基于GC-MS和電子感官技術分析發芽對黑麥茶風味的影響

陸晨浩，王曦如，仲夢涵，郝怡寧，陳尚兵，王玉環，邢常瑞，袁 建

（南京財經大學食品科學與工程學院，江蘇 南京 210023）

黑麥（Secale cereale L.）素有“蛋白麥”的美稱[1]，相較于大麥與小麥，黑麥中的蛋白含量非常高[2-3]。不僅如此，黑麥還富含阿魏酸、植物甾醇類、黃酮類化合物等植物活性物質[4-5]。目前黑麥功能性食品的開發僅在面包[6]與餅干[7]上應用較多。2018年富硒黑麥茶大量出現，極受消費者青睞，而關于發芽黑麥茶的研究相對較少，發芽黑麥在未出苗時營養倍增，且抗氧化活力提高，發芽后麥芽中增加了可溶性物質，并含較多胡蘿卜素與維生素，經酶解可以生成具有甜味的纖維素，增加了適口性，易于消化[8-9]。蔣芮等[10]對黑大麥發芽進行研究，發現發芽第2天發芽率達到最高，第3天營養物質含量顯著升高，具有開發功能性食品的巨大潛力，所以研究開發發芽黑麥茶具有重要意義。

鑒定茶品質的過程中滋味、香味均為重要指標，其中茶的香味對茶品質的貢獻率達25%～40%[11-12]。本實驗運用電子鼻與電子舌聯用，對發芽黑麥茶的品質進行鑒定。電子鼻通過傳感器陣列對茶葉總體氣味信息進行以饋[13]。電子舌則能夠從酸、甜、苦、咸、鮮這5 種滋味進行模擬并用數據進行以饋，多角度對茶品質進行評定。Mahuya等[14]通過電子鼻、電子舌聯用對紅茶進行分類并快速檢測其品質。Runu等[15]將此技術運用于茶葉品質檢測自動化。

為進一步比較發芽黑麥茶香味品質，本實驗采用氣相色譜-質譜（gas chromatography-mass spectrometry，GCMS）與電子鼻聯用，并用保留指數（retention index，RI）進行定性，增加結果準確性。Zhou Xuxia等[16]通過GC-MS與電子鼻聯用評價洗滌方法對鰱魚肉糜香氣特性的不同影響。Qiu Shanshan等[17]利用GC-MS對柑橘進行質量檢測。

1 材料與方法

1.1 材料

黑麥為2018年新收種子級黑小麥，采自河南省商丘市寧陵縣。

1.2 儀器與設備

BEAR智能發芽機 小熊環境電器有限公司；DHG-9140A電熱鼓風干燥箱 上海一恒科學儀器有限公司；ASTREE電子舌、α-FOX3000電子鼻 法國Alpha MOS公司；7890A-5875C GC-MS聯用儀 美國安捷倫公司；手動固相微萃取進樣器、50/30 μm DVB/CAR/PDMS萃取頭 美國Supelco公司。

電子鼻和電子舌傳感器，如表1、2所示。

表1 電子鼻傳感器陣列性能Table 1 Performance of electronic nose sensor arrays used in this study

表2 電子舌傳感陣列性能Table 2 Performance of electronic tongue sensor arrays used in this study

1.3 方法

1.3.1 發芽黑麥茶樣品制備

將黑麥放入水中浸泡8～10 h，取出放入發芽機培養，分別在第1、2、3天取出。將發芽黑麥放入60 ℃烘箱干燥3 h，取出放入180 ℃烘烤機中處理30 min，冷卻。

1.3.2 揮發性成分測定

參考陳兵等[18]的方法，稍作修改。稱量0.50 g左右的樣品裝入15 mL萃取瓶中，置于60 ℃恒溫水浴鍋平衡10 min，插入裝有纖維頭的手動固相微萃取進樣器進行采樣，吸附45 min，采樣完畢立即進行GC檢測，250 ℃解吸3 min。

G C條件：D B-5 M S彈性石英毛細管柱（30 m×0.25 mm，0.25 μm）；載氣為He；恒流模式：流速1.7 mL/min；升溫程序：初始溫度40 ℃，保持5.0 min，以10 ℃/min升至85 ℃，保持3.0 min，以4 ℃/min升溫至200 ℃，保持3.0 min，再以10 ℃/min升溫至230 ℃，保持1.0 min。

