基于SPME-GC-MS和電子鼻分析方法分析薏仁飲料貯藏過(guò)程風(fēng)味化合物變化

趙澤偉，丁筑紅*，許培振，顧苑婷，丁小娟

（貴州大學(xué)釀酒與食品工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025）

薏苡仁（Coix lacryma-jobi L. var. mayuen (Roman.)Stapf）是1 a生或多年生的禾本科植物薏苡的干燥成熟種仁，我國(guó)大部分省份都有種植[1]。薏仁飲料是以薏仁為原料制得的一種谷物飲料，薏苡仁含有豐富的脂肪酸，主要為油酸、亞油酸等不飽和脂肪酸[2]，受到氧氣、溫度、光、熱、微生物等作用在貯藏過(guò)程中發(fā)生水解或氧化產(chǎn)生氫過(guò)氧化物進(jìn)一步分解為醛、酮、酸等化合物[3]，從而導(dǎo)致薏仁飲料“苦哈味”的產(chǎn)生，嚴(yán)重影響其產(chǎn)品感官品質(zhì)及商品價(jià)值[4]。

飲料揮發(fā)性化合物的種類和含量是評(píng)價(jià)其風(fēng)味品質(zhì)的重要指標(biāo)。近年來(lái)，氣相色譜-質(zhì)譜（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）和電子鼻被用來(lái)分析果汁飲料的揮發(fā)性化合物[5]。固相微萃取（solid phase microextraction，SPME）結(jié)合GC-MS、電子鼻和感官評(píng)價(jià)3 種風(fēng)味分析方法中，電子鼻傳感器能夠更好區(qū)分風(fēng)味化合物的特征差異[6]；同時(shí)，通過(guò)SPME-GC-MS和電子鼻2 種技術(shù)協(xié)同作用可達(dá)到更好的分析效果[7]。此外，SPME-GC-MS技術(shù)也是分析油脂類食品氧化風(fēng)味劣變物質(zhì)的有效手段[8]。

目前，薏仁飲料研究主要在氧化處理對(duì)其品質(zhì)和風(fēng)味分析上[9]，而關(guān)于薏仁飲料風(fēng)味化合物成分研究較少，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)SPME-GC-MS和電子鼻技術(shù)，結(jié)合主成分分析（principal component analysis，PCA）、聚類分析（cluster analysis，CA）研究薏仁飲料貯藏過(guò)程中風(fēng)味化合物的變化，探討引起薏仁飲料風(fēng)味劣變的主要成分，為科學(xué)合理控制薏仁飲料的脂質(zhì)氧化，提高其品質(zhì)穩(wěn)定性提供理論依據(jù)與技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 材料

薏仁米，為興仁白殼薏仁米，由貴州鑫龍食品開發(fā)有限公司提供，顆粒飽滿，乳白色有光澤，具有正常薏仁米香味。

1.2 儀器與設(shè)備

08-2G智能恒溫磁力攪拌器 上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司；DH3600BII恒溫培養(yǎng)箱 天津泰斯特儀器有限公司；HP6890/5975C GC-MS聯(lián)用儀 美國(guó)安捷倫公司；手動(dòng)SPME進(jìn)樣器、萃取纖維頭：2 cm-50/30 μm二乙基苯/碳分子篩/聚二甲基硅氧烷（divinylbenzene/carboxen/polydimethylsiloxane，DVB/CAR/PDMS）StableFlex 美國(guó)Supelco公司；FOX4000電子鼻 法國(guó)Alpha M.O.S公司。

1.3 方法

1.3.1 薏仁飲料制備

采用許培振等[9]的制備方法，將薏仁米粉碎、過(guò)篩（200 目），按照1∶5（g/mL）的比例加水，進(jìn)行調(diào)漿，過(guò)膠體磨處理，漿液過(guò)3 層紗布去除固體殘留物，得到粗漿。按照蔗糖5%、黃原膠0.07%、單硬脂酸甘油酯0.2%、阿拉伯膠0.05%和去離子水74.68%的比例混勻，在70 ℃條件下加熱攪拌溶解后與20%粗漿充分混合，制得薏仁飲料，用棕色飲料瓶進(jìn)行灌裝，于121 ℃、15 min滅菌后冷卻至室溫，備用。

