氣相色譜-質(zhì)譜和電子鼻聯(lián)用對琚灣酸漿面漿水風(fēng)味品質(zhì)的研究

望詩琪，王強(qiáng)，楊成聰，羅晶晶，馬磊，郭壯，*

（1.湖北文理學(xué)院食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院鄂西北傳統(tǒng)發(fā)酵食品研究所，湖北襄陽441053；2.棗陽市食品藥品監(jiān)督管理局，湖北棗陽441021）

作為中國地理標(biāo)識產(chǎn)品和湖北省非物質(zhì)文化遺產(chǎn)的琚灣酸漿面，漿水對其風(fēng)味形成具有決定性的作用[1]。琚灣酸漿面的漿水制作較為簡單，其主要步驟是將芹菜等質(zhì)地較硬的新鮮蔬菜熱燙后倒入裝有老漿水為引子的發(fā)酵缸中，加入一定量糊化冷卻的面湯，借助老漿水和蔬菜表面的乳酸菌等多種微生物發(fā)酵而成[2]。漿水營養(yǎng)價值較高，含有較多的有機(jī)酸且香味怡人，具有解渴開胃和提神洗腦的功效[3－4]，除在湖北地區(qū)琚灣酸漿面中使用外，在甘肅和陜南一帶亦有著廣泛的食用人群。漿水風(fēng)味的形成與氣候、地域、制作工藝和發(fā)酵菌種等因素有關(guān)[5]。近年來，研究人員對于漿水的研究主要集中在制備工藝[6]、綜合利用[7]、微生物多樣性研究[8－9]和漿水接種發(fā)酵過程中亞硝酸鹽動態(tài)變化等方面[10]，而對于漿水中揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)構(gòu)成研究的較少。

電子鼻和氣相色譜－質(zhì)譜聯(lián)用（gas chromatography－mass spectrometer，GC－MS） 技術(shù)在食品風(fēng)味品質(zhì)評價方面有著廣泛的應(yīng)用。通過模仿人類嗅覺系統(tǒng)，電子鼻的10個金屬傳感器陣列可對不同敏感類型的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)進(jìn)行測定，在蔬菜新鮮度檢測[11]、食品發(fā)酵[12]及肉類品質(zhì)鑒定[13]中有著廣泛的應(yīng)用，具有結(jié)果受主觀因素影響小和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的優(yōu)點；GC－MC技術(shù)可同時對揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)進(jìn)行定性和定量研究，在葡萄酒[14]、茶葉[15]和肉類[16]等食品揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)研究中有著廣泛的應(yīng)用。

琚灣酸漿面制作使用的漿水多以小面館自家生產(chǎn)為主，因使用原料、加工工藝和制作環(huán)境的不同導(dǎo)致其風(fēng)味可能存在較大差異[17]。本研究采用電子鼻和GC－MC聯(lián)用技術(shù)對采集到的39個琚灣酸漿面漿水風(fēng)味進(jìn)行了評價，解析了漿水中揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的種類和相對含量，同時結(jié)合多元統(tǒng)計學(xué)方法以漿水風(fēng)味為評價指標(biāo)對樣品進(jìn)行了聚類，并對隸屬于不同聚類樣品間揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的差異性進(jìn)行了甄別，通過本研究的實施以期為后續(xù)漿水風(fēng)味品質(zhì)改善和琚灣酸漿面的產(chǎn)業(yè)化提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

樣品采集：從湖北省棗陽市琚灣鎮(zhèn)、七方鎮(zhèn)、興隆鎮(zhèn)和市區(qū)各酸漿面面館采集39個漿水樣品，樣品采集后裝入樣品瓶，并置于含有冰袋的采樣箱中運回實驗室。氯化鈉：國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

PEN3電子鼻 [配有W1C（對芳香類物質(zhì)靈敏）、W1S（對甲烷靈敏）、W1W（對有機(jī)硫化物、萜類物質(zhì)靈敏）、W2S（對乙醇靈敏）、W2W（對有機(jī)硫化物靈敏）、W3C（對氨氣、芳香類物質(zhì)靈敏）、W3S（對烷烴類物質(zhì)靈敏）、W5C（對烷烴、芳香類物質(zhì)靈敏）、W5S（對氫氧化物靈敏）和W6S（對氫氣有選擇性）10個金屬氧化傳感器]：德國Airsense公司；GCMS－QP2020氣相色譜－質(zhì)譜聯(lián)用儀（配有電子轟擊電離源EI）、SH－Rtx－Wax（30 m×2.25 mm×0.25 μm）色譜柱、HS－20頂空進(jìn)樣器：島津企業(yè)管理（中國）有限公司；3－18k離心機(jī)：德國SIGMA實驗室離心機(jī)股份有限公司；HH－2數(shù)顯恒溫水浴鍋：邦西儀器科技（上海）有限公司。

