基于頂空-氣相色譜-離子遷移譜法研究干燥方式對小米椒揮發性風味物質的影響

葛 帥，陳宇昱，彭爭光，周 輝，丁勝華，蔣立文，秦 丹，王蓉蓉*

（1.湖南農業大學食品科學技術學院，長沙 410128；2.長沙海關技術中心，長沙410004；3.湖南省農業科學院農產品加工研究所，長沙 410125）

辣椒（Capsicum annuumL.）又名牛角椒、辣茄、番椒，為茄科辣椒屬一年或多年生草本植物。2017年，全球辣椒種植面積約為199億公頃，年產量為3610萬噸，其產值和效益在不斷增加[1]。辣椒富含Vc、多酚、辣椒紅素、辣椒素等多種成分，具有抗菌、祛寒、除濕、抗氧化、降低膽固醇等功效[2]。新鮮辣椒含水量較高，采后易腐爛變質，失去商品價值，因此常將其加工成多種產品，如干辣椒、辣椒醬、剁辣椒等[2]。干制可有效降低產品含水量，抑制微生物生長，同時具有操作簡單、成本低、便于貯藏等優點，仍是目前辣椒加工的主要方式。然而，辣椒干制過程不單是一個脫水的傳熱傳質過程，還伴隨著諸多生化反應，影響產品的理化品質[3-5]。風味作為衡量干制辣椒品質的重要指標之一，其由多種揮發性物質組成，因揮發性物質種類、比例及平衡關系的不同而變化。目前，關于干制辣椒風味方面的研究主要集中在不同辣椒品種和分析方法等方面。Li等[6]采用氣相色譜-質譜（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）和氣相色譜嗅覺技術對四川辣椒的揮發性風味物質進行了分析，共鑒定出83種揮發性風味物質；王永曉等[7]通過GC-MS技術研究了不同辣椒粉揮發性風味物質成分，確定了清香味辣椒粉主要由蔬菜味、青草味和鮮味組成；王知松等[8]運用GC-MS技術探討電熱和微波烘烤對辣椒粉揮發性風味物質的影響，表明微波烘焙比電熱干燥更能提升辣椒風味物質的含量。然而，關于不同干燥方式對辣椒中揮發性風味物質的影響，目前仍研究得較少。

離子遷移譜法（ion mobility spectrometry，IMS）是一種基于氣相離子在電場中遷移速率的差異來檢測痕量氣體和表征化學離子物質的分析技術，相比傳統質譜法，其具有對高電負性和高質子親和力的化合物響應靈敏度高、檢測速度快等優勢[9-10]，但其分析特性在復雜樣品中有局限性，尤其是在食品和農產品的復雜系統中[11]。因此，常將IMS與其他儀器聯用以更好發揮其優勢。近年來，頂空-氣相色譜-離子遷移譜（headspace-gas chromatography-ion mobility spectrometry，HS-GC-IMS）法已被廣泛運用于食品風味分析，如糧油、食用菌、肉類、果蔬等。Gerhardt-Delgado等[12]通過HS-GC-IMS鑒定了橄欖油的揮發性風味成分，并成功區分了西班牙橄欖油和意大利橄欖油；Li等[13]采用HS-GC-IMS發現熱風干燥會導致松茸口蘑的揮發性風味物質含量降低；Sun等[14]運用HS-GC-IMS分析了棗果實發酵過程的揮發性風味物質的變化，發現發酵過程對棗風味有顯著的影響；Arroyo-Manzanaresa等[15]利用HS-GC-IMS所得風味數據對利比亞火腿進行了分類，以避免市場上欺詐消費者的行為。干制辣椒是一種特色調味品，風味是衡量其品質的重要指標之一。HS-GC-IMS能快速檢測食品風味的特點，但關于HS-GC-IMS技術在干制辣椒揮發性風味物質方面的研究目前仍未見報道。

本研究采用HS-GC-IMS技術對經熱風干燥、紅外干燥、真空冷凍干燥和自然晾曬處理的小米椒（Capsicum frutescens）進行揮發性風味物質的組成鑒定，分析干燥方式對小米椒揮發性風味物質的影響，并運用主成分分析（principal component analysis，PCA）和熱圖聚類探究不同干燥方式處理的小米椒樣品間的相關性與差異性，以期為干制辣椒風味品質的調控提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

