基于電子鼻和GC-IMS聯(lián)用技術(shù)分析不同豆類饅頭揮發(fā)成分的差異

張佳麗, 李朋亮, 趙 巍, 張愛霞, 王運(yùn)亭, 劉敬科

(河北省農(nóng)林科學(xué)院生物技術(shù)與食品科學(xué)研究所,石家莊 050031)

饅頭是中國傳統(tǒng)主食的代表[1]。隨著生活水平的提高,人們對饅頭品質(zhì)提出了更高的要求,具有較高營養(yǎng)價值和獨(dú)特風(fēng)味的饅頭受到消費(fèi)者的歡迎。豆類中富含蛋白質(zhì)、氨基酸、黃酮、原花青素、酚類等具有較高抗氧化活性的物質(zhì)[2,3],可以預(yù)防和控制肥胖癥[4]、糖尿病[5]和心腦血管[6,7]等疾病。將豆類粉碎過篩后與小麥粉復(fù)配,制作成豆類饅頭,不僅可以豐富饅頭的種類,而且能提高饅頭營養(yǎng)價值。同時將豆類主食化,實(shí)現(xiàn)其綜合利用,促進(jìn)我國傳統(tǒng)食品產(chǎn)業(yè)向營養(yǎng)健康化升級。

饅頭具有誘人的氣味,這些氣味主要是由于揮發(fā)性成分產(chǎn)生的,主要為醇類、醛類、酯類、烴類等物質(zhì)[8]。饅頭中的揮發(fā)性成分主要受使用的小麥粉、發(fā)酵條件、發(fā)酵劑和加工工藝等因素影響,但是在氣味方面,鮮有關(guān)于豆類饅頭方面的報道[9]。

傳統(tǒng)檢測饅頭揮發(fā)性成分的方法主要是氣相感官評價和色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(GC-MS),前者存在受主觀因素影響,準(zhǔn)確率低等問題;后者存在樣品前處理復(fù)雜以及檢測時間較長等問題。隨著科技不斷發(fā)展,涌現(xiàn)出較多快速檢測方法,如電子鼻法和GC-IMS法聯(lián)用技術(shù)。電子鼻是對樣品的香氣物質(zhì)信息進(jìn)行對比分析,克服了傳統(tǒng)人工品評時表現(xiàn)出的受主觀影響和重復(fù)性差的問題[10, 11]。GC-IMS是一種利用氣相色譜結(jié)合離子遷移譜對樣品中揮發(fā)性成分進(jìn)行快速檢測的技術(shù)[12],具有操作簡單、檢測周期短和靈敏度高等特點(diǎn)。GC-IMS的分析結(jié)果可對電子鼻分析結(jié)果進(jìn)行具體解釋,兩者結(jié)合對樣品揮發(fā)性成分進(jìn)行闡述,已經(jīng)成為對揮發(fā)性成分分析的有效手段,如香菇湯風(fēng)味分析[13]、美人椒醬風(fēng)味分析[14]、茶葉香氣研究[15]等方面。針對豆類饅頭揮發(fā)性成分差異的研究鮮有報道。

將紅豆、綠豆、豌豆、鷹嘴豆、黃豆和黑豆共6種豆類分別以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、20%、30%與小麥粉混合,蒸制為豆類饅頭為研究對象,利用電子鼻結(jié)合GC-IMS技術(shù)進(jìn)行檢測,采用多元統(tǒng)計分析方法,研究不同豆類饅頭揮發(fā)性成分的差異,豐富了饅頭種類,提高雜豆產(chǎn)品附加值,實(shí)現(xiàn)多元化發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

小麥粉;高活性干酵母; 紅豆、綠豆、豌豆、鷹嘴豆、黃豆、黑豆。

1.2 儀器與設(shè)備

PEN3 型便攜式電子鼻,DLF150粉碎機(jī),KVC30和面機(jī),WPL-125 BE型電熱恒溫培養(yǎng)箱, FlavourSpec?風(fēng)味分析儀。

