基于電子舌、電子鼻和GC-MS分析襄陽大頭菜新、老鹵水滋味和揮發(fā)性物質(zhì)

馮廷闖，符 漫，熊英梅，胡事成，侯強(qiáng)川，趙慧君*

（1.湖北文理學(xué)院 湖北省食品配料工程技術(shù)研究中心，湖北 襄陽 441053；2.湖北襄陽孔明菜食品有限公司，湖北 襄陽 441104）

襄陽大頭菜又名“孔明菜”，是國(guó)家地理標(biāo)志產(chǎn)品，為中國(guó)四大腌菜之一[1]，屬于芥菜（Brassica juncea（L.）Czern.et Coss.）的一種，是十字花科蕓薹屬植物。襄陽大頭菜采用初腌-轉(zhuǎn)缸-二腌-轉(zhuǎn)缸-三腌-轉(zhuǎn)缸-曬-初鹵-二曬-復(fù)鹵-三曬-三鹵-四曬-四鹵-五曬-五鹵-六曬-拌料入缸的“三腌五鹵六曬”的制作方法，口感脆嫩，味道鮮美，深受廣大人民群眾的喜愛。在制作時(shí)大頭菜帶皮清洗干凈，放入缸中進(jìn)行“三腌”。腌制結(jié)束后進(jìn)行“五鹵六曬”，第一次晾曬后放入調(diào)整鹽水濃度并加入醬色、香料、五鹵老鹵水的初鹵水中進(jìn)行鹵制。五鹵中反復(fù)使用老鹵并依次提高鹽濃度，最后鹵透菜心并進(jìn)行最后一次晾曬得到大頭菜的成品。

目前對(duì)于襄陽大頭菜的研究主要集中在微生物群落結(jié)構(gòu)解析[2-5]、微生物新種發(fā)現(xiàn)[6-7]、理化性質(zhì)測(cè)定[8-9]、大頭菜的揮發(fā)性物質(zhì)比較[10-12]等。襄陽大頭菜在“三腌”后放入調(diào)制好的新鹵水中進(jìn)行“五鹵”。新鹵水的制作講究用老鹵，即在新鹵水中需要添加一定量的老鹵水才能使襄陽大頭菜的品質(zhì)保持均一。

電子舌、電子鼻是一種新興的仿生設(shè)備，可以避免生理味覺和嗅覺的主觀影響和缺陷，無偏的測(cè)量食品的滋味和風(fēng)味[13-14]，被廣泛應(yīng)用到蒸海鱸魚[15]、腌制魷魚[16]、糙米[17]、橄欖油[18]等各種食品的滋味品質(zhì)和風(fēng)味品質(zhì)的檢測(cè)中。氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）可在較短時(shí)間內(nèi)完成多組分混合物的定性和定量分析，具有靈敏度高、定性能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。在電子鼻對(duì)揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行有效區(qū)分的基礎(chǔ)上，采用GC-MS對(duì)揮發(fā)性成分進(jìn)行鑒定，目前這種研究方法在食品上應(yīng)用非常廣泛，如葡萄酒[19]、杏鮑菇[20]、黃酒[21]、橄欖油[22]等風(fēng)味物質(zhì)分析中。

本實(shí)驗(yàn)通過對(duì)襄陽大頭菜新、老鹵水理化性質(zhì)、電子舌、電子鼻、GC-MS的測(cè)定全面分析了新、老鹵水的理化性質(zhì)、滋味品質(zhì)、氣味和揮發(fā)性物質(zhì)，以期解析老鹵水對(duì)襄陽大頭菜品質(zhì)形成的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大頭菜鹵水：湖北省襄陽孔明菜食品有限公司提供。在每年新大頭菜秋季收獲后進(jìn)行腌制，采取的樣品為初鹵新鹵水（N-1～N-6）和五鹵后老鹵水（O-1～O-6）。

電子舌內(nèi)部溶液、參比溶液、陰離子溶液和陽離子溶液：日本Insent公司。

1.2 儀器與設(shè)備

UltraScan Pro色度儀：美國(guó)Hunterlab公司；SA 402B電子舌：日本Insent公司；FOX4000電子鼻：法國(guó)Alpha M.O.S公司；GC-MS-QP2020氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀：島津企業(yè)管理（中國(guó)）有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 可溶性固形物、pH值和色度的測(cè)定

