GC-MS結(jié)合電子鼻分析不同干燥方式對(duì)黃花菜粉揮發(fā)性物質(zhì)的影響

馬 堯，郝慧慧，張海紅，楊靜慧，馬雪梅

（寧夏大學(xué)食品與葡萄酒學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

黃花菜（Hemerocallis citrinaBaroni）又名萱草、金針菜，為百合科萱草屬多年生草本宿根植物[1]，作為一種珍貴的食用蔬菜，在我國(guó)已有數(shù)千年栽種歷史。黃花菜鮮甜味美，營(yíng)養(yǎng)豐富，風(fēng)味獨(dú)特，其所含的碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪3大營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)分別占60%、15%、2%，是符合低脂肪、標(biāo)準(zhǔn)供能比的食材。黃花菜即是佐餐佳品又是藥用保健食品[2]。據(jù)《本草綱目》記載，黃花菜具有利膈、安五臟、清熱、養(yǎng)心、抗菌、消炎、明目等功能[3]。翟俊樂(lè)等[4]和鄭選寧[5]研究發(fā)現(xiàn)黃花菜富含黃酮類成分，具有抗氧化、抗抑郁、抗肥胖、抗高血壓等多種功能。目前，在黃花菜產(chǎn)業(yè)鏈中，除少部分鮮黃花菜直接用于消費(fèi)之外，大部分黃花菜都通過(guò)干制而保存起來(lái)以供淡季需求。然而，由于干制工藝對(duì)原料黃花的花型要求較為苛刻，要求以未開(kāi)花的九成熟的花蕾為原料，造成已開(kāi)花的成熟黃花被廢棄，據(jù)作者統(tǒng)計(jì)殘次黃花菜達(dá)到黃花菜產(chǎn)量的10%左右，已經(jīng)開(kāi)花的成熟黃花菜由于無(wú)法制干導(dǎo)致資源浪費(fèi)，損失巨大。因此，將已經(jīng)開(kāi)花、斷折、破損黃花菜進(jìn)行回收并開(kāi)發(fā)黃花菜加工新工藝和新產(chǎn)品，加大其作為新型食品的開(kāi)發(fā)利用，對(duì)其產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有極其重要的意義。

已開(kāi)花黃花盡管失去了作為干制菜的商業(yè)價(jià)值，但仍保留著較高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。若以這些花為原料，采用高效制粉技術(shù)，保留鮮花香氣及營(yíng)養(yǎng)組分，生產(chǎn)黃花菜粉，將會(huì)變廢為寶，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。自然干燥、熱風(fēng)干燥、真空冷凍干燥和噴霧干燥[6]是4 種常見(jiàn)的蔬菜制粉工藝，各有特點(diǎn)。近年來(lái)，研究人員針對(duì)不同的干燥方式對(duì)產(chǎn)品風(fēng)味的影響展開(kāi)深入研究，獲得一定研究成果。馬琦等[7]利用氣相色譜-質(zhì)譜（gas chromatographymass spectrometry，GC-MS）結(jié)合電子鼻分析了干燥方式對(duì)杏鮑菇揮發(fā)性風(fēng)味成分的影響；蔣鵬飛等[8]比較了不同干燥方式的苦瓜粉品質(zhì)特性及香氣成分；Song Jianxin等[9]利用GC-MS結(jié)合電子鼻分析了干燥方式對(duì)紅棗揮發(fā)性風(fēng)味成分的影響。然而對(duì)不同干燥方式黃花菜粉揮發(fā)性物質(zhì)影響研究鮮見(jiàn)報(bào)導(dǎo)。為了最大程度保留黃花菜粉的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)，優(yōu)選黃花菜制粉工藝，本實(shí)驗(yàn)分別選擇自然陰干、熱風(fēng)干燥、真空冷凍干燥和噴霧干燥4 種方式對(duì)黃花菜進(jìn)行制粉，以GC-MS結(jié)合電子鼻技術(shù)，定性、定量分析不同干燥方式對(duì)黃花菜粉揮發(fā)性風(fēng)味成分的影響，以期為黃花菜資源的合理開(kāi)發(fā)和綜合利用提供科學(xué)依據(jù)，推動(dòng)黃花菜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮黃花菜采自寧夏鹽池縣紅寺堡周邊，品種為“大烏嘴”、九成熟，長(zhǎng)9～12 cm，單質(zhì)量為8～10 g，直徑為0.8～10 mm、無(wú)病蟲(chóng)害、無(wú)機(jī)械損傷的花蕾。

