GC-IMS評價(jià)雙螺桿擠壓處理對香菇柄揮發(fā)性成分的影響

林良靜,古汶玉,甘忠宏,方 田,馮培琳,高向陽,2,*

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院,廣東省功能食品活性物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州 510642;2.華農(nóng)(潮州)食品研究院有限公司,廣東潮州 521000;3.廣東食品藥品職業(yè)學(xué)院,廣東廣州 510642)

香菇(Lentinusedodes)為側(cè)耳科(Pleurotaceae)植物香蕈的子實(shí)體[1],具有豐富的營養(yǎng)價(jià)值,且因其獨(dú)特濃郁的香氣受到消費(fèi)者的喜愛。在生產(chǎn)中,多采用香菇傘為加工對象,香菇柄棄之不用,造成資源浪費(fèi)。用GC-MS分析香菇傘、柄的揮發(fā)性成分,發(fā)現(xiàn)都含有主要的香味貢獻(xiàn)成分含硫類化合物和八碳化合物,但是含量比菌傘少,菌柄的揮發(fā)性成分種類更豐富甚至有部分研究表明,菌柄揮發(fā)性成分含量高于菌傘,傾向表現(xiàn)出花香和甜味[2-3]。

香菇柄含豐富的纖維,干物質(zhì)中粗纖維含量最高達(dá)466.27 mg/g,會(huì)對揮發(fā)性物質(zhì)的釋出造成阻礙[4]。本文通過螺桿擠壓可以提高纖維膨脹力,使因粗纖維包裹而難釋放的物質(zhì)釋放。朱慧[5]研究擠壓噴霧對香菇的風(fēng)味影響,發(fā)現(xiàn)經(jīng)過噴霧后的香菇粉末主要風(fēng)味貢獻(xiàn)揮發(fā)成分的含量上升。林雅麗等[6]以秈糙米為原料,采用雙螺桿擠壓技術(shù)制備糙米重組米,其風(fēng)味質(zhì)量提高。

氣相色譜-離子遷移色譜(gas chromatography-ion mobility spectrometry,GC-IMS)相比傳統(tǒng)GC-MS,易分離、靈敏度高,進(jìn)樣不需復(fù)雜的前處理[7]。已用GC-IMS技術(shù)分析得到了不同香菇干樣揮發(fā)性組分的指紋圖譜,驗(yàn)證了GC-IMS檢測香菇揮發(fā)性成分的可靠性[8-9]。本文基于GC-IMS技術(shù)研究香菇柄在不同加水量(20%、50%)條件下經(jīng)雙螺桿擠壓膨化處理的揮發(fā)性成分的變化情況,以期為充分利用香菇加工廢棄物香菇柄開發(fā)調(diào)味基料提供基礎(chǔ)資料。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

香菇柄 浙江品菌食品有限公司。

FlavourSpec? Laboratory Analytical Viewer 配有GC×IMS Library Search Software,德國G.A.S公司;SET-60螺桿擠壓造粒機(jī) 江陰市祥達(dá)機(jī)械制造有限公司;DFY500C粉碎機(jī) 大德藥機(jī)有限公司;PCHB-C6000烘箱 上海品致測控技術(shù)有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 香菇柄樣品雙螺桿擠壓及進(jìn)樣 將新鮮香菇柄于60 ℃烘箱中烘干至恒重、粉碎,過100目篩。于120 ℃并參考劉巧紅[10]的實(shí)驗(yàn)參數(shù)分別加入20%、30%、40%、50%含水量和香菇柄粉末進(jìn)行雙螺桿擠壓預(yù)實(shí)驗(yàn),選取感官較佳的20%和50%進(jìn)行GC-IMS分析。雙螺桿擠壓處理出料后再次烘干至恒重后粉碎過100目篩。各稱取5 g樣品于20 mL頂空進(jìn)樣瓶中,60 ℃孵化20 min,頂空進(jìn)樣,用氣相離子遷移譜儀FlavourSpec?進(jìn)行GC-IMS分析,設(shè)置樣品1(120 ℃,20%水)、樣品2(120 ℃,50%水),樣品3(沒有經(jīng)過雙螺桿擠壓處理的香菇柄粉空白樣),每份樣品3個(gè)平行。

