基于氣相色譜-離子遷移譜的市售酸奶揮發性風味物質差異分析

申夢娜，喬海軍*，張衛兵，賈志龍，張春艷，楊晰

1(甘肅農業大學 理學院，甘肅 蘭州，730070)2(甘肅農業大學 食品科學與工程學院，甘肅 蘭州，730070) 3(山東海能科學儀器有限公司，山東 濟南，250000)

酸奶是典型的發酵乳制品，由于其豐富的營養價值和特有的功能特性，越來越受到消費者的青睞[1]。隨著消費者口味的改變及酸奶產品升級的需要，近年來，不同口味酸奶的開發成為酸奶市場的發展趨勢[2]。酸奶的風味是評價其質量的重要指標之一，不同品牌的酸奶因原料和發酵工藝的不同，在整體風味上有著較大的差異[3]。揮發性風味物質對酸奶風味品質起決定性影響，因此酸奶中的揮發性風味物質逐漸成為研究熱點[4]。

傳統方法分析酸奶揮發性風味物質通常需要從復雜的基質中分離并富集揮發性風味成分[5]，如采用固相微萃取[6]、同時蒸餾萃取[7]和溶劑輔助風味蒸發[8]等常見的前處理方式。固相微萃取法雖然無需溶劑、靈敏度高，被廣泛應用于酸奶中揮發性成分的提取，但其長時間加熱會改變不穩定組分，精度低[5]，且對沸點相對較高的化合物提取效率不佳[9]。同時蒸餾萃取法與固相微萃取法相比，選擇性高、回收率高，但未減壓時不穩定化合物會受熱分解，易產生熱效應[5]。溶劑輔助風味蒸發法可以解決固相微萃取法無法有效萃取樣品中的痕量揮發性成分的問題，且避免了同時蒸餾萃取法過程中熱敏性揮發性成分的損失[10]，但相比固相微萃取法，對易揮發性成分的提取效率較低[9]。此外，這些復雜的前處理技術無法達到快速檢測的目的。氣相色譜-離子遷移率光譜法(gas chromatography-ion mobility spectrometry，GC-IMS)技術無需樣品前處理，極大簡化了分析過程，可實現快速檢測，且其靈敏度更高，檢測限更低[11]，已逐漸應用于食品分類與摻假、食品特征風味分析、食品加工過程監測和新產品開發等方面[12-13]。目前GC-IMS技術用于發酵乳制品揮發性風味成分的檢測相對較少，將其用于市售風味酸奶揮發性風味化合物的分析尚未見報道。

本研究以市售莊園牧場3種口味的酸奶和4個不同品牌黃桃燕麥酸奶為研究對象，利用風味感官評價分析不同酸奶的風味特征及差異，并采用GC-IMS技術建立揮發性風味物質的指紋圖譜，結合主成分分析(principal component analysis，PCA)對不同酸奶樣品進行差異性分析。以期為酸奶的風味改善和品質調控提供一定的科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

酸奶樣品，購于北京華聯超市(蘭州海關銀灘雅苑店)，樣品信息詳見表1。

正構酮類(2-丁酮、2-戊酮、2-己酮、2-庚酮、2-辛酮和2-壬酮)，均為分析純，北京國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 主要儀器

FlaourSpec?風味分析儀，德國G.A.S mbH公司(配有CTC PAL RSI自動頂空進樣裝置)；20 mL頂空進樣瓶，寧波哈邁儀器科技有限公司；1～5 mL移液槍，賽默飛世爾科技(中國)有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 風味感官評價方法

采用定量描述感官評價法[14]，從食品活性成分與風味化學研究團隊成員中篩選出8名(4名男生，4名女生)感官評價員，經培訓后組成評價小組。依據評價員對風味的描述，經討論后確定了6個風味感官評價指標以及相應的定義(表2)。

表2 市售酸奶樣品風味感官評價指標Table 2 Flaor sensory ealuation index of commercial yogurt samples

將酸奶樣品，感官評價指標的定義和標準品同時呈送給評價小組，評價小組按0～5的標度(0=不存在，1=剛好可識別，2=強度弱，3=中等，4=強，5=很強)評價每個酸奶樣品的香氣強度。每個樣品的香氣強度值取評價員風味感官評價的平均值。