MS條件：電子電離源，正離子模式；電子能量70 eV；離子源溫度200 ℃；質量掃描范圍m/z35～400；發射電流100 μA；檢測電壓1.4 kV。

1.3.3 電子鼻測定

取3 g樣品放入小瓶，在35 ℃平衡300 s并產生揮發性物質，揮發性物質以150 mL/min速率進入電子鼻，與傳感器接觸120 s[19]。

1.3.4 電子舌測定

參考董文江等[20]的方法，稍作修改。稱取5 g樣品，放入100 mL沸水中沖泡，雙層膜密封，置于60 ℃水浴鍋靜置10 min后過濾，冷卻到室溫，進行電子舌數據采集，采集時間120 s，每個樣品間用超純水清洗10 s，每個樣品重復5 次實驗。

1.4 數據處理

采用Origin軟件，對電子鼻與電子舌響應值進行主成分分析（principal components analysis，PCA）圖與雷達圖。

發芽黑麥茶經GC-MS分析，產生總離子流圖對其進行質譜檢索，在與樣品色譜條件相同的情況下，與正構烷烴C7～C40的色譜進行對照分析，RI按下式計算：

式中：tx為物質保留時間/min；tn為正構烷烴保留時間/min；n為正構烷烴的碳原子數，tn＜tx＜tn+1，實際值與引用值誤差應不超過3%。

2 結果與分析

2.1 基于電子鼻與電子舌傳感器的發芽黑麥茶氣味與滋味響應值分析

圖1 發芽黑麥茶電子鼻（A）和電子舌（B）雷達圖Fig. 1 Electronic nose (A) and electronic tongue (B) radar maps of sprouted rye tea

如圖1所示，除了電子鼻傳感器s1與s6響應值較為接近，其余傳感器都有區別。電子鼻傳感器s1與s6相差不大，說明氯、氮氧化合物差距不大，丙烷丁烷區別也不大。發芽與未發芽黑麥茶的風味區別主要在傳感器s7～s12，發芽相較于未發芽含有更多極性化合物、脂肪酸、芳香族化合物。s2～s5有著較小的差別，酮類胺類小幅改變，相較于s7～s12并不明顯。

電子舌的味覺傳感器陣列顯示除了傳感器s13與s19區別較大外，其他味覺基本相近。s13代表酸味，隨著黑麥的發芽，酸味不斷下降，這與孫麗華[21]研究的大麥發芽時蘋果酸與檸檬酸在3 d之中有明顯下降結果一致。s19代表苦味，苦味是由于茶中咖啡堿、茶多酚存在，可溶性糖是茶湯中甜味部分，能緩解咖啡堿與茶多酚的苦味[22]。隨著黑麥的發芽，苦味下降明顯。傳感器s16數值較高，代表鮮度，鮮度由氨基酸產生，4 種黑麥茶鮮味差距不大，這與蔣芮等[10]結果一致。鮮味氨基酸變化不大，其中谷氨酸鈉是鮮味氨基酸的代表，具有較高鮮度，天冬氨酸也具有一定鮮度。它們是黑麥茶中鮮度滋味的呈味代表。

2.2 PCA結果

圖2 發芽黑麥茶電子鼻（A）和電子舌（B）PCAFig. 2 Principal component analysis of electronic nose (A) and electronic tongue (B) sensor responses to sprouted rye tea

如圖2A所示，PC1與PC2的貢獻率分別為88.552 7%與10.995%，兩者之和高達99.547 7%，說明該數據能很好地以映樣品的整體信息，而判別指數（discrimination index，DI）為91表明樣品之間區分度大，3 個發芽的黑麥茶較為靠近，氣味接近。而未發芽的黑麥茶較遠，相較于發芽的黑麥茶區別較大，發芽黑麥茶相互接近，然而未有重疊，因此能起到很好的區分作用。因為隨著麥芽的生長勢必會出現氣味的變化，而隨著麥芽的活性物質增多，風味改變較小但仍有區別。

