基于電子鼻與氣相色譜-質譜聯用區分不同陳釀期恒順香醋風味物質

鄺格靈，王新宇，李 樹，王 昊，李 信，余永建，趙國忠,*

（1.省部共建食品營養與安全國家重點實驗室，天津科技大學食品工程與生物技術學院，天津 300457；2.江蘇恒順醋業股份有限公司，江蘇 鎮江 212143）

鎮江香醋世界聞名，是最受歡迎的中國食醋之一[1]，以糯米為原料，經固態發酵生產而成，具有獨特的風味和生物活性[2]。醋的化學和感官特性隨時間而變化，其商業價值隨時間的增長發生很大變化[3]。然而許多商家為了追求經濟利益，虛報醋的生產年份，以新充陳，欺騙消費者。目前，人們主要憑借某些簡單的理化指標以及色、香、味、體等感官指標評判陳釀食醋真偽，評價結果具有較大片面性與主觀性[4]。因此，建立一種快速、準確、無損的鑒別不同醋齡摻假的方法具有重要的意義和價值。

電子鼻是利用氣體傳感器陣列的響應圖譜識別氣味的電子系統，能夠快速、實時和連續性地監測氣味指紋及其變化，然后將測得的指紋數據與建立的標準數據庫比對，應用軟件進行電子指紋識別[5]。它是一種簡單和經濟有效的氣味分析工具，可以將揮發性有機樣品的混合物作為一個整體進行識別，而無需在樣品混合物中識別單個化學物質[6]。氣相色譜-質譜（gas chromatographymass spectrometry，GC-MS）聯用與電子鼻相反，可以檢測單一物質含量。GC-MS的分析結果有利于對電子鼻分析結果進行解釋，兩者結合可同時從宏觀和微觀上對樣品香氣進行闡述，目前已經成為對揮發性成分及揮發性物質組成進行精確定性、定量分析的有效手段[7]。本研究采用電子鼻和GC-MS聯用技術，研究不同醋齡恒順香醋的香氣指紋特征，探討恒順香醋關鍵的特征香氣成分。此方法可為鑒別不同陳釀期的恒順香醋提供理論依據和技術參考，而且也可以避免不法商家虛報醋的生產年份，以新充陳，欺騙消費者的不誠信行為。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

恒順香醋陳釀3 a（HS3：S1、S2、S3）、陳釀5 a（HS5：S4、S5、S6）、陳釀10 a（HS10：S7、S8、S9）江蘇恒順醋業股份有限公司；C6～C25正構烷烴 美國AccuStandard公司；2-辛醇 英國Alfa Aesar公司；氯化鈉上海興萌化工科技有限公司；所有其他化學試劑均為國產分析純。

1.2 儀器與設備

PEN3型便攜式電子鼻傳感器 德國Airsense公司；GC-MS聯用儀 日本島津公司；75 μm CAR/PDMS萃取頭、頂空瓶 上海安譜實驗科技股份有限公司；磁力攪拌器 德國IKA公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品制備

1.3.1.1 電子鼻

樣品用蒸餾水稀釋10 倍，吸取6 mL于15 mL頂空瓶中，加轉子，用聚四氟乙烯隔墊密封置于50 ℃加熱平臺水浴加熱50 min，轉速 600 r/min。每個樣品做3 個平行。

1.3.1.2 頂空固相微萃取

樣品用蒸餾水稀釋10 倍，吸取6 mL于15 mL頂空瓶中，加入1.5 g氯化鈉和二辛醇內標，加轉子，聚四氟乙烯封口，50 ℃、600 r/min磁力攪拌器水浴平衡10 min，插入75 μm CAR/PDMS萃取頭（使用前按說明進行老化）頂空吸附40 min，吸附結束拔出萃取頭，迅速插入GC-MS進樣口中，250 ℃解吸5 min，同時啟動儀器采集數據。

1.3.2 儀器分析條件

1.3.2.1 電子鼻條件

電子鼻參數設置：樣品間隔時間1 s，清洗時間60 s，歸零時間10 s，樣品準備時間5 s，測定時間98 s，載氣流速200 mL/min，進樣流量200 mL/min。傳感器信息見表1。

表1 電子鼻傳感器名稱與其相應物質Table 1 Electronic nose sensors and their responses to odorant compounds

1.3.2.2 GC-MS條件

GC條件：色譜柱采用Rtx-5MS石英毛細管柱（30 m×0.25 mm，0.25 μm）；升溫程序：40 ℃保持3 min，以4 ℃/min升溫至150 ℃，保持1 min，再以8 ℃/min升溫至250 ℃；進樣口溫度為250 ℃；載氣：氦氣，純度99.999%，流速1 mL/min；進樣方式：手動；進樣模式：分流進樣，分流比10∶1。

