海南與國(guó)外香莢蘭質(zhì)構(gòu)特性及揮發(fā)性成分差異性分析

霍建文　張?bào)蕖⌒祜w　張彥軍　初眾

摘 要 采用穿刺法分析海南（Hainan，HI）、巴布亞新幾內(nèi)亞（Papua New Guinea，PNG）、馬達(dá)加斯加（Madagascar，MG）香莢蘭質(zhì)構(gòu)特性差異，利用電子鼻結(jié)合頂空固相微萃取氣質(zhì)聯(lián)用（HS-SPME-GC-MS）技術(shù)對(duì)HI與PNG、MG香莢蘭揮發(fā)性成分進(jìn)行分析比較。質(zhì)構(gòu)特性結(jié)果顯示：表皮韌性大小關(guān)系為HI < PNG、MG，PNG與MG差異不顯著（p>0.05）；表皮硬度表現(xiàn)為HI、MG0.05）；內(nèi)部硬度和緊實(shí)度均表現(xiàn)為HI

關(guān)鍵詞 香莢蘭；質(zhì)構(gòu)特性；揮發(fā)性成分；電子鼻；頂空固相微萃取氣質(zhì)聯(lián)用

中圖分類號(hào) TQ654.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

Abstract The puncture method was used to analyze the differences in the texture characteristics among Hainan （HI）， Papua New Guinea （PNG） and Madagascar （MG）. The electronic nose coupled with headspace solid-phase micro-extraction-gas chromatography-mass spectrometry （HS-SPME-GC-MS） was used to analyze the aroma components of vanilla from HI， PNG and MG. The results indicated that the toughness of the epidermis for HI was lower than that of PNG and MG. PNG and MG were not significantly different （p>0.05）. The skin hardness for HI and MG was lower than that of PNG， HI and MG showed no significant difference （p>0.05）. Internal hardness and firmness of vanilla were shown as HI< MG< PNG. A total of 74 aroma components were identified from the three kinds of vanilla pods through HS-SPME-GC-MS. 45， 50 and 51 of which were detected in PNG， HI and MG of vanilla pods. The main content of vanillin in HI vanilla was 69.11%， slightly lower than that of PNG （75.15%） and MG （74.36%）. Low content and more aroma of the substance with guaiacol， 4-methyl guaiacol and 4-methyl phenol were detected. The relative contents of HI and PNG and MG were different. In addition， 8 kinds of volatile compounds were found in HI， including formic acid， 2-ethylfuran， 2，4，5-trimethyloxazole， 2，3，5，6-tetramethylpyrazine， 1，2-dimethoxybenzene， Damascone， vanillic acid and palmitic acid.

Key words vanilla； texture； aroma components； electronic nose； headspace solid-phase microextraction-gas chromatography-mass spectrometry

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2018.05.025

香莢蘭（Vanilla planifolia Andrews），又名香果蘭、香草蘭，屬熱帶藤本植物，原產(chǎn)于墨西哥[1]，20世紀(jì)60年代引入我國(guó)，主要種植在海南一帶；新鮮的綠色豆莢并不具有其特征香氣，需要經(jīng)過(guò)殺青、發(fā)酵、干燥、調(diào)理4個(gè)階段產(chǎn)生一系列酶促及非酶促反應(yīng)，最終產(chǎn)生迷人的香氣[2]；因此被廣泛應(yīng)用于食品、高級(jí)煙酒、香水及制藥等領(lǐng)域[3]。除此之外，香莢蘭還具有抗氧化、抗癌、降血脂、抑菌等生物活性[4]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)香莢蘭的研究較深入，大多集中于對(duì)風(fēng)味物質(zhì)的研究報(bào)道。Klimes等[5]在香莢蘭原莢中共檢出了170多種揮發(fā)性成分，其中香草醛被認(rèn)為是最主要的呈香物質(zhì)；董智哲等[6]采用固相微萃取和同時(shí)蒸餾萃取兩種方法收集香莢蘭豆莢中揮發(fā)性成分，結(jié)果表明固相微萃取適合檢測(cè)小分子易揮發(fā)的物質(zhì)，而同時(shí)蒸餾萃取側(cè)重于檢測(cè)極性較弱、水溶性較差的大分子物質(zhì)，2種方法聯(lián)合使用可更全面地萃取香氣成分；初眾等[7]將香莢蘭的整莢和皮中的香氣成分進(jìn)行比較研究，結(jié)果表明香莢蘭整莢中的大部分揮發(fā)性成分在香莢蘭皮中均有檢測(cè)到，且含量及種類較為接近；李智等[8]研究發(fā)現(xiàn)不同等級(jí)的香莢蘭中揮發(fā)性成分差異明顯，3個(gè)等級(jí)的香莢蘭中芳香族化合物含量最高；香草醛、香草酸等主要呈香物質(zhì)含量不會(huì)隨豆莢等級(jí)的升高而增加。前人雖然已對(duì)香莢蘭風(fēng)味物質(zhì)進(jìn)行了大量的研究，但有關(guān)海南與國(guó)外香莢蘭的系統(tǒng)比較研究未見(jiàn)報(bào)道。因此，本研究采用穿刺法對(duì)海南與巴布亞新幾內(nèi)亞、馬達(dá)加斯加香莢蘭質(zhì)構(gòu)特性差異性進(jìn)行分析，同時(shí)采用HS-SPME-GC-MS結(jié)合電子鼻對(duì)豆莢中揮發(fā)性成分進(jìn)行鑒別，探究本土豆莢與國(guó)外豆莢揮發(fā)性香氣成分上的區(qū)別，進(jìn)一步明晰海南香莢蘭的特征香氣，為海南香莢蘭的有效利用及產(chǎn)品研發(fā)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

