基于電子鼻與SPME-GC-MS法分析咸鲅魚加工過程揮發性風味成分變化

,, ,,長湖

(中國海洋大學食品科學與工程學院,食品科學與人類健康實驗室,山東青島 266003)

鲅魚又名藍點馬鮫,主要分布于北太平洋西部,我國渤海、黃海、東海是主要產地,為北方經濟魚類之一。腌制鲅魚是我國沿海地區最具代表性的咸干魚制品,即以鮮(凍)魚肉為主要原料,采用食鹽腌制工藝和干燥工藝加工而成的傳統水產品[1],具有獨特的風味,深受消費者歡迎。

揮發性風味是評價咸干魚制品品質優劣的重要指標之一,電子鼻(electronic nose)作為一種新型人工智能嗅覺裝置,靈敏度高、操作簡單、攜帶方便,它測量的數據與人類的感官評價相關性好[2]，并且能對樣品的整體風味成分進行區分,但不能對風味物質進行定性定量分析。固相微萃取-氣相色譜-質譜聯用測定法(SPME-GC-MS)能檢測食品中揮發性物質的種類和含量,與電子鼻技術進行聯用能對食品中的揮發性風味物質進行分析。例如王霞等[3]利用電子鼻與SPME-GC-MS技術分析了加熱后黃鰭金槍魚的特征氣味成分。有研究表明,醛類、醇類、酮類、烴類、酯類、酸類、胺類、含氮含氧化合物等的相互作用形成咸魚風味[4]。不同咸魚其主體風味成分不同,楊錫洪等[5]研究表明3-甲基-1-丁醇、1-戊烯-3-醇、1-辛烯-3-醇、2-丁酮、3-甲基丁醛是金絲魚的特征香氣成分,己醛、辛醛、壬醛、庚醛、1-戊烯-3-醇、1-辛烯-3-醇是咸帶魚的主要風味成分。李來好等[5]研究了咸魚的特征香氣,劉勝男等[6]研究了利用電子鼻技術能夠較好地區分部分不同地區的咸鲅魚樣品的香氣。

本研究采用電子鼻和SPME-GC-MS技術,研究咸鲅魚從原料到成品的生產加工過程中風味成分變化,探究咸鲅魚風味形成的關鍵加工步驟,為優化其加工工藝、提高咸魚品質提供理論基礎。

1 材料和方法

1.1 材料與儀器

鮮鲅魚 體長43～45 cm,體重1～1.3 kg,于冷庫凍藏備用,青島市場購買;食鹽 市售。

PEN3型電子鼻 德國Airsense公司;7980A/5975C型氣相色譜-質譜聯用儀 美國Agilent公司;二乙基苯/碳分子篩/聚二甲基硅氧烷(DVB/CAR/PDMS)50/30 μm型萃取頭、PK1 57330-U型SPME手動進樣柄 美國Supelco公司;HP-5MS(30 m×0.25 mm×0.25 μm)型毛細管色譜柱 美國Agilent公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 咸鲅魚加工工藝 工藝流程:鲅魚解凍→沖洗→腌制→冷風干燥→成品。

操作要點:取鲅魚流水解凍后去頭尾、內臟,切成5 cm×5 cm魚塊。采用干腌法,添加2%(m:m)鹽于10 ℃腌制1 h后流水沖洗脫鹽,然后進行冷風干燥(20 ℃,40 cm3/s)。取鮮魚、腌制、干制4、10、24、36、48 h 7個階段的樣品(依次標記為1、2、3、4、5、6、7號樣品)。

