基于SPME-GC-MS 和電子鼻分析薏苡仁油加速氧化過程揮發性成分變化

趙澤偉，丁筑紅*，顧苑婷，丁小娟

（貴州大學釀酒與食品工程學院，貴州 貴陽 550025）

薏苡仁是1 a生或多年生的禾本科植物薏苡（Coix lacryma-jobi L. var. mayuen (Roman.) Stapf）的干燥成熟種仁，我國大部分省份均有種植[1]。薏苡仁油是薏苡仁中重要活性物質，主要為甘油三酯類、薏苡仁酯、脂肪酸類等化合物[2-3]，其中不飽和脂肪酸油酸和亞油酸質量分數分別達到31.42%和47.38%，并具有抗癌作用[4]。然而，薏苡仁油中高不飽和脂肪酸容易水解或氧化產生氫過氧化物和自由基，再進一步形成短鏈脂肪酸和具有揮發性的醛類、酮類、醇類、酸類、碳氫類、呋喃酮、內酯等化合物[5-6]，導致油脂品質及風味劣變，并帶來安全隱患[7]，成為薏苡仁資源開發利用面臨的關鍵共性問題。目前，國內外薏苡仁油的研究主要關注油脂提取技術與藥理作用等，而油脂氧化方面鮮見報道。

氣味是評價油脂質量的重要指標[8]，而固相微萃取-氣相色譜-質譜（solid phase microextraction-gas chromatography-mass spectrometry，SPME-GC-MS）聯用技術已經廣泛用于氧化與未氧化植物油和水包油乳液的揮發性物質檢測[9-11]。SPME-GC-MS結合電子鼻風味分析能更好地區分油脂的風味化合物的特征差異[12]。本實驗通過SPME-GC-MS與電子鼻分析手段，結合線性判別分析（linear discriminant analysis，LDA）探討薏苡仁油加速氧化期間揮發性氧化產物變化規律及薏苡仁油揮發性風味成分，為科學合理控制薏苡仁油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 材料與試劑

薏苡仁油購自廣州合誠三先生物有限公司，采用超臨界CO2萃取，100%純天然，無農殘，無溶劑殘留，呈淡黃色液體，氣、味微甜。

酚酞、95%乙醇溶液、氫氧化鉀、乙醚、異丙醇、冰乙酸、三氯甲烷、碘化鉀、硫代硫酸鈉均為國產分析純。

1.2 儀器與設備

HP6890/5975C GC-MS聯用儀、FB-5MS彈性石英毛細管柱（30 m×0.25 mm，0.25 μm） 美國安捷倫公司；手動SPME進樣器、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）萃取纖維美國Supelco公司；PEN3便攜式電子鼻 德國Airsense公司；BGZ-246電熱鼓風干燥箱 上海博迅實業有限公司。

1.3 方法

1.3.1 材料處理

采用烘箱加熱加速氧化實驗[13]，分別將70 mL薏苡仁油置于玻璃皿中，放入（60±1）℃的烘箱中連續加熱氧化30 d，每隔12 h對其進行攪拌，并更換其在烘箱中的位置，每隔5 d取樣分析。

1.3.2 理化指標測定

過氧化值的測定：參考GB 5009.227—2016《食品中過氧化值的測定》[14]中的滴定法；酸價的測定：參考GB 5009.229—2016《食品中酸價的測定》[15]中的冷溶劑指示劑滴定法。

1.3.3 薏苡仁油揮發性化合物SPME-GC-MS檢測

SPME條件：稱取1 g薏苡仁油置于10 mL采樣瓶中，60 ℃加熱處理隨后插入2 cm-50/30 μm DVB/CAR/PDMS纖維頭的手動進樣器，頂空萃取40 min后，移出萃取頭并立即插入GC進樣口（溫度250 ℃）中，熱解吸5 min進樣。

GC條件：FB-5MS彈性石英毛細管柱（30 m×0.25 mm，0.25 μm）；程序升溫：柱溫40 ℃，保持4 min，以2 ℃/min升溫至110 ℃，再以10 ℃/min升溫至280 ℃；運行時間56 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 min。

MS條件：電子電離源；離子源溫度230 ℃；電子能量70 eV；發射電流34.6 μA；質量掃描范圍29～500 u。

定性定量分析：對總離子流圖中各峰經質譜計算機數據系統檢索、人工解析圖譜及與NIST 2005和Wiley 275質譜庫匹配，并參考有關文獻定性確定化合物，用峰面積歸一化法確定各化學成分的相對含量。