1.2.2 GC-IMS條件

1.2.2.1 系統(tǒng)條件 色譜柱FS-SE-54-CB-1,15 m,ID:0.53 mm,柱溫40 ℃,載氣/漂移氣N2,IMS溫度45 ℃,孵育時(shí)間20 min,孵育溫度60 ℃,進(jìn)樣針溫度65 ℃,進(jìn)樣量500 μL,分析時(shí)間20 min;

1.2.2.2 氣相色譜條件 E1(漂移氣流速)150 mL/min;E2(氣象載氣流速)0～2 min,2 mL/min;2～20 min,2～150 mL/min;20～25 min,150 mL/min。

1.3 相對氣味活度值(relative odor activity value,ROAV)

根據(jù)Liu等[11]報(bào)道,引進(jìn)一個(gè)參數(shù)ROAV,該參數(shù)設(shè)定對樣品風(fēng)味貢獻(xiàn)最大成分ROAVstan=100,其他的成分(A):

式(1)

式中:C%A、TA為各風(fēng)味組分的相對百分含量和對應(yīng)的感覺閾值;C%stan、Tstan分別為對樣品風(fēng)味貢獻(xiàn)最大組分的相對百分含量和感覺閾值。當(dāng)物質(zhì)的ROAV>1時(shí),該物質(zhì)對于揮發(fā)性風(fēng)味的貢獻(xiàn)大,為主香成分,ROAV越大,對風(fēng)味的貢獻(xiàn)就越大。當(dāng)0.1

1.4 感官評定

對相對百分含量作ROAV分析后,得到其貢獻(xiàn)較大的揮發(fā)性成分:1-辛烯-3-醇(香菇味)、芳樟醇(木香、花香、柑橘香)、正己酸乙酯、丙酸乙酯(果香味)、3-甲基丁醛(堅(jiān)果味)、正辛醛、庚醛-M(油脂炒香味)、異丁醛、丁醛、2-正戊基呋喃(杏仁味)、二甲基二硫醚(洋蔥味)[12-14],結(jié)合ROAV>1成分所代表的香型和實(shí)驗(yàn)過程中較常感應(yīng)到的香型得出感官評價(jià)詞如表1,評定小組由10人組成,在評定前經(jīng)過聞嗅訓(xùn)練和標(biāo)度方法培訓(xùn),訓(xùn)練時(shí)間大于20 h,參比樣為1-辛烯-3-醇(香菇味)、3-甲基丁醛(堅(jiān)果味)、正辛醛(油脂炒香味)、2-正戊基呋喃(杏仁味)標(biāo)準(zhǔn)品按照表1的評分標(biāo)準(zhǔn)對香味作感官評定分析。

表1 感官評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Sensory evaluation criteria

1.5 數(shù)據(jù)處理

使用G.A.S.開發(fā)的GCxIMS Library Search軟件,通過內(nèi)置的NIST 2014氣相保留指數(shù)數(shù)據(jù)庫與G.A.S.的IMS遷移時(shí)間數(shù)據(jù)庫二維定性,利用LAV軟件的Gallery Plot插件選取圖中所有的待分析區(qū)域,生成指紋圖譜。用IBM SPSS 25.0、Excel軟件和Origin2018 64Bit進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 主成分分析

對香菇柄粉末樣品的揮發(fā)性化合物的信號峰強(qiáng)度信息進(jìn)行主成分分析,檢測各樣品間揮發(fā)性物質(zhì)是否有顯著性差異,結(jié)果如圖1所示。

圖1 香菇柄樣品揮發(fā)性物質(zhì)的主成分分析Fig.1 Similarity of volatile compounds in Lentinus edodes handles treated with different methods注:對照樣品:沒有經(jīng)過雙螺桿擠壓處理的香菇柄粉末;20%、50%水分樣品:于120 ℃分別加入20%和50%水分進(jìn)行雙螺桿擠壓處理的樣品。