1,2-二氯苯（分析純） 美國(guó)Sigma-Aldrich公司；甲醇（分析純） 賽默飛世爾科技有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

Qp2010ultra型GC-MS聯(lián)用儀 日本Shimadzu公司；PK157330-U型手動(dòng)固相微萃取進(jìn)樣器（50/30 μm二乙烯基苯/碳分子篩/聚二甲基硅氧烷（divinylbenzene/carboxen/polydimethylsiloxane，DVB/CAR/PDMS）） 美國(guó)Supelco公司；DB-WAX型毛細(xì)管柱（30 m×0.25 mm，0.25 μm） 美國(guó)Agilent公司；PEN3.5電子鼻 德國(guó)Airsence公司；WNB22型精密數(shù)顯恒溫水浴槽 上海樹(shù)立儀器儀表有限公司；LT202E型電子天平 常熟市天量?jī)x器有限責(zé)任公司；XW-80A旋渦混合儀 上海嘉鵬科技有限公司；JP-520超微粉碎機(jī)昆山強(qiáng)威粉體設(shè)備有限公司；pc-zl300破骨機(jī) 萊州萬(wàn)凱機(jī)械有限公司；KL-75高速勻漿機(jī) 諸城市科力機(jī)械有限公司：Y160M-6熱泵干燥機(jī) 東莞市永淦節(jié)能科技有限公司；ZDG-0.25型真空凍干機(jī) 諸城市鼎州機(jī)械有限公司：LPG-5離心噴霧干燥機(jī) 常州市日宏干燥設(shè)備有限公司。

1.3 方法

1.3.1 預(yù)處理

黃花菜挑選整理進(jìn)行干燥后裝入塑封袋置于4 ℃冰箱貯存。干燥前黃花菜初始含水量為86%，熱風(fēng)干燥、真空冷凍干燥和噴霧干燥3 種干燥方式制得樣品水分均控制在10%以下。4 種干燥方法[10-13]的技術(shù)細(xì)節(jié)如表1所示。干燥后使用超微粉碎機(jī)（每個(gè)樣品分2 次，間隔2 min）將除噴霧干燥以外的其他干燥方式黃花菜碎成粉末。將粉末通過(guò)60 目篩。

表1 不同干燥方式黃花菜粉制備設(shè)備及參數(shù)、圖片Table 1 Different types of drying equipment and processing parameters used for preparation of daylily powder and product pictures

1.3.2 GC-MS條件

采用頂空固相微萃取對(duì)樣品進(jìn)行萃取，GC-MS進(jìn)行分離、鑒定和定量揮發(fā)性化合物。根據(jù)Song Jianxin等[9]的方法略作修改。稱取2 g樣品于20 mL頂空瓶中并加入4 μL 1,2-二氯苯標(biāo)品溶液，用封口膜封口，渦旋振蕩30 s，放入50 ℃水浴鍋中平衡20 min，萃取頭吸附20 min（50/35 μm DVB/CAR/PDMS）。

GC條件：DB-WAX色譜毛細(xì)管柱（30 m×0.25 mm，0.25 μm）；起始溫度40 ℃，保持3 min，然后以5 ℃/min升溫到200 ℃，再以10 ℃/min升溫到230 ℃，保持3 min。氦氣作為載氣，恒定流速2 mL/min，入口溫度250 ℃，不分流。

