电子鼻和气相离子迁移谱技术比较瓮臭味及正常红酸汤的风味差异

,*

(1.贵州省农科院现代农业发展研究所,贵州贵阳 550006;2.麻江明洋食品有限公司,贵州凯里557603;3.贵州金农辐照科技有限公司,贵州贵阳 550006)

红酸汤由鲜红辣椒、西红柿等原料经破碎加盐发酵而得,是贵州少数民族地区一种介于发酵调味料和发酵蔬菜之间的传统食品。经多年发展,已被中国食品协会认定为贵州特色,成为与“麻辣”和“清汤”齐名的三大火锅底料之一[1]。作为调味品,风味特征是与营养价值和感官质地一样重要的质量评价指标[2]。

然而,与风味特征重要性不相对称的是红酸汤研究多集中于微生物区系及特征性成分分析,风味研究极少见诸报道[3-7]。目前,仅徐莉等[8]分析了不同乳酸菌对酸汤挥发性物质的影响,得出酸味是酸汤产品主体风味的结论。除了主体风味,不良风味对红酸汤品质也具有重要影响。“瓮臭味”则是红酸汤中广泛存在的一种不良风味。然而,由于企业人、财、物、技等条件限制以及国内外其他科研机构对其关注度较低,红酸汤“瓮臭味”更多低停留于民间说辞,其气味成分组成与正常酸汤样品的差异尚无相关研究。

食品风味组分分析包括提取和分析两个步骤。风味组分的提取主要有水蒸气蒸馏、固相微萃取等方法;风味组分检测则包括电子鼻、气相色谱联用质谱(Gas Chromatography-Mass Spectrometry,GC/MS)、气相色谱吸闻(Gas Chromatography-Olfactometry,GC-O)等技术[9]。红酸汤作为发酵食品家族的一员,发酵茶[10]、发酵鱿鱼[11]、酸菜[12]、腐乳[13]等发酵食品的研究方法也可借鉴使用。不过,上述检测方法均需对样品进行较长时间前处理,特征性风味组分丢失风险较高。因此,前处理简单、灵敏度高、检测速度快则成为红酸汤“瓮臭味”组分分析的关键所在。目前,离子迁移谱作为一种气相分离技术正受到越来越多关注,其通过气相离子迁移率来表征各种不同的化学物质,具有高灵敏度、快速响应、二维分离和痕量分析等检测特点也符合红酸汤样品风味组分比较研究的技术需求[14-18]。

本研究以贵州红酸汤为研究对象,采用电子鼻和气相离子迁移谱技术,对瓮臭味和正常红酸汤样品的风味组分进行定性和相对定量分析,以期对红酸汤瓮臭味的风味组成进行初步探究,为优化贵州红酸汤的风味奠定理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

红酸汤样品 由麻江明洋食品有限公司提供,发酵期为3～4个月,包括严重瓮臭味红酸汤(Y1)、轻微瓮臭味红酸汤(Y2)、普通红酸汤(Y3)。

电子鼻系统 德国AIRSENSE公司;FlavourSpec®气相离子迁移谱(GC-IMS)联用仪 德国G.A.S公司。

1.2 实验方法

1.2.1 感官评价 感官评价参考秦蓝等[19]研究并调整:准确称取10 g三种红酸汤样品于具塞顶空瓶中,60 ℃水浴20 min后备用。感官评价邀请10名实验人员参加,所有参与人员均按照国标GB/T 16291.1-2012中相关规定进行培训[19]。感官评价方法采用定量描述评价,对所有红酸汤样品的酸味、辣味、咸味、瓮臭味(异味)进行评分;整体风味采用评分采用10点制,0～2表示相应风味可有可无;2～4表示相应风味较弱;4～6分表示风味强度中等;6～8分表示相关风味较强;8～10则表明相关风味特别强烈。

1.2.2 电子鼻分析 分别准确称取1.0 g红酸汤样品于顶空瓶中,60 ℃水浴20 min后备用。气味指纹分析条件:采样时间间隔为1 s,传感器自清洗时间为40 s,传感器归零时间为10 s,样品准备时间为5 s,分析采样时间为120 s,进样流量为400 mL/min。电子鼻系统的传感器类型及性能描述情况详见表1。

表1 电子鼻系统传感器类型及性能描述Table 1 Sensor type and performance description of electronic nose system

