基于電子鼻和氣質聯用分析萌芽大蒜揮發性物質差異

韓 穎，易宇文, ，何 蓮，鄧 靜，胡金祥，吳華昌，石莉芳，楊會珍

（1.四川旅游學院，四川成都 610100；2.四川川娃子食品有限公司，四川眉山 620000）

大蒜是百合科蔥屬植物蒜（Allium sativumLinn.）鱗莖的統稱。大蒜發源于歐洲，廣泛種植于地中海及其附近區域。漢使張騫將大蒜從西域引種至中原地區，而后在我國關中地區得到廣泛栽培和傳播，逐步遍及全國。大蒜性溫、味辛辣，具有抗氧化[1]、抗癌[2]、消炎殺菌[3]等功效。目前對大蒜的研究主要集中在藥用[4]、調味品[5]等領域。近年來也有較多研究人員研究加工方式對大蒜揮發性物質的影響[6-8]。而對萌芽期大蒜揮發性物質的變化鮮有報道。

有研究表明植物種子在萌芽期其營養價值、揮發性物質均有變化[9-11]。明確萌芽大蒜揮發性物質的變化，對于大蒜的食用價值具有重要意義。電子鼻是一種模擬人類生理嗅覺的智能仿生儀器，其樣品前處理具有方便快捷、無損環保等優點；傳感器數據結合數據模型能實現檢測結果的可視化，且檢測結果重現性好。但電子鼻僅能對樣品的氣味輪廓進行區分，無法判斷差異的具體物質[12]。捕集阱自動頂空（Trap head space）具有樣品處理簡單，氣味物質自動萃取、富集和進樣，方便快捷等特點。氣相色譜質譜聯用儀（Gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）是分離、鑒定復雜有機物的有效工具[13]。電子鼻和GC-MS 在萌芽種子整體氣味輪廓及具體物質的鑒定領域有廣泛應用。陸晨浩等[14]利用GC-MS 結合電子感官技術發現發芽3 d 的黑麥茶香氣與未發芽的差異明顯。仲夢涵等[15]利用GC-MS 結合智能感官發現相較于烘烤未發芽大麥，烘烤發芽第一天大麥的風味具有明顯變化。另外，正交偏最小二乘判別分析（Orthogonal partial least squares discriminant analysis，OPLS-DA）是一種有監督的分析方法，其通過去除變量的數據變異，將分離信息集中在一個主成分中，使模型變得簡單且易于解釋。

本研究以不同萌芽期的大蒜為研究對象，采用電子鼻、HS-Trap-GC-MS 技術結合OPLS-DA、香氣活度值、差異性熱圖、相關性分析識別不同萌芽期大蒜整體氣味輪廓，鑒定萌芽大蒜揮發性物質，分析萌芽大蒜主要揮發性物質及差異，探究萌芽大蒜關鍵香氣化合物，旨在比較不同萌芽時間的大蒜揮發性物質的異同，探明不同萌芽時間大蒜揮發性物質的變化規律，為萌芽大蒜在食品、醫藥領域的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

原料 紫皮大蒜（產地：四川雅安），于2022 年10 月1 日購于龍泉驛永輝超市。

FOX 4000 電子鼻 Alpha MOS 公司；Clarus 680氣相色譜儀、Elite-5MS（30 m×0.25 mm，0.25 μm）色譜柱、Clarus SQ8T 質譜儀、HST40 捕集阱頂空進樣器 美國珀金埃爾默；HSP-BE 恒溫恒濕培養箱力辰科技。

1.2 實驗方法

1.2.1 大蒜萌發條件與樣品處理 將大蒜去皮，然后測量長度，選擇長度一致的大蒜進行萌芽實驗。將大蒜用紗布包裹放入恒溫恒濕培養箱（22±2 ℃，濕度75%±2%，無光照）萌芽[16-17]0、24、48、72、96 h。萌芽結束的樣品放入5 ℃的冰箱冷藏室，分別編號為A（參照，不萌芽）、B、C、D、E，分組進行檢測（不檢測的樣品置于冰箱冷凍室冷凍，避免大蒜在酶的作用下繼續發生生化反應）。

1.2.2 電子鼻檢測方法 準確稱取剁碎的大蒜1.0 g，裝入電子鼻專用瓶密封，待測。樣品孵化條件：50 ℃孵化5 min；進樣量：500 μL；進樣速度500 μL/s；分析時間：120 s；檢測器清潔時間180 s；取傳感器在120 s 時的穩定值作為檢測結果進行分析。每個樣品平行檢測30 次，取10 次穩定值（主成分分析的集中程度）作為檢測數據，進行分析。

