電子鼻和氣相離子遷移譜技術比較甕臭味及正常紅酸湯的風味差異

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(1.貴州省農科院現代農業發展研究所,貴州貴陽 550006;2.麻江明洋食品有限公司,貴州凱里557603;3.貴州金農輻照科技有限公司,貴州貴陽 550006)

紅酸湯由鮮紅辣椒、西紅柿等原料經破碎加鹽發酵而得,是貴州少數民族地區一種介于發酵調味料和發酵蔬菜之間的傳統食品。經多年發展,已被中國食品協會認定為貴州特色,成為與“麻辣”和“清湯”齊名的三大火鍋底料之一[1]。作為調味品,風味特征是與營養價值和感官質地一樣重要的質量評價指標[2]。

然而,與風味特征重要性不相對稱的是紅酸湯研究多集中于微生物區系及特征性成分分析,風味研究極少見諸報道[3-7]。目前,僅徐莉等[8]分析了不同乳酸菌對酸湯揮發性物質的影響,得出酸味是酸湯產品主體風味的結論。除了主體風味,不良風味對紅酸湯品質也具有重要影響?！爱Y臭味”則是紅酸湯中廣泛存在的一種不良風味。然而,由于企業人、財、物、技等條件限制以及國內外其他科研機構對其關注度較低,紅酸湯“甕臭味”更多低停留于民間說辭,其氣味成分組成與正常酸湯樣品的差異尚無相關研究。

食品風味組分分析包括提取和分析兩個步驟。風味組分的提取主要有水蒸氣蒸餾、固相微萃取等方法;風味組分檢測則包括電子鼻、氣相色譜聯用質譜(Gas Chromatography-Mass Spectrometry,GC/MS)、氣相色譜吸聞(Gas Chromatography-Olfactometry,GC-O)等技術[9]。紅酸湯作為發酵食品家族的一員,發酵茶[10]、發酵魷魚[11]、酸菜[12]、腐乳[13]等發酵食品的研究方法也可借鑒使用。不過,上述檢測方法均需對樣品進行較長時間前處理,特征性風味組分丟失風險較高。因此,前處理簡單、靈敏度高、檢測速度快則成為紅酸湯“甕臭味”組分分析的關鍵所在。目前,離子遷移譜作為一種氣相分離技術正受到越來越多關注,其通過氣相離子遷移率來表征各種不同的化學物質,具有高靈敏度、快速響應、二維分離和痕量分析等檢測特點也符合紅酸湯樣品風味組分比較研究的技術需求[14-18]。

本研究以貴州紅酸湯為研究對象,采用電子鼻和氣相離子遷移譜技術,對甕臭味和正常紅酸湯樣品的風味組分進行定性和相對定量分析,以期對紅酸湯甕臭味的風味組成進行初步探究,為優化貴州紅酸湯的風味奠定理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

紅酸湯樣品 由麻江明洋食品有限公司提供,發酵期為3～4個月,包括嚴重甕臭味紅酸湯(Y1)、輕微甕臭味紅酸湯(Y2)、普通紅酸湯(Y3)。

電子鼻系統 德國AIRSENSE公司;FlavourSpec?氣相離子遷移譜(GC-IMS)聯用儀 德國G.A.S公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 感官評價 感官評價參考秦藍等[19]研究并調整:準確稱取10 g三種紅酸湯樣品于具塞頂空瓶中,60 ℃水浴20 min后備用。感官評價邀請10名實驗人員參加,所有參與人員均按照國標GB/T 16291.1-2012中相關規定進行培訓[19]。感官評價方法采用定量描述評價,對所有紅酸湯樣品的酸味、辣味、咸味、甕臭味(異味)進行評分;整體風味采用評分采用10點制,0～2表示相應風味可有可無;2～4表示相應風味較弱;4～6分表示風味強度中等;6～8分表示相關風味較強;8～10則表明相關風味特別強烈。

1.2.2 電子鼻分析 分別準確稱取1.0 g紅酸湯樣品于頂空瓶中,60 ℃水浴20 min后備用。氣味指紋分析條件:采樣時間間隔為1 s,傳感器自清洗時間為40 s,傳感器歸零時間為10 s,樣品準備時間為5 s,分析采樣時間為120 s,進樣流量為400 mL/min。電子鼻系統的傳感器類型及性能描述情況詳見表1。

表1 電子鼻系統傳感器類型及性能描述Table 1 Sensor type and performance description of electronic nose system

