GC-MS結合電子鼻分析不同干燥方式對黃花菜粉揮發性物質的影響

馬 堯，郝慧慧，張海紅，楊靜慧，馬雪梅

（寧夏大學食品與葡萄酒學院，寧夏 銀川 750021）

黃花菜（Hemerocallis citrinaBaroni）又名萱草、金針菜，為百合科萱草屬多年生草本宿根植物[1]，作為一種珍貴的食用蔬菜，在我國已有數千年栽種歷史。黃花菜鮮甜味美，營養豐富，風味獨特，其所含的碳水化合物、蛋白質、脂肪3大營養物質分別占60%、15%、2%，是符合低脂肪、標準供能比的食材。黃花菜即是佐餐佳品又是藥用保健食品[2]。據《本草綱目》記載，黃花菜具有利膈、安五臟、清熱、養心、抗菌、消炎、明目等功能[3]。翟俊樂等[4]和鄭選寧[5]研究發現黃花菜富含黃酮類成分，具有抗氧化、抗抑郁、抗肥胖、抗高血壓等多種功能。目前，在黃花菜產業鏈中，除少部分鮮黃花菜直接用于消費之外，大部分黃花菜都通過干制而保存起來以供淡季需求。然而，由于干制工藝對原料黃花的花型要求較為苛刻，要求以未開花的九成熟的花蕾為原料，造成已開花的成熟黃花被廢棄，據作者統計殘次黃花菜達到黃花菜產量的10%左右，已經開花的成熟黃花菜由于無法制干導致資源浪費，損失巨大。因此，將已經開花、斷折、破損黃花菜進行回收并開發黃花菜加工新工藝和新產品，加大其作為新型食品的開發利用，對其產業發展具有極其重要的意義。

已開花黃花盡管失去了作為干制菜的商業價值，但仍保留著較高的營養價值。若以這些花為原料，采用高效制粉技術，保留鮮花香氣及營養組分，生產黃花菜粉，將會變廢為寶，產生巨大的經濟效益。自然干燥、熱風干燥、真空冷凍干燥和噴霧干燥[6]是4 種常見的蔬菜制粉工藝，各有特點。近年來，研究人員針對不同的干燥方式對產品風味的影響展開深入研究，獲得一定研究成果。馬琦等[7]利用氣相色譜-質譜（gas chromatographymass spectrometry，GC-MS）結合電子鼻分析了干燥方式對杏鮑菇揮發性風味成分的影響；蔣鵬飛等[8]比較了不同干燥方式的苦瓜粉品質特性及香氣成分；Song Jianxin等[9]利用GC-MS結合電子鼻分析了干燥方式對紅棗揮發性風味成分的影響。然而對不同干燥方式黃花菜粉揮發性物質影響研究鮮見報導。為了最大程度保留黃花菜粉的揮發性風味物質，優選黃花菜制粉工藝，本實驗分別選擇自然陰干、熱風干燥、真空冷凍干燥和噴霧干燥4 種方式對黃花菜進行制粉，以GC-MS結合電子鼻技術，定性、定量分析不同干燥方式對黃花菜粉揮發性風味成分的影響，以期為黃花菜資源的合理開發和綜合利用提供科學依據，推動黃花菜產業的發展。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮黃花菜采自寧夏鹽池縣紅寺堡周邊，品種為“大烏嘴”、九成熟，長9～12 cm，單質量為8～10 g，直徑為0.8～10 mm、無病蟲害、無機械損傷的花蕾。

