氣相色譜-離子遷移譜結(jié)合化學(xué)計量法分析不同炒制時間對郫縣豆瓣醬揮發(fā)性化合物的影響

陳麗蘭，陳祖明，袁 燦

（四川旅游學(xué)院，四川 成都 610100）

郫縣豆瓣醬是川菜中常用的調(diào)味品，具有鮮辣醇厚、醬香濃郁、紅棕油亮等特點(diǎn)，被譽(yù)為“川菜之魂”[1]。郫縣豆瓣醬在菜品的烹制和復(fù)合調(diào)味料加工過程中，多數(shù)需要先進(jìn)行炒制，炒制出香味后再進(jìn)入后續(xù)加工步驟。然而在炒制過程中，過長的炒制時間或者過高的炒制溫度會引起一些復(fù)雜反應(yīng)的發(fā)生，導(dǎo)致郫縣豆瓣醬食用品質(zhì)下降，因此炒制條件是影響郫縣豆瓣醬食用品質(zhì)的因素。

風(fēng)味是評定食品食用品質(zhì)的重要內(nèi)容。近年來，研究者從郫縣豆瓣醬中鑒定出100多種揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)，包括醛類、酮類、酯類、醇類、酸類等[2-3]，郫縣豆瓣醬揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)間的相互作用決定了其香氣構(gòu)型。目前，關(guān)于郫縣豆瓣醬風(fēng)味的相關(guān)研究集中在不同發(fā)酵時間、不同發(fā)酵工藝或不同品牌產(chǎn)品的風(fēng)味比較[3-5]，對郫縣豆瓣醬炒制過程中香氣化合物變化規(guī)律以及特征香氣化合物的相關(guān)研究較少。課題組前期已采用氣相色譜-質(zhì)譜（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）聯(lián)用對郫縣豆瓣醬炒制前后的香氣化合物進(jìn)行了分析，但對于香氣化合物在郫縣豆瓣醬炒制過程中的變化規(guī)律以及特征香氣化合物的相關(guān)性仍缺乏系統(tǒng)研究。

氣相色譜-離子遷移色譜（gas chromatography-ion mobility spectrometry，GC-IMS）是近年來新興的氣相分離檢測技術(shù)。與GC-MS技術(shù)相比，GC-IMS具有操作簡單、分離能力強(qiáng)、檢測時間短、靈敏度高、保留樣品的原有風(fēng)味等優(yōu)點(diǎn)[6-7]。GC-IMS分析技術(shù)已廣泛應(yīng)用到各類食品的揮發(fā)性風(fēng)味化合物、品質(zhì)檢測分析等[8-10]，但該技術(shù)應(yīng)用于郫縣豆瓣醬揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的研究較少。

本研究以郫縣豆瓣醬為研究對象，使用感官評價和GC-IMS結(jié)合化學(xué)計量法方法分析炒制過程中郫縣豆瓣醬的主要揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)，分析比較不同炒制時間下郫縣豆瓣醬風(fēng)味物質(zhì)的變化規(guī)律，并建立揮發(fā)性成分指紋圖譜，繼而對其進(jìn)行正交偏最小二乘判別分析（orthogonal partial least squares-discriminant analysis，OPLS-DA）。本實(shí)驗方法具有工業(yè)應(yīng)用潛力，可以檢測不同炒制程度郫縣豆瓣醬的風(fēng)味差異，旨在為炒制過程中郫縣豆瓣醬風(fēng)味變化的研究提供一定的依據(jù)，也為快速、高效分析郫縣豆瓣醬揮發(fā)性化合物拓寬思路。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

郫縣豆瓣醬由四川省郫縣豆瓣股份有限公司提供，其生產(chǎn)工藝按照GB/T 20560—2006《地理標(biāo)志產(chǎn)品 郫縣豆瓣》制得；菜籽油（老家土榨）中糧福臨門股份有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

Flavour Spec?GC-IMS聯(lián)用儀 德國G.A.S.公司；YP100002B百分之一天平 上海力辰儀器科技有限 公司；J7智能電炒鍋 九陽股份有限公司。

1.3 方法

1.3.1 郫縣豆瓣醬炒制工藝

取200 g食用油置于鐵鍋中加熱至90 ℃后加入100 g郫縣豆瓣醬進(jìn)行炒制，分別炒制1、2、3、4、5 min。對炒制后的郫縣豆瓣醬依次編號，分別為PX-1、PX-2、PX-3、PX-4和PX-5。以空白瓶為對照樣，標(biāo)記為KQ。

