電子鼻和氣相離子遷移譜技術(shù)比較甕臭味及正常紅酸湯的風(fēng)味差異

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(1.貴州省農(nóng)科院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展研究所,貴州貴陽(yáng) 550006;2.麻江明洋食品有限公司,貴州凱里557603;3.貴州金農(nóng)輻照科技有限公司,貴州貴陽(yáng) 550006)

紅酸湯由鮮紅辣椒、西紅柿等原料經(jīng)破碎加鹽發(fā)酵而得,是貴州少數(shù)民族地區(qū)一種介于發(fā)酵調(diào)味料和發(fā)酵蔬菜之間的傳統(tǒng)食品。經(jīng)多年發(fā)展,已被中國(guó)食品協(xié)會(huì)認(rèn)定為貴州特色,成為與“麻辣”和“清湯”齊名的三大火鍋底料之一[1]。作為調(diào)味品,風(fēng)味特征是與營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和感官質(zhì)地一樣重要的質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)[2]。

然而,與風(fēng)味特征重要性不相對(duì)稱的是紅酸湯研究多集中于微生物區(qū)系及特征性成分分析,風(fēng)味研究極少見諸報(bào)道[3-7]。目前,僅徐莉等[8]分析了不同乳酸菌對(duì)酸湯揮發(fā)性物質(zhì)的影響,得出酸味是酸湯產(chǎn)品主體風(fēng)味的結(jié)論。除了主體風(fēng)味,不良風(fēng)味對(duì)紅酸湯品質(zhì)也具有重要影響。“甕臭味”則是紅酸湯中廣泛存在的一種不良風(fēng)味。然而,由于企業(yè)人、財(cái)、物、技等條件限制以及國(guó)內(nèi)外其他科研機(jī)構(gòu)對(duì)其關(guān)注度較低,紅酸湯“甕臭味”更多低停留于民間說辭,其氣味成分組成與正常酸湯樣品的差異尚無(wú)相關(guān)研究。

食品風(fēng)味組分分析包括提取和分析兩個(gè)步驟。風(fēng)味組分的提取主要有水蒸氣蒸餾、固相微萃取等方法;風(fēng)味組分檢測(cè)則包括電子鼻、氣相色譜聯(lián)用質(zhì)譜(Gas Chromatography-Mass Spectrometry,GC/MS)、氣相色譜吸聞(Gas Chromatography-Olfactometry,GC-O)等技術(shù)[9]。紅酸湯作為發(fā)酵食品家族的一員,發(fā)酵茶[10]、發(fā)酵魷魚[11]、酸菜[12]、腐乳[13]等發(fā)酵食品的研究方法也可借鑒使用。不過,上述檢測(cè)方法均需對(duì)樣品進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間前處理,特征性風(fēng)味組分丟失風(fēng)險(xiǎn)較高。因此,前處理簡(jiǎn)單、靈敏度高、檢測(cè)速度快則成為紅酸湯“甕臭味”組分分析的關(guān)鍵所在。目前,離子遷移譜作為一種氣相分離技術(shù)正受到越來越多關(guān)注,其通過氣相離子遷移率來表征各種不同的化學(xué)物質(zhì),具有高靈敏度、快速響應(yīng)、二維分離和痕量分析等檢測(cè)特點(diǎn)也符合紅酸湯樣品風(fēng)味組分比較研究的技術(shù)需求[14-18]。

本研究以貴州紅酸湯為研究對(duì)象,采用電子鼻和氣相離子遷移譜技術(shù),對(duì)甕臭味和正常紅酸湯樣品的風(fēng)味組分進(jìn)行定性和相對(duì)定量分析,以期對(duì)紅酸湯甕臭味的風(fēng)味組成進(jìn)行初步探究,為優(yōu)化貴州紅酸湯的風(fēng)味奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

紅酸湯樣品 由麻江明洋食品有限公司提供,發(fā)酵期為3～4個(gè)月,包括嚴(yán)重甕臭味紅酸湯(Y1)、輕微甕臭味紅酸湯(Y2)、普通紅酸湯(Y3)。

