基于Mono Trap- GC- O- MS的西瓜汁熱處理前后氣味化合物分析

楊 帆，徐 瑩，代晹鑫，畢 爽，劉 野

(北京工商大學 食品與健康學院/北京市食品添加劑工程技術(shù)研究中心， 北京 100048)

西瓜汁富含礦物質(zhì)、維生素、氨基酸和番茄紅素[1-2]，因其營養(yǎng)豐富和清爽的口感，在消費者中廣受歡迎[3]。西瓜汁具有熱敏性，在加熱滅菌等熱處理過程中易發(fā)生氧化分解，產(chǎn)生令人不悅的異味，進而影響消費者的接受度[4-5]。

西瓜汁中鑒定出的氣味化合物以C6、C9醇醛類為主，包括己醛、壬醛、(E)-2-壬烯醛、(Z)-6-壬烯醛、(E)-6-壬烯醇和(E,Z)-2,6-壬二烯醇等[6-7]。目前，國內(nèi)外對西瓜汁氣味化合物萃取的方法主要集中在溶劑輔助風味蒸發(fā)(solvent-assisted flavor evaporation, SAFE)[8]、固相微萃取(solid-phase micro-extraction, SPME)[9]、吹掃捕集法(purge and trap)[10]等。SPME法操作簡單，但吸附效果受到吸附涂層材料的限制，不能全面萃取不同極性化合物；SAFE法可以獲得和原始樣品接近的氣味提取物，但操作復雜，對實驗人員要求較高。因此，本研究擬采用一種新型萃取方法——整體材料吸附萃取(monolithic material sorptive extraction, MMSE)，對熱處理前后西瓜汁的氣味化合物進行吸附萃取。

MMSE法使用集硅膠、活性炭和十八烷基(ODS)基團于一體的具有大表面積的新型交聯(lián)型吸附劑Mono Trap，揮發(fā)性化合物通過二氧化硅整體孔狀結(jié)構(gòu)后被結(jié)合在表面的活性炭和ODS基團捕獲，對極性、非極性物質(zhì)和低、高沸點物質(zhì)具有較好的吸附作用[11]。Zhou等[12]采用Mono Trap結(jié)合GC- MS從30種香菜籽油中鑒定出29種揮發(fā)性香氣成分，相較于常規(guī)SPME法更易吸附沸點較低的化合物。王逍君等[13]對Mono Trap結(jié)合GC- O- MS測定醬油氣味活性成分的萃取條件進行優(yōu)化，共鑒定出56種氣味化合物。高韶婷等[14]應用Mono Trap結(jié)合GC- MS對金華火腿的風味物質(zhì)進行了研究，分析得到31種氣味化合物。但是，將Mono Trap應用于熱處理前后西瓜汁氣味化合物的研究較少。

本研究以鮮榨和熱處理西瓜汁為研究對象，使用Mono Trap、熱脫附結(jié)合氣相色譜- 嗅聞- 質(zhì)譜(gas chromatography-olfactometry-mass spectrometry，GC- O- MS)對氣味化合物進行萃取和分析鑒定，以期為西瓜汁風味成分的進一步研究提供一定的理論支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

麒麟西瓜，約3 kg/個，種植于北京市大興區(qū)龐各莊鎮(zhèn)，采摘于2021年6月中旬，購買于北京永輝超市；正構(gòu)系列烷烴(C7～C30)、2-甲基-3-庚酮(質(zhì)量分數(shù)≥99%)，美國Sigma公司；正己烷，色譜純，美國Fisher公司。

1.2 儀器與設(shè)備

Mono Trap吸附材料：RSC18(ODS型吸附材料)、RGC18(石墨碳混合ODS型吸附材料)、RGPS(聚二甲基硅氧烷混合石墨碳型吸附材料)，日本GL Sciences公司；7890A- 7000B型GC- MS聯(lián)用儀(配有EI離子源和NIST 20數(shù)據(jù)庫)、DB- Wax型色譜柱(30 m×0.25 mm, 0.25 μm)，美國Agilent公司；熱脫附系統(tǒng)(thermal desorption system，TDS)、多功能自動進樣器(multipurpose sampler，MPS)、PTV冷卻型進樣口(cooled injection system，CIS)，德國Gerstel公司；Sniffer 9000型嗅聞儀，瑞士Brechbuhler公司；MYP19- 2型恒溫磁力攪拌器，上海梅穎浦公司。

