基于电子感官技术结合GC-MS分析不同干燥方式下 澳洲坚果风味的差异

任二芳，刘功德，艾静汶，牛德宝，罗朝丹，罗小杰

（1.广西壮族自治区亚热带作物研究所，广西亚热带水果加工工程技术研究中心，广西南宁 530001）

（2.广西大学轻工与食品工程学院，广西南宁 530004）

澳洲坚果营养丰富，香脆可口，其脂肪含量高达80%以上，主要以不饱和脂肪酸为主[1,2]，此外还富含蛋白质、维生素、矿物质等[3,4]，享有“干果皇后”之称。澳洲坚果原产于澳大利亚昆士兰与新南威尔士的亚热带雨林，目前我国广东、广西、云南、福建、四川、重庆及贵州均有种植，其中云南省是我国的主产地区[5]。截至2016年底，我国澳洲坚果种植面积超过3.15×105hm2，位居世界第一。新鲜的澳洲坚果含水量高达约32%[6]，因此，干燥是澳洲坚果产品保存和加工的重要环节，它不仅可以防止果仁氧化变质，还可以提高澳洲坚果的质量，延长储藏期[7]。随着科技的进步，澳洲坚果的干燥方式日趋增多，主要有自然干燥、热风干燥、微波辅助热风干燥、热泵干燥等多种干燥方法，美国学者Cykler[8]提出了采用冷冻热泵干燥系统干燥带壳坚果，果仁含水率从20%～30%降至1.5%仅用6 h，不仅缩短了干燥周期，而且果仁的风味、色泽等指标与常规干燥条件下得到的果仁产品质量并无明显差异；刁卓超等[9]研究了热风干燥过程中澳洲坚果的干燥特性，结果发现温度对澳洲坚果干燥特性的影响非常显著，温度越高，干燥周期越短；F.A.Silva等[10]采用热风与微波相结合的方法干燥澳洲坚果，结果表明：微波辅以热风干燥能有效减少干燥时间，并且果仁的过氧化值和不饱和脂肪酸含量与经过传统工艺干燥的产品并无明显差别。国内对澳洲坚果的研究始于自20世纪70年代，由于各种原因，澳洲坚果的加工工艺、干燥技术等方面突破较少，亟需大批科研人员对坚果的干燥进行深入研究，然而，目前通过对比不同干燥方式下澳洲坚果风味差异还鲜有报道。

电子舌模拟人体味觉系统对食品进行评价，是近年来用于分析滋味的新型检测手段[11-13]。电子鼻具有模仿人体嗅觉系统的功能，可对复杂气味进行识别[14]。气相色谱-质谱联用技术（GC-MS）因其灵敏度高、选择性好等优点被广泛应用于挥发性和半挥发性成分的定性定量分析[15]，例如用于研究烘烤咖啡豆[16]、苹果醋[17]、鲢鱼糜[18]等的挥发性化合物。但GC-MS与电子鼻相反，只可以检测单一物质挥发性组分，具有一定的局限性[19]，然而电子鼻结合气相色谱-质谱联用技术可以从宏观和微观上全面研究食品挥发性风味物质，是检测食品风味物质的主要检测手段[20]。近年来，HS-SPME-GC-MS、电子鼻和电子舌技术常用来分析食品基质化合物的挥发物和滋味，例如用于质量控制、新鲜分级、存储条件和认证，还有食物的鉴别，例如蔬菜、水果、茶和咖啡、牛奶、葡萄酒、鱼和肉[21]。Dong等[16]采用电子鼻、电子舌及HS-SPME-GC-MS比较评价常温干燥、太阳能干燥、热泵干燥、热风干燥及冷冻干燥方法对烤制咖啡豆的挥发组分和滋味特性的影响，实验发现热泵干燥在保存酮，酚和酯方面表现优异。PCA与电子鼻、电子舌以及HS-SPME-GC- MS可有效地区分不同干燥后的烘焙咖啡样品。Zhang等[22]利用电子鼻、电子舌及SDE-GC-MS对比研究真空冷冻干燥、热风干燥、微波干燥、真空微波干燥方法下金鲳鱼片的挥发性风味成分及潜在机理，研究表明电子鼻和电子舌能有效鉴别4种样品。SDE-GC-MS鉴定出包括碳氢化合物(39)、醛(15)、酯(10)和醇(9)等86种挥发性风味成分。李婷等[23]采用SPME-GC-MS与电子鼻技术分析发酵乳中的挥发性风味物质，结果表明复配发酵乳均以酸类、醛类、酮类、醇类、酯类、烷烃类及氮类等化合物组成。鲍伟等[24]基于电子鼻、电子舌和GC-MS分析饲料中添加金枪鱼蒸煮液对巴马香猪猪肉气味和滋味的影响，研究发现喂食金枪鱼蒸煮液可以有效提高巴马香猪猪肉的气味和滋味。

