結合GC-MS和GC-IMS分析不同處理方式下玉米的揮發性風味物質

孫嘉卿，馮 濤，張 燦，張康逸?

（1. 上海應用技術大學 香料香精技術與工程學院，上海 201418；2. 河南省農科院農副產品加工研究中心，河南 鄭州 450002）

玉米被稱為“黃金食品”，是禾本科玉蜀黍屬一年生草本植物，原產于中南美洲，是世界重要的糧食和飼料作物[1]，廣泛分布于美國、中國、巴西等國家[2]。玉米含有淀粉、蛋白質、脂肪、纖維等多種營養成分，此外還含有豐富的鈣、鐵、鎂、硒、維生素、胡蘿卜素、尼克酸等。玉米具有一定的藥用功效，如可以防治心血管疾病，促進腸壁蠕動、預防便秘、抗氧化、防癌抗癌等。鮮食玉米具有降低血壓、防癌抗癌、益智健腦等功效，隨著人們對保健意識的增強，鮮食玉米越來越受到人們的喜愛，消費迅速增長。到2020年全國鮮食玉米種植面積達到1 500萬畝。目前，全國鮮食玉米種植面積超過1 200萬畝[3]。近年來人們一方面致力于玉米副產品的開發[4]，另一方面對于不同處理方式的變化過程如凍藏過程中[5]、不同干燥工藝等對玉米品質及風味的影響[6]、或不同品種鮮食甜糯玉米揮發性風味物質主成分分析[7]均有較多的研究，但針對不同的處理方式產生的風味物質的對比分析研究較少。

氣相色譜-離子遷移譜法（GC-IMS）是近年來在新興技術領域興起的熱度較高的氣相分離檢測技術[8]，該技術結合了氣相色譜的高分離能力和離子遷移率光譜（IMS）的快速響應、高靈敏度、大氣壓下室溫下即可進行、無需進行預處理即可提供快速分析和可變體積進樣的優點，又彌補了氣相色譜的低鑒別能力[9]。在食品檢測[10]、鑒別[11]、溯源、分級[12]等各個領域發展迅速。目前已有研究采用HS-SPME[13-14]、SPME[15]等對玉米風味進行研究，但是將GC-IMS技術用來表征不同處理方式下的青豆揮發性風味物質指紋圖譜的研究尚未見報道。

1 材料與方法

1.1 材料

實驗用的玉米采摘時間、采摘成熟度相似，保存方法為冷藏。其不同處理方式見表1。

1.2 儀器與設備

FlavourSpec?風味分析儀、GCMS（5975C-7890 A）氣質聯用儀、G4513A16位自動進樣塔：美國安捷倫科技有限公司；50/20 μm DVB/CAR/PDMS萃取頭：美國色譜科公司；MP5002電子天平：上海舜宇恒平科學儀器有限公司；HH-S2數顯恒溫水浴鍋：金壇市醫療儀器廠；2-辛醇：上海源葉生物科技有限公司。

表1 玉米樣品Table 1 Corn sample

1.3 實驗條件

1.3.1 GC-IMS測定條件

頂空進樣條件：頂空孵化溫度：40 ℃；孵化時間：15 min；頂空進樣針溫度：45 ℃；進樣量：500 uL；孵化轉速：500 rpm。

GC-IMS條件：色譜柱類型：FS-SE-54-CB-1 15m ID：0.53 mm；柱溫：60 ℃；漂移氣（高純N2，純度≥99.999%）；流速：150 mL/min；IMS探測器溫度：45 ℃。

樣品前處理：稱取2 g樣品，置于20 mL頂空瓶中，40 ℃孵育15 min后進樣。

1.3.2 GC-MS 測定樣品前處理

樣品前處理：稱取不同處理的玉米樣品各6 g，置于30 mL棕色螺口固相微萃取樣品瓶中，放入80 ℃恒溫水浴鍋中平衡20 min；同時，將固相微萃取頭插入 GC-MS儀的進樣口中，在250 ℃條件下老化20 min。然后再將萃取頭插入平衡好的樣品瓶中，在 80 ℃恒溫水浴條件下吸附 50 min后取出，插入氣相色譜進樣口，解吸6 min。