1.3 實驗方法

1.3.1西瓜汁樣品制備

為降低西瓜個體差異，一次性購買所有待測樣品。西瓜洗凈、去皮、榨汁；用紗布過濾果汁直至西瓜汁無泡沫存在。將西瓜汁每100 mL分裝于無菌的真空包裝袋(聚酯、尼龍材質(zhì))中，迅速密封，放入-196 ℃的液氮中急速冷凍后保存于-80 ℃低溫冰箱。

新鮮西瓜汁：4 ℃解凍冷凍樣品，解凍后立即進行分析。

熱處理西瓜汁：4 ℃解凍冷凍樣品，70 ℃水浴加熱20 min后立即進行分析。

1.3.2感官評價方法

感官評價由12名感官實驗員(6男和6女，平均年齡25歲)進行評估，每個小組成員至少接受了為期半年的感官培訓，以確保小組成員能夠準確地識別西瓜汁的氣味。風味屬性包括整體香氣、清香、黃瓜味、果香味、蒸煮味和脂肪味，這5種感官屬性分別以西瓜、新鮮切碎的西瓜皮、黃瓜、混合水果、沸騰的開水蒸氣和食用大豆油為氣味參考。評分標準為1～5分，每位實驗員對每個樣品進行3次評估，計算平均得分并以蜘蛛圖的形式呈現(xiàn)。

1.3.3MMSE法

準確量取10 mL西瓜汁樣品于頂空瓶中，加入1 μL的2-甲基-3-庚酮(使用正己烷稀釋至0.816 μg/μL)作為內(nèi)標物，分別將不同類型Mono Trap放入樣品瓶，使其完全浸入到西瓜汁中，置于40 ℃恒溫磁力攪拌器上吸附萃取1 h，待萃取完畢后，將Mono Trap取出，用超純水沖洗后再用無毛紙吸干水分，最后將Mono Trap置于TDS中解析，進行GC- O- MS分析。實驗重復3次。

1.3.4GC-O-MS參數(shù)設(shè)定

1.3.4.1 色譜條件

色譜柱：DB- WAX石英毛細柱 (30 m×0.25 mm,0.25 μm)；升溫程序：40 ℃保持5 min，以5 ℃/min升溫至210 ℃，再以10 ℃/min升至230 ℃并保持3 min。載氣為氦氣(純度≥99.999%)，其恒定流速設(shè)為1.2 mL/min，進樣口溫度為250 ℃，不分流模式。

1.3.4.2 熱脫附條件

TDS升溫程序：起始溫度設(shè)為50 ℃；保持1 min后以60 ℃/min升至200 ℃，保持10 min；再以 60 ℃/min升至300 ℃，保持10 min。

CIS升溫程序：先通過液氮將CIS溫度降到-120 ℃，待吸附材料解吸完成后，以10 ℃/min升到240 ℃，保持1 min。

1.3.4.3 質(zhì)譜條件

離子源為EI離子源，電子能量為70 eV，離子源溫度為230 ℃，傳輸線溫度為280 ℃，四極桿溫度為150 ℃，溶劑延遲5 min，質(zhì)量掃描范圍m/z為50～350 u。

1.3.4.4 嗅聞儀條件

傳輸線溫度設(shè)為200 ℃，3名經(jīng)驗豐富的感官小組成員對GC- O輸出的氣味化合物進行嗅聞，依次記錄氣味出現(xiàn)的時間、氣味特征和氣味強度。

1.3.5氣味化合物定性分析

采用質(zhì)譜定性、保留指數(shù)(RI)對比和嗅聞(O)對比相結(jié)合的方式對氣味化合物進行定性分析。根據(jù)目標物的出峰時間及相同氣質(zhì)條件下系列烷烴的出峰時間計算實際RI值，見式(1)[15]。

(1)

式(1)中，n表示系列烷烴的碳原子數(shù)量；Tn為n個碳原子的正構(gòu)烷烴的保留時間；Tn+1為n+1個碳原子的正構(gòu)烷烴的保留時間；Ta為樣品中化合物a的保留時間(Ta在Tn與Tn+1之間)。

