基于電子鼻和GC-MS技術(shù)對紅酸湯特征香氣成分的研究

摘要：為明確紅酸湯的特征香氣成分，采用電子鼻和氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）分析貴州地區(qū)5種市售紅酸湯的揮發(fā)性香氣成分。電子鼻結(jié)果表明，氮氧化合物、短鏈烷烴、無機硫化物、醇醚醛酮類化合物、有機硫化物為5種紅酸湯的主要香氣成分。通過主成分分析（principal component analysis，PCA），5種紅酸湯的特征香氣成分可歸為3類（W樣品、H和G樣品、Y和L樣品）。運用GC-MS檢測到5種紅酸湯中含有醇類、酯類、酸類、烷烴類、酚類、醛類、酮類、醚類、烯烴類和其他類共157種揮發(fā)性香氣成分。經(jīng)正交偏最小二乘判別分析（orthogonal partial least squares discriminant analysis，OPLS-DA）的變量重要性投影（variable importance in projection，VIP）分析，共篩選出乙醇、乙酸、十六酸乙酯、苯乙醇、1-丙醇、乙酸乙酯等25個VIP值gt;1的紅酸湯關(guān)鍵特征香氣物質(zhì)。綜上，利用兩種檢測技術(shù)進(jìn)行協(xié)同分析，可獲得較全面的紅酸湯特征香氣物質(zhì)，研究結(jié)果可為改進(jìn)紅酸湯的風(fēng)味提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：紅酸湯；香氣物質(zhì)；電子鼻；氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（GC-MS）

中圖分類號：TS264.29文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1000-9973（2025）03-0184-08

Study on Characteristic Aroma Components of Red Sour Soup Based

on Electronic Nose and GC-MS

LIN Li¹， DONG Wei²， YAN Hong-guang^1*， YUAN Wei¹

（1.School of Life and Health Science， Kaili University， Kaili 556001， China;

2.School of Science， Kaili University， Kaili 556001， China）

Abstract： In order to identify the characteristic aroma components of red sour soup， electronic nose and gas chromatography-mass spectrometry （GC-MS） are used to analyze the volatile aroma components of five kinds of commercially available red sour soup in Guizhou province. The electronic nose results show that the main aroma components of five kinds of red sour soup are nitrogen oxides， short-chain alkanes， inorganic sulfides， alcohol， ether， aldehyde and ketone compounds and organic sulfides. Through principal component analysis （PCA）， the characteristic aroma components of five kinds of red sour soup could be divided into three categories （W sample， H and G samples， Y and L samples）. A total of 157 volatile aroma components are detected in five kinds of red sour soup using GC-MS， including alcohols， esters， acids， alkanes， phenols， aldehydes， ketones， ethers， olefins and other categories. Through variable importance projection （VIP） analysis of orthogonal partial least squares discriminant analysis （OPLS-DA）， a total of 25 key characteristic aroma substances with VIP valuegt;1 are screened from red sour soup， such as ethanol， acetic acid， ethyl palmitate， phenyl ethanol， 1-propanol and ethyl acetate. In summary， by utilizing two detection techniques for collaborative analysis，more comprehensive characteristic aroma substances of red sour soup can be obtained. The research results can provide a scientific basis for improving" the flavor of red sour soup.

Key words： red sour soup; aroma substances; electronic nose; gas chromatography-mass spectrometry （GC-MS）

收稿日期：2024-10-09

基金項目：貴州省教育廳青年科技人才成長項目（黔教合KY字[2022]373號）；凱里學(xué)院校級規(guī)劃課題（2023XJGHYB07，2023XJGHYB08）;貴州省科技廳平臺項目（黔科合平臺人才[2020]1003號）；貴州省教育廳創(chuàng)新人才團隊項目（黔教合人才團隊字[2013]26號）;凱里學(xué)院博士發(fā)展項目（BSFZ202103）

