高能電子束輻照對食醋香氣成分的影響

王超，付詩鳴，李攀恒，胡東彬，李磊，潘際林，鐘曉凌，胡勇*，徐沁怡，鄭夢玲

(1.湖北工業大學 生物工程與食品學院 湖北省食品發酵工程技術研究中心，武漢 430068；2.鎮江丹和醋業有限公司，江蘇 鎮江 212344；3.武漢愛邦高能技術有限公司，武漢 436000)

傳統固態醋，也被稱為谷物醋，是中國使用最廣泛的調味品之一。據記載，醋的生產可以追溯到數千年前[1]。目前，中國各地通過傳統發酵技術來釀造醋，由于獨特的發酵工藝和原料以及當地環境的影響，中國不同地方的醋有其獨特的風味和功能。其中鎮江香醋是江蘇鎮江的地方傳統名產[2]，其色濃而味鮮，香而微甜，酸而不澀，并以“香醋擺不壞”而著稱[3]。

眾所周知，食品在出廠前需要進行滅菌操作，以防止微生物的滋生[4]。近幾年，冷殺菌技術逐漸廣泛應用于食品工業。冷殺菌技術也稱為非熱殺菌技術，主要包括超高壓殺菌、微波殺菌、輻照殺菌等[5,6]。與傳統的加熱殺菌相比，在殺菌過程中，食品的溫度升溫很小或不升溫，可以有效避免高溫對食品的營養、風味、質地、色澤的不良影響，充分保留食品的營養成分和原有風味。

目前，食醋行業的原醋一般經過100 ℃蒸煮30 min達到滅菌效果。冷殺菌技術在食醋中尚未有工業化應用。高能電子束就是冷殺菌技術的一種，利用其γ射線或電子射線對物質具有穿透性的特點，對食品進行輻照處理，可以有效殺死食品中的寄生昆蟲和致病菌，具有提高食品的衛生質量和延長食品的保藏期的效果。本實驗通過對未滅菌的原醋進行不同劑量的高能電子束輻照，利用電子鼻系統和頂空固相微萃取-氣相色譜-質譜聯用儀(headspace solid-phase microextraction-gas chromatography-mass spectrometry，HS-SPME-GC-MS)檢測其揮發性香氣成分的變化，為今后冷殺菌技術在食醋滅菌工藝中的應用提供了理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

本實驗的鎮江香醋取自鎮江丹和醋業有限公司。實驗樣品為原醋(未經滅菌處理)、高能電子束輻照后的醋樣(輻照劑量分別為1，3，6 kGy)；2-辛醇(內標)、氯化鈉：國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

PEN3便攜式電子鼻系統 德國Airsense公司；7890A/5975C氣相色譜-質譜聯用儀 美國安捷倫公司；固相微萃取(SPME)手動進樣手柄及萃取頭 美國Supelco公司；恒溫磁力攪拌水浴鍋 常州市金壇友聯儀器研究所。

1.3 實驗方法

1.3.1 樣品菌落總數的測定

參考GB 4789.2—2016《食品安全國家標準 食品微生物學檢驗 菌落總數測定》。

1.3.2 電子鼻對醋液的特征響應

PEN3電子鼻能夠通過傳感器對簡單或復雜的有機蒸汽混合物產生不同的響應。PEN3電子鼻10個傳感器對應揮發性風味物質見表1[7,8]。

1.3.2.1 樣品預處理

取各組樣品1 mL于頂空瓶內，用蒸餾水稀釋一定倍數后密封，在40 ℃恒溫水浴鍋中富集30 min，用于電子鼻檢測。

1.3.2.2 檢測條件

樣品測定間隔1 s，清洗時間100 s，自動調零時間10 s，樣品準備時間5 s，樣品測定時間150 s，內部空氣流量400 mL/min，進樣流量400 mL/min。

1.3.2.3 數據處理

電子鼻測定結果利用WinMuster軟件進行分析，包括主成分分析(PCA)等[9]。傳感器性能描述見表1。

表1 傳感器性能描述Table 1 The description of sensor performance

1.3.3 GC-MS測定樣品風味

1.3.3.1 樣品預處理

采用頂空采樣進行樣品處理[10]。取各組樣品10 mL于40 mL頂空瓶中，加入40 μL提前配制好的內標(2-辛醇)和氯化鈉。頂空瓶中放入轉子后蓋上蓋子，固定在40 ℃恒溫磁力攪拌水浴鍋中，插入萃取頭于頂空瓶內。樣品預平衡20 min后，將纖維頭推下后繼續萃取20 min，然后收起纖維頭，將SPME萃取頭插入GC 進樣口，于250 ℃解吸4 min。

