香草蘭豆揮發(fā)性香氣成分比較研究與電子感官圖譜繪制

初眾　李智　張彥軍　姚晶

摘 要 采用感官評定法，結合電子鼻（E-Nose）和頂空固相微萃取-氣-質(zhì)聯(lián)用（HS-SPME-GC-MS）技術，分析不同產(chǎn)地、年限、等級香草蘭豆的揮發(fā)性成分，建立香草蘭豆種類和品質(zhì)快速檢測方法。結果表明：香草蘭豆感官評分由高到低依次為海南2013年一級豆、海南2013年二級豆、科摩羅2013年二級豆、湯加2013年二級豆、海南2012年二級豆、海南2013年三級豆、海南2010年二級豆、海南2011年二級豆。不同產(chǎn)地、年限、等級的香草蘭豆揮發(fā)性成分的整體信息在電子鼻主成分分析（PCA）圖譜中有顯著差異。海南2010、2011和2012年二級香草蘭豆分別被檢測出65、60和62種揮發(fā)性成分，相對含量最多為香草醛，分別為60.00%、57.00%、62.78%；不同種類香草蘭豆的芳香族類、醛類、酮類、酸類、醇類、雜環(huán)等六大類香氣化合物相對含量有明顯差異。在此基礎上繪制電子鼻指紋圖譜，利用電子圖譜可以快速區(qū)分香草蘭豆的種類和品質(zhì)。

關鍵詞 香草蘭豆；感官評定；電子鼻；頂空固相微萃取-氣相-質(zhì)譜聯(lián)用

中圖分類號 TQ651 文獻標識碼 A

Abstract The quality and the aromas of vanilla pods were investigated based on different origins， years， levels. In addition， a rapid detection method of cultivars and quality for vanilla pods was established by sensory evaluation coupled with E-Nose and HS-SPME-GC-MS. The results showed that the sensory scores of vanilla pods decreased as the primary level of 2013 from Hainan>the secondary of 2013 from Hainan> the secondary of 2013 from Comoros> the secondary of 2013 from Tonga> the secondary of 2012 from Hainan>the secondary of 2013 from Hainan> the secondary of 2010 from Hainan> the secondary of 2011 from Hainan. Overall aroma of different origins， years， levels of vanilla pods could be significantly distinguished by principal component analysis（PCA）of E-Nose. 65， 60 and 62 kinds of volatile components were detected for the secondary of 2010， 2011， 2012 from Hainan， respectively. The highest component of vanillin corresponded to 60.00%， 57.00%， 62.78%， respectively. Significant differences existed among the relative contents of aromatic compounds， aldehydes， ketones， acids， alcohols， heterocyclic from different vanilla pods. Electronic nose map were made on the basis of above results and could be used to distinguish vanilla pods species and quality quickly.

Key words Vanilla pods； Aroma； Electronic Nose； HS-SPME-GC-MS

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2015.11.030

香草蘭（Vanilla planifolia Andrews）又稱香子蘭、香莢蘭、扁葉香草蘭、嘩呢拉等，是名貴的多年生熱帶藤本香科植物，有“食品香料之王”的美譽[1]。其鮮豆莢通過殺青、發(fā)酵、陰干、后熟等工藝可被加工成商品香草蘭豆，含有250多種揮發(fā)性香氣成分，用途廣泛，其酊劑和香膏主要作為食品香料應用于冰激凌、巧克力、糖果等食品行業(yè)；也可用于化妝業(yè)、煙草業(yè)或制造高檔香水和香煙。此外，香草蘭在醫(yī)藥、保健等行業(yè)也被廣泛關注，有補腎、健胃、健脾、安神等功效[2-4]。