MS條件：使用電子電離模式；電子能量70 eV；傳輸線溫度280 ℃；離子源溫度230 ℃；接口溫度250 ℃；溶劑延遲2.5 min；質(zhì)量掃描范圍m/z50～350。定性定量分析：化合物由質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫(kù)檢索NIST標(biāo)準(zhǔn)譜庫(kù)，進(jìn)行定性分析，用峰面積歸一法測(cè)算各揮發(fā)性成分的相對(duì)含量。

1.3.3 GC-MS定性與定量分析

揮發(fā)性物質(zhì)經(jīng)色譜柱分離后，化合物由質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫(kù)NIST對(duì)比鑒定。根據(jù)已知質(zhì)量濃度的1,2-二氯苯的峰面積按下式計(jì)算黃花菜粉樣品中各揮發(fā)性物質(zhì)含量：

式中：Ax和Ai分別為目標(biāo)化合物的峰面積和內(nèi)標(biāo)化合物的峰面積；Ci為內(nèi)標(biāo)化合物的質(zhì)量濃度/（μg/mL）；4為加入標(biāo)準(zhǔn)品體積/μL；2為加入樣品質(zhì)量/g；分子1 000為1 kg，分母1 000為1 000 μL；Mx為目標(biāo)化合物含量/（μg/kg）。

1.3.4 電子鼻檢測(cè)

配備10 種金屬氧化物半導(dǎo)體檢測(cè)裝置（W1C、W5S、W3C、W6S、W5C、W1S、W1W、W2S、W2W、W3S）（表2）。將2 g樣品放在瓶子里，蓋上聚四氟乙烯硅塞，然后進(jìn)行分析。

表2 電子鼻傳感器陣列的響應(yīng)特征Table 2 Response characteristics of PEN3.5 electronic nose sensor arrays

電子鼻設(shè)置參數(shù)：樣品測(cè)定間隔時(shí)間1 s，傳感器清洗持續(xù)100 s，自動(dòng)調(diào)零持續(xù)10 s，樣品準(zhǔn)備時(shí)間5 s，樣品測(cè)試時(shí)間100 s。流率內(nèi)、入口均為600 mL/min。測(cè)量完畢，用清潔空氣沖洗容器，直到傳感器信號(hào)返回基線。每個(gè)樣本測(cè)量3 次。

1.4 數(shù)據(jù)處理

電子鼻數(shù)據(jù)分析：運(yùn)用The Unscrambler X 10.4 (64-bit)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析（principal component analysis，PCA）和線性判別分析（linear discriminant analysis，LDA）。

利用TBtools_windows-x64_1_071對(duì)4 種不同干燥方式得到的黃花菜粉揮發(fā)性成分含量進(jìn)行熱圖分析與聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同干燥方式對(duì)黃花菜粉揮發(fā)性成分種類及含量的影響

表3 不同干燥方式的黃花菜粉樣品揮發(fā)性成分化學(xué)組成與含量Table 3 Composition and content of volatile components in daylily powder prepared with different drying methods

續(xù)表3

采用頂空固相微萃取結(jié)合GC-MS分析4 種干燥方式下黃花菜粉末揮發(fā)性成分，通過(guò)NIST庫(kù)比對(duì)篩選出相似度大于80%的組分，如表3所示。自然干燥、熱風(fēng)干燥、真空冷凍干燥和噴霧干燥4 種干燥方式的揮發(fā)性物質(zhì)有明顯差異。采用GC-MS共檢測(cè)出68 種揮發(fā)性物質(zhì)，可分為8 大類：醇（11 種）、醛（14 種）、酮（12 種）、酯（4 種）、烷烴（11 種）、酸類（6 種）、烯類（6 種）、其他（4 種），4 種干燥方式分別檢測(cè)到41（自然干燥）、41（熱風(fēng)干燥）、35 種（真空冷凍干燥）和26 種（噴霧干燥）。其中真空冷凍干燥的總揮發(fā)成分最高為56.36 μg/kg，其次是熱風(fēng)干燥（39.82 μg/kg）、自然干燥（28.54 μg/kg）、噴霧干燥（26.04 μg/kg）。

