基于電子鼻和GC-MS技術分析大頭菜的揮發性風味物質

趙慧君，王玉榮，李昕沂，趙楠，郭壯*

(1.湖北文理學院食品科學與工程學院 鄂西北傳統發酵食品研究所，湖北 襄陽 441053；2.四川省農業科學院農產品加工研究所，成都 610066)

大頭菜是以芥菜為原料，經晾曬、腌制、脫水和發酵等工序制作而成的一種傳統腌菜[1]。我國四川、湖北和山東等地都有制作和食用大頭菜的習俗，但各地加工大頭菜的方式略有不同，獨特的腌制及發酵方式造就了各地大頭菜特有的風味[2]。本研究團隊采用電子舌技術和常規理化分析方法對四川成都、湖北襄陽和山東菏澤產大頭菜的產品品質進行了評價，結果發現酸味是不同地區產大頭菜差異最大的滋味指標[3]，襄陽大頭菜食鹽含量最高而成武醬大頭具有最高的蛋白質、氨基酸態氮、還原糖和總酸含量[4]。風味作為大頭菜品質的重要構成部分，直接決定了消費者對產品的喜好程度，然而目前關于不同地區產大頭菜風味品質評價的研究報道尚少。

電子鼻是利用氣體傳感器陣列的響應圖案來識別氣味的電子系統，能夠快速、實時和連續性地監測氣味指紋及其變化，然后將測得的指紋數據與建立的標準數據庫比對，應用軟件進行電子指紋識別[5]，已廣泛應用于發酵食品品質動態監測[6]、油脂氧化分析[7]、食品烘焙工藝優化[8]和貨架期內食品品質評價[9]等方面。氣相色譜-質譜聯用儀(gas chromatography-mass spectrometer，GC-MS)綜合了色譜法的分離能力和質譜的定性長處，可在較短時間內完成多組分混合物的定性和定量分析，具有靈敏度高、定性能力強的優點[10]，目前已經在大頭菜揮發性香味物質分析方面有了廣泛的應用[11,12]。

本研究以四川成都地區大頭菜、中國地理標識產品湖北襄陽大頭菜和山東菏澤成武醬大頭為研究對象，采用電子鼻技術對其風味品質進行了評價，并采用GC-MS技術對襄陽大頭菜的揮發性風味物質進行了解析，以期為后續大頭菜相關產品品質的改良提供數據支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大頭菜：從四川成都市郫都區和都江堰市的農戶家中采集大頭菜樣品7個，從襄陽市2家企業和5個農戶家中采集大頭菜樣品7個，從成武縣農戶家中采集大頭菜樣品2個并購買袋裝大頭菜產品2個。

1.2 材料與設備

GCMS-QP2020氣相色譜-質譜聯用儀 島津企業管理(中國)有限公司；FOX4000電子鼻 法國Alpha M.O.S公司；SYG-4數顯恒溫水浴鍋 常州朗越儀器制造有限公司；JJ224BC分析天平 常熟市雙杰測試儀器廠。

1.3 試驗方法

1.3.1 基于FOX4000電子鼻大頭菜中敏感類型物質的測定

參照文獻[13]中的頂空進樣法測定且進行了參數優化。取切碎大頭菜樣品3.5 g置于20 mL頂空瓶中，密封，每隔2 s以500 r/min的速度攪拌5 s，40 ℃頂空孵化300 s以使風味物質揮發到頂部空間，然后用自動進樣器將其抽出匯入載氣流。測定參數：以干燥空氣為載氣，流量為150 mL/min，沖洗時間為120 s，注射器溫度為50 ℃，注射量為2.5 mL，注射速度為500 μL/s，持續采集時間為120 s，采集頻率為1 s。每個樣品重復測定5次，以后4次的結果為本研究的原始數據。FOX4000電子鼻含有3個高效傳感器室，共18根傳感器，但不同傳感器響應性能有交叉部分，為提高其可靠性，對傳感器陣列進行了優化，僅使用LY/G，LY/AA，LY/Gh，LY/gCT，LY/gCT1，T30/1，P10/1，P10/2，T70/2，PA/2，P30/1，P30/2，TA/2 13根傳感器。測樣品時傳感器實際響應強度值R=(R1-R0)/R0，其中R1表示各傳感器測樣品時的電阻值，R0表示各傳感器測干燥空氣產生的電阻值。