香草蘭主要分布于馬達加斯加、印度、湯加、科摩羅和墨西哥等熱帶和亞熱帶地區(qū)的國家，中國于20世紀60年代從斯里蘭卡引種成功，只有海南省和云南省適宜種植。香草蘭豆在國際市場一直供不應求，價格昂貴，每千克達到60～80美元，且需求量仍以每年2%遞增[3]。香草蘭豆揮發(fā)性成分的種類和含量與其生長環(huán)境和加工方式密切相關，不同國家的香草蘭豆揮發(fā)性成分差異較大[5]，而關于不同種類、品質(zhì)的香草蘭豆還沒有建立簡單、高效的檢測方法和統(tǒng)一的評定標準。感官評定是用于判定食品顏色、質(zhì)地、揮發(fā)性風味等的一種簡單、快速、有效的方法，能解決一般理化分析所不能解決的復雜生理感受問題，但由于感官評定易受人的心里和生理影響，缺乏穩(wěn)定性，會使得實驗結果出現(xiàn)一定的偏差[6]。而電子感官分析技術（電子鼻、電子舌）具備集成的高端指紋分析軟件，能對結果進行直接判斷，電子鼻通過傳感器陣列和模式識別技術能敏感地識別氣味指紋及其變化，可以客觀、快捷地對食品中的復雜風味和多種揮發(fā)性成分進行分析、識別和檢測[7]。固相微萃取-氣質(zhì)-聯(lián)用方法因具有操作時間短、節(jié)約樣品、無需萃取溶劑、揮發(fā)性物質(zhì)損失小、能較為真實地反映樣品風味成分等優(yōu)點而被廣泛應用于香氣成分的分析[8]。Malagash等[9]用感官評定結合電子鼻分析，發(fā)現(xiàn)改進方法發(fā)酵得到的波旁和墨西哥香草蘭香味與未改進方法發(fā)酵的香草蘭香味存在明顯差異。朱潘煒等[10]通過建立GC-MS指紋圖譜，鑒別了不同年份成品黃酒，從而使年份黃酒生產(chǎn)標準化。Cheng等[11]用GC-MS結合電子鼻主成分分析來識別蜂膠產(chǎn)地。然而，關于利用感官評定、電子感官和固相微萃取-氣質(zhì)-聯(lián)用技術相結合的方法來研究香草蘭豆揮發(fā)性成分的研究尚未見報道。

本研究先采用感官評定對不同產(chǎn)地、年限、等級的香草蘭豆進行品質(zhì)鑒定，接著通過電子鼻PCA圖譜呈現(xiàn)樣品整體揮發(fā)性信息的差異情況，然后用HS-SPME-GC-MS來解析驗證電子鼻主成分分析對樣品區(qū)分的有效性，為香草蘭豆種類的區(qū)分、品質(zhì)的檢測提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 試驗材料 香草蘭豆莢由中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院香料飲料研究所提供，實驗選取8種香草蘭豆樣品（1號：海南2013年一級豆；2號：海南2013年二級豆；3號：海南2013年三級豆；4號：科摩羅2013年二級豆；5號：湯加2013年二級豆；6號：海南2010年二級豆豆；7號：海南2011年二級豆；8號：海南2012年二級豆），所有香草蘭品種均為Vanilla planifolia Andrews，其中，海南產(chǎn)豆莢采用單元式熱空氣技術發(fā)酵生香。

1.1.2 儀器與試劑 氣相色譜-質(zhì)譜儀 7890A-5975C（美國Agilent公司）；固相微萃取纖維頭75 μm CAR/PDMS（美國Supelco公司）；手動固相微萃取裝置（美國Supelco公司）；電子鼻分析系統(tǒng)（法國Alpha M.O.S公司）；C7～C30烷烴標樣（美國Sigma公司）。

1.2 方法

1.2.1 感官評定方法 加權評分法[12]：對同一種食品，由于各種指標對其質(zhì)量的影響程度不同，它們之間的關系不完全是平權的，因此，需要考慮它的權重，所謂加權評分法是考慮各指標對質(zhì)量的權重后求平均分數(shù)或總分的方法，加權評分法比評分法更加客觀公正，因而可以對產(chǎn)品的質(zhì)量做出更加準確的評價。參照表1的評定指標對各樣品進行打分。