1.3.2 GC-IMS分析條件

頂空進樣條件：準確取量5.00 mL樣品，移入20 mL頂空瓶中，封口。每份樣品重復3次。采用自動頂空方式進樣。進樣體積500 μL；孵育時間20 min；孵育溫度80 ℃，進樣針溫度85 ℃。

GC條件：FS-SE-54-CB-1色譜柱(15 m×0.53 mm，1 μm)，柱溫60 ℃，載氣流速程序：初始流速2 mL/min，保持2 min；8 min內線性升至10 mL/min，然后10 min內線性升至100 mL/min，再5 min內線性升至150 mL/min。

IMS條件：溫度45 ℃；漂移氣(E1)和載氣(E2)均為N2(純度≥99.999%)，漂移氣流速150 mL/min。

1.4 數據處理

通過外標法(C4～C9正構酮)計算化合物的相對保留指數和配套軟件GC×IMS Library Search(內置NIST和IMS數據庫)對化合物進行定性分析；采用系統自帶分析軟件LA(Laboratory Analytical iewer)中Reporter和Gallery Plot插件進行圖譜的對比分析；Dynamic PCA插件進行主成分分析。按峰體積歸一化法計算各揮發性組分的相對含量。采用Origin 2018 Pro軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 3種莊園牧場酸奶揮發性風味差異分析

2.1.1 不同莊園牧場酸奶的風味感官評價結果

由圖1可知，不同酸奶樣品間風味感官評價結果存在較大差異，其中焙烤味、青草味和花香味差異最大，乳酸味和果香味次之，奶香味差異最小。由風味圖1可知，ZY-HT花香味和果香味較為強烈，ZY-TS次之，ZY-YW較弱；ZY-YW的奶香味和乳酸味較為濃郁；ZY-TS焙烤味最突出。同時3種酸奶中均有花香味和青草味作為修飾，且ZY-HT的青草味較為突出，可能是燕麥的添加為其貢獻了青草味。

圖1 不同莊園牧場酸奶風味感官評價雷達圖Fig.1 Radar chart of flaor sensory ealuation of different yogurts from Zhuangyuan Pasture

2.1.2 不同莊園牧場酸奶GC-IMS譜圖差異

圖2是3種莊園牧場酸奶揮發性風味物質GC-IMS二維差譜圖，以ZY-TS樣品譜圖為參比，其他樣品譜圖扣減參比所得。圖中紅色表示該揮發性物質的含量高于參比，藍色代表該物質的含量低于參比，橫坐標8.0 ms處紅色豎線為反應離子峰(reaction ion peak，RIP)，RIP兩側的每一個點代表一種揮發性風味化合物。顏色代表物質的信號強度，顏色越深，強度越大[15]。3種酸奶中揮發性風味物質有明顯差異。ZY-HT的揮發性風味物質最多，ZY-YW次之，ZY-TS最少，同一化合物的含量也存在較大差異。

圖2 不同莊園牧場酸奶的GC-IMS二維差譜圖Fig.2 GC-IMS two-dimensional differential spectrum of different yogurts from Zhuangyuan Pasture

2.1.3 不同莊園牧場酸奶揮發性風味物質的定性及含量差異分析

根據保留時間和遷移時間，通過軟件GC×IMS Library Search檢索，結合正構酮C4～C9作為外標對揮發性風味化合物進行定性分析[16]，共檢測到69個信號峰，鑒定了其中的44種揮發性組分(表3)，包括酯類化合物15種、醛類化合物9種、酮類化合物9種、醇類化合物8種、酸類化合物2種和1種吡嗪類化合物，這些揮發性風味化合物共同構建了3種莊園牧場酸奶和4個品牌黃桃燕麥酸奶的特征風味。

為了確定各類揮發性風味化合物在3種酸奶中的含量差異，采用歸一化法計算各組分的相對含量，結果如圖3所示。吡嗪類(0.55%)在ZY-TS中含量最高，這可能是ZY-TS焙烤風味突出的原因；ZY-YW中酮類(73.44%)和酸類(4.55%)含量明顯高于其他2種酸奶，這可能是ZY-YW奶香味較濃郁的原因；ZY-HT的酯類(23.78%)、醛類(21.6%)和醇類(12.37%)含量最高，這可能是ZY-HT果香味、花香味和青草味較為突出的原因。