1.3.3 GC-MS分析條件

色譜條件：色譜毛細管柱為DB-5MS（60 mm×0.32 mm，1 μm）；色譜柱起始溫度40 ℃，保持2 min，以5 ℃/min的升溫速率升至180 ℃，再以 10 ℃/min的升溫速率升至 250 ℃，并保持10 min。載氣為氦氣，載氣流量為 0.8 mL/min，壓力為3.29×104Pa，進樣口溫度為250 ℃，運行時間47 min。

質譜條件：電子轟擊（electron impact，IE）離子源，電子能量70 eV，離子源溫度230 ℃，四級桿溫度為 150 ℃，質量掃描范圍為 35～450 m/z，溶劑延遲3 min。

1.4 數據處理

利用功能軟件 Laboratory Analytical Viewer和分析軟件和三款插件 Reporter、Gallery Plot、Dynamic PCA以及GC×IMS Library Search對圖譜進行差異分析，通過內置的NIST 2014氣相保留指數數據庫與G.A.S的IMS遷移時間數據庫二維定性分析。

2 結果與分析

2.1 GC-IMS檢測下不同處理方式玉米樣品中的風味差異

不同處理方式的玉米樣品揮發性物質 GC-IMS圖譜見圖 1，縱坐標代表氣相色譜的保留時間，橫坐標代表離子遷移時間，橫坐標 1.0處豎線為RIP峰（反應離子峰，經歸一化處理）。RIP峰兩側的每一個點代表一種揮發性有機物，顏色越深表示濃度越大。結合以上說明及GC-IMS二維俯視圖可以對不同樣品之間的揮發性物質組成進行直觀比較。當以鮮玉米為參照，差異化分析所有譜圖時，風味物質的差異更加一目了然。與對照玉米相比，清洗玉米的樣品風味譜圖和其較為相似，風味物質濃度相差不大；譜圖較為相似的漂燙、預冷、速凍三種處理方式下的玉米樣品有了變化，但對風味的影響相對較小，蒸、煮處理后的玉米風味物質明顯減少，變化較為明顯；炒制及凍干樣品的譜圖中，揮發性物質種類最為豐富、與其他處理方式的玉米差異最大，最為明顯。

2.2 GC-IMS檢測下不同處理方式玉米樣品風味物質指紋圖譜對比

為了更具體直觀表現不同樣品、不同過程中揮發性物質的變化規律和相對含量的比較，我們借助 Gallery Plot插件來繪制揮發性物質的指紋譜圖，直觀且定量地比較不同樣品之間的揮發性有機物差異。

圖1 不同處理方式的玉米樣品揮發性物質成分二維譜圖（俯視圖）Fig.1 Two dimensional spectrum of volatile compounds in corn samples with different treatment methods (top view)

圖2 不同處理方式的玉米樣品Gallery Plot指紋譜圖Fig.2 Gallery plot fingerprint of corn samples with different treatment methods

圖2中每一行代表一個樣品中選取的全部信號峰，圖中每一列代表同一揮發性有機物在不同樣品中的信號峰。從圖中可以看出每種樣品的完整揮發性有機物信息以及樣品之間揮發性有機物的差異。不同樣品的風味物質變化在Gallery Plot指紋譜圖更加明顯，每一列是不同樣品中的一種風味物質，顏色深淺代表濃度高低，通過縱向的比較，不同風味物質濃度呈現一定的規律，非常直觀。玉米中部分風味物質未準確定性，我們以阿拉伯數字順序編號并放于最后，主要對已準確定性的37種揮發性成分進行分析，我們把這些物質按照醇、醛、酮等進行分類，相同種類的物質放在一起，以便分析不同加工過程中，樣品中的風味物質變化規律。如圖 2A框所示，主要是鮮玉米中的1-辛烯-3-醇、反-2-己烯醇、戊醇、2-丙醇等醇類物質，我們看到醇類物質在鮮玉米中濃度最高，且清洗、漂燙、預冷過程基本沒有改變，經過蒸煮炒凍干等加工過程后濃度會降低。如圖2B框所示，乙酸乙酯、乙酸丁酯等酯類物質的變化規律類似醇類物質，在鮮玉米中濃度最高，在速凍、清洗、漂燙、預冷等工藝的處理下濃度逐漸減小均有所降低，經蒸煮炒或凍干處理后濃度達到最低。如圖2C框所示，辛醛、2-庚醛、壬醛、3-甲基丁醛等各種醛類物質在蒸和煮的過程中濃度會達到最大，說明蒸煮的過程中生成大量的醛類物質。如圖2D框所示，2-庚酮、2-丁酮、3-羥基-2-丁酮、2-甲基-吡嗪、2-乙基-3，5-二甲基吡嗪、2-戊基呋喃等酮類物質、吡嗪及呋喃等雜環衍生物會在炒制過程中大量生成，濃度最高。

