基于電子鼻與GC-MS 對不同格瓦斯揮發性風味成分差異分析

唐紅梅，李玉斌，王浩文，鄧 靜，劉 陽，劉乙志，劉 建，吳華昌,*

（1.四川輕化工大學生物工程學院，四川 宜賓 644000；2.中國科學院成都分院，四川 成都 610041；3.四川旅游學院 烹飪科學四川省高等學校重點實驗室，四川 成都 610100；4.四川旅游學院食品學院，四川 成都 610100）

格瓦斯是東歐國家傳統的非酒精軟飲料，其乙醇體積分數低于1.2%[1]，主要由黑麥或干麥面包自然發酵而成[2]，具有醇香和面包香。格瓦斯采用有利的微生物組合（乳酸菌-酵母菌）發酵，所以富含豐富的B族維生素、乳酸、二氧化碳[3]。自然發酵的格瓦斯能量值比典型非酒精飲料低約1/2，對人體的影響與開菲爾相似[2]，具有開胃、助消化等功效。近年來，隨著消費者對營養、功能性食品興趣的日益增加[4]，具有良好滋味與功能性[5]的格瓦斯具有巨大的開發前景與研究意義。但目前格瓦斯的研究多集中在發酵[6]、生產[7]、貯藏工藝[8]階段，對格瓦斯風味研究較少，而且鮮見有對不同格瓦斯風味物質的差異分析。

氣相色譜-質譜（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）能檢測不同樣品中風味物質的種類和含量，但對不同樣品整體風味差異分析較繁瑣，而電子鼻能直接從整體上對樣品風味進行分析，兩者配合有利于從局部和整體上詳細地研究食品的風味[9]。目前，電子鼻在食品應用方面已有諸多研究。張娟等[10]利用電子鼻技術并結合統計學分析方法，對牛肉中豬肉摻假進行識別。易宇文等[11]以東坡肘子為對象，利用感官評價和電子鼻技術對其風味特征進行分析，發現二者分析結果具有良好的一致性。Wang Min等[12]開發了一種小型電子鼻系統，可以實時地對冰箱食品的新鮮度進行評估。Wei Xiaobao等[13]對比了GC-MS與電子鼻技術對摻假牡丹籽油的識別能力，結果發現電子鼻結合線性判別分析更適用于牡丹籽油摻假的檢測。電子鼻結合GC-MS的技術廣泛應用于食品不同品種、品質及貯存條件揮發性風味物質的研究，包括野生真菌[14]、中藥材[15]、白酒[16]、肉類[17]、水果[18]、蔬菜[19]等，這些研究很好地證明電子鼻結合GC-MS在鑒定食品風味差異上具有良好的相關性與互補性。

本實驗以電子鼻、GC-MS為主要技術手段，結合主成分分析，對自制青稞格瓦斯以及市售4 種格瓦斯的風味物質進行差異鑒定，以期為格瓦斯風味的進一步研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

自制青稞格瓦斯（Z），按文獻[20]制作；娃哈哈格瓦斯（W） 杭州娃哈哈集團有限公司；秋林格瓦斯（Q）天津秋林格瓦斯食品科技有限責任公司；巴巴耶夫格瓦斯（B） 俄羅斯紅色十月食品集團；歐奇科娃（O）莫斯科歐奇可娃封閉式股份公司。

1.2 儀器與設備

FOX 4000型電子鼻（帶Alpha SOFT V12軟件）法國Alpha MOS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、HP 5890/5975 GC-MS聯用儀 美國Agilent公司。

1.3 方法

1.3.1 電子鼻測定[21]

樣品前處理：將5 種樣品用超聲波脫氣處理30 min，排除二氧化碳。脫氣完成后，每個樣品取5 份進行平行測定，每份取1 mL，置于10 mL玻璃瓶中，頂空加熱5 min（加熱溫度為70 ℃），進樣針吸取0.5 mL頂空氣體進樣分析。

檢測條件：載氣（合成干燥空氣）流速150 mL/min，數據采集時間120 s，延滯時間300 s。檢測結束后，以18 個傳感器的最大響應值進行統計分析，不同傳感器對應不同的敏感度物質[22]。

1.3.2 頂空固相微萃取-GC-MS測定

頂空固相微萃取條件：準確量取5 種市售格瓦斯樣品各8.0 mL及0.5 g氯化鈉于15 mL樣品瓶中，將老化的50/30 μm DVB/CAR/PDMS固相微萃取頭插入樣品瓶頂空部分，70 ℃平衡30 min、吸附15 min后，取出萃取頭并插入GC進樣口，同時啟動儀器采集數據，解吸3 min。

GC-MS分析條件：HP-5MS色譜柱（30 m×0.25 mm，0.25 μm）；載氣：氦氣；進樣口溫度250 ℃；進樣量2 μL；進樣采用不分流方式，載氣流速1.3 mL/min；升溫程序：初溫50 ℃，保持2 min，以5 ℃/min升到200 ℃，保持5 min，以25 ℃/min升到250 ℃，保持5 min。