1.2.2 電子鼻的測定 分別取0.5 g樣品置于50 mL頂空瓶中,加蓋密封,常溫平衡15 min后,依次用電子鼻進行監測。

1.2.3 SPME-GC-MS分析條件 固相微萃取方法:取2 g樣品放入20 mL頂空瓶中,水浴60 ℃平衡5 min,將SPME萃取頭插入到頂空瓶中頂空60 ℃吸附30 min,迅速插入GC進樣口中。

色譜條件:色譜柱為HP-5MS(30 m× 0.25 mm,0.25 μm);進樣口溫度250 ℃;采用分流模式進樣(分流比10∶1);載氣:氦氣,柱流速:1 mL/min,解吸時間:5 min,解吸溫度250 ℃;采用階段式程序升溫模式,初始溫度40 ℃,保持5 min,以10 ℃/min升至250 ℃,保持4 min。

質譜條件:電離方式EI,電子能量70 eV,離子源溫度250 ℃,傳輸線溫度250 ℃。掃描質量范圍m/z 45～300。

1.2.4 關鍵風味化合物的確定 采用相對氣味活度值(relative odor activity value,ROAV)法[15],定義對樣品風味貢獻最大的組分:ROAVstan=100,對其他揮發性成分按下式計算:

式(1)

式中:Ci、Ti是各揮發性組分的相對含量和相對應的感覺閾值;Crstan、Tstan分別是對樣品總體風味貢獻最大的組分的相對含量和相對應的感覺閾值。

1.3 數據分析

電子鼻采用Winmuster軟件進行數據采集與處理,分析方法包括主成分分析(PCA)和線性判別分析(LDA)。

GC-MS采用NIST譜庫和Wiley譜庫對揮發性成分進行定性分析(匹配度大于80,最大值為10 0)。通過Excel數據處理系統統計揮發性風味成分總面積(扣除硅氧烷類雜峰及其他非嗅感物質雜峰),按面積歸一化法求得各揮發性成分的相對含量。

2 結果與分析

2.1 不同加工階段咸魚樣品電子鼻分析

PCA分析是通過數據轉換和降維將信息指標重新組合成一組互相無關的新的幾個綜合指標,同時可根據實際需要去除較少的綜合指標,以盡可能多地反映原來信息指標,通過二維圖顯示區分樣品的分析方法[8-9]。由圖1可知,第一主成分(Principal component 1,PC1)和第二主成分(Principal component 1,PC2)的貢獻率分別為69.81%和25.32%,累計達95.13%(大于90%),說明PC1和PC2能反映樣品的整體信息。圖中每個圓圈代表不同加工階段樣品數據信息,可以看出各階段樣品均有獨立的區域,說明PCA分析可以區分鮮魚與加工后不同階段的咸魚樣品。其中1、4號樣品隨主軸1向右橫向變化。2、3、5、6、7號樣品沿主軸2變化,第一主成分影響較小,可能是因為這些樣品中主要的揮發性物質種類或含量相差不大。根據PC1和PC2兩個主成分,PCA分析可以區分不同加工階段樣品氣味。

圖1 7個不同階段樣品的PCA分析Fig.1 Principal component analysis of spanish mackerel samples in 7 stages

LDA分析更加注重樣品在空間中的分布狀態及彼此之間的距離分析,使組與組之間的變異達到最大[9]。由圖2可知,判別式LD1和LD2的貢獻率分別為79.01%和12.83%,總貢獻率為91.84%(大于90%),可以很好地反映樣品的整體信息。1、2、3、7號樣品有獨立的區域,隨主軸1向左變化,說明都具有各自特殊的香氣成分且PC1是主要影響因素,說明腌制、干制初期及干制后期氣味成分或含量發生變化。5、6號樣品有大部分重疊,6號樣品和4、5號樣品均有重合部分,隨主軸2向下移動,說明PC2是主要影響因素且此過程中氣味變化不明顯。與PCA分析相比較,LDA分析中4、5、6號樣品相互交叉,但1、2、3、7號樣品距離較遠,說明LDA分析能提高樣品的分類精度。LDA分析能提高咸魚樣品的分類精度,與PCA分析相結合能更好地區分不同加工階段的咸魚樣品。為明確加工過程中風味成分的變化,采用GC-MS方法對揮發性風味物質成分進行進一步分析與鑒定。