1.2.3 GC-MS 檢測方法 準確稱取4.0 g，裝入GCMS 專用頂空瓶，放入自動進樣器，待測。每個樣品各裝5 瓶，檢測5 次。

萃取溫度50 ℃，進樣針55 ℃，傳輸線60 ℃，萃取20 min；干吹2 min，解析0.1 min，加壓/釋壓2 min；捕集阱保持4 min；捕集阱循環2 次。

GC 條件：載氣（氦氣99.999%）流速1 mL/min，分流比15:1。進樣口溫度：250 ℃；升溫程序：40 ℃，保留2 mim，以2 ℃/min 升溫至170 ℃，保留5 min，以10 ℃/min 升溫至250 ℃，保留1 min。

MS 條件：EI 離子源，電子轟擊能量為70 eV，離子源溫度230 ℃；全掃描；質量掃描范圍：45～450 m/z；掃描延遲66 s。

定性分析：揮發性成分的定性以檢索NIST 2011 譜庫，選取正反匹配均大于700，同時與文獻值進行比對和結合人工解析質譜圖進行確定。

檢測結果有效性選擇：每個樣品檢測5 次，僅取3 次及以上能檢測到的物質，作為有效結果進行數據分析。

定量分析：峰面積歸一化法，計算相對百分含量。

1.2.4 關鍵香氣化合物分析 參考劉登勇等[18]的方法計算香氣活性值（Odor activity value，OAV）：

式中：C—揮發性物質的相對含量（%）；T—該揮發性物質的氣味閾值（μg/kg）。

參照劉登勇等[18]的研究結果規定OAV 最大的香氣化合物其相對香氣活性值（Relative odor activity value，ROAV）為100，其他揮發性物質的ROAV計算如下：

式中：Ci—揮發性物質的相對含量（%）；Ti—該揮發性物質的氣味閾值（μg/kg）；Tmax—OAV 最大的化合物的閾值（μg/kg）；Cmax—OAV 最大的化合物的相對含量（%）。

一般認為ROAV≥1 的化合物對樣品整體氣味有重要貢獻，是關鍵化合物；0.1≤ROAV＜1 的化合物為修飾性物質；ROAV＜0.1 的化合物對樣品整體風味無貢獻，是潛在性氣味化合物[19]。

1.3 數據處理

電子鼻雷達圖、差異性熱圖、相關性分析、數據歸一化處理及制圖采用Origin 2021。SIMCA 14.1軟件進行電子鼻OPLS-DA、計算預測變量重要性投影（Variable importance in projection，VIP）。SPSS 25 計算化合物平均值及標準偏差（）。

2 結果與分析

2.1 萌芽前后大蒜長度的變化

表1 是大蒜萌芽前后蒜體長度變化結果。表中可以看出蒜體增加的長度隨萌芽時間的延長而增加，其中萌芽48～72 h 是躍變時間段，其增長率從5.92%躍變為12.80%。從蒜體萌芽后長度的標準偏差來看，在同一萌芽時間段內的大蒜增加的長度變化很小。這說明在相同條件下大蒜的萌芽程度相似。

表1 萌芽前后大蒜長度變化Table 1 Changes in garlic length before and after sprouted

2.2 電子鼻分析結果

圖1 是以電子鼻傳感器平均值制作的雷達圖，圖中可以看出樣品分成3 組：A、B；C；D、E。A 和B 樣品在氣味上相似度高，且在大多數傳感器響應值明顯高于C、E 和D。有研究表明電子鼻傳感器響應值越高，說明其氣味越濃郁[20]。D 和E 樣品在氣味上相似度高，其在大多數傳感器上的響應值較A、B、C 的樣品低。這說明隨著發芽時間延長，其氣味越寡淡。

圖1 電子鼻分析雷達圖Fig.1 Electronic nose radar chart

圖2A 是樣品經電子鼻檢測結合OPLS-DA 模型分析的散點圖。圖中可以看出，電子鼻檢測A、B 樣品的結果投影在二維坐標中的數據點互相交叉，說明A、B 樣品極為相似。C 樣品分布在A、B 與D、E 樣品之間，說明萌芽48 h 的樣品C 與A、B 和D、E 樣品差異明顯。D、E 樣品分布在二、三象限，說明72 h 和96 h 的樣品在氣味上有差異。5 個樣品除A、B 外，其他3 個樣品均相對獨立的分布在二維圖中的二、三象限，這說明A、B 相似度高，C、D、E 差異明顯。樣品在二維圖中的分布既能說明樣品之間的相似度，也能說明電子鼻能有效區分樣品且重復性好。5 個樣品自變量擬合指數R2X=0.999，因變量指數R2Y=0.971；模型預測指數Q2=0.960，其預測能力為96.000%。一般認為自變量和因變量擬合指數大于0.5 即可接受[21]。