1.3.2 薏仁飲料貯藏期間風(fēng)味化合物分析

將制備的薏仁飲料樣品標(biāo)記后置于37 ℃的恒溫電熱培養(yǎng)箱中貯藏，分別在0、7、14、21、28、35 d取樣，利用GC-MS分析薏仁飲料風(fēng)味特征及揮發(fā)性化合物變化，電子鼻分析薏仁飲料風(fēng)味特征變化。

1.3.3 薏仁飲料揮發(fā)性化合物SPME-GC-MS

取樣品約100 mL，置于150 mL SPME儀采樣瓶中，磁力攪拌器65 ℃加熱攪拌，同時(shí)插入裝有2 cm-50/30 μm DVB/CAR/PDMS StableFlex纖維頭的手動(dòng)進(jìn)樣器，頂空萃取30 min后取出，快速移出萃取頭并立即插入GC儀進(jìn)樣口（溫度250 ℃）中，熱解吸3 min進(jìn)樣。

色譜柱：Z B-5 M S I 5% P h e n y l-9 5%DiMethylpolysiloxane彈性石英毛細(xì)管柱（30 m×0.25 mm，0.25 μm）；升溫程序：柱溫45 ℃，保留2 min，以4 ℃/min升溫至220 ℃，保持2 min；汽化室溫度250 ℃；載氣為高純He（99.999%）；柱前壓7.62 psi，載氣流量1.0 mL/min；不分流進(jìn)樣；溶劑延遲時(shí)間1.5 min。

電子電離源；離子源溫度230 ℃；四極桿溫度150 ℃；電子能量70 eV；發(fā)射電流34.6 μA；倍增器電壓1 615 V；接口溫度280 ℃；質(zhì)量掃描范圍20～450 u。

定性定量分析：對(duì)總離子流圖中的各峰經(jīng)質(zhì)譜計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)系統(tǒng)檢索及核對(duì)NIST 2005和Wiley 275標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜圖，結(jié)合文獻(xiàn)確定揮發(fā)性化學(xué)成分，用峰面積歸一化法測(cè)定各化學(xué)成分的相對(duì)含量。

1.3.4 薏仁飲料電子鼻分析

采用FOX4000型電子鼻自帶的Alpha SOFTV12數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、測(cè)量和分析[10]。

準(zhǔn)確移取4 mL薏仁飲料樣品于10 mL的電子鼻專用頂空進(jìn)樣瓶中，立即用PTFE/硅膠隔墊密封，置于自動(dòng)進(jìn)樣裝置上檢測(cè)，分析檢測(cè)的參數(shù)條件如表1所示，每個(gè)樣品重復(fù)3 次。

表1 電子鼻分析參數(shù)Table1 Electronic noise parameters

1.3.5 相對(duì)氣味活度值（relative odor activity value，ROAV）[11]

使得對(duì)樣品總體風(fēng)味貢獻(xiàn)最大的組分ROAVstan為100，各組分ROAV按下式計(jì)算：

式中：CA、TA分別為風(fēng)味成分的相對(duì)含量/%和相對(duì)應(yīng)的感覺閾值/（μg/kg）；Cstan、Tstan分別為對(duì)樣品總體風(fēng)味貢獻(xiàn)最大組分的相對(duì)含量/%和相對(duì)應(yīng)的感覺閾值/（μg/kg）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理制圖，用SPSS（Version 20.0）對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 薏仁飲料貯藏期間揮發(fā)性化合物SPME-GC-MS檢測(cè)結(jié)果

表2 薏仁飲料貯藏期間揮發(fā)性成分及相對(duì)含量Table2 Changes in volatile components in coix seed beverage during storage

