.64%及39.46%，醛類相對含量分別為29.01%、18.96%、26.03%及23.87%。

表4 不同干燥處理的澳洲堅果果仁的揮發(fā)性風(fēng)味化合物Table 4 Volatile flavor compounds of macadamia nuts with different dry treatments

續(xù)表4

續(xù)表4

續(xù)表4

續(xù)表4

續(xù)表4

由表4可知，烷烴類化合物共檢出88種，在不同處理的澳洲堅果仁的揮發(fā)性成分中種類最多，占比38.77%，相對含量也較高。此結(jié)果與不同方式干燥的澳洲堅果果仁的電子鼻Loading分析結(jié)果圖一致，傳感器W3S代表的是長鏈烷烴，其在第一主成分及第二主成分貢獻(xiàn)率均較大。

醛類化合物在澳洲堅果仁的主要揮發(fā)性化合物中相對含量較高，它們也是澳洲堅果仁的主要香氣成分，其中不同處理的澳洲堅果仁的正己醛相對含量均較高，分別為15.56%、7.36%、14.15%及14.79%，其次是庚醛、壬醛，正己醛具有青香、葉香味，庚醛具有青草香，壬醛具有玫瑰花香。靜瑋等[34]同樣研究發(fā)現(xiàn)醛類是澳洲堅果重要的焙烤香氣成分，其中4種高級脂肪族醛類（C6～C9）在醛類中占23.30%，這些飽和醛在低濃度時具有愉快的芳香氣味。

3 結(jié)論

3.1 本實驗采用電子感官技術(shù)結(jié)合GC-MS分析不同干燥方式（自然晾曬、熱泵干燥、熱風(fēng)干燥、超聲協(xié)同熱風(fēng)干燥）對澳洲堅果風(fēng)味物質(zhì)的影響。電子舌結(jié)果顯示在鮮味、咸味、酸味、苦味上，不同干燥處理的與新鮮的澳洲堅果仁差異顯著，且LDA分析的前兩主成分的累計貢獻(xiàn)率為96.60%，可以完全區(qū)分不同方式干燥的澳洲堅果仁。電子鼻結(jié)合PCA及LOA分析結(jié)果顯示電子鼻對不同處理的澳洲堅果仁有明顯響應(yīng)，PCA分析的前兩主成分的累計貢獻(xiàn)率達(dá)到98.79%，可以很好地區(qū)分不同干燥處理的澳洲堅果果仁的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)，傳感器W1S、W3S和W3C的識別、分析能力較強(qiáng)，在主成分分析時發(fā)揮主要區(qū)分作用。此外，GC-MS作為電子鼻的補(bǔ)充，共鑒定出227種揮發(fā)性成分，主要由醇類、酯類、酸類、酮類、醛類、烷烴、烯烴、芳香烴、呋喃、醚及其他物質(zhì)組成，其中，烷烴和醛類在種類與含量上占較大優(yōu)勢，且四種不同處理的澳洲堅果仁的烷烴相對含量分別為26.29%、40.76%、23.64%及39.46%，醛類相對含量分別為29.01%、18.96%、26.03%及23.87%。不同處理的澳洲堅果仁共有的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)有36種，這與電子鼻的PCA及LOA分析結(jié)果一致，PCA分析可以較好區(qū)分且長鏈烷烴在第一、二主成分分析上貢獻(xiàn)率較大。

3.2 綜上所述，電子舌和電子鼻分別分析了不同干燥處理的澳洲堅果仁的滋味和揮發(fā)性氣味，GC-MS則解釋了電子鼻的差異分析，三者互為輔助，可以較好區(qū)分不同干燥方法的澳洲堅果，從而為澳洲堅果的產(chǎn)地初加工提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。