基于GC-IMS 技术分析不同香辛料水煮液的风味物质组成差异

尹含靓，肖 何，邓高文，刘 洋,2，蒋立文,2,*，李 跑,2，王建辉

（1.湖南农业大学食品科学技术学院，湖南长沙 410128；2.食品科学与生物技术湖南省重点实验室，湖南长沙 410128；3.长沙理工大学，湖南省水生资源食品加工工程技术研究中心，湖南长沙 410114）

香辛料主要是指一类可以呈现出香、麻、甜、辣、辛、苦等多种特征风味的天然植物原料，一般来源于植物的果实、根、茎、叶、种子，例如八角、香菜籽、丁香、生姜、胡椒、月桂、桂皮等[1−2]。我国香辛料资源丰富，国家标准GB/T 21725-2017[3]认定的香辛料有67 种，并根据呈味特征将其分为浓香型、辛辣型、淡香型三类。香辛料属于天然食品添加剂，无规定使用量。将香辛料添加于食品中，其中含有的挥发性物质会赋予食品特殊的风味[4−5]，还可以掩盖食物中的不良风味，如肉制品中的血腥味[6]。香辛料中含有大量酚类化合物和黄酮类物质，具有强抗氧化作用[7−8]。香辛料还有抑菌、抗炎、抗癌等多种作用[9−12]，有抑菌作用的香辛料可以作为防腐剂延长食品保质期，而有抗癌、抗炎等作用的香辛料则对人体健康有一定的益处。

香辛料在日常生活中主要作为食品调味料使用，例如熬制火锅底料、炖汤、卤肉制品等，其风味对食品的感官品质发挥着重要的作用，目前卤料在卤肉制品中作用极为重要，因此研究香辛料水煮液中的挥发性风味物质对推动香辛料的利用和发展具有重要的意义。目前对香辛料中挥发性物质的研究主要是通过气相色谱-质谱（gas chromatography-mass spectrometry,GC-MS）联用技术，例如袁华伟等[13]利用GCMS 对6 种香辛料的挥发性成分进行了分析，得到八角、大蒜、桂皮、花椒、生姜、山奈中分别含有54、24、33、58、73、63 种挥发性物质，不同香辛料中挥发性成分的种类和数量差异较大。刘素梅等[14]利用GC-MS 在香辛料调味品中鉴定出了48 种香气成分，含量最多的化合物是烯类。

气相色谱-离子迁移谱（gas chromatography-ion mobility spectroscopy, GC-IMS）联用技术是近年来新兴的挥发性物质分析方法，与GC-MS 技术相比，GC-IMS 技术具有高灵敏、无损、检测效率高、操作简单等优点[15−16]。GC-IMS 已经被广泛应用于各类食品中风味物质研究、品质检测分析等[17−21]，但是将该技术应用于香辛料水煮液中风味物质的研究还很少。香菜籽、陈皮、印度辣椒、八角、香茅草、花椒、良姜、草果、公丁、香叶、白扣、孜然、小茴、桂皮、白芷水煮液等为日常酱卤制品中常用的卤料[22−23]，因此本研究基于GC-IMS 技术对这15 种香辛料水煮液中的挥发性成分进行了分析比较，旨在为香辛料水煮液的快速判别和香气研究提供参考，

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

实验用的香辛料 采购于湖南长沙。

FlavourSpec®气相-离子迁移谱仪 德国G.A.S 公司。

1.2 实验方法

1.2.1 香辛料水煮液的制备 15 种香辛料按1：50 的质量比例分别加水煮制，煮沸后维持30 min，冷却后，于4 ℃冰箱中冷藏密封保存。香辛料编号信息如下：香菜籽（XCZ）、陈皮（CP）、印度辣椒（YDLJ）、八角（BJ）、香茅草（XMC）、花椒（HJ）、良姜（LJ）、草果（CG）、公丁（GD）、香叶（XY）、白扣（BK）、孜然（ZR）、小茴（XH）、桂皮（GP）、白芷（BZ）。

