基于電子鼻和GC-MS技術對山東成武和廣西英家大頭菜揮發性物質分析

趙慧君，胡事成，張振東，郭壯*

(1.湖北文理學院 食品科學技術學院 鄂西北傳統發酵食品研究所，湖北 襄陽 441053；2.湖北襄陽孔明菜食品有限公司，湖北 襄陽 441104)

大頭菜是十字花科蕓薹屬芥菜的一個變種，新采收的大頭菜辣味和苦味較濃，一般需腌制后食用，不同地區大頭菜的加工方法造就了大頭菜風味的差異。山東成武大頭菜又叫成武醬大頭，屬于醬腌菜類，棕紅透明，集香、咸、甜三味于一體，2010年被評為國家地理標志產品。廣西英家大頭菜是廣西壯族自治區鐘山縣的特產，屬于腌菜類，色澤淡黃、味美鮮香、咸淡適宜、質地脆嫩，2016年被評為國家地理標志產品。山東成武大頭菜和廣西英家大頭菜都為當地的名優產品，但是對其揮發性物質的研究目前仍是空白。

電子鼻(electronic nose，E-nose)作為一種無損的檢測技術，可以規避生理嗅覺的缺陷，利用傳感器陣列對不同揮發性物質的響應值并結合參數模型來識別物質[1]。氣-質聯用法(gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS)可在較短時間內完成多組分混合物的定性和定量分析，具有靈敏度高、定性能力強的優點。在電子鼻對揮發性物質有效區分的基礎上，采用GC-MS對不同的揮發性物質成分進行鑒定，目前廣泛應用于食品揮發性物質的檢測。Gao等利用電子鼻和GC-MS聯用對12種不同發酵工藝的老抽進行了檢測，發現了41種主要揮發性物質，對醬油的評價提供了很大的幫助[2]。Vera等對67個同一品牌和生產工藝但不同產地的啤酒樣品進行了檢測，結果顯示不同產地的啤酒間香氣也存在著差異[3]。用同樣的方法對中國傳統食品蝦醬[4]、中華絨螯蟹[5]、陳醋(中國山西陳醋、日本黑醋和意大利香醋)[6]、南瓜[7]、發酵果酒[8]等的揮發性物質進行了檢測和分析。電子鼻和GC-MS技術在大頭菜揮發性物質的研究上也有應用，曾凡坤等通過蒸餾萃取-氣相色譜-質譜聯用對傳統發酵工藝、脫鹽和新工藝生產的重慶菜市場內大頭菜的揮發性物質進行了檢測，發現新工藝揮發性香氣種類高于傳統大頭菜和脫鹽大頭菜[9]。洪冰等利用蒸餾萃取和氣相色譜-質譜聯用技術對自然發酵和接種發酵的大頭菜揮發性物質進行了檢測，發現接種發酵的大頭菜中揮發性物質更多[10]。鄧靜等采用固相微萃取與氣相色譜-質譜聯用法對大頭菜腌制過程中的揮發性物質進行了檢測，結果顯示：在腌制過程中，酯類、酸類、醇類、烷烴類及含氮類組分的種類逐漸增加，醛類組分的種類逐漸減少[11]。趙慧君等采用電子鼻技術對四川成都、湖北襄陽和山東菏澤腌制的大頭菜樣品的風味品質進行了評價，同時采用GC-MS對襄陽大頭菜中的揮發性物質進行了檢測，發現其主要揮發性風味物質為3-丁炔-1-醇、壬醛、乙酸異戊酯、D-檸檬烯、丙酮、乙酸乙酯和異戊醛[12]。

為研究不同產地大頭菜中的揮發性物質，本研究在采用電子鼻對山東成武和廣西英家大頭菜中揮發性物質進行有效區分的基礎上，采用GC-MS對不同的揮發性物質成分進行鑒定，此研究將為后續不同地區大頭菜的甄別和揮發性物質指紋圖譜的構建奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