MS條件：電離方式為電子電離源，電子能量70 eV，離子源溫度200 ℃，接口溫度220 ℃，m/z35～500進行質量掃描，溶劑延遲1.5 min，檢索圖庫為NIST11。GC-MS測定結果通過NIST 2011圖庫檢索，并用峰面積歸一法測算各化學成分的相對含量。

1.4 數據分析

定性和定量分析：由GC-MS得到的譜圖，經計算機在標準譜庫NIST11和Wiley中比檢索比對各色譜峰的質譜信息，選擇相似度達70%以上的成分結構信息，并根據烷烴標準品（C6～C25）提供的可靠信息計算保留指數，準確鑒定不同陳釀期恒順香醋的揮發性成分。同時采用內標法進行半定量，得到各組分的質量濃度。

電子鼻所測數據用其自帶的Winmuster軟件進行主成分分析（principal component analysis，PCA）和載荷分析（loading analysis，LOA），采用Origin 2019b進行雷達圖及GC-MS的數據分析。

2 結果與分析

2.1 基于電子鼻技術對不同陳釀期的恒順香醋風味品質差異性分析

2.1.1 電子鼻傳感器對不同陳釀期恒順香醋的信號響應

圖1 電子鼻傳感器對恒順香醋的響應曲線Fig. 1 Response curves of electronic nose sensors to Hengshun vinegar

如圖1所示，10 條曲線分別代表電子鼻的10 個傳感器對恒順香醋香氣的響應情況，傳感器W2S、W5S、W2W、W1S、W1W響應曲線較高，其中，傳感器W2S響應曲線最高，說明該傳感器對香醋香氣的響應最強。有些傳感器對香氣的響應值非常低，接近基值“1”，說明對于樣品香氣檢測的貢獻較小。通過比較HS3、HS5和HS10的傳感器響應曲線，可以發現隨著陳釀年份的增加，傳感器W2S、W5S的響應值也相應增加（HS10＞HS5＞HS3），且變化非常明顯。

2.1.2 不同陳釀期恒順香醋雷達圖分析

圖2中主要涉及3 個傳感器W2S（對醇類、醛酮類靈敏）、W2W（芳香成分，對有機硫化物靈敏）和W5S（對氮氧化合物很靈敏）。W2S的區分能力最強，其次是W5S和W2W，其中HS10＞HS5＞HS3，說明這3 種傳感器所檢測的恒順香醋物質含量和陳釀期相關，且HS10的響應值最高。因此不同陳釀期恒順香醋中醇醛酮類、氮氧化物、有機硫化物的含量區別較明顯。

圖2 傳感器對不同陳釀期恒順香醋的響應雷達圖Fig. 2 Radar chart showing electronic nose sensor responses to Hengshun vinegars of different ages

2.1.3 不同陳釀期恒順香醋的PCA

PCA是一種方便的數據轉換和降維處理方法[8]。在用PCA進行分析時，若兩主成分的貢獻率小于95%，則表示分析中有干擾成分的存在，從而說明該方法在數據分析中不合適。從圖3可以看出，PCA結果可以很好地區分樣本，其中PC1貢獻率92.10%，PC2貢獻率為7.77%，前兩個主成分解釋了總方差的99.87%，所以這兩個主成分已經基本代表了樣品的主要特征信息。HS3、HS5和HS10數據點之間無重疊，可以較好地進行識別分類，而且陳釀期較短（HS3）和陳釀期較長（HS10）的香醋存在顯著性差異。

圖3 3 種不同陳釀期恒順香醋的電子鼻結果的PCAFig. 3 PCA of electronic nose results for Hengshun vinegars of different ages

2.1.4 不同陳釀期恒順香醋的LOA

LOA與PCA法相關度較高[9]，主要是對傳感器進行研究，表征出每一種傳感器的分析能力，通過LOA，可以得出電子鼻的10 個傳感器分別對樣品的PCA的貢獻率，由圖4可知，傳感器W2S對PC1貢獻率最大，說明PC1主要反映的是醇、醛、酮類。W5S對PC1和PC2貢獻率都非常大，對PC2的貢獻率最大，說明了PC2主要反映的是氮氧化合物成分。傳感器W2S、W5S發揮了較大的作用，起主要區分作用，而其他傳感器響應較小，區分作用不明顯。因此，可以通過LOA輔助辨別不同陳釀期恒順香醋。

圖4 3 種不同陳釀期恒順香醋的LOA圖Fig. 4 Loading analysis of Hengshun vinegars of different ages

2.2 基于GC-MS技術對3 種不同陳釀期恒順香醋風味品質的差異性分析

2.2.1 3 種不同陳釀期恒順香醋揮發性成分含量對比

經SPME-GC-MS分離和鑒定，共檢測出136 種化合物，其中HS3、HS5各占85 種，HS10占98 種。恒順香醋的風味主要由醇、酯、酸類、酮、醛、酚、吡嗪、呋喃、惡唑和醚等物質組成，各香氣成分種類數量及平均相對含量見表2。

