基于電子鼻和氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù)分析市售牡丹籽油產(chǎn)品的香氣差異性

閆鑒,蘭天,王家琪,鮑詩(shī)晗,王悅,孫翔宇,馬婷婷*

1(石圪節(jié)智華生物科技有限公司,山西 長(zhǎng)治,046299) 2(西北農(nóng)林科技大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 楊凌,712100) 3(西北農(nóng)林科技大學(xué) 葡萄酒學(xué)院,陜西 楊凌,712100)

油用牡丹(PaeoniasuffruticosaAndr)為毛茛目毛茛科芍藥屬植物,原產(chǎn)于中國(guó),現(xiàn)在山東、河南、安徽、陜西4省有較大規(guī)模的集中種植,并在甘肅、四川及云南北部等地有少量種植[1]。油用牡丹的牡丹籽含油量在29%～34%左右[2],經(jīng)過(guò)壓榨、浸漬等提取工藝得到金黃色透明的牡丹籽油[3]。研究表明,牡丹籽油中含有90%以上的不飽和脂肪酸,其中,亞麻酸含量最高,占38.7%以上[4-6],遠(yuǎn)高于其他常用植物油,如葵花籽油(4.5%),大豆油(6.7%)以及菜籽油(8.4%)[4]。此外,牡丹籽油中還含有豐富的植物甾醇,角鯊烯,維生素E以及多種對(duì)人體有益的礦物元素[1,6-7]。因此,其具有保護(hù)肝臟、降血脂血糖、抗氧化、預(yù)防心血管疾病、調(diào)節(jié)免疫力等多種功能[1,7-8],被稱為“液體黃金”[7]。

近年來(lái),隨著人民生活水平的不斷提高,人們?cè)谶x擇食用油時(shí)已不僅僅停留在安全衛(wèi)生的水平,而是更加注重其健康與營(yíng)養(yǎng)[9]。牡丹籽油因成分結(jié)構(gòu)合理、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值極高、無(wú)毒性等特點(diǎn)[1],逐漸被消費(fèi)者所接受。2011年原衛(wèi)生部(現(xiàn)國(guó)家衛(wèi)生健康委員會(huì))將牡丹籽油列為新資源食品。在此基礎(chǔ)上,牡丹籽油產(chǎn)業(yè)在多個(gè)主要牡丹種植省份迅速發(fā)展,并成為了食品、醫(yī)藥和健康領(lǐng)域的關(guān)注熱點(diǎn)[1]。

目前,關(guān)于牡丹籽油的研究多集中于提取工藝優(yōu)化[2,10]、成分構(gòu)成及功能活性分析[1,6,11]、氧化穩(wěn)定性研究[4,8]以及產(chǎn)業(yè)發(fā)展分析[1,5,7 ]等方面。對(duì)于牡丹籽油的氣味成分分析卻鮮有報(bào)道。

牡丹籽油作為一種食用油,其感官品質(zhì)對(duì)消費(fèi)者至關(guān)重要。植物油中的揮發(fā)性香氣成分是存在于油中的次生特異性標(biāo)志,賦予了植物油獨(dú)特的風(fēng)味[12],也是評(píng)價(jià)植物油品質(zhì)的重要組成成分[13]。因此,實(shí)驗(yàn)以10款不同市售牡丹籽油為對(duì)象,對(duì)其進(jìn)行電子鼻和GC-MS檢測(cè),分析不同牡丹籽油產(chǎn)品的香氣差異性,以期為牡丹籽油的風(fēng)味物質(zhì)研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

選擇市場(chǎng)上常見(jiàn)的牡丹籽油共10個(gè)品牌,均購(gòu)自京東網(wǎng)上商城,并在4 ℃下保存,備用。10個(gè)品牌的牡丹籽油分別編號(hào)P1～P10。

1.2 儀器與設(shè)備

GC-MS-QP2010氣質(zhì)聯(lián)用儀,日本島津公司;SPME萃取裝置(50/30 μm,DVB/CAR/PDMS),美國(guó)Supelco公司;PEN 3電子鼻,德國(guó)Airsense公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 電子鼻檢測(cè)

