高能电子束辐照对食醋香气成分的影响

王超，付诗鸣，李攀恒，胡东彬，李磊，潘际林，钟晓凌，胡勇*，徐沁怡，郑梦玲

(1.湖北工业大学 生物工程与食品学院 湖北省食品发酵工程技术研究中心，武汉 430068；2.镇江丹和醋业有限公司，江苏 镇江 212344；3.武汉爱邦高能技术有限公司，武汉 436000)

传统固态醋，也被称为谷物醋，是中国使用最广泛的调味品之一。据记载，醋的生产可以追溯到数千年前[1]。目前，中国各地通过传统发酵技术来酿造醋，由于独特的发酵工艺和原料以及当地环境的影响，中国不同地方的醋有其独特的风味和功能。其中镇江香醋是江苏镇江的地方传统名产[2]，其色浓而味鲜，香而微甜，酸而不涩，并以“香醋摆不坏”而著称[3]。

众所周知，食品在出厂前需要进行灭菌操作，以防止微生物的滋生[4]。近几年，冷杀菌技术逐渐广泛应用于食品工业。冷杀菌技术也称为非热杀菌技术，主要包括超高压杀菌、微波杀菌、辐照杀菌等[5,6]。与传统的加热杀菌相比，在杀菌过程中，食品的温度升温很小或不升温，可以有效避免高温对食品的营养、风味、质地、色泽的不良影响，充分保留食品的营养成分和原有风味。

目前，食醋行业的原醋一般经过100 ℃蒸煮30 min达到灭菌效果。冷杀菌技术在食醋中尚未有工业化应用。高能电子束就是冷杀菌技术的一种，利用其γ射线或电子射线对物质具有穿透性的特点，对食品进行辐照处理，可以有效杀死食品中的寄生昆虫和致病菌，具有提高食品的卫生质量和延长食品的保藏期的效果。本实验通过对未灭菌的原醋进行不同剂量的高能电子束辐照，利用电子鼻系统和顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用仪(headspace solid-phase microextraction-gas chromatography-mass spectrometry，HS-SPME-GC-MS)检测其挥发性香气成分的变化，为今后冷杀菌技术在食醋灭菌工艺中的应用提供了理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

本实验的镇江香醋取自镇江丹和醋业有限公司。实验样品为原醋(未经灭菌处理)、高能电子束辐照后的醋样(辐照剂量分别为1，3，6 kGy)；2-辛醇(内标)、氯化钠：国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

PEN3便携式电子鼻系统 德国Airsense公司；7890A/5975C气相色谱-质谱联用仪 美国安捷伦公司；固相微萃取(SPME)手动进样手柄及萃取头 美国Supelco公司；恒温磁力搅拌水浴锅 常州市金坛友联仪器研究所。

1.3 实验方法

1.3.1 样品菌落总数的测定

参考GB 4789.2—2016《食品安全国家标准 食品微生物学检验 菌落总数测定》。

1.3.2 电子鼻对醋液的特征响应

PEN3电子鼻能够通过传感器对简单或复杂的有机蒸汽混合物产生不同的响应。PEN3电子鼻10个传感器对应挥发性风味物质见表1[7,8]。

1.3.2.1 样品预处理

取各组样品1 mL于顶空瓶内，用蒸馏水稀释一定倍数后密封，在40 ℃恒温水浴锅中富集30 min，用于电子鼻检测。

1.3.2.2 检测条件

样品测定间隔1 s，清洗时间100 s，自动调零时间10 s，样品准备时间5 s，样品测定时间150 s，内部空气流量400 mL/min，进样流量400 mL/min。

1.3.2.3 数据处理

电子鼻测定结果利用WinMuster软件进行分析，包括主成分分析(PCA)等[9]。传感器性能描述见表1。

表1 传感器性能描述Table 1 The description of sensor performance

1.3.3 GC-MS测定样品风味

1.3.3.1 样品预处理

采用顶空采样进行样品处理[10]。取各组样品10 mL于40 mL顶空瓶中，加入40 μL提前配制好的内标(2-辛醇)和氯化钠。顶空瓶中放入转子后盖上盖子，固定在40 ℃恒温磁力搅拌水浴锅中，插入萃取头于顶空瓶内。样品预平衡20 min后，将纤维头推下后继续萃取20 min，然后收起纤维头，将SPME萃取头插入GC 进样口，于250 ℃解吸4 min。