1,2-二氯苯（分析純） 美國Sigma-Aldrich公司；甲醇（分析純） 賽默飛世爾科技有限公司。

1.2 儀器與設備

Qp2010ultra型GC-MS聯用儀 日本Shimadzu公司；PK157330-U型手動固相微萃取進樣器（50/30 μm二乙烯基苯/碳分子篩/聚二甲基硅氧烷（divinylbenzene/carboxen/polydimethylsiloxane，DVB/CAR/PDMS）） 美國Supelco公司；DB-WAX型毛細管柱（30 m×0.25 mm，0.25 μm） 美國Agilent公司；PEN3.5電子鼻 德國Airsence公司；WNB22型精密數顯恒溫水浴槽 上海樹立儀器儀表有限公司；LT202E型電子天平 常熟市天量儀器有限責任公司；XW-80A旋渦混合儀 上海嘉鵬科技有限公司；JP-520超微粉碎機昆山強威粉體設備有限公司；pc-zl300破骨機 萊州萬凱機械有限公司；KL-75高速勻漿機 諸城市科力機械有限公司：Y160M-6熱泵干燥機 東莞市永淦節能科技有限公司；ZDG-0.25型真空凍干機 諸城市鼎州機械有限公司：LPG-5離心噴霧干燥機 常州市日宏干燥設備有限公司。

1.3 方法

1.3.1 預處理

黃花菜挑選整理進行干燥后裝入塑封袋置于4 ℃冰箱貯存。干燥前黃花菜初始含水量為86%，熱風干燥、真空冷凍干燥和噴霧干燥3 種干燥方式制得樣品水分均控制在10%以下。4 種干燥方法[10-13]的技術細節如表1所示。干燥后使用超微粉碎機（每個樣品分2 次，間隔2 min）將除噴霧干燥以外的其他干燥方式黃花菜碎成粉末。將粉末通過60 目篩。

表1 不同干燥方式黃花菜粉制備設備及參數、圖片Table 1 Different types of drying equipment and processing parameters used for preparation of daylily powder and product pictures

1.3.2 GC-MS條件

采用頂空固相微萃取對樣品進行萃取，GC-MS進行分離、鑒定和定量揮發性化合物。根據Song Jianxin等[9]的方法略作修改。稱取2 g樣品于20 mL頂空瓶中并加入4 μL 1,2-二氯苯標品溶液，用封口膜封口，渦旋振蕩30 s，放入50 ℃水浴鍋中平衡20 min，萃取頭吸附20 min（50/35 μm DVB/CAR/PDMS）。

GC條件：DB-WAX色譜毛細管柱（30 m×0.25 mm，0.25 μm）；起始溫度40 ℃，保持3 min，然后以5 ℃/min升溫到200 ℃，再以10 ℃/min升溫到230 ℃，保持3 min。氦氣作為載氣，恒定流速2 mL/min，入口溫度250 ℃，不分流。

MS條件：使用電子電離模式；電子能量70 eV；傳輸線溫度280 ℃；離子源溫度230 ℃；接口溫度250 ℃；溶劑延遲2.5 min；質量掃描范圍m/z50～350。定性定量分析：化合物由質譜數據庫檢索NIST標準譜庫，進行定性分析，用峰面積歸一法測算各揮發性成分的相對含量。

1.3.3 GC-MS定性與定量分析

揮發性物質經色譜柱分離后，化合物由質譜數據庫NIST對比鑒定。根據已知質量濃度的1,2-二氯苯的峰面積按下式計算黃花菜粉樣品中各揮發性物質含量：

式中：Ax和Ai分別為目標化合物的峰面積和內標化合物的峰面積；Ci為內標化合物的質量濃度/（μg/mL）；4為加入標準品體積/μL；2為加入樣品質量/g；分子1 000為1 kg，分母1 000為1 000 μL；Mx為目標化合物含量/（μg/kg）。

1.3.4 電子鼻檢測

配備10 種金屬氧化物半導體檢測裝置（W1C、W5S、W3C、W6S、W5C、W1S、W1W、W2S、W2W、W3S）（表2）。將2 g樣品放在瓶子里，蓋上聚四氟乙烯硅塞，然后進行分析。

表2 電子鼻傳感器陣列的響應特征Table 2 Response characteristics of PEN3.5 electronic nose sensor arrays