1.3.2 GC-IMS測定

準(zhǔn)確稱量2.0 g處理后的郫縣豆瓣醬樣品，置于20 mL頂空進(jìn)樣瓶中并加蓋密封，置于孵化爐中，在50 ℃條件下孵化20 min，進(jìn)樣體積為500 μL。

GC條件：FS-SE-54-CB-1 色譜柱（15 m×0.53 mm）；柱溫60 ℃；載氣為高純氮?dú)猓兌取?9.999%）；載氣流速程序：初始流速2.0 mL/min，保持2 min；在10 min內(nèi)流速增加到10.0 mL/min；而后在10～40 min內(nèi)流速增大到100.0 mL/min。

IMS條件：漂移氣為高純氮?dú)猓兌取?9.999%）；漂移氣流速150 mL/min；IMS探測器溫度為45 ℃；漂移管長度為9.8 cm；管內(nèi)線性電壓為500 V/cm；漂移管溫度為45 ℃。

1.3.3 感官評價

采用定量描述分析法進(jìn)行風(fēng)味感官評價，參照盧云浩[11]和Feng Yunzi[12]等并調(diào)整，將炒制制得的10 g郫縣豆瓣醬置于50 mL PET瓶中，經(jīng)過無順序編號后，交由感官評定小組（人員10 名以上）對每個樣品進(jìn)行感官鑒定。氣味強(qiáng)度采用感官評定常用的9 點(diǎn)標(biāo)度法表示，其中1～9代表從極弱到極強(qiáng)的區(qū)間變化；呈香屬性描述詞參考盧云浩[11]和Feng Yunzi[12]等并調(diào)整，描述詞為焦香、辛香、果香、花香、堅果香、木香，炒制的郫縣豆瓣醬的感官描述、定義及評定尺度如表1、2所示。

表1 郫縣豆瓣醬的感官描述和定義Table 1 Sensory description and definition of Pixian bean paste samples

表2 感官評定尺度Table 2 Scale for sensory evaluation

1.4 數(shù)據(jù)處理

通過SIMCA 14.1軟件進(jìn)行OPLS-DA，采用SPSS 20.0軟件進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，利用Origin 2019軟件中Apps插件進(jìn)行聚類分析，并通過Origin 2019繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同炒制時間郫縣豆瓣醬的感官評價

由圖1可知，炒制后的郫縣豆瓣醬的6 個香氣屬性，分別為焦香、辛香、果香、花香、堅果香、木香。不同炒制時間的郫縣豆瓣醬的風(fēng)味差異性明顯。隨著炒制時間的延長，所有樣品的焦香、木香和堅果香出現(xiàn)不同程度的增強(qiáng)，在炒制5 min后表現(xiàn)出最強(qiáng)；辛香呈降低趨勢；花香呈先減弱后增強(qiáng)趨勢，在炒制3 min后表現(xiàn)出最弱；果香呈先增強(qiáng)后減弱趨勢，在炒制4 min后表現(xiàn)出最強(qiáng)。

圖1 郫縣豆瓣醬感官評價雷達(dá)圖Fig.1 Radar map of sensory evaluation of Pixian bean paste samples

2.2 不同炒制時間郫縣豆瓣醬的香氣化合物GC-IMS分析

如圖2a所示，圖中反應(yīng)離子峰（reaction ion peak，RIP）的每一個峰代表一種揮發(fā)性物質(zhì)[13]。隨著炒制時間延長，郫縣豆瓣醬香氣化合物濃度有明顯變化。為進(jìn)一步比較不同郫縣豆瓣醬樣品的差異，結(jié)合二維圖進(jìn)行分析。圖2b中，整個光譜代表總的風(fēng)味化合物，RIP右側(cè)的點(diǎn)表示從樣品中檢測到的揮發(fā)性有機(jī)化合物。顏色表示單個化合物的信號強(qiáng)度。紅色表示高強(qiáng)度，藍(lán)色表示低強(qiáng)度。顏色越暗表示強(qiáng)度越大[14-15]。背景為藍(lán)色，有的化合物含有兩個或多個斑點(diǎn)，分別代表性質(zhì)和濃度的不同的二聚體或三聚體[16-17]。具體取決于揮發(fā)性成分濃度和性質(zhì)。由圖2b可知，樣品的香氣化合物主要集中在區(qū)域A和B，A區(qū)域中部分化合物隨著炒制時間的延長顏色加深，B區(qū)域中部分化合物隨著炒制時間的延長顏色變淺。