1.3.2 基于GC-MS技術對襄陽大頭菜揮發性風味物質的分析

樣品處理：稱取大頭菜樣品10 g于頂空樣品瓶中，加入0.1 g/mL NaCl溶液，并以帶聚四氟乙烯的鋁帽密封，置于60 ℃條件下振蕩30 min后平衡10 min后進入GC-MS開始采集數據。

GC條件：SH-Rtx-Wax(30 m×2.25 mm×0.25 μm)極性毛細管色譜柱；傳輸線溫度：200 ℃；進樣口溫度：230 ℃；溫控程序：開始溫度40 ℃，保持5 min，以5 ℃/min上升至150 ℃，然后以10 ℃/min上升至230 ℃，保持6 min；載氣：N2，He，Ar；流量：1.2 mL/min；分流模式進樣，分流比：15∶1。

MS條件：離子源：EI離子源；電子能量：(70±0.1) eV；離子源溫度：220 V；m/z范圍：33.00～450 amu；通過NIST14標準質譜庫和保留指數定性對未知化合物進行定性，且僅當匹配度高于80%時的結果才予以采用；采用儀器自帶工作站對數據進行面積歸一化處理，確定組分的相對含量。

1.4 數據處理

使用電子鼻自帶Alphasoft V11軟件進行傳感器信號強度處理，基于數據矩陣使用主成分分析(principal coordinate analysis，PCA)、典范對應分析(canonical correlation analyses，CCA)、聚類分析(cluster analysis，CA)和多元方差分析(multivariate analysis of variance，MANOVA)對不同地區大頭菜風味品質進行評價，使用kruskal-wallis檢驗對各傳感器對不同地區大頭菜響應值的差異性進行分析。除雷達圖使用Excel 2016軟件繪制外，其他圖均使用Origin 8.5軟件繪制。

2 結果與分析

2.1 基于電子鼻技術對不同地區大頭菜風味品質的差異性分析

本研究首先采用電子鼻技術對不同地區大頭菜風味品質進行了分析，各傳感器響應曲線見圖1。

圖1 各傳感器響應曲線圖Fig.1 The response curve of each sensor

由圖1可知，每個傳感器每秒產生的響應值略有不同，在進行數據處理與分析時，選擇各傳感器最大響應值進行分析。各傳感器對不同地區大頭菜響應值的差異性分析見表1。

表1 各傳感器對不同地區大頭菜響應值的差異性分析Table 1 Significance analysis of each sensor response in salted mustard root collected from different regions

注：0.004±0.002表示平均值±標準差；含有相同字母的同一行數據差異不顯著(P<0.05)。

由表1可知，傳感器T30/1，P10/2，T70/2，PA/2，P30/1，P30/2，TA/2對湖北襄陽大頭菜的響應值顯著偏低(P<0.05)，而傳感器LY2/gCT呈現出相反的趨勢(P>0.05)。由于傳感器TA/2，T30/1，T70/2，P30/1，P30/2分別對食物的香氣或發酵氣味敏感，因而成武醬大頭的風味品質優于襄陽大頭菜，這可能與其加工工藝有關，成武醬大頭為醬大頭菜而襄陽大頭菜為腌大頭菜。值得一提的是，雖然傳感器LY2/G，LY2/AA，LY2/Gh，LY2/gCT1，P10/1對不同地區產大頭菜的響應值差異亦顯著(P<0.05)，但實際響應強度值均接近于0，因而可認為大頭菜中不含有胺類和硫化氫等有毒氣體。基于主成分的PC1和PC2因子得分圖見圖2。

圖2 不同地區大頭菜風味品質的主成分分析Fig.2 Evaluation of the flavor profile characterization of salted mustard root collected from different regions based on principal coordinate analysis

由圖2可知，不同地區的大頭菜樣品雖有部分交叉但整體上呈現出較明顯的分離趨勢，其中5 個襄陽大頭菜樣品多數分布在第二象限，4個成武醬大頭樣品主要分布在第一象限，而四川大頭菜主要分布在第三和第四象限。由此可見，不同地區產大頭菜的風味品質存在較大差異。本研究進一步使用典范對應分析對不同地區大頭菜風味品質進行了評價，結果見圖3。