采用電子鼻對(duì)不同市售牡丹籽油產(chǎn)品的整體香氣特征進(jìn)行檢測(cè),在MA等[14]的測(cè)試方法基礎(chǔ)上稍作修改。將5 mL牡丹籽油樣品置于20 mL樣品瓶中,25 ℃平衡10 min后,插入電子鼻探頭吸取頂端空氣進(jìn)行檢測(cè),每個(gè)樣品至少測(cè)定8次。電子鼻檢測(cè)參數(shù):樣品檢測(cè)時(shí)間60 s,清洗時(shí)間300 s,載氣速度300 mL/min,進(jìn)樣流量300 mL/min。

1.3.2 GC-MS分析

采用頂空固相微萃取法結(jié)合氣相色譜串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)(headspace solid phase microextraction-gas chromatography mass spectrometry,HS-SPME-GC-MS)對(duì)不同市售牡丹籽油產(chǎn)品中的揮發(fā)性香氣成分進(jìn)行測(cè)定,在LAN等[15]的測(cè)定方法上稍作修改。將5 mL牡丹籽油置于20 mL頂空瓶中,45 ℃平衡30 min,將老化后(250 ℃,120 min)的萃取頭插入樣品瓶頂空部分萃取30 min,隨后插入氣相色譜進(jìn)樣口,250 ℃解吸2 min,同時(shí)啟動(dòng)儀器采集數(shù)據(jù),用于GC-MS的分離與鑒定。GC條件:采用DB-1MS熔融石英毛細(xì)管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)和氦氣(1.93 mL/min)檢測(cè)。升溫程序:初始溫度40 ℃,保持3 min,以4 ℃/min升溫至120 ℃,然后以6 ℃/min的速度上升至240 ℃,并保持9 min。MS條件:EI離子源,電子轟擊能量70 eV,離子源溫度230 ℃;全掃描:質(zhì)量掃描范圍m/z35～500。所有測(cè)試重復(fù)3次。

1.3.3 定性定量方法

定性方法[16]:牡丹籽油的揮發(fā)性物質(zhì)是根據(jù)NIST 14質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)匹配度和保留時(shí)間并結(jié)合保留指數(shù)(retention index,RI)確定的,并選擇與匹配度大于85%的成分為有效香氣成分。RI根據(jù)公式(1)計(jì)算得到,其中正構(gòu)烷烴的碳原子數(shù)為C7～C30。

(1)

式中:n和n+1分別為待測(cè)組分前后正構(gòu)烷烴的碳原子數(shù),tn和tn+1為相應(yīng)的正構(gòu)烷烴出峰保留時(shí)間,tx為待測(cè)組分出峰保留時(shí)間,其中tn

相對(duì)定量方法:采用峰面積歸一化法進(jìn)行定量分析,得到揮發(fā)性物質(zhì)的相對(duì)含量。

1.3.4 相對(duì)氣味活度值(relative odor activity value,ROAV)

基于化合物的相對(duì)含量,在評(píng)價(jià)各組分對(duì)牡丹籽油風(fēng)味的貢獻(xiàn)時(shí),引入ROAV[17],設(shè)定對(duì)樣品風(fēng)味貢獻(xiàn)最大化合物:ROAVmax=100,其他化合物計(jì)算如公式(2)所示:

(2)

式中:Ci和Ti分別為各化合物的相對(duì)百分含量和對(duì)應(yīng)的感覺(jué)閾值;Cmax和Tmax分別為樣品風(fēng)味貢獻(xiàn)最大組分的相對(duì)百分含量和感覺(jué)閾值

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

電子鼻數(shù)據(jù)利用Excel 16.44進(jìn)行整合,并采用SPSS 26.0.0.0進(jìn)行線性判別分析。揮發(fā)性物質(zhì)數(shù)據(jù)采用SPSS 26.0.0.0進(jìn)行方差分析及多重比較,P<0.05為顯著相關(guān)。關(guān)鍵香氣化合物的主成分分析采用SPSS 26.0.0.0軟件進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 電子鼻測(cè)定結(jié)果分析