續(xù)表2

由表2可知，薏仁飲料在貯藏期間的主要揮發(fā)性化合物為烯烴、烷烴、醇類、醛類、酮類、酸類等。其中醇、醛、酮、酸類是薏仁飲料貯藏期間風(fēng)味劣變的關(guān)鍵風(fēng)味化合物，也是薏仁飲料脂氧化的主要化合物[12]。貯藏28 d，醇類物質(zhì)相對(duì)含量達(dá)到52.72%，包括6 種飽和直鏈醇、1 種不飽和醇（1-辛烯-3-醇），醇類化合物主要是脂肪氧化、氨基酸還原和碳水化合物的代謝產(chǎn)生，且醇類的閾值大多數(shù)較高，對(duì)食品的風(fēng)味貢獻(xiàn)不明顯[13]，不飽和醇的閾值相對(duì)較低，對(duì)風(fēng)味貢獻(xiàn)大。貯藏35 d，醛類物質(zhì)相對(duì)含量達(dá)到17.26%，包括4 種飽和直鏈醛、2 種飽和支鏈醛、1 種烯醛。壬醛、3-甲基丁醛、2-甲基丁醛、己醛、辛醛等化合物相對(duì)含量與貯藏時(shí)間成正相關(guān)。其相對(duì)含量中壬醛（4.71%）＞2-丁基-2-辛烯醛（4.59%）＞己醛（4.43%），醛類化合物是脂質(zhì)降解產(chǎn)物，在揮發(fā)性成分中相對(duì)含量高且閾值相對(duì)較低，對(duì)樣品整體風(fēng)味形成貢獻(xiàn)大，這可能是薏仁飲料加工貯藏過(guò)程中出現(xiàn)“哈敗味”原因之一[14]。

2.2 薏仁飲料關(guān)鍵風(fēng)味化合物的分析

采用ROAV篩選樣品總體風(fēng)味貢獻(xiàn)最大的組分，ROAV越大的組分對(duì)樣品總體風(fēng)味的貢獻(xiàn)也就越大，ROAV不小于1的組分為所分析樣品的關(guān)鍵風(fēng)味化合物，0.1≤ROAV＜1的組分對(duì)樣品的總體風(fēng)味具有重要的修飾作用[15]。

由于飽和烷烴類物質(zhì)感覺閾值高，一般不易引起明顯嗅感[16]，因而主要探討醇、醛、酮、酸類對(duì)薏仁飲料貯藏期間風(fēng)味劣變貢獻(xiàn)度較大的揮發(fā)性化合物[17]。通過(guò)計(jì)算各相關(guān)組分的ROAV，結(jié)果見表3。

表3 薏仁飲料貯藏期間主要揮發(fā)性風(fēng)味化合物分析結(jié)果Table3 Changes in relative contents of major volatile components of coix seed beverage during storage

如表3所示，對(duì)主要揮發(fā)性化合物的嗅感特征分析，醛類物質(zhì)由于閾值很低，在薏仁飲料中呈味強(qiáng)度大[22]。5～9 個(gè)碳原子的直鏈飽和/不飽和醛具有青香、油香、脂香氣息，10～12 個(gè)碳原子時(shí)具有檸檬味和橘皮味[23]。己醛具有油脂和青草氣，高濃度時(shí)有酸敗、令人作嘔的氣味，可能是由n-6多不飽和脂肪酸氧化產(chǎn)生[24]。壬醇帶有明顯的玫瑰、橙子香氣，并伴有油脂氣息[25]。庚醛具有強(qiáng)烈和不愉快的粗糙刺鼻的油脂氣味，辛醛具有醛香、明顯的脂肪和水果氣味，微量時(shí)具有甜橙香氣，略帶脂肪氣息[26]。3-甲基丁醛揮發(fā)性較強(qiáng)，具有干果味、奶酪味和咸味[27]，在特定濃度時(shí)表現(xiàn)出腐臭味、汗臭味等刺激性氣味[28]，1-辛烯-3-醇是一種亞油酸的氫過(guò)氧化物的降解產(chǎn)物，具有蘑菇、油脂味和干草香氣[29]。己酸具有油脂腥臭、汗臭的不愉快氣息、辛辣的味道[30]。另外6 種組分因無(wú)法查到其相應(yīng)的感覺閾值而未作具體分析。可知，對(duì)薏仁飲料貯藏期間ROAV不小于1影響較大的關(guān)鍵風(fēng)味化合物有9 種，貢獻(xiàn)度順序?yàn)?-辛烯-3-醇＞壬醛＞3-甲基丁醛＞己醛＞辛醛＞2-甲基丁醛＞1-戊醇＞辛醇＞1-己醇，油脂氧化產(chǎn)生的醛、酮和酸等揮發(fā)性化合物是薏仁飲料風(fēng)味的主要成分，貯藏過(guò)程中氧化程度加劇也是引起薏仁飲料風(fēng)味品質(zhì)劣變的主要原因，這與傅靜等[31]對(duì)風(fēng)味花生粉貯藏期間揮發(fā)性成分的研究結(jié)論相似。

