基于電子鼻和氣質聯用技術分析市售牡丹籽油產品的香氣差異性

閆鑒,蘭天,王家琪,鮑詩晗,王悅,孫翔宇,馬婷婷*

1(石圪節智華生物科技有限公司,山西 長治,046299) 2(西北農林科技大學 食品科學與工程學院,陜西 楊凌,712100) 3(西北農林科技大學 葡萄酒學院,陜西 楊凌,712100)

油用牡丹(PaeoniasuffruticosaAndr)為毛茛目毛茛科芍藥屬植物,原產于中國,現在山東、河南、安徽、陜西4省有較大規模的集中種植,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],經過壓榨、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以及多種對人體有益的礦物元素[1,6-7]。因此,其具有保護肝臟、降血脂血糖、抗氧化、預防心血管疾病、調節免疫力等多種功能[1,7-8],被稱為“液體黃金”[7]。

近年來,隨著人民生活水平的不斷提高,人們在選擇食用油時已不僅僅停留在安全衛生的水平,而是更加注重其健康與營養[9]。牡丹籽油因成分結構合理、營養價值極高、無毒性等特點[1],逐漸被消費者所接受。2011年原衛生部(現國家衛生健康委員會)將牡丹籽油列為新資源食品。在此基礎上,牡丹籽油產業在多個主要牡丹種植省份迅速發展,并成為了食品、醫藥和健康領域的關注熱點[1]。

目前,關于牡丹籽油的研究多集中于提取工藝優化[2,10]、成分構成及功能活性分析[1,6,11]、氧化穩定性研究[4,8]以及產業發展分析[1,5,7 ]等方面。對于牡丹籽油的氣味成分分析卻鮮有報道。

牡丹籽油作為一種食用油,其感官品質對消費者至關重要。植物油中的揮發性香氣成分是存在于油中的次生特異性標志,賦予了植物油獨特的風味[12],也是評價植物油品質的重要組成成分[13]。因此,實驗以10款不同市售牡丹籽油為對象,對其進行電子鼻和GC-MS檢測,分析不同牡丹籽油產品的香氣差異性,以期為牡丹籽油的風味物質研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

選擇市場上常見的牡丹籽油共10個品牌,均購自京東網上商城,并在4 ℃下保存,備用。10個品牌的牡丹籽油分別編號P1～P10。

1.2 儀器與設備

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

1.3 實驗方法

1.3.1 電子鼻檢測

采用電子鼻對不同市售牡丹籽油產品的整體香氣特征進行檢測,在MA等[14]的測試方法基礎上稍作修改。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行檢測,每個樣品至少測定8次。電子鼻檢測參數:樣品檢測時間60 s,清洗時間300 s,載氣速度300 mL/min,進樣流量300 mL/min。

1.3.2 GC-MS分析

采用頂空固相微萃取法結合氣相色譜串聯質譜技術(headspace solid phase microextraction-gas chromatography mass spectrometry,HS-SPME-GC-MS)對不同市售牡丹籽油產品中的揮發性香氣成分進行測定,在LAN等[15]的測定方法上稍作修改。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樣口,250 ℃解吸2 min,同時啟動儀器采集數據,用于GC-MS的分離與鑒定。GC條件:采用DB-1MS熔融石英毛細管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)和氦氣(1.93 mL/min)檢測。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:質量掃描范圍m/z35～500。所有測試重復3次。

1.3.3 定性定量方法

定性方法[16]:牡丹籽油的揮發性物質是根據NIST 14質譜數據庫通過匹配度和保留時間并結合保留指數(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根據公式(1)計算得到,其中正構烷烴的碳原子數為C7～C30。

(1)

式中:n和n+1分別為待測組分前后正構烷烴的碳原子數,tn和tn+1為相應的正構烷烴出峰保留時間,tx為待測組分出峰保留時間,其中tn

相對定量方法:采用峰面積歸一化法進行定量分析,得到揮發性物質的相對含量。

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

基于化合物的相對含量,在評價各組分對牡丹籽油風味的貢獻時,引入ROAV[17],設定對樣品風味貢獻最大化合物:ROAVmax=100,其他化合物計算如公式(2)所示:

(2)