對各個(gè)樣品所得到的揮發(fā)性成分的峰強(qiáng)大小作主成分分析,從圖1可知,各組樣品間主成分得分相差較遠(yuǎn),有較好的組外差異,分組效果較好。同組樣品得分相近,組內(nèi)差異小,樣品間平行性好。

2.2 香菇柄揮發(fā)性成分差異分析

使用G.A.S.開發(fā)的GCxIMS Library Search軟件,通過內(nèi)置的NIST 2014氣相保留指數(shù)數(shù)據(jù)庫與G.A.S.的IMS遷移時(shí)間數(shù)據(jù)庫二維定性和定量分析,得到Gallery Plot圖,如圖2。

圖2 氣相離子遷移譜圖中選取的揮發(fā)性有機(jī)物的Gallery Plot圖Fig.2 Gallery plot diagram of volatile organic compounds selected from GC-IMS spectrum注: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))的信號峰;其色塊顏色越白,峰強(qiáng)越強(qiáng),含量越高。XG1、XG2、XG3分別是加水量20%、50%樣品及對照樣品。

從圖2可知,此次共檢測出醇、酯、醛、酮、呋喃類化合物、含硫化合物6大類共35種揮發(fā)性物質(zhì),還有31種未知揮發(fā)性物質(zhì)。根據(jù)雙螺桿擠壓后的香菇柄揮發(fā)性風(fēng)味化合物的檢測結(jié)果,將這些揮發(fā)性風(fēng)味化合物歸類為醇類化合物、酯類化合物、醛類化合物、酮類化合物、呋喃類化合物、含硫類化合物,再利用面積歸一法[15]計(jì)算各揮發(fā)性成分的百分含量并統(tǒng)計(jì)如表2～表3。

表2 主要的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)種類和相對含量Table 2 Main volatile flavor substance types and relative contents

表3 香菇柄中香菇風(fēng)味揮發(fā)性物質(zhì)相對含量Table 3 Relative contents of volatile substances in Lentinus edodes stalk

從表2可知,共檢測到10種醇類、5種酯類、12種醛類、5種酮類、2種呋喃類、1種含硫類化合物,其中,含量最高的是醇類,占總體揮發(fā)性成分的15.65%～23.01%,其次是酯類(12.19%～26.93%)和醛類(9.49%～15.48%),種類最豐富的是醛類,達(dá)12種揮發(fā)性成分。含量較高的揮發(fā)性成分有乙醇、2-甲基-1-丙醇、1-丙醇、乙酸乙酯、己醛、3-甲基丁醛、丁醛、丙酮、二甲基二硫醚等。經(jīng)過雙螺桿擠壓處理后,醇類、呋喃類、含硫化合物含量增加,酯類減少。

在香菇中起到主要風(fēng)味作用的是含硫和八碳化合物,其余的醛、酮、酯、呋喃類化合物起著調(diào)和香菇香味的作用[16]。新鮮香菇中主要的特征含硫化合物有1,2,3,5,6-五硫環(huán)庚烷(香菇精)、1,2,4-三硫雜環(huán)戊烷、二甲基二硫醚(DMDS)、二甲基三硫醚(DMDS),4-甲基-甲硫基甲基二硫醚(SDMDS)等[17-18]。香菇中的谷氨酸和胱氨酸經(jīng)過系列反應(yīng)形成結(jié)合物1,2,3,5,6-五硫環(huán)庚烷(香菇精),前體物質(zhì)香菇酸在谷氨酸轉(zhuǎn)氨酶的作用下生成中間體二硫雜環(huán)丙烷,再聚合形成1,2,4-三硫雜環(huán)戊烷,但它們受熱不穩(wěn)定,在高溫干制過程中,容易分裂形成二甲基二硫醚(DMDS)和二甲基三硫醚(DMDS)[19-22]。經(jīng)過高溫干制后的香菇傘1,2,3,5,6-五硫環(huán)庚烷(香菇精)含量降低,在柄中幾乎檢測不到。香菇柄中香菇精含量低且在干制過程中被嚴(yán)重破壞。但是含硫化合物含量百分比增加約20%[23],是香味的主要來源。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與其一致,顯示二甲基二硫醚(DMDS)經(jīng)過雙螺桿擠壓處理后,相對百分含量增加。增加加水量進(jìn)行雙螺桿擠壓,二甲基二硫醚百分比進(jìn)一步增加。

