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摘要
利用电子鼻、气相色谱-质谱联用(Gas Chromatography-Mass Spectrometry,GC-MS)和气相离子迁移谱(Gas Chromatography-Ion Mobility Spectrometry,GC-IMS)技术分析老香黄发酵期间的挥发性成分变化,并结合相对风味活度值(Relative odor activity value,ROAV)对老香黄挥发性组分的气味贡献程度进行评价。结果表明,电子鼻PCA有效区分了不同发酵时间的样品,老香黄发酵6个月后挥发性组分开始发生较大变化。GC-MS共鉴定出46种挥发性物质,包括萜烯类、醇类、醛类、酚类、酯类、醚类、杂环化合物和其它共8个种类。α-蒎烯、β-蒎烯、月桂烯、萜品油烯、柠檬烯、异松油烯、1-石竹烯、巴伦西亚橘烯、芳樟醇、α-松油醇、糠醛、麦芽酚、茴香脑、2, 4-二甲基苯乙烯是发酵期间含量较高且相对稳定的14个共有成分。GC-IMS定性检出38 种已知挥发性成分,包括萜烯类、醇类、醛类、酯类、酮类、酚类、酸类、杂环类和其它共9个类别。ROAV表明老香黄的主体香气为柑橘香、木青气息、药草香和焦甜香,对老香黄风味贡献程度最大的5个物质分别是香茅醛、壬醛、异松油烯、反式-β-罗勒烯和柠檬烯。发酵丰富了老香黄的挥发性成分种类,其中反式-橙花叔醇、庚醛、糠醛、己醛、异戊醛、3-羟基-2-丁酮、2-乙基呋喃、呋喃甲醇、2-乙酰基呋喃等挥发性成分是发酵过程中产生的。

结果与分析

2.1 基于电子鼻分析不同发酵时间老香黄的挥发性组分
在荷载分析图中,各传感器的坐标可以精准地反映其对样品挥发性气味贡献率的大小;离原点越远,传感器对主成分的贡献越大,反之则越小。由图2可知,W2W、W2S、W1S 和W1W(分别对芳香成分、醇类、醛酮类、甲基类化合物和有机硫化物灵敏)离中心原点较远,W1C、W3C、W3S和W5C(分别对苯类、氨类、长链烷烃、短链烷烃灵敏)次之,距离最近的是W6S和W5S(分别对氢化物和氮氧化合物灵敏)。结合香气分布雷达图说明,芳香成分、醇类、醛酮类、甲基类化合物和有机硫化物对老香黄样品香气贡献率最大,而苯类、氨类、长链烷烃、短链烷烃次之,贡献率最小的是氢化物和氮氧化合物。
由PCA图(图3)可知,总贡献率为88.4%(PC1和PC2分别为46.8%和41.6%),说明不同发酵月份的老香黄样品间风味相互独立,整体区分度较好,PCA 方法适用于老香黄发酵期间的挥发性成分分析。发酵0、2、4个月样品在主成分2上较为接近,但它们与发酵6、8、12个月样品差异较大,且发酵6、8、12个月的样品在主成分1 上均有较明显的差异,说明总体上发酵0~4个月的老香黄挥发性组分差异小,而发酵6~12个月样品的挥发性组分差异大。由此可见,发酵6个月后老香黄的挥发性组分开始发生较大的变化。
2.2 基于GC-MS分析不同发酵时间的老香黄挥发性成分
2.2.1 发酵期间老香黄挥发性香气成分的鉴定
不同发酵时间的老香黄挥发性成分的总离子流图(TIC)如图4所示,老香黄在不同发酵阶段共鉴定出46种挥发性物质,包括萜烯类、醇类、醛类、酚类、酯类、醚类、杂环化合物和其它共8个种类,具体挥发性成分种类和相对含量见图5和表2。其中,α-蒎烯(3.87%)、β-蒎烯(2.89%)、月桂烯(3.73%)、萜品油烯(3.75%)、柠檬烯(28.87%)、异松油烯(16.21%)、1-石竹烯(1.66%)、巴伦西亚橘烯(1.11%)、芳樟醇(7.65%)、α-松油醇(1.83%)、糠醛(1.92%)、麦芽酚(7.22%)、茴香脑(1.90%)和2,4-二甲基苯乙烯(1.25%)是不同发酵时间的样品中平均含量较高且相对稳定的14个共有成分。基于此,这些成分可以作为老香黄发酵期间的目标参考化合物。
2.2.2 不同发酵时间老香黄挥发性组分变化分析
为了更直观地对比不同发酵时间老香黄挥发性成分的差异,采用TB tool 软件进行热图聚类分析。如图6所示,随着欧氏距离的平方的增加,六个发酵时间段的样品可分为3类:0M和2M、4M和6M、8M和12M。结合图6和表2来看,发酵0M、2M、4M、6M、8M、12M六个样品的挥发性成分数量分别为27、29、34、37、38、30,呈先上升后下降的趋势,其中以发酵6个月和8个月时最为丰富。从挥发性成分的含量来看,随着发酵过程的进行,醛类和酚类物质总体增加,萜烯类和醇类物质逐渐减少,而酯类物质从无到有,与黄六斌等[25]研究柑橘酒发酵过程中挥发性成分的变化趋势相似。

