基于電子舌、電子鼻和GC-MS分析襄陽大頭菜新、老鹵水滋味和揮發性物質

馮廷闖，符 漫，熊英梅，胡事成，侯強川，趙慧君*

（1.湖北文理學院 湖北省食品配料工程技術研究中心，湖北 襄陽 441053；2.湖北襄陽孔明菜食品有限公司，湖北 襄陽 441104）

襄陽大頭菜又名“孔明菜”，是國家地理標志產品，為中國四大腌菜之一[1]，屬于芥菜（Brassica juncea（L.）Czern.et Coss.）的一種，是十字花科蕓薹屬植物。襄陽大頭菜采用初腌-轉缸-二腌-轉缸-三腌-轉缸-曬-初鹵-二曬-復鹵-三曬-三鹵-四曬-四鹵-五曬-五鹵-六曬-拌料入缸的“三腌五鹵六曬”的制作方法，口感脆嫩，味道鮮美，深受廣大人民群眾的喜愛。在制作時大頭菜帶皮清洗干凈，放入缸中進行“三腌”。腌制結束后進行“五鹵六曬”，第一次晾曬后放入調整鹽水濃度并加入醬色、香料、五鹵老鹵水的初鹵水中進行鹵制。五鹵中反復使用老鹵并依次提高鹽濃度，最后鹵透菜心并進行最后一次晾曬得到大頭菜的成品。

目前對于襄陽大頭菜的研究主要集中在微生物群落結構解析[2-5]、微生物新種發現[6-7]、理化性質測定[8-9]、大頭菜的揮發性物質比較[10-12]等。襄陽大頭菜在“三腌”后放入調制好的新鹵水中進行“五鹵”。新鹵水的制作講究用老鹵，即在新鹵水中需要添加一定量的老鹵水才能使襄陽大頭菜的品質保持均一。

電子舌、電子鼻是一種新興的仿生設備，可以避免生理味覺和嗅覺的主觀影響和缺陷，無偏的測量食品的滋味和風味[13-14]，被廣泛應用到蒸海鱸魚[15]、腌制魷魚[16]、糙米[17]、橄欖油[18]等各種食品的滋味品質和風味品質的檢測中。氣相色譜-質譜聯用法（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進行有效區分的基礎上，采用GC-MS對揮發性成分進行鑒定，目前這種研究方法在食品上應用非常廣泛，如葡萄酒[19]、杏鮑菇[20]、黃酒[21]、橄欖油[22]等風味物質分析中。

本實驗通過對襄陽大頭菜新、老鹵水理化性質、電子舌、電子鼻、GC-MS的測定全面分析了新、老鹵水的理化性質、滋味品質、氣味和揮發性物質，以期解析老鹵水對襄陽大頭菜品質形成的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大頭菜鹵水：湖北省襄陽孔明菜食品有限公司提供。在每年新大頭菜秋季收獲后進行腌制，采取的樣品為初鹵新鹵水（N-1～N-6）和五鹵后老鹵水（O-1～O-6）。

電子舌內部溶液、參比溶液、陰離子溶液和陽離子溶液：日本Insent公司。

1.2 儀器與設備

UltraScan Pro色度儀：美國Hunterlab公司；SA 402B電子舌：日本Insent公司；FOX4000電子鼻：法國Alpha M.O.S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 試驗方法

1.3.1 可溶性固形物、pH值和色度的測定

可溶性固形物：將大頭菜鹵水滴5滴于全自動折光儀的鏡面，測定大頭菜鹵水的可溶性固形物，取3個平行的平均值為最后測量值。

pH值：用pH計測定大頭菜鹵水的pH值，取3個平行的平均值為最后測量值。

色度：將大頭菜鹵水樣品裝入石英比色皿（50 mm×10 mm）后，采用色度儀對其色度進行測定，測試模式為透射，讀數以CIE1976色度空間值L*、a*和b*表示，其中L*值為明亮度，a*值為紅綠度，b*值為黃藍度。

1.3.2 大頭菜鹵水樣品滋味品質檢測

將大頭菜鹵水樣品用離心機3 000×g離心10 min，取上清。將上清液按照參考文獻[13]中的方法進行測定，即經陽離子或陰離子溶液洗滌后的CA0、CT0、C00、AE1、AAE和GL1共6個傳感器分別于參比溶液和待測大頭菜鹵水樣品中浸泡30 s，兩者的電勢差即為酸味、咸味、苦味、澀味、鮮味和甜味的強度值；為減小系統誤差，每次測定時均以標號為O-1的老鹵水作為對照，并將其各滋味指標相對強度值定義為0，因而納入本研究數據分析的各滋味指標的強度均為相對強度值。每個樣品重復測定4次，取后3次測定值作為實驗的原始數據。

