GC-MS結合電子鼻分析干燥方式對杏鮑菇揮發性風味成分的影響

馬 琦，伯繼芳，馮 莉，佴逸凡，王小晶，李 梅*，徐懷德*

（西北農林科技大學食品科學與工程學院，陜西 楊凌 712100）

杏鮑菇（Pleurotus eryngii）又名刺芹側耳，因其具有杏仁香味和鮑魚的口感而得名，隸屬擔子菌門、傘菌目、側耳科、側耳屬[1]。杏鮑菇營養豐富，富含蛋白質、碳水化合物、維生素和多種礦物質，且具有抗菌、抗癌、抗氧化、降血脂、降血糖和免疫調節等多種生理功能，是集食用、藥用于一體的珍稀食用菌[2-5]。由于杏鮑菇采后呼吸作用旺盛，且極易受到微生物侵害，腐爛變質，嚴重影響鮮菇品質[6]。因此可以通過干燥保存杏鮑菇并進行深加工提高附加值。但在干燥過程中，揮發性風味物質易發生變化影響品質[7]。張艷榮等[8]研究表明真空冷凍干燥能較好保持姬松茸原有風味；Tian Yuting等[9]發現真空微波干燥有利于保存香菇品質和風味；王洪彩等[10]研究發現中短波紅外干燥的香菇感官品質和化學品質均優于熱風干燥后的香菇。電子鼻可以快速準確地檢測出不同的香氣類型，通常對一些產品的整體信息提供綜合評估[11]，氣相色譜-質譜（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）主要用于揮發性物質的定性和半定量[12]，國內外采用GC-MS聯用技術研究揮發性成分的應用已十分廣泛。Zhou Jinjie等[13]利用GC-MS結合電子鼻對8 種商品蘑菇進行了鑒別；Pei Fei等[14]采用GC-MS結合電子鼻研究了2 種干燥方式對雙孢蘑菇揮發性風味物質的影響。唐秋實等[15]利用GC-MS研究了干燥工藝對杏鮑菇風味物質的影響。

以GC-MS結合電子鼻對不同干燥方式的杏鮑菇揮發性物質進行定性及定量，并對其進行主成分分析（principal component analysis，PCA）的相關報道較少。為此，本研究擬采用冷凍干燥（freeze drying，FD）、熱風干燥（hot air drying，HAD）、中短波紅外干燥（short- and medium-wave infrared drying，ID）和微波真空干燥（microwave vacuum drying，MVD）4 種方式對杏鮑菇進行干燥處理，結合電子鼻、GC-MS技術對4 種干燥方式處理的杏鮑菇樣品揮發性成分進行分析，并采用PCA建立干燥杏鮑菇揮發性風味物質的評價模型，為杏鮑菇的干燥加工提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

杏鮑菇，購于楊凌天合生物有限公司，購置后當天處理，裝入密封袋置于干燥器中保存。

正癸醇（色譜純） 阿拉丁試劑（上海）有限公司。

1.2 儀器與設備

PEN3電子鼻 德國Airsense公司；LGJ-12A中短波紅外干燥機 圣泰科紅外科技有限公司；FD5-2.5真空冷凍干燥機 美國西盟（SIM）公司；HW2微波真空冷凍干燥機 廣州華園微波設備科技有限公司；WGL-230B電熱鼓風干燥箱 天津市泰斯特儀器有限公司；GCMS-QP2010 GC-MS聯用儀 日本島津公司；50/30 μm二乙烯基苯/碳分子篩/聚二甲基硅氧烷（divinylbenzene/carboxen/polydimethylsiloxane，DVB/CAR/PDMS）萃取頭 美國Supelco公司。

1.3 方法

1.3.1 杏鮑菇干燥方式

4 種干燥方式制得的杏鮑菇樣品水分含量均控制在10%以下，符合NY/T 749—2012《綠色食品 食用菌》[16]。具體干燥操作如下：FD：將新鮮杏鮑菇切條后放在-80 ℃冰箱預凍存24 h，打開冷凍機，將物料裝盤放入，設置參數為：冷阱溫度-50 ℃，真空度10 Pa以下；HAD：設置電熱恒溫鼓風箱溫度55 ℃，將新鮮杏鮑菇切條后鋪在隔板上干燥；ID：將杏鮑菇切條置于干燥隔板上，設置中短波紅外干燥設備溫度55 ℃、功率1 125 W、風機風速3 m/s；MVD：將處理好的杏鮑菇均勻鋪在干燥箱隔板上，開啟真空泵至真空度達到0.08 MPa，開啟微波，設置功率10 kW。