1.3.3.2 檢測條件

a.色譜條件[11,12]

色譜柱：DB-WAX毛細管色譜柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)；以氦氣為載氣(流速為0.9 mL/min)；進樣口溫度設定為250 ℃，不分流。升溫程序：起始溫度40 ℃，3 min，階段一：以5 ℃/min升溫至120 ℃，階段二：以10 ℃/min升溫至200 ℃，保持5 min，階段三：以30 ℃/min升溫至260 ℃，保持6 min。

b.質譜條件

電子離子(EI)；離子源溫度230 ℃；四極桿溫度150 ℃；接口溫度280 ℃；電子能量70 eV，質量掃描范圍33～450 amu。

1.3.3.3 定性和定量方法

將得到的每個樣品的質譜數據與NIST Library對照相匹配，結合保留指數、質譜圖譜、保留指數等對其揮發性成分定性，利用內標物2-辛醇進行定量分析，求得各樣品中揮發性風味物質的相對含量。

2 結果與分析

2.1 菌落總數的測定

圖1 高能電子束輻照醋的菌落總數測定Fig.1 Determination of the total number of colonies of vinegar irradiated by high-energy electron beam

由圖1可知，原醋通過高能電子束輻照1 kGy，其菌落總數對比原醋下降了1/3，而輻照劑量達到3 kGy和6 kGy時，原醋中無菌落生長，說明高能電子束輻照對原醋具有滅菌作用，同時最佳輻照劑量為3 kGy。

2.2 電子鼻檢測

2.2.1 不同傳感器響應值分析

通過取第130 s時電子鼻不同感應器對每組樣品風味物質中的特征響應值，可以得到變化趨勢，見圖2。

圖2 電子鼻傳感器對高能電子束輻照的醋中揮發性物質的響應值Fig.2 Response values of electronic nose sensor to volatile components in vinegar irradiated by high-energy electron beam

圖2中原醋為實驗的對照組，由圖2可知，S1、S3、S4、S5、S10這5個傳感器的響應值變化不顯著，而S2、S6、S7、S8、S9這5個傳感器的響應值較高，并且這5個傳感器的實驗組和對照組差異明顯，說明在后期分析風味上，其參考性較大。

2.2.2 載荷傳感器貢獻率分析

圖3 高能電子束輻照醋的載荷傳感器貢獻率分析Fig.3 Analysis of load sensor contribution rate of vinegar irradiated by high-energy electron beam

由圖3可知，每個點代表一個傳感器，第一主成分的方差貢獻率為76.76%，第二主成分的方差貢獻率為17.69%，其和為94.45%(>85%)，說明該方法有效[13]。在PC1貢獻率上，S9(有機硫化物)貢獻最高，而在PC2貢獻率方面，S6(甲基類)貢獻最高，同時S8(醇類、醛酮類)也有貢獻，而其他傳感器在載荷貢獻率中出現多個重疊現象，且接近于0，表示其貢獻率較小，實際應用時應予以舍棄。通過對傳感器進行響應值和載荷傳感器貢獻率分析可知，每個傳感器對樣品的響應值不同，同時各傳感器在貢獻率分析上有明顯差異，為了使實驗結果更加精確，選擇S6、S8、S9傳感器對輻照處理后的醋中揮發性物質進行PCA分析。

2.2.3 PCA分析

圖4 高能電子束輻照的醋中揮發性物質的主成分分析Fig.4 Principal component analysis of volatile components in vinegar irradiated by high-energy electron beam

由圖4可知，第一主成分的方差貢獻率為76.76%，第二主成分的方差貢獻率為17.69%，其和為94.45%(>85%)，說明此方法有效。在相同的實驗條件下，原醋利用不同劑量的高能電子束輻照后，可以得出，輻照劑量為1 kGy和3 kGy時，與原醋發生重疊，說明三者差異較小，而隨著輻照劑量提高至6 kGy時，對比原醋會存在一定的差異性。說明原醋在低劑量的輻照下可以保持原有的香氣成分。綜上所述，電子鼻可以有效地分析每組樣品之間的差異，但是并不能檢測出每組樣品中具體有哪些風味物質存在差異，因此還需要借助GC-MS進一步分析。