廣西英家大頭菜：采購自淘寶店鋪“永盛特產”和“南國風味苑”共14個樣品；山東成武大頭菜：采購自淘寶店鋪“天貓超市”、“綠源生態莊園”和“山東菏澤一鳴特產”共16個樣品。

1.2 儀器與設備

HSS 32電子鼻 德國Airsense公司；GC-MS-QP2020氣相色譜-質譜聯用儀 島津企業管理(中國)有限公司。

1.3 電子鼻及GC-MS分析測試條件

參照文獻[12]。

1.4 數據處理

利用電子鼻自帶軟件Alphasoft V11進行傳感器信號強度處理，基于數據矩陣進行PCA、CCA、CA和多元方差分析。利用Kruskal-Wallis檢測各傳感器對不同地區大頭菜響應值的差異性分析。除雷達圖使用Excel 2016軟件繪制外，其他圖均使用Origin軟件繪制。

2 結果與分析

2.1 電子鼻各傳感器對山東成武和廣西英家大頭菜的響應值分析

每個傳感器每秒產生的響應值均不同，在進行數據處理與分析時選擇各傳感器最大響應值進行，山東成武和廣西英家大頭菜的電子鼻響應值的差異性分析見表1。

表1 傳感器對不同地區大頭菜響應值的差異性分析Table 1 The difference analysis of sensors to response values of mustard roots from different regions

由表1可知，山東成武大頭菜對W5S、W1W傳感器的響應值高且與廣西英家大頭菜的響應值有顯著差異(p<0.05)，山東成武大頭菜對W1C、W3C、W5C傳感器的響應值低且與廣西英家大頭菜的響應值有顯著差異(p<0.05)，山東成武大頭菜對W6S、W1S、W2S、W2W、W3S傳感器的響應值與廣西英家大頭菜的響應值無顯著差異(p>0.05)。由此可見，廣西英家大頭菜芳香類物質的含量高于山東成武大頭菜。

為進一步研究山東成武大頭菜和廣西英家大頭菜對電子鼻各個傳感器的響應值，用雷達圖進行了分析，見圖1。

圖1 基于電子鼻數據的雷達分析圖Fig.1 The radar analysis diagram based on electronic nose data

由圖1可知，山東成武大頭菜對電子鼻的W5S、W6S、W1S、W1W、W2S、W2W、W3S傳感器的響應值都比廣西英家大頭菜高，而W1C、W3C、W5C的響應值則相反。

2.2 山東成武和廣西英家大頭菜電子鼻傳感器響應值的主成分分析

揮發性氣味是一種綜合的感覺，以單一的金屬傳感器去分析不夠全面，因此進行了PCA分析。基于電子鼻技術對山東成武和廣西英家大頭菜揮發性物質第一主成分(PC1)和第二主成分(PC2)的因子荷載圖見圖2。

圖2 基于主成分分析的因子荷載圖Fig.2 The factor loading diagram based on PCA

由圖2可知，PC1由W1S、W2S、W2W、W1C、W3C、W5C組成，貢獻率為79.80%；PC2由W1W、W3S、W5S、W6S組成，貢獻率為11.8%。PC1和PC2的因子得分達到91.60%，可以反映原始數據的全部信息。芳香性物質對應的傳感器W1C、W3C和W5C在第二象限，表明品質較好的大頭菜分布在第二象限，第三象限次之，第一象限和第四象限最差。

結合PC1和PC2的因子得分，結果見圖3。

圖3 基于主成分分析的因子得分圖Fig.3 The factor score diagram based on PCA

由圖3可知，第二象限中全部為廣西英家大頭菜，共9個樣品，其余5個廣西英家大頭菜樣品在第一象限，且與第二象限距離較近。山東成武大頭菜樣品位于第三和第四象限。與山東成武大頭菜相比，廣西英家大頭菜的芳香性物質含量更高，氮氧化物、氫化物、有機硫化物和烷烴等物質含量相對較低。