鉴于此，为更好地了解不同干燥方式下澳洲坚果风味物质的差异，本研究以四种干燥方式下（自然晾晒、热泵干燥、热风干燥、超声协同热风干燥）的澳洲坚果为研究对象，采用电子舌、电子鼻电子感官技术结合GC-MS对其滋味和挥发性组分进行系统比较，分析不同干燥方式下澳洲坚果风味物质的差异，从而为澳洲坚果的采后产地初加工提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

澳洲坚果青皮果，品种为桂热5号，于2019年10月采于广西扶绥夏果种植有限责任公司；氯化银、氯化钾、L(+)-酒石酸等，均为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

L550台式低速大容量离心机，湘仪离心机仪器有限公司；电子舌（SA-402B味觉分析系统），日本INSENT公司；PEN3型电子鼻，德国AIRSENSE公司；Pegasus BT气相色谱高通量飞行时间质谱联用仪，美国LECO公司；电子鼻各个传感器的名称及性能描述见表1。

表1 电子鼻传感器性能描述Table 1 Performance description of electronic nose sensors

1.3 实验方法

1.3.1 样品制备

参照广西扶绥夏果种植有限责任公司的澳洲坚果干燥方式，首先选择无病虫害的澳洲坚果脱青皮，脱青皮后的澳洲坚果进行自然风吹24.00 h，然后采用表2不同方式对澳洲坚果进行干燥，干燥结束澳洲坚果水分含量均降至3.00%以下。

表2 澳洲坚果的不同干燥方式Table 2 Different drying methods for Macadamia nuts

1.3.2 澳洲坚果滋味的检测

1.3.2.1 样品前处理

首先将不同方式干燥完成的澳洲坚果去壳，得到的澳洲坚果果仁进行切碎处理，切碎的果仁与40.00 ℃蒸馏水以1:5的比例混合，之后在4000 r/min转速下离心35.00 min，并用200目纱布过滤，过滤液冷却后取水相，待检测。

1.3.2.2 电子舌检测条件

实验前，传感器与参比电极需活化至少24.00 h，鲜味、咸味、酸味、苦味及涩味检测采用两步清洗法，样品测试时间为30.00 s；甜味检测采用甜味测试法，样品测试时间为30.00 s，每个样品重复测定5次，保留后3次的监测数据进行分析。

1.3.3 澳洲坚果气味的检测

1.3.3.1 样品前处理

电子鼻检测前样品处理参照姜水[25]方法：将每种方式干燥的澳洲坚果去壳，均选用大小基本一致的澳洲坚果果仁20颗放入500.00 mL烧杯中，密封置于室温环境，顶空时间为2.50 h。每个样品的密封时间间隔15.00 min，从而确保每个样品的顶空时间一致。

1.3.3.2 电子鼻检测条件

电子鼻联用吸附热解析装置（EDU）检测，设备设置：进样间隔时间1 s，清洗时间200 s，零点配平时间5 s，测试时间100 s；EDU设置：进样时间60 s，后进样时间10 s，解析时间120 s，注射时间100 s，清洗时间120 s，冷却时间360 s，进样流速300.00 mL/min。

1.3.4 澳洲坚果挥发性风味物质的检测

1.3.4.1 顶空固相微萃取

将不同方式干燥的澳洲坚果去壳，分别取5.00 g澳洲坚果果仁置于20 mL顶空瓶中，将老化后的50/30 μm CAR/PDMS/DVB萃取头插入样品瓶顶空部分，于60 ℃吸附30 min，吸附后的萃取头取出后插入气相色谱进样口，于250 ℃解吸3 min，同时启动仪器采集数据。

1.3.4.2 气相色谱高通量飞行时间质谱联用仪检测条件

色谱条件：色谱柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）；升温程序：温度40 ℃保持3 min，以10 deg/min升温至230 ℃，保持5 min；进样口温度为250 ℃；载气：氦气，流速为1.00 mL/min。

质谱条件：电离方式为EI源，发射电流1 mA，电子能量70 eV，界面温度250 ℃，离子源温度200 ℃，探测器电压2000 V。

1.4 数据处理

所有数据均使用Excel 2016和OriginPro 2016处理和绘图，采用SPSS 22.0数据处理软件进行主成分分析（principal component analysis，PCA）和线性判别分析（Linear discriminant analysis，LDA），电子鼻数据分析利用其自带的Winmuster软件进行PCA分析和载荷分析（Loading analysis，LOA）。