圖2 7個不同階段樣品的LDA分析Fig.2 LDA plot of spanish mackerel samples in 7 stages

2.2 GC-MS分析

2.2.1 咸鲅魚加工過程揮發性風味成分種類及相對含量的變化 通過SPME-GC-MS共檢測出91種揮發性物質,對咸鲅魚7個加工階段樣品用GC-MS分析、鑒定得到的揮發性成分按結構進行分類,結果見表1。

表1 咸鲅魚不同加工階段揮發性物質種類和相對含量Table 1 Changes in composition and relative content of compound classes during salted processing

由表1可知,醛類、醇類、酮類及烴類物質構成咸鲅魚主要的揮發性物質,通過分析加工過程中這些物質的變化趨勢可初步研究咸鲅魚風味形成過程。醛類、醇類和烴類物質是咸鲅魚含量最豐富的三類物質,其總相對含量在加工前、腌制、初干燥及成品過程中分別達到28.30%、60.22%、57.36%和71.25%,表明這三類的變化對咸魚風味形成有重要影響,此結果與電子鼻結果相一致。

醛類物質能在脂質氧化過程中快速形成且感覺閾值較低,對咸魚風味有重大貢獻[4]。魚加工前后醛種類數增加,相對含量由8.43%增加到28.42%,但增加過程呈動態變化,其相對含量的增加與減少與其生成量與損失量密切相關。腌制過程中醛類物質種類數變化不大,相對含量由8.43%增加到22.52%,可能原因為發生脂肪氧化,烷氧基自由基分解產生醛類物質[4]。在干燥階段,醛類物質由7種增加到11種,相對含量呈動態變化,上升趨勢可能與蛋白質水解程度有關,蛋白質水解產生大量游離氨基酸,氨基酸氧化降解形成醛,使得醛類物質大幅增加[4]。下降趨勢可能因為醛類物質及其降解產物之間相互反應,還有醛類物質與氨基酸之間的反應,使得醛類物質生成量小于參加反應損失量從而減少[10]。此變化過程與丁麗麗[4]等研究結果相一致,在干燥階段取兩個時間點測得醛類物質含量呈上升趨勢,認為蛋白質水解產生的游離氨基酸氧化降解形成醛使其含量增加。本實驗中干燥階段取5個點能更加詳細展現醛類物質變化趨勢。

醇類物質主要來源于脂肪氧化分解以及糖、醛、氨基酸等還原[11],加工前后種類數由9種到14種,相對含量由9.46%到19.36%,但加工過程中醇類物質相對含量呈現先上升后下降的趨勢,干燥過程中可能因為脂質氧化分解和醛類物質還原使醇類物質增加,而氧化反應和酯化反應使得醇類物質減少。

酮類物質可通過多不飽和脂肪酸的氧化分解、氨基酸降解或微生物氧化產生[12],在加工過程中酮類物質相對含量較少,且其感覺閾值較高,對魚肉氣味的貢獻相對較小,但酮類對腥味物質具有增強作用,它們的存在可使腥味增強或改變[3]。烴類化合物可通過烷基自由基的脂質自氧化或類胡蘿卜素分解生成[13],干燥前后烴類物質由13種增加到14種,但相對含量由31.23%降到23.47%,而醛類物質由13.94%增加到28.42%,可能因為烯烴類物質生成烯醛類導致烴類物質減少。

胺類尤其是三甲胺是魚腥味的主要來源,初期干燥胺類相對含量由11.19%降到6.76%,胺類物質含量明顯降低,隨干燥時間加長胺類物質含量逐漸增加到11.05%,但加工前后胺類物質含量無明顯變化,說明腌制及干燥能抑制魚腐敗變質。