電子鼻是一種基于模擬人類(lèi)嗅覺(jué)系統(tǒng)的揮發(fā)性成分分析儀器,可以快速、無(wú)損的對(duì)產(chǎn)品風(fēng)味輪廓信息進(jìn)行綜合分析[18-19]。本研究采用的PEN3型電子鼻是一種金屬氧化物傳感器型的電子鼻,具有10個(gè)金屬氧化物氣體傳感器陣列,如表1所示[18]。

表1 PEN3型電子鼻傳感器敏感物質(zhì)Table 1 Sensitive substances of PEN3 electronic nose sensor

圖1-a為10種牡丹籽油電子鼻傳感器響應(yīng)信號(hào)平衡后的響應(yīng)雷達(dá)圖。不同牡丹籽油產(chǎn)品揮發(fā)性成分對(duì)傳感器的敏感性大致相同,但響應(yīng)值有所差異。總體而言,對(duì)于所有的牡丹籽油產(chǎn)品,傳感器S2(W5S)和S7(W1 W)的響應(yīng)信號(hào)均普遍較強(qiáng),它們分別對(duì)氮氧化合物以及硫化物較為敏感,其中,P1的響應(yīng)值最小,P10和P6的響應(yīng)值最大。而其他傳感器對(duì)牡丹籽油的響應(yīng)值均較小。

在此基礎(chǔ)上,對(duì)不同牡丹籽油產(chǎn)品的電子鼻響應(yīng)值進(jìn)行判別分析(linear discriminant analysis,LDA)。

a-電子鼻響應(yīng)值雷達(dá)圖;b-基于電子鼻響應(yīng)的LDA圖1 市售牡丹籽油產(chǎn)品電子鼻結(jié)果分析Fig.1 Results of electronic nose analysis of different commercially peony seed oil products

LDA是一種模式識(shí)別的典型算法,性質(zhì)相似的樣品會(huì)在空間距離上表現(xiàn)的較為接近[18-19]。由圖1-b可以看出,LD1的貢獻(xiàn)率為68.1%,LD2的貢獻(xiàn)率為25.1%,LD1和LD2的總貢獻(xiàn)率為93.2%,且10組樣品之間無(wú)交叉區(qū)域,區(qū)分明顯,這表明不同牡丹籽油產(chǎn)品的風(fēng)味特征之間存在差異,可以通過(guò)電子鼻較好地區(qū)分開(kāi)。P4和P7,P5和P8的距離較近,說(shuō)明香氣特征比較接近。

2.2 GC-MS分析結(jié)果

在電子鼻的基礎(chǔ)上,本研究采用HS-SPME-GC-MS對(duì)多個(gè)市售牡丹籽油的揮發(fā)性香氣成分進(jìn)行了測(cè)定,其揮發(fā)性物質(zhì)種類(lèi)和相對(duì)含量見(jiàn)增強(qiáng)出版附表1。研究表明,不同牡丹籽油產(chǎn)品對(duì)揮發(fā)性物質(zhì)的種類(lèi)和含量均存在顯著差異。

2.2.1 揮發(fā)性物質(zhì)種類(lèi)分析

就揮發(fā)性物質(zhì)種類(lèi)而言,10種牡丹籽油中共檢測(cè)出133種揮發(fā)性物質(zhì),根據(jù)官能團(tuán)將揮發(fā)性成分分為7類(lèi),包括23種醛類(lèi)、7種酸類(lèi)、28種烷烴類(lèi)、21種烯烴類(lèi)、12種醇類(lèi)、15種酮類(lèi)、11種酯類(lèi)以及16種其他類(lèi)物質(zhì)。不同牡丹籽油產(chǎn)品中存在的揮發(fā)性物質(zhì)種類(lèi)存在較大的差異。P3含揮發(fā)性物質(zhì)種類(lèi)最多(80),其次是P7(77)、P4(65)、P10(64)、P2(63)、P9(60)、P8(57)、P6(56)、P5(51)和P1(35)。其中,10種不同市售牡丹籽油產(chǎn)品共有的揮發(fā)性物質(zhì)有17種,分別是丁醛、己醛、(E,E)-2,4-庚二烯醛、癸醛、乙酸、己酸、1-戊烯、(E)-2-戊二烯、檸檬烯、乙醇、1-戊烯-3-醇、2-丁酮、3-辛酮、辛酸乙酯、2,3-二氫呋喃、苯、2-乙呋喃。10種不同市售牡丹籽油產(chǎn)品特有的揮發(fā)性物質(zhì)有34種,P9含有最多的特有揮發(fā)性物質(zhì)共8種,其次是P10(5)。P2、P3、P4、P5、P6和P8均有3種特有揮發(fā)性物質(zhì),P7有2種,P1則只有1種。造成不同牡丹籽油產(chǎn)品揮發(fā)性物質(zhì)種類(lèi)存在差異的原因可能是產(chǎn)地、品種、提取方式等的不同。