2 结果与分析

2.1 基于电子舌技术分析不同干燥方式对澳洲坚果果仁滋味的影响

电子舌通过“味觉信息的转换过程”可将测试样品的电势值转化为味觉值，电子舌对4种处理的澳洲坚果果仁的滋味品质进行分析，结果见表3所示。本实验以干燥前的新鲜澳洲坚果果仁为对照，由表3可见，在鲜味、甜味方面，处理1的澳洲坚果果仁的味觉值最大，分别为-0.66、-2.51，然而其在咸味上味觉值最小为0.23，均与其它三种处理方式的澳洲坚果果仁存在显著差异（p＜0.05），同时四种处理的澳洲坚果果仁在酸味和苦味上均存在显著差异（p＜0.05），但在涩味方面，处理2和处理3的澳洲坚果果仁味觉值较大，分别为0.54、0.52，均显著高于（p＜0.05）处理1和处理4的样品。

主成分分析（principlecomponent analysis，PCA）是非监督类模式识别中的一种重要的分类方法，它是通过数据转换和降维，并对降维后的特征向量进行线性分类，从而最大程度体现不同样品间的差异[26]。判别函数分析（linear discriminant analysis，LDA）是统计学上的一种分析方法，将高维的模式样本投影到最佳鉴别矢量空间，以达到抽取分类信息和降低特征空间维数的效果[27]。图1和图2分别为电子舌检测和区分不同干燥方式下澳洲坚果果仁的PCA和LDA图。在PCA图中第1主成分和第2主成分的贡献率分别达到62.79%和27.10%，前两主成分的累计贡献率为89.89%。在用PCA进行分析时，若两主成分的贡献率小于95.00%，则表示分析中有干扰成分，说明该方法在数据分析中不合适[15]。而在LDA图中第1主成分和第2主成分的贡献率分别达到88.60%和8.00%，前两主成分的累计贡献率为96.60%，高于PCA分析。由图2可以看出，四种干燥方式的澳洲坚果仁均落在互不干扰的区域，区域之间的距离代表了澳洲坚果样品之间的味觉差异，处理2和处理3的澳洲坚果间距较小，处理1与其他三种处理方式的澳洲坚果间距较大，说明热泵干燥和热风干燥的澳洲坚果味觉相似度较高，而自然晾晒与热泵干燥、热风干燥及超声协同热风干燥的澳洲坚果味觉相似度较小。

图1 电子舌的PCA分析Fig.1 PCA analysis of electronic tongue

图2 电子舌的LDA分析Fig.2 LDA analysis of electronic tongue

表3 电子舌对不同处理澳洲坚果果仁的响应分析Table 3 Electronic tongue analysis response for macadamia nut kernels with different treatments

2.2 基于电子鼻技术分析不同干燥方式对澳洲坚果果仁气味的影响

PEN3型电子鼻共有10个金属氧化物传感器，不同性能的传感器对不同浓度气体敏感程度不同，这与气味的属性和含量呈正相关[28,29]。图3为电子鼻传感器对不同方式干燥的澳洲坚果果仁的响应雷达图。由图3可见，10个传感器对不同干燥方式处理的澳洲坚果均有响应且响应强度各不相同，其中传感器W2W（芳香成分，对有机硫化物灵敏）的区分能力最强，其次是W1W（对无机硫化物灵敏）和W1S（对甲基类灵敏），其中处理1和处理4的澳洲坚果果仁响应值均高于处理2和处理3组。可见，不同干燥方式的澳洲坚果中的芳香成分、有机硫化物、无机硫化物及甲基类等挥发性成分含量区别较明显。

图3 电子鼻传感器的响应雷达图Fig.3 Response radar chart of electronic nose sensor

图4 电子鼻的PCA分析Fig.4 PCA analysis of electronic nose

不同方式干燥的澳洲坚果果仁的电子鼻PCA分析图见图4所示。从图4可以看出，第一主成分的贡献率为91.23%，第二主成分的贡献率为7.56%，前两主成分的累计贡献率达到98.79%大于95.00%，可以有效反映原始数据的绝大部分信息。处理3和处理4的样品距离较近，而其分别与处理1、处理2的澳洲坚果果仁距离较远，存在显著性差异，说明干燥改变了样品的挥发性风味物质，导致不同干燥方式的澳洲坚果仁样品之间的风味特征各不相同，但四种不同干燥方式的澳洲坚果果仁均分布在各自独立的区域，说明电子鼻的PCA分析结果可以很好地区分不同干燥处理的澳洲坚果果仁的挥发性风味物质。