1.3.3 大頭菜鹵水樣品的電子鼻及GC-MS分析測試條件

參照參考文獻[11]的方法進行。

1.3.4 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，基于數據矩陣進行主成分分析（principal component analysis，PCA）和方差分析。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 8.5軟件繪制。

2 結果與分析

2.1 大頭菜鹵水可溶性固形物、pH值和色度分析

對大頭菜新、老鹵水的可溶性固形物、pH值、L*值、a*值和b*值進行了檢測，結果見表1。由表1可以看出，新、老鹵水的可溶性固形物、pH值、L*值、a*值和b*值等指標均有極顯著差異（P＜0.01）。其中老鹵水的可溶性固形物含量高于新鹵水，但是pH值低于新鹵水。從三個色度指標可以看出，老鹵水的明亮度高于新鹵水，老鹵水偏紅、偏黃，即偏橙色，新鹵水偏藍色。新鹵水的顏色主要來源于醬色，老鹵水的顏色是新鹵水經過多年的氧化、微生物發酵、環境影響和大頭菜可溶性固形物溶出的共同結果。

表1 襄陽大頭菜新、老鹵水理化性質比較Table 1 Comparison of physicochemical properties between new and old brines of Xiangyang mustard root

2.2 大頭菜鹵水滋味品質評價

利用電子舌對新、老鹵水的滋味品質進行了測定，其中把編號為O-1的老鹵水設為對照，并將其各滋味指標相對強度值定義為0，因而納入本研究數據分析的各滋味指標均為相對強度，結果見圖1、表2和圖2。

從圖1的雷達圖可以看出，大頭菜新、老鹵水在苦味、鮮味、后味A、后味B、澀味上的各個點基本匯于一處，說明新、老鹵水在這幾個滋味品質上差異不大，而在咸味、酸味和豐度上新、老鹵水的各點分布較為分散，且新鹵水與老鹵水各匯于一處，說明新、老鹵水在在咸味、酸味和豐度上差異較大。

圖1 襄陽大頭菜新、老鹵水基于電子舌數據的雷達分析圖Fig.1 Radar analysis map based on electronic tongue data between new and old brines of Xiangyang mustard root

為了進一步研究大頭菜新、老鹵水滋味品質的差異，對其進行了t檢驗，結果見表2。從表2可以看出，襄陽大頭菜新、老鹵水的滋味除苦味差異為顯著外（P＜0.05），其余均達到了極顯著的差異（P＜0.01）。雖然各個滋味品質的數據在統計學上差異顯著或極顯著，但與對照值＜1的差異在實際生活中品嘗不出來，沒有意義。因此滋味指標中，襄陽大頭菜新鹵水與老鹵水的酸味、豐度和咸味的區別較大。在襄陽大頭菜在腌制的過程中，微生物發酵產生的各種有機酸以及大頭菜內容物的滲出造成了酸味和豐度的增加，根據腌制鹽分要求，新鹵水的鹽分含量要低于老鹵水。

表2 襄陽大頭菜新、老鹵水滋味品質的T檢驗結果Table 2 Results of T-test of taste quality of new and old brines of Xiangyang mustard root

滋味是一種味蕾的復合感覺，因此孤立的研究某一味道進行評價是片面的，因此對襄陽大頭菜新、老鹵水的滋味數據進行了PCA分析（圖2）。從圖2可以看到，第一主成分和第二主成分的方差貢獻率和為95.6%，能夠反映原始數據的全部信息。從因子荷載圖中可以看出，第一主成分主要包括咸味、豐度、后味A、酸味和澀味，方差貢獻率為73.7%，第二主成分包括苦味、后味B和鮮味，方差貢獻率為21.9%。基于電子舌技術的PCA因子得分圖可以看出，新鹵水分布在第一、第三象限，老鹵水分布在第二、第四象限，說明襄陽大頭菜新、老鹵水滋味品質差異較大。與新鹵水相比，老鹵水的酸味、豐度增加，咸味減少。結合圖1中兩圖可以看出，不同的新、老鹵水間也有差異，其中O-2、O-3與其他老鹵水相比，酸味、澀味和后味-A更大一些，N-5、N-6與其他新鹵水相比，苦味更小一些。

圖2 襄陽大頭菜新、老鹵水的滋味品質主成分分析結果Fig.2 Principal component analysis result on taste quality of new and old brines of Xiangyang mustard root