2.3 GC-MS 和GC-IMS兩種不同檢測方式下不同處理方式玉米樣品風味物質對比

表2，3分別為GC-IMS和GC-MS所分析出的9種不同處理方式下玉米的主要風味物質。

通過對比分析不同處理方式下玉米的共有風味物質，由圖3韋恩圖發現，GC-MS和GC-IMS共同檢測出的風味物質一般為3～7種，多為正己醛、1-辛烯-3-醇、辛醇、2-戊基噻唑等化合物，推測為玉米的主要風味物質。具體的：壬醛為九種不同處理方式下兩種不同檢測方法均共有的風味物質；除凍干玉米外，其他處理方式中均檢測出正己醛、2-戊基呋喃、1-辛烯-3-醇；凍干、炒制、蒸玉米中兩種檢測方法共同檢出的風味物質有苯甲醛；除凍干、炒制、蒸煮外，其他的處理方式中共同檢測出反2-辛烯醛，與本研究GC-IMS單獨檢測時醛類濃度逐漸降低的結論一致，即經蒸煮炒或凍干處理后濃度達到最低。

表2 G C-IMS分析顯示9種不同處理方式下的玉米揮發性物質峰面積Table 2 Peak area of volatile compounds of corn under 9 different treating methods via GC-IMS

續表2

表3 GC-MS分析顯示不同處理方式下的玉米主要風味物質的相對含量（相對內標物2-辛醇的濃度）Table 3 GC-MS analysis shows the relative content of main flavor compounds (relative internal standard 2-octanol concentration) in different treatment methods %

續表3

在 GC-MS分析出的風味物質中，結合表 4的OAV值，得出以下結論。

醛類中，以在兩種檢測方式檢測重合性較高的正己醛為例，其在蒸煮、炒制中的OAV值明顯高于其他處理方式，另外，所檢測到OAV值較高的醛的種類也多于其他處理方式，在經蒸處理后，帶有些許果子香氣的庚醛、帶有油脂氣的反，反-2，4-壬二烯醛的OAV值較高，且出現在其他處理方式之外，可能是因為高溫作用下發生美拉德反應，故被考慮認為是蒸玉米時產生的特征風味。蒸玉米和煮玉米對比發現，主要風味物質類似，但相比煮玉米，蒸玉米的風味物質更加豐富，從而更具研究價值。

圖3 不同處理方式下GC-MS和GC-IMS的風味韋恩圖Fig.3 Venn diagram of flavor of GC-MS and gc-ims under different treatment methods

表4 G C-MS檢測下9中不同處理方式的玉米OAV值大于3的風味物質Table 4 Flavor compounds with OAV value greater than 3 detected by GC-MS

醇類中，以 1-辛烯-3-醇為例，對照玉米中OAV值最高，蒸煮炒制等處理方式下明顯減低。這可能來源于脂氧合酶對部分脂肪酸的氧化作用、醇脫氫酶對部分醛類物質的還原作用[16]、酯類物質水解反應的結果[17]。而具有生豆味，青草味特征的被認為是與碳原子數6～8的醇類正相關[18]。漂燙處理后醇類物質減少與牛麗影等的研究結果一致[19]。