根據(jù)文獻(xiàn)[24],香菇中主要的特征風(fēng)味成分八碳化合物有1-辛烯-3-醇,3-辛醇,2-辛烯-1-醇,1-辛醇,2-辛烯醛,3-辛酮等。這一類物質(zhì)閾值較低,可以提供濃郁的香菇風(fēng)味,微小含量變化對香菇風(fēng)味影響甚大。實(shí)驗(yàn)檢測出的八碳化合物為1-辛烯-3-醇。1-辛烯-3-醇是由亞油酸經(jīng)過脂肪氧合酶作用生成10-HPOD,再經(jīng)過氫過氧化物裂解酶作用生成的,也被稱為香菇醇,是香菇的主要特征風(fēng)味成分[25]。Pei等[26]利用HS-SPME-GC-MS檢測香菇高溫處理過程中八碳化合物的變化,1-辛烯-3-醇的含量顯著下降。與其結(jié)果一致,經(jīng)過雙螺桿擠壓高溫處理后,1-辛烯-3-醇相對百分含量變化不明顯,增加水量處理,1-辛烯-3-醇含量下降。經(jīng)過螺桿擠壓處理后1-辛烯-3-醇性質(zhì)不穩(wěn)定,在加熱過程中被破壞。

除八碳化合物和含硫化合物以外的醛酸酮酯類等物質(zhì)是由高溫引起的美拉德反應(yīng)生成[27],能夠調(diào)和香菇含硫化合物和八碳化合物的濃郁香味。乙醇(藥味[28])、芳樟醇(荔枝果實(shí)芳香[29])、γ-丁內(nèi)酯-M(牛奶、奶油香[30])、γ-丁內(nèi)酯-D(牛奶、奶油香[30])、正己酸乙酯(果香[31])、乙酸乙酯(菠蘿、水果香[31])、丙酸乙酯(蘋果香[32])、壬醛(腐敗異味[33])、正辛醛(柑橘類[34])、3-甲基丁醛(堅(jiān)果味、麥芽味(刺鼻的辛辣味)[35])、戊醛(果香、面包[30])、丙酮(苦杏仁味[36])等物質(zhì)于120 ℃加20%水分經(jīng)過雙螺桿擠壓后相對百分含量下降,增加水分至50%,相對百分含量進(jìn)一步下降。其中乙醇和3-甲基丁醛在高濃度時(shí)有不良風(fēng)味,低濃度會(huì)有宜人風(fēng)味[35]。壬醛是油脂氧化的產(chǎn)物,有腐敗異味。這三類物質(zhì)經(jīng)過雙螺桿擠壓后濃度下降或許會(huì)帶來好的風(fēng)味。

糠醇(甜香[27])、苯乙酮(山楂香[37])、2-乙基呋喃(豆香、麥芽香[38])經(jīng)過120 ℃加20%水分雙螺桿擠壓處理后相對百分含量增加,增加水分,相對百分含量進(jìn)一步增加。2-乙基己醇(魚腥、泥土[39])、2-己烯-1-醇(清香[40])、1-戊醇(酒香[41])、2甲基-1-丙醇、3-甲基丁醇(發(fā)霉味[42])、1-丙醇(清爽[43])、苯甲醛(杏仁香、堅(jiān)果香和水果香[33])、5-甲基呋喃醛(焦糖甜香[44])、庚醛-M(脂肪香[36])、庚醛-D(油脂、金屬[39])、E-2-辛烯醛(油脂味[45])、甲基丙醛、丁醛、2-庚酮-M(梨香[46])、2-庚酮-D(梨香[46])、2-己酮、2-正戊基呋喃(面包味[45])等物質(zhì)揮發(fā)性風(fēng)味成分在120 ℃加20%水分進(jìn)行雙螺桿擠壓后含量增加,但加水量增加,相對百分含量下降。說明在合適加水量范圍內(nèi),用雙螺桿擠壓處理香菇柄能夠增加調(diào)和香味的風(fēng)味成分。