2.3 電子鼻測定揮發性物質

每個傳感器每秒產生的響應值均有不同，選擇各傳感器最大響應值進行數據處理與分析，各傳感器對不同地區大頭菜響應值的差異性分析見表3。由表3可以看出，襄陽大頭菜新鹵水與老鹵水的各個傳感器的響應值差異均達到了極顯著的水平，其中新鹵水中W5S、W6S、W1S、W1W、W2S、W2W、W3S的響應值均高于老鹵水，W1C、W3C、W5C響應值均低于老鹵水，由此可見，老鹵水刺激性氣味減少，芳香性氣味更濃郁。

表3 傳感器對不同地區大頭菜響應值的差異性分析Table 3 Significance analysis of each sensor response in mustard roots from different regions

2.4 GC-MS測定襄陽大頭菜新鹵水、老鹵水中的揮發性物質

為了進一步研究襄陽大頭菜新鹵水與老鹵水中揮發性物質的差異，利用GC-MS對揮發性物質進行了進一步的分析，結果見圖3。從圖3可以看出，襄陽大頭菜老鹵水樣品中各揮發性物質相對峰面積變化較小，大部分在15%以內，新鹵水樣品中各揮發性物質相對峰面積均有一較大異常值，在60%左右，其余揮發性物質含量相對均一，在10%以內。

圖3 襄陽大頭菜新、老鹵水各揮發性物質相對強度值的箱形圖Fig.3 Box chart of relative intensity values of volatile compounds in new and old brines of Xiangyang mustard root

從鹵水中共檢測出24種揮發性物質，其中新鹵水中檢測出16種，老鹵水中檢測出22種，其中新、老鹵水共同的且含量相對高的揮發性物質有丙酮、2-甲基-正丁醛、硼烷二甲硫醚絡合物、二硫化碳、二甲基二硫醚。新鹵水中獨特的揮發性物質有異硫氰酸仲丁醇、異硫氰酸烯丙酯、苯乙基異硫氰酸酯、2-丁烯腈等，老鹵水中獨特的揮發性物質有3-甲基-1-正丁醛、苯乙醛、2-甲基丙醛、二甲基三硫醚、右旋檸檬烯等。

對新、老鹵水中的酯類、醇類和醛類化學物相對含量（圖4）進行比較發現，在新鹵水中酯類物質含量極其豐富，主要為異硫氰酸烯丙酯；其次為醇類，主要為乙醇和異硫氰酸仲丁醇。在老鹵水中，醛類含量比較穩定，主要為2-甲基-正丁醛、3-甲基-正丁醛、2-甲基-丙醛等；醇類主要為正丁醇。酯類物質幾乎為0，原因是在發酵過程中異硫氰酸烯丙酯降解成其他的成分，主要為各種含硫化合物。

圖4 襄陽大頭菜新、老鹵水主要揮發性物質類別及相對含量Fig.4 Types and relative contents of main volatile compounds in new and old brines of Xiangyang mustard root

2.4.1 襄陽大頭菜新、老鹵水中酯類物質的比較

從表4可以看出，新鹵水中主要揮發性物質為異硫氰酸烯丙酯，在60%左右，異硫氰酸烯丙酯是十字花科植物特有的物質硫代葡萄糖苷經芥子酶分解的產物，除了異硫氰酸烯丙酯外，硫代葡萄糖苷的分解產物還包括異硫氰酸丁酯、異硫氰酸異丁酯、異硫氰酸丁烯酯、2-苯乙基異硫氰酸酯、各種腈類化合物等[19]。

老鹵水中除O-1樣品中檢測到少量的異硫氰酸烯丙酯，其余樣品中都沒有檢測到。這是因為在大頭菜“五鹵”的腌制過程中，絕大部分異硫氰酸烯丙酯被分解了。

2.4.2 襄陽大頭菜新、老鹵水中含硫類物質的比較

從表4可以看出，新鹵水中硼烷二甲硫醚絡合物、二硫化碳、二甲基二硫醚含量是除異硫氰酸烯丙酯外含量最高的，但是這些含硫化合物是老鹵水中主要揮發性物質。老鹵水中，除硼烷二甲硫醚絡合物、二硫化碳、二甲基二硫醚外，還包括二甲基三硫醚，這些硫化物都是異硫氰酸烯丙酯分解后的產物，是大頭菜特有的風味物質，具有蔥、肉等特殊香味，也有較強的防腐和殺菌作用[23]。