電子鼻設置參數：樣品測定間隔時間1 s，傳感器清洗持續100 s，自動調零持續10 s，樣品準備時間5 s，樣品測試時間100 s。流率內、入口均為600 mL/min。測量完畢，用清潔空氣沖洗容器，直到傳感器信號返回基線。每個樣本測量3 次。

1.4 數據處理

電子鼻數據分析：運用The Unscrambler X 10.4 (64-bit)軟件對數據進行主成分分析（principal component analysis，PCA）和線性判別分析（linear discriminant analysis，LDA）。

利用TBtools_windows-x64_1_071對4 種不同干燥方式得到的黃花菜粉揮發性成分含量進行熱圖分析與聚類分析。

2 結果與分析

2.1 不同干燥方式對黃花菜粉揮發性成分種類及含量的影響

表3 不同干燥方式的黃花菜粉樣品揮發性成分化學組成與含量Table 3 Composition and content of volatile components in daylily powder prepared with different drying methods

續表3

采用頂空固相微萃取結合GC-MS分析4 種干燥方式下黃花菜粉末揮發性成分，通過NIST庫比對篩選出相似度大于80%的組分，如表3所示。自然干燥、熱風干燥、真空冷凍干燥和噴霧干燥4 種干燥方式的揮發性物質有明顯差異。采用GC-MS共檢測出68 種揮發性物質，可分為8 大類：醇（11 種）、醛（14 種）、酮（12 種）、酯（4 種）、烷烴（11 種）、酸類（6 種）、烯類（6 種）、其他（4 種），4 種干燥方式分別檢測到41（自然干燥）、41（熱風干燥）、35 種（真空冷凍干燥）和26 種（噴霧干燥）。其中真空冷凍干燥的總揮發成分最高為56.36 μg/kg，其次是熱風干燥（39.82 μg/kg）、自然干燥（28.54 μg/kg）、噴霧干燥（26.04 μg/kg）。

醇類物質在黃花菜粉揮發性物質中貢獻非常重要，其前體物質多為不飽和脂肪酸[14]。自然干燥中醇類物質揮發性含量最高，其中含量最高的為1-辛烯-3-醇（5.07 μg/kg），其次為己醇（1.34 μg/kg）、芳樟醇（0.71 μg/kg）、脫氫芳樟醇（0.48 μg/kg），1-辛烯-3-醇為脂肪族不飽和醇，具有蘑菇、薰衣草、玫瑰和干草香氣[15]。熱風干燥中醇類物質揮發性含量最高的物質也為1-辛烯-3-醇（3.32 μg/kg），但在真空冷凍干燥與噴霧干燥過程中未檢出。4 種干燥方式均含有的揮發性物質為芳樟醇及苯乙醇，芳樟醇屬于鏈狀萜烯醇類[16]具有鈴蘭香氣，苯乙醇具有清甜的玫瑰樣花香。真空冷凍干燥與噴霧干燥中醇類物質揮發性含量最高的物質均為反式-橙花叔醇（4.8 μg/kg和0.47 μg/kg）。

干燥過程中的熱分解是導致幾種干燥方式醇類物質差異明顯的主要原因，這與前人研究的變化趨勢一致[17]。醛類物質在黃花菜粉中含量最為豐富（14 種），其氣味閾值較低，對總體揮發性的貢獻較大，4 種干燥方式均含有的醛類物質為己醛、辛醛、壬醛、反式-2-辛烯醛，這類C5～C9的醛類來自脂肪氧化和降解[18]。其中，辛醛具有很強的水果香味；壬醛具有玫瑰、柑橘等香氣，并有強的油脂氣味；反式-2-辛烯醛呈脂肪和肉類香氣，并有黃瓜和雞肉香味；己醛使食品具有清香的味道，自然干燥中己醛含量最高為2.66 μg/kg。苯甲醛除在噴霧干燥樣品中未檢測出外，在其他幾種干燥方式均有檢出，具有特殊杏仁香味，可以賦予產物脂香風味[19]。另外，青葉醛除在熱風干燥中未檢出外，在其他幾種干燥方式均有檢出，具有強烈青草氣味。臧紅花醛在自然干燥與熱風干燥中均有檢出，具有木香、辛香、藥香、粉香[20]。

