氣相色譜-離子遷移譜結合化學計量法分析不同炒制時間對郫縣豆瓣醬揮發性化合物的影響

陳麗蘭，陳祖明，袁 燦

（四川旅游學院，四川 成都 610100）

郫縣豆瓣醬是川菜中常用的調味品，具有鮮辣醇厚、醬香濃郁、紅棕油亮等特點，被譽為“川菜之魂”[1]。郫縣豆瓣醬在菜品的烹制和復合調味料加工過程中，多數需要先進行炒制，炒制出香味后再進入后續加工步驟。然而在炒制過程中，過長的炒制時間或者過高的炒制溫度會引起一些復雜反應的發生，導致郫縣豆瓣醬食用品質下降，因此炒制條件是影響郫縣豆瓣醬食用品質的因素。

風味是評定食品食用品質的重要內容。近年來，研究者從郫縣豆瓣醬中鑒定出100多種揮發性風味物質，包括醛類、酮類、酯類、醇類、酸類等[2-3]，郫縣豆瓣醬揮發性風味物質間的相互作用決定了其香氣構型。目前，關于郫縣豆瓣醬風味的相關研究集中在不同發酵時間、不同發酵工藝或不同品牌產品的風味比較[3-5]，對郫縣豆瓣醬炒制過程中香氣化合物變化規律以及特征香氣化合物的相關研究較少。課題組前期已采用氣相色譜-質譜（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）聯用對郫縣豆瓣醬炒制前后的香氣化合物進行了分析，但對于香氣化合物在郫縣豆瓣醬炒制過程中的變化規律以及特征香氣化合物的相關性仍缺乏系統研究。

氣相色譜-離子遷移色譜（gas chromatography-ion mobility spectrometry，GC-IMS）是近年來新興的氣相分離檢測技術。與GC-MS技術相比，GC-IMS具有操作簡單、分離能力強、檢測時間短、靈敏度高、保留樣品的原有風味等優點[6-7]。GC-IMS分析技術已廣泛應用到各類食品的揮發性風味化合物、品質檢測分析等[8-10]，但該技術應用于郫縣豆瓣醬揮發性風味物質的研究較少。

本研究以郫縣豆瓣醬為研究對象，使用感官評價和GC-IMS結合化學計量法方法分析炒制過程中郫縣豆瓣醬的主要揮發性風味物質，分析比較不同炒制時間下郫縣豆瓣醬風味物質的變化規律，并建立揮發性成分指紋圖譜，繼而對其進行正交偏最小二乘判別分析（orthogonal partial least squares-discriminant analysis，OPLS-DA）。本實驗方法具有工業應用潛力，可以檢測不同炒制程度郫縣豆瓣醬的風味差異，旨在為炒制過程中郫縣豆瓣醬風味變化的研究提供一定的依據，也為快速、高效分析郫縣豆瓣醬揮發性化合物拓寬思路。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

郫縣豆瓣醬由四川省郫縣豆瓣股份有限公司提供，其生產工藝按照GB/T 20560—2006《地理標志產品 郫縣豆瓣》制得；菜籽油（老家土榨）中糧福臨門股份有限公司。

1.2 儀器與設備

Flavour Spec?GC-IMS聯用儀 德國G.A.S.公司；YP100002B百分之一天平 上海力辰儀器科技有限 公司；J7智能電炒鍋 九陽股份有限公司。

1.3 方法

1.3.1 郫縣豆瓣醬炒制工藝

取200 g食用油置于鐵鍋中加熱至90 ℃后加入100 g郫縣豆瓣醬進行炒制，分別炒制1、2、3、4、5 min。對炒制后的郫縣豆瓣醬依次編號，分別為PX-1、PX-2、PX-3、PX-4和PX-5。以空白瓶為對照樣，標記為KQ。

