基于电子鼻和GC-MS技术对不同地区腌制大头菜挥发性物质的评价

赵慧君，雷炎，胡事成，张振东，郭壮*

(1.湖北文理学院 食品科学技术学院 鄂西北传统发酵食品研究所，湖北 襄阳 441053； 2.湖北襄阳孔明菜食品有限公司，湖北 襄阳 441104)

大头菜是十字花科芸苔属芥菜的一个变种，属于根用蔬菜。新采收的大头菜辣味和苦味较重，不宜生食，加工成腌制品后味道更佳[1]，在我国许多地方均有加工和食用大头菜的饮食习惯，但是不同的制作方法造就了不同地区大头菜各自的风味。玫瑰大头菜是云南名特产品，产品成熟食用时，色泽油黑光亮，味道芳香脆嫩，咸淡适口回甜，并有浓郁的玫瑰香和酱香气[2]。襄阳大头菜是中国国家地理标志产品，采用独特的“三腌、五卤、六晒”的独特工艺历时18个月腌制而成，具有口感脆嫩、香味浓郁的特点[3]。四川宜宾大头菜也是中国国家地理标志产品，腌制后色泽金黄、味咸味甘、脆爽适口、香气扑鼻。挥发性物质是大头菜风味的一个重要组成部分，然而目前关于不同地区大头菜挥发性物质评价的研究还很少。

电子鼻(electronic nose，E-nose)作为一种无损的检测技术，可以避免生理嗅觉的缺陷，利用传感器阵列对不同挥发性物质的响应值进行测定并结合参数模型来识别物质[4]。气质联用法(gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS)可在较短时间内完成多组分混合物的定性和定量分析，具有灵敏度高、定性能力强的优点。在利用电子鼻对挥发性物质有效区分的基础上，采用GC-MS对不同的挥发性物质成分进行鉴定，目前广泛应用于食品挥发性物质的检测，如陈醋、啤酒、虾酱、苹果醋、邹椒辣椒粉、红花椒、风干牛肉等[5-11]，目前在大头菜挥发性物质的检测上也有应用[12]。

本研究采用电子鼻和GC-MS技术对云南玫瑰大头菜、襄阳大头菜和四川宜宾大头菜中的挥发性物质进行了评价和解析，以期为后续大头菜的产地甄别及挥发性物质的指纹图谱构建奠定基础。

1 材料与方法

1.1 实验材料

襄阳大头菜：采集自襄阳609菜市场共6个样品；云南玫瑰大头菜：购自淘宝“家乡堡云南土特产”、“吃在云南”和“彩云花城特产”店铺共9个样品；四川宜宾大头菜：购自淘宝“小馋嘴土特产食品店”、“戎陈坊食品”和“购三江宜宾特产店”店铺共7个样品。

1.2 仪器与设备

FOX4000电子鼻法国 Alpha M.O.S公司；GCMS-QP2020气相色谱-质谱联用仪 岛津企业管理(中国)有限公司。

1.3 电子鼻及GC-MS分析测试条件

电子鼻及GC-MS分析测试条件见参照文献[12]。

1.4 数据处理

利用电子鼻自带软件Alpha Soft V11进行传感器信号强度处理，基于数据矩阵进行PCA、CCA、CA和多元方差分析。利用Kruskal-Wallis检测各传感器对不同地区大头菜响应值的差异性分析。除雷达图使用Excel 2016软件绘制外，其他图均使用Origin软件绘制。

2 结果与分析

2.1 电子鼻各传感器对不同地区腌制大头菜响应值分析

每个传感器每秒产生的响应值均有不同，选择各传感器最大响应值进行数据处理与分析，各传感器对不同地区大头菜响应值的差异性分析见表1。

表1 传感器对不同地区大头菜响应值的差异性分析Table 1 Difference analysis of each sensor on response value of mustard roots from different regions

注：同行数字肩标字母不同表示差异显著(p<0.05)。

由表1可知，W1C、W3C和W5C金属传感器对襄阳和宜宾地区大头菜的响应值显著高于云南玫瑰大头菜(p<0.05)；W1S、W2S、W5S金属传感器对云南玫瑰大头菜的响应值显著高于襄阳地区大头菜(p<0.05)，而W3S金属传感器对3个地区大头菜的响应值没有统计学上的差别(p>0.05)；W1W金属传感器对云南玫瑰大头菜和宜宾大头菜的响应值显著高于襄阳大头菜(p<0.05)，W2W金属传感器对宜宾大头菜的响应值高于襄阳大头菜(p<0.05)。综上所述，襄阳大头菜的风味品质最优，其次为宜宾大头菜和云南玫瑰大头菜。

为了进一步分析3个地区挥发性物质的相似性，用雷达图进行了分析，见图1。

图1 不同地区大头菜电子鼻响应值的雷达图Fig.1 Radar map of electronic nose response value of mustard roots from different regions

由图1可知，襄阳大头菜、宜宾大头菜和云南玫瑰大头菜对电子鼻不同传感器的响应值之间差异都很大，相对来说，襄阳大头菜和云南玫瑰大头菜的差异相对小些。

2.2 3个地区大头菜电子鼻的主成分分析

挥发性气味是一种综合的感觉，从单一的金属传感器去分析不够全面，基于这种考虑进行了PCA分析，基于电子鼻技术对3个地区大头菜挥发性物质第一主成分(PC1)和第二主成分(PC2)的因子得分图见图2。

