不同品牌泡姜中關鍵揮發性風味物質分析

陳磊，畢秀芳，焦文成，邢亞閣，車振明

(1.西華大學 食品與生物工程學院，成都 610039；2.宜賓西華大學研究院，四川 宜賓 644000)

生姜(ZingiberofficinaleRoscoe)是一種藥食兩用的草本植物，在熱帶、亞熱帶地區被廣泛種植，在中國已有5000多年的生產歷史[1]。我國生姜的產業化發展較為穩定，常年種植面積約為375萬畝，年產量可達1000萬噸，是生姜年產量最多的國家[2-3]。生姜具有獨特的香氣以及一些藥用功效，近年來，研究人員對生姜的研究主要集中在生姜生物活性成分分析、加工與應用以及風味化學等方面。已有研究表明，生姜及其提取物含有多酚類化合物[4-7]，具有抗氧化、抗炎、降血脂等生物活性，其中一些還具有潛在的癌癥預防活性，對人體具有極其重要的生理保健功能[8-13]。Gunathilake等[14]報道了一種由富含姜辣素的提取物組成的功能性飲料，在自發性高血壓大鼠中表現出降低膽固醇的作用。Mattje等[15]研究發現超臨界CO2生姜提取物能有效控制魚肉中的脂質氧化，有可能取代人工合成的抗氧化劑。在生姜及其制品揮發性風味物質研究方面，付云云等[16]研究發現四川新鮮白口姜在沙土貯藏過程中揮發性風味物質種類會明顯減少，并且在貯藏過程中大多數揮發性風味物質含量會降低。

泡菜是我國傳統特色發酵食品的典型代表之一，具有健胃理氣、抑菌、減肥、預防心腦血管疾病等功效[17-19]。香氣風味是泡菜中感官質量的重要指標，會影響消費者的接受度和滿意度。近年來，研究學者利用頂空固相微萃取-氣相色譜-質譜聯用技術(HS-SPME-GC-MS)對泡菜揮發性風味物質進行了許多研究，他們認為揮發性風味因其原料種類不同而不同[20]。汪莉莎等[21]采用SPME-GC-MS技術分析出芋頭葉柄泡菜中主要揮發性物質有4-己烯酸、苯甲醛、甲酸異戊酯等。徐丹萍等[22]采用SPME-GC-MS技術研究發現酯類是泡蘿卜、泡芥菜和泡甘藍中的特征揮發性成分，醛類、萜類分別是泡黃瓜、泡芹菜的特征揮發性成分。Rao等[23]首次在泡蘿卜中發現了DL-異冰片酯、3,5-二甲基苯甲醛、2-氨基-5-甲基苯甲酸和2-羥基十四酸的存在。

泡姜是以嫩生姜為原料發酵制得的一種具有獨特風味的泡菜。目前對泡姜中揮發性風味物質的研究較少，因此，本研究擬用電子鼻技術、頂空固相微萃取-氣相色譜-質譜聯用技術(HS-SPME-GC-MS)以及香氣活性值(OAV)，對市售不同品牌泡姜的揮發性風味物質進行鑒定分析，對泡姜實際生產具有一定的指導意義。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

6種不同品牌泡姜：“老母水”牌泡姜、“龍泉山”牌泡姜、“蜀濃湘”牌泡姜、“味星”牌泡姜、“盈棚”牌泡姜、“真的老”牌泡姜，均購于附近超市，分別編號為PJ1、PJ2、PJ3、PJ4、PJ5和PJ6。

2-甲基-3-庚酮：純度>95%(GC)，上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

1.2 儀器與設備

JA2003型電子天平 上海舜宇恒平科學儀器有限公司；MP-5H型超級恒溫槽 上海一恒科學儀器有限公司；PEN3型便攜式電子鼻傳感器 德國Airsense 公司；2020NX型氣相色譜-質譜聯用儀 日本島津公司；57330-U型固相微萃取手柄、57318型 75 μm CAR/PDMS 固相微萃取頭 美國Supelco公司；研缽。

1.3 方法

1.3.1 HS-SPME條件

參照An等的方法，稱取1 g已研磨成勻漿的泡姜樣品于15 mL頂空萃取瓶中，加入3 mL飽和食鹽水，同時加入0.1 mL 0.816 mg/mL的2-甲基-3-庚酮溶液作為內標物，將頂空萃取瓶密封并保存在45 ℃恒溫水浴鍋中平衡20 min，然后將老化后的PDMS萃取頭在45 ℃下暴露于頂部空間30 min，使萃取頭能夠完全富集樣品的揮發性成分。隨后迅速將吸附后的萃取頭取出并插入氣相色譜儀進樣口，在250 ℃下解吸5 min，同時啟動氣相色譜儀采集數據。