香氣和色澤狀態(tài)的評分法：由從事過香草蘭研究的專家和經(jīng)過香草蘭知識培訓的人員共10名，在室溫（25 ℃），于日光燈下進行品評，參照表1對各樣品進行打分，每個樣品平行試驗3次。豆莢長度評分方法：用刻度尺重復測量3次，參照表1對樣品進行打分。

1.2.2 電子鼻分析條件 測定方法參考劉紅等[13]的方法作適當修改。分別稱取待測香草蘭豆粉末樣品1 g裝入10 mL頂空瓶中，加蓋密封待檢；將制備好的裝有樣品的頂空瓶分組放入待測樣品盒中，設置檢測程序，由G6500-CTC自動進樣器取樣檢測，每個待測樣品制備10個平行樣。本研究所使用的電子鼻配備6支金屬氧化物傳感器，電子鼻檢測參數(shù)為載氣，凈化空氣；樣品量：1 g；流速：150 mL/min；樣品容器容積：10 mL；注射器溫度：60 ℃；注射體積：1 500 μL；孵化溫度：50 ℃；孵化期：300 s；數(shù)據(jù)采集延遲時間為180 s；數(shù)據(jù)采集時間：90 s。

1.2.3 HS-SPME條件 在改進課題組成員董智哲[5]的方法后進行試驗。準確稱量2 g粉碎后的香草蘭豆粉末于15 mL固相微萃取瓶中，加蓋密封后將其置于80 ℃水浴鍋中預熱20 min；再用CAR/PDMS（75 μm）纖維頭吸附20 min；在氣質(zhì)進樣口解吸附8 min，解吸附溫度為250 ℃。樣品平行試驗3次。

1.2.4 GC-MS條件 色譜柱：DB-5MS毛細管柱（30 m×0.25 mm×0.25 mm）；升溫程序：起始溫度40 ℃，保持2 min，然后以1.5 ℃/min的速率升溫到65 ℃，保持2 min，再以0.5 ℃/min的速率升溫到70 ℃，以5 ℃/min的速率升溫到90 ℃，以3 ℃/min的速率升溫到170 ℃，最后以4 ℃/min的速率升溫到290 ℃并保持2 min；載氣為He；流速為1 mL/min，不分流進樣。質(zhì)譜條件：電離方式為EI；離子源溫度為230 ℃；四極桿溫度為150 ℃；接口溫度280 ℃；掃描范圍為m/z 30～300。各樣品平行試驗3次。

1.3 數(shù)據(jù)分析

GC-MS數(shù)據(jù)分析：利用儀器配置的NIST 08譜庫對各組分進行檢索，根據(jù)匹配度與文獻已報道的物質(zhì)進行核對，再與文獻報道的DB-5MS柱的保留指數(shù)（retention index，RI）值比對（定性分析）；同時采用峰面積歸一化法進行定量，得到各組分的相對含量（組分峰面積占總峰面積的百分比）。電子鼻數(shù)據(jù)分析：采用Alpha Soft V12.0軟件控制儀器和處理數(shù)據(jù)，用Origin8.0軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 感官評定結果

（1）權重的確定。所謂權重是指一個因素在被評價因素中的影響和所處的地位。根據(jù)相對重要性對各個因素進行重要性比較，據(jù)此得到每個評委對各個因素所打的分數(shù)（表2）。

（2）加權評分。10個評委分別對8種樣品的香氣、色澤狀態(tài)、豆莢長度進行評分（參照表1），其中長度評定所得結果見表3，香氣、色澤狀態(tài)評定結果見表4。每個樣品平行試驗3次。

樣品得分為各因素得分乘以對應權重比重的總和，即10個評委的評分和相加，滿分100分。以1號樣品為例，1號樣品總分：A評委評分（7×80%+8×10%+8×10%）+B評委評分（8×70%+9×15%+7×15%）+C評委評分+…+…J評委評分=86.64分；其它樣品得分算法同上，結果見表4。

樣品評分結果由高到低的順序為：海南2013年一級豆﹥海南2013年二級豆﹥科摩羅2013年二級豆﹥海南2012年二級豆﹥湯加2013年二級豆﹥海南2013年三級豆﹥海南2010年二級豆﹥海南2011年二級豆。