圖2 不同炒制時間郫縣豆瓣醬中香氣化合物的GC-IMS三維圖（a）和二維圖（b）Fig.2 GC-IMS 3D (a) and 2D (b) topographic spectra of flavor compounds in Pixian bean paste at different stir-frying times

2.3 不同炒制時間郫縣豆瓣醬的香氣化合物定性分析

采用GC-IMS內(nèi)置的NIST數(shù)據(jù)庫和IMS數(shù)據(jù)庫，根據(jù)保留指數(shù)、保留時間和遷移時間對郫縣豆瓣醬炒制過程中揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)定性分析。如表3所示，可鑒定出揮發(fā)性成分共97 種（單體或者二聚體），其中醛類18 種、酮類17 種、酯類22 種、醇類10 種、烷烴類5 種、烯烴類5 種、雜環(huán)類10 種、醚類2 種和其他化合物8 種。

表3 郫縣豆瓣醬香氣物質(zhì)鑒定結(jié)果Table 3 Identification of aroma substances in Pixian bean paste samples

為進(jìn)一步分析郫縣豆瓣醬香氣化合物的變化，采用歸一法對樣品中鑒定出不同類型化合物進(jìn)行半定量分析。如圖3所示，在樣品中鑒定出香氣化合物的總相對含量在65.0%～70.0%之間，其中醛類、酮類和酯類物質(zhì)相對含量較大，樣品之間差異不明顯。樣品的醛類和酯類化合物相對含量分別在10.9%～15.20%和14.6%～20.5%之間，并且隨著炒制時間的延長呈增加趨勢。醛類物質(zhì)主要來源于脂質(zhì)氧化而生成的典型化合物，呈現(xiàn)出甜香、花果香，可增強(qiáng)食品風(fēng)味的品質(zhì)，對郫縣豆瓣醬整體風(fēng)味占主導(dǎo)地位[18]，主要化合物包括異戊醛、糠醛、丁醛等。酯類物質(zhì)主要由醇類與酸類物質(zhì)酯化反應(yīng)而成，可呈現(xiàn)甜香和果香[19]，主要有乙酸乙酯、異戊酸乙酯和2-甲基丁基乙酯。醇類化合物相對含量在6.33%～9.62%之間，且隨著炒制時間的延長呈先增加后降低趨勢。醇類物質(zhì)一般由醛或酮發(fā)生還原而生成，其風(fēng)味與化合物本身碳原子數(shù)有關(guān)，一般3 個碳原子以下的醇類物質(zhì)大多具有愉悅的香味，4～6 個碳原子具有近似麻醉氣味，超過7 個碳原子有芳香氣味[20]，樣品中醇類物質(zhì)主要有乙醇、異丁醇、2-甲基-3-呋喃硫醇和1-辛烯-3-醇等。酮類和雜環(huán)類化合物相對含量在10.10%～15.80%和5.00%～7.10%之間，并且隨著炒制時間的延長呈先降低后增加趨勢。酮類物質(zhì)主要來源于脂質(zhì)氧化，屬于不穩(wěn)定的中間體，一般被還原成相應(yīng)的醇，可以呈現(xiàn)花香味，主要的化合物有2,3-丁二酮和丙酮，其中2,3-丁二酮可提供奶油的香氣[20]。雜環(huán)類化合物在郫縣豆瓣醬風(fēng)味中起到主導(dǎo)作用，主要來源于美拉德反應(yīng)[21]，主要化合物有吡啶、甲基吡嗪、2,5-二甲基呋喃、2,4,5-三甲基噻唑、2-乙基-5-甲基吡嗪和2-乙?；量┑龋渲?-乙?；量┛商峁┩炼沟南銡?，2,4,5-三甲基噻唑可提供堅果風(fēng)味[10]。另外，烷烴、烯烴、醚類和其他類化合物的相對含量分別為2.74%～4.13%、2.76%～4.84%、0.43%～2.88%和2.17%～4.71%，樣品間無明顯變化趨勢。在烯烴中，γ-松油烯、β-蒎烯、水芹烯和蒎烯均屬于萜類化合物，可提供樣品木香和檸檬 香[22]。烷烴在樣品風(fēng)味中閾值較大，對風(fēng)味貢獻(xiàn)較小。

圖3 郫縣豆瓣醬香氣物質(zhì)相對含量Fig.3 Relative contents of aroma substances in Pixian bean paste samples