2.3 揮發(fā)性風(fēng)味成分的主要香味貢獻(xiàn)成分

對檢測結(jié)果中香菇風(fēng)味成分的香味閾值進(jìn)行查詢并計(jì)算。本研究中檢測到二甲基二硫醚物質(zhì),雖然含量較低,但根據(jù)香菇揮發(fā)性風(fēng)味的相關(guān)文獻(xiàn)[47-48]報(bào)道,1-辛烯-3-醇等八碳化合物和二甲基二硫醚等含硫化合物作為香菇香氣的特征風(fēng)味成分是香菇香味的重要來源,這類物質(zhì)的風(fēng)味閾值低,香菇氣味強(qiáng)烈。故定義二甲基二硫的ROAV為100,其他風(fēng)味成分的ROAV由式(1)計(jì)算得出。選擇其中ROAV>0.1的成分列出如表4。

由表4可知,ROAV>0.1有11種揮發(fā)性成分,對香菇柄的香味貢獻(xiàn)較大。在未處理前,關(guān)鍵香味成分為正己酸乙酯、丙酸乙酯、正辛醛、3-甲基丁醛、庚醛-M、異丁醛、丁醛、二甲基二硫醚,經(jīng)加水20%螺桿擠壓處理后,關(guān)鍵香味成分為正辛醛、3-甲基丁醛、異丁醛、丁醛、二甲基二硫醚。經(jīng)加水50%螺桿擠壓處理后,關(guān)鍵香味成分為正辛醛、3-甲基丁醛、異丁醛、二甲基二硫醚。在這些關(guān)鍵風(fēng)味成分中,ROAV>1且共有的成分有正辛醛、3-甲基丁醛、異丁醛、二甲基二硫醚,可以知道,這幾個(gè)成分是香菇柄的重要香味成分。與前人研究一致,除八碳化合物和含硫化合物,醛類對香菇風(fēng)味貢獻(xiàn)程度較大[50]。

2.4 感官評定

進(jìn)行感官評定聞嗅實(shí)驗(yàn),得出關(guān)于香味的感官評分,如表5所示:

表5 感官評價(jià)得分表Table 5 Sensory evaluation score table

香菇味、炒香味和堅(jiān)果味的感官得分在120 ℃加20%雙螺桿擠壓處理后的樣品中呈現(xiàn)最高分值,進(jìn)一步增加水量處理,得分下降。原因或許是120 ℃加20%水分進(jìn)行雙螺桿擠壓處理,代表香菇味和炒香味的1-辛烯-3-醇及庚醛-M相對百分含量上升,因此與沒有經(jīng)過雙螺桿擠壓處理樣品的香菇味、炒香味得分相比上升。但在120 ℃加50%水分雙螺桿擠壓處理后1-辛烯-3-醇及庚醛-M相對百分含量下降,香菇味和炒香味得分下降,其次高溫和低水分活度會(huì)導(dǎo)致香菇內(nèi)酶活降低、大分子物質(zhì)斷裂和美拉德反應(yīng)加劇,逐漸形成干香菇特有的炒香味[51-52]。代表堅(jiān)果味的物質(zhì)3-甲基丁醛在一定濃度時(shí)呈現(xiàn)較好的堅(jiān)果風(fēng)味,但高濃度時(shí)則風(fēng)味不佳[35]。杏仁味和洋蔥味的得分也與其代表香型的2-正戊基呋喃(杏仁味)、二甲基二硫醚(洋蔥味)的相對百分含量變化保持一致。