1.3.2 GC-MS條件

1.3.2.1 GC 條件

采用DB-5MS毛細管色譜柱(32 m×0.25 mm，0.25 μm)對泡姜樣品進行分析，采用不分流模式，進樣口溫度250 ℃，載氣為氦氣，載氣流速為1 mL/min，升溫程序為初始溫度50 ℃，保持1 min 后，以4 ℃/min的升溫速度升至135 ℃，不保留；然后以0.5 ℃/min的速度升至140 ℃，不保留;再以15 ℃/min的速度升至230 ℃，保持3 min，最后回到50 ℃。

1.3.2.2 MS 條件

采用全掃描模式，在電子碰撞離子源(EI)的電離模式下以70 eV記錄，并在40～550 amu的質量范圍內以0.5 scan/s進行掃描。電子碰撞離子源(EI)溫度為220 ℃。

1.3.2.3 定性定量方法

通過質譜與標準信息庫NIST 17.Lib進行檢索比對，選取相似度大于90的物質進行分析定性；采用半定量法，選取2-甲基-3-庚酮為內標物，對泡姜樣品揮發性成分進行定量，每組重復3次，取平均值。質量濃度Ci(mg/g)計算公式如下：

式中：Ai為揮發性物質峰面積，A0為內標物峰面積，C0為內標溶液質量濃度(mg/mL)，V0為內標溶液體積(mL)，mi為樣品質量(g)。

1.3.3 OAV法分析

查閱揮發性成分在水中的閾值，根據每種揮發性成分的質量濃度與閾值的比值計算其OAV，以此評價該揮發性成分對樣品整體揮發性風味的貢獻程度[24-25]。OAV<1說明該物質對總體風味無實際影響；OAV>1說明該物質可能對總體風味有直接影響；且在一定范圍內，OAV越大說明該物質對總體風味的貢獻越大[26-27]。OAV 計算公式如下：

式中：Ci為揮發性成分的質量濃度(mg/g)，OTi為揮發性成分在水中的閾值(mg/g)。

1.3.4 電子鼻分析

PEN3型電子鼻由10種金屬氧化物氣體傳感器陣列組成。參照陳慧敏等[28]的方法，并做適當修改。稱取5 g泡姜勻漿樣品于30 mL樣品瓶中，溫水浴密封靜置10 min，隨后插入電子鼻探頭吸取頂端氣體，測定揮發性物質。電子鼻掃描參數：采樣間隔時間1 s，空氣沖洗時間120 s，調零時間5 s，預采樣時間5 s，采集時間120 s，載氣流速300 mL/min，進樣流速300 mL/min，金屬傳感器，90 s后基本穩定，選取92，93，94 s為響應值，每個樣品重復操作6次。

1.3.5 數據統計與分析

采用IBM SPSS Statistics 25軟件對數據進行顯著性分析，采用OriginPro 9.0 軟件進行繪圖，運用電子鼻自帶WinMuster軟件進行主成分分析(PCA)和線性判別分析(LDA)。

2 結果與分析

2.1 不同品牌泡姜電子鼻PCA和LDA分析

采用PCA方法對電子鼻數據進行分析，樣品的揮發性成分聚集成2個主成分，可以清楚地看出樣品間的差異[29]。由圖1中a可知，6種品牌泡姜經PCA分析，第1主成分的區分貢獻率達95.89%，第2主成分的區分貢獻率達2.45%，2個主成分的累計區分貢獻率達98.34%。累計貢獻率越高，主成分對樣品原始指標信息反映越好[30]。因此，本研究中，這2個主成分可代表泡姜中揮發性成分的主要特征。PJ2、PJ5、PJ63種品牌泡姜產品之間沒有重疊，表明其在揮發性物質上有一定差異；而其余3種均有部分重疊，表明其在揮發性物質上有相似之處，這也說明PCA法分析不能對6種樣品進行獨立區分。對數據進行LDA分析，可以有效地抽取樣品中揮發性成分信息，使類別區分達到更好的分離效果。由圖1中b可知，經LDA分析，主成分1和主成分2的區分貢獻率分別為66.28%和13.74%，總貢獻率為80.02%，但仍有3種泡姜樣品有少量重疊，說明LDA法分析也不能對6種樣品進行獨立區分。結果表明，PCA和LDA法分析均能對其中部分產品有較好的區分，但不能達到對其完全獨立區分，趙江欣等[31]研究自然發酵和直投式發酵蘿卜的風味時，也發現PCA和LDA均不能完全區分同種發酵方式的泡蘿卜。因此，需要通過HS-SPME-GC-MS對不同品牌泡姜的具體揮發性風味物質進一步探究。