1.3.4 電子鼻檢測

準確稱取2 g薏苡仁油，放入10 mL樣品瓶，靜置1 h后進行電子鼻分析，采用頂空吸氣法，手動單樣品進樣，直接將進樣針頭插入樣品瓶，完成一次檢測后系統進行清零和標準化。

檢測參數：樣品準備時間5 s、檢測時間80 s、測量計數1 s、自動調零時間5 s、清洗時間300 s、內部流量400 mL/min，進樣流量400 mL/min[16]。

1.3.5 相對氣味活度值（relative odor activity value，ROAV）測定

參照文獻[17]ROAV法評價各揮發性風味化合物對薏苡仁油總體風味的貢獻程度，確定關鍵風味物質。

1.4 數據處理

采用Origin 2017和Excel 2016軟件對實驗數據處理制圖，用SPSS 22軟件中Duncan檢驗法進行差異顯著性分析，P＜0.05，差異顯著。利用電子鼻自帶的Win Muster軟件進行LDA。

2 結果與分析

2.1 薏苡仁油氧化期間過氧化值及酸價變化分析

圖1 加速氧化期間薏苡仁油過氧化值和酸價變化情況Fig. 1 Changes in peroxide value and acid value of coix seed oil during accelerated oxidation

從圖1可以看出，薏苡仁油在60 ℃烘箱中氧化30 d時，過氧化值逐漸增加。在氧化初期，過氧化值增長趨勢較平緩，屬低度氧化階段，15 d后開始加速增長進入中度氧化階段。25 d時油脂過氧化值達到最大，為319.193 mmol/kg，之后則略有降低，可能因油脂此時過氧化物自身不穩定，在產生過氧化物的同時伴隨二級氧化反應形成醛、酮、酸及環氧化物等二級氧化產物，當過氧化物的分解速率大于形成速率時，過氧化值可能出現降低趨勢。在氧化初始階段，薏苡仁油酸價為5.334 mg/g，隨著氧化時間的延長，薏苡仁油中不飽和脂肪酸在較高溫度下發生氧化分解產生醛、酮等成分外，還形成短鏈揮發性脂肪酸甲酸、乙酸、丙酸等，使其酸價不斷升高[18]，在20 d后呈現出顯著升高的趨勢（P＜0.05），30 d時趨于平緩，此時油脂品質劣變最嚴重。可見，加熱加速氧化實驗能較好地反映油脂品質劣變過程，這與曹君[19]研究結果相一致。但與肖小年等[20]對薏苡仁油氧化的研究有較大差別，這可能與油脂氧化方式不同有關。

2.2 薏苡仁油氧化期間揮發性化合物SPME-GC-MS分析

圖2 薏苡仁油氧化期間揮發性成分總離子流圖Fig. 2 Total ion current chromatograms of volatile components during oxidation of coix seed oil

表1 薏苡仁油氧化期間揮發性物質SPME-GC-MS結果Table 1 Major volatile compounds identi fi ed from coix seed oil by SPME-GC-MS

續表1

如圖2、表1所示，剔除萃取頭過度受熱產生的少量硅氧烷類雜質峰，采用SPME-GC-MS分析鑒別出樣品揮發性物質共74 種，主要包括醛類（23 種）、酮類（8 種）、酸類（4 種）、醇類（7 種）、酯類（5 種）、烷烴類（24 種）、雜環類（3 種）。

在新鮮油中，醛類物質相對含量達到84.848%，包括13 種不飽和醛（64.064%）和7 種飽和醛（20.784%）。其中，(E)-2-壬稀醛（30.760%）＞己醛（17.103%）＞(E)-2-癸烯醛（8.405%）＞(E,E)-2,4-癸二烯醛（6.766%）＞(E,Z)-2,4,-癸二烯醛（4.383%）＞(E)-2-辛烯醛（3.946%）＞(E)-2-庚烯醛（3.924%），這與Tura等[21]采用SPME-GC-MS分析得出醛類為橄欖油主要的揮發性結果相似。酸類、醇類、酮類物質相對含量分別為2.394%、1.140%、1.137%。