2.4 不同炒制時間郫縣豆瓣醬的香氣化合物指紋圖譜

如圖4所示，每個化合物的信號越亮，信號強(qiáng)度越強(qiáng)，而信號越暗，信號強(qiáng)度越弱[23-25]。A區(qū)的香氣化合物濃度在炒制1 min時最高，隨著炒制時間的延長其濃度降低，特別是醛類、醇類、酮類、酯類物質(zhì)和雜環(huán)類物質(zhì)，如(E)-2-戊烯醛、2-甲基-2-戊烯醛、(E)-2-壬醛、5-甲基糠醛、異戊醛、1-辛烯-3-醇、2-己醇、3-甲基-2-丁醇、異丁醇、3-庚烯-2-酮、2-戊酮、異戊酸己酯、甲酸香茅酯、乙酸芐酯、異戊酸乙酯、異丁酸甲酯、丙酸乙酯、乙酸乙酯、2-乙基-5-甲基吡嗪、2,4,5-三甲基噻唑和對甲基苯酚。B區(qū)香氣化合物的濃度隨著炒制時間的延長而增加，特別是醛類、酮類、酯類、萜類物質(zhì)，如2-甲基丙醛、異戊醛、3-甲基丁醛、2-丁酮、異丁酸異丁酯、丁酸乙酯、乙酸甲酯、蒎烯、水芹烯、己二烯二硫、甲基吡嗪和2,5-二甲基呋喃。C區(qū)香氣化合物的濃度隨著炒制時間的延長呈先增加后減小趨勢，在炒制時間為4 min時最大，特別是γ-松油烯、吡啶、乙醇、2-乙基-5-甲基吡嗪、2-乙?；量?、(E)-2-戊烯醛和甲基苯乙酸。D區(qū)香氣化合物的濃度隨著炒制時間的延長而無明顯變化，特別是對甲基苯甲醛、(E)-2-庚烯醛、糠醛、檸檬醛、仲辛酮、2-丁酮、γ-丁內(nèi)酯和甲基吡嗪。

圖4 郫縣豆瓣醬香氣成分指紋譜圖Fig.4 Fingerprint of aroma substances in Pixian bean paste

2.5 郫縣豆瓣醬的聚類分析

為進(jìn)一步分析不同炒制時間郫縣豆瓣醬香氣化合物的差異性，對GC-IMS鑒別出的香氣化合物進(jìn)行聚類分析。如圖5所示，當(dāng)歐式距離為13.8時，不同炒制時間的郫縣豆瓣醬可分為3 個聚類。第1類為炒制時間為1 min的郫縣豆瓣醬，第2類為炒制時間為2～4 min的郫縣豆瓣醬，第3類為炒制時間為5 min的郫縣豆瓣醬。

圖5 郫縣豆瓣醬聚類分析Fig.5 Clustering analysis of Pixian bean paste samples

2.6 不同炒制時間郫縣豆瓣醬的香氣化合物OPLS-DA

OPLS-DA是一種有監(jiān)督的判別分析統(tǒng)計方法，能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行降維，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜實(shí)驗數(shù)據(jù)可視化及判別分析與預(yù)測[26-27]。為進(jìn)一步探究不同炒制時間郫縣豆瓣醬香氣化合物，以鑒別出的97 種香氣化合物為因變量，以不同炒制時間的樣品為自變量，進(jìn)行OPLS-DA。如圖3a 所示，采用（cum）和（cum）分別表示在X軸和Y軸上對變量的解釋能力，Q2（cum）表示模型的預(yù)測能力[10]。其中（cum）＝0.849，（cum）＝0.995，（cum）-（cum）＜0.3，表明該模型較為可靠，同時，Q2（cum）＝0.548＞0.5，表明該模型具有一定的預(yù)測能力。

OPLS-DA因子載荷圖表示香氣化合物與不同炒制時間的郫縣豆瓣醬樣品相關(guān)性，即X值和Y值越靠近，其相關(guān)性越高[28]。由圖6b可知，(E)-2-庚烯醛、5-甲基糠醛、正丁醛、2-甲基四氫呋喃-3-酮、γ-丁內(nèi)酯、乙酸芐酯、異丁酸甲酯、3-甲基-2-丁醇、2,4,5-三甲基噻唑和己二烯二硫與所有樣品相關(guān)性較高，表明該類化合物為炒制郫縣豆瓣醬的特征性風(fēng)味物質(zhì)。

圖6 不同炒制時間郫縣豆瓣醬香氣化合物的OPLS-DAFig.6 OPLS-DA analysis of aroma substances in Pixian bean paste at different stir-frying time