图 6 不同发酵月份的老香黄挥发性组分聚类分析热图
Figure 6. Cluster analysis heat map of volatile components in Laoxianghuang in different fermentation months
根据保留指数(RI)和漂移时间与GC-IMS文库以及峰面积归一化处理进行化合物定性定量分析(表3),定性出38 种已知挥发性组分,包括萜烯类8 种、醇类5 种、醛类9 种、酯类4种、酮类4 种、酚类1 种、酸类2种、杂环类4 种、其它1 种。定性检出的38种已知挥发性组分,大部分是佛手中常见的香味成分,其中,反式-橙花叔醇、庚醛、糠醛、己醛、异戊醛、3-羟基-2-丁酮、2-乙基呋喃、呋喃甲醇、2-乙酰基呋喃等挥发性成分,目前在佛手的挥发性组分研究中鲜有报道,这可能是发酵过程中产生的。根据文献报道,这些物质一般都具有特殊的香味,比如反式-橙花叔醇具有柑橘、木兰香气的气味;庚醛具有脂肪、柑橘香;糠醛呈焦甜香气;异戊醛伴有果香;己醛具有类似青草、脂肪气味;3-羟基-2-丁酮具有黄油、奶油香;2-乙基呋喃伴有坚果、脂香等。因此,这些成分构成了老香黄特有的气味(详情见表3)。

2.3.2 不同发酵时间老香黄挥发性成分离子迁移指纹图谱分析
为进一步比较不同发酵时间老香黄挥发性成分的差异,采用GC-IMS仪器自带软件生成离子迁移指纹图谱(图8)。横轴为样品中检测出的所有挥发性成分,纵轴为不同发酵月份的老香黄样品。将指纹谱图分为A、B、C、D、E共5个特征峰区域和F、G共同区域。A区为发酵0个月样品的特征峰区域,包括的挥发性组分为戊酸乙酯、乙酸丁酯、异戊醛、糠醛。B区为发酵4个月样品的特征峰区域,包括的挥发性组分为莰烯、2-丁酮、正丁醛、异戊酸。C区为发酵6个月样品的特征峰区域,包括的挥发性组分为己醛、3-羟基-2-丁酮、戊醛、异戊醇、2-乙基呋喃、2-乙酰基呋喃。D区是发酵8个月样品的特征峰区域,主要包括反式-橙花叔醇、桉叶油醇、庚醛、乙酸乙酯、2-乙基呋喃、柠檬烯、α-松油醇共8种挥发性组分。E区为发酵12个月样品的特征峰区域,包括的挥发性组分为β-蒎烯、2,3-丁二酮、4-甲基愈创木酚、壬醛、丙酸。G区为发酵0个月和2个月的共同区域,已知的挥发性组分包括呋喃甲醇、乙醇、反式-β-罗勒烯;F区为发酵8个月和12个月的共同区域,包括乙醇、反式-β-罗勒烯、3-蒈烯、α-蒎烯、月桂烯、萜品油烯共6种挥发性组分。结合表3可知,发酵前期,呋喃甲醇、乙醇、反式-β-罗勒烯均为最高值;随着发酵时间的延长,三者含量均呈稳定的下降趋势;而3-蒈烯、α-蒎烯、月桂烯、萜品油烯含量在发酵前期显著增加,之后下降,并在发酵8个月后再次升高。2-乙基呋喃、2-乙酰基呋喃、反式-橙花叔醇随着发酵时间的延长含量逐渐增多。这些挥发性成分的生成可能是由于美拉德反应和氨基酸与脂质的相互作用有关。
综合定性结果,对每个阶段均检测出的化合物香味阈值进行查询并计算。本研究中检测到芳樟醇物质,虽然含量较低,但根据佛手挥发性风味的相关文献报道,柠檬烯、异松油烯等萜烯化合物和芳樟醇是佛手的重要香气物质。这类物质的风味阈值低,清香味强烈。故定义芳樟醇的ROAV 为100,其他风味成分的ROAV由式(1) 计算得出。选择其中ROAV>0.1 的成分列出,如表4所示。