1.2 方法

1.2.1 基于GC－MS技術(shù)琚灣酸漿面漿水中揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的測定

1.2.1.1 樣品處理

取待測漿水樣品8 mL置于20 mL樣品瓶中，加入3 g氯化鈉溶解均勻，采用具有聚四氟乙烯的鋁帽封口，并在60℃攪拌預(yù)熱20min，平衡20min，進(jìn)樣量 1 μL，進(jìn)樣口解析6 min后直接進(jìn)入GC－MS分析[18]。

1.2.1.2 GC測定條件

SH－Rtx－Wax（30 m×2.25 mm×0.25 μm）色譜柱；進(jìn)樣方式：分流進(jìn)樣；分流比為10∶1；載氣控制方式：線速度36.1 cm/s；載氣為高純氮氣（＞99.999 9%）和高純氦氣（＞99.999 9%）；進(jìn)樣口溫度200℃；柱溫程序：起始溫度35℃，保持5 min，以5℃/min上升到50℃，保持10 min，然后以6℃/min升到130℃，不保持，然后以10℃/min升到200℃，保持7 min。

1.2.1.3 MS測定條件

離子源：EI離子源；離子源溫度：250℃；連接口溫度：280℃；電子轟擊能量：70eV；檢測器電壓：相對于調(diào)諧結(jié)果 0.2 kV；m/z范圍：33.00 amu～450 amu；采集方式：Q3 Scan。

1.2.1.4 定性分析

保留指數(shù)定性；NIST14標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜庫定性。

1.2.1.5 定量分析

利用峰面積百分比對樣品中揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)相對含量進(jìn)行分析。

國際組織在推進(jìn)我國可持續(xù)城市建設(shè)中也起到了積極作用。全球環(huán)境基金于2014年啟動了全球可持續(xù)城市綜合試點項目,中國有7個城市成為全球試點。我國還積極利用世界銀行、亞洲開發(fā)銀行、歐洲投資銀行、國際農(nóng)發(fā)基金等金融組織貸款,支持建成涉及農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水土、能源、環(huán)境、城建、防災(zāi)減災(zāi)等領(lǐng)域的一大批示范項目,有力推動了城市的可持續(xù)發(fā)展。2015年7月,聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署發(fā)布《可持續(xù)城市與社區(qū)評價標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)則》,并在中國推動試點區(qū)建設(shè)。

1.2.2 基于電子鼻技術(shù)琚灣酸漿面漿水中揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的測定

漿水10 000 r/min離心10 min后，上清液抽濾備用，取15 mL濾液稀釋3倍置于120 mL樣品瓶中，于60℃水浴鍋保溫30 min后，使用電子鼻對其進(jìn)行測定。測定前金屬傳感器進(jìn)行95 s自動清洗，樣品測試時間為60 s，每秒測定一個響應(yīng)值，取49、50 s和51 s的相應(yīng)值數(shù)據(jù)求平均后進(jìn)行后續(xù)分析。響應(yīng)值為金屬傳感器測定樣品時所產(chǎn)生的電阻值G和測定空氣時的電阻值G0的比值，響應(yīng)值與1的偏離程度越大，則表明與之相對應(yīng)的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)濃度越大[19-20]。

1.2.3 統(tǒng)計學(xué)分析

采用非加權(quán)組平均法（unweighted pair-group method with arithmetic means，UPGMA）聚類、主成分分析法（principal component analysis，PCA）和典范對應(yīng)分析法（canonical correspondence analysis，CCA）對琚灣酸漿面漿水風(fēng)味整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行差異性分析；采用冗余分析（redundancy analysis，RDA）和庫魯斯卡爾-沃利斯檢驗法（Kruskal-Wallis test）對琚灣酸漿面漿水中關(guān)鍵揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)進(jìn)行甄別。

除 RDA采用 Cannoco 4.5軟件（Microcomputer Power，NY，USA）分析外，其他分析均采用 Matlab 2010軟件（The MathWorks，Natick，MA，USA）分析；除熱圖由Matlab 2010b軟件繪制外，其他圖均使用origin 8.5軟件（OriginLab，MA，USA）繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 琚灣酸漿面漿水揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)分析