1.2.3 氣相離子遷移色譜儀分析 分別取1.0 g紅酸湯置于20 mL頂空進樣瓶。自動頂空進樣單元:進樣體積：200 μL;孵化時間：20 min;孵化溫度:60 ℃。FlavourSpec?條件:色譜柱:石英毛細柱(Rtx-Wax 30 m×0.53 mm×1.00 μm);分析時間：60 min;柱溫:60 ℃;載氣流量:0～2 min,2 mL/min;2～20 min,2～50 mL/min;20～50 min,50 mL/min;漂移氣流量:150 mL/min;IMS溫度45 ℃;進樣針溫度65 ℃。

1.3 數據處理

采用設備配置的Laboratory Analytical Viewer分析軟件及GC×IMS Library Search Software軟件對紅酸湯中的風味組分進行數據采集及定性分析;Gallery Plot插件則被用于樣品指紋圖譜比對。文章中數據之間的差異顯著性采用方差分析中的單因素方差分析,在95%的置信度下檢驗測定結果間的差異性。

2 結果與分析

2.1 紅酸湯樣品感官評價

經過培訓的感官評價人員對不同紅酸湯樣品的酸味、辣味、咸味、甕臭味(不良風味)及代表產品綜合嗅聞體驗的整體風味進行評品,具體結果見表2。

表2 不同紅酸湯感官評定結果Table 2 Sensory evaluation results of different red sour soup

結果顯示,紅酸湯樣品Y1、Y2和Y3在酸味、咸味方面的感官評分差異較小,辣味、甕臭味(不良風味)差異較大。其中,Y1樣品的酸味、辣味、咸味在3種樣品中感官評價得分最低,表現為中等偏弱,甕臭味(不良風味)感官體驗明顯,達到了感官評分體系中的較強水平。Y2和Y3樣品中的甕臭味則較弱,尤其是普通紅酸湯樣品(Y3),甕臭味體驗處于可有可無狀態。由此表明,對3種紅酸湯樣品而言,甕臭味是導致樣品間風味差異的主要原因。

2.2 紅酸湯樣品電子鼻分析

為進一步闡述紅酸湯Y1、Y2和Y3之間的區別,本研究引入了電子鼻系統對其加以分析。圖1～圖3分別表示了電子鼻系統對3種樣品的主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)、線性判別分析(Linear Discriminant Analysis,LDA)和載荷分析(Loading Analysis,LOA)。

圖1 電子鼻對3種紅酸湯樣品的PCA分析圖Fig.1 PCA analysis of three red acid soup samples by electronic nose

圖2 電子鼻對紅酸湯樣品的LDA分析圖Fig.2 LDA analysis of red acid soup samples by electronic nose

圖3 電子鼻對紅酸湯樣品的LOA分析圖Fig.3 LOA analysis of red acid soup samples by electronic nose

在PCA分析圖中,第一、二主成分的貢獻率分別為98.56%和1.40%,兩個主成分的區分貢獻率和為99.96%,基本代表了3種紅酸湯樣品的主要信息特征。圖1中,3種樣品在第一和第二主成分上均完全分開。另外,將電子鼻系統采集到的數據進行LDA分析發現,在第一、二主成分分別為94.36%和5.59%,總區分度貢獻率為99.95%的結果中,紅酸湯樣品Y3與Y1和Y2在第一主成分上完全分開,但Y1與Y2高度重合,表明Y2樣品中可能有部分甕臭味(不良風味)組分存在。如圖3,傳感器W5S探測到的氮氧化合物類在第一主成分貢獻最大,傳感器W1S和W2S對第二主成分的貢獻最突出。

2.3 不同風味紅酸湯樣品的氣相離子遷移譜分析

紅酸湯中含有的風味組分經氣相色譜分離后,以氣態分子形式被離子源軟電離后進入線性漂移電場并進行二次分離,不同離子到達檢測電極的先后順序存在差異,可通過峰高、峰面積和相對遷移時間來實現樣品中風味組分的分析。如圖4所示,左側紅色豎線為反應離子峰(RIP),RIP兩側的每一個點代表一種揮發性有機物,白色表示濃度較少,紅色表示濃度較大,顏色越深表示濃度越大。結果表明,3種紅酸湯樣品的頂空成分在預設實驗條件下得到了有效分離,所有樣品的風味組分在2500 s內完成了氣相分離,離子遷移時間約為7.81 ms。在離子遷移譜圖上選取信號峰并將其標記,通過氣相離子遷移譜自帶的Library Search軟件進行組分分析,最終從3種紅酸湯樣品中明確鑒定到風味組分64種。其中,酸類物質6種,醇類14種,醛類8種,酯類19種,酮類8種,吡嗪類3種,烯類2種,醚類2種,硫化物類2種,具體結果詳見表3。

圖4 不同紅酸湯樣品氣相離子遷移譜圖Fig.4 Gas-phase ion migration spectra of different red soup samples

