紅糖揮發性成分中關鍵香氣成分分析及綜合評價

楊婷，王智能，楊柳，應雄美，尚試雄，崔杰，沈石妍

(云南省農業科學院甘蔗研究所 云南省甘蔗遺傳改良重點實驗室，云南 開遠 661699)

紅糖是以甘蔗為原料，經過榨汁、澄清、蒸發濃縮得到的一種有營養價值的產品[1]，屬于非分蜜糖，因未經過高度精煉，幾乎保留了甘蔗中全部的營養成分，如：多種礦物質、維生素、氨基酸、蛋白質、多酚類化合物等有益于人體健康的成分，在抗氧化、抗毒性、保護細胞等方面發揮著積極作用[2-4]。

紅糖香氣是消費者評判紅糖品質最直接的感官感受，不同的紅糖產品所呈現的香氣具有較大的差異[5-6]，紅糖香氣成為決定紅糖品質的重要因素之一。隨著消費者對紅糖香氣品質的關注，科研工作者對紅糖的香氣成分開展了研究，黃蘇婷等[7-8]對比了固相微萃取(SPME)和同時蒸餾萃取(SDE)兩種提取方法，結合氣相色譜-質譜(GC-MS)檢測方法，SPME和SDE分別檢測出47，37種香氣物質。García等[9]利用SDE-GC-MS分析紅糖香氣，發現2-甲基吡嗪、2,5-二甲基吡嗪、糠醛、丙酸、2-甲基丙酸和2-呋喃甲醇為主要香氣物質。Asikin等[10]對8種紅糖進行香氣成分分析，主要香氣成分為乙醛、乙醇、乙酸丁酸、2,5-二甲基吡嗪和2,6-二甲基吡嗪。盡管現有研究大概指出了紅糖香氣成分的總體組成情況，但并非紅糖中所有的香氣成分都能產生香氣，香氣成分實際貢獻與它們的閾值和濃度相關，為了揭示決定紅糖香氣品質的關鍵香氣成分，本研究選取了15個紅糖樣品為研究對象，采用HS-SPME-GC-MS分析檢測技術研究紅糖的香氣組成成分，結合各成分的閾值，計算ROAV值，研究出紅糖香氣的關鍵香氣成分，利用主成分分析法研究，并采用統計學方法建立香氣綜合評價模型，以期為紅糖香氣品質提供判定依據，為紅糖質量評估及深入探索提供依據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

15個紅糖樣品通過合作企業及電商平臺采購得到，樣品信息見圖1，置于密封袋內在室溫下保存。

圖1 紅糖樣品信息

1.2 儀器與設備

Trace 1310/ISQ 7000氣相色譜-質譜聯用儀 美國ThermoFisher Scientific公司；CAR/PDMS碳分子篩/聚二甲基硅氧烷萃取頭(75 μm) 美國Supelco公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 樣品前處理

準確稱取3 g紅糖樣品置于20 mL頂空瓶中，插入經老化的萃取頭，60 ℃水浴萃取50 min后GC-MS檢測。

1.3.2 氣相色譜-質譜分析

1.3.2.1 色譜條件

進樣口250 ℃解吸5 min，不分流進樣，載氣He，流量1 mL/min；程序升溫：50 ℃保持1 min，以4 ℃/min升至120 ℃，保持2 min，以4 ℃/min升至200 ℃，保持2 min，以15 ℃/min升至250 ℃，保持5 min。

1.3.2.2 質譜條件

傳輸線溫度260 ℃，離子源溫度250 ℃，EI源，電離電壓70 eV，掃描范圍30～450 amu。

1.3.2.3 揮發性物質的定性

利用NIST標準質譜庫對GC-MS得到的揮發性成分總離子流色譜圖進行檢索和人工解析，以各香氣組分的峰面積占總峰面積的比值表示組分的相對含量。

1.3.3 基于ROAV分析的主體揮發性風味物質評定

相對氣味活度值(ROAV)[11-12]是指某一香氣物質相對含量與該物質的呈香閾值的比值，以比值評價該香氣成分對整體香氣的貢獻率[13]。采用相對氣味活度值評價各揮發性組分對樣品總體風味的貢獻，在各揮發性香氣組分相對含量的基礎上，根據參考文獻報道的各組分的香氣閾值，按以下公式計算各組分的ROAV值：

式中：Ci和Ti分別為紅糖中各組分的相對含量(%)和香氣閾值(mg/kg)；Cmax和Tmax分別為對紅糖總體風味貢獻最大的組分的相對含量(%)和香氣閾值(mg/kg)。

定義最大貢獻組分的ROAVmax=100，ROAV≥1,表示該物質為紅糖的關鍵風味成分，且值越大表示該物質對整體風味貢獻越大；0.1≤ROAV<1說明該物質對整體風味有修飾作用。