2.3 GC-MS測定

本實驗對對照組原醋和高能電子束輻照1，3，6 kGy時揮發性香氣成分進行GC-MS分析，結果見表2。

表2 高能電子束輻照的醋中揮發性香氣成分氣相色譜-質譜分析結果Table 2 Results of gas chromatography-mass spectrometry analysis of volatile aroma components in vinegarirradiated by high-energy electron beam

注：“*”為乳酸異戊酯、甲酸苯乙酯、甲氧基乙酸乙酯、大馬士酮、1,2,3,4-四氫-1,1,6-三甲基萘、1-(1-甲基乙烯基)-2,3,4,5-四甲基苯6種成分無參考的保留指數，僅參考NIST 數據庫鑒定。

由表2可知，實驗組和對照組共檢測出揮發性香氣成分19種，即酸類2種、醇類2種、酯類9種、醛類1種、酮類1種、酚類2種、萘類1種、其他物質1種。其中原醋樣品檢測出17種香氣成分，輻照(1 kGy)樣品檢測出12種，輻照(3 kGy)樣品檢測出12種，輻照(6 kGy)樣品檢測出11種。與對照組(原醋)相比，經過高能電子束輻照后，酸類、醇類無明顯變化，酯類物質的種類有變化，而醛類、酮類、酚類、萘類未檢測出，說明高能電子束輻照對原醋揮發性香氣成分存在影響。同時為了確定香氣成分的準確性，計算了每種成分的保留指數，由于乳酸異戊酯、大馬士酮、1,2,3,4-四氫-1,1,6-三甲基萘、1-(1-甲基乙烯基)-2,3,4,5-四甲基苯4種成分無參考的保留指數，因此對以上4種物質采用CAS號進行查詢。

原醋中所占比例較大的風味物質是乙酸、2,3-丁二醇、苯乙醇、乙酸異戊酯、丁二酸二乙酯、乙酸苯乙酯，其中酯類物質很豐富，尤其是乙酸異戊酯、乙酸苯乙酯，其質量濃度分別達到101.0，43.8 μg/L，這與Guerrero E D等[14]的結果相似。并且還存在少量的醛類、酮類、酚類及萘類物質，共同促進食醋獨特的風味[15]。經過不同劑量(1，3，6 kGy)的高能電子束輻照后，原醋的香氣成分含量變化不規律，其中乙酸異戊酯、乳酸異戊酯、苯乙酸乙酯、乙酸苯乙酯隨著輻照劑量的增加，其含量呈下降的趨勢，并且原醋中的醛類、酚類及萘類等物質的香氣成分有所損失，但卻檢測出其他酯類物質，比如甲酸苯乙酯和甲氧基乙酸乙酯，說明在輻照的過程中，損失的香氣成分可能轉換為其他的酯類或者酸類物質，導致乙酸、己酸、丁二酸二乙酯等含量的上升。當輻照的劑量達到6 kGy時，在樣品中未檢測到苯甲酸乙酯，表明高劑量的高能電子束輻照對原醋的香氣成分會造成一定的影響。

3 結論

本實驗經過高能電子束輻照原醋后，通過電子鼻和GC-MS的檢測，觀察其香氣成分的變化，并評價不同劑量(1，3，6 kGy)高能電子束照射對食醋風味的影響。

原醋經過高能電子束輻照后，通過菌落總數的測定發現輻照劑量>3 kGy時，滅菌效果較好。通過電子鼻檢測得出：S2、S6、S7、S8、S9這5個傳感器的響應值較高，當輻照劑量為1 kGy和3 kGy時，與原醋的風味差異較小。并且結合GC-MS的測定，發現輻照后的原醋香氣成分的含量變化不規律，同時檢測出新的酯類物質，比如甲酸苯乙酯和甲氧基乙酸乙酯，但醛類、酚類、萘類成分有所損失，而輻照劑量為3 kGy時，雖然改變了揮發性風味物質的種類與含量，但通過電子鼻分析，此變化未明顯改變傳感器響應值，表明選用輻照劑量為3 kGy的高能電子束輻照可用于原醋的殺菌處理。