作者簡介：林莉（1989—），女，講師，碩士，研究方向：食品加工與風(fēng)味分析。

*通信作者：嚴(yán)紅光（1981—），男，教授，博士，研究方向：發(fā)酵食品微生態(tài)。

貴州紅酸湯是將新鮮西紅柿、紅辣椒作為主要原料，加入食鹽和香辛料等輔料混勻，經(jīng)發(fā)酵制得的一種傳統(tǒng)發(fā)酵食品^[1]。紅酸湯中不僅含有豐富的有機酸，營養(yǎng)價值高，而且具有抗氧化、防癌、增強免疫力等功效；此外，還有調(diào)節(jié)血脂代謝紊亂、增進(jìn)人體健康、促進(jìn)骨骼發(fā)育和預(yù)防消化道疾病等作用^[2]。紅酸湯在發(fā)酵過程中產(chǎn)生大量的游離氨基酸，在增加發(fā)酵品滋味的同時賦予了其豐富的營養(yǎng)^[3]；產(chǎn)生的酸類、醇類、酯類、醛類和酮類等揮發(fā)性香氣特征成分賦予了紅酸湯特有的香氣^[4-5]，這些特有的風(fēng)味物質(zhì)使紅酸湯的風(fēng)味更濃郁、口感更協(xié)調(diào)。貴州地區(qū)主流的市售紅酸湯品牌隨著紅酸湯產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展也逐漸增多，但各品牌在發(fā)酵紅酸湯時工藝條件控制不一、原輔料用量不同、發(fā)酵環(huán)境條件存在差異，導(dǎo)致市售紅酸湯的風(fēng)味和品質(zhì)參差不齊。近年來，學(xué)者們對傳統(tǒng)發(fā)酵食品紅酸湯的研究不斷深入，主要包括營養(yǎng)成分分析^[6]、發(fā)酵微生物區(qū)系的分離鑒定^[7]、發(fā)酵工藝的改進(jìn)^[8]等方面，而對市售紅酸湯的特征香氣成分分析鮮有報道。

香氣是評估食品質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，也是影響消費者對食品接受度的重要因素。香氣主要指揮發(fā)性成分，其檢測分析方法主要有電子鼻、GC-MS、GC-IMS等技術(shù)。電子鼻（electronic nose）技術(shù)是一種模擬人類嗅覺系統(tǒng)的檢測識別技術(shù)，該技術(shù)能夠快速識別食品中的香氣成分差異，同時具有攜帶方便、前處理簡單、結(jié)果易讀等優(yōu)點，目前該技術(shù)主要應(yīng)用于調(diào)味品^[9]、水果^[10]、肉類^[11]等領(lǐng)域。氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（gas chromatography-mass spectrometry， GC-MS）常被用于食品特征香氣成分分析，通過探針頂空吸附揮發(fā)性物質(zhì)，于氣相色譜進(jìn)樣口高溫解吸后利用質(zhì)譜進(jìn)行定性定量分析^[12]。該技術(shù)具有樣品用量少、靈敏度高、可明確具體揮發(fā)性成分等優(yōu)點^[13]，目前該技術(shù)廣泛應(yīng)用于調(diào)味品^[14]、酒類^[15]、水果^[16]、茶葉^[17]等領(lǐng)域。

本試驗以5種貴州地區(qū)市售紅酸湯產(chǎn)品為研究對象，運用電子鼻測定5種紅酸湯產(chǎn)品的揮發(fā)性香氣成分，通過氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（GC-MS）對其特征香氣成分進(jìn)行協(xié)同分析，結(jié)合正交偏最小二乘判別分析和VIP值分析得到5種紅酸湯的關(guān)鍵特征香氣物質(zhì)。研究結(jié)果可進(jìn)一步明確紅酸湯的香氣特征，為后續(xù)紅酸湯的綜合開發(fā)提供理論參考。

1材料和方法

1.1材料

貴州地區(qū)5種生產(chǎn)日期相近的紅酸湯品牌詳細(xì)信息見表1。

1.2儀器與設(shè)備

HP6890/5975C氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀美國安捷倫公司；PEN3便攜式電子鼻德國Airsense公司。

1.3方法

1.3.1電子鼻測定

樣品前處理：參照何揚波等^[18]的方法并略作修改。準(zhǔn)確稱取10.0 g紅酸湯樣品于燒杯中，用保鮮膜密封，于60 ℃水浴10 min后備用。

分析條件：傳感器自清洗時間80 s，傳感器歸零時間10 s，樣品準(zhǔn)備時間5 s，分析檢測時間120 s，進(jìn)樣流量400 mL/min，每個樣品重復(fù)5次。