表3 不同紅酸湯樣品中風味組分信息表Table 3 Information table of flavor components in different red acid soup samples

續表

2.4 不同紅酸湯風味組分差異分析

不同酸湯樣品之間的差異分析通過GC-IMS內置的PCA及Gallery Plot插件完成。同時,為了對指紋圖譜進行量化描述,論文中還引入了GC-IMS檢測到的紅酸湯風味組分的離子峰體積。PCA分析結果顯示,主成分1和主成分2的貢獻率之和為97.00%,樣品風味組分的所有數據降維之后所得的綜合變量可在二位空間表達原有變量的絕大部分信息。組內實驗結果分布集中,說明同種樣品的分析具有良好的重現性;組間實驗結果差異明顯,表明3種酸湯風味組成差異顯著,詳見圖5。通過對指紋圖譜及檢測到的各組分的離子峰體積分析可知:在甕臭味樣品中,酸類物質中的戊酸(1860.73)、丁酸(20515.80)、2-甲基丙酸(2413.18),醛類物質中的苯甲醛(6274.68)、己醛(668.61),吡嗪類物質中的3-乙基-2,5-二甲基吡嗪(4552.49)、2-乙基-6-甲基吡嗪(3012.85)、2,5-二甲基吡嗪(224.60)等物質的離子峰體積均大于輕微甕臭味及正常紅酸湯樣品,而大多數的酯類、醇類物質的離子峰體積則在普通紅酸湯中。具體結果詳見表3及圖6。

圖5 GC-IMS對3種酸湯樣品的PAC分析Fig.5 PCA analysis of three red acid soup samples by GC-IMS

圖6 不同紅酸湯樣品總體氣相離子遷移譜指紋圖譜Fig.6 Fingerprint of gas-phase ion mobility spectrum in different red acid soup samples注:圖中每一行為一個樣品,由其所含全部揮發性有機物信號峰組成;每一列為同一保留時間及漂移時間下的有機物(不同樣品中相同的物質)的信號峰。紅色區域為酸類物質;綠色區域為醛類物質;黑色區域為吡嗪類物質;橙色區域為醇類物質;紫色區域為酯類物質;藍色區域為酮類物質;紅棕色區域為醚類和單萜類物質。各組分對應位置的顏色深淺代表相應組分的含量高低。

3 討論與結論

貴州紅酸湯作為一種區域性的特色調味品,風味是其重要質量指標。為了全面地分析甕臭味紅酸湯和普通紅酸湯的風味差異,本研究采用感官評價、電子鼻系統及具有前處理簡單、分離能力強、靈敏度高等[20]特點的頂空氣相離子遷移譜技術對不同紅酸湯樣品進行了分析。結果表明,嚴重甕臭味樣品、輕微甕臭味樣品和普通樣品風味差異顯著。通過頂空氣相離子遷移譜技術,3種酸湯中共檢測到明確的風味組分64種,包括酸(6種)、醇(14種)、醛(8種)、酯(19種)、酮(8種)、吡嗪(3種)、單萜(2種)、醚(2種)、硫化物(2種)等9類化合物,與徐莉等通過氣相質譜技術(GC-MS)從自然發酵紅酸湯中檢測到的風味組分數量(55種)相接近[8]。酸、醇、醛、酯、酮作為紅酸湯中種類最多的5種化合物,醇類和酯類在甕臭味酸湯中濃度均低于普通樣品,酸類物質中的丁酸在嚴重甕臭味(Y1)和輕度甕臭味(Y2)樣品中表現出較高濃度,其離子峰體積達到了20515.80和18162.21,遠高于普通樣品(Y3)中的13011.09。資料顯示,丁酸是一種具有酸臭味的化學組分,在奶酪等發酵乳制品中較為常見[21]。因而,紅酸湯中丁酸濃度異?？赡苁菍е庐Y臭味發生的原因之一。另外,本研究中檢測到的酮類物質和含硫化合物多為芳香性風味,吡嗪類主要產生堅果類香氣。單萜類化合物離子峰體積較小,表明其含量較低,可能由西紅柿中的組分經微生物次級代謝合成[18-19]。通過對指紋圖譜和離子峰體積進行比較,醛類物質中的苯甲醛和己醛在甕臭味酸湯中的濃度遠高于輕微翁臭味及正常酸湯樣品。相關研究表明:食品中醛類物質含量過高會導致不良風味的產生[22-25]。由此推測醛類物質的濃度變化也可能是紅酸湯甕臭味產生的重要原因。另外,氣相離子遷移譜法對紅酸湯風味組分的研究仍有較多局限,需要在未來的工作中通過氣相嗅聞色譜和質譜等技術對其繼續探索[26]。