電子鼻系統(tǒng) 德國(guó)AIRSENSE公司;FlavourSpec?氣相離子遷移譜(GC-IMS)聯(lián)用儀 德國(guó)G.A.S公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 感官評(píng)價(jià) 感官評(píng)價(jià)參考秦藍(lán)等[19]研究并調(diào)整:準(zhǔn)確稱取10 g三種紅酸湯樣品于具塞頂空瓶中,60 ℃水浴20 min后備用。感官評(píng)價(jià)邀請(qǐng)10名實(shí)驗(yàn)人員參加,所有參與人員均按照國(guó)標(biāo)GB/T 16291.1-2012中相關(guān)規(guī)定進(jìn)行培訓(xùn)[19]。感官評(píng)價(jià)方法采用定量描述評(píng)價(jià),對(duì)所有紅酸湯樣品的酸味、辣味、咸味、甕臭味(異味)進(jìn)行評(píng)分;整體風(fēng)味采用評(píng)分采用10點(diǎn)制,0～2表示相應(yīng)風(fēng)味可有可無(wú);2～4表示相應(yīng)風(fēng)味較弱;4～6分表示風(fēng)味強(qiáng)度中等;6～8分表示相關(guān)風(fēng)味較強(qiáng);8～10則表明相關(guān)風(fēng)味特別強(qiáng)烈。

1.2.2 電子鼻分析 分別準(zhǔn)確稱取1.0 g紅酸湯樣品于頂空瓶中,60 ℃水浴20 min后備用。氣味指紋分析條件:采樣時(shí)間間隔為1 s,傳感器自清洗時(shí)間為40 s,傳感器歸零時(shí)間為10 s,樣品準(zhǔn)備時(shí)間為5 s,分析采樣時(shí)間為120 s,進(jìn)樣流量為400 mL/min。電子鼻系統(tǒng)的傳感器類型及性能描述情況詳見表1。

表1 電子鼻系統(tǒng)傳感器類型及性能描述Table 1 Sensor type and performance description of electronic nose system

1.2.3 氣相離子遷移色譜儀分析 分別取1.0 g紅酸湯置于20 mL頂空進(jìn)樣瓶。自動(dòng)頂空進(jìn)樣單元:進(jìn)樣體積：200 μL;孵化時(shí)間：20 min;孵化溫度:60 ℃。FlavourSpec?條件:色譜柱:石英毛細(xì)柱(Rtx-Wax 30 m×0.53 mm×1.00 μm);分析時(shí)間：60 min;柱溫:60 ℃;載氣流量:0～2 min,2 mL/min;2～20 min,2～50 mL/min;20～50 min,50 mL/min;漂移氣流量:150 mL/min;IMS溫度45 ℃;進(jìn)樣針溫度65 ℃。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用設(shè)備配置的Laboratory Analytical Viewer分析軟件及GC×IMS Library Search Software軟件對(duì)紅酸湯中的風(fēng)味組分進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及定性分析;Gallery Plot插件則被用于樣品指紋圖譜比對(duì)。文章中數(shù)據(jù)之間的差異顯著性采用方差分析中的單因素方差分析,在95%的置信度下檢驗(yàn)測(cè)定結(jié)果間的差異性。

2 結(jié)果與分析

2.1 紅酸湯樣品感官評(píng)價(jià)

經(jīng)過培訓(xùn)的感官評(píng)價(jià)人員對(duì)不同紅酸湯樣品的酸味、辣味、咸味、甕臭味(不良風(fēng)味)及代表產(chǎn)品綜合嗅聞體驗(yàn)的整體風(fēng)味進(jìn)行評(píng)品,具體結(jié)果見表2。

表2 不同紅酸湯感官評(píng)定結(jié)果Table 2 Sensory evaluation results of different red sour soup

結(jié)果顯示,紅酸湯樣品Y1、Y2和Y3在酸味、咸味方面的感官評(píng)分差異較小,辣味、甕臭味(不良風(fēng)味)差異較大。其中,Y1樣品的酸味、辣味、咸味在3種樣品中感官評(píng)價(jià)得分最低,表現(xiàn)為中等偏弱,甕臭味(不良風(fēng)味)感官體驗(yàn)明顯,達(dá)到了感官評(píng)分體系中的較強(qiáng)水平。Y2和Y3樣品中的甕臭味則較弱,尤其是普通紅酸湯樣品(Y3),甕臭味體驗(yàn)處于可有可無(wú)狀態(tài)。由此表明,對(duì)3種紅酸湯樣品而言,甕臭味是導(dǎo)致樣品間風(fēng)味差異的主要原因。

2.2 紅酸湯樣品電子鼻分析

為進(jìn)一步闡述紅酸湯Y1、Y2和Y3之間的區(qū)別,本研究引入了電子鼻系統(tǒng)對(duì)其加以分析。圖1～圖3分別表示了電子鼻系統(tǒng)對(duì)3種樣品的主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)、線性判別分析(Linear Discriminant Analysis,LDA)和載荷分析(Loading Analysis,LOA)。