新鮮油在60 ℃烘箱中加速氧化30 d后，醛類物質相對含量減少，為73.815%，其中(E)-2-壬稀醛相對含量減少了30.145%，飽和醛相對含量為35.56%，較新鮮油增加了14.776%，這可能是由于薏苡仁油加速氧化期間飽和醛積累，不飽和醛類進一步氧化成小分子醛和二醛[22]，同時導致酸類化合物的相對含量增加8.865%，其中乙酸和己酸相對含量與氧化時間呈正相關，己酸相對含量增加了9.116%，可能是由己醛和2,4-癸二烯醛進一步氧化分解產生[23]，占酸類化合物總量的84.6%，這與油脂過氧化值、酸價在加速氧化后期逐漸增大結果相吻合[18]，并與油脂氧化后期酸敗味嚴重相一致；加速氧化后油脂醇類物質相對含量增加5.286%，醇類衍生自脂肪酸的次級氫過氧化物的降解或羰基化合物的還原[24]。飽和醇1-戊醇是薏苡仁油氧化過程中含量最高的醇類，衍生自亞油酸基團，閾值較高，對氧化薏苡仁油風味貢獻較小。不飽和醇1-辛烯-3-醇相對含量達到1.427%，其閾值較低，對風味影響較大。2-正戊基呋喃是樣品氧化期間檢測的主要烷基呋喃，對薏苡仁油的風味有重要貢獻。

2.3 薏苡仁油關鍵風味化合物的ROAV分析

表2 薏苡仁油中呈味物質及其ROAVTable 2 Taste-active substances and their ROAV in coix seed oil

采用ROAV篩選樣品總體風味貢獻組分結果，見表2。通常情況下，ROAV≥1，組分為所分析樣品的關鍵風味化合物，ROAV越大的組分對樣品總體風味的貢獻越大，0.1≤ROAV＜1，組分對樣品的總體風味具有重要的修飾作用[25]。

新鮮油中(E)-2-壬稀醛相對含量最高，且閾值0.08 μg/kg較小，綜合呈味分析其對新鮮薏苡仁油的總體風味貢獻最大，定義其ROAVstan為100；30 d氧化油中定義1-辛烯-3-酮的ROAVstan為100。由表2可知，新鮮油中，有6 種揮發性物質ROAV不小于1，其貢獻度大小為：(E)-2-壬稀醛（100）＞(E,E)-2,4-癸二烯醛（25.14）＞(E)-2-癸烯醛（7.29）＞(E,Z)-2,6-壬二烯醛（6.01）＞1-辛烯-3-酮（3.43）＞癸醛（1.12）；己醛、2-正戊基呋喃、辛醛、(E)-2-辛烯醛、壬醛、1-辛烯-3-醇等對樣品總體風味具有重要修飾作用（0.1≤ROAV＜1）。醛類一般產生較好的風味，呈現油脂味、堅果味和青草味，多數醛類對油脂風味起積極貢獻作用[28-29]。(E)-2-壬稀醛具有青香、脂香、西瓜樣品味，己醛呈現出青草香味，是亞油酸一級氧化產物，(E,E)-2,4-癸二烯醛具有脂香、青香、土豆樣氣味，賦予新鮮油青草氣味、油脂味、西瓜樣品味。呋喃類化合物大多是亞油酸氧化產生，氧化期間均檢測出2-正戊基呋喃，因其閾值較低，對薏苡仁油貢獻了一定的蔬菜香、泥土味。

30 d氧化油中，有9 種揮發性物質ROAV不小于1，其貢獻度大小為：1-辛烯-3-酮＞(E,E)-2,4-癸二烯醛＞(E)-2-癸烯醛＞癸醛＞(E)-2-壬稀醛＞壬醛＞辛醛＞己醛＞(E)-2-辛烯醛；庚醛、(E)-2-庚烯醛、2-正戊基呋喃、1-辛烯-3-醇、正戊醛等物質對30 d氧化油具有重要的修飾作用。與新鮮薏苡仁油相比，氧化薏苡仁油中檢測出的辛醛、己醛、壬醛、庚醛、1-辛烯-3-酮、1-辛烯-3-醇、己酸、2-正戊基呋喃等化合物相對含量均增加，ROAV均增大，對氧化薏苡仁油酸敗味的貢獻產生較強的影響。新鮮油和氧化油共有的關鍵風味化合物有1-辛烯-3-酮、(E,E)-2,4-癸二烯醛、(E)-2-癸烯醛、(E)-2-壬稀醛、癸醛。

