氣質聯用技術結合電子鼻分析紅酸湯揮發性風味差異

楊進軍，胡金祥，王林，喬明鋒,何蓮，吳華昌，鄧靜，易宇文*

1(烹飪與食品管理中心(四川旅游學院)，四川 成都，610100)2(四川旅游學院 烹飪學院，四川 成都，610100) 3(烹飪科學四川省高等學校重點實驗室(四川旅游學院)，四川 成都，610100)4(四川旅游學院 食品學院，四川 成都，610100)

紅酸湯是以紅辣椒(鮮品)、番茄、生姜、大蒜、精鹽和糯米等為原料[1]，由酵母菌、乳酸菌、醋酸菌[2]等微生物發酵而成的一種地方特色調味品，具有開胃健脾、幫助消化，防止腹瀉等功效，還能起到除惑提神的作用，深受廣大消費者喜愛。目前對紅酸湯的研究主要集中在工藝優化[2]、生理功能[3]和營養分析[4]等方面，在風味分類方面研究較少。

氣-質聯用技術(gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS) 是氣相色譜加質譜技術的簡稱，二者結合可以實現復雜有機化合物的分離和定性，作為分析揮發性物質的有效工具，具有操作簡便、高效、高靈敏度等特點。目前廣泛應用于調味品[5]、乳類[6]、酒類[7]、茶葉[8]、肉類[9]等。電子鼻是一種模擬人生理嗅覺從整體評價食品氣味的技術，其樣品前處理簡便快捷，檢測速度快，結果易讀，目前主要應用于調味品[10]、乳類[11]等研究領域。本文擬以GC-MS檢測結果結合主成分綜合評分法建立評價模型，對紅酸湯的氣味物質進行識別。另外，在已有研究中還未見電子鼻應用于分析紅酸湯的相關報道。

本研究以不同品牌紅酸湯為研究對象，探索利用電子鼻和GC-MS，結合主成分分析不同紅酸湯揮發性風味物質的異同，以GC-MS分析結果結合主成分綜合評分方法建立紅酸湯揮發性物質的評價模型，為紅酸湯的識別提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

所有樣品購于京東超市，具體見表1。

表1 樣品信息Table 1 Sample information

1.2 儀器與設備

SQ680氣質聯用儀、色譜柱Elite-5MS(30 m×0.25 mm×0.25 μm)，美國PerkinElmer；PC-420D專用磁力加熱攪拌裝置、75 μm CAR/PDMS手動萃取頭，美國Supelco公司；FOX 4000電子鼻，法國Alpha MOS公司；其他為實驗室常用儀器設備。

1.3 電子鼻檢測

FOX 4000電子鼻由3個矩陣室，18根金屬氧化物傳感器組成，每根傳感器對一類或幾類物質敏感[11]，其傳感器具體特性見表2。樣品處理：準確稱取2.00 g樣品于10 mL頂空瓶，密封待用；頂空加熱300 s；進樣量1 000 μL。電子鼻檢測參數設置：手動進樣速度1 000 μL/s；分析時間300 s，分析器清潔180 s，每個樣品平行檢測6次，取后4次傳感器在第300 s時獲得的穩定信號進行分析。

表2 電子鼻傳感器性能特點Table 2 The performance characteristics of electronic nose sensor

1.4 GC-MS檢測

頂空固相微萃取(headspace solid-phase micro extraction，SPME)條件：取樣品2.00 g置于15 mL樣品瓶中，加入攪拌子(聚四氟乙烯)密封，磁力攪拌裝置溫度70 ℃，轉速1 r/s，平衡600 s，然后將老化(250 ℃，600 s)的萃取頭插入樣品瓶萃取2 400 s，隨后插入GC-MS進樣口，解析600 s。

色譜條件[2]:色譜柱Elite-5MS(30 m×0.25 mm×0.25 μm);升溫程序:起始溫度40 ℃，保留2 min，以4 ℃/min升溫至250 ℃，保留1 min。載氣(99.999% He)流速1.0mL/min; 流速1 mL/min，分流比5∶1。

MS條件：EI離子源，電子轟擊能量為70 eV，離子源溫度230 ℃，電子倍增電壓1 350 V；全掃描；質量掃描范圍45～400m/z；掃描延遲70 s；標準調諧文件。