1.2.2 进样条件 分别取待测样品各1 mL 于20 mL顶空瓶中，封口。40 ℃孵化15 min 后进样，进样针温度为85 ℃，进样体积200 μL。

1.2.3 GC-IMS 条件 色谱柱为FS-SE-54-CB-0.5（15 m，ID:0.53 mm）；柱温60 ℃；分析时间45 min；载气/漂移气N2；载气流量：初始流速2 mL/min，保持2 min；8 min 内线性升至10 mL/min；10 min 内线性升至100 mL/min；25 min 内线性升至150 mL/min；漂移气流量150 mL/min；IMS 温度45 ℃。

1.3 数据分析

采用仪器配套软件 Laboratory Analytical Viewer（LAV）查看分析图谱，对其建立标准曲线后可进行定量分析。GC×IMS Library Search 软件内置的NIST 数据库和IMS 数据库可对挥发性物质进行定性分析，通过与数据库匹配可确定单体、二聚体和三聚体。用Gallery Plot 插件进行指纹图谱对比，直接定量比较不同样品间挥发性有机物差异。Dynamic PCA 插件可进行动态主成分分析。

2 结果与分析

2.1 香辛料水煮液的离子迁移图谱

图1 为香辛料煮液样品（以花椒水煮液为例）的离子迁移谱图，RIP 峰两侧的每个点都代表一种挥发性物质，红色越深表示物质的浓度越高。从图1 可以看出，样品中的挥发性物质能通过GC-IMS 很好地分离，并且根据保留时间和离子迁移时间，对比软件内置的NIST 数据库和IMS 数据库可对挥发性物质进行定性。

图1 花椒水煮液气相离子迁移谱Fig.1 GC-IMS of HJ boiling liquid

2.2 香辛料水煮液的挥发性物质定性及组分统计

从15 种香辛料水煮液中检测出挥发性物质共计134 种，其中通过GC-IMS 数据库已定性88 种物质（表1），未定性的46 种物质还有待进一步研究。表1 中列出了已定性挥发物质的名称、CAS 号、分子式、保留指数、保留时间和迁移时间，有部分化合物产生了单体和二聚体甚至三聚体的信号，可能是通过漂移区时被分析的离子和中性分子之间形成了加合物[24−25]。88 种已定性物质中包含26 种醛类、14 种醇类、12 种酮类、21 种酯类、11 种烯类及4 种其它类。

表1 香辛料水煮液挥发性物质鉴定结果Table 1 Identification results of volatile substances in spice boiling liquid

续表 1

续表 1

在孜然、印度辣椒、香叶、香茅草、小茴、香菜籽、良姜、花椒、桂皮、公丁、陈皮、草果、白芷、白扣、八角水煮液样品中分别鉴定出了31、16、29、29、23、16、24、49、18、26、18、35、24、24、25 种挥发性物质，花椒水煮液中所含挥发性物质种类最多。由图2 可知，不同香辛料水煮液中含挥发性物质的种类基本上以醛类居多，醇类、醛类、酮类、酯类挥发性物质在所有香辛料水煮液样品中都有，印度辣椒、香菜籽、桂皮和公丁水煮液中不含烯类挥发物质，含醛类挥发物种类最多的是草果水煮液，含醇类、酯类和烯类挥发物种类最多的是花椒水煮液，含酮类挥发物种类最多的是花椒和公丁水煮液。

图2 不同香辛料水煮液样品含挥发性物质的种类数Fig.2 The number of volatile substances in the sample of boiling water of different spices

2.3 不同香辛料水煮液的指纹图谱分析

图3 为香辛料水煮液样品的指纹图谱，图中每一行代表一个样品的全部信号峰，每一列代表同一种挥发性物质在不同样品中的信号峰，亮点的颜色越深代表挥发性化合物的含量越高，从图3 中可以看到每种样品完整的挥发性物质组成信息以及不同样品间挥发性物质的组成差异。每个样品做了三个平行，可以从图3 中明显看出样品平行测定结果的重复性较好，仅有含量的区别。

图3 香辛料水煮液样品中挥发性物质的指纹图谱Fig.3 Fingerprint of volatile matter of spices boiled liquid samples