小米椒，產地湖南，購于湖南省長沙市湘樺連鎖超市，挑選成熟度一致、大小均一、顏色均勻以及無病蟲害和機械損傷的小米椒作為試驗材料。

1.2 主要儀器與設備

101-2AB電熱鼓風干燥箱（天津泰斯特儀器有限公司）；LGJ-25G冷凍干燥機（北京四環福瑞科儀科技發展有限公司）；SAK-505紅外烘干機（泰州圣泰科紅外科技有限公司）；DE-50g萬能粉碎機（浙江紅景天工貿有限公司）；HS-GC-IMS FlavourSpec?風味分析儀（德國Gesellschaft für analytische Sensorsysteme mbH公司）。

1.3 方法

1.3.1 樣品制備

將小米椒洗凈瀝干并去蒂，均勻平鋪于篩盤中，分別進行熱風干燥、紅外干燥、真空冷凍干燥和自然晾曬處理至含水率達10%以下。將干制后的樣品冷卻至室溫后經粉碎機粉碎，于避光鋁箔袋中進行真空包裝后在-20℃冰箱中保藏備用。

1.3.2 干燥工藝參數

熱風干燥：溫度為65℃，風速為1.5 m/s；紅外干燥：溫度為65℃、輻照功率為675 W；真空冷凍干燥：冷阱溫度為-50℃，絕對壓力為30 Pa；自然晾曬：在25℃熱風干燥中進行模擬。

1.3.3 HS-GC-IMS分析

自動進樣器條件：孵化溫度為90℃；孵化時間為15 min；進樣方式為頂空進樣；進樣針的溫度為95℃；進樣量為500 μL，且不分流。

GC條件：FS-SE-54-CB-1毛細管柱（15 m×0.53 mm）；色譜柱溫度為60℃；載氣為純度≥99.999%的N2；載氣流流量為2 mL/min并保持2 min，18min內載氣流流量線性升至100mL/min后停止。

IMS條件：漂移管的溫度為45℃；漂移氣為純度≥99.999%的N2；漂移氣流速為150 mL/min。

數據庫：GC×IMS Library Search應用軟件內置的NIST數據庫和IMS數據庫。

1.4 數據處理

運用GC-IMS儀器配套的分析軟件LAV（laboratory analytical viewer）及 3 款插件 Reporter、Gallery Plot、Dynamic PCA對樣品離子遷移譜圖進行分析；運用Origin 2017和Origin 2017 Heat Map with Dendrogram作圖；運用IBM SPSS Statistics 23軟件進行主成分分析。

2 結果與分析

2.1 GC-IMS譜圖分析

不同干燥方式處理的小米椒GC-IMS譜圖如圖1所示。其中，圖1a為三維GC-IMS譜圖，圖1b為二維GC-IMS譜圖。二者的橫坐標均為揮發性風味物質相對于反應離子峰的離子遷移時間，縱坐標均為氣相保留時間。圖1a中的第三維坐標為離子反應峰強度，圖1b水平坐標1.0處的紅色垂直線為反應離子峰（reaction ion peak，RIP），遷移時間約為 7.9 ms，GC-IMS譜圖的遷移時間相對于RIP進行了歸一化處理，以避免檢測過程中溫度和壓強偏差導致離子遷移時間發生變化[16]。由于揮發性風味物質各組分離子質量、電荷數等的差異，不同離子在設備離子遷移區中性氣體分子的碰撞作用及外加電場作用下分離，通過離子遷移時間與離子反應峰強度可對揮發性風味物質的各組分進行定性定量分析[10,17-18]。如圖1b所示，RIP右側的點可反映揮發性風味物質的種類，顏色與峰強度呈正相關對應，可間接表示揮發性風味物質的含量，顏色越深則含量越高[14]。總體來看，4種干燥方式處理的小米椒其揮發性風味物質的遷移時間大都集中在1.0～1.5區間內，保留時間為100～400 s區間。冷凍干燥的樣品在保留時間為100～200 s區間內時，大部分揮發性風味物質的含量明顯低于其他干燥方式，而熱風干燥與紅外干燥的揮發性風味物質成分非常相似，這可能與兩者的干燥溫度相同有關。自然晾曬介于熱風干燥與真空冷凍干燥之間，其紅點分布近似于熱風干燥，這可能是由于自然晾曬和熱風干燥的處理方式相似所致。