定性方法：選取正反匹配度均>700，參考NIST 2011譜庫同時結合人工解譜和參考文獻。

1.5 數據處理

電子鼻數據分析采用Origin 2018作圖；GC-MS數據分析采用SPSS 22.0對樣品進行主成分分析。

2 結果與分析

2.1 電子鼻雷達圖分析

圖1為4種紅酸湯電子鼻傳感器平均值制作的雷達圖。(如圖1所示)所有傳感器對紅酸湯均有響應且有差異，說明4種樣品在氣味上存在差異。

圖1 四種紅酸湯電子鼻雷達圖Fig.1 The radar map of E-nose responses of 4 Red sore soup

通過比較發現，在所有傳感器上A、C樣品響應值較為接近且較低，B、D較為接近且較高；可以推測A、C較為相似，B、D較為相似。LY2型傳感器響應值較低(大多數位于-0.3～0)，這可能與其大多數均對有毒有害氣體敏感有關[12](如苯胺、硫化氫等)，而樣品中并不含或含量極低。樣品在LY/AA傳感器(對有機化合物敏感，如酸性氣體、醇類飲料、發酵味等)上差異較小，這可能與紅酸湯是眾多微生物共同作用產酸，生成醇類、酸類物質有關。4個樣品在P30/1(對碳氫化合物、溶劑，如食物的香氣、天然香氣揮發物敏感)[13]上差異最小，且響應值最高，這可能與樣品中各類香味物質的相對含量和種類較為接近有關，需要進一步研究。PA/2(對有機化合物，如乙醇等物質敏感)響應值較高，這可能與4個樣品中均含有大量醇類物質有關[14](GC-MS分析4個樣品醇類物質差異較小能夠印證此結論)。樣品在T40/1(對氧化能力較強的氣體敏感)上的差異最大，這可能是紅酸湯在發酵時產生了大量的氧化氣體所致。

2.2 GC-MS檢測結果分析

2.2.1 揮發性物質分析

圖2為樣品揮發性成分總離子流圖。圖中樣品出峰時間主要集中在0～30 min，說明升溫程序基本科學合理。表3為4種紅酸湯揮發性物質GC-MS檢測結果。紅酸湯的氣味物質是以醇類物質為基礎[(A、B、C、D檢測出相對含量分別為19.840%、24.082%、21.854%、24.083%，標準偏差較小(1.77)]。這可能是由酵母菌、乳酸菌為紅酸湯主要發酵菌群決定[2]。一般認為醇類物質的前體物質是多不飽和脂肪酸[15]，他們是酵母菌分解糖代謝以及氨基酸脫氨的代謝產物[16]、stretcher降解產物繼續還原生成[17]。酚類物質的含量相對較少(0.32%～3.69%)，酚類物質大多具有煙熏香味，一般由酚羧酸的脫羧[18]或酪氨酸降解[19]而來。醛類物質的相對含量在3.29%～19.63%，閾值低[20]，對樣品氣味的貢獻較大；醛類物質是酶和微生物氧化不飽和脂肪酸以及Strecker降解[21]形成。4個樣品的酸類物質相對含量差異大(標準偏差為10.79)，可能是樣品差異形成的原因之一。酸類物質是酵母菌、乳酸菌等菌群發酵的產物。酮類物質的相對含量在0.37%～11.57%，一般是脂肪氧化、降解以及美拉德反應[22]等生成；由于其閾值一般高于其同分異構體的醛類[23]，因此對風味的貢獻相對不大。4個樣品的烷烴類物質較少，閾值較高且基本不具有活性[24]，對樣品香味貢獻不大；烯烴類(B、C)較多，且閾值較低，是辣椒中重要的風味物質[25]，對樣品貢獻有一定貢獻。酯類物質(4.22%～25.25%)差異較大，其中 B樣品含量較低(4.22%)，其他含量較高。一般認為酯類物質是酸和醇發生酯化反應的產物[26],也是辣椒發酵的主要反應產物之一[27]。檢測到的酯類物質是大多碳原子數<10的低級酯，這類物質一般具有濃郁的芬香氣和特殊的水果香[28-29]。硫醚類物質總體含量不高，比較而言B、D含量較高，A、C含量較低，這可能與B、D樣品中添加有雞精[30]和大蒜[31]有關。

A-樣品A；B-樣品B；C-樣品C；D-樣品D圖2 樣品揮發性成分總離子流圖Fig.2 The total ion chromatogram of volatile components of the sample

表3 四種紅酸湯揮發性物質GC-MS檢測結果單位：%(相對含量)

續表1

續表1

4個樣品中均檢出苯乙醇、芳樟醇、乙醇、苯甲醛、丙酸、甲基庚烯酮、己酸己酯、甲酸甲酯、乙酸丙酯、茴香腦。苯乙醇在A、B、C、D中相對含量分別為1.683%、1.020%、9.837%、0.285%，其具有玫瑰香、茉莉花香，其來源可能是L-苯丙氨酸在釀酒酵母中脫氨酶、脫羧酶和還原酶作用下生產[32]。芳樟醇在A、B、C、D中相對含量分別是8.890%、6.240%、2.910%、0.313%，其具有鈴蘭與香草香，在果酒[33]、茶葉[34]中均有檢出。乙醇相對含量分別為0.835%、0.260%、1.430%、4.536%，其來源于酵母菌在厭氧條件下糖酵解產物，是蔬菜后發酵期重要的呈香物質[35]。甲酸甲酯相對含量分別為18.068%、 0.930%、 3.350%、 3.761%，具有刺激性氣味，其在酒類[36]中有檢出。