本研究首先使用GC-MS對酸漿面漿水揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的組成進(jìn)行了解析，共檢測出159種揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)，其中醇類、酮類、烴類和酯類化合物分別有23種、14種、63種和23種，相對含量分別為45.07%、16.55%、9.86%和9.32%。由此可見，琚灣酸漿面漿水中的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)主要為醇類和酮類，其中平均相對含量高于5.0%的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)種類及含量如圖1所示。

圖1 酸漿面漿水中主要揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的相對強(qiáng)度Fig.1 The relative abundance of volatile components in Suanjiangmian Jiangshui samples

由圖1可知，酸漿面漿水中相對含量在5.0%以上的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)共有6種，分別為3-丁炔-1-醇、1，2-丙二烯-1，3-二酮、桉葉油醇、丙醇、（S）-L-丙氨酸乙基酰胺和醋酸乙酯，其平均含量分別為21.17%、15.60%、9.06%、6.81%、7.14%和4.77%。漿水的制作通常以前日剩下的漿水為引子，加入煮沸的面湯和蔬菜后冷卻，依靠引子中殘留的乳酸菌和環(huán)境中的微生物發(fā)酵而成。經(jīng)走訪調(diào)查發(fā)現(xiàn)，多數(shù)餐飲店漿水的制作通常使用塑料缸或桶，長時間熱水的浸泡可能使塑料中的物質(zhì)溶出，這可能是導(dǎo)致酸漿面漿水中3-丁炔-1-醇相對含量較高的主要原因。

2.2 酸漿面漿水揮發(fā)性風(fēng)味區(qū)分度分析

在使用電子鼻和GC-MS技術(shù)對39個琚灣酸漿面漿水揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)分析的基礎(chǔ)上，本研究采用多元統(tǒng)計學(xué)方法對其揮發(fā)性風(fēng)味區(qū)分度進(jìn)行了研究，基于電子鼻技術(shù)漿水樣品的UPGMA聚類分析如圖2所示。

圖2 基于聚類分析的酸漿面漿水揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)評價Fig.2 Cluster analysis of volatile components in Suanjiangmian Jiangshui samples

由圖2可知，基于電子鼻技術(shù)39個漿水樣品整體上可以劃分為3個聚類，其中隸屬于聚類III的樣品多達(dá)23個，占所有樣品數(shù)量的59%，而隸屬于聚類I和II的樣品僅有6個和10個。本研究進(jìn)一步基于GCMS技術(shù)對上述結(jié)論進(jìn)行了驗證，基于GC-MS技術(shù)漿水揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的CCA如圖3所示。

圖3 基于CCA的酸漿面漿水揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)評價Fig.3 Canonical correspondence analysis of volatile components in Suanjiangmian Jiangshui samples

由圖3可知，在以電子鼻技術(shù)得到的分組結(jié)果為環(huán)境變量對酸漿面酸漿進(jìn)行空間排布時，39個樣品呈現(xiàn)出明顯的聚類趨勢，其中隸屬于聚類I的樣品主要集中在一、四象限、隸屬于聚類II的樣品主要集中在第三象限，而隸屬于聚類III的樣品主要集中在第二象限。由此可見，采用電子鼻和GC-MS技術(shù)分別對漿水樣品揮發(fā)性風(fēng)味進(jìn)行區(qū)分，所得到的結(jié)論是一致的。

2.3 酸漿面漿水關(guān)鍵揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的甄別

在對酸漿面漿水揮發(fā)性風(fēng)味區(qū)分度進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，以聚類Ⅰ、聚類Ⅱ和聚類Ⅲ為分組依據(jù)，采用RDA對酸漿面漿水關(guān)鍵揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)進(jìn)行了甄別，基于電子鼻技術(shù)的RDA雙序圖如圖4所示。

圖4 基于電子鼻技術(shù)的RDA雙序圖Fig.4 Biplot of the RDA based on electronic nose

由圖4可知，W2S、W3S、W5C、W6S、W3C 和 W1C傳感器檢測結(jié)果與RDA雙排序圖約束軸上的樣品賦值良好相關(guān)，其中 W3S、W5C、W6S、W3C 和 W1C 位于隸屬于聚類I的漿水樣品一側(cè)，而W2S則位于隸屬于聚類III中的漿水樣品一側(cè)，這說明隸屬于聚類Ⅰ的漿水芳香類物質(zhì)和烷烴類物質(zhì)含量可能最高，而隸屬于聚類Ⅲ中的樣品乙醇含量可能最高。為了對這一結(jié)論進(jìn)行驗證，本研究進(jìn)一步對隸屬于不同聚類間樣品的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)進(jìn)行了比較分析，結(jié)果如表1所示。

