基于GC-IMS技術分析小麥粉儲存過程中揮發性物質的變化

許 諾, 咼 琴, 高玉樹, 劉小熙, 蘇曉萌, 李 輝, 孫艷雯, 閆 飛

(北京市食品檢驗研究院(北京市食品安全監控和風險評估中心)1,北京 100094)

(北京首農食品集團有限公司2,北京 100102)

(北京市房山糧油貿易有限公司3,北京 100055)

小麥粉作為我國主要成品糧之一,通常不會長期儲藏,但是近年來受旱澇災害影響,為應對突發情況,會儲存一定數量作為儲備糧,并且從國家糧食戰略儲備方面來講,小麥粉的安全儲備也具有重大意義。隨著存儲時間的延長,小麥粉的品質會發生不同程度的變化,揮發性物質種類和含量也隨之發生變化,最終導致不良風味的產生[1,2]。小麥粉儲藏期風味及品質變化研究,可以為指導儲備糧動態輪換提供參考。

以往對小麥粉風味變化的研究測定方法主要是氣相色譜(GC)及氣相色譜-質譜聯用技術(GC-MS),這些方法通常需要與固相微萃取技術(SPME)聯用,對于痕量組分的檢測,存在靈敏度低、檢測成本高等問題[3]。氣相色譜-離子遷移譜技術(GC-IMS)作為一種新的聯用技術,具備分離度高、靈敏度高等優點[4,5],樣品預處理簡單甚至無需前處理,在常壓下通過氣相色譜進行預分離后進入遷移譜檢測器進行檢測,微量揮發性風味物質在短時間內便可被檢測到。GC-IMS技術在糧食儲藏條件優化、產地溯源等方面有較多應用[6-9],但關于小麥粉儲藏期風味變化的研究仍較少。

在儲藏過程中最受關注的是小麥粉食用品質的變化,目前可以通過人工感官品評實驗進行量化,此種手段存在一定主觀性且品評人員需要經過長時間的培訓和練習,利用GC-IMS技術對揮發性風味物質進行分析實現了對小麥粉中的“香”更為直觀的分析。研究運用GC-IMS技術快速檢測小麥粉中揮發性物質,通過主成分分析PCA和偏最小二乘-判別分析OPLS-DA判別不同儲藏時期的小麥粉。同時結合小麥粉儲藏時期脂肪酸值和品嘗評分值多角度動態分析小麥粉存儲中的變化,從而更好地控制儲藏條件,更科學地調整儲備糧輪換周期。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

小麥粉:產地山東省,等級為GB/T 1355—1986 特制二等,25 kg/袋,總質量大于1 000 t。生產完成后60 d內進行入庫儲藏,倉房類型為高大平房倉。苯:分析純;95%乙醇:優級純;氫氧化鉀滴定溶液標準物質。

1.2 主要儀器和設備

FlavourSpec?氣相離子遷移譜聯用儀,FD115熱鼓風循環干燥箱,JXFD7醒發箱,JCXZ面團成型機,BVM食品體積儀。

1.3 實驗方法

1.3.1 小麥粉的存儲和取樣

小麥粉2021年3月入庫,儲藏地點為北京,儲藏時間150 d,在倉房四角和中心放置托盤垛進行碼放,每隔30 d倒垛1次。每隔30 d進行倒包和拆包相結合的取樣測定,不少于總包數3%,保證樣品代表性。倉房控溫控濕技術參照DB11/T 1953—2022,同時對倉房內的溫度濕度進行記錄。

1.3.2 小麥粉質量及儲存指標的測定

小麥粉水分含量按GB 5009.3—2016中第一法測定,脂肪酸值按GB/T 5510—2011測定,品嘗評分值的測定參照GB/T 20571—2006制作饅頭。

表1 饅頭感官評價表

1.3.3 小麥粉揮發性有機物的測定

稱取2.0 g小麥粉樣品置于20 mL頂空瓶中,封口,用于GC-IMS分析。

1.3.4 GC-IMS 檢測條件

色譜柱類型:FS-SE-54-CB-1(15 m×0.53 mm,1 μm),柱溫60 ℃,采用自動頂空進樣,進樣體積500 μL,孵育時間20 min,孵育溫度60 ℃,進樣針溫度85 ℃,孵化轉速500 r/min,載氣/漂移氣為N2,分析時間30 min。流速:初始2 mL/min,保持2 min后在10 min內線性增至6 mL/min,在15 min內增至15 mL/min,在20 min內增至100 mL/min,之后再30 min內增至150 mL/min。