1.3.2GC-MS測定

參照林莉等^[19]的測定方法，采樣瓶中加入2 mL混合均勻的液體樣品，將采樣瓶放入固相微萃取儀中并插入裝有纖維頭的手動進(jìn)樣器，在65 ℃下頂空萃取60 min，同時進(jìn)行磁力攪拌；取出萃取頭立即插入氣相色譜儀的進(jìn)樣口，在230 ℃下進(jìn)行熱解吸進(jìn)樣。

色譜條件：HP-5MS彈性石英毛細(xì)管柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm），柱溫40 ℃，保持2 min，以3 ℃/min升溫至160 ℃，再以10 ℃/min升溫至220 ℃，保持10 min；載氣：99.999% He；柱壓：7.06 psi；流量：1.0 mL/min；分流方式：不分流；溶劑延遲時間：1 min。

質(zhì)譜條件：離子源：EI源，溫度：230 ℃；四極桿溫度：150 ℃；電子能量：70 eV；發(fā)射電流：34.6 μA；倍增器電壓：2 341 V；接口溫度：240 ℃；質(zhì)量掃描范圍：29～500 amu。

定性方法：將總離子流圖中的各峰與NIST 20和Wiley 275標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜圖進(jìn)行比對，再結(jié)合RI值、相關(guān)文獻(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜圖進(jìn)行定性。

定量方法：運用峰面積歸一化法得到揮發(fā)性香氣成分的相對含量，計算公式如下：

wi=Ai∑Ai×100%。

式中：wi為組分i的相對含量，%；Ai為組分i的峰面積。

1.4數(shù)據(jù)處理

采用Excel軟件進(jìn)行電子鼻揮發(fā)性香氣成分?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計，采用SPSS 19.0進(jìn)行差異顯著性分析。采用Origin 2021軟件進(jìn)行繪圖和PCA。采用SIMCA 14.1軟件進(jìn)行揮發(fā)性香氣成分的正交偏最小二乘判別分析。

2結(jié)果與分析

2.1電子鼻結(jié)果

由表2可知，電子鼻的10根傳感器對5種紅酸湯的響應(yīng)值各不相同，其中W5S、W1S、W1W、W2S和W2W傳感器上的響應(yīng)值較高，可認(rèn)為紅酸湯的主要揮發(fā)性香氣成分是氮氧化合物、短鏈烷烴、無機硫化物、醇醚醛酮類、有機硫化物。

由圖1可知，在10根傳感器上W樣品的響應(yīng)值較低，L、H和G樣品的響應(yīng)值較接近，Y樣品的響應(yīng)值最高。這5種樣品在W1C、W3C、W6S、W5C和W3W傳感器上的響應(yīng)值最低（1.12～2.87），說明對苯類、氨水、氫氣和烷烴類化合物不太敏感。在W5S、W1S、W2S、W2W傳感器上的響應(yīng)值較高（16.70～40.20），說明對氮氧化合物、短鏈烷烴、醇醚醛酮類和有機硫化物較敏感。在W1W傳感器上的響應(yīng)值最高（44.78～58.42），說明對無機硫化物敏感^[20]。因此，可利用電子鼻測定紅酸湯的揮發(fā)性香氣成分，根據(jù)雷達(dá)圖的效果來初步判斷紅酸湯的揮發(fā)性香氣成分。但僅通過觀察傳感器上的響應(yīng)值無法較好區(qū)分各樣品間的差異，因此需要進(jìn)一步進(jìn)行主成分分析（PCA）。

主成分分析可以減少揮發(fā)物冗余變量的影響，合理分類數(shù)據(jù)。通過PCA對電子鼻數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果見圖2。

由圖2可知，第一、第二主成分的貢獻(xiàn)率分別為89.0%和5.1%，兩個主成分的累計貢獻(xiàn)率高達(dá)94.1%，說明第一、第二主成分能較好地代表5種紅酸湯樣品的總體特征^[21]。W樣品與G、H、Y、L樣品的第一、第二主成分沒有相互重合，從樣品來源上分析，說明W樣品與其余4種紅酸湯的揮發(fā)性成分有顯著差異，這可能是因為W樣品為貴州凱里農(nóng)戶自制出售的紅酸湯，與企業(yè)加工出售的紅酸湯在揮發(fā)性香氣成分上存在顯著性差異。L和Y樣品分別來源于貴州凱里地區(qū)的兩家酸湯加工企業(yè)，它們的第一、第二主成分存在部分重合，說明它們之間的揮發(fā)性香氣成分有相似之處。H和G樣品分別來源于貴州遵義和畢節(jié)，兩者的第一、第二主成分存在部分重合，說明它們之間的揮發(fā)性香氣成分有相似之處。但與來源于貴州凱里的W、Y、L樣品之間沒有相互重合，說明它們之間的揮發(fā)性香氣成分存在顯著差異。通過整體分析可知，5種市售紅酸湯的揮發(fā)性香氣成分差異可運用PCA進(jìn)行初步區(qū)分。