從總體感官評價(jià)看,20%水分雙螺桿擠壓樣品得分最高,其次是50%水分雙螺桿擠壓樣品。相比對照組,經(jīng)過雙螺桿擠壓處理后,感官分值上升,但是加水量為50%時(shí)感官分值較20%加水量時(shí)低。

2.5 揮發(fā)性成分的主成分得分分析

選取對香味貢獻(xiàn)較大的11種揮發(fā)性成分作主成分分析,結(jié)果見表6。

表6 揮發(fā)物類別主成分累計(jì)方差貢獻(xiàn)率Table 6 Cumulative variance contribution rate of volatile constituents

選取特征值>1的成分作為主成分,共提取了2個(gè)主成分,累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)100%,可充分解釋原始數(shù)據(jù)。作風(fēng)味品質(zhì)分析得到風(fēng)味品質(zhì)函數(shù),結(jié)果如表7和表8。

表7 揮發(fā)物類別主成分荷載矩陣Table 7 Principal component load matrix of volatile category

表8 揮發(fā)性風(fēng)味品質(zhì)綜合評分及排名Table 8 Comprehensive score and ranking of volatile flavor quality

由表8可知,得分最高的是20%含水量樣品,為0.457。其次是原始樣品為0.395。最低是50%含水量樣品。雙螺桿擠壓有利于香菇柄的揮發(fā)性風(fēng)味的釋放,但是不同加水量對其影響不同,需要適量加水,雙螺擠壓才能促進(jìn)香菇柄的揮發(fā)性物質(zhì)釋放。

3 結(jié)論與討論

利用GC-IMS對香菇柄在不同加水量(20%,50%)條件下經(jīng)雙螺桿擠壓膨化處理的揮發(fā)性成分的變化情況進(jìn)行分析,共檢測出醇、酯、醛、酮、呋喃類化合物、含硫化合物6大類共35種揮發(fā)性物質(zhì),但目前G.A.S.公司軟件內(nèi)置數(shù)據(jù)庫還不夠完善,有31種物質(zhì)未被定性。研究表明[51],其中二甲基二硫醚(DMDS)和1-辛烯-3-醇是螺桿擠壓處理后對香味貢獻(xiàn)最大的物質(zhì)。其余醇類、酯類、醛類、呋喃類物質(zhì)起調(diào)和作用。經(jīng)過螺桿擠壓處理后,二甲基二硫醚(DMDS)百分含量增加,增加含水量進(jìn)行雙螺桿擠壓處理可以進(jìn)一步增加二甲基二硫醚(DMDS)百分含量。但對于1-辛烯-3-醇影響不大。綜合考慮了揮發(fā)性成分和閾值對揮發(fā)性風(fēng)味的影響,采用了ROAV和主成分得分分析雙螺桿擠壓處理前后不同揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)對香菇的風(fēng)味貢獻(xiàn)程度和得分情況,最終確定了1-辛烯-3-醇、芳樟醇、正己酸乙酯、丙酸乙酯、正辛醛、3-甲基丁醛、庚醛-M、異丁醛、丁醛、2-正戊基呋喃、二甲基二硫醚共11種揮發(fā)性物質(zhì)為主要香味貢獻(xiàn)成分。經(jīng)感官評價(jià)得出加水量在20%時(shí)候進(jìn)行雙螺桿擠壓處理得分最高,主成分得分分析與感官評分一致,在120 ℃下加20%水分經(jīng)過雙螺桿擠壓的得分最高,但次得分樣品主成分得分與感官評分不一致,原因可能是主成分分析過程沒有考慮不同揮發(fā)性成分的對感官的權(quán)重比例。

雙螺桿擠壓處理后的香菇柄粉末可作為增加揮發(fā)性風(fēng)味調(diào)味基料,降低生產(chǎn)成本,是香菇加工廢棄物香菇柄高值化利用的發(fā)展方向。