1.4 數據處理

使用Flavour Spec儀器配套的分析軟件LAV(Laboratory Analytical Viewer)以及GC-IMS Library Search軟件內置的NIST 2021數據庫和IMS數據庫對測定到的揮發性有機物質進行定性分析,運用LAV中Reporter插件構建揮發性有機物質差異圖譜,運用Gallery插件生成揮發性有機物質指紋圖譜。使用SIMCA 14.1軟件進行OPLS-DA、PLSR及模型評價分析。使用Microsoft Excel和SPSS軟件對數據進行整理及統計分析。

2 結果與分析

2.1 GC-IMS三維譜圖分析

圖1為小麥粉在儲藏30、150 d的GC-IMS三維譜圖。圖1中反應離子峰(reaction ion peak, RIP)右側的每一個點代表一種揮發性物質,可以看出,揮發性有機物種類和濃度都發生了變化,小麥粉儲藏30 d與150 d時的三維譜圖有明顯不同。直接對比圖1中黑色圓圈區域可發現,小麥粉儲藏30 d時檢測到的揮發性有機物信號峰明顯比150 d時更多,且該區域內30 d時檢測的信號峰響應值更高。這部分揮發性物質在氣相色譜上保留時間較低,說明相對分子質量較小的一些成分隨儲藏時間延長含量呈下降趨勢。

圖1 不同儲藏時間的小麥粉揮發性有機物質的GC-IMS三維圖譜

2.2 GC-IMS指紋譜圖分析

利用LAV軟件內置的NIST數據庫和IMS數據庫對揮發性有機物進行定性分析,共定性出37種揮發性物質,其中醇類13種、醛類8種、酯類7種、酮類5種、酸類3種、呋喃類化合物1種,定性分析后得到表2。表2中的覺察閾值均是揮發性物質在空氣介質中的嗅覺閾值數據[10]。

表2 指紋圖譜中特征峰對應的化合物

揮發性化合物的定量分析由IMS計算的峰體積表示,含量分布如圖2所示。儲藏期間小麥粉樣品中揮發性化合物含量最高的均為醇類化合物,占比40%以上,醇類中戊醇、正己醇、丁醇含量較高。其次是醛類化合物,占比30%左右,其中己醛和丁醛含量較高。而酸類和呋喃類化合物占比很少,均在5%以下。小麥粉揮發性物質以醇類和醛類為主,與前人的研究結果一致[11,12]。

圖2 不同儲藏時間的小麥粉揮發性成分種類和含量

為研究小麥粉在儲藏過程中揮發性有機物發生的變化,運用LAV軟件中Gallery插件生成指紋圖譜,得到圖3。指紋圖譜中每一個斑點代表一種揮發性有機物,其中點的顏色代表物質的濃度,顏色越深(紅)濃度越高,反之越淺濃度越低。橫向一行為一個樣品中所選揮發性有機物,縱向一列為同一物質在不同樣品中的含量。從圖3可以看到樣品間揮發性有機物含量的差異。

圖3 不同儲藏時間的小麥粉揮發性有機物質的指紋圖譜

在儲藏過程中,大部分成分在整個儲藏過程中都能檢測到,有的成分僅在儲藏前期能檢測到,而有的成分在初期濃度很低,儲藏過程中逐漸增加。根據揮發性有機物的濃度隨儲存時間增長而產生的變化規律,在圖3指紋圖譜上劃分了A、B及其他3個區域。A區揮發性物質的含量在小麥粉儲存過程中呈降低趨勢,B區則呈增高趨勢,其他區域在儲藏過程中未觀察到明顯變化。

小麥粉揮發性物質變化規律表明,在0～150 d儲存過程中,揮發性物質變化可以較為明顯的分為3個階段:0～60 d為第一階段,這個階段內小麥粉揮發性有機物的變化較小;60～120 d內為第二階段,這個階段小麥粉揮發性有機物變化明顯,A區物質明顯降低,至120 d時,指紋圖譜中異丙醇、丙醇、乙酸乙酯的特征斑點已觀查不到,而B區物質含量均明顯增大;120～150 d內為第三階段,這個階段內B區小麥粉揮發性有機物含量急劇增大。A區的揮發性物質由醛類、醇類、酯類、酸類、酮類組成。其中相對質量分數最高的是醛類,為51%～60%,己醛、正丁醛、異丁醛的含量相對較高。其次是醇類,占比26%～34%,戊醇、2-甲基丙醇的含量相對較高。酯類、酸類、酮類均占比5%以內。B區的揮發性物質由醇類、酯類、醛類、酸類組成。其中相對質量分數最高的是醇類,為36%～47%,(E)-2-己烯-1-醇、2-乙基-1-己醇的含量相對較高。其次是酯類,占比19%～23%,包括己酸異戊酯和γ-丁內酯。醛類為18%～21%,包括(E)-2-辛烯醛和2-庚烯醛。酸類為13%～20%,包括己酸和異戊酸。