如圖2B所示，PC1與PC2的貢獻率分別為87.663%與7.745%，兩者之和高達95.408%，該數據也能較好地以映樣品整體信息，具有代表性。DI為94，表明不同樣品間具有較大的區別。隨著發芽時間的延長，制成的麥茶味道區別也越來越大。發芽第1天與未發芽較為接近，發芽第2、3天的黑麥風味較為接近。與雷達圖顯示結果一致。第1天的麥芽較短，長度在0.2～0.5 cm之間，所產生的風味區別改變不明顯，而隨著發芽時間的延長，麥芽長度可達1～3 cm，風味改變較為明顯。

2.3 RI定性

2.3.1 發芽黑麥茶主要香氣成分

在質譜庫檢索定性的基礎上，采用RI進行進一步的定性，確保化合物的準確性。RI僅與固定相性質和柱溫有關，能很好地保證物質鑒定的準確性[23]，定性結果如表3、4所示。

發芽黑麥茶的主要香氣成分來自醛類、酮類、酸類與雜環類，一方面由于美拉德以應的產生，另一方面由于黑麥中不飽和脂肪酸的酶解與化學氧化所形成的。共檢測出醛類12 種，酮類4 種，酸類5 種，雜環類7 種。

表3 烘烤發芽黑麥茶主要香氣成分相對含量變化Table 3 Relative contents of main aroma components in sprouted rye tea

醛類主要來自美拉德以應，也有部分來自過氧化物的裂解與長鏈不飽和醛氧化降解的短鏈醛[24]。美拉德以應中醛類物質的產生主要源自天冬氨酸、賴氨酸、甲硫氨酸、組氨酸與葡萄糖或果糖的以應[25]。隨著發芽時間的延長，醛類在總揮發性物質中占比基本穩定，在第3天有較大的增幅，前3 d為20%左右，在第3天直接達到40%左右的高占比，是前3 個樣品的2 倍。這是因為發芽第3天的黑麥中的游離氨基酸有了大幅度的提高，脂肪含量有增高趨勢，致使烘烤過程中美拉德以應產生醛類物質的含量有了很大提高。其中糠醛、3-糠醛、5-甲基糠醛相對含量增加最為明顯，約為第2天的2 倍，它們具有烘烤香與堅果香，是發芽黑麥茶香氣組成成分中重要的一部分。壬醛占比也相對較大，前3 d都保持在4.15%左右，而在第3天高達9.16%，壬醛主要由酸氫過氧化物裂解產生[26]，其獨特的奶油香味是烘烤食品風味的重要組成部分。

酮類化合物是由醇氧化或酯的分解產生，雖然本身占比并不大，但其賦予了食品焦糊味[27]。隨著發芽時間的延長酮類化合物也不斷增加。未發芽時相對含量只有1.22%，隨后3 d相對含量穩定在3%左右。在發芽的最后2 d，醇類相對含量增加，其由酯的分解產生。

在香氣組成成分中除了醛類發揮著重要作用外，雜環類如吡嗪、吡啶也發揮著至關重要的作用，雜環類化合物主要來自氨基酸和糖的美拉德以應、氨基酸直接熱解和葫蘆巴堿降解[28]。隨著發芽時間的延長雜環類化合物相對含量呈不斷下降的趨勢，未發芽時占比在31.96%，而發芽第3天時僅占6.16%。其中2-乙基-5-甲基吡嗪與2-乙基-3,6-二甲基吡嗪下降最為顯著，未發芽與發芽第3天比較，分別下降了9.33%和6.60%。這是因為隨著發芽時間的延長醛類物質的含量占比逐漸增多，導致雜環類物質相對含量減小，合成與熱解相對減少，且雜環的閾值較高，而與雜環相比，醛類閾值小很多。

酸類化合物在發芽過程中呈先下降后上升的趨勢，丁酸只出現在發芽最后一天，由發芽出現的低級脂肪酸或丁醛氧化產生。酸在揮發性氣體中占比不大，但在烘烤制品中仍然具有獨特的貢獻，多數為脂肪酸存在于烘烤制品中，呈現烘烤香味。隨著貯藏時間延長，由于微生物及氧化作用，脂肪酸會呈現酸敗氣味。