可溶性固形物：將大頭菜鹵水滴5滴于全自動(dòng)折光儀的鏡面，測(cè)定大頭菜鹵水的可溶性固形物，取3個(gè)平行的平均值為最后測(cè)量值。

pH值：用pH計(jì)測(cè)定大頭菜鹵水的pH值，取3個(gè)平行的平均值為最后測(cè)量值。

色度：將大頭菜鹵水樣品裝入石英比色皿（50 mm×10 mm）后，采用色度儀對(duì)其色度進(jìn)行測(cè)定，測(cè)試模式為透射，讀數(shù)以CIE1976色度空間值L*、a*和b*表示，其中L*值為明亮度，a*值為紅綠度，b*值為黃藍(lán)度。

1.3.2 大頭菜鹵水樣品滋味品質(zhì)檢測(cè)

將大頭菜鹵水樣品用離心機(jī)3 000×g離心10 min，取上清。將上清液按照參考文獻(xiàn)[13]中的方法進(jìn)行測(cè)定，即經(jīng)陽離子或陰離子溶液洗滌后的CA0、CT0、C00、AE1、AAE和GL1共6個(gè)傳感器分別于參比溶液和待測(cè)大頭菜鹵水樣品中浸泡30 s，兩者的電勢(shì)差即為酸味、咸味、苦味、澀味、鮮味和甜味的強(qiáng)度值；為減小系統(tǒng)誤差，每次測(cè)定時(shí)均以標(biāo)號(hào)為O-1的老鹵水作為對(duì)照，并將其各滋味指標(biāo)相對(duì)強(qiáng)度值定義為0，因而納入本研究數(shù)據(jù)分析的各滋味指標(biāo)的強(qiáng)度均為相對(duì)強(qiáng)度值。每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)定4次，取后3次測(cè)定值作為實(shí)驗(yàn)的原始數(shù)據(jù)。

1.3.3 大頭菜鹵水樣品的電子鼻及GC-MS分析測(cè)試條件

參照參考文獻(xiàn)[11]的方法進(jìn)行。

1.3.4 數(shù)據(jù)處理

利用電子鼻自帶軟件Alphasoft V11進(jìn)行傳感器信號(hào)強(qiáng)度處理，基于數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行主成分分析（principal component analysis，PCA）和方差分析。利用Kruskal-wallis檢測(cè)各傳感器對(duì)不同地區(qū)大頭菜響應(yīng)值的差異性分析。除雷達(dá)圖使用Excel 2016軟件繪制外，其他圖均使用Origin 8.5軟件繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 大頭菜鹵水可溶性固形物、pH值和色度分析

對(duì)大頭菜新、老鹵水的可溶性固形物、pH值、L*值、a*值和b*值進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果見表1。由表1可以看出，新、老鹵水的可溶性固形物、pH值、L*值、a*值和b*值等指標(biāo)均有極顯著差異（P＜0.01）。其中老鹵水的可溶性固形物含量高于新鹵水，但是pH值低于新鹵水。從三個(gè)色度指標(biāo)可以看出，老鹵水的明亮度高于新鹵水，老鹵水偏紅、偏黃，即偏橙色，新鹵水偏藍(lán)色。新鹵水的顏色主要來源于醬色，老鹵水的顏色是新鹵水經(jīng)過多年的氧化、微生物發(fā)酵、環(huán)境影響和大頭菜可溶性固形物溶出的共同結(jié)果。

表1 襄陽大頭菜新、老鹵水理化性質(zhì)比較Table 1 Comparison of physicochemical properties between new and old brines of Xiangyang mustard root

2.2 大頭菜鹵水滋味品質(zhì)評(píng)價(jià)

利用電子舌對(duì)新、老鹵水的滋味品質(zhì)進(jìn)行了測(cè)定，其中把編號(hào)為O-1的老鹵水設(shè)為對(duì)照，并將其各滋味指標(biāo)相對(duì)強(qiáng)度值定義為0，因而納入本研究數(shù)據(jù)分析的各滋味指標(biāo)均為相對(duì)強(qiáng)度，結(jié)果見圖1、表2和圖2。

從圖1的雷達(dá)圖可以看出，大頭菜新、老鹵水在苦味、鮮味、后味A、后味B、澀味上的各個(gè)點(diǎn)基本匯于一處，說明新、老鹵水在這幾個(gè)滋味品質(zhì)上差異不大，而在咸味、酸味和豐度上新、老鹵水的各點(diǎn)分布較為分散，且新鹵水與老鹵水各匯于一處，說明新、老鹵水在在咸味、酸味和豐度上差異較大。