2.2 香草蘭豆電子鼻分析

電子鼻分析得到的不是被測樣品中某幾種成分的定性與定量結果，而是樣品中揮發(fā)成分的整體信息，也稱指紋數(shù)據(jù)[14]。通過統(tǒng)計學方法對數(shù)據(jù)進行分析，可以更直觀地看出不同等級豆揮發(fā)性成分的差別。電子鼻的主成分分析（principle component analysis， 簡稱PCA）是一種多元統(tǒng)計方法，通過掌握事物主要矛盾，把樣品反映到傳感器上的多指標的信息進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和降維，并對降維后的特征向量進行線性分類，最后在PCA的散點圖上顯示主要的兩維散點圖[15]。在PCA轉(zhuǎn)換和降維后，通過線性分類獲得的綜合指標即為主成分，方差貢獻率較大的第1主成分和貢獻率次之的第2主成分的合計方差貢獻率達到85%以上，則說明主要成分可以較好地反映原來多指標的信息[16]。

圖1、圖2、圖3分別是年限和等級相同不同產(chǎn)地、產(chǎn)地和等級不同年限、產(chǎn)地和年限相同不同等級的香草蘭豆揮發(fā)性成分信息電子鼻PCA圖譜。由圖1至3可知，不同的香草蘭豆樣品分布在電子鼻PCA圖譜的不同區(qū)域，同一樣品的9組平行數(shù)據(jù)很好地組成群落（刪掉了誤差較大的點），說明實驗平行性較好。3幅圖的第一主成分軸（PC1）和第二主成分軸（PC2）累計方差貢獻率分別為99.64%、99.95%、99.94%，說明2個主成分軸包含了香草蘭豆揮發(fā)性成分的大部分信息量，能夠反映香草蘭豆揮發(fā)性成分的整體信息。由此可見，不同產(chǎn)地、年限、等級的香草蘭豆揮發(fā)性信息通過電子鼻系統(tǒng)可以很好地區(qū)分，并且清晰地表達在電子鼻PCA圖譜上。

2.3 香草蘭豆揮發(fā)性物質(zhì)分析

香草蘭課題組成員董智哲[5]用頂空固相微萃取方法分析了海南、湯加、科摩羅香草蘭豆的揮發(fā)性物質(zhì)，結果顯示不同產(chǎn)地香草蘭豆種類和相對含量有較大差異。通過前期研究結果，論證了海南產(chǎn)不同等級的香草蘭豆揮發(fā)性成分的種類和相對含量差異顯著[17]。

通過HS-SPME-GC-MS對不同年限香草蘭豆揮發(fā)性物質(zhì)進行分析，共檢測出70種揮發(fā)性成分（表5），其中海南產(chǎn)2010年、2011年、2012年香草蘭豆分別檢測出65，60和59種。利用面積歸一化法進行定量分析，結果顯示這3種香草蘭豆中相對含量較高（大于0.8%）的物質(zhì)主要有2，3-丁二酮、乙酸、3-羥基-2-丁酮、正己醛、（E）-2-庚烯醛、4-羥基-3-甲氧基苯甲醛（也叫香草醛）、呋喃甲醛、3-蒈烯、右旋萜二烯、苯甲醛等，其中相對含量最多的為4-羥基-3-甲氧基苯甲醛，在2010、2011和2012年豆中分別為37.68%、39.97%、34.40%。有些揮發(fā)性物質(zhì)只在2010年香草蘭豆中被檢測到，如3-甲基丁醛、4-甲基苯酚、3，5-辛二烯-2-酮、4-甲氧基芐醇、壬酸、十四酸；2，3-二甲基吡嗪只在2011年香草蘭豆中含有；2012香草蘭豆中沒有檢測到特有物質(zhì)。