圖2 電子鼻OPLS-DA 分析（A）、模型交叉驗證結果（B）Fig.2 Results of electronic nose OPLS-DA analysis (A) and model cross validation (B)

圖2B 是判別模型經過200 次（最大999）置換檢驗的結果。圖中，R2為0.991，截距為-0.003，Q2為0.985，截距為-0.358，這說明模型擬合效果好，模型驗證有效。一般認為截距小于0 時，統計模型擬合效果好，沒有過擬合[22]。

2.3 GC-MS 結果

為從化合物角度探究萌芽大蒜揮發性物質的差異，實驗對不同萌芽時間的大蒜進行GC-MS 分析，定性及定量檢測結果見表2，分類見表3。A、B、C、D、E 5 個樣品分別檢測出17、41、40、39、39 種揮發性物質，共65 種，包括含硫化合物31 種、醛類物質13 種、醇類8 種，其他13 種，未萌芽的樣品僅檢測到含硫化合物和醛類物質；5 個樣品相對含量分別為95.36%、96.93%、94.89%、94.28%、95.37%，以含硫化合物為主。5 個樣品共有物質12 種（11 種含硫化合物+1 種醛類物質）：烯丙硫醇、烯丙基甲基硫醚、二甲基二硫醚、二烯丙基硫醚、3,4-二甲基噻吩、丙基烯丙基硫醚、烯丙基甲基二硫醚、2,3-二甲基噻吩、二甲基三硫、二烯丙基二硫醚、二烯丙基四硫醚、（E）-丁-2-烯醛。這些被檢測到的物質、種類、含量及共有物質的差異，初步反映了未萌芽和萌芽大蒜揮發性物質的差異。

表2 萌芽大蒜揮發性物質分析Table 2 Analysis of volatile substances in sprouted garlic

表3 萌芽大蒜揮發性物質種類及相對含量Table 3 Types and relative content of volatile substances in sprouted garlic

由表3 可知，含硫類化合物是大蒜的主要揮發性物質，其整體相對含量隨萌芽時間的延長而呈下降趨勢，其種類則呈遞增趨勢。醛類物質含量低、種類不多，其相對含量和種類均隨萌芽時間的延長而呈遞增趨勢。A 樣品未檢測到醇類物質，但在B、C、D、E 中均檢測醇類物質，其相對含量和種類變化趨勢大致隨萌芽時間的延長而呈遞增關系（D 樣品的含量除外）。A 樣品未檢測到其他類物質，B、C、D、E 均有其他類物質被檢測到，其相對含量呈現出先增加后降低的趨勢，物質種類呈遞減趨勢。

由表2、表3 可知，大蒜主要揮發性物質是含硫類化合物。大蒜的辛辣刺激味主要源于二烯丙基二硫醚，二烯丙基硫醚，二烯丙基三硫醚，二烯丙基四硫醚、烯丙硫醇等含硫化合物。這些物質是大蒜組織受到破壞時蒜氨酸在蒜氨酸酶的作用下生成了次磺酸和大蒜素等物質，這些物質進一步分解成了硫醚類物質[23-24]。大蒜素的分解轉化如圖3[23-24]：