圖1 襄陽大頭菜新、老鹵水基于電子舌數(shù)據(jù)的雷達(dá)分析圖Fig.1 Radar analysis map based on electronic tongue data between new and old brines of Xiangyang mustard root

為了進(jìn)一步研究大頭菜新、老鹵水滋味品質(zhì)的差異，對(duì)其進(jìn)行了t檢驗(yàn)，結(jié)果見表2。從表2可以看出，襄陽大頭菜新、老鹵水的滋味除苦味差異為顯著外（P＜0.05），其余均達(dá)到了極顯著的差異（P＜0.01）。雖然各個(gè)滋味品質(zhì)的數(shù)據(jù)在統(tǒng)計(jì)學(xué)上差異顯著或極顯著，但與對(duì)照值＜1的差異在實(shí)際生活中品嘗不出來，沒有意義。因此滋味指標(biāo)中，襄陽大頭菜新鹵水與老鹵水的酸味、豐度和咸味的區(qū)別較大。在襄陽大頭菜在腌制的過程中，微生物發(fā)酵產(chǎn)生的各種有機(jī)酸以及大頭菜內(nèi)容物的滲出造成了酸味和豐度的增加，根據(jù)腌制鹽分要求，新鹵水的鹽分含量要低于老鹵水。

表2 襄陽大頭菜新、老鹵水滋味品質(zhì)的T檢驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of T-test of taste quality of new and old brines of Xiangyang mustard root

滋味是一種味蕾的復(fù)合感覺，因此孤立的研究某一味道進(jìn)行評(píng)價(jià)是片面的，因此對(duì)襄陽大頭菜新、老鹵水的滋味數(shù)據(jù)進(jìn)行了PCA分析（圖2）。從圖2可以看到，第一主成分和第二主成分的方差貢獻(xiàn)率和為95.6%，能夠反映原始數(shù)據(jù)的全部信息。從因子荷載圖中可以看出，第一主成分主要包括咸味、豐度、后味A、酸味和澀味，方差貢獻(xiàn)率為73.7%，第二主成分包括苦味、后味B和鮮味，方差貢獻(xiàn)率為21.9%。基于電子舌技術(shù)的PCA因子得分圖可以看出，新鹵水分布在第一、第三象限，老鹵水分布在第二、第四象限，說明襄陽大頭菜新、老鹵水滋味品質(zhì)差異較大。與新鹵水相比，老鹵水的酸味、豐度增加，咸味減少。結(jié)合圖1中兩圖可以看出，不同的新、老鹵水間也有差異，其中O-2、O-3與其他老鹵水相比，酸味、澀味和后味-A更大一些，N-5、N-6與其他新鹵水相比，苦味更小一些。

圖2 襄陽大頭菜新、老鹵水的滋味品質(zhì)主成分分析結(jié)果Fig.2 Principal component analysis result on taste quality of new and old brines of Xiangyang mustard root

2.3 電子鼻測(cè)定揮發(fā)性物質(zhì)

每個(gè)傳感器每秒產(chǎn)生的響應(yīng)值均有不同，選擇各傳感器最大響應(yīng)值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，各傳感器對(duì)不同地區(qū)大頭菜響應(yīng)值的差異性分析見表3。由表3可以看出，襄陽大頭菜新鹵水與老鹵水的各個(gè)傳感器的響應(yīng)值差異均達(dá)到了極顯著的水平，其中新鹵水中W5S、W6S、W1S、W1W、W2S、W2W、W3S的響應(yīng)值均高于老鹵水，W1C、W3C、W5C響應(yīng)值均低于老鹵水，由此可見，老鹵水刺激性氣味減少，芳香性氣味更濃郁。

表3 傳感器對(duì)不同地區(qū)大頭菜響應(yīng)值的差異性分析Table 3 Significance analysis of each sensor response in mustard roots from different regions

2.4 GC-MS測(cè)定襄陽大頭菜新鹵水、老鹵水中的揮發(fā)性物質(zhì)

為了進(jìn)一步研究襄陽大頭菜新鹵水與老鹵水中揮發(fā)性物質(zhì)的差異，利用GC-MS對(duì)揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行了進(jìn)一步的分析，結(jié)果見圖3。從圖3可以看出，襄陽大頭菜老鹵水樣品中各揮發(fā)性物質(zhì)相對(duì)峰面積變化較小，大部分在15%以內(nèi)，新鹵水樣品中各揮發(fā)性物質(zhì)相對(duì)峰面積均有一較大異常值，在60%左右，其余揮發(fā)性物質(zhì)含量相對(duì)均一，在10%以內(nèi)。