1.2.3 气相离子迁移色谱仪分析 分别取1.0 g红酸汤置于20 mL顶空进样瓶。自动顶空进样单元:进样体积：200 μL;孵化时间：20 min;孵化温度:60 ℃。FlavourSpec®条件:色谱柱:石英毛细柱(Rtx-Wax 30 m×0.53 mm×1.00 μm);分析时间：60 min;柱温:60 ℃;载气流量:0～2 min,2 mL/min;2～20 min,2～50 mL/min;20～50 min,50 mL/min;漂移气流量:150 mL/min;IMS温度45 ℃;进样针温度65 ℃。

1.3 数据处理

采用设备配置的Laboratory Analytical Viewer分析软件及GC×IMS Library Search Software软件对红酸汤中的风味组分进行数据采集及定性分析;Gallery Plot插件则被用于样品指纹图谱比对。文章中数据之间的差异显著性采用方差分析中的单因素方差分析,在95%的置信度下检验测定结果间的差异性。

2 结果与分析

2.1 红酸汤样品感官评价

经过培训的感官评价人员对不同红酸汤样品的酸味、辣味、咸味、瓮臭味(不良风味)及代表产品综合嗅闻体验的整体风味进行评品,具体结果见表2。

表2 不同红酸汤感官评定结果Table 2 Sensory evaluation results of different red sour soup

结果显示,红酸汤样品Y1、Y2和Y3在酸味、咸味方面的感官评分差异较小,辣味、瓮臭味(不良风味)差异较大。其中,Y1样品的酸味、辣味、咸味在3种样品中感官评价得分最低,表现为中等偏弱,瓮臭味(不良风味)感官体验明显,达到了感官评分体系中的较强水平。Y2和Y3样品中的瓮臭味则较弱,尤其是普通红酸汤样品(Y3),瓮臭味体验处于可有可无状态。由此表明,对3种红酸汤样品而言,瓮臭味是导致样品间风味差异的主要原因。

2.2 红酸汤样品电子鼻分析

为进一步阐述红酸汤Y1、Y2和Y3之间的区别,本研究引入了电子鼻系统对其加以分析。图1～图3分别表示了电子鼻系统对3种样品的主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)、线性判别分析(Linear Discriminant Analysis,LDA)和载荷分析(Loading Analysis,LOA)。

图1 电子鼻对3种红酸汤样品的PCA分析图Fig.1 PCA analysis of three red acid soup samples by electronic nose

图2 电子鼻对红酸汤样品的LDA分析图Fig.2 LDA analysis of red acid soup samples by electronic nose

图3 电子鼻对红酸汤样品的LOA分析图Fig.3 LOA analysis of red acid soup samples by electronic nose

在PCA分析图中,第一、二主成分的贡献率分别为98.56%和1.40%,两个主成分的区分贡献率和为99.96%,基本代表了3种红酸汤样品的主要信息特征。图1中,3种样品在第一和第二主成分上均完全分开。另外,将电子鼻系统采集到的数据进行LDA分析发现,在第一、二主成分分别为94.36%和5.59%,总区分度贡献率为99.95%的结果中,红酸汤样品Y3与Y1和Y2在第一主成分上完全分开,但Y1与Y2高度重合,表明Y2样品中可能有部分瓮臭味(不良风味)组分存在。如图3,传感器W5S探测到的氮氧化合物类在第一主成分贡献最大,传感器W1S和W2S对第二主成分的贡献最突出。

2.3 不同风味红酸汤样品的气相离子迁移谱分析

红酸汤中含有的风味组分经气相色谱分离后,以气态分子形式被离子源软电离后进入线性漂移电场并进行二次分离,不同离子到达检测电极的先后顺序存在差异,可通过峰高、峰面积和相对迁移时间来实现样品中风味组分的分析。如图4所示,左侧红色竖线为反应离子峰(RIP),RIP两侧的每一个点代表一种挥发性有机物,白色表示浓度较少,红色表示浓度较大,颜色越深表示浓度越大。结果表明,3种红酸汤样品的顶空成分在预设实验条件下得到了有效分离,所有样品的风味组分在2500 s内完成了气相分离,离子迁移时间约为7.81 ms。在离子迁移谱图上选取信号峰并将其标记,通过气相离子迁移谱自带的Library Search软件进行组分分析,最终从3种红酸汤样品中明确鉴定到风味组分64种。其中,酸类物质6种,醇类14种,醛类8种,酯类19种,酮类8种,吡嗪类3种,烯类2种,醚类2种,硫化物类2种,具体结果详见表3。

图4 不同红酸汤样品气相离子迁移谱图Fig.4 Gas-phase ion migration spectra of different red soup samples