HI香莢蘭（產(chǎn)自海南，單元式熱空氣生香法發(fā)酵，含水率26.85%）、PNG香莢蘭（產(chǎn)自巴布亞新幾內(nèi)亞，塔希提生香法發(fā)酵，含水率19.33%）、MG香莢蘭（產(chǎn)自馬達(dá)加斯加，波旁生香法發(fā)酵，含水率22.16%）由中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院香料飲料研究所提供。

TA-XT plus質(zhì)構(gòu)分析儀（英國(guó)stable micro system公司）；電子鼻分析系統(tǒng)（法國(guó)Alpha M.O.S公司）；CAR/PDMS（75um）固相微萃取頭（美國(guó)Supelco公司）；7890A-5975C高效氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（美國(guó)Agilent公司）。

1.2 方法

1.2.1 質(zhì)構(gòu)特性分析 采用質(zhì)構(gòu)分析儀對(duì)香莢蘭進(jìn)行TPA（Texture profile analysis）分析，穿刺探頭采用P2N不銹鋼針型探頭，測(cè)試在（26±4）℃的溫度環(huán)境下進(jìn)行。主要儀器設(shè)定參數(shù)為：測(cè)前速度0.5 mm/s，測(cè)試速度0.5 mm/s，測(cè)后速度10 mm/s，應(yīng)變80%，負(fù)載觸發(fā)力10 g，數(shù)據(jù)采集率500 pps。

1.2.2 電子鼻測(cè)試條件 稱取1 g樣品均勻裝入10 mL樣品瓶中，加蓋密封；電子鼻系統(tǒng)配備有5套金屬傳感器，各傳感器性能見(jiàn)表1[9]；G6500-CTC自動(dòng)進(jìn)樣器，載氣為凈化空氣；流速150 mL/min；孵化溫度50 ℃；孵化期300 s；注射器溫度60 ℃；注射體積1500 μL；數(shù)據(jù)采集延遲時(shí)間180 s；采集時(shí)間90 s；

樣品平行4次。

1.2.3 HS-SPME條件 參照董智哲等[6]的方法略作改動(dòng)，稱取1 g香莢蘭粉末，置于15 mL固相萃取瓶中，加蓋密封，將其放入80 ℃恒溫孵化器預(yù)熱20 min，再將CAR/PDMS（75μm）纖維頭插入固相萃取瓶中吸附 20 min， GC-MS進(jìn)樣口解吸附8 min。

1.2.4 GC-MS條件 色譜柱為DB-5MS毛細(xì)管柱

（30 m×0.25 mm，0.25 mm）；升溫程序：起始溫度40 ℃，保持2 min，1.5 ℃/min的速率升溫至65 ℃，保持2 min，再以0.5 ℃/min的速率升溫至70 ℃，再以5 ℃/min升溫至90 ℃，再以3 ℃/min升溫至170 ℃，最后以4 ℃/min的速率升溫至220 ℃并保持2 min；載氣為超純氦，流速1 mL/min，不分流進(jìn)樣。

質(zhì)譜條件：電子電離源；離子源溫度250 ℃；傳輸線溫度280 ℃；連接口溫度250 ℃；電子能量70 eV；電子倍增電壓1 200 V；掃描方式為全掃描；質(zhì)量掃描范圍m/z 30～300 amu。