對于2，5-二甲基吡嗪、2-戊基呋喃等雜環化合物很明顯在炒制玉米中含量最高，這可能是由于鮮玉米經過炒制處理，在加熱過程中發生美拉德反應，形成大量的雜環類香味化合物[20]，很明顯可被認為是炒玉米的關鍵呈香物質。均與本研究GC-IMS單獨檢測 9種處理方式下醇類、醛類以及雜環類化合物變化趨勢一致。

酯類物質是脂肪氧化產生的游離脂肪酸和醇的相互作用形成的，由于對香氣貢獻不大OAV值較小且差異不明顯，鄰苯二甲酸二異丁酯、14-甲基十五烷酸甲酯、鄰苯二甲酸二丁酯等雖然相對含量較少，但在不同種處理方式中均有發現，后續可考慮香氣重組缺失實驗對其香氣貢獻值進行更細致的評估，故未在表中列出。

綜上，可以根據不同種化合物的總體含量初步對玉米的處理方式進行判斷。

2.4 不同處理方式下玉米樣品的香氣輪廓圖

對9種不同處理方式下的玉米中OAV值大于100的風味化合物結合其風味特征，采用七個感官描述詞來評價其香氣：花甜香、脂肪青香、蘑菇干草香、堅果烤土豆、蔬菜樣豆青香、苦杏仁樣、辛辣干柏油，在OAV值相差不大的情況下按照相對含量建立表5，并繪制香氣輪廓圖。

從圖 4中可以看出，經不同方式處理的玉米與花甜香的香氣方向比較接近，且均以花甜香和脂肪青香為主，在蒸玉米中體現的尤為明顯?；ㄌ鹣阒饕扇扇?、癸醛、苯乙醛等醛類化合物貢獻，脂肪青香主要是因為正己醛、反-2-壬醛、辛醇等所帶來。其中，對照玉米更多的是蔬菜樣豆青香，考慮到主要是受2-戊基呋喃的含量影響；凍干玉米和炒玉米中由苯甲醛帶來的苦杏仁香氣較明顯，脂質氧化被認為是導致甜玉米凍藏期間產生不良風味的重要因素之一[21]。吡嗪類物質對炒玉米中的堅果烤土豆的特征風味貢獻較大；預冷玉米中各類風味較為均勻；煮玉米、蒸玉米和清洗玉米香氣輪廓最為接近，速凍玉米和漂燙玉米最為接近，與指紋圖譜所得結論基本一致。

表5 九種玉米七個香氣描述詞的相對含量Table 5 Relative contents of seven aroma descriptors of nine Maize Species

圖4 9 種玉米樣品的香氣輪廓圖Fig.4 Aroma profile of 9 corn samples

3 結論

總體看來，在不同處理方式下玉米所含的主要風味物質是固定的，但對于不同處理方式的特征風味還是有對應的變化。在對速凍、清洗、漂染、預冷、蒸、煮、炒、凍干以及對照玉米通過GC-MS分析，共得到152種風味物質，其中不同處理方式下OAV＞100關鍵呈香物質有正己醛、反-2-辛烯醛、壬醛、反式-2-壬醛、癸醛、1-辛烯-3-醇、2-戊基呋喃等，GC-IMS分析中，得到26種香氣化合物。其中，壬醛、2-戊基呋喃、1-辛烯-3-醇等在采用 GC-MS分析時也被證明是不同處理方式下玉米的主要風味物質。但也有一些成分在不同處理方式下均被GC-IMS捕捉到但在GC-MS中出現頻率較低，比如庚醛僅在蒸玉米中、2-庚酮僅在清洗玉米中、苯甲醛僅在凍干玉米、炒玉米、蒸玉米中經GC-MS發現。而有些在GC-MS分析中含量較高且 OAV值也較高的物質如正己醛、癸醛、等未被GC-IMS捕捉，可能是由于香氣閾值較低。對于辛醇、棕櫚酸乙酯等香氣閾值高卻未被分析出的可能是由于譜庫建立不完整而顯示“unidentified”。根據本研究中不同處理方式下關鍵呈香物質的差異，下一階段可結合相關加工產生特異性風味的工藝進一步進行精細化研究，以尋找的最佳的加工玉米的方式。