1.4 數據處理

采用 Microsoft Office Excel 2016對實驗數據進行基本處理，使用SPSS 22.0對數據進行主成分分析。

2 結果與分析

2.1 紅糖香氣成分的HS-SPME-GC-MS分析

由表1可知，15個紅糖樣品中共鑒定出67種揮發性化合物，可分為醛類、吡嗪類、酮類、醇類、酸類、酯類以及其他化合物。其中酸類化合物種類最多(18種)，醛類10種，吡嗪類7種，酮類8種，醇類10種，酚類最少(3種)，酯類次之(5種)，其他類化合物6種。不同紅糖產品揮發性物質數量和相對含量存在差異，共有物質21種，包括苯甲醛、5-甲基呋喃醛、2,5-二甲基吡嗪、4-環戊烯-1,3-二酮、2(5H)-呋喃酮、甲基環戊烯醇酮、丙酮醇、糠醇、5-甲基-2-呋喃甲醇、(-)-異雪松醇、乙酸、丙酸、丁酸、異戊酸、異辛酸、正己酸、壬酸、苯甲酸、(-)-泛酰內酯、松三糖、3-乙酰基吡咯。其中乙酸、3-乙酰基吡咯、糠醇、丙酸相對含量較高。

表1 不同紅糖揮發性香氣組分及相對含量

15個紅糖樣品中，酸類物質相對含量最高，含量在10.89%～76.41%之間，其中乙酸相對含量最高，但其閾值較大，對整體貢獻較小。吡嗪類物質相對含量次于酸類，含量在0.71%～55.21%之間，其中2,5-二甲基吡嗪、2,6-二甲基吡嗪相對含量較高，且閾值較低，對整體香氣的影響超過酸類化合物。15個紅糖產品中，醇類物質相對含量次于吡嗪類，含量在2.74%～16.55%之間，其中糠醇相對含量較高，且閾值極低，對整體風味影響較大。

2.2 紅糖香氣成分的ROAV分析

目前已報道的揮發性呈香物質有10000多種，但并不是所有香氣化合物都對食物香氣有貢獻，研究發現僅有很少一部分香氣成分能夠對食物整體香氣起到主要貢獻作用，還有一部分對整體有輔助貢獻作用[14]，香氣成分實際貢獻與其閾值和濃度相關，可見僅僅基于紅糖香氣組分的含量并不能說明其實際的貢獻度，需要通過計算ROAV來進一步判斷。

由表2可知，通過相應物質的感覺閾值及其氣味描述[15-18]，計算ROAV，D-(-)-泛酰內酯、糠醇在15種紅糖中均檢測到，其中糠醇是一種具有溫和的油膩、燒焦氣味的揮發性香氣物質，其閾值很低(0.0123 mg/kg)，相對含量高，氣味活度值較高，推測其對紅糖香氣具有關鍵的貢獻作用。D-(-)-泛酰內酯閾值極低(0.0006 mg/kg)，具有最高的ROAV，對紅糖香氣有重要貢獻作用。綜上所述，二者可能是紅糖香氣共有的特征呈香物質。

表2 紅糖香氣成分閾值及香味描述

異戊醛、正辛醛、壬醛、反-2-辛烯醛、2-甲基吡嗪、3-羥基-2-丁酮、1-辛烯-3-酮、1-辛烯-3-醇、愈創木酚具有極低的閾值，但由于不同紅糖產品之間相對含量存在差異，且部分紅糖產品中并未檢測到該物質含量，對紅糖香氣貢獻存在差異。具有蘋果香的異戊醛，除了在8，9，10，13號樣品未檢測到，其余11種紅糖產品中異戊醛的ROAV均大于1，對香氣起到重要貢獻作用；正辛醛對6，7，8，11，14，15號樣品香氣有重要貢獻；壬醛對5，6，7，8，10，15號樣品香氣起到重要貢獻；反-2-辛烯醛對4，6，7，10，11，13，14，15號樣品香氣有重要貢獻，正辛醛和反-2-辛烯醛賦予紅糖獨特的青草香和油脂味；具有堅果香的2-甲基吡嗪僅對1，2，14號樣品香氣有重要貢獻作用；3-羥基-2-丁酮對1，2，3，5，9號樣品整體香氣起到重要貢獻作用，賦予其獨特的奶香味；1-辛烯-3-酮、1-辛烯-3-醇為紅糖香氣提供了獨特的蘑菇香味；7，11，13號樣品未檢測到愈創木酚含量，3，8，10號樣品愈創木酚的ROAV<1，對這3個樣品整體香氣起到修飾作用，愈創木酚對其余紅糖樣品整體香氣均有重要貢獻作用(ROAV>1)，賦予樣品獨特的熏香和辛香味。

