基于SPME-GC-MS和電子鼻分析方法分析薏仁飲料貯藏過程風味化合物變化

趙澤偉，丁筑紅*，許培振，顧苑婷，丁小娟

（貴州大學釀酒與食品工程學院，貴州 貴陽 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程中發生水解或氧化產生氫過氧化物進一步分解為醛、酮、酸等化合物[3]，從而導致薏仁飲料“苦哈味”的產生，嚴重影響其產品感官品質及商品價值[4]。

飲料揮發性化合物的種類和含量是評價其風味品質的重要指標。近年來，氣相色譜-質譜（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）和電子鼻被用來分析果汁飲料的揮發性化合物[5]。固相微萃取（solid phase microextraction，SPME）結合GC-MS、電子鼻和感官評價3 種風味分析方法中，電子鼻傳感器能夠更好區分風味化合物的特征差異[6]；同時，通過SPME-GC-MS和電子鼻2 種技術協同作用可達到更好的分析效果[7]。此外，SPME-GC-MS技術也是分析油脂類食品氧化風味劣變物質的有效手段[8]。

目前，薏仁飲料研究主要在氧化處理對其品質和風味分析上[9]，而關于薏仁飲料風味化合物成分研究較少，本實驗通過SPME-GC-MS和電子鼻技術，結合主成分分析（principal component analysis，PCA）、聚類分析（cluster analysis，CA）研究薏仁飲料貯藏過程中風味化合物的變化，探討引起薏仁飲料風味劣變的主要成分，為科學合理控制薏仁飲料的脂質氧化，提高其品質穩定性提供理論依據與技術參考。

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恒溫培養箱 天津泰斯特儀器有限公司；HP6890/5975C GC-MS聯用儀 美國安捷倫公司；手動SPME進樣器、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Supelco公司；FOX4000電子鼻 法國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、過篩（200 目），按照1∶5（g/mL）的比例加水，進行調漿，過膠體磨處理，漿液過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味化合物分析

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

1.3.3 薏仁飲料揮發性化合物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，同時插入裝有2 cm-50/30 μm DVB/CAR/PDMS StableFlex纖維頭的手動進樣器，頂空萃取30 min后取出，快速移出萃取頭并立即插入GC儀進樣口（溫度250 ℃）中，熱解吸3 min進樣。

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；不分流進樣；溶劑延遲時間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；發射電流34.6 μA；倍增器電壓1 615 V；接口溫度280 ℃；質量掃描范圍20～450 u。

定性定量分析：對總離子流圖中的各峰經質譜計算機數據系統檢索及核對NIST 2005和Wiley 275標準質譜圖，結合文獻確定揮發性化學成分，用峰面積歸一化法測定各化學成分的相對含量。

1.3.4 薏仁飲料電子鼻分析

采用FOX4000型電子鼻自帶的Alpha SOFTV12數據處理軟件對數據進行采集、測量和分析[10]。

準確移取4 mL薏仁飲料樣品于10 mL的電子鼻專用頂空進樣瓶中，立即用PTFE/硅膠隔墊密封，置于自動進樣裝置上檢測，分析檢測的參數條件如表1所示，每個樣品重復3 次。

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

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

使得對樣品總體風味貢獻最大的組分ROAVstan為100，各組分ROAV按下式計算：

式中：CA、TA分別為風味成分的相對含量/%和相對應的感覺閾值/（μg/kg）；Cstan、Tstan分別為對樣品總體風味貢獻最大組分的相對含量/%和相對應的感覺閾值/（μg/kg）。

1.4 數據處理

采用Excel 2016軟件對實驗數據處理制圖，用SPSS（Version 20.0）對實驗數據進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 薏仁飲料貯藏期間揮發性化合物SPME-GC-MS檢測結果

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

續表2

由表2可知，薏仁飲料在貯藏期間的主要揮發性化合物為烯烴、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味劣變的關鍵風味化合物，也是薏仁飲料脂氧化的主要化合物[12]。貯藏28 d，醇類物質相對含量達到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生，且醇類的閾值大多數較高，對食品的風味貢獻不明顯[13]，不飽和醇的閾值相對較低，對風味貢獻大。貯藏35 d，醛類物質相對含量達到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、辛醛等化合物相對含量與貯藏時間成正相關。其相對含量中壬醛（4.71%）＞2-丁基-2-辛烯醛（4.59%）＞己醛（4.43%），醛類化合物是脂質降解產物，在揮發性成分中相對含量高且閾值相對較低，對樣品整體風味形成貢獻大，這可能是薏仁飲料加工貯藏過程中出現“哈敗味”原因之一[14]。

2.2 薏仁飲料關鍵風味化合物的分析

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

由于飽和烷烴類物質感覺閾值高，一般不易引起明顯嗅感[16]，因而主要探討醇、醛、酮、酸類對薏仁飲料貯藏期間風味劣變貢獻度較大的揮發性化合物[17]。通過計算各相關組分的ROAV，結果見表3。

表3 薏仁飲料貯藏期間主要揮發性風味化合物分析結果Table3 Changes in relative contents of major volatile components of coix seed beverage during storage