研究表明，壬醛、己醛、戊醛等化合物與油脂酸敗味高度相關[30]。飽和直鏈醛通常呈現出令人不愉快的、辛辣的、刺激性氣味[31]。庚醛具有強烈和不愉快的油脂刺鼻氣味[32]。己醛高濃度時有酸敗、令人作嘔的氣味，1-辛烯-3-醇是亞油酸氫過氧化物的次級產物，呈現出土腥味、蘑菇味[33]，其氧化產物1-辛烯-3-酮具有強烈的蘑菇香和金屬味；己酸等中短鏈脂肪酸具有較為強烈的酸腐味[34]。這些小分子化合物可能是薏苡仁油氧化劣變的重要物質，產生酸敗味的來源[35]。

2.4 薏苡仁油電子鼻檢測及揮發性成分分析

圖3 不同氧化時間薏苡仁油揮發性氣味雷達圖Fig. 3 Radar map of volatile odors of coix seed oil with different oxidation times

研究表明，電子鼻技術對油脂的分類具有較高的可信度和準確性[36-37]，可以對氧化油進行區分。圖3可直觀比較電子鼻對不同氧化時間薏苡仁油響應值的差異，可以看出，R1、R3、R4、R5、R6、R8、R10傳感器對樣品的響應值較小，而R2、R7、R9傳感器對不同氧化時間薏苡仁油的響應值最大，對氮氧化物、氫氧化合物、甲烷、硫化物和芳香成分靈敏[38]，PEN3電子鼻系統較好地區分油脂樣品間揮發性物質的差異。

圖4 不同氧化時間薏苡仁油LDA圖Fig. 4 LDA score plot of coix seed oil with different oxidation times

由圖4可見，第1主成分和第2主成分的貢獻率分別為66.70%和25.54%，總貢獻率為92.24%。7 種樣品數據點互不重疊，區別明顯，說明LDA能夠很好地區分不同氧化時間薏苡仁油的揮發性風味。從樣品的距離看，新鮮油與氧化油之間的距離較遠，從兩兩之間的距離對比可知，20、25 d和30 d氧化油的距離更為接近，說明三者間風味接近，可以歸為一類，這與過氧化值和酸價的變化趨勢相一致，與GC-MS分析揮發性成分結果基本一致。LDA考慮了種間差異及組內點集中程度，并將其最大化[39]，故判別效果較好，這一結果與Xu Lirong等[16]對氧化與未氧化植物油的研究結果相一致。

3 結 論

利用SPME-GC-MS、電子鼻及LDA得出，薏苡仁油在60 ℃加速氧化期間的特征揮發性風味物質主要為醛類、酮類、醇類化合物。新鮮油與氧化油的各類揮發性化合物的相對含量均有差異，新鮮薏苡仁油中醛類物質相對含量達到84.848%，以不飽和醛類化合物居多，酸類、醇類、酮類物質相對含量分別為2.394%、1.140%、1.137%。隨著氧化時間的延長，醛類物質相對含量逐漸減少，第30天時醛類物質相對含量減少11.033%，醇類、酸類物質逐漸增多，油脂品質劣變嚴重。新鮮薏苡仁油的關鍵風味化合物及按貢獻度從大到小依次為(E)-2-壬稀醛、(E,E)-2,4-癸二烯醛、(E)-2-癸烯醛、(E,Z)-2,6-壬二烯醛、1-辛烯-3-酮、癸醛，共同賦予新鮮薏苡仁油青草氣味、油脂味、西瓜樣品味；30 d氧化薏苡仁油關鍵風味化合物依次為1-辛烯-3-酮、(E,E)-2,4-癸二烯醛、(E)-2-癸烯醛、癸醛、(E)-2-壬稀醛、壬醛、辛醛、己醛、(E)-2-辛烯醛，與新鮮油相比，新增壬醛、辛醛、己醛等小分子醛類關鍵風味化合物，初步判斷為致薏苡仁油氧化后期出現酸敗氣味的主要來源。電子鼻線性判別分析明顯區分新鮮油與氧化油以及氧化前期及后期風味物質差異，為油脂氧化鑒別提供理論依據。