2.3 基于GC-MS技術分析山東成武和廣西英家大頭菜樣品的揮發性物質

利用GC-MS對山東成武和廣西英家大頭菜中的揮發性物質進行定性檢測，共檢測到75種揮發性物質，對相對含量超過1%的進行統計，見圖4。

圖4 大頭菜各揮發性物質相對強度值的箱形圖(n=30)Fig.4 The box plot of relative intensity of volatile components in mustard roots (n=30)

由圖4可知，醋酸、異戊醛(令人愉快的果香)、乙酸乙酯(清靈、微帶果香的酒香)、丁醛、甲硫醚(蔬菜香氣)和丙酮(辛辣氣味)是這兩個地區大頭菜中主要的揮發性物質。其中醋酸在不同樣品中差異性最大，其次為乙酸乙酯，差異性最小的為異戊醛。

利用GC-MS檢測到的75種揮發性物質中，酮類6種，占7.28%；醇類11種，占12.30%；酸類3種，占5.66%；醛類10種，占28.78%；硫醚類3種，占18.07%；酯類9種，占8.61%；烯類14種，占10.52%；烷類6種，占4.66%；其他13種，占4.12%。山東成武大頭菜中檢出35種，廣西英家大頭菜中檢出54種，相對含量見表2。

表2 大頭菜中揮發性物質及其相對含量Table 2 The volatile components and their relative content in mustard roots

續 表

由表2可知，相對含量超過1%的6種物質中，丙酮(4.3%)、醋酸(1.93%)和丁醛(9.05%)在山東成武和廣西英家大頭菜中含量均很豐富，異戊醛(14.16%)和甲硫醚(2.74%)在山東成武大頭菜中含量豐富，乙酸乙酯(2.37%)在廣西英家大頭菜中含量豐富。山東成武和廣西英家大頭菜中共有的揮發性物質為丙酮、乙醇(微甘，并伴有刺激的辛辣滋味)、醋酸、異戊醛、丁醛、苯甲酸甲酯(濃郁的冬青油和尤南迦油香氣)、苯甲酸乙酯(水果氣味)。山東成武大頭菜每個樣品中均含有廣西英家大頭菜中沒有的揮發性物質，包括二奎酸酐、2-丁酮(辛辣氣味)、異戊醇(不愉快氣味)、苯乙醛(水果的甜香味)、可可醛(果香、木香、草香、巧克力香)、可卡醛、丙烯基乙醚、甲硫醚、2-丁基-4-甲基-1，3-二氧雜環戊烷、二氧雜環庚烷類、L-丙氨酸乙酰胺(S)。

廣西英家大頭菜的揮發性物質較為雜亂且沒有太多規律，其中樣品1，2，3中特有的物質較多，包括新薄荷醇、α-松油醇、4-萜烯醇、2-甲基戊醛、環已烯、α-蒎烯、β-蒎烯、月桂烯、水芹烯、α-松油烯、β-羅勒烯、γ-松油烯、α-異松油烯、石竹烯、β-雪松烯、正十四碳烷玫瑰氧化物和順式-芳樟醇氧化物，這可能與不同廠家的生產工藝不同有關。

3 結論

山東成武和廣西英家大頭菜均為國家地理標志產品，為研究和比較這兩種大頭菜的揮發性物質，首先采用電子鼻技術對山東成武和廣西英家大頭菜的揮發性物質進行了研究，結果發現廣西英家大頭菜含有的芳香性物質比山東成武高，氮氧化物、氰化物、有機硫化物和烷烴等物質含量相對較低。GC-MS結果表明，異戊醛和甲硫醚在山東成武大頭菜中含量豐富，乙酸乙酯在廣西英家大頭菜中含量豐富，與電子鼻結果相符合。造成這種差異的原因可能有兩個：一是大頭菜的種植環境不同，山東和廣西不同的地域造就了大頭菜的不同風味；二是大頭菜的制作工藝不同，山東成武大頭菜為醬腌菜類，廣西英家大頭菜為腌菜類。本研究首次研究了不同地區不同類型大頭菜中揮發性物質的異同，為今后不同地區間大頭菜指紋圖譜的繪制奠定了基礎。