表3 不同红酸汤样品中风味组分信息表Table 3 Information table of flavor components in different red acid soup samples

续表

2.4 不同红酸汤风味组分差异分析

不同酸汤样品之间的差异分析通过GC-IMS内置的PCA及Gallery Plot插件完成。同时,为了对指纹图谱进行量化描述,论文中还引入了GC-IMS检测到的红酸汤风味组分的离子峰体积。PCA分析结果显示,主成分1和主成分2的贡献率之和为97.00%,样品风味组分的所有数据降维之后所得的综合变量可在二位空间表达原有变量的绝大部分信息。组内实验结果分布集中,说明同种样品的分析具有良好的重现性;组间实验结果差异明显,表明3种酸汤风味组成差异显著,详见图5。通过对指纹图谱及检测到的各组分的离子峰体积分析可知:在瓮臭味样品中,酸类物质中的戊酸(1860.73)、丁酸(20515.80)、2-甲基丙酸(2413.18),醛类物质中的苯甲醛(6274.68)、己醛(668.61),吡嗪类物质中的3-乙基-2,5-二甲基吡嗪(4552.49)、2-乙基-6-甲基吡嗪(3012.85)、2,5-二甲基吡嗪(224.60)等物质的离子峰体积均大于轻微瓮臭味及正常红酸汤样品,而大多数的酯类、醇类物质的离子峰体积则在普通红酸汤中。具体结果详见表3及图6。

图5 GC-IMS对3种酸汤样品的PAC分析Fig.5 PCA analysis of three red acid soup samples by GC-IMS

图6 不同红酸汤样品总体气相离子迁移谱指纹图谱Fig.6 Fingerprint of gas-phase ion mobility spectrum in different red acid soup samples注:图中每一行为一个样品,由其所含全部挥发性有机物信号峰组成;每一列为同一保留时间及漂移时间下的有机物(不同样品中相同的物质)的信号峰。红色区域为酸类物质;绿色区域为醛类物质;黑色区域为吡嗪类物质;橙色区域为醇类物质;紫色区域为酯类物质;蓝色区域为酮类物质;红棕色区域为醚类和单萜类物质。各组分对应位置的颜色深浅代表相应组分的含量高低。

3 讨论与结论

贵州红酸汤作为一种区域性的特色调味品,风味是其重要质量指标。为了全面地分析瓮臭味红酸汤和普通红酸汤的风味差异,本研究采用感官评价、电子鼻系统及具有前处理简单、分离能力强、灵敏度高等[20]特点的顶空气相离子迁移谱技术对不同红酸汤样品进行了分析。结果表明,严重瓮臭味样品、轻微瓮臭味样品和普通样品风味差异显著。通过顶空气相离子迁移谱技术,3种酸汤中共检测到明确的风味组分64种,包括酸(6种)、醇(14种)、醛(8种)、酯(19种)、酮(8种)、吡嗪(3种)、单萜(2种)、醚(2种)、硫化物(2种)等9类化合物,与徐莉等通过气相质谱技术(GC-MS)从自然发酵红酸汤中检测到的风味组分数量(55种)相接近[8]。酸、醇、醛、酯、酮作为红酸汤中种类最多的5种化合物,醇类和酯类在瓮臭味酸汤中浓度均低于普通样品,酸类物质中的丁酸在严重瓮臭味(Y1)和轻度瓮臭味(Y2)样品中表现出较高浓度,其离子峰体积达到了20515.80和18162.21,远高于普通样品(Y3)中的13011.09。资料显示,丁酸是一种具有酸臭味的化学组分,在奶酪等发酵乳制品中较为常见[21]。因而,红酸汤中丁酸浓度异常可能是导致瓮臭味发生的原因之一。另外,本研究中检测到的酮类物质和含硫化合物多为芳香性风味,吡嗪类主要产生坚果类香气。单萜类化合物离子峰体积较小,表明其含量较低,可能由西红柿中的组分经微生物次级代谢合成[18-19]。通过对指纹图谱和离子峰体积进行比较,醛类物质中的苯甲醛和己醛在瓮臭味酸汤中的浓度远高于轻微翁臭味及正常酸汤样品。相关研究表明:食品中醛类物质含量过高会导致不良风味的产生[22-25]。由此推测醛类物质的浓度变化也可能是红酸汤瓮臭味产生的重要原因。另外,气相离子迁移谱法对红酸汤风味组分的研究仍有较多局限,需要在未来的工作中通过气相嗅闻色谱和质谱等技术对其继续探索[26]。