Loading分析法与PCA分析法相关度较高[30]，常用来检查PCA空间中传感器对模型数据分布的影响，可以判别传感器响应值在识别模式中的重要性[31]，筛选样品区分过程中起主要区分作用的挥发性风味化合物种类[32]，各传感器离原点越远，其对主成分的贡献越大，反之越小[33]。图5为不同方式干燥的澳洲坚果果仁的电子鼻Loading分析结果图，由图5可知，传感器W1S对第一主成分贡献率最大，其次是传感器W3S，说明第一主成分主要反映的是甲基类。传感器W3C和W3S对第二主成分贡献率较大，说明第二主成分主要反映的是氨类、长链烷烃。由此可见，传感器W1S、W3S和W3C的识别、分析能力较强，在主成分分析时发挥了较大作用，起到了主要区分作用，其余七个传感器的识别、分析能力相对较弱，区分作用不明显。

图5 电子鼻的Loading分析Fig.5 Loading analysis of electronic nose

2.3 基于GC-MS技术分析不同干燥方式对澳洲坚果果仁挥发性风味物质的影响

采用SPME-GC-MS分析不同干燥处理的澳洲坚果果仁的挥发性风味化合物的质谱结果见表4。由表4可知，4种澳洲坚果果仁共鉴定出227种挥发性成分，其中四种不同处理的澳洲坚果仁各占94种、94种、110种、105种，共有挥发性风味物质36种。澳洲坚果仁的挥发性风味化合物主要是由醇类、酯类、酸类、酮类、醛类、烷烃、烯烃、芳香烃、呋喃、醚及其他物质组成。从化合物的种类和相对含量来看，烷烃和醛类是不同干燥处理的澳洲坚果仁的主要挥发性化合物，四种不同处理的澳洲坚果仁的烷烃相对含量分别为26.29%、40.76%、23.64%及39.46%，醛类相对含量分别为29.01%、18.96%、26.03%及23.87%。

表4 不同干燥处理的澳洲坚果果仁的挥发性风味化合物Table 4 Volatile flavor compounds of macadamia nuts with different dry treatments

续表4

续表4

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续表4

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由表4可知，烷烃类化合物共检出88种，在不同处理的澳洲坚果仁的挥发性成分中种类最多，占比38.77%，相对含量也较高。此结果与不同方式干燥的澳洲坚果果仁的电子鼻Loading分析结果图一致，传感器W3S代表的是长链烷烃，其在第一主成分及第二主成分贡献率均较大。

醛类化合物在澳洲坚果仁的主要挥发性化合物中相对含量较高，它们也是澳洲坚果仁的主要香气成分，其中不同处理的澳洲坚果仁的正己醛相对含量均较高，分别为15.56%、7.36%、14.15%及14.79%，其次是庚醛、壬醛，正己醛具有青香、叶香味，庚醛具有青草香，壬醛具有玫瑰花香。静玮等[34]同样研究发现醛类是澳洲坚果重要的焙烤香气成分，其中4种高级脂肪族醛类（C6～C9）在醛类中占23.30%，这些饱和醛在低浓度时具有愉快的芳香气味。

3 结论

3.1 本实验采用电子感官技术结合GC-MS分析不同干燥方式（自然晾晒、热泵干燥、热风干燥、超声协同热风干燥）对澳洲坚果风味物质的影响。电子舌结果显示在鲜味、咸味、酸味、苦味上，不同干燥处理的与新鲜的澳洲坚果仁差异显著，且LDA分析的前两主成分的累计贡献率为96.60%，可以完全区分不同方式干燥的澳洲坚果仁。电子鼻结合PCA及LOA分析结果显示电子鼻对不同处理的澳洲坚果仁有明显响应，PCA分析的前两主成分的累计贡献率达到98.79%，可以很好地区分不同干燥处理的澳洲坚果果仁的挥发性风味物质，传感器W1S、W3S和W3C的识别、分析能力较强，在主成分分析时发挥主要区分作用。此外，GC-MS作为电子鼻的补充，共鉴定出227种挥发性成分，主要由醇类、酯类、酸类、酮类、醛类、烷烃、烯烃、芳香烃、呋喃、醚及其他物质组成，其中，烷烃和醛类在种类与含量上占较大优势，且四种不同处理的澳洲坚果仁的烷烃相对含量分别为26.29%、40.76%、23.64%及39.46%，醛类相对含量分别为29.01%、18.96%、26.03%及23.87%。不同处理的澳洲坚果仁共有的挥发性风味物质有36种，这与电子鼻的PCA及LOA分析结果一致，PCA分析可以较好区分且长链烷烃在第一、二主成分分析上贡献率较大。

3.2 综上所述，电子舌和电子鼻分别分析了不同干燥处理的澳洲坚果仁的滋味和挥发性气味，GC-MS则解释了电子鼻的差异分析，三者互为辅助，可以较好区分不同干燥方法的澳洲坚果，从而为澳洲坚果的产地初加工提供理论依据和技术参考。