2.2.2 揮發(fā)性物質(zhì)相對(duì)含量分析

由圖2可知,不同市售牡丹籽油產(chǎn)品的揮發(fā)性物質(zhì)相對(duì)含量以及不同類(lèi)別揮發(fā)性物質(zhì)在總揮發(fā)性物質(zhì)中的占比均存在顯著差異。在10種不同品牌牡丹籽油樣品中,除P1和P6外,其余樣品中的醛類(lèi)物質(zhì)含量占比最高(24.51%～52.15%),且不同樣品之間差異顯著(P<0.05)。P3和P7的醛類(lèi)物質(zhì)占比高達(dá)50%以上,其中己醛的占比高達(dá)20%以上,是主要的醛類(lèi)化合物,并且其在P4、P5、P9和P10也是占比最高的醛類(lèi)物質(zhì)。2-丙烯醛則是P2、P6和P8中占比最高的醛類(lèi)物質(zhì),分別為8.12%、6.04%和10.42%。而在P1中,醛類(lèi)占比僅達(dá)5.92%。由于醛類(lèi)物質(zhì)閾值較低,對(duì)香氣貢獻(xiàn)度相對(duì)較大[19],其可能是造成不同市售牡丹籽油產(chǎn)品香氣差異的主要香氣化合物,同時(shí),也是導(dǎo)致P1的香氣較淡的主要原因之一。

圖2 牡丹籽油產(chǎn)品中不同類(lèi)別揮發(fā)性化合物在總揮發(fā)性物質(zhì)中的占比熱圖Fig.2 Heat map of proportion of volatile compounds in total volatile compounds in different peony seed oil products注:每一行不同小寫(xiě)字母表示具有顯著差異(P<0.05);紅色到藍(lán)色,表示的值逐漸減小

此外,在P1和P6中,烷烴類(lèi)物質(zhì)在所有揮發(fā)性物質(zhì)中的占比最高,特別是在P1中達(dá)到了55.95%,這可能作為區(qū)分P1和其他牡丹籽油產(chǎn)品的關(guān)鍵香氣成分。而烷烴類(lèi)物質(zhì)閾值較高,大多香氣較弱或者無(wú)味[19],可能造成了P1的香氣不夠突出,這與之前P1在電子鼻檢測(cè)中表現(xiàn)出的低響應(yīng)值是相吻合的。同時(shí),烷烴類(lèi)物質(zhì)在P2中占比也較高,為19.34%。除P7、P8和P10中不含有戊烷外,其他牡丹籽油產(chǎn)品中戊烷是烷烴類(lèi)物質(zhì)中占比最高的物質(zhì)(2.49%～43.77%)。