由表4可知,ROAV>0.1有19种挥发性成分,对老香黄的香味有贡献作用。有12种物质ROAV大于1,这些物质分别是芳樟醇、异松油烯、反式-β-罗勒烯、柠檬烯、β-蒎烯、α-蒎烯、茴香脑、香茅醛、壬醛、己醛-M、己醛-D、3-羟基-2-丁酮、呋喃甲醇,被认为是老香黄香气的关键组分。其中对老香黄风味贡献程度最大的5个物质分别是香茅醛、壬醛、异松油烯、反式-β-罗勒烯和柠檬烯。关键组分的香气特征可分为3大类,第一类是以异松油烯、柠檬烯、茴香脑、香茅醛为代表的,具有明显柠檬特征的果香和青香;第二类是以壬醛、己醛-M、己醛-D、3-羟基-2-丁酮、呋喃甲醇为代表的,为美拉德反应产物特有的脂香和焦甜香;第三类是以芳樟醇、反式-β-罗勒烯、β-蒎烯、α-蒎烯为代表的,具有强烈萜类物质特征的木青气息、花香和药草香气。综上可知,老香黄的主体香气为柑橘香、木青气息、药草香和焦甜香。

结论与讨论

引用本文:陈小爱,蔡惠钿,刘静宜,等. 基于电子鼻、GC-MS和GC-IMS技术分析老香黄发酵期间的挥发性成分变化[J]. 食品工业科技,2021,42(12):70−80. doi: 10.13386/j.issn1002-0306.2020100170.
Citation: CHEN Xiaoai, CAI Huitian, LIU Jingyi, et al. Analysis of Volatile Components in Laoxianghuang During Fermentation by Electronic Nose, GC-MS and GC-IMS[J]. Science and Technology of Food Industry, 2021, 42(12): 70−80. (in Chinese with English abstract). doi: 10.13386/j.issn1002-0306.2020100170.
基金项目: 广东省“扬帆计划”引进创新创业团队项目(2016YT03S056);华农(潮州)食品研究院项目(H2019395);潮州市科技项目(2020ZX03)。


通信作者简介

周爱梅,博士,教授,先后毕业于南昌大学、华南理工大学,美国马里兰大学国家公派访问学者。1996年分入华南农业大学食品学院工作至今。曾担任广东省食品工业协会食品添加剂分会常务理事、广东省食品行业协会专家委员会技术组专家等社会兼职,现担任国家食药同源产业科技创新联盟理事、广东省水产标准化技术委员会委员、广东省食品学会海洋食品专业委员会委员等兼职。主要从事食品化学与营养、水产品和农产品精深加工与综合利用、功能成分分离提取及功能食品研发等领域的教学与科研工作。教学方面,主持省级和校级教改项目5项,发表教改论文7篇。科研方面,先后主持国家自然科学基金项目2项、广东省重大人才工程“扬帆计划”引进创新创业团队项目1项及其它省部级课题10多项,同时参加国家、省部级等项目40多项。在国内外重要刊物发表论文70多篇(其中SCI / EI收录10多篇)。作为第一发明人申请国家发明专利12项,授权8项。主编教材1部,副主编及参编教材7部。曾获“华南农业大学教书育人奖二等奖”、“华南农业大学教学成果奖二等奖”(排名第一)、“广东省农业技术推广奖三等奖”(排名第二)、“潮州市农业技术推广奖一等奖” (排名第二)等荣誉。
(以上信息来自华南农业大学官网)
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