1.3 饅頭制作

參考張佳麗等[16]饅頭制作方法,并稍作修改。將6種豆類磨粉,過篩,分別與小麥粉進(jìn)行混合(豆粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、20%、30%),得到不同比例的混合粉。稱取600 g的混合粉放置和面機(jī)中,加入4.2 g酵母和38 ℃溫水適量,攪拌形成面團(tuán),38 ℃醒發(fā)1 h。手工揉制成饅頭坯,室溫進(jìn)行二次醒發(fā),最后蒸制30 min,制得不同豆類饅頭。

1.4 檢測方法

1.4.1 樣品前處理

1.4.1.1 電子鼻

分別稱取樣品3.00 g置于密封瓶中, 金屬浴45 ℃加熱30 min, 用PEN3型電子鼻進(jìn)行測定。

1.4.1.2 GC-IMS

分別稱取樣品5.00 g,置于20 mL頂空進(jìn)樣瓶中,100 ℃孵育20 min,孵化轉(zhuǎn)速500 r/min,進(jìn)樣500 μL,樣品名稱和編號見表1。

表1 樣品信息表

1.4.2 儀器分析方法

1.4.2.1 電子鼻分析方法

參考范霞等[11]的檢測方法,PEN3型電子鼻的10個傳感器敏感物質(zhì)說明見表2。

表2 PEN3 型電子鼻各傳感器的響應(yīng)特性

1.4.2.2 GC-IMS分析方法

系統(tǒng)條件和氣相色譜條件均參考張佳麗等[16]的方法。

1.5 數(shù)據(jù)處理

儀器配套的分析軟件包括VOCal和Reporter、Gallery Plo、Dynamic PCA插件,可以分別從不同角度進(jìn)行樣品分析。SIMCA-P軟件：多元統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 基于電子鼻對豆類饅頭揮發(fā)性成分差異分析

2.1.1 電子鼻傳感器對不同的豆類饅頭揮發(fā)性成分的信號響應(yīng)

電子鼻傳感器對豆類饅頭揮發(fā)性成分的響應(yīng)信號如圖1所示,傳感器W5S、W1S、W1W、W2S、W2W的響應(yīng)信號普遍較強(qiáng),說明雜豆饅頭的揮發(fā)性成分中主要含有氮氧化物、甲烷、硫化物、醇類及芳香族化合物。這與Azarnia等[17]發(fā)現(xiàn)黃豌豆中的揮發(fā)性成分主要有醇類和吡嗪類,酮類和芳香族類,醛類和含硫化合物類,結(jié)果基本一致;與李積華[18]發(fā)現(xiàn)綠豆湯中揮發(fā)性成分為醇類、有機(jī)硫化物、烷烴類化合物,結(jié)果基本一致。

圖1 豆類饅頭揮發(fā)性成分的傳感器響應(yīng)值

2.1.2 不同豆類饅頭揮發(fā)性成分的偏最小二乘法判別分析

對豆類饅頭揮發(fā)性成分進(jìn)行偏最小二乘法(PLS-DA)判別分析,結(jié)果顯示紅豆、綠豆、豌豆、鷹嘴豆和白面饅頭合為一組,黃豆和黑豆饅頭分為二組,說明黃豆和黑豆饅頭中揮發(fā)性成分與白面饅頭揮發(fā)性成分差異較大(圖2),經(jīng)交叉驗(yàn)證PLS-DA模型不存在過擬合現(xiàn)象。

注：R2X=0.419,R2Y=0.299,Q2=0.95。圖2 PLS-DA得分圖

2.2 基于GC-IMS技術(shù)對不同的豆類饅頭揮發(fā)性成分的差異性分析

2.2.1 豆類饅頭揮發(fā)性成分GC-IMS二維譜圖分析

由圖3可知,選取7號白面饅頭的譜圖作為參比,剩余樣品譜圖扣減參比。白色區(qū)域代表揮發(fā)性物質(zhì)濃度與參比一致,而紅色代表揮發(fā)性物質(zhì)的濃度高于參比,藍(lán)色代表揮發(fā)性物質(zhì)的濃度低于參比[13]。從圖3可知黃豆和黑豆饅頭揮發(fā)性成分種類較多,含量較高。其余4種饅頭揮發(fā)性成分種類較少。同一種豆類饅頭隨著雜豆所占比例增加,饅頭中的揮發(fā)性成分種類和濃度也在增加。