黄色框中的2-甲基丁醛、3-甲基丁醛和正丁醛在白扣和公丁水煮液样品中的含量高于其他样品。棕色框中的α-蒎烯、β-蒎烯、α-水芹烯在花椒、草果、孜然、香叶等水煮液样品中含量较高。红色框中为各香辛料水煮液中的特征挥发性物质，可以看到丁酸（奶酪味、臭味[26]）等为香茅草水煮液中的特征挥发物质；花椒水煮液中的特征挥发物质为苯甲酸甲酯、乙酸丁酯（果香[27]）、丙酸丁酯、乙酸异戊酯（香蕉和梨香[27]）、丙基丁酸、β-月桂烯、苯乙醛、2-环己烯-1-酮等，尤其酯类物质在花椒水煮液中含量很高；异戊酸甲酯等为良姜水煮液中的特征挥发物质；草果水煮液中特征挥发物质为E-2-辛烯醛、辛醛（花果香[28]）、庚醛（坚果香[28]）、3-仲丁基-2-甲氧基吡嗪，草果水煮液中醛类物质很多，壬醛（油脂香[29]）、己醛（青草香[30]）、戊醛（果香和面包香[29]）等醛类物质（绿框中物质）虽然不是草果水煮液中的特征物质，但在草果水煮液中的含量要高于其它样品；庚醛、2-糠醛、苯乙酸乙酯（花果香、蜂蜜香[26]）、2-甲基丁酸乙酯、环己酮、2-庚酮（果香[28]）、呋喃酮等为公丁水煮液中的特征挥发物质；琥珀酸二乙酯（淡葡萄香[31]）、二丙基二硫、E-2-壬烯醛等为孜然水煮液中的特征挥发物质；小茴水煮液中的特征物质为2-戊酮、3-甲基丁醇（果香、酒香[26]）、丁酸甲酯等；桂皮水煮液中特征挥发物质为苯甲醛（苦杏仁香[29]）、苯甲酸乙酯、1-薄荷醇；1，3-己二烯、E-2-戊烯醛等为白芷水煮液中的特征风味物质。

香菜籽、陈皮和印度辣椒水煮液样品中挥发性物质的种类和含量均明显低于其他样品，而且没有主要的挥发性物质。在不同香辛料水煮液样品已定性的特征挥发物质中，醛类和酯类物质较多。酯类物质一般来源于羧酸和醇的酯化作用[32]，通常具有花果香。醛类物质阈值较低，香气较为浓烈，可以赋予香辛料水煮液独特风味，所以香辛料水煮液在卤制肉类、豆腐干等原料中可提供产品特殊的香气和滋味，也可以为具有特殊味道的原料如牛肉、羊肉等掩盖不良气味，给人愉悦的香气和滋味。

2.4 主成分聚类分析

为了更直观地区分不同香辛料水煮液风味物质差异，利用PCA 插件制作了主成分分析图，结果如图4 所示。从图4 中明显看出，花椒水煮液样品与其他样品的距离非常远，说明花椒水煮液整体挥发性物质的组成与其余样品差异很大，小茴和公丁也与其他样品距离较远，而香菜籽、陈皮、桂皮和印度辣椒的距离比较近，说明几者的风味物质比较相似，但仍有一定的差异。

图4 香辛料水煮液样品的PCA 分析图Fig.4 PCA analysis chart of spice boiled liquid sample

3 结论

本研究利用GC-IMS 技术分析了不同香辛料水煮液的挥发性风味物质，共检测到了134 种挥发性物质，定性了88 种挥发性物质，包括醇类、醛类、烯类、酮类、酯类和其它类，不同样品中风味物质的种类基本上以醛类居多。通过构建指纹图谱，更清楚地区分了15 种样品风味物质的差异，确定了不同样品中的特征风味物质。香辛料水煮液样品中的特征性风味物质以醛类和酯类居多。利用主成分分析，直观地看到了不同香辛料水煮液样品风味的差异。研究结果可以为不同香辛料水煮液的判别和加工利用提供一定的依据，由于GC-IMS 软件内置的数据库还不够完善，有部分未定性的特征挥发性化合物有待进一步研究。