酮類物質在黃花菜粉中含量豐富，短鏈酮類具有脂香和焦香香氣[21]，長鏈酮類則呈現出花香氣息[8]，其中1-辛烯-3-酮具有強烈的壤香、蘑菇香氣及金屬氣，帶有卷心菜和花椰菜樣的蔬菜香韻，有很淡的魚和雞肉的香氣。6-甲基-3,5-庚二烯-2-酮與香葉基丙酮具有新鮮、清、淡的花香香氣，略帶甜蜜-玫瑰香韻味，在4 種干燥方式中均有檢出。松香芹酮只在自然干燥中檢出其具有令人愉快的類似檸檬的香氣，無樟腦和松脂的氣味。

酯類物質會賦予食品甜香氣味[22]和輕微油脂氣味[23]，α-呋喃甲醇丙酸酯在除自然干燥以外的其他3 種干燥方式中含量較大，分別達到7.91（熱風干燥）、5.90 μg/kg（真空冷凍干燥）和7.61 μg/kg（噴霧干燥）。α-呋喃甲醇丙酸酯具有焦糖樣甜香與水果香氣。分析其在自然干燥中不存在的原因可能是酯類物質主要是酸類和醇類物質酯化反應的產物，其形成過程復雜，糖酵解、蛋白質水解、脂肪氧化及內源酶作用都是酯類化合物形成的主要途徑，其未達到生成溫度[24]。二氫獼猴桃內酯在除熱風干燥以外的其他3 種干燥方式中均有檢出，其具有香豆素樣香氣，并有麝香樣氣息[25]。

4 種干燥方式共檢出烷烴類物質11 種，其中真空冷凍干燥含量最高達到9 種（35.84 μg/kg），噴霧干燥達到6 種（15.7 μg/kg），熱風干燥達到5 種（12.34 μg/kg），自然干燥達到2 種（0.78 μg/kg）。烴類物質由于含量較低感覺閾值相對較高，對黃花菜粉整體風味貢獻值較小，但對黃花菜粉風味具有一定的修飾作用。烯類、酸類在4 種干燥方式中含量較少，但其對風味影響巨大。金合歡烯[26]在4 種干燥方式中均存在，其有青香、花香并伴有香脂香氣，并且其含量隨著干燥溫度升高而減小（自然干燥＞熱風干燥＞噴霧干燥）。羅勒烯和水芹烯只存在于自然干燥與熱風干燥中，其中羅勒烯有草香、花香并伴有橙花油氣息[27]，水芹烯具有草本香氣[28]。壬酸在熱風干燥、真空冷凍干燥、噴霧干燥中均有檢出，其呈現脂肪和椰子香氣。

綜上所述，黃花菜粉風味是由各類物質共同作用形成，酯類、醛類、酮類、醇類物質為黃花菜粉的主要揮發性風味物質，呋喃類與有機酸類物質起到豐富香氣組成和調和風味物質的作用。此外，不同干燥方式對黃花菜粉揮發性風味物質含量有顯著影響，熱風干燥與噴霧干燥能很大程度促進酯類物質生成，而自然干燥與熱風干燥能有效地保留醇類、醛類物質。究其差異原因，4 種干燥方式中，自然干燥與熱風干燥原理相似。但熱風干燥溫度相對于自然干燥較高，黃花菜粉中的熱敏活性物質損失較為嚴重，低沸點香氣成分大量流失的同化長鏈高分子化合物發生氧化并發生裂解。自然干燥溫度較低，能有效減緩香氣成分的損失率，但干燥溫度降低，必然造成干燥時間的相應延長，同樣不利于香氣成分的保持。黃花菜粉中的大多數揮發性物質在真空凍干產品中有較好的保留效果，這可能與真空冷凍干燥過程中物料所處環境溫度較低且為真空環境，但由于干燥溫度較低，雜環化合物轉化較少，產生烘烤香氣較弱。噴霧干燥工藝干燥效果好，物料均勻、流散性好，但因瞬間高溫過程，物料的香氣成分容易被破壞。