1.3.3.2 检测条件

a.色谱条件[11,12]

色谱柱：DB-WAX毛细管色谱柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)；以氦气为载气(流速为0.9 mL/min)；进样口温度设定为250 ℃，不分流。升温程序：起始温度40 ℃，3 min，阶段一：以5 ℃/min升温至120 ℃，阶段二：以10 ℃/min升温至200 ℃，保持5 min，阶段三：以30 ℃/min升温至260 ℃，保持6 min。

b.质谱条件

电子离子(EI)；离子源温度230 ℃；四极杆温度150 ℃；接口温度280 ℃；电子能量70 eV，质量扫描范围33～450 amu。

1.3.3.3 定性和定量方法

将得到的每个样品的质谱数据与NIST Library对照相匹配，结合保留指数、质谱图谱、保留指数等对其挥发性成分定性，利用内标物2-辛醇进行定量分析，求得各样品中挥发性风味物质的相对含量。

2 结果与分析

2.1 菌落总数的测定

图1 高能电子束辐照醋的菌落总数测定Fig.1 Determination of the total number of colonies of vinegar irradiated by high-energy electron beam

由图1可知，原醋通过高能电子束辐照1 kGy，其菌落总数对比原醋下降了1/3，而辐照剂量达到3 kGy和6 kGy时，原醋中无菌落生长，说明高能电子束辐照对原醋具有灭菌作用，同时最佳辐照剂量为3 kGy。

2.2 电子鼻检测

2.2.1 不同传感器响应值分析

通过取第130 s时电子鼻不同感应器对每组样品风味物质中的特征响应值，可以得到变化趋势，见图2。

图2 电子鼻传感器对高能电子束辐照的醋中挥发性物质的响应值Fig.2 Response values of electronic nose sensor to volatile components in vinegar irradiated by high-energy electron beam

图2中原醋为实验的对照组，由图2可知，S1、S3、S4、S5、S10这5个传感器的响应值变化不显著，而S2、S6、S7、S8、S9这5个传感器的响应值较高，并且这5个传感器的实验组和对照组差异明显，说明在后期分析风味上，其参考性较大。

2.2.2 载荷传感器贡献率分析

图3 高能电子束辐照醋的载荷传感器贡献率分析Fig.3 Analysis of load sensor contribution rate of vinegar irradiated by high-energy electron beam

由图3可知，每个点代表一个传感器，第一主成分的方差贡献率为76.76%，第二主成分的方差贡献率为17.69%，其和为94.45%(>85%)，说明该方法有效[13]。在PC1贡献率上，S9(有机硫化物)贡献最高，而在PC2贡献率方面，S6(甲基类)贡献最高，同时S8(醇类、醛酮类)也有贡献，而其他传感器在载荷贡献率中出现多个重叠现象，且接近于0，表示其贡献率较小，实际应用时应予以舍弃。通过对传感器进行响应值和载荷传感器贡献率分析可知，每个传感器对样品的响应值不同，同时各传感器在贡献率分析上有明显差异，为了使实验结果更加精确，选择S6、S8、S9传感器对辐照处理后的醋中挥发性物质进行PCA分析。

2.2.3 PCA分析

图4 高能电子束辐照的醋中挥发性物质的主成分分析Fig.4 Principal component analysis of volatile components in vinegar irradiated by high-energy electron beam

由图4可知，第一主成分的方差贡献率为76.76%，第二主成分的方差贡献率为17.69%，其和为94.45%(>85%)，说明此方法有效。在相同的实验条件下，原醋利用不同剂量的高能电子束辐照后，可以得出，辐照剂量为1 kGy和3 kGy时，与原醋发生重叠，说明三者差异较小，而随着辐照剂量提高至6 kGy时，对比原醋会存在一定的差异性。说明原醋在低剂量的辐照下可以保持原有的香气成分。综上所述，电子鼻可以有效地分析每组样品之间的差异，但是并不能检测出每组样品中具体有哪些风味物质存在差异，因此还需要借助GC-MS进一步分析。