1.3 數(shù)據(jù)處理

質(zhì)構(gòu)數(shù)據(jù)采用SPSS 20.0軟件統(tǒng)計(jì)分析，Origin 8.0軟件作圖；電子鼻數(shù)據(jù)采用儀器自帶軟件Alpha Soft V 12.0處理，Origin 8.0軟件作圖；GC-MS分析按照GC-MS譜庫(kù)（NIST 14，Mainlib， Replib）進(jìn)行檢索并參考有關(guān)文獻(xiàn)定性鑒定檢出成分，與譜庫(kù)中化合物相似度低于80%的組分標(biāo)為未鑒定出，通過(guò)峰面積歸一化法確定其相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 質(zhì)構(gòu)特性分析

香莢蘭質(zhì)構(gòu)特性分析指香莢蘭在外力的作用下，使其發(fā)生形變所需要的力。對(duì)香莢蘭進(jìn)行穿刺試驗(yàn)，以穿刺過(guò)程中時(shí)間為橫坐標(biāo)，測(cè)試探頭所處時(shí)間的觸發(fā)力為縱坐標(biāo)作圖，得到不同產(chǎn)地香莢蘭質(zhì)構(gòu)穿刺受力曲線見(jiàn)圖1。

從HI樣品的穿刺曲線（圖1-a）可以看到質(zhì)構(gòu)針形探頭從莢果表皮插入內(nèi)部的受力全過(guò)程，探頭接觸莢果表皮時(shí)力逐漸增加，首先在3.5 s左右產(chǎn)生第一個(gè)峰，表皮發(fā)生破裂，峰力值分布在200～400 g之間；破裂之后力值會(huì)有短暫的減小，此時(shí)開(kāi)始感應(yīng)內(nèi)部力值的變化，伴隨探頭深入，香莢蘭內(nèi)部感應(yīng)力值逐漸增大最終達(dá)到150～250 g之間。圖1-b為PNG特征曲線，與圖1-a分布規(guī)律不同，第一個(gè)峰峰力值分布在350～500 g之間，且峰出現(xiàn)時(shí)間相對(duì)于圖1-a有所提前，內(nèi)部感應(yīng)力值最終達(dá)500～700 g之間。圖1-c為MG香莢蘭特征曲線，在第一個(gè)峰峰力值與峰出現(xiàn)時(shí)間上與圖1-a相似，但豆莢內(nèi)部感應(yīng)力值與圖1-a和圖1-b不同，最終范圍分布在400～600 g之間。根據(jù)針形探頭穿刺香莢蘭過(guò)程受力曲線的出峰時(shí)間及受力值分布規(guī)律的不同，反應(yīng)出3種香莢蘭在質(zhì)地結(jié)構(gòu)上是有所區(qū)別的，但此分析只能作為簡(jiǎn)單直觀的數(shù)據(jù)，不能確切地進(jìn)行比較分析，因此需要對(duì)穿刺曲線分析程序（Macro）進(jìn)行編輯獲得確切參數(shù)，以便更透徹的分析香莢蘭的質(zhì)構(gòu)特性[10]。

在孫銳等[11]、趙登超等[12]、馬慶華等[13]、Shiu等[14]研究基礎(chǔ)上結(jié)合香莢蘭自身特點(diǎn)分3個(gè)階段對(duì)穿刺曲線進(jìn)行解析定義，香莢蘭質(zhì)構(gòu)穿刺曲線定義如圖2所示。在測(cè)試開(kāi)始的第一階段，探頭接觸莢果表皮時(shí)，受力值逐漸增加，此時(shí)0～1 s（縱坐標(biāo)軸與錨1之間）的陡升值（斜率），可反映豆莢的韌性（g/sec），在達(dá)到第一峰力值時(shí)，莢果表皮發(fā)生破裂，此時(shí)的峰力值表達(dá)果莢的表皮硬度（g），第二階段穿刺莢果內(nèi)部，其對(duì)應(yīng)曲線上45%～85%（錨2與錨3之間）的平均力表示內(nèi)部硬度，最后階段針形探頭從豆莢中拔出，由于莢果包裹產(chǎn)生負(fù)力作用，此時(shí)曲線最大負(fù)峰力值與穿刺深度比值表達(dá)香莢蘭的緊實(shí)度（g/mm）。

曲線經(jīng)解析后得到數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，對(duì)香莢蘭受力的第一階段分析可知，表皮韌性的大小關(guān)系為HI0.05），分別為218.545、216.510 g/sec，HI最小僅為61.033 g/sec；表皮硬度大小關(guān)系為HI0.05），分別為337.559 g和296.375 g；在內(nèi)部硬度及緊實(shí)度上3種豆莢差異顯著（p<0.05），大小關(guān)系均為HI