圖3 大蒜素的分解轉化Fig.3 Decomposition and transformation of allicin

二烯丙基二硫醚、二烯丙基硫醚（蒜香）、二烯丙基四硫醚、烯丙基甲基二硫醚、二甲基二硫醚、烯丙基甲基硫醚是萌芽大蒜的主要共有揮發性物質，均屬于鏈狀含硫化合物，是樣品中含量較高（＞2.50%）的物質。二烯丙基二硫醚是大蒜素降解的主要產物[25]，具有辛辣刺激的大蒜氣味，具有抑制鐮孢菌生長和孢子萌發能力和預防心血管疾病、抗腫瘤及抗氧化等多種生理活性功能[26-28]；A、B、C、D、E 相對含量分別為49.03%、38.13%、20.28%、18.17%、19.44%，其含量隨著萌芽時間的延長而呈下降趨勢，其可能是烯丙基硫醚類化合物中不穩定的C-S 鍵斷裂，形成丙烯基自由基和烷硫基。二烯丙基二硫醚是樣品在萌芽過程中含量降低最多的物質。陳玲[29]的研究表明新鮮大蒜中二烯丙基二硫醚的降低是黑蒜刺激性氣味降低的主要原因。二烯丙基硫醚是一種具有汽油味和生蒜味的物質，具有治療多種類型的癌癥和神經系統疾病的功效[30]；它的形成與二烯丙基二硫醚的形成類似；5 個樣品的相對含量隨萌芽時間的延長呈下降趨勢，分別為18.87%、14.20%、15.58%、15.71%、15.24%。由此可推測萌芽大蒜的辛辣味和生蒜味可能不及未萌芽大蒜濃郁。二烯丙基四硫醚具有獨特的生理活性功能[31]，其含量先上升后下降，在24 h 時含量最高（18.90%）。烯丙基甲基二硫醚具有韭菜為和蒜香味，其含量隨著萌芽時間的延長而呈遞增趨勢（3.30%→10.00%）。烯丙基甲基硫醚具有洋蔥味，其含量隨萌芽時間的延長總體呈遞增（2.50%→10.00%）趨勢（C 樣品除外）。烯丙硫醇在C、D、E 樣品中含量較高（＞1.00%）。二甲基二硫醚的相對含量在A、D、E 中含量較高（＞1.00%）。主要共有含硫類物質含量大多隨萌芽時間的延長而降低，僅有少數含量增加。

萌芽大蒜非共有主要揮發性物質（大多＞1%），2,5-二甲基噻吩、2-亞乙基-1,3-二硫烷、1,3-二噻烷、5-甲基噻二唑、己醛（＞1.30%，呈青草香和蘋果香）、2,5-二甲基呋喃是A 樣品中未檢測到的物質，而在其他樣品中均檢出，其含量大多隨萌芽時間的延長呈遞增趨勢，這些含硫的物質可能是由其他含硫化合物分解轉化而來。甲基丙烯基二硫醚是B 樣品未檢測到的物質，其含量大致呈遞減趨勢。1-戊烯-3-醇是具有青草氣息的物質，僅在B、C 樣品中檢測到。6-甲基-2-庚炔（1.18%）、疊氮二羧酸二叔丁酯（2.86%），這兩種物質均在樣品D 中檢測到，而在其他樣品中均未檢測到。丙烯醇（2.42%）是具有淡臭味的物質，本研究僅在E 樣品中檢測到。非共有物質的相對含量大體呈現先升后降的趨勢。

2.4 萌發大蒜揮發性成分的ROAV 分析

在GC-MS 分析中，僅僅依據某種物質的含量高低來判斷其對樣品整體氣味的貢獻是有局限的。香氣閾值是描述某種化合物能被人嗅到的該物質的最低濃度。本研究利用ROAV 值來表征不同萌芽時間的大蒜的關鍵性氣味物質。樣品中二烯丙基四硫醚的含量盡管不是最高，但其氣味閾值最低，所以其ROAV 值最大。表4 是依據能查閱到閾值的化合物結合公式（2）計算的ROAV 值。表中可以看出不同萌芽期的大蒜共有關鍵化合物為2 種（二烯丙基四硫醚、烯丙硫醇），烯丙硫醇是一種具有烤蔥香味的物質，在大蒜萌芽48 h 后的樣品中ROAV 值均大于10，其對樣品整體貢獻大。二烯丙基二硫醚具有蒜香是未萌芽和萌芽24 h 樣品的關鍵化合物。二烯丙基硫醚具有生蒜香，是未萌芽大蒜的關鍵化合物。從關鍵化合物來看，隨著萌芽時間的延長大蒜的烤蔥香氣在逐步增加，而大蒜辛辣刺激性氣味在逐步減弱。

表4 大蒜香氣成分ROAV 分析Table 4 ROAV analysis of garlic aroma components

2.5 大蒜主要揮發性物質差異分析

依據表4 的分類，選取每類中含量大于1%的物質進行差異性熱圖分析，其結果見圖4。由圖4 中各種物質的豐度可知，二烯丙基二硫醚、二烯丙基硫醚、二烯丙基四硫醚、烯丙基甲基二硫醚、烯丙基甲基硫醚是樣品的主要共有揮發性物質。1,3-二噻烷、2,5-二甲基呋喃、2-亞乙基-1,3-二硫烷、己醛是B、C、D、E 樣品共有主要揮發性物質。5-甲基噻二唑、硫化丙烯是C、D、E 樣品共有主要揮發性物質。硫化丙烯、己醛、疊氮二羧酸二叔丁酯、丙烯醇、6-甲基-2-庚炔、5-甲基噻二唑、2-亞乙基-1,3-二硫烷、2-丙-2-炔基磺酰基丙烷、2,5-二甲基噻吩、2,5-二甲基呋喃、1-戊烯-3-醇、1,3-二噻烷的缺失是A 與B、C、D、E 的差異的進一步體現。6-甲基-2-庚炔、疊氮二羧酸二叔丁酯是D 樣品獨有的主要物質。丙烯醇是E 樣品獨有主要物質。