2.1.4 不同莊園牧場酸奶的指紋圖譜

為解析3種莊園牧場酸奶的特征揮發性風味化合物及差異，采用Gallery plot插件將GC-IMS二維圖譜中所有譜峰重構為指紋圖譜(圖4)，并識別了它們的特征峰區域[18]。圖中每一行代表一個樣品中選取的全部信號峰，每一列代表同一揮發性風味化合物在不同樣品中的信號峰，數字編號表示化合物未定性，不作分析。

從指紋圖譜(圖4)可清楚地看出3種酸奶的特征揮發性風味化合物及差異。正己醇、2-乙基-5-甲基吡嗪、庚醛單體、乙酸丙酯、苯甲酸乙酯(單體和二聚體)和丁酸甲酯等構成了ZY-TS的特征峰區域(圖中A區域)；2-戊酮、2-庚酮(單體和二聚體)、異戊醛、乙酸丁酯(單體和二聚體)、1-戊醇、乙酸戊酯(單體和二聚體)、糠醛(單體和二聚體)和2-壬酮(單體和二聚體)等構成了ZY-YW的特征峰區域(圖中B區域)；正己醛二聚體、乙醇、苯甲醛(單體和二聚體)、乙酸乙酯、丁酸丁酯、芳樟醇(單體、二聚體和多聚體)、正己酸乙酯和氧化芳樟醇等構成了ZY-HT的特征峰區域(圖中C區域)。這些特征峰區域不僅是ZY-TS、ZY-YW和ZY-HT酸奶樣品間具有明顯差異的原因，同時也決定了不同酸奶的風味特征。2-乙基-5-甲基吡嗪為ZY-TS提供了獨特且濃郁的堅果味和烘烤味，掩蓋了其他香味[19]，使得ZY-TS的焙烤味最為突出。ZY-YW的特征揮發性風味化合物2-壬酮貢獻了一定的奶香味和水果味，符合其風味感官評價結果。ZY-HT的特征揮發性風味化合物中正己醛二聚體、苯甲醛二聚體、乙酸乙酯、丁酸丁酯和芳樟醇單體含量遠高于其他酸奶，它們分別為ZY-HT提供了突出的青草味、杏仁味、菠蘿味、蘋果味和花香味，與其風味感官評價結果相一致。

此外，3-羥基-2-丁酮在3種酸奶中含量都較高，它給酸奶貢獻了強烈的奶香味。賦有奶酪味和油脂味的己酸(單體和二聚體)含量在ZY-YW和ZY-HT中均較高。2-丁酮和丙酮在ZY-TS和ZY-YW中含量均較高，它們能夠賦予酸奶較為濃郁的水果香韻，這與ERKAYA等[20]發現丙酮和2-丁酮是發酵乳中的主要風味物質結果一致。

2.1.5 不同莊園牧場酸奶的PCA

3種莊園牧場酸奶樣品的PCA結果如圖5所示。PC1和PC2貢獻率分別為61%和34%，累計方差貢獻率為95%，表明PCA結果有效。ZY-TS、ZY-YW和ZY-HT樣品分別分布在不同象限，且彼此之間距離較遠，說明3種酸奶樣品之間的差異較大。PCA結果能夠很好地區分3種莊園牧場酸奶樣品。

2.2 4個品牌黃桃燕麥酸奶揮發性風味差異分析

2.2.1 不同黃桃燕麥酸奶的風味感官評價結果

由4個品牌黃桃燕麥酸奶的風味感官評價雷達圖(圖6)可以看出，不同酸奶樣品間風味感官評價結果差異較小，它們均具有較強的奶香味、果香味、花香味和青草味，乳酸味和焙烤味較弱。ZY-HT的奶香味、乳酸味、花香味和青草味較為強烈；GYR-HT花香味和青草味相對較弱；CQ-HT和AMX-HT的風味感官評價結果相近；4個品牌酸奶樣品間果香味和焙烤味差異最小。

2.2.2 不同黃桃燕麥酸奶GC-IMS譜圖差異

4個品牌黃桃燕麥酸奶的GC-IMS二維差譜圖如圖7所示，ZY-HT的揮發性風味物質最少，CQ-HT、GYR-HT和AMX-HT酸奶樣品間的揮發性風味物質差異較小，CQ-HT和AMX-HT之間揮發性風味物質最為相似，且4個酸奶樣品中揮發性風味物質的含量存在明顯差異。