嗅聞即通過GC- O- MS，利用感官評價員的鼻子作為檢測器感知從色譜柱上分離出的氣味化合物的氣味并做記錄，最后根據(jù)已有的文獻進行RI值和氣味特征的比對。

1.3.6氣味化合物定量分析

采用內(nèi)標半定量的方法對西瓜汁中的氣味化合物進行定量分析。各氣味化合物的相對質(zhì)量濃度計算見式(2)[16]。

(2)

式(2)中，ρx為揮發(fā)性風味化合物的相對質(zhì)量濃度，μg/μL；ρ1為內(nèi)標的質(zhì)量濃度，μg/μL；Ax為揮發(fā)性風味化合物的峰面積；A1為內(nèi)標物的峰面積。

1.3.7香氣活力值的計算

香氣活力值(odor activity value，OAV)由目標化合物的質(zhì)量濃度(ρi)及其閾值(OTi)決定的，計算見式(3)[16]。

(3)

1.4 數(shù)據(jù)處理

表格制作由Microsoft Office 2019 軟件完成，圖形制作由Origin 2021軟件完成，采用IMB SPSS Statistics 27 進行單因素方差分析和顯著性分析，顯著性分析采用Duncan檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 西瓜汁感官評價結(jié)果

熱處理前后西瓜汁感官評價結(jié)果見圖1。由圖1可知，在新鮮西瓜汁樣品中，清香、黃瓜味和果香氣味屬性的強度較高；西瓜汁進行熱處理后的氣味屬性以蒸煮味和脂肪味為主，清香、黃瓜味和果香等令人愉悅的氣味強度明顯降低。結(jié)合2種樣品氣味化合物定性定量結(jié)果，鮮榨西瓜汁的清香、黃瓜味源于醇、醛類成分，果香味源于酮類、酯類成分；熱處理西瓜汁的脂肪味主要源于雜環(huán)類和醛類成分，并未檢索到氣味屬性為蒸煮味的化合物，因此熱處理西瓜汁的蒸煮味可能是由于多種氣味化合物的綜合作用。

圖1 鮮榨和熱處理西瓜汁感官評價結(jié)果Fig.1 Results of sensory evaluation among fresh and heated watermelon juice

2.2 西瓜汁氣味化合物Mono Trap 萃取分析結(jié)果

采用Mono Trap 吸附材料對熱處理前后西瓜汁進行全面的風味萃取，并進行GC- O- MS分析，鑒定結(jié)果見表1、表2。由表1可知，3種吸附材料從鮮榨西瓜汁樣品中鑒定出50種氣味化合物，其中醇類12種、醛類16種、酮類8種、酸類3種、酯類3種、雜環(huán)類化合物8種；由表2可知，從熱處理西瓜汁樣品中鑒定出71種氣味化合物，包括醇類12種、醛類26種、酮類13種、酸類3種、雜環(huán)類化合物12種、酯類2種、其他3種。

表1 鮮榨西瓜汁中的氣味化合物Tab.1 Odor compounds in fresh watermelon juice

續(xù)表1

表2 熱處理西瓜汁中的氣味化合物Tab.2 Odor compounds in heated watermelon juice

續(xù)表2

不同Mono Trap吸附材料萃取的西瓜汁中氣味化合物結(jié)果分析見圖2。由圖2可知，在鮮榨西瓜汁中，利用RGC18、RSC18和RGPS可以萃取到的氣味活性化合物分別有12、11、12種，氣味化合物的總質(zhì)量濃度分別為1.210、1.122、1.148 mg/L。3種吸附材料對鮮榨西瓜汁氣味活性成分萃取效果沒有顯著性差異。

在熱處理西瓜汁中，RGC18、RSC18和RGPS分別能萃取到24、15、17種氣味活性成分，氣味活性成分的總質(zhì)量濃度分別為4.539、1.880、2.266 mg/L。RGC18能萃取到的氣味活性化合物的數(shù)量和總質(zhì)理論RI值為譜庫RI值[17]，該值與實際RI值相差不超過100；數(shù)值以3組平行數(shù)據(jù)的平均值±標準差表示，同行不同小寫字母表示不同吸附材料之間存在顯著差異(P<0.05)。氣味特征為感官評價員嗅聞到的化合物氣味描述詞，未嗅聞到的化合物氣味描述詞來自文獻報道。嗅聞強度中W為弱，M為中，S為強。