醇類物質(zhì)在黃花菜粉揮發(fā)性物質(zhì)中貢獻(xiàn)非常重要，其前體物質(zhì)多為不飽和脂肪酸[14]。自然干燥中醇類物質(zhì)揮發(fā)性含量最高，其中含量最高的為1-辛烯-3-醇（5.07 μg/kg），其次為己醇（1.34 μg/kg）、芳樟醇（0.71 μg/kg）、脫氫芳樟醇（0.48 μg/kg），1-辛烯-3-醇為脂肪族不飽和醇，具有蘑菇、薰衣草、玫瑰和干草香氣[15]。熱風(fēng)干燥中醇類物質(zhì)揮發(fā)性含量最高的物質(zhì)也為1-辛烯-3-醇（3.32 μg/kg），但在真空冷凍干燥與噴霧干燥過(guò)程中未檢出。4 種干燥方式均含有的揮發(fā)性物質(zhì)為芳樟醇及苯乙醇，芳樟醇屬于鏈狀萜烯醇類[16]具有鈴蘭香氣，苯乙醇具有清甜的玫瑰樣花香。真空冷凍干燥與噴霧干燥中醇類物質(zhì)揮發(fā)性含量最高的物質(zhì)均為反式-橙花叔醇（4.8 μg/kg和0.47 μg/kg）。

干燥過(guò)程中的熱分解是導(dǎo)致幾種干燥方式醇類物質(zhì)差異明顯的主要原因，這與前人研究的變化趨勢(shì)一致[17]。醛類物質(zhì)在黃花菜粉中含量最為豐富（14 種），其氣味閾值較低，對(duì)總體揮發(fā)性的貢獻(xiàn)較大，4 種干燥方式均含有的醛類物質(zhì)為己醛、辛醛、壬醛、反式-2-辛烯醛，這類C5～C9的醛類來(lái)自脂肪氧化和降解[18]。其中，辛醛具有很強(qiáng)的水果香味；壬醛具有玫瑰、柑橘等香氣，并有強(qiáng)的油脂氣味；反式-2-辛烯醛呈脂肪和肉類香氣，并有黃瓜和雞肉香味；己醛使食品具有清香的味道，自然干燥中己醛含量最高為2.66 μg/kg。苯甲醛除在噴霧干燥樣品中未檢測(cè)出外，在其他幾種干燥方式均有檢出，具有特殊杏仁香味，可以賦予產(chǎn)物脂香風(fēng)味[19]。另外，青葉醛除在熱風(fēng)干燥中未檢出外，在其他幾種干燥方式均有檢出，具有強(qiáng)烈青草氣味。臧紅花醛在自然干燥與熱風(fēng)干燥中均有檢出，具有木香、辛香、藥香、粉香[20]。

酮類物質(zhì)在黃花菜粉中含量豐富，短鏈酮類具有脂香和焦香香氣[21]，長(zhǎng)鏈酮類則呈現(xiàn)出花香氣息[8]，其中1-辛烯-3-酮具有強(qiáng)烈的壤香、蘑菇香氣及金屬氣，帶有卷心菜和花椰菜樣的蔬菜香韻，有很淡的魚(yú)和雞肉的香氣。6-甲基-3,5-庚二烯-2-酮與香葉基丙酮具有新鮮、清、淡的花香香氣，略帶甜蜜-玫瑰香韻味，在4 種干燥方式中均有檢出。松香芹酮只在自然干燥中檢出其具有令人愉快的類似檸檬的香氣，無(wú)樟腦和松脂的氣味。

酯類物質(zhì)會(huì)賦予食品甜香氣味[22]和輕微油脂氣味[23]，α-呋喃甲醇丙酸酯在除自然干燥以外的其他3 種干燥方式中含量較大，分別達(dá)到7.91（熱風(fēng)干燥）、5.90 μg/kg（真空冷凍干燥）和7.61 μg/kg（噴霧干燥）。α-呋喃甲醇丙酸酯具有焦糖樣甜香與水果香氣。分析其在自然干燥中不存在的原因可能是酯類物質(zhì)主要是酸類和醇類物質(zhì)酯化反應(yīng)的產(chǎn)物，其形成過(guò)程復(fù)雜，糖酵解、蛋白質(zhì)水解、脂肪氧化及內(nèi)源酶作用都是酯類化合物形成的主要途徑，其未達(dá)到生成溫度[24]。二氫獼猴桃內(nèi)酯在除熱風(fēng)干燥以外的其他3 種干燥方式中均有檢出，其具有香豆素樣香氣，并有麝香樣氣息[25]。