由計算機質譜系統NSIT與RTLPEST檢索未知化合物，匹配度大于700（最大1 000）且可能性大于40%的結果將予以報告，各成分相對含量的計算采用面積歸一化法。

1.4 數據處理

采用IBM SPSS Statistics 22.0進行數據處理與分析，Origin 9.0進行相關圖形的繪制。

2 結果與分析

2.1 電子鼻分析結果

由圖1可知，格瓦斯Z、O、B、Q具有相同的指紋圖譜，而格瓦斯W風味強度較弱，響應值在0～0.5之間，這可能是因為前四者是乳酸菌與酵母菌共同發酵，生成酯類、醇類及有機酸類等易揮發性風味物質較多，而格瓦斯W是多種乳酸菌發酵，產生的揮發性風味物質種類較單一，主要是有機酸類。其中，格瓦斯W在傳感器LY2/G與其他格瓦斯差異最大，該傳感器主要對氨、胺類、碳氧類化合物敏感，其次是對乙醇及燃燒產物敏感傳感器P30/2與對乙醇、氨水、胺類化合物傳感器PA/2。格瓦斯Z、O、B、Q在傳感器LY2/G、P30/2、P30/1、PA/2上均表現出較高響應值，這些傳感器主要對碳氫化合物、氨、胺類、乙醇敏感。

圖1 5 種格瓦斯電子鼻指紋圖譜Fig. 1 Electronic nose fingerprints of five kvasses

2.2 GC-MS分析結果

圖2 5 種格瓦斯的GC-MS總離子流圖Fig. 2 Total ion current chromatograms of five kvasses analyzed by GC-MS

由圖2、表1可知，格瓦斯的風味主要由醇類、酯類、酸類、醛類物質組成，4 種揮發性風味成分總相對含量在73.12%～100%之間。其中，格瓦斯W風味物質以酯類物質為主，相對含量為34.37%，其次是醇類及酸類物質，醛類物質相對含量最少，僅為0.76%，這可能與多種乳酸菌共同發酵有關；格瓦斯Z、Q、B、O風味物質以醇類為主，相對含量分別為82.41%、51.49%、81.04%、67.15%，其次是酸類物質，酯類及醛類物質含量均較低，可能是乳酸菌與酵母菌共同發酵所致，這與艾乃吐拉·馬合木提等[7]在研究乳酸菌和酵母菌共同發酵的紅棗格瓦斯風味成分所得結論一致。

表1 5 種格瓦斯揮發性風味成分Table 1 Volatile flavor components identified in five kvasses

續表1

5 種格瓦斯中均檢測出3-甲基-1-丁醇、苯乙醇、乙酸乙酯。其中，3-甲基-1-丁醇在格瓦斯Z、W、Q、B、O相對含量分別為19.38%、2.39%、15.87%、22.43%、21.95%，3-甲基-1-丁醇又稱異戊醇，該醇是雜油醇或高級醇的主要成分，具有苦杏仁味，是意大利Grappa的主要香氣成分[23]，在葡萄酒中也有檢出[24]。苯乙醇在格瓦斯Z、W、Q、B、O相對含量分別為13.58%、15.01%、10.25%、23.12%、3.32%，其具有玫瑰與丁香花香氣，有先苦后甜的桃子樣味道[25]，其來源有兩條途徑：一部分來自于原料，另一部分來自于L-苯丙氨酸經釀酒酵母中脫氨酶、脫羧酶、還原酶作用產生[26]，在發酵、熟化過程中可與酸類物質發生酯化反應或被氧化為醛類物質，導致含量降低。乙酸乙酯在格瓦斯Z、W、Q、B、O相對含量分別為0.57%、31.34%、0.78%、0.36%、2.35%，其呈現水果香、花香，在葡萄酒、啤酒、白酒中均有檢出，在白酒中含量最高[27]，該物質在發酵中主要由醇與酸發生酯化反應產生，貯存中則主要發生支鏈酯的酯化反應和高濃度直鏈酯的水解反應。

格瓦斯W共檢測出13 種物質，其揮發性成分以乙酸乙酯、山梨酸、苯乙醇、2-乙酰基呋喃為主，相對含量分別為31.34%、18.49%、15.01%、13.95%，其中2-乙酰基呋喃具有甜香與焦糖香，是咖啡、土豆的風味成分之一，但其閾值高達1 000 μg/L[26]，山梨酸為飲料中的防腐劑。格瓦斯Z檢測出16 種物質，主要揮發性成分為乙醇、3-甲基-1-丁醇、苯乙醇、辛酸，相對含量分別為45.93%、19.38%、13.58%、9.40%，其中辛酸具有山羊臭與奶酪香[28-29]，但閾值極高。格瓦斯Q共檢測出

17 種物質，主要揮發性風味成分為乙醇、山梨酸、3-甲基-1-丁醇、苯甲醛、苯乙醇，相對含量分別為24.65%、22.28%、15.87%、13.23%、10.25%。格瓦斯B共檢測出16 種物質，主要揮發性風味成分為乙醇、苯乙醇、3-甲基-1-丁醇，相對含量分別為35.24%、23.12%、22.43%。格瓦斯O共檢測出16 種物質，主要揮發性風味成分為乙醇、3-甲基-1-丁醇，相對含量分別為41.08%、21.95%。