圖3 不同添加量豆類饅頭揮發(fā)性成分GC-IMS二維譜圖

2.2.2 豆類饅頭揮發(fā)性成分定性分析

由表3可知,可明確定性出揮發(fā)性物質(zhì)共25種單體、二聚體和多聚體,主要是為醇、酯、醛、酮和呋喃類化合物。這與前人采用頂空-固相微萃取分析酵母饅頭中的揮發(fā)性成分結(jié)果基本一致[19, 20]。豆粉及小麥面粉中的淀粉和糖經(jīng)酵母中微生物代謝會產(chǎn)生醇類化合物,而高級醇經(jīng)過氧化、氨基酸的Strecker降解或醛醇縮合反應(yīng)則進(jìn)一步會生成醛、酮、酯等[21]。

表3 氣相離子遷移譜圖定性結(jié)果

由表3可知,醇類物質(zhì)共檢測到7種,主要有1-辛烯-3-醇、乙醇、正己醇、3-甲基-3-丁烯-1-醇、1-戊烯-3-醇、2-甲基丙醇、1-戊醇單體及部分二聚體和多聚體。醇類物質(zhì)主要通過酵母發(fā)酵而得,是饅頭香氣的主要物質(zhì),同時醇類還是生成醛、酮、酯等的前體物質(zhì)[22-25];醛類物質(zhì)共檢測到6種,主要有2-庚醛、丁醛、己醛、2-己烯醛、(E)-2-辛烯醛、辛醛及部分二聚體。醛類主要通過脂肪的氧化分解而得[26],單純的醛類有刺激性氣味,但是微量醛可使香氣更加醇厚。醛類物質(zhì)香氣濃烈,一般具有清香、水果香等,是饅頭香氣的重要組成部分[27];酯類物質(zhì)共檢測到1種,主要有乙酸乙酯。酯類物質(zhì)是酵母發(fā)酵過程中經(jīng)過醇和脂肪酸的酯化反應(yīng)生成,通常具有水果香味[28];酮類物質(zhì)共檢測到1種,主要有乙偶姻。酮類物質(zhì)主要來自于醇的氧化或酯類的分解[29],酮類化合物香氣閾值較低,賦予饅頭香氣能力較強(qiáng)[30, 31]。

2.2.3 豆類饅頭揮發(fā)性成分GC-IMS指紋圖譜分析

由圖4a可知,黃豆揮發(fā)性物質(zhì)濃度和種類差異較大,其次是黑豆。其中A區(qū)域主要有(E)-2-辛烯醛、5-甲基-2-呋喃甲醇、苯甲醇等和B區(qū)域主要有1-丁酮、2,3-丁二酮等,其濃度明顯高于其他樣品中的濃度。根據(jù)圖4b可知,黃豆揮發(fā)性物質(zhì)差異最大,黑豆和鷹嘴豆差異次之。其中C區(qū)域主要有5-甲基-2-呋喃甲醇等和D區(qū)域主要有乙酰甲基甲醇、3-甲基-3-丁烯-1-醇、壬醛等,E區(qū)域主要有(E)-2-辛烯醛、1-丁酮、2,3-丁二酮等其濃度明顯高于其他樣品中的濃度。根據(jù)圖5c可知,黃豆和黑豆的揮發(fā)性物質(zhì)差異較大。其中F區(qū)域主要有壬醛、苯乙醛、苯甲酸甲酯等、G區(qū)域主要有5-甲基-2-呋喃甲醇、正丁醛、己醛等其濃度明顯高于其他樣品中的濃度。