對不同年限香草蘭豆檢測出揮發(fā)性化合物進行分類總結，結果如表6所示。海南產(chǎn)2010年香草蘭豆被檢測出芳香族18種、醛類13種、酮類7種、酸類5種、醇類6種、雜環(huán)9種、烷烴6種和酯類2種；2011年豆依次為14、11、8、4、5、11、5和2種；2012年豆依次為18、11、8、4、4、8、7和3種。各類化合物中芳香族類相對含量最高，在2010、2011和2012年豆中分別為69.82%，63.06%和75.16%。此外，2010年豆的醛類和雜環(huán)化合物相對含量最多，分別為9.25%、8.97%；2011年豆的酮類、酸類、醇類和烷烴類相對含量最多，分別為7.12%、5.52%、5.87%和2.25%；而2012豆的芳香族類和酯類相對含量最高，分別為75.16% 和0.13%。

通過上述分析可知，無論是不同產(chǎn)地、不同年限還是不同等級的香草蘭豆，揮發(fā)性物質(zhì)都有所不同，這主要是受豆莢的生長環(huán)境、豆莢的生香加工方式的影響，此外，豆莢的外觀狀態(tài)也會影響內(nèi)部生香過稱。也就是說，正是由于不同類香草蘭豆揮發(fā)性物質(zhì)的不同，才導致香草蘭豆揮發(fā)性成分在電子鼻PCA圖譜上呈現(xiàn)的整體信息有區(qū)別，二者相互驗證。在香草蘭豆中香草醛是最重要的香氣化合物，對香草蘭豆整體香氣有高達1/3的貢獻率[21]，在不同產(chǎn)地、年限、等級的香草蘭豆中，海南2013年二級豆、海南2012年二級豆、海南2013年一級豆香草醛相對含量最高[5，17]。而感官評分中，所有香草蘭豆中香氣所占的權重最大，香草醛含量相對高的海南2013年二級豆、海南2012年二級豆、海南2013年一級豆的評分也最高，二者也相互驗證。

2.4 香草蘭香氣電子感官圖譜建立

香草蘭豆揮發(fā)性成分的電子鼻指紋圖譜如圖4所示，不同樣品的平行數(shù)據(jù)聚集成群落，說明實驗重復性良好。第一主成分軸方差貢獻率為95.865%，第二主成分軸方差貢獻率為3.776%，2個主成分軸累計方差貢獻率為99.641%，說明主成分軸能較好地反映樣品多指標的信息量，不同香草蘭豆的香氣信息在電子鼻PCA圖上充分表達和區(qū)分。不同產(chǎn)地的香草蘭豆在圖上區(qū)分明顯，湯加和科摩羅香草蘭豆的香氣信息在靠近第一主成分軸表達，而海南不同年限和等級的香草蘭豆香氣信息集中在圖譜的中部和上部表達。結合感官評分可知，感官評分最高的2013年一級豆和2013年二級豆分布在指紋圖的最上部，評分最低的海南2010和2011年二級豆分布在指紋圖譜中間。由此可知，圖譜上的樣品揮發(fā)性物質(zhì)信息分布在種類和品質(zhì)上有規(guī)律性，對于未知樣品，只要通過電子鼻進樣，把信息導入已知譜庫即可獲取未知樣品的產(chǎn)地分布、年限、等級、品質(zhì)等信息，簡單快捷。

3 結論

感官評定得出的樣品評分結果由高到低順序為：海南2013年一級豆﹥海南2013年二級豆﹥科摩羅2013年二級豆﹥湯加2013年二級豆﹥海南2012年二級豆﹥海南2013年三級豆﹥海南2010年二級豆﹥海南2011年二級豆。利用電子鼻PCA圖譜對樣品揮發(fā)性物質(zhì)的整體信息進行顯著區(qū)分，并且通過頂空固相微萃取-氣-質(zhì)聯(lián)用技術對樣品的揮發(fā)性成分進行分析，其相對含量和種類差異顯著，結果與電子鼻系統(tǒng)呈現(xiàn)的信息相互驗證，獲得了能代表香草蘭豆種類和品質(zhì)信息的電子感官圖譜，建立了快捷、客觀的香草蘭豆種類和品質(zhì)的快速檢測方法。

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