如表3所示，對主要揮發性化合物的嗅感特征分析，醛類物質由于閾值很低，在薏仁飲料中呈味強度大[22]。5～9 個碳原子的直鏈飽和/不飽和醛具有青香、油香、脂香氣息，10～12 個碳原子時具有檸檬味和橘皮味[23]。己醛具有油脂和青草氣，高濃度時有酸敗、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，微量時具有甜橙香氣，略帶脂肪氣息[26]。3-甲基丁醛揮發性較強，具有干果味、奶酪味和咸味[27]，在特定濃度時表現出腐臭味、汗臭味等刺激性氣味[28]，1-辛烯-3-醇是一種亞油酸的氫過氧化物的降解產物，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 種組分因無法查到其相應的感覺閾值而未作具體分析。可知，對薏仁飲料貯藏期間ROAV不小于1影響較大的關鍵風味化合物有9 種，貢獻度順序為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，油脂氧化產生的醛、酮和酸等揮發性化合物是薏仁飲料風味的主要成分，貯藏過程中氧化程度加劇也是引起薏仁飲料風味品質劣變的主要原因，這與傅靜等[31]對風味花生粉貯藏期間揮發性成分的研究結論相似。

2.3 薏仁飲料貯藏期間揮發性化合物PCA

采用PCA法[32]，可以清晰了解樣品在不同貯藏期的揮發性成分間差異性及相似性。37 ℃控溫貯藏條件下，對不飽和脂肪酸氧化導致其出現“苦哈”味的主要醇、醛、酮物質[3]進行PCA，取特征值大于2，得到3 個主成分，貢獻率的方差百分比分別為PC1：53.70%，PC2：21.16%，PC3：13.98%，3 個主成分的累計貢獻率達到88.84%，可反映貯藏期間樣品的大部分信息，同時主成分貢獻率與ROAV不小于1的關鍵風味化合物貢獻基本一致。從表4可以看出，對PC1貢獻較大且高度正相關的化合物有己醛、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高度負相關。對PC2貢獻較大且相關性較好的化合物包括壬醛、癸醛、4-癸酮、1-癸醇。對PC3貢獻大的物質為壬醛、2-丁基-2-辛烯醛、1-癸醇。這3 個主成分與前面薏仁飲料貯藏過程中揮發性主要成分及相對含量之間結果一致。因此，取這3 個主成分作為本研究數據分析的有效成分。

表4 薏仁飲料貯藏期間揮發性主成分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綜合反映出薏仁飲料貯藏期間主要揮發性風味化合物對各主成分的影響，初始因子負荷矩陣負荷越大，則主成分對該變量的代表性越強。

將樣品各特征向量數據標準化后，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相關性最大，貯藏21 d樣品與PC2相關性最大。因此，不同貯藏期間影響薏仁飲料風味的特征揮發物組成不同。在薏仁飲料貯藏中后期的揮發性風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生風味劣變物質[3]。

圖1 薏仁飲料貯藏期間揮發性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PCA結果

圖2 薏仁飲料貯藏期間電子鼻檢測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，不同貯藏時間的薏仁飲料風味特征不同，且PC1和PC2的總貢獻率達到95.79%，遠大于85%，說明不同貯藏期間薏仁飲料樣品之間風味是相互獨立的[35]，分別解釋了84.45%和11.34%的主成分變量，反映電子鼻檢測到絕大部分原始信息。從PC2可以看出，呈現較好的單向趨勢，且各貯藏期薏仁飲料間PC2載荷因子差異性較大，說明電子鼻可有效區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 個區域，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，其他3 個區域樣品間載荷距離較近，說明貯藏前與貯藏后樣品風味特征差異較大，反映出薏仁飲料在設計條件下貯藏風味品質不穩定。

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

從圖3可知，根據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確分類，這與PCA結果吻合，說明電子鼻CA能較好地區分出不同貯藏期間的薏仁飲料樣品，且層次關系更加明顯。同時，也表明隨著貯藏期的延長薏仁飲料的風味特征也不斷發生明顯變化。

3 結論與討論

利用SPME-GC-MS、電子鼻技術以及ROAV，結合PCA與CA方法，對薏仁飲料貯藏35 d的揮發性成分相對含量變化進行研究得出，薏仁飲料貯藏期間共鑒定出39 種揮發性化合物，對貯藏期間揮發性成分進行PCA，可以發現對樣品整體風味貢獻最大的為醛類、醇類、酸類和烴類化合物；ROAV不小于1的關鍵風味化合物有9 種，按貢獻度從大到小依次為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PCA進一步分析，推斷壬醛、己醛、辛醛、1-辛烯-3-醇為薏仁飲料貯藏期間品質劣變的特征性揮發物，使薏仁飲料中的油脂發生氧化，產生不利影響，如哈喇味[36]，電子鼻和GC-MS聯用對薏仁飲料貯藏期間揮發性化合物進行檢測、分析，同時PCA、CA能有效區分不同貯藏時間樣品的品質變化。

薏仁飲料在貯藏過程中由于脂質氧化導致揮發性成分發生了很大變化，在貯藏后期醛、醇類化合物對飲料風味品質影響較大，總體品質呈現下降趨勢，在薏仁飲料生產貯藏過程中對產品品質產生負面影響。因此添加活性物質清除脂質過氧化鏈式反應中產生的自由基，減少脂質過氧化反應鏈的長度，抑制油脂的自由基鏈式反應[3,37]，從而起到抗氧化效果。