2.3 薏仁飲料貯藏期間揮發(fā)性化合物PCA

采用PCA法[32]，可以清晰了解樣品在不同貯藏期的揮發(fā)性成分間差異性及相似性。37 ℃控溫貯藏條件下，對(duì)不飽和脂肪酸氧化導(dǎo)致其出現(xiàn)“苦哈”味的主要醇、醛、酮物質(zhì)[3]進(jìn)行PCA，取特征值大于2，得到3 個(gè)主成分，貢獻(xiàn)率的方差百分比分別為PC1：53.70%，PC2：21.16%，PC3：13.98%，3 個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到88.84%，可反映貯藏期間樣品的大部分信息，同時(shí)主成分貢獻(xiàn)率與ROAV不小于1的關(guān)鍵風(fēng)味化合物貢獻(xiàn)基本一致。從表4可以看出，對(duì)PC1貢獻(xiàn)較大且高度正相關(guān)的化合物有己醛、辛醛、己酸、1-辛烯-3-醇、辛醇，其次是3-甲基丁醛、2-甲基丁醛，正庚醇載荷量為-0.814，與PC1高度負(fù)相關(guān)。對(duì)PC2貢獻(xiàn)較大且相關(guān)性較好的化合物包括壬醛、癸醛、4-癸酮、1-癸醇。對(duì)PC3貢獻(xiàn)大的物質(zhì)為壬醛、2-丁基-2-辛烯醛、1-癸醇。這3 個(gè)主成分與前面薏仁飲料貯藏過(guò)程中揮發(fā)性主要成分及相對(duì)含量之間結(jié)果一致。因此，取這3 個(gè)主成分作為本研究數(shù)據(jù)分析的有效成分。

表4 薏仁飲料貯藏期間揮發(fā)性主成分Table4 Principal component scores of volatile components in coix seed beverage during storage

主成分所包含的因子載荷系數(shù)綜合反映出薏仁飲料貯藏期間主要揮發(fā)性風(fēng)味化合物對(duì)各主成分的影響，初始因子負(fù)荷矩陣負(fù)荷越大，則主成分對(duì)該變量的代表性越強(qiáng)。

將樣品各特征向量數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后，取特征值大于3，各主成分得分如圖1所示。貯藏35 d的薏仁飲料樣品與PCl相關(guān)性最大，貯藏21 d樣品與PC2相關(guān)性最大。因此，不同貯藏期間影響薏仁飲料風(fēng)味的特征揮發(fā)物組成不同。在薏仁飲料貯藏中后期的揮發(fā)性風(fēng)味化合物主要是壬醛、己醛、辛醛、己酸、1-辛烯-3-醇、辛醇、3-甲基丁醛、2-甲基丁醛、1-戊醇、4-癸酮等醛、酮、酸類化合物。其中1-辛烯-3-醇、壬醛、己醛、辛醛是引起薏仁飲料風(fēng)味劣變的主要因素[33-34]，可能由于不飽和脂肪酸氧化分解產(chǎn)生風(fēng)味劣變物質(zhì)[3]。

圖1 薏仁飲料貯藏期間揮發(fā)性PCA載荷圖Fig.1 PCA loading plot of volatile components in coix seed beverage during storage

2.4 薏仁飲料貯藏期間電子鼻檢測(cè)PCA結(jié)果

圖2 薏仁飲料貯藏期間電子鼻檢測(cè)PCA因子載荷圖Fig.2 PCA loading plot of electronic nose data of coix seed beverage during storage