A樣品共檢出54種物質，相對含量為82.73%；揮發性成分主要以芳樟醇、脫氫乙酸、甲酸甲酯，相對含量分別為8.89%、26.20%、18.07%，脫氫乙酸為紅酸湯中添加的防腐劑。B樣品中共檢出60種揮發性物質，相對含量為89.79%；主要以(S)-順馬鞭草烯醇、芳樟醇、檸檬醛、脫氫乙酸、D-檸檬烯為主，相對含量分別為12.22%、6.24%、18.29%、5.44%、9.34%。(S)-順馬鞭草烯醇可能來源于配料中的木姜子[37]，也是葡萄在成熟期形成的品香[38]之一。C樣品共檢測到51種揮發性物質，相對含量為82.00%；以4-萜烯醇、苯乙醇、苯甲酸、異香蘭酸、D-檸檬烯為主，相對含量分別為5.99%、9.83%、6.49%、16.85%、6.71%。4-萜烯醇具有青香、木香和辛香，存在于松節油、薰衣草中，但其閾值較高，對樣品香味貢獻不大。苯甲酸可能為紅酸湯中添加的防腐劑。D-檸檬烯具有鮮橙子香氣及檸檬香氣[39]。D樣品共檢測到54種物質，相對含量為75.11%；以3-丁烯-2-酮、甲乙醚為主，相對含量為5.46%、5.03%。表3為紅酸湯樣品揮發性物質相對含量及種類。

表3 紅酸湯樣品揮發性成分含量與種類Table 3 The groups and amounts of volatile compounds in red sore soup sample

2.2.2 揮發性物質主成分特征值分析

主成分分析是化學計量學中一種常用的多元統計方法，它通過對原始數據降維處理，將眾多相互之間有關聯的變量處理成較少的幾個不相關的綜合指數，提取原始數據最大的幾個特征向量作為主成分[40-41]。表4為紅酸湯8類揮發性物質主成分特征值及貢獻率，表中前3個主成分即可完全反應樣品的主要特征信息。

表4 主成分特征值及貢獻率Table 4 Characteristic value and contribution rate of principal components

表5為特征向量及載荷分析，載荷分析反映了各類物質對主成分的貢獻大小。結合表4、表5分析，第1主成分為63.54%，醇類和硫醚類的載荷系數(分別為0.972、0.933)反映了其對第1主成分的貢獻大；第2主成分為26.88%，酮類和烷烯烴類的載荷系數(0.702、0.662)反映了其對第2主成分的貢獻，但烷烯烴類與第2主成分呈負相關；酮類和醛類反映了其對第3主成分(9.58%)的貢獻。

表5 特征向量及載荷分析Table 5 Eigenvector and load analysis

2.2.3 建立風味物質分類模型

根據主成分與萃取的特征向量之間的關系，可以得到3個主成分與原變量之間的線性關系，即主成分評分，用T1、T2和T3表示。

T1=0.431 16X1-0.373 47X2+0.302 34X3-0.373 54X4+0.304 29X5+0.280 16X6-0.318 65X7+0.413 6X8；

T2=0.151 45X1+0.072 52X2-0.339 1X3-0.292 72X4+0.478 59X5-0.527 99X6+0.451 24X7+0.244 32X8；

T3=0.085 88X1+0.604 16X2+0.613 18X3-0.372 75X4-0.219 09X5-0.044 94X6+0.244 97X7+0.051 51X8。

以第1、2、3主成分的方差貢獻率為權重系數，引入綜合評價函數建立紅酸湯風味物質識別評價模型。得到T=0.635 4T1+0.268 8T2+9.58T3為綜合識別評價模型。表6為綜合評分結果。

表6 紅酸湯綜合評分得分及分類Table 6 Scores and classification of red sore soup

由表6可知，B、D綜合得分均>0，A、C綜合得分均<0。這與電子鼻分析結果一致(B、D較為相似， A、C較為相似)。說明通過對紅酸湯揮發性物質種類進行主成分綜合評分，可以有效識別4種紅酸湯。

3 結論

對4種紅酸湯進行電子鼻和氣質聯用檢測，電子鼻檢測結果的雷達圖與氣質聯用結合綜合評分模型識別結果一致。GC-MS檢測結果共鑒定出4種紅酸湯141種揮發性物質，主要包括醇類、酚類、醛類、酸類、酮類、烷烯烴類、酯類、硫醚類。A、B、C、D分別檢測出54、60、51、54種物質。4個樣品均檢出的物質有苯乙醇、芳樟醇、乙醇、苯甲醛、丙酸、甲基庚烯酮、己酸己酯、甲酸甲酯、乙酸丙酯、茴香腦，共計10種。GC-MS檢測結果結合主成分建立綜合評分模型可將樣品分成兩大類，即A、C為一類，B、D為一類，與電子鼻檢測結果一致。不同品牌的紅酸湯在氣味上差異較大，即使同一產地不同品牌的紅酸湯氣味也有差異。紅酸湯的氣味形成是復雜的，這可能與原材料、發酵方式和使用菌種等因素有關。論文從紅酸湯的整體風味輪廓和具體風味物質進行了差異分析，建立了紅酸湯識別模型，可為不同紅酸湯的風味分析提供參考,也可為其他風味食品的鑒別提供參考。