注：圖中的標(biāo)注與表3中相對應(yīng);a、b、c分別對應(yīng)10%、20%、30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))豆類饅頭。圖4 豆類饅頭揮發(fā)性成分指紋圖譜

注：a PCA得分圖;b PLS-DA得分圖,R2X=0.426,R2Y=0.183,Q2=0.95;c PLS-DA載荷圖(帶方框的黑色三角形代表VIP>1的差異揮發(fā)性成分)。

由結(jié)果可知,黃豆、黑豆和鷹嘴豆饅頭揮發(fā)性成分主要為醇、醛、酮、呋喃類化合物。將黃豆、黑豆和鷹嘴豆分別添加到小麥粉中制作成饅頭,揮發(fā)性物質(zhì)濃度明顯升高,進(jìn)而使饅頭的風(fēng)味更豐富。紅豆、綠豆和豌豆豆類饅頭揮發(fā)性成分差異較小。

2.2.4 豆類饅頭揮發(fā)性成分多元統(tǒng)計分析

對25種揮發(fā)性成分進(jìn)行多元統(tǒng)計分析,第一主成分將樣品分成4組,1、2、3和4共為一組,5、6、7號為二、三和四組,說明黃豆和黑豆饅頭會產(chǎn)生差異性揮發(fā)性成分,對饅頭的香氣影響較大,其余饅頭揮發(fā)性成分差異較小。與二維GC-IMS圖譜結(jié)果一致(圖5a),同時與電子鼻測定的結(jié)果基本一致,為了明確具體差異性成分,對4組豆類饅頭的揮發(fā)性成分進(jìn)行PLS-DA分析,可以發(fā)現(xiàn)這些揮發(fā)性成分可以將4組豆類饅頭明顯分開(圖5b),經(jīng)交叉驗(yàn)證PLS-DA模型不存在過擬合現(xiàn)象。經(jīng)載荷圖顯示,4組豆類饅頭產(chǎn)生的差異性揮發(fā)性成分(VIP>1)分別為2-甲基丙醇、乙酸乙酯、丁醛、己醛單體、己醛二聚體、1-辛烯-3-醇多聚體、2-戊基呋喃、2-己烯醛單體、正己醇單體、正己醇二聚體、乙偶姻、(E)-2-辛烯醛(圖5c)。

3 結(jié)論

本研究采用電子鼻和GC-IMS聯(lián)用技術(shù)檢測不同添加量的6種豆類饅頭揮發(fā)性成分的差異。電子鼻傳感器對氮氧化物、甲烷、硫化物、醇類、有機(jī)硫化物和芳香族化合物的響應(yīng)信號普遍較強(qiáng);經(jīng)過PLS-DA分析黃豆和黑豆饅頭中揮發(fā)性成分對饅頭的影響較大。GC-IMS可定性出25種揮發(fā)性成分,主要有醇、酯、醛、酮、呋喃類化合物。隨著豆類添加量的增加,饅頭中揮發(fā)性物質(zhì)的濃度和種類也會增加。通過多元統(tǒng)計分析共篩選出12種差異性揮發(fā)性成分(VIP>1),同時可知黃豆和黑豆饅頭差異較大。因此,黃豆和黑豆的揮發(fā)性成分種類和濃度差異最大,紅豆、綠豆、豌豆、鷹嘴豆差異較小。

結(jié)果表明,電子鼻儀器可以將豆類饅頭中不同類型揮發(fā)性成分區(qū)分開來,可檢測出氮氧化物、硫化物的揮發(fā)性成分,但不能定量比較揮發(fā)性物質(zhì)的具體差異。GC-IMS儀器對不同的豆類具有不同的特征譜圖,可以明顯看出樣品之間的揮發(fā)性成分的差異。電子鼻和 GC-IMS聯(lián)用可分析豆類饅頭樣品揮發(fā)性成分的差異,為豆類饅頭產(chǎn)品開發(fā)提供參考,提高雜豆產(chǎn)品附加值,實(shí)現(xiàn)多元化發(fā)展。