式中:Ci和Ti分別為各化合物的相對百分含量和對應的感覺閾值;Cmax和Tmax分別為樣品風味貢獻最大組分的相對百分含量和感覺閾值

1.4 統計分析

電子鼻數據利用Excel 16.44進行整合,并采用SPSS 26.0.0.0進行線性判別分析。揮發性物質數據采用SPSS 26.0.0.0進行方差分析及多重比較,P<0.05為顯著相關。關鍵香氣化合物的主成分分析采用SPSS 26.0.0.0軟件進行處理。

2 結果與分析

2.1 電子鼻測定結果分析

電子鼻是一種基于模擬人類嗅覺系統的揮發性成分分析儀器,可以快速、無損的對產品風味輪廓信息進行綜合分析[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信號平衡后的響應雷達圖。不同牡丹籽油產品揮發性成分對傳感器的敏感性大致相同,但響應值有所差異。總體而言,對于所有的牡丹籽油產品,傳感器S2(W5S)和S7(W1 W)的響應信號均普遍較強,它們分別對氮氧化合物以及硫化物較為敏感,其中,P1的響應值最小,P10和P6的響應值最大。而其他傳感器對牡丹籽油的響應值均較小。

在此基礎上,對不同牡丹籽油產品的電子鼻響應值進行判別分析(linear discriminant analysis,LDA)。

a-電子鼻響應值雷達圖;b-基于電子鼻響應的LDA圖1 市售牡丹籽油產品電子鼻結果分析Fig.1 Results of electronic nose analysis of different commercially peony seed oil products

LDA是一種模式識別的典型算法,性質相似的樣品會在空間距離上表現的較為接近[18-19]。由圖1-b可以看出,LD1的貢獻率為68.1%,LD2的貢獻率為25.1%,LD1和LD2的總貢獻率為93.2%,且10組樣品之間無交叉區域,區分明顯,這表明不同牡丹籽油產品的風味特征之間存在差異,可以通過電子鼻較好地區分開。P4和P7,P5和P8的距離較近,說明香氣特征比較接近。

2.2 GC-MS分析結果

在電子鼻的基礎上,本研究采用HS-SPME-GC-MS對多個市售牡丹籽油的揮發性香氣成分進行了測定,其揮發性物質種類和相對含量見增強出版附表1。研究表明,不同牡丹籽油產品對揮發性物質的種類和含量均存在顯著差異。

2.2.1 揮發性物質種類分析

就揮發性物質種類而言,10種牡丹籽油中共檢測出133種揮發性物質,根據官能團將揮發性成分分為7類,包括23種醛類、7種酸類、28種烷烴類、21種烯烴類、12種醇類、15種酮類、11種酯類以及16種其他類物質。不同牡丹籽油產品中存在的揮發性物質種類存在較大的差異。P3含揮發性物質種類最多(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品共有的揮發性物質有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品特有的揮發性物質有34種,P9含有最多的特有揮發性物質共8種,其次是P10(5)。P2、P3、P4、P5、P6和P8均有3種特有揮發性物質,P7有2種,P1則只有1種。造成不同牡丹籽油產品揮發性物質種類存在差異的原因可能是產地、品種、提取方式等的不同。

2.2.2 揮發性物質相對含量分析

由圖2可知,不同市售牡丹籽油產品的揮發性物質相對含量以及不同類別揮發性物質在總揮發性物質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,其余樣品中的醛類物質含量占比最高(24.51%～52.15%),且不同樣品之間差異顯著(P<0.05)。P3和P7的醛類物質占比高達50%以上,其中己醛的占比高達20%以上,是主要的醛類化合物,并且其在P4、P5、P9和P10也是占比最高的醛類物質。2-丙烯醛則是P2、P6和P8中占比最高的醛類物質,分別為8.12%、6.04%和10.42%。而在P1中,醛類占比僅達5.92%。由于醛類物質閾值較低,對香氣貢獻度相對較大[19],其可能是造成不同市售牡丹籽油產品香氣差異的主要香氣化合物,同時,也是導致P1的香氣較淡的主要原因之一。