1.3.2 電子鼻傳感器檢測

PEN3便攜式電子鼻由金屬氧化物氣體傳感器陣列、氣體采樣裝置和信號處理單元組成，傳感器具有10 個金屬氧化物半導體型化學傳感元件，每種傳感元件對應的敏感物質類型不同。準確稱取搗碎的新鮮杏鮑菇8.16 g，各粉末樣品1.0 g，分別置于40 mL頂空瓶中加蓋密封，室溫（25 ℃）靜置60 min，通過頂空進樣的方式檢測。采樣完成后，經活性炭過濾后的潔凈空氣被泵入電子鼻，對傳感器進行清洗并使其恢復到初始狀態。每個樣品做5 個平行。

程序設置：樣品準備時間5 s，測試時間60 s，傳感器清洗時間240 s，進樣流量400 mL/min。傳感信號在40 s后基本穩定，選定信號采集時間為50～53 s。

1.3.3 揮發性成分測定

準確稱取1.67 g鮮樣，0.20 g各粉末樣品，分別置于15 mL頂空瓶中，用具有聚四氯乙烯隔墊的蓋子密封。頂空瓶于45 ℃條件下平衡20 min，然后將已活化好的萃取頭（DVB/CAR/PDMS 50/30 μm）推入頂空瓶進行50 min的富集，解吸5 min。

GC條件：DB-1MS毛細管柱（60 m×250 μm，0.25 μm）；升溫程序：進樣口溫度250 ℃，40 ℃保持3 min，以4 ℃/min升至120 ℃，以6 ℃/min升至240 ℃，保持12 min。載氣（He），柱流量1.0 mL/min，不分流模式。

MS條件：電子電離源；電子能量70 eV；離子源溫度230 ℃；接口溫度230 ℃；質量掃描范圍m/z 35～500。

揮發性成分定性方法：根據得到的揮發性成分總離子流圖，利用NIST和Wiley標準譜庫進行檢索比對各色譜峰的質譜信息，選擇相似度達80%以上的成分結構信息，以標準物質保留時間和保留指數，并結合標準質譜圖和參考文獻資料進行核對確認。

揮發性成分定量方法：參照周鑫等[17]的方法采用內標法定量，以正癸醇作內標物，按下式計算揮發性物質含量。

1.4 數據處理與分析

電子鼻數據分析：運用Winmuster軟件對數據進行PCA和線性判別分析（linear discriminant analysis，LDA）。

采用SPSS 20.0對4 種不同干燥方式得到的杏鮑菇揮發性成分含量進行PCA，將數據標準化后確定特征根、特征向量，根據各主成分值和主成分貢獻率得出干燥杏鮑菇揮發性成分的評價模型，由該模型計算出每種處理樣品的綜合得分。

2 結果與分析

2.1 電子鼻測定結果

圖1 不同干燥方式下杏鮑菇樣品的PCA（A）和LDA（B）圖Fig.1 PCA (A) and LDA (B) plots of dried P. eryngii samples obtained by different drying methods

PCA是將電子鼻數據進行降維處理，提取主要特征進行線性分析，將主要信息保留在幾個不相關的主成分中[18]。PCA中累計貢獻率越大，則主成分可以更好地反映各個指標的信息[19]。由圖1A可知，FS及各干樣的PC1和PC2的貢獻率分別為98.01%和1.96%，累計貢獻率為99.97%，表明2 個主成分能夠反映原始數據的信息。FS在PC1上與其他樣品距離較大，說明干燥改變了樣品的揮發性物質。FD與其他樣品距離較遠，表明其在揮發性成分上與其他樣品有一定差異，而ID、HAD和MVD的樣品在PC1上未能完全分開，說明這幾種干燥方式制得的樣品揮發性成分整體差異相對較小，揮發性物質有一定的共性，PCA不能對其進行良好區分。因此，需要運用LDA方法進一步分析。

LDA是利用所有傳感器的信號研究樣品所屬類別的一種統計方法[20]。由圖1B可知，LDA1和LDA2的貢獻率分別為55.55%和38.87%，累計貢獻率達到94.42%，不同樣品在LDA圖中的分布呈現明顯的變化趨勢，可以達到區分FS及各干樣的目的。在LDA1上FS與幾種干樣距離較遠，說明在干燥過程中揮發性物質豐度逐漸減小。而HAD與FD樣品在LDA1上距離較近，但在LDA2上則可完全分開。總體上來看，FS及各干樣均能被較好地區分開，且有一定變化趨勢。