除此之外,酸類(lèi)物質(zhì)在P5和P4中表現(xiàn)較為突出,分別占總揮發(fā)性物質(zhì)的30.34%和12.73%。其中,甲酸和乙酸的含量最高,特別是乙酸,存在于所有樣品中。而甲酸是P5和P10占比最高的酸類(lèi)物質(zhì),也是P5和P10中特有的酸類(lèi)物質(zhì)。烯烴類(lèi)物質(zhì)在P1、P4和P6中均有較高的占比,其中,檸檬烯僅在P1中表現(xiàn)出了較為突出的地位,其可能為P1提供部分檸檬與橙子的香氣。醇類(lèi)物質(zhì)則在P9中占比較高,其中,乙醇是所有醇類(lèi)物質(zhì)中占比最高的,但因其高閾值而沒(méi)有對(duì)牡丹籽油的風(fēng)味產(chǎn)生主要貢獻(xiàn)。酸類(lèi)化合物主要是游離脂肪酸形成的,具有刺鼻的酸味,烯烴類(lèi)物質(zhì)主要來(lái)自脂肪酸烷氧自由基的均裂,而醇類(lèi)物質(zhì)則是由醛類(lèi)物質(zhì)經(jīng)乙醇脫氫酶轉(zhuǎn)化而成的,但因三者的閾值相對(duì)較高,對(duì)整體的風(fēng)味貢獻(xiàn)程度一般[20-21],但可能對(duì)提高牡丹籽油整體風(fēng)味有重要作用。酯類(lèi)物質(zhì)和酮類(lèi)物質(zhì)在牡丹籽油樣品中也有較少的檢出,這些物質(zhì)可能為樣品提供了一些辛辣等刺激性氣味或花果香。而在其他類(lèi)物質(zhì)中,呋喃類(lèi)物質(zhì)表現(xiàn)較好,可能是牡丹籽油中的重要香氣物質(zhì)。

2.3 關(guān)鍵香氣化合物的差異分析

揮發(fā)性香氣物質(zhì)對(duì)樣品總體風(fēng)味特性的貢獻(xiàn)度是由風(fēng)味體系中揮發(fā)性物質(zhì)的濃度與察覺(jué)閾值共同決定的[21]。通常來(lái)說(shuō),僅有一小部分對(duì)樣品的總體風(fēng)味具有顯著貢獻(xiàn),這些揮發(fā)性物質(zhì)對(duì)總體風(fēng)味其主導(dǎo)作用,被稱為關(guān)鍵風(fēng)味化合物[19]。為了進(jìn)一步分析不同牡丹籽油產(chǎn)品香氣的差異性,采用ROAV法來(lái)確定其關(guān)鍵風(fēng)味化合物。ROAV越大的揮發(fā)性物質(zhì)對(duì)樣品總體風(fēng)味的貢獻(xiàn)也越大。基于前人的研究[17,22],ROAV≥1的物質(zhì)為樣品的關(guān)鍵風(fēng)味化合物,而0.1≤ROAV<1的物質(zhì)對(duì)樣品總體風(fēng)味也有重要貢獻(xiàn),被稱為修飾性風(fēng)味化合物。

由表2可知,10種不同牡丹籽油產(chǎn)品中的關(guān)鍵風(fēng)味化合物(ROAV≥1)共有3種,即乙醛、1-戊烯-3酮和2,3-戊二酮。2-甲基丁醛、(Z)-4-庚烯醛、(E)-2-庚烯醛、(E)-2-辛烯醛和1-辛烯-3-醇也對(duì)牡丹籽油的總體風(fēng)味有重要貢獻(xiàn),被認(rèn)為是牡丹籽油的修飾性風(fēng)味化合物(0.1≤ROAV<1)。這些重要的關(guān)鍵風(fēng)味化合物以及修飾性風(fēng)味化合物以不同的含量和比例分別形成了不同品牌牡丹籽油的獨(dú)特風(fēng)味。醛類(lèi)物質(zhì)種類(lèi)最多且ROAV高,特別是乙醛,被認(rèn)為是P2～P10中貢獻(xiàn)最大的關(guān)鍵香氣化合物。而其余醛類(lèi)物質(zhì)在不同樣品中ROAV差異較大。醛類(lèi)物質(zhì)是脂肪酸由脂氧合酶及過(guò)氧化物裂解酶二級(jí)降解得到的產(chǎn)物,閾值較低,可以為樣品提供一些積極的感官特性,如果香味、麥芽味、油脂香和青草香等[20]。因此,醛類(lèi)物質(zhì)被認(rèn)為是造成不同牡丹籽油產(chǎn)品香氣差異的一類(lèi)主要化合物。此外,酮類(lèi)物質(zhì)在牡丹籽油中,特別是P1中表現(xiàn)出了對(duì)總體風(fēng)味特征的較大貢獻(xiàn)。酮類(lèi)化合物是由不飽和脂肪酸降解得到的氫過(guò)氧化物在經(jīng)微生物氧化或熱氧化產(chǎn)生的,閾值相對(duì)較低,具有胡椒、大蒜、洋蔥的辛辣刺激氣味,以及黃油味[20]。1-辛烯-3-醇作為一種修飾性風(fēng)味化合物,能夠加強(qiáng)基質(zhì)中特征香氣成分的顯現(xiàn)[20]。