1.3.2 GC-IMS測定

準確稱量2.0 g處理后的郫縣豆瓣醬樣品，置于20 mL頂空進樣瓶中并加蓋密封，置于孵化爐中，在50 ℃條件下孵化20 min，進樣體積為500 μL。

GC條件：FS-SE-54-CB-1 色譜柱（15 m×0.53 mm）；柱溫60 ℃；載氣為高純氮氣（純度≥99.999%）；載氣流速程序：初始流速2.0 mL/min，保持2 min；在10 min內流速增加到10.0 mL/min；而后在10～40 min內流速增大到100.0 mL/min。

IMS條件：漂移氣為高純氮氣（純度≥99.999%）；漂移氣流速150 mL/min；IMS探測器溫度為45 ℃；漂移管長度為9.8 cm；管內線性電壓為500 V/cm；漂移管溫度為45 ℃。

1.3.3 感官評價

采用定量描述分析法進行風味感官評價，參照盧云浩[11]和Feng Yunzi[12]等并調整，將炒制制得的10 g郫縣豆瓣醬置于50 mL PET瓶中，經過無順序編號后，交由感官評定小組（人員10 名以上）對每個樣品進行感官鑒定。氣味強度采用感官評定常用的9 點標度法表示，其中1～9代表從極弱到極強的區間變化；呈香屬性描述詞參考盧云浩[11]和Feng Yunzi[12]等并調整，描述詞為焦香、辛香、果香、花香、堅果香、木香，炒制的郫縣豆瓣醬的感官描述、定義及評定尺度如表1、2所示。

表1 郫縣豆瓣醬的感官描述和定義Table 1 Sensory description and definition of Pixian bean paste samples

表2 感官評定尺度Table 2 Scale for sensory evaluation

1.4 數據處理

通過SIMCA 14.1軟件進行OPLS-DA，采用SPSS 20.0軟件進行Pearson相關性分析，利用Origin 2019軟件中Apps插件進行聚類分析，并通過Origin 2019繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同炒制時間郫縣豆瓣醬的感官評價

由圖1可知，炒制后的郫縣豆瓣醬的6 個香氣屬性，分別為焦香、辛香、果香、花香、堅果香、木香。不同炒制時間的郫縣豆瓣醬的風味差異性明顯。隨著炒制時間的延長，所有樣品的焦香、木香和堅果香出現不同程度的增強，在炒制5 min后表現出最強；辛香呈降低趨勢；花香呈先減弱后增強趨勢，在炒制3 min后表現出最弱；果香呈先增強后減弱趨勢，在炒制4 min后表現出最強。

圖1 郫縣豆瓣醬感官評價雷達圖Fig.1 Radar map of sensory evaluation of Pixian bean paste samples

2.2 不同炒制時間郫縣豆瓣醬的香氣化合物GC-IMS分析

如圖2a所示，圖中反應離子峰（reaction ion peak，RIP）的每一個峰代表一種揮發性物質[13]。隨著炒制時間延長，郫縣豆瓣醬香氣化合物濃度有明顯變化。為進一步比較不同郫縣豆瓣醬樣品的差異，結合二維圖進行分析。圖2b中，整個光譜代表總的風味化合物，RIP右側的點表示從樣品中檢測到的揮發性有機化合物。顏色表示單個化合物的信號強度。紅色表示高強度，藍色表示低強度。顏色越暗表示強度越大[14-15]。背景為藍色，有的化合物含有兩個或多個斑點，分別代表性質和濃度的不同的二聚體或三聚體[16-17]。具體取決于揮發性成分濃度和性質。由圖2b可知，樣品的香氣化合物主要集中在區域A和B，A區域中部分化合物隨著炒制時間的延長顏色加深，B區域中部分化合物隨著炒制時間的延長顏色變淺。

圖2 不同炒制時間郫縣豆瓣醬中香氣化合物的GC-IMS三維圖（a）和二維圖（b）Fig.2 GC-IMS 3D (a) and 2D (b) topographic spectra of flavor compounds in Pixian bean paste at different stir-frying times