2.2.3 不同黃桃燕麥酸奶的揮發性風味物質含量差異分析

4個品牌黃桃燕麥酸奶樣品揮發性風味化合物的鑒定結果(同3種莊園牧場酸奶)見表3。

由圖8可知，4個品牌酸奶樣品間的揮發性風味化合物含量存在明顯的差異，且酯類、醛類、酮類和醇類化合物含量均較高，酸類和吡嗪類化合物含量較低。ZY-HT中醛類、酮類和酸類化合物含量明顯高于其他3個品牌酸奶，這可能是ZY-HT與其他酸奶風味特征差異較大的主要原因；而CQ-HT、GYR-HT和AMX-HT間揮發性風味化合物含量差異較小，且CQ-HT和AMX-HT之間差異最小。

2.2.4 不同黃桃燕麥酸奶的指紋圖譜

從指紋圖譜(圖9)可清楚地看出4個品牌黃桃燕麥酸奶的特征揮發性風味化合物及差異。乙醇、3-羥基-2-丁酮、丁酸甲酯、正己酸乙酯、苯甲酸乙酯(單體和二聚體)、正己醛二聚體、己酸二聚體和丁酸丁酯等構成了ZY-HT的特征峰區域(圖中D區域)；2-甲基丁酸乙酯(單體和二聚體)、庚醛二聚體、異戊醛、葉醇和芳樟醇(單體、二聚體和多聚體)等構成了CQ-HT的特征峰區域(圖中E區域)；正己醇、氧化芳樟醇、苯乙酮和乙酸丁酯(單體和二聚體)等構成了GYR-HT的特征峰區域(圖中F區域)；2-甲基丁酸己酯、2-庚酮二聚體和2-壬酮單體等構成了AMX-HT的特征峰區域(圖中G區域)。

ZY-HT的特征揮發性化合物中正己醛二聚體、3-羥基-2-丁酮和苯甲酸乙酯的含量遠高于其他酸奶樣品，它們賦予了ZY-HT更加濃郁的青草味、奶香味和花香味。CQ-HT和AMX-HT的特征揮發性風味化合物較為相似，其中賦有杏仁味的糖醛(單體和二聚體)含量在CQ-HT和AMX-HT中均較高。乙酸乙酯和乙酸丙酯在CQ-HT、GYR-HT和AMX-HT酸奶樣品中的含量均較高，它們分別貢獻了一定的菠蘿味和芹菜味。2-丁酮、苯甲醛(單體和二聚體)、己酸單體、2-戊酮和2-庚酮單體等在4個品牌酸奶中的含量都較高，它們為酸奶提供了果香味、奶油味和花香味。ZHAO等[21]也發現苯甲醛和2-庚酮為酸奶中主要的揮發性風味化合物。各酸奶樣品的特征揮發性風味化合物GC-IMS指紋圖譜能夠很好地表征它們的風味感官評價結果。

2.2.5 不同黃桃燕麥酸奶的PCA

從4個品牌黃桃燕麥酸奶樣品的PCA(圖10)可以看出，PC1和PC2貢獻率分別為47%和28%，累計方差貢獻率為75%，表明PCA結果有效。其中ZY-HT與其他酸奶的距離最遠，與其他酸奶樣品間的差異最大；CQ-HT與AMX-HT均處于第一象限，距離最近差異最小。PCA結果能夠很好的區分ZY-HT、CQ-HT、GYR-HT和AMX-HT酸奶樣品。

3 結論

采用風味感官評價結合GC-IMS技術，比較分析了3種莊園牧場酸奶和4個品牌黃桃燕麥酸奶的揮發性風味化合物的差異，共鑒定了其中44種揮發性組分，包括酯類、醛類、酮類、醇類、酸類和吡嗪類化合物。實驗結果建立和表征了各酸奶樣品的特征揮發性風味化合物指紋圖譜；3種不同莊園牧場酸奶樣品間的特征揮發性風味化合物存在明顯差異；4個品牌黃桃燕麥酸奶樣品的指紋圖譜分析結果進一步證明GC-IMS技術適用于樣品痕量組分的檢測和差異性比較；各酸奶樣品的特征揮發性風味化合物GC-IMS指紋圖譜差異很好地表征了風味感官評價結果。PCA成功實現了不同酸奶樣品間的差異。該研究建立了基于GC-IMS技術分析酸奶揮發性風味物質的新方法，同時為酸奶的風味改善和品質調控提供了一定的科學依據。