2.3 GC-MS测定

本实验对对照组原醋和高能电子束辐照1，3，6 kGy时挥发性香气成分进行GC-MS分析，结果见表2。

表2 高能电子束辐照的醋中挥发性香气成分气相色谱-质谱分析结果Table 2 Results of gas chromatography-mass spectrometry analysis of volatile aroma components in vinegarirradiated by high-energy electron beam

注：“*”为乳酸异戊酯、甲酸苯乙酯、甲氧基乙酸乙酯、大马士酮、1,2,3,4-四氢-1,1,6-三甲基萘、1-(1-甲基乙烯基)-2,3,4,5-四甲基苯6种成分无参考的保留指数，仅参考NIST 数据库鉴定。

由表2可知，实验组和对照组共检测出挥发性香气成分19种，即酸类2种、醇类2种、酯类9种、醛类1种、酮类1种、酚类2种、萘类1种、其他物质1种。其中原醋样品检测出17种香气成分，辐照(1 kGy)样品检测出12种，辐照(3 kGy)样品检测出12种，辐照(6 kGy)样品检测出11种。与对照组(原醋)相比，经过高能电子束辐照后，酸类、醇类无明显变化，酯类物质的种类有变化，而醛类、酮类、酚类、萘类未检测出，说明高能电子束辐照对原醋挥发性香气成分存在影响。同时为了确定香气成分的准确性，计算了每种成分的保留指数，由于乳酸异戊酯、大马士酮、1,2,3,4-四氢-1,1,6-三甲基萘、1-(1-甲基乙烯基)-2,3,4,5-四甲基苯4种成分无参考的保留指数，因此对以上4种物质采用CAS号进行查询。

原醋中所占比例较大的风味物质是乙酸、2,3-丁二醇、苯乙醇、乙酸异戊酯、丁二酸二乙酯、乙酸苯乙酯，其中酯类物质很丰富，尤其是乙酸异戊酯、乙酸苯乙酯，其质量浓度分别达到101.0，43.8 μg/L，这与Guerrero E D等[14]的结果相似。并且还存在少量的醛类、酮类、酚类及萘类物质，共同促进食醋独特的风味[15]。经过不同剂量(1，3，6 kGy)的高能电子束辐照后，原醋的香气成分含量变化不规律，其中乙酸异戊酯、乳酸异戊酯、苯乙酸乙酯、乙酸苯乙酯随着辐照剂量的增加，其含量呈下降的趋势，并且原醋中的醛类、酚类及萘类等物质的香气成分有所损失，但却检测出其他酯类物质，比如甲酸苯乙酯和甲氧基乙酸乙酯，说明在辐照的过程中，损失的香气成分可能转换为其他的酯类或者酸类物质，导致乙酸、己酸、丁二酸二乙酯等含量的上升。当辐照的剂量达到6 kGy时，在样品中未检测到苯甲酸乙酯，表明高剂量的高能电子束辐照对原醋的香气成分会造成一定的影响。

3 结论

本实验经过高能电子束辐照原醋后，通过电子鼻和GC-MS的检测，观察其香气成分的变化，并评价不同剂量(1，3，6 kGy)高能电子束照射对食醋风味的影响。

原醋经过高能电子束辐照后，通过菌落总数的测定发现辐照剂量>3 kGy时，灭菌效果较好。通过电子鼻检测得出：S2、S6、S7、S8、S9这5个传感器的响应值较高，当辐照剂量为1 kGy和3 kGy时，与原醋的风味差异较小。并且结合GC-MS的测定，发现辐照后的原醋香气成分的含量变化不规律，同时检测出新的酯类物质，比如甲酸苯乙酯和甲氧基乙酸乙酯，但醛类、酚类、萘类成分有所损失，而辐照剂量为3 kGy时，虽然改变了挥发性风味物质的种类与含量，但通过电子鼻分析，此变化未明显改变传感器响应值，表明选用辐照剂量为3 kGy的高能电子束辐照可用于原醋的杀菌处理。