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

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

除此之外,酸類物質在P5和P4中表現較為突出,分別占總揮發性物質的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占比最高的酸類物質,也是P5和P10中特有的酸類物質。烯烴類物質在P1、P4和P6中均有較高的占比,其中,檸檬烯僅在P1中表現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。醇類物質則在P9中占比較高,其中,乙醇是所有醇類物質中占比最高的,但因其高閾值而沒有對牡丹籽油的風味產生主要貢獻。酸類化合物主要是游離脂肪酸形成的,具有刺鼻的酸味,烯烴類物質主要來自脂肪酸烷氧自由基的均裂,而醇類物質則是由醛類物質經乙醇脫氫酶轉化而成的,但因三者的閾值相對較高,對整體的風味貢獻程度一般[20-21],但可能對提高牡丹籽油整體風味有重要作用。酯類物質和酮類物質在牡丹籽油樣品中也有較少的檢出,這些物質可能為樣品提供了一些辛辣等刺激性氣味或花果香。而在其他類物質中,呋喃類物質表現較好,可能是牡丹籽油中的重要香氣物質。

2.3 關鍵香氣化合物的差異分析

揮發性香氣物質對樣品總體風味特性的貢獻度是由風味體系中揮發性物質的濃度與察覺閾值共同決定的[21]。通常來說,僅有一小部分對樣品的總體風味具有顯著貢獻,這些揮發性物質對總體風味其主導作用,被稱為關鍵風味化合物[19]。為了進一步分析不同牡丹籽油產品香氣的差異性,采用ROAV法來確定其關鍵風味化合物。ROAV越大的揮發性物質對樣品總體風味的貢獻也越大。基于前人的研究[17,22],ROAV≥1的物質為樣品的關鍵風味化合物,而0.1≤ROAV<1的物質對樣品總體風味也有重要貢獻,被稱為修飾性風味化合物。

由表2可知,10種不同牡丹籽油產品中的關鍵風味化合物(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-醇也對牡丹籽油的總體風味有重要貢獻,被認為是牡丹籽油的修飾性風味化合物(0.1≤ROAV<1)。這些重要的關鍵風味化合物以及修飾性風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特風味。醛類物質種類最多且ROAV高,特別是乙醛,被認為是P2～P10中貢獻最大的關鍵香氣化合物。而其余醛類物質在不同樣品中ROAV差異較大。醛類物質是脂肪酸由脂氧合酶及過氧化物裂解酶二級降解得到的產物,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,醛類物質被認為是造成不同牡丹籽油產品香氣差異的一類主要化合物。此外,酮類物質在牡丹籽油中,特別是P1中表現出了對總體風味特征的較大貢獻。酮類化合物是由不飽和脂肪酸降解得到的氫過氧化物在經微生物氧化或熱氧化產生的,閾值相對較低,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味化合物,能夠加強基質中特征香氣成分的顯現[20]。

表2 牡丹籽油中的關鍵風味化合物Table 3 Key flavor compounds in peony seed oil

2.4 關鍵香氣化合物的主成分分析

對采用ROAV法確定的關鍵風味化合物和修飾性風味化合物進行主成分分析(圖3)。前3個主成分貢獻的累積貢獻率為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從其他樣品中區分開來。P2的第1主成分得分為正值,第2和3主成分得分為負值,K2(2-甲基丁醛)和K6(1-辛烯-3-醇)可以將P2從其他樣品中區分開來。P3和P4的3個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從其他樣品中區分開來。P6、P9和P8的3個主成分得分均為負值,K7(1-戊烯-3-酮),可以將它們從其他樣品中區分開來。總體而言,不同牡丹籽油產品之間香氣特征存在顯著差異,可以通過主成分分析進行較好的區分。

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

3 結論

電子鼻結合氣質聯用技術可以有效、全面的分析不同牡丹籽油產品的香氣差異。10種不同牡丹籽油產品中共檢出133種揮發性香氣物質,其中有17種物質存在于所有牡丹籽油樣品中。不同牡丹籽油產品中存在的揮發性香氣物質的種類和相對含量均存在顯著差異,這使得不同牡丹籽油產品形成了獨特的風味。采用ROAV法確定了3種關鍵風味化合物以及5種修飾性風味化合物,其中有5種醛類化合物、1種醇類化合物以及2種酮類化合物。乙醛被認為是P2～P10中最重要的關鍵風味化合物,而2,3-戊二酮被認為是P1中最重要的關鍵風味化合物。這些物質是造成不同牡丹籽油產品香氣差異的主要物質。基于對關鍵風味化合物和修飾性風味化合物的主成分分析,可以對不同牡丹籽油產品進行簡單的區分。通過對不同牡丹籽油產品的香氣差異性研究,可增加消費者對牡丹籽油的品質進行進一步了解,并提供選購依據,同時還可以為控制和優化牡丹籽油的香氣品質提供參考。