2.3 不同炒制時間郫縣豆瓣醬的香氣化合物定性分析

采用GC-IMS內置的NIST數據庫和IMS數據庫，根據保留指數、保留時間和遷移時間對郫縣豆瓣醬炒制過程中揮發性風味物質定性分析。如表3所示，可鑒定出揮發性成分共97 種（單體或者二聚體），其中醛類18 種、酮類17 種、酯類22 種、醇類10 種、烷烴類5 種、烯烴類5 種、雜環類10 種、醚類2 種和其他化合物8 種。

表3 郫縣豆瓣醬香氣物質鑒定結果Table 3 Identification of aroma substances in Pixian bean paste samples

為進一步分析郫縣豆瓣醬香氣化合物的變化，采用歸一法對樣品中鑒定出不同類型化合物進行半定量分析。如圖3所示，在樣品中鑒定出香氣化合物的總相對含量在65.0%～70.0%之間，其中醛類、酮類和酯類物質相對含量較大，樣品之間差異不明顯。樣品的醛類和酯類化合物相對含量分別在10.9%～15.20%和14.6%～20.5%之間，并且隨著炒制時間的延長呈增加趨勢。醛類物質主要來源于脂質氧化而生成的典型化合物，呈現出甜香、花果香，可增強食品風味的品質，對郫縣豆瓣醬整體風味占主導地位[18]，主要化合物包括異戊醛、糠醛、丁醛等。酯類物質主要由醇類與酸類物質酯化反應而成，可呈現甜香和果香[19]，主要有乙酸乙酯、異戊酸乙酯和2-甲基丁基乙酯。醇類化合物相對含量在6.33%～9.62%之間，且隨著炒制時間的延長呈先增加后降低趨勢。醇類物質一般由醛或酮發生還原而生成，其風味與化合物本身碳原子數有關，一般3 個碳原子以下的醇類物質大多具有愉悅的香味，4～6 個碳原子具有近似麻醉氣味，超過7 個碳原子有芳香氣味[20]，樣品中醇類物質主要有乙醇、異丁醇、2-甲基-3-呋喃硫醇和1-辛烯-3-醇等。酮類和雜環類化合物相對含量在10.10%～15.80%和5.00%～7.10%之間，并且隨著炒制時間的延長呈先降低后增加趨勢。酮類物質主要來源于脂質氧化，屬于不穩定的中間體，一般被還原成相應的醇，可以呈現花香味，主要的化合物有2,3-丁二酮和丙酮，其中2,3-丁二酮可提供奶油的香氣[20]。雜環類化合物在郫縣豆瓣醬風味中起到主導作用，主要來源于美拉德反應[21]，主要化合物有吡啶、甲基吡嗪、2,5-二甲基呋喃、2,4,5-三甲基噻唑、2-乙基-5-甲基吡嗪和2-乙酰基吡咯等，其中2-乙?；量┛商峁┩炼沟南銡猓?,4,5-三甲基噻唑可提供堅果風味[10]。另外，烷烴、烯烴、醚類和其他類化合物的相對含量分別為2.74%～4.13%、2.76%～4.84%、0.43%～2.88%和2.17%～4.71%，樣品間無明顯變化趨勢。在烯烴中，γ-松油烯、β-蒎烯、水芹烯和蒎烯均屬于萜類化合物，可提供樣品木香和檸檬 香[22]。烷烴在樣品風味中閾值較大，對風味貢獻較小。

圖3 郫縣豆瓣醬香氣物質相對含量Fig.3 Relative contents of aroma substances in Pixian bean paste samples