4 種干燥方式共檢出烷烴類物質(zhì)11 種，其中真空冷凍干燥含量最高達(dá)到9 種（35.84 μg/kg），噴霧干燥達(dá)到6 種（15.7 μg/kg），熱風(fēng)干燥達(dá)到5 種（12.34 μg/kg），自然干燥達(dá)到2 種（0.78 μg/kg）。烴類物質(zhì)由于含量較低感覺(jué)閾值相對(duì)較高，對(duì)黃花菜粉整體風(fēng)味貢獻(xiàn)值較小，但對(duì)黃花菜粉風(fēng)味具有一定的修飾作用。烯類、酸類在4 種干燥方式中含量較少，但其對(duì)風(fēng)味影響巨大。金合歡烯[26]在4 種干燥方式中均存在，其有青香、花香并伴有香脂香氣，并且其含量隨著干燥溫度升高而減?。ㄗ匀桓稍铮緹犸L(fēng)干燥＞噴霧干燥）。羅勒烯和水芹烯只存在于自然干燥與熱風(fēng)干燥中，其中羅勒烯有草香、花香并伴有橙花油氣息[27]，水芹烯具有草本香氣[28]。壬酸在熱風(fēng)干燥、真空冷凍干燥、噴霧干燥中均有檢出，其呈現(xiàn)脂肪和椰子香氣。

綜上所述，黃花菜粉風(fēng)味是由各類物質(zhì)共同作用形成，酯類、醛類、酮類、醇類物質(zhì)為黃花菜粉的主要揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)，呋喃類與有機(jī)酸類物質(zhì)起到豐富香氣組成和調(diào)和風(fēng)味物質(zhì)的作用。此外，不同干燥方式對(duì)黃花菜粉揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)含量有顯著影響，熱風(fēng)干燥與噴霧干燥能很大程度促進(jìn)酯類物質(zhì)生成，而自然干燥與熱風(fēng)干燥能有效地保留醇類、醛類物質(zhì)。究其差異原因，4 種干燥方式中，自然干燥與熱風(fēng)干燥原理相似。但熱風(fēng)干燥溫度相對(duì)于自然干燥較高，黃花菜粉中的熱敏活性物質(zhì)損失較為嚴(yán)重，低沸點(diǎn)香氣成分大量流失的同化長(zhǎng)鏈高分子化合物發(fā)生氧化并發(fā)生裂解。自然干燥溫度較低，能有效減緩香氣成分的損失率，但干燥溫度降低，必然造成干燥時(shí)間的相應(yīng)延長(zhǎng)，同樣不利于香氣成分的保持。黃花菜粉中的大多數(shù)揮發(fā)性物質(zhì)在真空凍干產(chǎn)品中有較好的保留效果，這可能與真空冷凍干燥過(guò)程中物料所處環(huán)境溫度較低且為真空環(huán)境，但由于干燥溫度較低，雜環(huán)化合物轉(zhuǎn)化較少，產(chǎn)生烘烤香氣較弱。噴霧干燥工藝干燥效果好，物料均勻、流散性好，但因瞬間高溫過(guò)程，物料的香氣成分容易被破壞。

2.2 揮發(fā)性物質(zhì)的熱圖分析

圖1 不同干燥方式黃花菜粉揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)熱圖Fig. 1 Heatmap of volatile flavor substances in daylily powder prepared by different drying methods