2.2 揮發性成分定性分析

熱風干燥、紅外干燥、真空冷凍干燥、自然晾曬處理的小米椒分別鑒定出39、37、36、34種揮發性風味物質。基于熱風干燥的小米椒中揮發性物質種類最多，且熱風干燥中鑒定的揮發性風味物質涵蓋了其他3種干燥方式，因此，本研究以熱風干燥為例對離子遷移譜進行了進一步分析。圖2為熱風干燥的樣品離子遷移譜圖，其中每一個標記點為一種揮發性風味物質。在保留時間為100～400 s的區間內共出現了40個信號峰，400～1 200 s區間內出現了6個信號峰，可見大部分揮發性風味物質的保留時間在 100～400 s區間內。通過 GC×IMS Library Search軟件內置的NIST 2014氣相保留指數數據庫與IMS遷移時間數據庫對信號峰進行二維定性，共鑒定出46個信號峰、39種揮發性風味物質，其中部分揮發性風味物質可產生多個信號。如表1所示，己酸異戊酯、乙酸丁酯、苯乙醛、苯甲醛、甲硫基丙醛、糠醛、2,6-二甲基-4-庚酮同時存在單體和二聚體。同一物質的單體和二聚體的保留時間相似，但遷移時間不同，這與化合物的濃度有關，高濃度的物質能促進電離區質子化分子與中性分子結合生成二聚體[15-16,19]。此外，Lantsuzskaya 等[20-21]發現，二聚體的形成還與其分析物的高質子親和力有關，由于某些化合物的質子親和力高于水的質子親和力，導致反應物的質子向這類高質子親和力化合物轉移，進而生成二聚體或多聚體。新生成的二聚體質量大于單體，故遷移時間增加，導致檢測過程中某些物質會在離子遷移譜中出現多個信號，而單體、二聚體的二重數據可更加精準地對化合物進行定性。

圖1 不同干燥方式處理的小米椒三維GC-IMS譜圖（a）和二維譜圖（b）Fig.1 Three-dimensional GC-IMS spectrum(a)and two-dimensional spectrum(b)of chilis treated by different drying methods

2.3 指紋譜圖分析

圖2 熱風干燥小米椒離子遷移譜圖Fig.2 Ion mobility spectrometry of chilis treated by hot air drying

表1 熱風干燥小米椒46種定性揮發性風味物質信息Tab.1 Information on 46 qualitative volatile substances of chilis treated by hot air drying

圖3為不同干燥方式處理的小米椒指紋圖譜，其中方格代表揮發性風味物質，顏色代表該物質的濃度，每一行為一個樣品中所有的揮發性成分，同一列為同種物質在不同樣品中的含量。如圖3所示，4種干燥方式處理的小米椒經HS-GC-IMS技術共鑒定出46種信號峰，未鑒定出的信號有35種。干燥方式對小米椒揮發性風味物質都有明顯的影響，熱風干燥與紅外干燥的結果較類似，而真空冷凍干燥與自然晾曬間存在差異。為進一步比較不同干燥方式小米椒揮發性風味物質成分的差異，本研究對指紋圖譜中揮發性風味物質進行了分類，紅框區域為酯類物質，綠框區域為醛類物質，黃框區域為醇類物質，其余為一些雜環化合物、酮類化合物和有機酸。小米椒揮發性風味物質主要由酯類、醛類和醇類化合物構成。對已鑒定的揮發性風味物質進行定性分析后發現，種類最多的為熱風干燥，有39種，其次為紅外干燥，有37種，真空冷凍干燥為36種，最少的為自然晾曬，僅有34種。相較于自然晾曬，其他干燥方式處理的小米椒揮發性風味物質的種類都有所增加，真空冷凍干燥較自然晾曬增加了乙酸丙酯和2,3-丁二醇；紅外干燥比真空冷凍干燥增加了2,5-二甲基吡嗪；熱風干燥相較于其他3種干燥方式增加了己酸乙酯、2,6-二甲基-4-庚酮。吡嗪與酮類可能是由于熱風干燥和紅外干燥的溫度較高從而促進了Maillard反應生成的風味物質。鄧媛元等[22]在研究干燥方式對苦瓜茶的揮發性物質的影響中也有類似的發現，但增加的種類有限。總體而言，干燥方式對揮發性風味物質種類影響不大。