2.4 不同炒制時間郫縣豆瓣醬的香氣化合物指紋圖譜

如圖4所示，每個化合物的信號越亮，信號強度越強，而信號越暗，信號強度越弱[23-25]。A區的香氣化合物濃度在炒制1 min時最高，隨著炒制時間的延長其濃度降低，特別是醛類、醇類、酮類、酯類物質和雜環類物質，如(E)-2-戊烯醛、2-甲基-2-戊烯醛、(E)-2-壬醛、5-甲基糠醛、異戊醛、1-辛烯-3-醇、2-己醇、3-甲基-2-丁醇、異丁醇、3-庚烯-2-酮、2-戊酮、異戊酸己酯、甲酸香茅酯、乙酸芐酯、異戊酸乙酯、異丁酸甲酯、丙酸乙酯、乙酸乙酯、2-乙基-5-甲基吡嗪、2,4,5-三甲基噻唑和對甲基苯酚。B區香氣化合物的濃度隨著炒制時間的延長而增加，特別是醛類、酮類、酯類、萜類物質，如2-甲基丙醛、異戊醛、3-甲基丁醛、2-丁酮、異丁酸異丁酯、丁酸乙酯、乙酸甲酯、蒎烯、水芹烯、己二烯二硫、甲基吡嗪和2,5-二甲基呋喃。C區香氣化合物的濃度隨著炒制時間的延長呈先增加后減小趨勢，在炒制時間為4 min時最大，特別是γ-松油烯、吡啶、乙醇、2-乙基-5-甲基吡嗪、2-乙酰基吡咯、(E)-2-戊烯醛和甲基苯乙酸。D區香氣化合物的濃度隨著炒制時間的延長而無明顯變化，特別是對甲基苯甲醛、(E)-2-庚烯醛、糠醛、檸檬醛、仲辛酮、2-丁酮、γ-丁內酯和甲基吡嗪。

圖4 郫縣豆瓣醬香氣成分指紋譜圖Fig.4 Fingerprint of aroma substances in Pixian bean paste

2.5 郫縣豆瓣醬的聚類分析

為進一步分析不同炒制時間郫縣豆瓣醬香氣化合物的差異性，對GC-IMS鑒別出的香氣化合物進行聚類分析。如圖5所示，當歐式距離為13.8時，不同炒制時間的郫縣豆瓣醬可分為3 個聚類。第1類為炒制時間為1 min的郫縣豆瓣醬，第2類為炒制時間為2～4 min的郫縣豆瓣醬，第3類為炒制時間為5 min的郫縣豆瓣醬。

圖5 郫縣豆瓣醬聚類分析Fig.5 Clustering analysis of Pixian bean paste samples

2.6 不同炒制時間郫縣豆瓣醬的香氣化合物OPLS-DA

OPLS-DA是一種有監督的判別分析統計方法，能夠對數據進行降維，實現復雜實驗數據可視化及判別分析與預測[26-27]。為進一步探究不同炒制時間郫縣豆瓣醬香氣化合物，以鑒別出的97 種香氣化合物為因變量，以不同炒制時間的樣品為自變量，進行OPLS-DA。如圖3a 所示，采用（cum）和（cum）分別表示在X軸和Y軸上對變量的解釋能力，Q2（cum）表示模型的預測能力[10]。其中（cum）＝0.849，（cum）＝0.995，（cum）-（cum）＜0.3，表明該模型較為可靠，同時，Q2（cum）＝0.548＞0.5，表明該模型具有一定的預測能力。

OPLS-DA因子載荷圖表示香氣化合物與不同炒制時間的郫縣豆瓣醬樣品相關性，即X值和Y值越靠近，其相關性越高[28]。由圖6b可知，(E)-2-庚烯醛、5-甲基糠醛、正丁醛、2-甲基四氫呋喃-3-酮、γ-丁內酯、乙酸芐酯、異丁酸甲酯、3-甲基-2-丁醇、2,4,5-三甲基噻唑和己二烯二硫與所有樣品相關性較高，表明該類化合物為炒制郫縣豆瓣醬的特征性風味物質。

圖6 不同炒制時間郫縣豆瓣醬香氣化合物的OPLS-DAFig.6 OPLS-DA analysis of aroma substances in Pixian bean paste at different stir-frying time