2.2氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（GC-MS）測定結(jié)果

采用GC-MS聯(lián)用儀對紅酸湯進(jìn)行揮發(fā)性成分分析，結(jié)果見圖3。

由圖3可知，5種紅酸湯的揮發(fā)性物質(zhì)包括醇類、酯類、酸類、烷烴類、酚類、醛類、酮類、醚類、烯烴類和其他類。5種紅酸湯中的主要揮發(fā)性成分是酸類、酯類和醇類，其中H樣品中的酸類物質(zhì)相對含量最高（66.17%），L樣品中的醇類物質(zhì)相對含量最高（33.88%），L樣品中的酯類物質(zhì)相對含量最高（31.23%）。烯烴類物質(zhì)的閾值較低，對紅酸湯的風(fēng)味有一定貢獻(xiàn)。烯烴類物質(zhì)在W樣品和Y樣品中的相對含量分別為10.42%和5.63%，這可能是由于W和Y樣品中添加了香辛料和木姜子。此外，烷烴類、醛類、酮類、醚類、酚類和其他類雖然含量較少，但也為紅酸湯提供了多種揮發(fā)性成分，多種不同揮發(fā)性物質(zhì)結(jié)合構(gòu)成了紅酸湯的獨特風(fēng)味。

由表3可知，H、L、G、Y、W 5種樣品分別檢出85，88，77，93，99種揮發(fā)性香氣成分，L樣品中乙醇含量達(dá)16.82%，遠(yuǎn)高于其他4個樣品，這可能是由于L樣品中添加了白酒。在W、Y、G和H樣品中分別檢出了5.07%、2.83%、0.08%、0.05%的姜油烯，這可能是由于W、Y、G、H樣品中添加了生姜。

醇類物質(zhì)是酵母菌分解代謝和氨基酸脫氨作用的產(chǎn)物，5種紅酸湯中均檢測出乙醇、芳樟醇、苯乙醇和橙花叔醇等8種醇類物質(zhì)。乙醇是酵母菌在厭氧條件下的糖酵解產(chǎn)物，在H、L、G、Y、W 5種紅酸湯中乙醇的相對含量分別為4.42%、16.82%、8.84%、8.71%、3.90%，L樣品中乙醇相對含量比其他4種樣品中高的原因可能是制作紅酸湯時原料中添加了白酒。芳樟醇是一種具有鈴蘭香和香草香的醇類物質(zhì)，在水果、酒和茶葉中均有檢出^[14]。在H、L、G、Y、W 5種紅酸湯中芳樟醇的相對含量分別為0.19%、1.59%、0.17%、0.29%、0.52%。苯乙醇具有玫瑰花香和茉莉花香，可能是在酶的作用下產(chǎn)生^[22]，在H、L、G、Y、W 5種紅酸湯中苯乙醇的相對含量分別為0.24%、5.47%、0.75%、0.50%、1.79%。

酸類物質(zhì)是酵母菌、乳酸菌等菌群發(fā)酵的產(chǎn)物，己酸、山梨酸、苯甲酸、脫氫乙酸在5種紅酸湯中均有檢出。己酸常用作食用香料，在H、L、G、Y、W 5種紅酸湯中己酸的相對含量分別為0.07%、0.70%、0.10%、0.81%、0.35%；山梨酸、苯甲酸和脫氫乙酸可能是紅酸湯中添加的防腐劑。