表2 3 種不同陳釀期恒順香醋揮發性風味物質種類及相對含量Table 2 Types and relative contents of volatile flavor compounds in Hengshun vinegars of different ages

3 種不同陳釀期恒順香醋中醛類、酯類、酚類和酸類的相對含量均較高，此外，酸類、酮類、惡唑和吡嗪類化合物隨著陳釀時間的延長而增加，而醛類大量減少。HS3和HS5相對含量最高的均為醛類，分別占39.35%和29.09%，在3 個不同陳釀年份中，HS3中的醛類相對含量最高。醛是由微生物發酵或氨基酸降解而產生，通常具有較低的閾值[10]，稀釋后的醛通常具有花香和果香，可提高食醋的品質[11]。而HS10含量最高的為吡嗪類化合物，其平均相對含量達到了32.75%，遠高于HS3和HS5。吡嗪是一類雜環化合物，具有對位兩個氮原子，具有堅果焙烤香氣[12]，在“烤”味中起著重要作用。另外，在各種各樣的食品中都有發現，吡嗪對提高食品的風味方面有很大的作用[13]。此外，國外的研究還表明，吡嗪類的化合物還具有預防心血管疾病的作用[14]。

2.2.2 3 種不同陳釀期恒順香醋主要揮發性風味物質的PCA

3 種不同陳釀期恒順香醋中平均相對含量大于1.0%的揮發性風味物質（表3）主要包括苯乙醇、乙酸苯乙酯、乙酸乙酯、醋酸、2,3-丁二酮、糠醛、苯甲醛、2,4-二叔丁基酚、2,3,5-三甲基吡嗪、川芎嗪、2,4,5-三甲基惡唑、丙二醇甲醚醋酸酯和2-戊二酰-1,3-二氧雜環乙烷13 種物質。

表3 恒順香醋中相對含量大于1%的風味物質Table 3 Flavor substances with relative contents more than 1% in Hengshun vinegars

對平均相對含量大于1.0%的揮發性風味物質進行PCA，由圖5可以看出，PCA結果可以很好區分樣本，其中PC1貢獻率72.30%，PC2貢獻率為25.73%，前兩個主成分解釋了總方差的98.03%，所以這兩個主成分已經基本代表了樣品的主要特征信息。另外，對PC1貢獻最大的是糠醛，對PC2貢獻最大的是川芎嗪，它們對風味差異區分有重要影響，這和電子鼻分析的結果一致。糠醛在HS3、HS5和HS10中的相對含量分別為33.43%、24.57%、12.29%，它是恒順香醋中含量最高的醛，其相對含量隨醋齡增加呈現不斷下降的趨勢。糠醛又稱呋喃甲醛或麩醛，主要是由戊聚糖分解或酵母發酵所產生[26]，但糠醛通常被研究為食品熱加工過程中形成的美拉德反應和糖熱解中間體[27]。它是一種天然揮發性物質，存在于許多食品中，如水果、肉類產品和飲料中。此外，糠醛還被用作食品的調味劑，有助于杏仁、烤土豆、面包、燒焦味[20]。但是，研究表明，糠醛在達到一定劑量時會對人體的肝臟、腎臟、心臟等器官產生不良影響[28-29]。對PC2貢獻最大的是川芎嗪，它在HS3、HS5和HS10中的平均相對含量存在顯著的差異，分別為1.31%、14.63%、28.25%。川芎嗪具有令人愉悅的堅果、烘烤的味道，通常用于食品工業，以提高產品的風味[23]。當前學術界認為川芎嗪的產生方式有兩種：第1種是通過糖和氨基酸發生美拉德反應；第2種則是通過微生物合成[30]。同時，它也是中藥川芎中分離出的一種生物堿，是食醋中重要的保健功能性物質，其含量是評價食醋品質的重要指標之一[12]。因此，可以通過檢測糠醛和川芎嗪的含量來鑒別不同陳釀期的恒順香醋。

圖5 主要風味物質PCAFig. 5 PCA of the flavor substances in Hengshun vinegars

3 結 論

采用電子鼻與GC-MS聯用并結合PCA和LOA，結果顯示電子鼻對3 種不同陳釀期的恒順香醋的香氣具有明顯的響應，HS3、HS5和HS10數據點之間無重疊，可以較好地進行識別分類，且傳感器W2S、W5S起主要區分作用。通過對平均相對含量大于1.0%的揮發性風味物質進行PCA發現，糠醛和川芎嗪的相對含量對區別不同陳釀期恒順香醋的貢獻率最大，糠醛的相對含量隨醋齡增加呈現不斷下降的趨勢，而川芎嗪呈現上升的趨勢。電子鼻技術檢測3 種不同陳釀期恒順香醋整體香氣物質的區分趨勢和GC-MS技術檢測的具體香氣物質結果一致。這為鑒別不同陳釀期的恒順香醋提供理論依據和技術參考。