2.4.3 襄陽大頭菜新、老鹵水中醛類物質的比較

從表4可以看出，襄陽大頭菜新鹵水中醛類種類和數量較少，2-甲基-正丁醛存在于所有的樣品中，壬醛和己醛只在N-1和N-2樣品中存在。老鹵水中的醛類很豐富，包括2-甲基-正丁醛、異戊醛、苯乙醛、壬醛、2-甲基-丙醛和己醛。C6-C12飽和脂肪族醛在稀釋條件下具有令人愉快的香氣，在香精配方中往往起頭香劑的作用。

2.4.4 襄陽大頭菜新、老鹵水中醇類物質的比較

從表4可以看出，襄陽大頭菜新鹵水中的醇類主要為乙醇和異硫氰酸仲丁醇，乙醇來自淀粉物質的發酵，異硫氰酸仲丁醇為硫代葡萄糖苷分解后的產物[24]。老鹵水中的醇類主要為正丁醇，具有酒香味。

2.4.5 襄陽大頭菜新、老鹵水中其他物質的比較

從表4可以看出，2-丁烯腈和苯代丙腈是硫代葡萄糖苷在芥子酶作用下水解的產物。2-丁烯腈又稱巴豆腈，具有蔥香味[25]，在襄陽大頭菜新鹵水中含量豐富，在襄陽大頭菜老鹵水中沒有檢測到，苯代丙腈的含量也有所降低，可能在反復的晾曬過程中有所揮發。

表4 襄陽大頭菜新、老鹵水中揮發性物質及其相對含量Table 4 Main volatile compounds and contents of new and old brines of Xiangyang mustard root %

2.5 襄陽大頭菜新、老鹵水電子舌、電子鼻和GC-MS的PCA分析

為了研究大頭菜新、老鹵水的區別，對電子舌、電子鼻及GC-MS結果綜合進行了PCA分析，結果見圖5。

圖5 襄陽大頭菜新、老鹵水中揮發性物質電子舌、電子鼻和GC-MS分析的主成分分析結果Fig.5 Principal component analysis results of volatile compounds in new and old brines of Xiangyang mustard root analysis by electronic tongue,electronic nose and GC-MS

從圖5可以看出，第一主成分和第二主成分的方差貢獻率和為89.19%，能夠反映原始數據的全部信息。從因子荷載圖中可以看出，第一主成分主要包括W1S、W2S、W3S、W1W、W2W、W6S、W1C、W3C、W5C、酯類、醛類、豐度和后味A，方差貢獻率為80.67%，所以主要通過第一主分成來反映大頭菜新、老鹵水的區別。第二主成分包括醇類、酸味、苦味、后味B、鮮味、咸味和澀味，方差貢獻率為8.52%?；赑CA因子得分圖可以看出，新鹵水分布在第一、第三象限，老鹵水分布在第二、第四象限，說明襄陽大頭菜新、老鹵水滋味品質差異較大。結合圖1可以看出，大頭菜新新鹵水中W1S、W2S、W3S、W1W、W2W、W6S和酯類含量較高，反映出了襄陽大頭菜新鹵水中異硫氰酸烯丙酯含量高；而大頭菜老鹵水中WIC、W3C、W5C、醛類、酸味、豐度、后味A占據優勢，說明襄陽大頭菜老鹵水中硫醚類物質含量豐富，醛類物質較多，酸味、豐度和后味A突出。

3 結論

本研究通過電子舌、電子鼻和GC-MS對襄陽大頭菜新、老鹵水中的理化性質、滋味品質和揮發性物質進行分析，結果發現襄陽大頭菜新、老鹵水間可溶性固形物含量、pH和色度之間差異極顯著（P＜0.01）。電子舌數據分析顯示，襄陽大頭菜新鹵水與老鹵水相比，酸味、豐度和咸味均低于老鹵水。電子鼻的數據分析顯示，與新鹵水相比，老鹵水刺激性氣味減少，芳香性氣味更濃郁。GC-MS分析顯示，新鹵水中最主要的揮發性物質為異硫氰酸烯丙酯，隨著發酵時間的增加，逐漸降解為各類含硫化合物，即老鹵水中的主要揮發性物質硼烷二甲硫醚絡合物和二甲基二硫醚等。對電子舌、電子鼻和GC-MS數據的主成分分析結果顯示，大頭菜新鹵水中W1S、W2S、W3S、W1W、W2W、W6S和酯類含量較高，反映襄陽大頭菜新鹵水中異硫氰酸烯丙酯含量高；而大頭菜老鹵水中WIC、W3C、W5C、醛類、酸味、豐度、后味A占據優勢，說明襄陽大頭菜老鹵水中硫醚類物質含量豐富，醛類物質較多，酸味、豐度和后味A突出。