表2 牡丹籽油中的關(guān)鍵風(fēng)味化合物Table 3 Key flavor compounds in peony seed oil

2.4 關(guān)鍵香氣化合物的主成分分析

對(duì)采用ROAV法確定的關(guān)鍵風(fēng)味化合物和修飾性風(fēng)味化合物進(jìn)行主成分分析(圖3)。前3個(gè)主成分貢獻(xiàn)的累積貢獻(xiàn)率為75.924%,可以代表樣品的整體信息。P1的第1主成分得分為負(fù)值,第2和3主成分得分為正值,K8(2,3-戊二酮)在第1和2主成分的載荷可以將P1從其他樣品中區(qū)分開(kāi)來(lái)。P2的第1主成分得分為正值,第2和3主成分得分為負(fù)值,K2(2-甲基丁醛)和K6(1-辛烯-3-醇)可以將P2從其他樣品中區(qū)分開(kāi)來(lái)。P3和P4的3個(gè)主成分得分均為正值,K3[(Z)-4-庚烯醛]和K5[(E)-2-辛烯醛],可以將P3和P4從其他樣品中區(qū)分開(kāi)來(lái)。P6、P9和P8的3個(gè)主成分得分均為負(fù)值,K7(1-戊烯-3-酮),可以將它們從其他樣品中區(qū)分開(kāi)來(lái)。總體而言,不同牡丹籽油產(chǎn)品之間香氣特征存在顯著差異,可以通過(guò)主成分分析進(jìn)行較好的區(qū)分。

圖4 基于關(guān)鍵風(fēng)味化合物的牡丹籽油產(chǎn)品主成分分析Fig.4 PCA of different peony seed oil products based on key flavor compounds

3 結(jié)論

電子鼻結(jié)合氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù)可以有效、全面的分析不同牡丹籽油產(chǎn)品的香氣差異。10種不同牡丹籽油產(chǎn)品中共檢出133種揮發(fā)性香氣物質(zhì),其中有17種物質(zhì)存在于所有牡丹籽油樣品中。不同牡丹籽油產(chǎn)品中存在的揮發(fā)性香氣物質(zhì)的種類(lèi)和相對(duì)含量均存在顯著差異,這使得不同牡丹籽油產(chǎn)品形成了獨(dú)特的風(fēng)味。采用ROAV法確定了3種關(guān)鍵風(fēng)味化合物以及5種修飾性風(fēng)味化合物,其中有5種醛類(lèi)化合物、1種醇類(lèi)化合物以及2種酮類(lèi)化合物。乙醛被認(rèn)為是P2～P10中最重要的關(guān)鍵風(fēng)味化合物,而2,3-戊二酮被認(rèn)為是P1中最重要的關(guān)鍵風(fēng)味化合物。這些物質(zhì)是造成不同牡丹籽油產(chǎn)品香氣差異的主要物質(zhì)。基于對(duì)關(guān)鍵風(fēng)味化合物和修飾性風(fēng)味化合物的主成分分析,可以對(duì)不同牡丹籽油產(chǎn)品進(jìn)行簡(jiǎn)單的區(qū)分。通過(guò)對(duì)不同牡丹籽油產(chǎn)品的香氣差異性研究,可增加消費(fèi)者對(duì)牡丹籽油的品質(zhì)進(jìn)行進(jìn)一步了解,并提供選購(gòu)依據(jù),同時(shí)還可以為控制和優(yōu)化牡丹籽油的香氣品質(zhì)提供參考。