圖3 不同地區大頭菜風味品質的典范對應分析Fig.3 Evaluation of the flavor profile characterization of salted mustard root collected from different regions based on canonical correlation analysis

由圖3可知，相對于無監督的主成分分析，在使用有監督的典范對應分析對18 個樣品進行空間排布時，不同地區產大頭菜呈現出明顯的分離趨勢，這進一步證明了不同地區產大頭菜樣品的風味品質存在較大差異。本研究進一步對不同地區產大頭菜風味品質的相似性進行了評價，各傳感器對不同地區大頭菜響應值的雷達圖見圖4。

圖4 各傳感器對不同地區大頭菜響應值的雷達圖Fig.4 Radar map of each sensor response in salted mustard root collected from different regions

由圖4可知，成武醬大頭和四川成都地區大頭菜的風味品質較為相似，除傳感器PA/2外，其他傳感器對兩類大頭菜樣品的響應值無明顯差異，這與kruskal-wallis檢驗結果基本一致。由此可見，較之襄陽大頭菜，成武醬大頭和四川成都地區大頭菜風味品質較為相似。本研究進一步采用基于馬氏距離的聚類對這一定性結論進行了驗證[15]，結果見圖5。

圖5 不同地區大頭菜風味品質的聚類分析Fig.5 Evaluation of the flavor profile characterization of salted mustard root collected from different regions based on cluster analysis

注：“**”表示P<0.01，“***”表示P<0.001。

由圖5可知，四川成都地區大頭菜和菏澤成武醬大頭樣品形成了1個聚類，同時兩者與襄陽大頭菜形成了第2個聚類，這亦驗證了較之襄陽大頭菜，成武醬大頭和四川成都地區大頭菜風味品質較為相似。本研究進一步采用MANOVA對不同地區大頭菜的風味品質進行了顯著性分析，結果發現四川成都地區大頭菜和菏澤成武醬大頭差異非常顯著(P<0.01)，而兩者均與襄陽大頭菜差異極顯著(P<0.001)，這亦與PCA和CCA結果相一致。

2.2 基于GC-MS技術襄陽大頭菜揮發性風味物質的分析

本研究使用GC-MS技術對7個襄陽大頭菜樣品中揮發性風味物質的種類及含量進行了測定，共檢測出了37種揮發性風味物質，其中醇類、醚類、醛類、酮類、烷烴類、烯烴類和酯類分別為5，3，9，3，2，11，2種，平均相對含量分別為19.76%，7.00%，35.37%，7.47%，0.17%，14.25%，14.36%。由此可知，襄陽大頭菜中主要揮發性風味物質為醛類化合物，襄陽大頭菜揮發性風味物質的相對含量見表2。

表2 襄陽大頭菜揮發性風味物質的相對含量Table 2 The relative content of volatile flavor components in Xiangyang salted mustard root %

續 表

襄陽大頭菜樣品中平均相對含量大于5.0%的揮發性風味物質主要為3-丁炔-1-醇、壬醛、乙酸異戊酯、D-檸檬烯、丙酮、乙酸乙酯和異戊醛，其平均相對含量分別為17.52%，13.44%，7.52%，7.19%，7.16%，6.83%，6.11%。不同襄陽大頭菜樣品中主要揮發性風味物質存在較大的差異，1#樣品中含量最多的揮發性風味物質為3-丁炔-1-醇，相對含量為66.24%；2#和5#樣品中含量最多的揮發性風味物質均為乙酸乙酯，相對含量分別為12.08%和35.74%；3#和4#樣品中含量最多的揮發性風味物質均為壬醛，相對含量分別為43.57%和24.33%；6#樣品中含量最多的揮發性風味物質為乙酸異戊酯，相對含量為31.00%；而7#樣品中含量較多的揮發性風味物質為苯甲醛和二甲基二硫醚，相對含量分別為19.89%和19.78%。

3 結論

采用電子鼻和GC-MS聯合技術對大頭菜的風味品質進行了比較研究，結果發現較之襄陽大頭菜，成武醬大頭和四川成都地區大頭菜風味品質較為相似，經GC-MS分析發現襄陽大頭菜中主要揮發性風味物質主要為壬醛、1,2-丙二烯-1,3-二酮、3-丁炔-1-醇、乙酸異戊酯、D-檸檬烯、丙酮、乙酸乙酯和異戊醛。