2.4 主要揮發性成分分析

表2為不同干燥方式處理的小米椒揮發性風味物質峰體積值。如表2所示，主要有7類物質，分別是酯類、醛類、醇類、呋喃類、吡嗪類、酮類和有機酸類。其中，熱風干燥樣品的酯類物質和呋喃類物質的含量較高，且己酸乙酯、乙酸丙酯等酯類物質幾乎只在熱風干燥中出現。真空冷凍干燥的醛類物質除了苯甲醛、辛醛外，其他物質基本都維持在較高水平。同時，部分醇類、酮類化合物在真空冷凍干燥中也有較高的含量。吡嗪類、有機酸類物質在小米椒中的種類較少，2,5-二甲基吡嗪僅在熱風干燥和紅外干燥中出現。

圖3 不同干燥方式處理的小米椒揮發性風味物質指紋圖譜Fig.3 Fingerprint of volatile substances in chilis treated by different drying methods

酯類化合物是影響小米椒辣度的重要原因，辣度越大，酯類物質含量越高，刺激性氣味越明顯[26]。其中，己酸己酯提供的“刺激”氣味是構成辣椒刺激性風味的主要物質[26]。酯類物質主要是由高溫作用下辣椒中不飽和脂肪酸氧化或裂解產生的[8]。馬燕等[27]發現辣椒籽中含有大量的不飽和脂肪酸，其中亞油酸和油酸居多，辣椒籽中豐富的不飽和脂肪酸是辣椒干燥形成大量酯類物質的重要原因。通過比較發現，熱風干燥的酯類化合物含量最高，冷凍干燥最少，這可能是由于辣椒長時間處于真空低溫環境，造成了酯類物質的損失，而熱風干燥由于較高的溫度會促進醇類的酯化，從而導致酯類含量增加[28]。鄧媛元等[22]也發現，熱風干燥后的苦瓜茶酯類物質相較于真空冷凍干燥、日曬干燥等方式處理后的含量較高。由表2可知，熱風干燥的小米椒己酸乙酯和己酸丙酯的含量較其他干燥方式有明顯的差異，尤其是己酸乙酯，其只在熱風干燥的小米椒中檢出。總體而言，4種干燥方式的揮發性風味物質種類差別僅為1～2種，說明干燥方式對酯類化合物種類的影響不大。

醛類化合物在小米椒中種類最為豐富，共有10種，且醛類物質的閾值較低，賦予香氣的能力強，較低含量就可對風味的呈現產生較大影響[29]。C5～C9醛類主要來源可能是亞油酸等不飽和脂肪酸的氧化，其他部分醛類可能來源于Maillard反應中的Strecker降解[30]。其中，3-甲基丁醛是該反應的典型產物，具有水果和堅果味香氣，然而高濃度的3-甲基丁醛則具有強烈刺激性氣味[31]。經比較發現：糠醛主要提供焦香和辛香味，其在自然晾曬的樣品中的含量最少，這可能是由于晾曬時間較長導致糠醛揮發所致；乙縮醛具有新鮮的青果香味，在冷凍干燥與自然晾曬的樣品中具有較高含量；苯甲醛具有苦杏仁、櫻桃及堅果香味，主要來源于亞油酸氧化及異亮氨酸在Maillard反應中的Strecker降解，其在4種干燥方式中的含量差別不大；甲硫基丙醛可能來源于含硫氨基酸的分解，對風味有較大的貢獻，其在真空冷凍干燥與自然晾曬的樣品中含量高于熱風干燥與紅外干燥。總之，干燥方式對小米椒醛類化合物影響顯著，真空冷凍干燥的樣品醛類物質能被最大程度地保留，其他干燥方式可能由于長時間加熱導致醛類物質揮發或轉化為吡嗪等物質，或與樣品組分間產生較強的結合力而沒有足夠的蒸汽壓使之形成特征風味，導致揮發性醛類物質的含量較低[32]。