圖4 不同萌芽期大蒜主要揮發性物質差異性熱圖Fig.4 Heat map of the differences in the main volatile substances of garlic at different germination stages

縱觀整個差異性熱圖，A、B 相似度高，與C、D、E 差異明顯，這與電子鼻檢測結果結合OPLSDA 散點圖中分析的結果一致。GC-MS 分析與電子鼻分析結果具有一致性。

2.6 大蒜主要揮發性物質與電子鼻傳感器相關性分析

圖5 是利用Origin 2021 結合Correlation Plot 插件繪制的大蒜主要揮發性物質的相對含量與電子鼻傳感器相關性熱圖。圖中可以看出烯丙基甲基硫醚、丙基甲基二硫醚、二烯丙基二硫醚、2-亞乙基-1,3-二硫烷、己醛、1,3-二噻烷與LY2/LG、T30/1、P10/1、P10/2、P40/1、T70/2、PA/2、P30/1、P40/2、P30/2、T40/2、T40/1、TA/2 呈極顯著（P＜0.01）負相關；而丙基甲基二硫醚、己醛、1,3-二噻烷與LY2/G、LY2/AA、LY2/Gh、LY2/gCTl、LY2/gCT 呈極顯著（P＜0.01）正相關。二烯丙基二硫醚與LY2/LG、T30/1、P10/1、P10/2、P40/1、T70/2、PA/2、P30/1、P40/2、P30/2、T40/2、T40/1、TA/2 呈極顯著正（P＜0.01）相關。5-甲基噻二唑、二甲基二硫醚、烯丙硫醇、1-戊烯-3-醇、6-甲基-2-庚炔、疊氮二羧酸二叔丁酯、丙烯醇與絕大多數傳感器存在顯著（P＜0.01）正或負相關。甲基丙烯基二硫醚、硫化丙烯、2,5-二甲基噻吩、2-丙-2-炔基磺酰基丙烷與傳感器的相關性不顯著。由此可見大蒜的主要揮發性物質與電子鼻大多數傳感器存在相關性，電子鼻能夠有效區分不同萌芽期的大蒜。

圖5 大蒜主要揮發性物質與電子鼻相關性分析Fig.5 Correlation analysis between the main volatile compounds in garlic and electronic nose

3 結論

實驗以萌芽大蒜為研究對象，通過電子鼻和GC-MS 分析，結合OPLS-DA、差異性熱圖等方法對萌芽大蒜整體氣味輪廓進行識別和鑒定具體揮發性物質。電子鼻雷達圖及OPLS-DA 分析表明不同萌芽時間大蒜的差異明顯，大蒜的氣味強度會隨萌芽時間的延長而逐步減弱。GC-MS 檢測表明不同萌芽時間的大蒜分別鑒定出17、41、40、39 和39 種，共計65 種揮發性物質，差異明顯；相對含量分別為95.36%、96.93%、94.89%、94.28%、95.37%；含硫化合物是不同萌芽時間樣品的主要揮發物質；含硫化合物的相對含量隨萌芽時間延長而呈遞減趨勢，而種類呈現出遞增趨勢；二烯丙基四硫醚、烯丙硫醇是樣品共有關鍵性化合物。差異性熱圖分析顯示硫化丙烯、己醛、疊氮二羧酸二叔丁酯、丙烯醇、6-甲基-2-庚炔、5-甲基噻二唑、2-亞乙基-1,3-二硫烷、2-丙-2-炔基磺酰基丙烷、2,5-二甲基噻吩、2,5-二甲基呋喃、1-戊烯-3-醇、1,3-二噻烷的缺失進一步加大了未萌芽和萌芽大蒜氣味的差異；大蒜主要揮發性物質與電子鼻大多數傳感器存在顯著正相關性或負相關。

造成萌芽大蒜和未萌芽大蒜氣味差異的原因以及生理活性是否有差異，本文未作進一步探討。課題組會在隨后的研究中將其列入研究的重點，以闡明大蒜萌芽過程變化的機理，為其應用提供參考。