圖3 襄陽大頭菜新、老鹵水各揮發(fā)性物質(zhì)相對(duì)強(qiáng)度值的箱形圖Fig.3 Box chart of relative intensity values of volatile compounds in new and old brines of Xiangyang mustard root

從鹵水中共檢測(cè)出24種揮發(fā)性物質(zhì)，其中新鹵水中檢測(cè)出16種，老鹵水中檢測(cè)出22種，其中新、老鹵水共同的且含量相對(duì)高的揮發(fā)性物質(zhì)有丙酮、2-甲基-正丁醛、硼烷二甲硫醚絡(luò)合物、二硫化碳、二甲基二硫醚。新鹵水中獨(dú)特的揮發(fā)性物質(zhì)有異硫氰酸仲丁醇、異硫氰酸烯丙酯、苯乙基異硫氰酸酯、2-丁烯腈等，老鹵水中獨(dú)特的揮發(fā)性物質(zhì)有3-甲基-1-正丁醛、苯乙醛、2-甲基丙醛、二甲基三硫醚、右旋檸檬烯等。

對(duì)新、老鹵水中的酯類、醇類和醛類化學(xué)物相對(duì)含量（圖4）進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，在新鹵水中酯類物質(zhì)含量極其豐富，主要為異硫氰酸烯丙酯；其次為醇類，主要為乙醇和異硫氰酸仲丁醇。在老鹵水中，醛類含量比較穩(wěn)定，主要為2-甲基-正丁醛、3-甲基-正丁醛、2-甲基-丙醛等；醇類主要為正丁醇。酯類物質(zhì)幾乎為0，原因是在發(fā)酵過程中異硫氰酸烯丙酯降解成其他的成分，主要為各種含硫化合物。

圖4 襄陽大頭菜新、老鹵水主要揮發(fā)性物質(zhì)類別及相對(duì)含量Fig.4 Types and relative contents of main volatile compounds in new and old brines of Xiangyang mustard root

2.4.1 襄陽大頭菜新、老鹵水中酯類物質(zhì)的比較

從表4可以看出，新鹵水中主要揮發(fā)性物質(zhì)為異硫氰酸烯丙酯，在60%左右，異硫氰酸烯丙酯是十字花科植物特有的物質(zhì)硫代葡萄糖苷經(jīng)芥子酶分解的產(chǎn)物，除了異硫氰酸烯丙酯外，硫代葡萄糖苷的分解產(chǎn)物還包括異硫氰酸丁酯、異硫氰酸異丁酯、異硫氰酸丁烯酯、2-苯乙基異硫氰酸酯、各種腈類化合物等[19]。

老鹵水中除O-1樣品中檢測(cè)到少量的異硫氰酸烯丙酯，其余樣品中都沒有檢測(cè)到。這是因?yàn)樵诖箢^菜“五鹵”的腌制過程中，絕大部分異硫氰酸烯丙酯被分解了。

2.4.2 襄陽大頭菜新、老鹵水中含硫類物質(zhì)的比較

從表4可以看出，新鹵水中硼烷二甲硫醚絡(luò)合物、二硫化碳、二甲基二硫醚含量是除異硫氰酸烯丙酯外含量最高的，但是這些含硫化合物是老鹵水中主要揮發(fā)性物質(zhì)。老鹵水中，除硼烷二甲硫醚絡(luò)合物、二硫化碳、二甲基二硫醚外，還包括二甲基三硫醚，這些硫化物都是異硫氰酸烯丙酯分解后的產(chǎn)物，是大頭菜特有的風(fēng)味物質(zhì)，具有蔥、肉等特殊香味，也有較強(qiáng)的防腐和殺菌作用[23]。

2.4.3 襄陽大頭菜新、老鹵水中醛類物質(zhì)的比較

從表4可以看出，襄陽大頭菜新鹵水中醛類種類和數(shù)量較少，2-甲基-正丁醛存在于所有的樣品中，壬醛和己醛只在N-1和N-2樣品中存在。老鹵水中的醛類很豐富，包括2-甲基-正丁醛、異戊醛、苯乙醛、壬醛、2-甲基-丙醛和己醛。C6-C12飽和脂肪族醛在稀釋條件下具有令人愉快的香氣，在香精配方中往往起頭香劑的作用。

2.4.4 襄陽大頭菜新、老鹵水中醇類物質(zhì)的比較

從表4可以看出，襄陽大頭菜新鹵水中的醇類主要為乙醇和異硫氰酸仲丁醇，乙醇來自淀粉物質(zhì)的發(fā)酵，異硫氰酸仲丁醇為硫代葡萄糖苷分解后的產(chǎn)物[24]。老鹵水中的醇類主要為正丁醇，具有酒香味。