醇類化合物在干燥小米椒中的種類也十分豐富，其主要來源于脂肪氧化分解和羰基化合物還原[33]。由表2可知，不同干燥方式處理的小米椒其醇類物質差異明顯。其中，乙醇在高濃度時能提供醇香，但乙醇的閾值較高，對風味的貢獻不大[34]；甲基支鏈醇主要由氨基酸代謝作用產生[35]，其中3-甲基丁醇表現為辛辣香味，提供辣椒中“辣”的特征風味，在紅外干燥與自然晾曬樣品中有較高含量；（E）-2-己烯醇具有強烈的青香香氣并伴有果香、蔬菜香，相較真空冷凍干燥和自然晾曬，其在熱風干燥和紅外干燥的含量很低。綜合來看，醇類物質在這4種干燥方式中含量各有高低，熱風干燥和紅外干燥的高溫條件易促使部分醇類物質酯化[22]。關于干燥方式對醇類揮發性風味物質的影響仍有待進一步研究。

呋喃、吡嗪、酮類和有機酸類化合物在不同干燥方式處理的小米椒中種類不多，卻對風味的形成起著不可或缺的作用。雜環化合物的閾值低，主要是氨基酸與還原糖發生美拉德反應生成的，并帶有特殊的香氣，其多種香氣成分可極大地豐富辣椒的風味。吡嗪類物質主要是由己醛基和氨基酸縮合形成的中間產物經Strecker降解生成氨基還原酮氧化縮合而成，這些物質常常具有焦香味和焙烤味[36-37]。呋喃及2,5-二甲基吡嗪在熱風和紅外干燥中都有較高的含量，主要原因是高溫能促進Maillard反應，同時部分醛類化合物可反應生成吡嗪化合物。酮類物質較為穩定，且香氣持久，但丙酮這類C3～C5低碳脂肪族酮類化合物香氣較弱，對小米椒風味的貢獻不大[24]。加熱可一定程度上促進酮類物質的生成，除低碳酮類化合物，2-庚酮在熱風干燥和自然晾曬中都有較高的含量，而2,6-二甲基-4-庚酮只在熱風干燥的小米椒中檢出，其分別具有類似梨的水果香味和薄荷的香味。此外，Barros等[38]發現長時間低溫真空環境也可能會使多不飽和脂肪酸降解為酮類物質。有機酸類化合物主要呈現刺激性酸味來協調其他風味，其在受熱時不穩定，容易脫酸脫羧生成酮類物質[39]。

綜上所述，干制小米椒風味是由各類物質共同作用形成的，酯類、醛類、醇類物質為干制小米椒的主要揮發性風味物質，呋喃類、吡嗪類、酮類、有機酸類起到豐富香氣組成和調和其他風味物質的作用。此外，不同干燥方式對小米椒揮發性風味物質含量有顯著的影響，熱風干燥和紅外干燥能一定程度上促進酯類、呋喃類和吡嗪類物質生成，而真空冷凍干燥和自然晾曬能較好地保留醛類物質。