不同字母表示組間數(shù)據(jù)差異顯著(P<0.05)。圖2 不同Mono Trap吸附材料萃取的西瓜汁中氣味活性化合物Fig.2 Extracted odor compounds by different Mono Trap adsorption materials in watermelon juice

量濃度顯著高于RSC18和RGPS (P<0.05)。

對于3種不同的吸附材料，(E,E)-2,4-壬二烯醛、2-甲基丁醛、5-甲基-3-庚酮、1-羥基-2-丙酮、丙酸、糠醇和5-甲基呋喃醛等氣味活性化合物僅在RGC18萃取中被嗅聞到；(E)-2-庚烯醛、(E)-2-戊烯醛、苯甲醛、1-辛烯-3-醇、當歸內(nèi)酯、1-羥基-2-丁酮和3-辛酮等化合物僅在RSC18萃取中被檢測到，但RSC18無特有的氣味活性化合物；乙醇僅在RGPS萃取中被嗅聞到。RSC18屬于ODS型吸附材料；RGC18在RSC18的基礎(chǔ)上混合了石墨化碳，既可以吸附非極性又可以吸附極性化合物；RGPS由PDMS混合石墨化碳構(gòu)成，對極性和非極性化合物均具有一定的吸附作用[15]。

綜合考慮3種吸附材料萃取到的氣味化合物的數(shù)量和質(zhì)量濃度，RGC18對西瓜汁氣味化合物的萃取效果最好，所以采用RGC18的萃取結(jié)果分析西瓜汁熱處理前后氣味化合物的變化趨勢。

2.3 熱處理前后西瓜汁氣味化合物分析結(jié)果

由RGC18萃取的西瓜汁熱處理前后氣味化合物質(zhì)量濃度熱圖如圖3。在鮮榨西瓜汁中萃取到41種氣味化合物，包括醇類9種、醛類13種、酮類6種、酸類3種、酯類2種和雜環(huán)類化合物8種；在熱處理西瓜汁中萃取到53種氣味化合物，包括醇類7種、醛類18種、酮類9種、酸類3種、雜環(huán)類化合物12種、酯類2種和2種其他化合物。

圖3 RGC18萃取的西瓜汁氣味化合物質(zhì)量濃度聚類分析Fig.3 Cluster analysis of odor compounds mass concentration of watermelon juice by RGC18

根據(jù)聚類分析結(jié)果，西瓜汁在加熱前后風味發(fā)生了很大變化。大量化合物在加熱后產(chǎn)生或含量增加，如1-辛烯-3-醇(蘑菇味)、甲基- 庚烯醇(香菜味)、戊醛(苦杏仁味)、(E)-2-戊烯醛(草莓味)、2,6-二甲基-5-庚烯醛(甜瓜味)、癸醛(皂化味)、(E,E)-2,4-庚二烯醛(脂肪味)、苯甲醛(杏仁味)、水茴香醛(香菜味)、(E)-2-癸烯醛(油脂味)、檸檬醛(檸檬味)、(E,E)-2,4-癸二烯醛(脂肪味)、2-庚酮(皂化味)、3-辛酮(黃油味)、2,3-辛二酮(香菜味)、2-羥基-2-環(huán)戊烯-1-酮(樹葉味)、2,5-二甲基呋喃(燒烤味)、2-甲基-4,5-二氫-3(2H)-呋喃酮(堅果味)、5-乙酰氧基甲基-2-呋喃醛(烤面包味)、2-羥甲基-5-糠醛(紙板味)和甲苯(油漆味)在加熱后產(chǎn)生。大部分不飽和醇、醛類化合物是通過不飽和脂肪酸的氧化裂解產(chǎn)生的，苯甲醛可能是苯丙氨酸的降解產(chǎn)物[18]；而2,5-二甲基呋喃和2-羥甲基-5-糠醛等雜環(huán)類化合物可能是由于加熱過程中西瓜汁中的還原糖和含氨基物質(zhì)發(fā)生的美拉德反應生成[19]。2-壬烯醇(黃瓜味)、(Z)-6-壬烯醇(清香)、2-己烯醛(蘋果味)、β-紫羅蘭酮(樹莓味)、2,3-丁二酮(甜味)、當歸內(nèi)酯(甜味)在加熱后消失，低于質(zhì)譜檢出限。推測這些物質(zhì)含量的變化導致了西瓜汁加熱后的蒸煮味。