吡嗪類是典型的美拉德反應產物，2,5-二甲基吡嗪、2,6-二甲基吡嗪相對含量存在差異，在不同紅糖樣品中起到的貢獻不同，2,5-二甲基吡嗪僅對14號樣品香氣有重要貢獻作用，對其余樣品均起到修飾作用；2,6-二甲基吡嗪對2，6，14號樣品香氣有重要貢獻作用。據報道，酸類也是紅糖香氣的主要組分，丁酸對3，10，12，13號樣品香氣有重要貢獻作用；異戊酸對1，13號樣品香氣有重要貢獻作用；5，10，11號樣品未檢測到4-甲基戊酸含量，除對7，8，15號樣品香氣起到修飾作用外，對其他樣品香氣均有重要貢獻作用。

具有堅果味的苯甲醛和具有焦糖、堅果香的甲基環戊烯醇酮對所有紅糖樣品整體香氣有修飾作用。除此之外，還有一些物質對紅糖整體香氣有修飾作用，如：2,4-二叔丁基苯酚、2-乙酰基呋喃。

表3 紅糖香氣成分的ROAV

2.3 紅糖關鍵香氣成分PCA分析

對15個紅糖香氣有主要貢獻的揮發性物質的ROAV進行主成分分析。由表4可知，前4個公因子解釋的累計方差達86.907%，且特征值大于1，表明前四個主成分基本包含了紅糖揮發性物質的絕大部分信息，可用于進行綜合評價；第1主成分的貢獻率為43.339%，決定第1主成分的主要是1-辛烯-3-酮、D-(-)-泛酰內酯、反-2-辛烯醛、1-辛烯-3-醇；第2主成分的貢獻率為16.636%，決定第2主成分的主要是2-甲基吡嗪、愈創木酚、壬醛；第3主成分的貢獻率為14.834%，決定第3主成分的主要是異戊醛、3-羥基-2-丁酮；第4主成分的貢獻率為12.098%，決定第4主成分的主要是糠醇。

表4 主成分分析成分得分系數、特征值、方差貢獻率及累計方差貢獻率

根據表4構建各主成分得分與各揮發性物質間的線性關系式：

F1=-0.04X1-0.169X2+0.256X3+0.085X4+0.019X5+0.369X6+0.205X7+0.065X8+0.012X9+0.324X10。

F2=0.11X1-0.372X2+0.102X3+0.445X4+0.109X5+0.155X6-0.01X7-0.03X8+0.379X9+0.011X10。

F3=0.522X1+0.278X2+0.142X3+0.095X4-0.311X5-0.102X6+0.191X7+0.017X8+0.149X9-0.281X10。

F4=0.032X1+0.169X2-0.062X3-0.047X4+0.369X5+0.035X6+0.12X7+0.748X8+0.14X9+0.114X10。

其中，F1、F2、F3、F4分別代表第1主成分得分、第2主成分得分、第3主成分得分、第4主成分得分，為研究各紅糖的香氣質量，對4個公因子的得分進行加權求和，權數為公因子對應的方差貢獻率，利用綜合評價函數：

zFi=43.339%F1+16.636%F2+14.834%F3+12.098%F4。

其中，zFi表示各樣品的綜合得分。根據不同主成分綜合得分(見表5)，紅糖香氣品質從高到低綜合排名依次為樣品11號、樣品10號、樣品5號、樣品8號、樣品4號、樣品15號、樣品6號、樣品7號、樣品9號、樣品12號、樣品3號、樣品14號、樣品1號、樣品2號、樣品13號。

表5 紅糖香氣質量評價表

3 結論

本文采用HS-SPME-GC-MS技術分析紅糖揮發性成分的組成和相對含量情況，在15個紅糖樣品中共鑒定出8類，共67種揮發性化合物，結果表明，紅糖揮發性成分中含有豐富的醛類、吡嗪類、酮類、醇類、酸類、酯類、酚類及其他化合物，其中乙酸、3-乙酰基吡咯、糠醇、丙酸是紅糖相對含量豐富的化合物。

通過計算ROAV，紅糖中揮發性成分關鍵香氣物質主要是：D-(-)-泛酰內酯、糠醇、異戊醛、正辛醛、壬醛、反-2-辛烯醛、2-甲基吡嗪、3-羥基-2-丁酮、1-辛烯-3-酮、1-辛烯-3-醇、愈創木酚；ROAV值越大表示該物質對整體風味貢獻越大，因此糠醇、D-(-)-泛酰內酯對紅糖香氣具有關鍵的貢獻作用。利用PCA對紅糖香氣質量進行綜合評價，通過綜合評價模型對紅糖香氣品質從高到低綜合排名，前三名依次為樣品11號、樣品10號、樣品5號，此研究結果決定了紅糖關鍵香氣成分，為紅糖香氣質量評價提供了新的模式，為紅糖香氣深入研究提供了依據。