圖1 電子鼻對(duì)3種紅酸湯樣品的PCA分析圖Fig.1 PCA analysis of three red acid soup samples by electronic nose

圖2 電子鼻對(duì)紅酸湯樣品的LDA分析圖Fig.2 LDA analysis of red acid soup samples by electronic nose

圖3 電子鼻對(duì)紅酸湯樣品的LOA分析圖Fig.3 LOA analysis of red acid soup samples by electronic nose

在PCA分析圖中,第一、二主成分的貢獻(xiàn)率分別為98.56%和1.40%,兩個(gè)主成分的區(qū)分貢獻(xiàn)率和為99.96%,基本代表了3種紅酸湯樣品的主要信息特征。圖1中,3種樣品在第一和第二主成分上均完全分開。另外,將電子鼻系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行LDA分析發(fā)現(xiàn),在第一、二主成分分別為94.36%和5.59%,總區(qū)分度貢獻(xiàn)率為99.95%的結(jié)果中,紅酸湯樣品Y3與Y1和Y2在第一主成分上完全分開,但Y1與Y2高度重合,表明Y2樣品中可能有部分甕臭味(不良風(fēng)味)組分存在。如圖3,傳感器W5S探測(cè)到的氮氧化合物類在第一主成分貢獻(xiàn)最大,傳感器W1S和W2S對(duì)第二主成分的貢獻(xiàn)最突出。

2.3 不同風(fēng)味紅酸湯樣品的氣相離子遷移譜分析

紅酸湯中含有的風(fēng)味組分經(jīng)氣相色譜分離后,以氣態(tài)分子形式被離子源軟電離后進(jìn)入線性漂移電場(chǎng)并進(jìn)行二次分離,不同離子到達(dá)檢測(cè)電極的先后順序存在差異,可通過峰高、峰面積和相對(duì)遷移時(shí)間來實(shí)現(xiàn)樣品中風(fēng)味組分的分析。如圖4所示,左側(cè)紅色豎線為反應(yīng)離子峰(RIP),RIP兩側(cè)的每一個(gè)點(diǎn)代表一種揮發(fā)性有機(jī)物,白色表示濃度較少,紅色表示濃度較大,顏色越深表示濃度越大。結(jié)果表明,3種紅酸湯樣品的頂空成分在預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)條件下得到了有效分離,所有樣品的風(fēng)味組分在2500 s內(nèi)完成了氣相分離,離子遷移時(shí)間約為7.81 ms。在離子遷移譜圖上選取信號(hào)峰并將其標(biāo)記,通過氣相離子遷移譜自帶的Library Search軟件進(jìn)行組分分析,最終從3種紅酸湯樣品中明確鑒定到風(fēng)味組分64種。其中,酸類物質(zhì)6種,醇類14種,醛類8種,酯類19種,酮類8種,吡嗪類3種,烯類2種,醚類2種,硫化物類2種,具體結(jié)果詳見表3。

圖4 不同紅酸湯樣品氣相離子遷移譜圖Fig.4 Gas-phase ion migration spectra of different red soup samples

表3 不同紅酸湯樣品中風(fēng)味組分信息表Table 3 Information table of flavor components in different red acid soup samples

續(xù)表

2.4 不同紅酸湯風(fēng)味組分差異分析

不同酸湯樣品之間的差異分析通過GC-IMS內(nèi)置的PCA及Gallery Plot插件完成。同時(shí),為了對(duì)指紋圖譜進(jìn)行量化描述,論文中還引入了GC-IMS檢測(cè)到的紅酸湯風(fēng)味組分的離子峰體積。PCA分析結(jié)果顯示,主成分1和主成分2的貢獻(xiàn)率之和為97.00%,樣品風(fēng)味組分的所有數(shù)據(jù)降維之后所得的綜合變量可在二位空間表達(dá)原有變量的絕大部分信息。組內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分布集中,說明同種樣品的分析具有良好的重現(xiàn)性;組間實(shí)驗(yàn)結(jié)果差異明顯,表明3種酸湯風(fēng)味組成差異顯著,詳見圖5。通過對(duì)指紋圖譜及檢測(cè)到的各組分的離子峰體積分析可知:在甕臭味樣品中,酸類物質(zhì)中的戊酸(1860.73)、丁酸(20515.80)、2-甲基丙酸(2413.18),醛類物質(zhì)中的苯甲醛(6274.68)、己醛(668.61),吡嗪類物質(zhì)中的3-乙基-2,5-二甲基吡嗪(4552.49)、2-乙基-6-甲基吡嗪(3012.85)、2,5-二甲基吡嗪(224.60)等物質(zhì)的離子峰體積均大于輕微甕臭味及正常紅酸湯樣品,而大多數(shù)的酯類、醇類物質(zhì)的離子峰體積則在普通紅酸湯中。具體結(jié)果詳見表3及圖6。