2.2.2 咸鲅魚加工過程中主要風味成分的變化分析 由表2可知,GC-MS分析共得到91種揮發性風味物質,鮮魚、腌制、干燥4、10、24、36、48 h這7個階段揮發性風味成分種類數分別為27、37、53、42、47、45種以及51種,主要由醛類、醇類、酮類、烴類、酸類等組成。在加工前后增加了24種揮發性風味物質,從鮮魚到成品增加的揮發性物質種類主要是支鏈醛、高級醇、烴類、酯類和酸類,且在7個階段樣品中只有16種物質均被檢出,因此揮發性物質的種類隨加工過程發生顯著變化。其中腌制和干燥階段是揮發性物質產生的主要階段,揮發性物質種類和含量發生變化,與電子鼻結果相一致。

表2 咸鲅魚加工過程中揮發性成分及相對含量Table 2 Changes in volatile compounds and their relative contents during salted processing

續表

續表

風味特征與揮發性物質的相對含量沒有直接關系,其對總體風味的貢獻由揮發性物質在風味體系中的濃度與感覺閾值共同決定。為進一步描述咸鲅魚的主體風味成分變化,結合表2中揮發性物質成分的相對含量和感覺閾值,其中壬醛相對含量較高,范圍為2.61%～9.32%,且感覺閾值較低,為1 μg/kg,綜合分析對咸鲅魚總體風味貢獻最大,所以定義壬醛的相對氣味活度值ROAVstan=100。研究脆肉鯇魚肉揮發性風味成分也是定義壬醛ROVA為100[14],其他揮發性風味物質化合物的相對氣味活度值(ROAV)可由公式(1)計算得到,從而分析加工過程中咸鲅魚主體風味構成,并對其氣味特征進行描述,結果見表3。

表3 咸鲅魚特征風味成分的相對氣味活度和氣味特征Table 3 Characteristic flavor compounds and ROAV during salted processing

一般認為,當ROAV≥1的物質為所分析樣品的主體風味成分,且ROVA值越大對樣品總體風味的貢獻也就越大,另外0.1≤ROVA≤1的物質對樣品總體風味也有比較重要的影響[15]。結合表2可知表3中的幾種特征風味的相對含量在腌制和干燥初期明顯增加,咸鲅魚的主體風味由壬醛、己醛、庚醛、辛醛、癸醛、(Z)-4-庚烯醛、苯甲醛、1-辛烯-3-醇、戊醇、己醇等構成。總的來說,咸鲅魚的主體風味由醛類和烯醇類構成。

醛類物質主要來源于不飽和脂肪酸裂解產物,相對分子質量低的醛類物質感覺閾值也低[16],對魚風味有顯著貢獻[17]。己醛、庚醛、壬醛和辛醛在各樣品中均被檢出,(Z)-4-庚烯醛除1號樣品外,在其他加工階段均被檢出,5種主要醛類總相對含量加工前后占魚揮發性成分由7.26%增加到21.63%,是咸魚香味主要的貢獻物質。己醛主要來源于ω-6不飽和脂肪酸的氧化,具有青草味、腥味,是導致魚體產生腥味的主要物質之一,常與C8、C9的揮發性化合物對魚肉的香味起協同作用[18]。在腌制過程中大量增加,可能是因為鮮鲅魚的不飽和脂肪酸在酶的作用下氧化而生成,干燥過程中可能因為脂肪酸的氧化使己醛增加,隨干燥時間加長己醛含量減少,可能因為氧化分解脂肪的酶受干燥溫度、風速、魚體水分活度等影響,酶活力下降導致干制后期己醛含量下降;庚醛具有魚腥味,辛醛具有脂肪-青草味,對腌制帶魚風味形成有良好的調和作用[19],(Z)-4-庚烯醛呈清香、暗香和類亞麻油香,苯甲醛由苯丙氨酸Strecker降解生成,具有杏仁香、堅果香和櫻桃香[20],這些醛類的變化趨勢與己醛總體一致,說明腌制與干燥階段是脂肪酸氧化的主要階段,干燥條件對酶活力有抑制作用,與丁麗麗等[4]的研究相一致。施文正等[21]研究表明庚醛、壬醛、(Z)-2-庚烯醛等對魚肉的腥味具有加和作用。盧春霞[13]等研究表明飽和直鏈醛如己醛、庚醛、壬醛、癸醛等是美國紅魚、大黃魚和鱸魚風味的主要貢獻物質,吳燕燕等[20]研究表明己醛是腌制食品中主要的氧化產物,辛醛、壬醛、苯甲醛等物質間的差異可能是導致腌干帶魚柔和香味的主要原因。因此加工過程中通過改變腌制、干制條件來控制己醛、庚醛、壬醛、癸醛等的含量可提高咸鲅魚的風味品質。