為進(jìn)一步確定各干燥方式揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的變化，將各香氣含量取以10為底的對(duì)數(shù)進(jìn)行熱圖聚類分析，結(jié)果如圖1所示。經(jīng)不同干燥方式干燥的黃花菜粉可分成2 類，其中噴霧干燥與自然干燥為1 類，真空冷凍干燥與熱風(fēng)干燥為1 類，由此可知噴霧干燥與自然干燥處理的黃花菜粉其揮發(fā)性物質(zhì)組成及含量較為類似，具有較高的相關(guān)性。真空冷凍干燥與熱風(fēng)干燥處理的黃花菜粉其揮發(fā)性物質(zhì)組成及含量較為類似，具有較高的相關(guān)性。

2.3 Mos電子鼻分析

如圖2所示，W1W（硫化氫敏感）和W2W（芳香化合物和有機(jī)硫化物敏感）的響應(yīng)明顯更高，其次是W5S（氮氧化合物敏感），其響應(yīng)值分別為3.04～9.59、2.78～6.12、1.34～3.97。最高響應(yīng)值在這3 組變量中都存在于自然干燥中，最低值均存在于噴霧干燥中。

圖2 不同干燥方法黃花菜粉電子鼻雷達(dá)圖Fig. 2 Radar diagram of electronic nose data for daylily powder prepared by different drying methods

圖3 不同干燥方式下黃花菜粉樣品的PCA（A）和LDA（B）Fig. 3 PCA (A) and LDA (B) plots of daylily powder prepared by different drying methods

由于雷達(dá)圖不足以對(duì)不同干燥方式黃花菜粉樣品的香氣特征進(jìn)行分類，因此對(duì)不同干燥方式下黃花菜粉樣品進(jìn)行PCA，結(jié)果如圖3A所示，PCA是將電子鼻數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理，提取主要特征進(jìn)行線性分析，將主要信息保留在幾個(gè)不相關(guān)的PC中，由圖3A可知，PC1和PC2貢獻(xiàn)率分別為86%和10%，總貢獻(xiàn)率為96%，表明2 個(gè)PC能夠反映原始數(shù)據(jù)的信息。4 組樣品之間沒(méi)有重疊，表明其在揮發(fā)性成分上有一定差異。LDA是利用所有傳感器的信號(hào)研究樣品所屬類別的統(tǒng)計(jì)方法。如圖3B所示，部分變量與PC1和PC2有一定相關(guān)性，與PC1呈明顯正相關(guān)的揮發(fā)性物質(zhì)主要有W5C（對(duì)烯烴和芳香型化合物敏感）、W3C（對(duì)氨類和芳香型化合物敏感）、W1C（對(duì)芳香族化合物敏感）與PC2呈明顯正相關(guān)的揮發(fā)性物質(zhì)主要有W15（對(duì)烴類物質(zhì)敏感）、W1W（對(duì)硫化氫敏感）、W2S（對(duì)醇類和部分芳香型化合物敏感）、W2W（對(duì)芳香化合物和有機(jī)硫化物敏感）這表明揮發(fā)性成分與不同干燥方式黃花菜粉存在相關(guān)性。

3 結(jié) 論

利用GC-MS技術(shù)分析不同干燥方式黃花菜粉的揮發(fā)性物質(zhì)組成及含量，共檢測(cè)出68 種揮發(fā)性物質(zhì)，主要包括8 大類：醇類、醛類、酮類、酯類、烷烴類、酸類、烯類、其他。4 種干燥方式分別檢測(cè)到41（自然干燥）、41（熱風(fēng)干燥）、35 種（真空冷凍干燥）和26 種（噴霧干燥）。真空冷凍干燥的總揮發(fā)成分含量最高為56.36 μg/kg，其中三十六烷的含量為12.34 μg/kg。占21%，但此物質(zhì)的含量對(duì)香氣貢獻(xiàn)較小，且由于真空冷凍干燥過(guò)程干燥溫度較低，雜環(huán)化合物轉(zhuǎn)化較少，產(chǎn)生烘烤香氣較弱。從提高揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的角度出發(fā)，熱風(fēng)干燥可以得到風(fēng)味較好的黃花菜粉。本研究為今后黃花菜的綜合利用研究提供一定的理論基礎(chǔ)。