變量投影重要性（variable importance for the projection，VIP）可用于篩選出對郫縣豆瓣醬呈味香氣輪廓有重要影響的關鍵標記物[28-29]。由圖6c可知，34 種香氣化合物的VIP＞1，VIP值越大，差異越顯著。34 種香氣化合物主要有醛類5 種、酮類8 種、酯類11 種、烷烴1 種、烯烴類3 種、醇類1 種、雜環化合物2 種、醚類1 種和其他2 種，如檸檬醛、(E)-2-壬醛、正丁醛、2-甲基丙醛、仲辛酮、2-庚烯-2-酮、2-戊酮、2-丁酮、3-甲基丁酸丁酯、丙烯酸乙酯、異丁酸異丁酯、乙酸乙酯、乙酸甲酯、乙酸異丙酯、丁酸乙酯、正丙醇、蒎烯、水芹烯、甲基吡嗪、2,4,5-三甲基噻唑、2-乙基-5-甲基吡嗪等。

2.7 郫縣豆瓣醬感官評價和香氣化合物的相關性分析

為研究感官評價屬性與香氣化合物之間的關系，采用Pearson相關系數對不同炒制時間郫縣豆瓣醬的感官屬性與VIP＞1的香氣化合物進行相關性分析[30]。如圖7所示，焦香、木香和堅果香與大部分香氣化合物呈顯著負相關，而與仲辛酮、乙酸丙酯、丙烯酸乙酯、異戊酸乙酯、乙酸乙酯、2,4,5-三甲基噻唑、2-乙基-5-甲基吡嗪呈顯著負相關（P＜0.05），且與3-庚烯-2-酮、2-戊酮、3-甲基丁酸丁酯、二硫基丙醇和蒎烯呈極顯著負相 關（P＜0.01），而與正丁醛、2-甲基丙醛、過氧化乙酰丙酮、異丁酸異丁酯、乙酸甲酯呈顯著正相 關（P＜0.05）。辛香與大部分香氣化合物呈顯著正相關，與仲辛酮、3-庚烯-2-酮、乙酸丙酯、丙烯酸乙酯、乙酸乙酯、二硫基丙醇和2,4,5-三甲基噻唑呈顯著正相關（P＜0.05），與2-戊酮、3-甲基丁酸丁酯、二硫基丙醇、蒎烯和2-乙基-5-甲基吡嗪呈極顯著正相關（P＜0.01），與正丁醛和2-甲基丙醛顯著負相關（P＜0.05）。果香與正丙醇呈顯著正相關（P＜0.05，與3-甲基丁酸丁酯呈顯著負相關（P＜0.05）。

圖7 感官評價和特征香氣Pearson相關性Fig.7 Pearson correlation heatmap of sensory evaluation and characteristic aroma components

3 結論

采用描述性感官評價和GC-IMS對不同炒制時間郫縣豆瓣醬的香氣化合物進行分析。結果表明：郫縣豆瓣醬在炒制4 min后表現出最強的果香，在炒制5 min后表現出最強的焦香、木香和堅果香，郫縣豆瓣醬的辛香隨著炒制時間延長而減弱。由聚類分析可知，郫縣豆瓣醬可分為3 個聚類，其中炒制時間為1 min的郫縣豆瓣醬為第1類，炒制時間為2～4 min的郫縣豆瓣醬為第2類，炒制時間為5 min的郫縣豆瓣醬為第3類。在郫縣豆瓣中共檢測出97 種香氣化合物，其中醛類18 種、酮類17 種、酯類22 種、醇類10 種、烷烴類5 種、烯烴類5 種、雜環類10 種、醚類2 種和其他化合物8 種。由OPLS-DA篩選出34 種標志性化合物，主要有檸檬醛、(E)-2-壬醛、正丁醛、2-甲基丙醛、仲辛酮、2-庚烯-2-酮、2-戊酮、2-丁酮、3-甲基丁酸丁酯、丙烯酸乙酯、異丁酸異丁酯、乙酸乙酯、乙酸甲酯、乙酸異丙酯、丁酸乙酯、正丙醇、蒎烯、水芹烯、甲基吡嗪、2,4,5-三甲基噻唑、2-乙基-5-甲基吡嗪等。由Pearson相關性可知，焦香、木香和堅果香與大部分香氣化合物呈顯著負相關，辛香與大部分香氣化合物呈顯著正相關。本研究為郫縣豆瓣醬的關鍵風味物質研究提供理論依據以及為相關研究提供方法借鑒。