小麥粉中醛類揮發性物質較豐富,大多數醛是由不飽和脂肪酸氧化產生的,而醛類的閾值普遍較低,具有特殊氣味,例如C4醛具有強烈刺激性氣味,C5醛具有青草氣味或油蠟氣味[13,14]。小麥粉樣品檢測出的戊醛也是陳米不良氣味的主要成分[15]。小麥粉中庚醛含量基本無變化,正丁醛、異丁醛、戊醛、己醛等在第二階段逐漸減少,2-庚烯醛則增強。張康逸等[16]的研究中也曾報道過己醛、庚醛、(E)-2-辛烯醛是構成青麥脂肪香氣的主要揮發性成分。

醇類主要來源于脂肪的氧化分解,大部分醇類無特殊氣味且嗅覺閾值較高,對糧食風味貢獻不強。不同儲藏時間小麥粉樣品均檢測出正己醇、1-辛烯-3-醇、3-甲基-3-丁烯-1-醇,且含量沒有明顯變化。小麥粉中醇類物質相對含量較高,其中正己醇已被發現在小麥粉中含量最高[11],而具有蘑菇氣味且閾值較低的1-辛烯-3-醇已被證實為許多糧食的特征香氣成分[17-19]。

小麥粉中的酮類同樣來源于脂質氧化降解,也可由微生物引起。酸酯類揮發物由醇類和脂肪酸縮合而成,通常具有明顯香氣。酯類香味閾值較高,可能對小麥粉氣味貢獻不大,但其中的部分化合物是形成雜環化合物的重要中間體物質,對形成小麥粉揮發性成分依然具有重要作用。小麥粉樣品中檢測到的其他物質,例如雜環化合物2-戊基呋喃,是亞油酸氧化及還原糖降解產物[20],具有蔬菜芳香且閾值相對較低,已有研究證實2-戊基呋喃是構成小麥麥香的關鍵風味物質之一[21]。

2.3 小麥粉揮發性主成分及其與儲存指標相關性分析

2.3.1 揮發性有機物的PCA和OPLS-DA

通過圖3指紋圖譜中各個特征區域的對比分析可以判別出儲存時間不同的小麥粉中存在的風味差異,但仍受限于觀察者的主觀性,為了更好地實現GC-IMS三維譜圖的數字化表達,通過LAV內置PCA插件進行數據降維[22]完成主成分分析,得到圖4a。每個主成分的貢獻率在軸PC1和PC2后標注,PC1的貢獻率為59%,PC2的貢獻率為13%,前2個主成分之和為72%,代表了原始數據中大部分的信息。通過二維平面數據點分布情況可直接觀察到不同的儲存時間形成的差異。

圖4 不同儲藏時間的小麥粉的PCA和OPLS-DA結果

觀察圖4a可發現,儲存時間0～60 d內,小麥粉信號點分布在第二、三象限且較為集中,當儲存時間達到90～120 d時,小麥粉信號點分布在第一、四象限且分布距離均較遠,區分已經非常明顯,說明在儲存期60 d內的小麥粉風味與90 d后的小麥粉樣品香氣組分具有明顯差異,并且在90～150 d儲存期間風味變化的區分度十分顯著。

依據變量重要性投影,將每個檢測出的揮發性有機物對小麥粉儲藏期分組的貢獻進行量化,得到VIP值。VIP值越大,說明在不同儲藏期揮發性有機物差異越顯著。通常采用VIP值大于1的標準[24],篩選出14種差異揮發性有機物,分別為苯乙醇、正己醇、2-乙基-1-己醇、2-庚烯醛、乙酸丁酯、3-辛醇、3-甲基丁醛、乙酸己酯、γ-丁內酯、己酸、3-甲基-3-丁烯、1-辛烯-3-醇、(E)-2-己烯-1-醇、2-己酮。

2.3.2 結合小麥粉中水分含量及脂肪酸值分析對揮發性物質變化的影響

觀察圖5小麥粉水質量分數隨儲存時間的變化圖可發現,在小麥粉樣品中水質量分數在11.8%～13.9%范圍內變化,0～60 d內變化較小,60 d后逐漸降低。小麥粉在冬季入庫,0～90 d儲存溫度貼近自然存放條件,在90～150 d控制溫度在20 ℃以下,儲存濕度控制在50%～65%。