圖5 GC-IMS對(duì)3種酸湯樣品的PAC分析Fig.5 PCA analysis of three red acid soup samples by GC-IMS

圖6 不同紅酸湯樣品總體氣相離子遷移譜指紋圖譜Fig.6 Fingerprint of gas-phase ion mobility spectrum in different red acid soup samples注:圖中每一行為一個(gè)樣品,由其所含全部揮發(fā)性有機(jī)物信號(hào)峰組成;每一列為同一保留時(shí)間及漂移時(shí)間下的有機(jī)物(不同樣品中相同的物質(zhì))的信號(hào)峰。紅色區(qū)域?yàn)樗犷愇镔|(zhì);綠色區(qū)域?yàn)槿╊愇镔|(zhì);黑色區(qū)域?yàn)檫拎侯愇镔|(zhì);橙色區(qū)域?yàn)榇碱愇镔|(zhì);紫色區(qū)域?yàn)轷ヮ愇镔|(zhì);藍(lán)色區(qū)域?yàn)橥愇镔|(zhì);紅棕色區(qū)域?yàn)槊杨惡蛦屋祁愇镔|(zhì)。各組分對(duì)應(yīng)位置的顏色深淺代表相應(yīng)組分的含量高低。

3 討論與結(jié)論

貴州紅酸湯作為一種區(qū)域性的特色調(diào)味品,風(fēng)味是其重要質(zhì)量指標(biāo)。為了全面地分析甕臭味紅酸湯和普通紅酸湯的風(fēng)味差異,本研究采用感官評(píng)價(jià)、電子鼻系統(tǒng)及具有前處理簡(jiǎn)單、分離能力強(qiáng)、靈敏度高等[20]特點(diǎn)的頂空氣相離子遷移譜技術(shù)對(duì)不同紅酸湯樣品進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,嚴(yán)重甕臭味樣品、輕微甕臭味樣品和普通樣品風(fēng)味差異顯著。通過頂空氣相離子遷移譜技術(shù),3種酸湯中共檢測(cè)到明確的風(fēng)味組分64種,包括酸(6種)、醇(14種)、醛(8種)、酯(19種)、酮(8種)、吡嗪(3種)、單萜(2種)、醚(2種)、硫化物(2種)等9類化合物,與徐莉等通過氣相質(zhì)譜技術(shù)(GC-MS)從自然發(fā)酵紅酸湯中檢測(cè)到的風(fēng)味組分?jǐn)?shù)量(55種)相接近[8]。酸、醇、醛、酯、酮作為紅酸湯中種類最多的5種化合物,醇類和酯類在甕臭味酸湯中濃度均低于普通樣品,酸類物質(zhì)中的丁酸在嚴(yán)重甕臭味(Y1)和輕度甕臭味(Y2)樣品中表現(xiàn)出較高濃度,其離子峰體積達(dá)到了20515.80和18162.21,遠(yuǎn)高于普通樣品(Y3)中的13011.09。資料顯示,丁酸是一種具有酸臭味的化學(xué)組分,在奶酪等發(fā)酵乳制品中較為常見[21]。因而,紅酸湯中丁酸濃度異常可能是導(dǎo)致甕臭味發(fā)生的原因之一。另外,本研究中檢測(cè)到的酮類物質(zhì)和含硫化合物多為芳香性風(fēng)味,吡嗪類主要產(chǎn)生堅(jiān)果類香氣。單萜類化合物離子峰體積較小,表明其含量較低,可能由西紅柿中的組分經(jīng)微生物次級(jí)代謝合成[18-19]。通過對(duì)指紋圖譜和離子峰體積進(jìn)行比較,醛類物質(zhì)中的苯甲醛和己醛在甕臭味酸湯中的濃度遠(yuǎn)高于輕微翁臭味及正常酸湯樣品。相關(guān)研究表明:食品中醛類物質(zhì)含量過高會(huì)導(dǎo)致不良風(fēng)味的產(chǎn)生[22-25]。由此推測(cè)醛類物質(zhì)的濃度變化也可能是紅酸湯甕臭味產(chǎn)生的重要原因。另外,氣相離子遷移譜法對(duì)紅酸湯風(fēng)味組分的研究仍有較多局限,需要在未來的工作中通過氣相嗅聞色譜和質(zhì)譜等技術(shù)對(duì)其繼續(xù)探索[26]。