由圖2可知，不同貯藏時(shí)間的薏仁飲料風(fēng)味特征不同，且PC1和PC2的總貢獻(xiàn)率達(dá)到95.79%，遠(yuǎn)大于85%，說(shuō)明不同貯藏期間薏仁飲料樣品之間風(fēng)味是相互獨(dú)立的[35]，分別解釋了84.45%和11.34%的主成分變量，反映電子鼻檢測(cè)到絕大部分原始信息。從PC2可以看出，呈現(xiàn)較好的單向趨勢(shì)，且各貯藏期薏仁飲料間PC2載荷因子差異性較大，說(shuō)明電子鼻可有效區(qū)分不同貯藏期間的薏仁飲料；在PC1上大致可將樣品劃分為4 個(gè)區(qū)域，初始樣品（貯藏0 d），貯藏7 d和貯藏14 d的樣品，貯藏21 d和貯藏28 d的樣品，貯藏35 d的樣品，其中初始樣品（貯藏0 d）與其他組樣品間載荷距離較遠(yuǎn)，其他3 個(gè)區(qū)域樣品間載荷距離較近，說(shuō)明貯藏前與貯藏后樣品風(fēng)味特征差異較大，反映出薏仁飲料在設(shè)計(jì)條件下貯藏風(fēng)味品質(zhì)不穩(wěn)定。

圖3 薏仁飲料貯藏期間電子鼻檢測(cè)CAFig.3 Cluster analysis of electronic nose data of coix seed beverage during storage

從圖3可知，根據(jù)組間平均距離法最終可將不同貯藏期的薏仁飲料分為6 類，分別為初始樣品，貯藏7 d樣品，貯藏14 d樣品，貯藏21 d樣品，貯藏28 d樣品，貯藏35 d樣品。不同貯藏期的薏仁飲料均被準(zhǔn)確分類，這與PCA結(jié)果吻合，說(shuō)明電子鼻CA能較好地區(qū)分出不同貯藏期間的薏仁飲料樣品，且層次關(guān)系更加明顯。同時(shí)，也表明隨著貯藏期的延長(zhǎng)薏仁飲料的風(fēng)味特征也不斷發(fā)生明顯變化。

3 結(jié)論與討論

利用SPME-GC-MS、電子鼻技術(shù)以及ROAV，結(jié)合PCA與CA方法，對(duì)薏仁飲料貯藏35 d的揮發(fā)性成分相對(duì)含量變化進(jìn)行研究得出，薏仁飲料貯藏期間共鑒定出39 種揮發(fā)性化合物，對(duì)貯藏期間揮發(fā)性成分進(jìn)行PCA，可以發(fā)現(xiàn)對(duì)樣品整體風(fēng)味貢獻(xiàn)最大的為醛類、醇類、酸類和烴類化合物；ROAV不小于1的關(guān)鍵風(fēng)味化合物有9 種，按貢獻(xiàn)度從大到小依次為1-辛烯-3-醇、壬醛、3-甲基丁醛、己醛、辛醛、2-甲基丁醛、1-戊醇、辛醇、1-己醇；通過(guò)PCA進(jìn)一步分析，推斷壬醛、己醛、辛醛、1-辛烯-3-醇為薏仁飲料貯藏期間品質(zhì)劣變的特征性揮發(fā)物，使薏仁飲料中的油脂發(fā)生氧化，產(chǎn)生不利影響，如哈喇味[36]，電子鼻和GC-MS聯(lián)用對(duì)薏仁飲料貯藏期間揮發(fā)性化合物進(jìn)行檢測(cè)、分析，同時(shí)PCA、CA能有效區(qū)分不同貯藏時(shí)間樣品的品質(zhì)變化。

薏仁飲料在貯藏過(guò)程中由于脂質(zhì)氧化導(dǎo)致?lián)]發(fā)性成分發(fā)生了很大變化，在貯藏后期醛、醇類化合物對(duì)飲料風(fēng)味品質(zhì)影響較大，總體品質(zhì)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，在薏仁飲料生產(chǎn)貯藏過(guò)程中對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)產(chǎn)生負(fù)面影響。因此添加活性物質(zhì)清除脂質(zhì)過(guò)氧化鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中產(chǎn)生的自由基，減少脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng)鏈的長(zhǎng)度，抑制油脂的自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)[3,37]，從而起到抗氧化效果。