2.5 PCA及熱圖聚類分析

不同干燥方式處理的小米椒PCA分析結果如圖4所示，主成分1與主成分2的貢獻率之和高達86%，說明這2種主成分可表達原有變量的大部分信息。由圖4可知，熱風干燥與紅外干燥的樣品具有相似性，而真空冷凍干燥與自然晾曬間存在差異。為了進一步探究不同干燥方式處理的小米椒揮發性風味物質的差異，本研究運用Origin 2017中Heat Map with Dendrogram插件，采用Ward最小方差和歐式距離法對數據進行聚類分析，具體如圖5所示。聚類分析是一種對變量進行分類的多元統計法，并能通過可視化圖形直觀反映樣品的相關程度。圖5中橫向為干燥方式的聚類，縱向為揮發性風味物質的聚類，右側標尺數值表示各揮發性風味物質的峰體積，熱圖中相應顏色對應標尺中的峰體積范圍。被聚為同一類的干燥方式表示相關程度高，歐式距離越短表示樣品相關程度越高。從圖5中可以看出，經不同干燥方式干燥的小米椒可分成3類：自然晾曬和冷凍干燥的小米椒各自為單獨一類，紅外干燥與熱風干燥的小米椒被聚為同一類。由此可知，熱風干燥與紅外干燥處理的樣品其揮發性風味物質組成及含量較為類似，具有較高的相關性；而相較于熱風干燥與紅外干燥，真空冷凍干燥與自然晾曬間相關程度較低，這與PCA結果及前文分析一致。此外，揮發性風味物質間多為單體與二聚體、酯類與醇類、醛類與醇類之間的聚類，表明這類物質相關性較強，同時也側面反映了其在干燥過程中可通過各種化學反應相互轉化或生成新的揮發性風味物質[40]。如酯類在高溫條件下被水解為醇類[39]；醇也能在高溫加熱條件下與酸發生酯化反應生成酯[22,28]；醇和醛能發生縮合反應生成雜環類化合物[39]，如2-戊基呋喃。

表2 不同干燥方式處理的小米椒揮發性風味物質峰體積值Tab.2 The peak volume value of volatile substances in chilis treated by different drying methods

圖4 不同干燥方式處理的小米椒揮發性風味物質PCA分析結果Fig.4 PCA analysis results of volatile substances in chilis treated by different drying methods

圖5 不同干燥方式處理的小米椒揮發性風味物質熱圖聚類Fig.5 Heat map clustering of volatile substances in chilis treated by different drying methods

3 討論

通過HS-GC-IMS技術對不同干燥方式處理的小米椒揮發性風味物質進行分析，共鑒定出揮發性風味物質39種，包括9種酯類、10種醛類、10種醇類、2種呋喃類、3種吡嗪類、3種酮類和2種有機酸類。就風味物質的種類而言，酯類、醛類和醇類化合物種類較為豐富，構成了干制小米椒的主體風味物質。基于PCA及熱圖聚類分析發現，相比于真空冷凍干燥與自然晾曬，熱風干燥與紅外干燥的揮發性風味物質具有較高的相關性。而與熱風干燥和紅外干燥相比，真空冷凍干燥與自然晾曬間的差異較大，干燥過程中部分揮發性風味物質間具有較強的相關性，能通過化學反應實現風味化合物間的轉化。干燥方式對揮發性風味物質種類影響較小，熱風干燥、紅外干燥、真空冷凍干燥、自然晾曬的小米椒揮發性風味物質種類分別為39、37、36、34種。然而，干燥方式對小米椒揮發性風味物質含量有明顯的影響，其中在熱風干燥和紅外干燥所得樣品的揮發性風味物質中，己酸己酯、壬酸乙酯、己酸異戊酯、乙酰呋喃和2,5-二甲基吡嗪的峰體積值遠高于真空冷凍干燥和自然晾曬所得的樣品；而醛類物質易在熱風干燥和紅外干燥過程中損失，其甲硫基丙醛、己醛和丁醛的峰體積值均低于真空冷凍干燥和自然晾曬，特別是3-甲基丁醛、苯乙醛和糠醛的峰體積值均遠小于真空冷凍干燥。相較于真空冷凍干燥和自然晾曬，熱風干燥和紅外干燥能一定程度上促進酯類、呋喃類和吡嗪類物質的生成；而真空冷凍干燥和自然晾曬相較于其他2種干燥方式能較好地保留醛類物質。總體而言，熱風干燥與紅外干燥的樣品其揮發性風味物質種類較多，且大部分揮發性風味物質含量都高于真空冷凍干燥與自然晾曬，對豐富干制小米椒的風味具有積極影響。