酯類物質(zhì)可由酸類和醇類發(fā)生酯化反應(yīng)產(chǎn)生，是酸湯發(fā)酵的一類重要風(fēng)味物質(zhì)。5種紅酸湯樣品中均檢出的風(fēng)味物質(zhì)有丙酸乙酯（具有菠蘿香味）、十六酸乙酯（具有微弱的蠟香和奶油香氣^[23]）、水楊酸甲酯（具有強烈的冬青油香氣）等23種。在L樣品中檢測到具有甜香和焦糖香的丁內(nèi)酯，這可能是由于L樣品的原輔材料中加入了白酒；在Y樣品中檢測到具有菠蘿香的庚酸乙酯和具有蘋果香的乙酸香葉酯，這可能是因為原料中加入了木姜子。

正交偏最小二乘判別分析（orthogonal partial least squares discriminant analysis，OPLS-DA）可以對數(shù)據(jù)實現(xiàn)可視化分析，常用于挖掘數(shù)據(jù)間的相關(guān)性，同時還可以衡量樣品間特征香氣的差異性^[24]。將通過GC-MS測定的157種香氣成分作為因變量，5種紅酸湯作為自變量，經(jīng)OPLS-DA，結(jié)果見圖4中A。5種紅酸湯的香氣成分可被有效區(qū)分。自變量擬合指數(shù)（R²X）為0.993，因變量擬合指數(shù)（R²Y）為0.998，模型預(yù)測指數(shù)（Q²）為0.994，說明模型擬合的結(jié)果可接受，可用于區(qū)分5種紅酸湯的特征香氣成分。經(jīng)過200次置換檢驗，結(jié)果見圖4中B。Q²回歸線與縱軸的相交點小于0，說明模型驗證有效且不存在過度擬合，進(jìn)一步驗證了該結(jié)果可用于鑒別分析紅酸湯的香氣差異。通過OPLS-DA的變量重要性投影（VIP）可篩選出樣品的關(guān)鍵差異物，變量的差異性與VIP值呈正相關(guān)。由圖4中c可知，共篩選出脫氫乙酸、山梨酸、苯甲酸、α-松油醇、乙醇、乙酸、十六酸乙酯、苯乙醇、1-丙醇、亞油酸乙酯、姜油烯、丁酸、乙酸乙酯、4-甲基愈創(chuàng)木酚、丙酸、4-乙基苯酚、二十一烷、水楊酸甲酯、β-倍半水芹烯、姜黃烯、十六酸甲酯、4-乙基-2-甲氧基苯酚、乙酸丙酯、芳樟醇、異丁醇25個VIP值gt;1的關(guān)鍵揮發(fā)性香氣物質(zhì)，其中酸類、醇類和酯類對紅酸湯香氣的貢獻(xiàn)最大。

3結(jié)論

采用電子鼻和氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)分析市售5種紅酸湯的揮發(fā)性香氣成分，電子鼻結(jié)果表明，氮氧化合物、短鏈烷烴、無機硫化物、醇醚醛酮類和有機硫化物為紅酸湯的主要特征香氣成分，且在特征香氣成分對應(yīng)傳感器上的響應(yīng)值均較高（Plt;0.05）。經(jīng)主成分分析（PCA），5種紅酸湯可劃分為3類（W樣品、H和G樣品、Y和L樣品）。利用GC-MS在5種紅酸湯中檢測到157種揮發(fā)性物質(zhì)，主要包括醇類、酯類、酸類、烷烴類、酚類、醛類、酮類、醚類、烯烴類和其他類共10類。W樣品主要為醇類、酸類、酯類、烯烴類，H和G樣品主要為酸類、醇類、酯類，Y和L樣品主要為酸類、醇類、酯類、烯烴類、酚類。利用OPLS-DA變量重要性投影（VIP）共篩出脫氫乙酸、山梨酸、苯甲酸、α-松油醇、乙醇、乙酸、十六酸乙酯、苯乙醇、1-丙醇、亞油酸乙酯、姜油烯、丁酸、乙酸乙酯、4-甲基愈創(chuàng)木酚、丙酸、4-乙基苯酚、二十一烷、水楊酸甲酯、β-倍半水芹烯、姜黃烯、十六酸甲酯、4-乙基-2-甲氧基苯酚、乙酸丙酯、芳樟醇、異丁醇25個VIP值gt;1的關(guān)鍵揮發(fā)性香氣成分。綜上，利用2種檢測技術(shù)進(jìn)行協(xié)同分析可獲得紅酸湯較全面的特征香氣物質(zhì)，研究結(jié)果可為改進(jìn)紅酸湯的風(fēng)味提供科學(xué)依據(jù)。

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