2.4.5 襄陽大頭菜新、老鹵水中其他物質(zhì)的比較

從表4可以看出，2-丁烯腈和苯代丙腈是硫代葡萄糖苷在芥子酶作用下水解的產(chǎn)物。2-丁烯腈又稱巴豆腈，具有蔥香味[25]，在襄陽大頭菜新鹵水中含量豐富，在襄陽大頭菜老鹵水中沒有檢測(cè)到，苯代丙腈的含量也有所降低，可能在反復(fù)的晾曬過程中有所揮發(fā)。

表4 襄陽大頭菜新、老鹵水中揮發(fā)性物質(zhì)及其相對(duì)含量Table 4 Main volatile compounds and contents of new and old brines of Xiangyang mustard root %

2.5 襄陽大頭菜新、老鹵水電子舌、電子鼻和GC-MS的PCA分析

為了研究大頭菜新、老鹵水的區(qū)別，對(duì)電子舌、電子鼻及GC-MS結(jié)果綜合進(jìn)行了PCA分析，結(jié)果見圖5。

圖5 襄陽大頭菜新、老鹵水中揮發(fā)性物質(zhì)電子舌、電子鼻和GC-MS分析的主成分分析結(jié)果Fig.5 Principal component analysis results of volatile compounds in new and old brines of Xiangyang mustard root analysis by electronic tongue,electronic nose and GC-MS

從圖5可以看出，第一主成分和第二主成分的方差貢獻(xiàn)率和為89.19%，能夠反映原始數(shù)據(jù)的全部信息。從因子荷載圖中可以看出，第一主成分主要包括W1S、W2S、W3S、W1W、W2W、W6S、W1C、W3C、W5C、酯類、醛類、豐度和后味A，方差貢獻(xiàn)率為80.67%，所以主要通過第一主分成來反映大頭菜新、老鹵水的區(qū)別。第二主成分包括醇類、酸味、苦味、后味B、鮮味、咸味和澀味，方差貢獻(xiàn)率為8.52%?；赑CA因子得分圖可以看出，新鹵水分布在第一、第三象限，老鹵水分布在第二、第四象限，說明襄陽大頭菜新、老鹵水滋味品質(zhì)差異較大。結(jié)合圖1可以看出，大頭菜新新鹵水中W1S、W2S、W3S、W1W、W2W、W6S和酯類含量較高，反映出了襄陽大頭菜新鹵水中異硫氰酸烯丙酯含量高；而大頭菜老鹵水中WIC、W3C、W5C、醛類、酸味、豐度、后味A占據(jù)優(yōu)勢(shì)，說明襄陽大頭菜老鹵水中硫醚類物質(zhì)含量豐富，醛類物質(zhì)較多，酸味、豐度和后味A突出。

3 結(jié)論

本研究通過電子舌、電子鼻和GC-MS對(duì)襄陽大頭菜新、老鹵水中的理化性質(zhì)、滋味品質(zhì)和揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)襄陽大頭菜新、老鹵水間可溶性固形物含量、pH和色度之間差異極顯著（P＜0.01）。電子舌數(shù)據(jù)分析顯示，襄陽大頭菜新鹵水與老鹵水相比，酸味、豐度和咸味均低于老鹵水。電子鼻的數(shù)據(jù)分析顯示，與新鹵水相比，老鹵水刺激性氣味減少，芳香性氣味更濃郁。GC-MS分析顯示，新鹵水中最主要的揮發(fā)性物質(zhì)為異硫氰酸烯丙酯，隨著發(fā)酵時(shí)間的增加，逐漸降解為各類含硫化合物，即老鹵水中的主要揮發(fā)性物質(zhì)硼烷二甲硫醚絡(luò)合物和二甲基二硫醚等。對(duì)電子舌、電子鼻和GC-MS數(shù)據(jù)的主成分分析結(jié)果顯示，大頭菜新鹵水中W1S、W2S、W3S、W1W、W2W、W6S和酯類含量較高，反映襄陽大頭菜新鹵水中異硫氰酸烯丙酯含量高；而大頭菜老鹵水中WIC、W3C、W5C、醛類、酸味、豐度、后味A占據(jù)優(yōu)勢(shì)，說明襄陽大頭菜老鹵水中硫醚類物質(zhì)含量豐富，醛類物質(zhì)較多，酸味、豐度和后味A突出。