圖1 電子鼻PCA分析圖(a)和LDA分析圖(b)

2.2 不同品牌泡姜揮發性風味物質的GC-MS分析

續 表

由表1可知，6種品牌泡姜樣品共鑒定出72種揮發性物質，包括40種烯烴類、13種醇類、5種醛類、8種酯類和6種酮類物質。其中烯烴類物質種類最多，包括姜烯、α-法呢烯、β-倍半水芹烯等；醇類物質次之，主要有桉葉油醇、α-松油醇、香葉醇等，說明烯烴類和醇類是泡姜中的主要揮發性物質。采用半定量法進行定量分析，結果顯示，6種樣品共有的揮發性物質在含量上存在顯著差異性(P<0.05)，比較同種品牌樣品的不同類物質發現，姜烯、桉葉油醇、香葉醛和乙酸香葉酯4種物質在同類物質中含量最高，其中姜烯在整體揮發性物質中含量也最高，分別在PJ1、PJ2、PJ3、PJ4、PJ5和PJ6 6種泡姜揮發性物質中占46.29%、44.65%、43.69%、41.08%、41.62%、43.35%，顯著高于其他揮發性物質(P<0.05)。比較不同品牌樣品同類物質發現，莰烯、月桂烯、(+)-環苜蓿烯、α-蒎烯、(+)-7-表-倍半萜烯、反式-β-金合歡烯、香樹烯、α-姜黃烯、桉葉油醇、2-茨醇、α-松油醇、β-桉葉醇、乙酸龍腦酯在PJ2泡姜中的含量顯著高于其他品牌(P<0.05)，而其余物質在不同品牌中未表現出顯著性差異(P>0.05)。王強偉等[32]在新鮮生姜中鑒定出主要揮發性成分有姜烯、桉葉油醇、香葉醛等。Huang等[33]也從新鮮及干燥生姜中鑒定出其主要揮發性化合物包括姜烯和香葉醛。本研究中姜烯、桉葉油醇和香葉醛含量較高，可能與原料本身含量較高有關。同時，由于發酵過程是動態變化狀態，發酵過程中某些組分會增加或減少，從而影響最終產品的揮發性風味物質。

表1 不同品牌泡姜揮發性物質HS-SPME-GC-MS 鑒定結果

由圖2中a可知，從種類數量上看，PJ1、PJ2、PJ3、PJ4、PJ5、PJ6分別共鑒定出48，50，42，50，55，34種揮發性風味物質，并且6種樣品烯烴類物質數量均顯著高于其他類物質，醇類物質次之，是重要的揮發性風味物質。由圖2中b可知，從相對含量上看，同一品牌泡姜樣品不同種類物質之間，烯烴類物質相對含量均顯著高于其他4種物質(P<0.05)，相對含量均高達80%以上，在整個分類物質中占據較大比重。但在同種類物質不同品牌泡姜樣品之間，僅PJ2中烯烴類物質相對含量顯著高于其他5種品牌泡姜(P<0.05)，相對含量高達93.95%。不同品牌泡姜樣品在其余4種物質中相對含量上也表現出一定的差異性，PJ4中醇類物質相對含量為4.61%，PJ5中醛類物質相對含量為6.97%，PJ6中酯類物質相對含量為5.46%，分別顯著高于其他品牌(P<0.05)。

圖2 不同品牌泡姜中揮發性物質種類(a)及相對含量(b)