醇類化合物來源于脂肪的氧化、氨基酸的還原和碳水化合物的代謝,不飽和醇類閾值較低,具有花香味、蘑菇味、土腥味或酸敗味,對于風味貢獻較大[20]。由表3可知,1-辛烯-3-醇、1-戊烯-3-醇、1-戊醇、己醇是咸鲅魚主要風味物質。1-戊醇在干燥過程中逐漸增加,其來源可能是亞油酸的氧化,其在干燥初期到中期由0.78%到3.75%,說明此過程脂肪發生氧化生成醛、醇類物質,導致醛、醇類物質明顯增加,干制后期1-戊醇由3.75%到3.11%,變化不明顯,而此過程中戊醛由12.35%降到3.37%,酯類由0.25%增加到0.54%,發生此種變化可能因為醛類和醇類發生酯化反應以及醛還原生成醇使得酯類物質增加,醛類物質顯著下降,另外微生物的代謝作用能產生醇,使得醇類在此過程中下降不明顯。己醇在干制初期到中期與戊醇變化趨勢類似,干制后期顯著下降,可能原因是5個碳原子以上的醛還原很慢,己醇的損失量大于生成量從而顯著下降。1-戊烯-3醇是咸魚的有效風味成分,能產生烤洋蔥的香味,與魚腥味的產生有關[4]。1-辛烯-3-醇ROVA值在醇類物質中最高且大于1,說明其對咸鲅魚風味有顯著貢獻,它是一種亞油酸的氫過氧化物的降解產物,具有類似蘑菇的氣味,普遍存在于淡水魚及海水魚的揮發香味物質中[22]。1-辛烯-3-醇與其他醇類變化趨勢相似,在腌制和干制第一階段(干制前期到中期)相對含量增加,在干制第二階段下降。因此腌制和干制是咸魚特殊風味產生的重要階段,控制腌制和干制條件可有效降低魚腥味提高咸魚風味。

從咸鲅魚主要風味成分的變化中可看出,腌制和干制是咸魚風味產生的主要階段。從鮮魚到成品主要風味成分都明顯增加,腌制是風味成分種類和含量增加的階段,但在干燥階段會經歷兩個過程即先增加后減少的過程,因此控制腌制條件和干燥條件能有效提高咸鲅魚品質。

3 結論

通過電子鼻和GC-MS對咸鲅魚加工過程中揮發性成分變化進行研究,表明腌制和干燥是咸魚特征風味形成的主要過程。咸鲅魚的特征風味主要由醛、醇、酮及烴類化合物構成,其中己醛、壬醛、正辛醛、庚醛、(Z)-4-庚烯醛、苯甲醛、1-戊烯-3-醇、1-辛烯-3-醇是咸鲅魚主體風味的主要成分。庚醛、正辛醛主要在腌制階段產生,己醛、壬醛、(Z)-4-庚烯醛、苯甲醛、1-戊烯-3-醇、1-辛烯-3-醇在腌制和干燥階段均產生。研究咸魚在加工過程主體風味變化過程,為進一步優化加工工藝提高咸魚品質奠定理論基礎。