图2 基于主成分分析的因子荷载图Fig.2 Factor loading diagram based on PCA

由图2可知，PC1和PC2的因子得分达到92.77%，可以反映原始数据的全部信息。

本研究进一步用典范对应分析对3个地区挥发性物质进行了评价，见图3。

图3 基于主成分分析的因子得分图Fig.3 Factor scoring diagram based on PCA

由图3可知，云南玫瑰大头菜主要分布在第三和第四象限，襄阳大头菜主要分布在第二、第三和第四象限，宜宾大头菜主要分布在第一和第二象限，3个地区大头菜挥发性物质虽然有重叠，但是整体呈现分散趋势，进一步说明不同地区的大头菜挥发性物质存在着差异。

本研究进一步基于马氏距离的聚类对3个地区大头菜的挥发性物质进行了分析，结果见图4。

图4 不同地区大头菜风味品质的聚类分析Fig.4 Cluster analysis of the flavor quality of mustard roots from different regions

注：“*”表示p<0.05，“***”表示p<0.001。

由图4可知，云南玫瑰大头菜与襄阳大头菜形成一个聚类，进而两者与宜宾大头菜形成第二个聚类。这也验证了雷达图所反映的云南与襄阳大头菜挥发性物质差异较小，这两者与宜宾大头菜挥发性物质差距较大的结论。采用MANOVA对3个地区大头菜的挥发性物质进行了显著性分析，发现云南玫瑰大头菜与襄阳大头菜差异显著(p<0.05)，两者与宜宾大头菜的差异均达到了极显著(p<0.01)。

2.3 基于GC-MS技术分析3个地区大头菜的挥发性物质

利用GC-MS对云南玫瑰大头菜、襄阳大头菜和宜宾大头菜中的挥发性物质进行定性检测，共检测到82种挥发性物质，对其相对含量超过1%的进行统计，见图5。

图5 大头菜各挥发性物质相对强度值的箱形图(n=22)Fig.5 The box plot of relative intensity of volatile compounds in mustard roots (n=22)

由图5可知，异戊醛、二甲基二硫醚、2-甲基丁醛、己醛、异丁醛、异戊醇、丙酮和异丁醇为3个地区大头菜中主要的挥发性物质。其中异戊醛在不同样品中差异性最大，其次为二甲基二硫醚，差异性最小的为异丁醇。利用GC-MS从云南玫瑰大头菜、襄阳大头菜和宜宾大头菜中共定性检测出82种挥发性物质，其中酮类5种，占3.68%；醇类12种，占14.84%；硫醚类4种，占19.63%；醛类7种，占31.96%；酯类10种，占3.09%；烯烃类24种，占15.38%；烷类8种，占6.48%；酸类3种，占2.79%；其他9种，占2.12%。云南玫瑰大头菜检测出23种，襄阳大头菜检测出25种，四川宜宾大头菜检测出65种，相对含量见表2。由表2可知，相对含量超过1%的挥发性物质中，异戊醛(16.13%)、2-甲基丁醛(7.28%)、异丁醛(6.82%)和丙酮(2.22%)主要集中在云南玫瑰大头菜和襄阳大头菜中，宜宾大头菜中的含量很少；己醛(1.43%)、异丁醇(2.08%)、异戊醇在襄阳大头菜中相对含量高，在云南玫瑰大头菜和宜宾大头菜中含量很低；二甲基二硫醚(8.97%)在云南玫瑰大头菜中含量高，在襄阳大头菜和宜宾大头菜中含量低。云南玫瑰大头菜中特有的主要挥发性物质为甲基三硫醚和甲基四硫醚；襄阳大头菜中特有的挥发性物质含量和占比均很少；宜宾大头菜中特有的挥发性物质种类最多，但含量均不高，主要为侧柏酮、α-松柏醇、2-甲基-5-异丙基-二环[3.1.0]己烷-2-醇、己酸乙酯、α-水芹烯、α-蒎烯、β-蒎烯、水合桧烯、β-月桂烯、3-蒈烯、α-松油烯、罗勒烯、松油烯、石竹烯等。云南玫瑰大头菜中主要的挥发性物质为异戊醛、2-甲基丁醛、丙酮、甲基三硫醚和甲基四硫醚；襄阳大头菜中主要的挥发性物质为异戊醛、2-甲基丁醛、异丁醛、丙酮、己醛和异丁醛；宜宾大头菜中主要的挥发性物质为烯烃类物质。

表2 大头菜中挥发性物质及其相对含量Table 2 Volatile compounds and their relative content in mustard roots

续 表

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3 结论

采用电子鼻对云南玫瑰大头菜、襄阳大头菜和四川宜宾大头菜的挥发性物质进行了研究，研究发现襄阳大头菜和云南玫瑰大头菜在风味上比较相似，与四川宜宾大头菜相差较远。经GC-MS分析，发现结果与电子鼻结果一致，襄阳大头菜和云南玫瑰大头菜的挥发性物质相似度较高，与四川宜宾大头菜主要的挥发性物质有很大的区别。3种大头菜用料均为芥菜，挥发性物质的区别与3种大头菜的制作工艺有关，云南玫瑰大头菜为酱菜，襄阳大头菜为腌菜，四川宜宾大头菜同样为腌菜，但是腌制时间较短且加入花椒、辣椒、油脂之类的调味品，造成了与其他两种大头菜风味的差异。