圖5 小麥粉水質量分數隨儲存時間的變化

大多數與食品有關的品質變化都遵循零級或一級反應動力學規律[25,26]。通過化學計量手段測定得到小麥粉中脂肪酸值數據結果,將脂肪酸值測定數據與儲存時間以線性方程處理,基于零級和一級反應模式進行擬合后的相關系數分別為0.994和0.999,說明脂肪酸值含量變化符合動力學一級反應。繪制小麥粉中脂肪酸值、日增值、反應速率隨儲存時間的變化圖,得到圖6。

圖6 小麥粉中脂肪酸值隨儲存時間的變化

小麥粉中的不飽和脂肪酸在存儲過程中會發生氧化水解反應,產生游離脂肪酸,小分子的游離酸也具有揮發性。脂質的氧化產生醛酮類小分子揮發性成分,脂質的水解作用會使脂肪酸值增高[27]。因此,小麥粉儲藏過程中脂肪酸值與揮發性有機物質含量有非常高的正相關性。觀察圖6可發現,90 d后反應速率常數k由減小逐漸變為增大。引起這一變化的原因可能是小麥粉儲存溫度的提高,90 d后儲存溫度升至20 ℃左右。此外,小麥粉在儲存第二和第三階段(60～150 d)內水質量分數逐漸降低,含水量變低很可能提高自動氧化的速率,具有3個以上雙鏈脂肪酸,如二十碳五烯酸可氧化為庚烯醛等小分子醛類[28],這也與GC-IMS測定結果一致。儲藏150 d時,脂肪酸值(以mgKOH/100 g計)升至63.05±1.85,以該反應模型推算,后續一個月脂肪酸值將接近小麥粉標準規定上限80 mgKOH/100 g,因此在儲藏期150 d時可以考慮準備小麥粉的出庫輪換。

2.3.3 小麥粉品嘗評分值與揮發性有機物質相關性

由5名經過培訓的感官評價人員根據表2對饅頭的各項指標進行打分,對每次評價取平均值。根據評價結果繪制雷達圖,得到圖7。在0～60 d儲存期間,即第一階段內,饅頭評分值總分在78～82分,韌性、黏性在入庫0 d時評分值最高,氣味、食味30 d時評分最高,而色澤、彈性在60 d時評分最高。這一階段內評分值區分度不大。在60～120 d即第二階段內,饅頭的氣味、食味評分迅速降低。當儲藏期150 d時,樣品饅頭的彈性、黏性評分已小于6分,氣味、食味、韌性小于7分,總分降至63分,小麥粉樣品已經達到輕度不宜存的程度。以GC-IMS信號值作為表征變量,將樣品特征峰體積信號值形成一個矩陣,可通過PLSR建立小麥粉揮發性物質與品嘗評分值的預測模型[15]。利用檢測出的50個揮發性有機物的峰體積與品嘗評分實測值進行線性回歸分析,得到的品嘗評分值預測值與實測值的相關系數R=0.985,表明基于小麥粉揮發性有機物可以較準確的預測小麥粉品嘗評分值。但由于數據較少,建模時使用了全部樣品作為校正集,后續需擴大樣品數量,對模型進行優化。

圖7 不同儲存時間小麥粉饅頭的感官評價雷達圖

對不同儲藏時間小麥粉樣品的揮發性有機物及儲存品質指標進行熱圖聚類分析后得到圖8。經分析可知,0～60 d的樣品和90～150 d的樣品有明顯區別,6個不同儲存時間的樣品可直接分為2個大組,而90～150 d的樣品又可分為90～120 d與150 d2個小組。這與通過指紋圖譜變化分的3個階段是一致的。

注:Y軸為已定性的揮發性有機物、水質量分數、脂肪酸值、品嘗評分值,X軸為不同儲藏時間的小麥粉樣品。

觀察圖8可發現,從聚類分析上,小麥粉中異戊酸、γ-丁內酯的變化規律與脂肪酸值最為接近,后期可以通過增加樣品數量,觀察這2種物質是否可以模擬代替脂肪酸值指標來直接預測小麥粉貨架期。

3 結論

研究采用GC-IMS技術對小麥粉儲藏過程中揮發性有機物質的變化進行分析,共鑒定出37種揮發性物質,包括醇類、醛類、酯類、酮類、酸類和呋喃類化合物。其中醇類物質相對含量最高,醛類和酯類次之。在不經過樣品前處理的條件下GC-IMS可快速檢測小麥粉中的揮發性有機物,通過主成分分析和偏最小二乘-判別分析可判斷小麥粉的儲藏期,熱圖聚類分析也可以明顯將儲藏前后期的樣品分開。利用GC-IMS對小麥粉儲藏過程的分析結果與化學計量測定手段和感官評價手段的分析結果一致,為小麥粉儲藏期鑒定提供了參考。