表1 基于電子鼻技術(shù)隸屬于不同聚類的漿水樣品揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的比較分析Fig.1 The significance analysis of volatile components in Suanjiangmian Jiangshui samples belong to different clusters based on electronic nose

由表1可知，經(jīng)Kruskal-Wallis檢驗發(fā)現(xiàn)，除W3S和W6S外其他8個傳感器對隸屬于不同聚類漿水樣品的響應(yīng)值均存在顯著差異（P<0.05）。其中傳感器W1C、W3C和W5C對隸屬于聚類I樣品的響應(yīng)值顯著偏高，這進(jìn)一步證實了隸屬于聚類Ⅰ的漿水其芳香類物質(zhì)和烷烴類物質(zhì)含量最高，由于芳香類物質(zhì)和烷烴類物質(zhì)為漿水的特征性風(fēng)味物質(zhì)，由此可見隸屬于聚類I的漿水其風(fēng)味品質(zhì)最佳，而隸屬于聚類II的可能較差。

為了對電子鼻檢測結(jié)果進(jìn)行驗證且進(jìn)一步明確風(fēng)味物質(zhì)的種類，本研究采用GC-MS技術(shù)對39個漿水樣品中的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)進(jìn)行了定性和定量分析，隸屬于不同聚類漿水樣品揮發(fā)性成分的比較分析如圖5所示。

由圖5可知，醇類、酮類、烴類和酯類化合物為酸漿面漿水中的主要揮發(fā)性物質(zhì)，其在聚類I中的相對含量分別為49.11%、7.18%、7.86%和18.32%；在聚類II中的相對含量分別為43.18%、8.72%、8.86%和11.39%，在聚類III中相對含量分別為44.84%、22.40%、13.06%和6.22%。經(jīng)Kruskal-Wallis檢驗發(fā)現(xiàn)，隸屬于聚類I的樣品酸類和酯類化合物的相對含量顯著偏高（P<0.05），而酮類呈現(xiàn)出相反的趨勢（P<0.05）。值得一提的是，隸屬于不同聚類的酸漿面漿水醇類和烴類化合物相對含量差異不顯著（P>0.05）。由此可知，不同樣品間酸類、酮類和酯類化合物相對含量不同可能是引起酸漿面漿水風(fēng)味品質(zhì)存在差異的主要原因。酸漿面漿水中平均相對含量大于1.0%的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)相對強(qiáng)度的熱圖如圖6所示。

圖5 基于GC-MS技術(shù)酸漿面漿水揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的比較分析Fig.5 Comparative analysis of volatile components in Suanjiangmian Jiangshui samples belong to different clusters

圖6 酸漿面漿水中平均相對含量大于1.0%揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)相對強(qiáng)度的熱圖Fig.6 Heat map of volatile components in Suanjiangmian Jiangshui samples with the relative abundance more than 1.0%

由圖6可知，本研究共甄別出14種在酸漿面漿水中平均相對含量大于1.0%的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)，且隸屬于不同聚類的酸漿面漿水中八甲基環(huán)四硅氧烷、3-丁炔-1-醇、1，2-丙二烯-1，3-二酮、（S）-L-丙氨酸乙基酰胺、丙醇、乙酸乙酯、乙醇、十甲基環(huán)戊硅氧烷、十二甲基環(huán)己硅氧烷和α-松油醇的相對含量存在顯著差異（P<0.05）。由圖6亦可知，隸屬于聚類I的酸漿面漿水中乙酸乙酯、丙醇和（S）-L-丙氨酸乙基酰胺相對含量明顯高于其他樣品，而桉葉油醇、1，2-丙二烯-1，3-二酮和3-丁炔-1-醇在隸屬于聚類III的樣品中含量較高。由此可見，乙酸乙酯、丙醇、（S）-L-丙氨酸乙基酰胺、桉葉油醇、1，2-丙二烯-1，3-二酮和 3-丁炔-1-醇可能是導(dǎo)致酸漿面漿水風(fēng)味品質(zhì)存在差異的主要物質(zhì)。

3 結(jié)論

使用GC-MS從琚灣酸漿面漿水中共檢測出159種物質(zhì)，其中醇類、酮類、烴類和酯類化合物為其主要揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)。根據(jù)風(fēng)味品質(zhì)的不同，琚灣酸漿面漿水可以劃分為3類，其中乙酸乙酯、丙醇、（S）-L-丙氨酸乙基酰胺、桉葉油醇、1，2-丙二烯-1，3-二酮和3-丁炔-1-醇含量不同可能是導(dǎo)致酸漿面漿水風(fēng)味品質(zhì)存在差異的主要原因。