結果表明，不同品牌泡姜樣品揮發性物質在分類上相似，但是在物質含量和數量上存在一定的差異。在前人研究中，羅松明[34]研究乳酸菌發酵泡仔姜時，對揮發性物質也做出了相似的分類，并且發現烯烴類物質種類最多。另外，有文獻報道，不同產地生姜揮發性物質種類之間也存在差異[35-36]，說明不同品牌泡姜揮發性物質種類可能受到原料產地的影響。不同的發酵方式也會對泡菜揮發性風味物質產生影響，夏季等[37]研究發現，與自然發酵相比，純種發酵使香菇泡菜中醇類和醛類物質相對含量分別增加了5.9%和1.0%。賈潛等[38]研究發現，與未處理組相比，65 ℃和85 ℃巴氏殺菌5 min會使槽姜中烯烴類和醇類物質含量和種類增加。王雙[39]研究發現，輻照殺菌與熱殺菌會導致泡豇豆中酯類物質含量降低。綜上所述，不同品牌泡姜產品之間各類揮發性風味物質存在差異可能與原料、發酵方式、殺菌條件等因素有關。

2.3 不同品牌泡姜揮發性風味物質的OAV分析

盡管通過GC-MS技術在泡姜中鑒定出了較多揮發性物質，但研究表明，僅有少部分物質能在呈現特征風味中作出重要貢獻，賦予食品獨特的風味屬性。香氣活性值(OAV)可作為評價揮發性物質在食品基質中貢獻大小的更精準的標尺[40]，因此，結合OAV法分析對6種樣品的特征風味物質作進一步判斷。

由表2可知，通過OAV法分析，6種泡姜中OAV>1的特征揮發性物質共有36種，包括15種烯烴類、7種醇類、4種醛類、6種酯類和4種酮類物質。其中PJ1、PJ2、PJ3、PJ4、PJ5和PJ6中分別含有21，24，18，26，30，14種，其中，大根香葉烯B是PJ1中獨有的關鍵揮發性風味物質；莰烯、α-松油醇、樟腦是PJ2中獨有的關鍵揮發性風味物質；β-蒎烯、正辛醛是PJ4中獨有的關鍵揮發性風味物質；δ-欖香烯、2-庚醇香茅醇、7-甲基-3-亞甲基-6-辛烯醛、乙酰丙酮是PJ5中獨有的關鍵揮發性風味物質。月桂烯、α-蒎烯、(+)-β-芹子烯、桉葉油醇、2-茨醇、香葉醇、檸檬醛、香葉醛、乙酸龍腦酯和乙酸香葉酯是6種泡姜中共有的關鍵揮發性風味物質，說明其是形成泡姜獨特風味的重要物質。烯烴類物質廣泛存在于植物體內，閾值低，具有特殊氣味，但有些含量較高的烯烴類物質在本研究中并沒有確定為特征揮發性物質，可能與鑒定方法有關，還需要利用其他鑒定方法進行進一步確定。醛類和酯類一般會呈現出辛辣味，而醇類物質對酯類、醛類等成分的產生不可或缺。另外，Luo等采用氣相色譜-嗅感與香氣稀釋分析(AEDA)相結合鑒定發現檸檬醛、乙酸香葉酯的稀釋因子(FD)達到最高(FD=200∶1)，被確定為泡姜中的關鍵揮發性物質。本研究采用OAV法鑒定的結果與Luo等的研究結果有相同之處。

表2 不同品牌泡姜揮發性物質的OAV分析

綜上所述，利用OAV法能對泡姜中關鍵揮發性風味物質進行有效鑒定，并且得到不同品牌泡姜中關鍵揮發性風味物質具有差異性。

3 結論

電子鼻技術PCA和LDA分析僅能對部分產品揮發性風味進行較好區分，而不能對所有產品進行完全區分。通過GC-MS從6種品牌泡姜中共鑒定出72種揮發性物質，包括40種烯烴類、13種醇類、5種醛類、8種酯類和6種酮類物質。6種樣品中烯烴類和醇類物質的數量和相對含量均遠高于其他種類，其中姜烯是所有揮發性物質中含量最高的物質，在PJ1泡姜揮發性物質中最高占比達到46.29%。6種品牌泡姜中OAV>1的物質共有36種，包括15種烯烴類、7種醇類、4種醛類、6種酯類和4種酮類物質。其中，月桂烯、α-蒎烯、(+)-β-芹子烯、桉葉油醇、2-茨醇、香葉醇、檸檬醛、香葉醛、乙酸龍腦酯和乙酸香葉酯是6種泡姜中共有的關鍵揮發性風味物質。結果表明，不同品牌泡姜在揮發性風味物質方面既存在共性，也存在差異性。由于泡姜的發酵過程處于動態變化，加上原料品種和發酵工藝的差異，最終形成了具有不同獨特風味的泡姜產品。