2.3 電子鼻與GC-MS主成分分析

2.3.1 電子鼻主成分分析結果

圖3 5 種格瓦斯電子鼻主成分分析Fig. 3 PCA plot of electronic nose data for five kvasses

利用SPSS數據處理軟件對5 種格瓦斯電子鼻最大響應值及揮發性風味物質組成進行主成分分析，如圖3所示，5 種格瓦斯對18 個傳感器的電子鼻最大響應值進行降維處理后，得到2 個主成分，第1主成分方差貢獻率為96.88%，第2主成分方差貢獻率為1.92%，累計方差貢獻率為98.8%，主成分1、2包含樣品的大部分信息。由圖3可知，5 種格瓦斯以風味不同區分開，沿著第1主成分方向，格瓦斯Z、O、B、Q較為靠近，而格瓦斯W距其他4 種較遠，即風味上存在差異，這種差異由18 個傳感器共同決定，這與圖1所得結論一致。沿著第2主成分方向，格瓦斯Z、O、B、Q得以區分，且Z距離O、B較近與Q距離較遠，這種差異主要由LY2/AA、LY2/Gh、LY2/gCTl、P30/1決定。由電子鼻主成分分析結果可知：從5 種格瓦斯整體特征風味層面分析，格瓦斯Z與格瓦斯W、Q風味差異較大，與格瓦斯O、B風味更為接近。

2.3.2 GC-MS主成分分析結果

對5 種格瓦斯GC-MS數據進行降維處理后，得到3 個主成分，第1主成分方差貢獻率為34.59%，第2主成分方差貢獻率為28.20%，第3主成分方差貢獻率為21.35%，累計方差貢獻率為84.14%，3 個主成分基本上包含樣品的大部分信息。由表2可知，乙醇、山梨酸、苯乙醛在第1主成分具有較大載荷，分別為0.25、-0.27、0.26，乙酸苯乙酯在第2主成分具有較大載荷，為0.25，苯甲醛在第3主成分具有較大載荷，為0.25。說明乙醇、山梨酸、苯乙醛、乙酸苯乙酯、苯甲醛對格瓦斯風味差異區分有重要影響。

表2 GC-MS特征向量矩陣Table 2 Eigenvector matrix of first three principal components

由圖4可知，5 種格瓦斯以風味不同區分開，沿著第1主成分方向，格瓦斯W、Q較為靠近，格瓦斯O、B、Z接近，即國內、國外格瓦斯在乙醇、山梨酸、苯乙醛3 種風味物質上存在差異。國內格瓦斯W、Q乙醇相對含量在35%～45%之間，且含有18%～22%的山梨酸，不含有苯乙醛，該物質具有風信子香味[30]；國外格瓦斯O、B以及格瓦斯Z，乙醇相對含量在0%～25%之間，且含有0.74%～1.49%的苯乙醛，不含山梨酸。沿著第2主成分方向，格瓦斯B、W、Q接近，其他2 種較為分散，即在乙酸苯乙酯上存在差異，該物質具有花香和蜜香[31]，在B、W相對含量為0.6%，Z中相對含量在1.67%左右，其他2 種格瓦斯不含該物質。沿著第3主成分方向，格瓦斯O、B、Z接近，其他2 種較為分散，即在苯甲醛上存在差異，該物質具有苦杏仁味[32]，在O、B、Z中相對含量在0.75%～3.14%之間，Q中相對含量為13.23%，W中不含該物質。綜上所述，格瓦斯B、O、Z風味接近，W與Q較為分散，這種差異可能是由乙醇、山梨酸、苯乙醛、乙酸苯乙酯、苯甲醛相對含量不同所致。

圖4 5 種格瓦斯GC-MS主成分分析Fig. 4 PCA plot of GC-MS results for five kvasses

3 結 論

采用電子鼻，結合主成分分析，對青稞格瓦斯（Z）、俄羅斯格瓦斯（O、B）、國內格瓦斯（Q、W）的揮發性風味成分差異分析可知：從5 種格瓦斯整體特征風味層面分析，格瓦斯Z與格瓦斯Q、W風味差異較大，與格瓦斯O、B風味更為接近。但格瓦斯Z與格瓦斯O、B間存在微小差異，主要因LY2/AA、LY2/Gh、LY2/gCTl、P30/1響應值不同，即乙醇、氨、碳氫化合物含量不同所致。

利用頂空固相微萃取進樣，經GC-MS進一步分析可知：格瓦斯Z與格瓦斯O、B風味更為接近，但與格瓦斯Q、W有較大差異，這一結果與電子鼻分析結果一致。乙醇、山梨酸、苯乙醛、乙酸苯乙酯、苯甲醛等揮發性風味物質在5 種格瓦斯中的相對含量不同，可能會導致風味呈現差異。本實驗從局部和整體對5 種格瓦斯的風味進行差異分析，為不同格瓦斯的風味分析提供參考。