通過電子鼻對FS和各干樣的揮發性成分進行分析，發現PCA和LDA均能很好地區分FS和干樣。但利用PCA不能很好地區分各干樣之間的揮發性成分，LDA則能進行明顯區分，說明LDA是辨別不同干燥方式處理后杏鮑菇揮發性成分差異的有效分析方法。

2.2 揮發性成分種類及含量

表1 不同干燥方式的杏鮑菇樣品揮發性成分化學組成與含量Table 1 Kinds and contents of volatile components identified from dried P. eryngii obtained by different drying methods

續表1

杏鮑菇中富含蛋白質、多糖類，這些物質在干燥過程中容易發生復雜的化學反應[21-22]。據文獻報道，揮發性成分的生成有多條途徑：不飽和脂肪酸的化學或酶促氧化，以及與蛋白質、肽和游離氨基酸的相互作用，長鏈化合物的降解，美拉德反應等[23-24]。由表1和表2可知，FS和4 種干樣的揮發性成分有明顯差異。采用GC-MS共檢測出99 種揮發性物質，可分為6 大類：醇（19 種）、醛（18 種）、酮（15 種）、酯（14 種）、烷烴（21 種）、其他（12 種），在FS、FD、HAD、ID、MVD中分別檢測到35、52、46、52 種和47 種化合物。FS中總揮發性成分含量最高（289.60 μg/g），其次是ID（133.14 μg/g）、FD（117.21 μg/g）、HAD（96.45 μg/g）及MVD（43.84 μg/g）。在干燥過程中，杏鮑菇中的揮發性物質雖有一定損失，但有新的揮發性成分生成。

醇類物質在杏鮑菇揮發性物質中含量最高，其前體物質主要是多不飽和脂肪酸[25]。在FS中醇類物質含量可達254.46 μg/g，其中1-辛烯-3-醇是主要揮發性物質（210.16 μg/g），其次是環辛醇、正辛醇、1-戊醇（表1）。1-辛烯-3-醇被稱為蘑菇醇，有標志性的蘑菇氣味，是一種脂肪族不飽和醇[26]。正辛醇也具有典型的蘑菇風味[27]。1-戊醇呈現出雜醇油的氣味，對風味有不利影響[28]。這幾種干燥方式均會導致八碳化合物的嚴重損失，最終使得干樣中醇和酮的比例顯著降低，可能是由干燥過程中熱分解引起的。這與前人研究的變化趨勢一致[29-30]。

醛類物質在食用菌中含量比較豐富，其氣味閾值較低，對總體揮發性成分的貢獻較大，C5～C9的醛類來自脂肪氧化和降解[31]，具有脂香氣味。許多Strecker醛本身及其反應產物對于食品香料也是非常重要的[32]。杏鮑菇經干燥后醛類化合物在含量和種類上均有所上升，ID樣品中正己醛含量最高，達到23.55 μg/g，在HAD樣品中的含量為12.86 μg/g，正己醛可以賦予食品清香的味道[33]。苯甲醛除在FD樣品中未檢測出外，在其他幾種樣品中均有檢出，具有特殊杏仁香味，可以賦予產物脂香風味[34]。反-2-辛烯醛和2-甲基丁醛是所有樣品共有的醛類物質，分別呈現出黃瓜樣香氣和獨特的可可香氣[28]。

短鏈酮類具有脂香和焦香香氣，長鏈酮類則呈現出花香氣息[8]。隨著干燥的進行，酮類物質的含量較FS均有所上升。FS的酮類香氣物質含量僅為3.23 μg/g，而FD、HAD、ID和MVD樣品的酮類香氣物質含量分別為8.61、13.79、10.57、4.93 μg/g。酮類物質含量的增多可能是由不飽和脂肪酸的降解引起的[25]。1-辛烯-3-酮在MVD樣品中未檢出，甲基壬基甲酮是FS及干樣中共有的酮類，此外，干燥過程生成了較多的仲辛酮。

據文獻報道酯類物質會賦予食品甜香氣味和輕微油脂氣味[35]。酯類物質在FS中含量最多，每種干燥方式都使得酯類物質含量下降了一半以上，其中HAD破壞程度最大，使得酯類含量從11.18 μg/g降至2.91 μg/g。丁酸甲酯是4 種干樣中共有的酯類，其平均含量為0.56 μg/g，辛酸甲酯在MVD樣品中未檢出，這可能是由于微波輻射作用導致了脂質的損失。FS中含量較高的癸酸甲酯、月桂酸甲酯在干樣中均未檢出，可能是因為干燥及一些復雜的化學反應導致了酯在一定程度上的降解。