變量投影重要性（variable importance for the projection，VIP）可用于篩選出對郫縣豆瓣醬呈味香氣輪廓有重要影響的關(guān)鍵標(biāo)記物[28-29]。由圖6c可知，34 種香氣化合物的VIP＞1，VIP值越大，差異越顯著。34 種香氣化合物主要有醛類5 種、酮類8 種、酯類11 種、烷烴1 種、烯烴類3 種、醇類1 種、雜環(huán)化合物2 種、醚類1 種和其他2 種，如檸檬醛、(E)-2-壬醛、正丁醛、2-甲基丙醛、仲辛酮、2-庚烯-2-酮、2-戊酮、2-丁酮、3-甲基丁酸丁酯、丙烯酸乙酯、異丁酸異丁酯、乙酸乙酯、乙酸甲酯、乙酸異丙酯、丁酸乙酯、正丙醇、蒎烯、水芹烯、甲基吡嗪、2,4,5-三甲基噻唑、2-乙基-5-甲基吡嗪等。

2.7 郫縣豆瓣醬感官評價和香氣化合物的相關(guān)性分析

為研究感官評價屬性與香氣化合物之間的關(guān)系，采用Pearson相關(guān)系數(shù)對不同炒制時間郫縣豆瓣醬的感官屬性與VIP＞1的香氣化合物進(jìn)行相關(guān)性分析[30]。如圖7所示，焦香、木香和堅果香與大部分香氣化合物呈顯著負(fù)相關(guān)，而與仲辛酮、乙酸丙酯、丙烯酸乙酯、異戊酸乙酯、乙酸乙酯、2,4,5-三甲基噻唑、2-乙基-5-甲基吡嗪呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），且與3-庚烯-2-酮、2-戊酮、3-甲基丁酸丁酯、二硫基丙醇和蒎烯呈極顯著負(fù)相 關(guān)（P＜0.01），而與正丁醛、2-甲基丙醛、過氧化乙酰丙酮、異丁酸異丁酯、乙酸甲酯呈顯著正相 關(guān)（P＜0.05）。辛香與大部分香氣化合物呈顯著正相關(guān)，與仲辛酮、3-庚烯-2-酮、乙酸丙酯、丙烯酸乙酯、乙酸乙酯、二硫基丙醇和2,4,5-三甲基噻唑呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），與2-戊酮、3-甲基丁酸丁酯、二硫基丙醇、蒎烯和2-乙基-5-甲基吡嗪呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與正丁醛和2-甲基丙醛顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）。果香與正丙醇呈顯著正相關(guān)（P＜0.05，與3-甲基丁酸丁酯呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）。

圖7 感官評價和特征香氣Pearson相關(guān)性Fig.7 Pearson correlation heatmap of sensory evaluation and characteristic aroma components

3 結(jié)論

采用描述性感官評價和GC-IMS對不同炒制時間郫縣豆瓣醬的香氣化合物進(jìn)行分析。結(jié)果表明：郫縣豆瓣醬在炒制4 min后表現(xiàn)出最強(qiáng)的果香，在炒制5 min后表現(xiàn)出最強(qiáng)的焦香、木香和堅果香，郫縣豆瓣醬的辛香隨著炒制時間延長而減弱。由聚類分析可知，郫縣豆瓣醬可分為3 個聚類，其中炒制時間為1 min的郫縣豆瓣醬為第1類，炒制時間為2～4 min的郫縣豆瓣醬為第2類，炒制時間為5 min的郫縣豆瓣醬為第3類。在郫縣豆瓣中共檢測出97 種香氣化合物，其中醛類18 種、酮類17 種、酯類22 種、醇類10 種、烷烴類5 種、烯烴類5 種、雜環(huán)類10 種、醚類2 種和其他化合物8 種。由OPLS-DA篩選出34 種標(biāo)志性化合物，主要有檸檬醛、(E)-2-壬醛、正丁醛、2-甲基丙醛、仲辛酮、2-庚烯-2-酮、2-戊酮、2-丁酮、3-甲基丁酸丁酯、丙烯酸乙酯、異丁酸異丁酯、乙酸乙酯、乙酸甲酯、乙酸異丙酯、丁酸乙酯、正丙醇、蒎烯、水芹烯、甲基吡嗪、2,4,5-三甲基噻唑、2-乙基-5-甲基吡嗪等。由Pearson相關(guān)性可知，焦香、木香和堅果香與大部分香氣化合物呈顯著負(fù)相關(guān)，辛香與大部分香氣化合物呈顯著正相關(guān)。本研究為郫縣豆瓣醬的關(guān)鍵風(fēng)味物質(zhì)研究提供理論依據(jù)以及為相關(guān)研究提供方法借鑒。