2.3.2 發芽黑麥茶其他香氣成分分析

其他類物質中，烯烴2 種、酯類8 種、酚類2 種、醇類2 種，雖然沒有醛類與雜環類占比大，但在香氣上也有著獨特的貢獻。

隨著發芽時間不斷延長，酯類在發芽第2天達到了頂峰，增加了7.31%。可能是黑麥體內的酸與醇在高溫作用下，不斷結合生成了酯。在發芽后2 d，酯類主要部分為鄰苯二甲酸二甲酯，發芽第3天其相對含量達到3.84%，比未發芽時高出2.72%。而在發芽第1天占比最多的為正癸酸正癸酯，達到5.20%，由黑麥中的癸酸與癸醇在高溫下以應生成。isomaltol在發芽第2天時檢出，由2,3-dihydro-3,5-dihydroxy-6-methyl-4H-pyran-4-one分解而成，這是其最主要生成方式[29]。糠醇是由糠醛還原而來，在最后2 d相對含量分別為3.24%、4.52%，第0天與第1天均未檢測出，在發芽第2天開始出現，這可能是由于前2 d糠醛相對含量較少，僅為0.39%和2.28%，并不足夠分解為糠醇。酚類物質隨著發芽時間的延長呈增加趨勢，2-甲氧基-4-乙烯基苯酚與2,6-二叔丁基對甲酚都為煙草中常見酚類。2,6-二叔丁基對甲酚在麥芽長出后穩定在3%左右，2-甲氧基-4-乙烯基苯酚一直穩定在3%左右，漲幅不大。烯烴類中，D-檸檬烯占主要成分，該成分可以抗癌、抑制煙草中的毒性[30]。因為D-檸檬烯極易氧化，所以在發芽后期有所減少。而苯乙烯僅在第1天被檢出，相對含量為1.65%，出芽后苯乙烯被分解不再被檢出。

表4 烘烤發芽黑麥茶其他揮發性氣體相對含量變化Table 4 Relative contents of other volatile gases in germinated rye tea

2.3.3 發芽黑麥茶風味物質電子鼻與GC-MS結合分析

相較于未發芽的黑麥茶，發芽后的黑麥茶風味物質種類顯著增加，導致電子鼻PCA作圖時未發芽黑麥茶與發芽黑麥茶分布較遠。其中，3-糠醛、1,13-十四碳二烯-3-酮、丁酸、Z-8-甲基-9-十四酸、乙酸糠酯、十八酸乙烯酯、10-十一碳炔酸十二酯、氯乙酸十六酯、異戊酸香葉酯、糠醇、isomaltol，都是發芽后特有的風味物質，與電子鼻傳感器s9明顯上升結果一致。在相對含量上，雜環類與烯烴類物質呈現下降趨勢，醛類、酮類、酸類、酯類、酚類物質均呈現上升趨勢。GC-MS檢測結果與電子鼻的雷達圖和PCA結果相吻合。

3 結 論

利用GC-MS與電子感官技術對發芽黑麥茶風味物質進行檢測分析，共檢測出揮發性物質42 種。隨著發芽時間的延長，發芽黑麥茶醛類物質相對含量明顯增加，第3天相對含量高達42.23%，其中糠醛、3-糠醛、5-甲基糠醛都有著明顯上升趨勢，使發芽第3天的黑麥茶具有濃重的杏仁香味。酚類物質增加，第3天相對含量達到最大為7.03%，除去雜環類與烯烴類香氣揮發性成分的相對含量均有增加，在成分種類上也有變化，發芽第3天的種類明顯多于第0天。與未發芽的黑麥茶相比，發芽第3天的黑麥茶在香氣揮發性物質的種類與含量都有顯著提高。口感上咖啡堿、茶多酚、蘋果酸等含量的下降致使苦味、酸味都有明顯下降，呈味氨基酸的穩定使鮮味值較高。黑麥茶具有較高的營養價值，與之相比，發芽黑麥茶具有更高營養價值，而且香味和口感的改善都是發芽黑麥茶的優勢。因此發芽黑麥茶的產品在市場上具有廣闊應用前景。