本實驗從4 種干燥杏鮑菇中共檢測出21 種烷烴類化合物。與FS（6.46 μg/g）相比，MVD樣品（0.98 μg/g）的烷烴類化合物含量均有較大幅度的下降，FD樣品芳香族化合物的含量均有所上升，這與Pei Fei等[14]的研究結果一致。此外，4 種干樣中均生成了新的烷烴類化合物。烴類物質因其閾值較高，在整體上對杏鮑菇揮發性成分影響不大，但一些烷烴類獨特風味，如在FS、IFD、ID及MVD中檢測到的D-檸檬烯，可賦予食品新鮮橙子香氣及檸檬香氣[36]。

綜上，干燥增加了杏鮑菇中揮發性物質的數量，但導致了總揮發性成分及八碳化合物含量的顯著下降，并且不同的干燥方式制備的杏鮑菇樣品中揮發性物質的種類和含量不同。

表2 不同干燥方式的杏鮑菇樣品揮發性成分種類數與含量Table 2 Chemical classes and amounts of volatile compounds in dried P. eryngii samples obtained by different drying methods

2.3 PCA

2.3.1 不同干燥方式的杏鮑菇樣品揮發性成分PCA

表3 主成分的特征值及貢獻率Table 3 Eigenvalues, contribution and cumulative contributions of principal components

由表3可知，提取前3 個主成分，即可反映總體100%的原始變量信息。各主成分的載荷值代表該主成分對該類物質反映程度的大小[37]。由表3、4可知，PC1的貢獻率達到60.651%，其與醇、酯和醛類3 類物質的載荷系數較大，主要代表了這幾個變量；PC2的貢獻率為25.838%，主要反映指標是酮類；PC3的貢獻率為13.511%，主要解釋了烷烴類的變量信息。此外，表4中PC1與醇類和酯類呈高度正相關；PC2與酮類呈正相關；PC3與烷烴類呈負相關。

表4 主成分的特征向量與載荷矩陣Table 4 Principal component eigenvectors and loading matrix

2.3.2 揮發性成分品質評價模型的建立

根據3 個主成分6 類物質各自的特征向量，可以得到各個主成分的得分，用F1、F2和F3表示，進行揮發性成分品質的綜合評價（表5），得到杏鮑菇干樣揮發性成分的線性關系式分別為：

將3 個主成分的貢獻率βi（i=1,2,3）作為加權系數。利用綜合函數F=βiFi建立杏鮑菇干樣揮發性成分評價模型：F=0.606 51F1+0.258 38F2+0.135 11F3，得到的綜合得分見表5。

表5 標準化后主成分綜合得分Table 5 Synthetic scores of principal components after standardization

由表5可知，PC1得分最高的是ID，其次是FD，PC2得分最高的為HAD，PC3得分最高的是HAD。由該模型可知，不同干燥方式的杏鮑菇樣品揮發性強度綜合得分由高到低依次為ID（0.51）、FD、HAD、MVD。因此，ID處理的杏鮑菇揮發性成分品質最好。

3 結 論

電子鼻檢測結果與GC-MS的結果互相映證，不同干燥條件下樣品揮發性成分存在差異，LDA可以良好區分不同干燥方式，為杏鮑菇的加工方式提供了快速檢測的依據。

利用GC-MS技術分析了干燥前后杏鮑菇揮發性物質組成及含量，共檢測出99 種揮發性物質，在FS、FD、HAD、ID、MVD中分別檢測到35、52、46、52 種和47 種化合物，包括醇類、醛類、酮類、酯類、烷烴類和其他類化合物共6 類成分，FS的揮發性物質含量最高，達到289.60 μg/g。干燥使得杏鮑菇的醇類和酯類物質含量顯著下降，醛酮類物質在種類和含量均上升，干燥過程中也生成了一些新的揮發性成分，不同干燥方式下的杏鮑菇揮發性成分具有顯著差異。

通過PCA建立的揮發性成分品質綜合評價模型，得出ID干燥的杏鮑菇揮發性成分品質最好，可以實現對杏鮑菇干燥方式的鑒別。本研究通過對干燥后杏鮑菇風味品質進行分析，判斷出較為適宜的干燥方式，同時得到風味較好的杏鮑菇干品，為今后杏鮑菇的干燥研究提供一定的理論基礎。