香莢蘭的生香是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程，揮發(fā)性成分含量和種類會(huì)由于種植地區(qū)不同而存在差異。Gassenmeier等[28]采用高效液相色譜技術(shù)對(duì)MG、PNG等來(lái)源于7個(gè)不同國(guó)家的90多組香莢蘭樣本中的主要香氣成分—香草醛的絕對(duì)含量進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)不同國(guó)家香莢蘭樣本中的香草醛含量各不相同，其中MG香莢蘭中香草醛平均含量為1.78 g/hg，PNG為1.34 g/hg。目前，我國(guó)海南發(fā)酵的香莢蘭中香草醛的絕對(duì)含量可以達(dá)到3 g/hg[29]。其次，加工工藝上的區(qū)別同樣影響著香氣成分的生成。Pardio等[30]研究7種不同殺青工藝條件下處理的豆莢，經(jīng)發(fā)酵生香3個(gè)月后，豆莢內(nèi)所含有的香草醛、對(duì)羥基苯甲醛、香草醇等風(fēng)味化合物的含量存在差異；江明等[31]研究不同加工條件下與香莢蘭香氣成分轉(zhuǎn)化相關(guān)內(nèi)源酶的變化規(guī)律時(shí)發(fā)現(xiàn)，殺青及發(fā)酵的溫度和時(shí)間極大影響著豆莢中內(nèi)源酶活性損失程度，繼而影響著豆莢整個(gè)生香過(guò)程中揮發(fā)性香氣成分的轉(zhuǎn)化。目前，我國(guó)主要采用單元式熱空氣加工法生香，巴布亞新幾內(nèi)亞和馬達(dá)加斯加分別采用塔希提法和波旁法生香，3種加工工藝技術(shù)條件上的區(qū)別（如殺青、發(fā)酵溫度和時(shí)間及方式等）是我國(guó)香莢蘭與國(guó)外香莢蘭在香氣成分上存在差異的重要因素。

3 討論

采用穿刺法對(duì)HI與PNG、MG香莢蘭的質(zhì)構(gòu)特性進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，在表皮韌性、表皮硬度、內(nèi)部硬度、緊實(shí)度上，HI均表現(xiàn)出小于PNG、MG的趨勢(shì)；采用電子鼻結(jié)合HP-SPME-GC-MS對(duì)揮發(fā)性成分進(jìn)行分析，通過(guò)電子鼻PCA可以將HI與PNG、MG香莢蘭進(jìn)行區(qū)分；GC-MS共檢出74種揮發(fā)性成分，主要呈香物質(zhì)香草醛的含量在HI香莢蘭中略低于PNG和MG；檢出的香氣較為強(qiáng)烈物質(zhì)如愈創(chuàng)木酚、4-甲基愈創(chuàng)木酚等在3種豆莢中的相對(duì)含量均存在一定差異。此外，在HI香莢蘭中鑒定出8種特有揮發(fā)性成分，其中4種具有芳香氣味，分別是香草酸、2-乙基呋喃、2，4，5-三甲基唑、2，3，5，6-四甲基吡嗪。各地區(qū)氣候環(huán)境、土壤環(huán)境及加工工藝的不同對(duì)香莢蘭等植物類的揮發(fā)性香氣成分的生成均有著極大的影響，劉曄等[32]對(duì)廬山云霧茶的揮發(fā)性成分進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)所產(chǎn)云霧茶的主要特征香氣成分含量各不相同。郭勝男等[33]利用HS-SPME-GC-MS分析了不同產(chǎn)地肉桂的揮發(fā)性成分，發(fā)現(xiàn)廣西產(chǎn)肉桂與其余產(chǎn)地差異較大，揮發(fā)性成分的種類更多；周斌等[34]比較了不同國(guó)家不同烘焙工藝下咖啡的香氣成分，發(fā)現(xiàn)不同樣品中香氣成分種類相似，但含量差別較大。

本研究通過(guò)電子鼻結(jié)合HP-SPME-GC-MS對(duì)我國(guó)同國(guó)外香莢蘭揮發(fā)性成分進(jìn)行分析，進(jìn)一步明晰了海南香莢蘭的特征香氣；同時(shí)采用質(zhì)構(gòu)儀對(duì)香莢蘭質(zhì)構(gòu)特性進(jìn)行分析，以更全面地反映海南香莢蘭同國(guó)外香莢蘭的差異，為海南香莢蘭的開(kāi)發(fā)利用及研究提供重要參考。在后續(xù)工作中，有必要對(duì)香莢蘭生長(zhǎng)及加工過(guò)程中主要香氣成分及其前體物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化形成機(jī)制進(jìn)行研究，探討影響香莢蘭揮發(fā)性成分的關(guān)鍵因素，提高香莢蘭的風(fēng)味品質(zhì)。

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