2.4 關(guān)鍵氣味化合物OAV分析結(jié)果

關(guān)鍵氣味化合物的OAV可用來表示該化合物對整體風味的貢獻大小，通常認為，OAV≥1代表該化合物可被嗅聞，該組分對香氣整體有貢獻作用，且該值越大代表其貢獻度越大[20]。根據(jù)閾值計算能夠嗅聞到的氣味化合物的OAV如圖4。在鮮榨西瓜汁能夠嗅聞到的14種氣味化合物中，有9種氣味化合物的OAV>1，它們被認為對鮮榨西瓜汁的整體風味有貢獻作用。其中(E)-2-壬烯醛、(E,Z)-2,6-壬二烯醛、壬醛和(E,Z)-3,6-壬二烯醇呈現(xiàn)較高的OAV和嗅聞強度，它們賦予鮮榨西瓜汁清香、黃瓜味，是鮮榨西瓜汁的關(guān)鍵氣味化合物，這與之前的研究結(jié)果一致[18,20-21]。呈現(xiàn)清香氣味的辛醇氣味強度較強烈，但其OAV為0.583，造成這種結(jié)果的原因一方面可能是實驗中采用的定量方法為內(nèi)標半定量，存在一定誤差；另一方面是計算OAV時所用閾值為該化合物在水基質(zhì)中的閾值，與實際樣品體系存在一定差別。另外辛醇與其他物質(zhì)間可能存在協(xié)同效應，會增強氣味屬性的感受強度[22]。

圖4 西瓜汁氣味化合物OAVFig.4 OAV of odor compounds in watermelon juice

熱處理西瓜汁中能夠嗅聞到的24種氣味化合物中，有18種氣味化合物的OAV>1，它們被認為對熱處理西瓜汁的整體風味有貢獻作用。(E)-2-壬烯醛、(E,Z)-2,6-壬二烯醛和壬醛的閾值較低、含量較高，是熱處理西瓜汁的關(guān)鍵氣味化合物。西瓜汁進行熱處理后，能夠被嗅聞到且OAV>1的氣味化合物增加了13種，包括呈現(xiàn)苦杏仁味、皂化味和酸刺味的2-甲基丁醛(可可味、杏仁味)、糠醛(杏仁味)、辛醛(皂化味)、癸醛(皂化味)、(E)-2-庚烯醛(皂化味)、乙酸(酸刺味)和甲酸(醋味)等化合物；有3種呈現(xiàn)清香、檸檬氣味的化合物不能被嗅聞到，包括己醛(青草味)、β-環(huán)檸檬醛(檸檬味)和(E,E)-2,4-壬二烯醛(清香)。這些關(guān)鍵氣味化合物的變化是導致西瓜汁熱處理后異味的重要原因。

3 結(jié) 論

本研究采用Mono Trap、熱脫附結(jié)合GC- O- MS對熱處理前后西瓜汁進行全面的風味萃取分析。使用RGC18、RSC18和RGPS這3種吸附材料從鮮榨和熱處理西瓜汁樣品中分別鑒定出50種和71種氣味化合物。根據(jù)氣味化合物的數(shù)目和總質(zhì)量濃度確定了RGC18的萃取效果較好。依據(jù)西瓜汁熱處理前后氣味化合物的萃取分析結(jié)果，(E,Z)-2,6-壬二烯醇、己醛、β-環(huán)檸檬醛和(E,E)-2,4-壬二烯醛等清香氣味化合物含量降低，癸醛、(E)-2-庚烯醛、糠醛和乙酸等異味化合物含量升高，是西瓜汁熱處理后產(chǎn)生異味的重要原因。Mono Trap具有萃取量大、操作簡便等特點，在西瓜汁氣味化合物萃取上具有一定優(yōu)勢，本研究旨在為西瓜汁風味的深入研究提供新思路；但本研究在定量精確性上存在一些不足，在后續(xù)研究中，需要使用外標定量方法對西瓜汁關(guān)鍵氣味化合物進行進一步分析。