2.2 揮發性物質的熱圖分析

圖1 不同干燥方式黃花菜粉揮發性風味物質熱圖Fig. 1 Heatmap of volatile flavor substances in daylily powder prepared by different drying methods

為進一步確定各干燥方式揮發性風味物質的變化，將各香氣含量取以10為底的對數進行熱圖聚類分析，結果如圖1所示。經不同干燥方式干燥的黃花菜粉可分成2 類，其中噴霧干燥與自然干燥為1 類，真空冷凍干燥與熱風干燥為1 類，由此可知噴霧干燥與自然干燥處理的黃花菜粉其揮發性物質組成及含量較為類似，具有較高的相關性。真空冷凍干燥與熱風干燥處理的黃花菜粉其揮發性物質組成及含量較為類似，具有較高的相關性。

2.3 Mos電子鼻分析

如圖2所示，W1W（硫化氫敏感）和W2W（芳香化合物和有機硫化物敏感）的響應明顯更高，其次是W5S（氮氧化合物敏感），其響應值分別為3.04～9.59、2.78～6.12、1.34～3.97。最高響應值在這3 組變量中都存在于自然干燥中，最低值均存在于噴霧干燥中。

圖2 不同干燥方法黃花菜粉電子鼻雷達圖Fig. 2 Radar diagram of electronic nose data for daylily powder prepared by different drying methods

圖3 不同干燥方式下黃花菜粉樣品的PCA（A）和LDA（B）Fig. 3 PCA (A) and LDA (B) plots of daylily powder prepared by different drying methods

由于雷達圖不足以對不同干燥方式黃花菜粉樣品的香氣特征進行分類，因此對不同干燥方式下黃花菜粉樣品進行PCA，結果如圖3A所示，PCA是將電子鼻數據進行降維處理，提取主要特征進行線性分析，將主要信息保留在幾個不相關的PC中，由圖3A可知，PC1和PC2貢獻率分別為86%和10%，總貢獻率為96%，表明2 個PC能夠反映原始數據的信息。4 組樣品之間沒有重疊，表明其在揮發性成分上有一定差異。LDA是利用所有傳感器的信號研究樣品所屬類別的統計方法。如圖3B所示，部分變量與PC1和PC2有一定相關性，與PC1呈明顯正相關的揮發性物質主要有W5C（對烯烴和芳香型化合物敏感）、W3C（對氨類和芳香型化合物敏感）、W1C（對芳香族化合物敏感）與PC2呈明顯正相關的揮發性物質主要有W15（對烴類物質敏感）、W1W（對硫化氫敏感）、W2S（對醇類和部分芳香型化合物敏感）、W2W（對芳香化合物和有機硫化物敏感）這表明揮發性成分與不同干燥方式黃花菜粉存在相關性。

3 結 論

利用GC-MS技術分析不同干燥方式黃花菜粉的揮發性物質組成及含量，共檢測出68 種揮發性物質，主要包括8 大類：醇類、醛類、酮類、酯類、烷烴類、酸類、烯類、其他。4 種干燥方式分別檢測到41（自然干燥）、41（熱風干燥）、35 種（真空冷凍干燥）和26 種（噴霧干燥）。真空冷凍干燥的總揮發成分含量最高為56.36 μg/kg，其中三十六烷的含量為12.34 μg/kg。占21%，但此物質的含量對香氣貢獻較小，且由于真空冷凍干燥過程干燥溫度較低，雜環化合物轉化較少，產生烘烤香氣較弱。從提高揮發性風味物質的角度出發，熱風干燥可以得到風味較好的黃花菜粉。本研究為今后黃花菜的綜合利用研究提供一定的理論基礎。