HS-SPME-GC-MS法分析3种加工工艺牛蒡茶特征性风味物质

董玉玮，顾鑫玥，庄聪林，朱曹凯，苗敬芝，刘飞

（1.徐州工程学院食品与生物工程学院，江苏 徐州 221018；2.徐州生物工程职业技术学院，江苏 徐州 221006）

牛蒡（Arctium lappa L.）又名鼠黏草、蒡翁菜、东洋参，为菊科两年生草本植物。牛蒡根、茎、叶、果实均可食用。牛蒡主要种植于山东苍山县和江苏省徐州市沛县、丰县[1]。牛蒡根茎含有多糖、挥发油、牛蒡酸、多酚、醛类及黄酮类等成分[2]，富含纤维素[3]和氨基酸[4]，具有防癌抗癌[5]、排除毒素[6]、降低胆固醇[7]和延缓衰老[8]等功效。牛蒡根纤维素含量高，如果采用常规焙烤[9]加工，容易导致产品口感粗糙、苦涩。牛蒡茶是以牛蒡根为原料，经切片、高温烘烤制成的绿色茶品，既很好地保留了牛蒡根的营养保健作用，又极大改善了其口感，携带方便，因此备受消费者欢迎。

牛蒡茶常见的加工工艺有3种。工艺1：传统型，一般采用先晾晒后加热（250℃～300℃）；工艺2：改良型，不再晾晒而直接加热（160℃～200℃）；工艺3：微波真空干燥工艺（前期75℃～85℃，后期65℃～75℃，真空度0.07 MPa～0.08 MPa）。由于加工工艺的不同，醇类、醛类、酯类、萜烯类等风味物质[10]易受到烘烤温度、时间等因素影响，导致其组成和含量发生变化[11]，进而对产品风味产生影响。因此加工工艺是影响牛蒡茶特征性风味物质组成的首要因素。

对风味物质成分的检测首先需要富集和提取茶样中的挥发性物质，再利用气相色谱-质谱联用（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS） 技术进行分析与测定。风味物质提取的方法主要有顶空-固相萃取法 （headspace-solid phase micro extraction，HSSPME）[12]、同步蒸馏-萃取法[13]、水蒸气蒸馏法等[14]。其中顶空-固相萃取法是提取样品挥发性成分的经典方法。其原理是进样针在一定条件、一定温度下对固体进行吸附萃取，然后在气相色谱分析仪上进行脱附注射。与液-液萃取相比，顶空-固相萃取法重复性好、富集倍数大。龚雪等[15]采用GC-MS对黔茶和福鼎大白茶分析发现，（E）-4，8-二甲基-1，3，7-壬三烯、吲哚、己酸叶醇酯等9种物质在黔茶和福鼎大白茶中存在极显著性差异。王秋霜等[16]采用GC-MS检测发现，花蜜香是广东单丛红茶典型的香气特征。屠玥之等[17]利用GS-MS检测发现，工艺条件改良后的发酵牛蒡茶其醛类、醇类、酸类风味物质含量明显增加。目前尚缺少对牛蒡茶特征性风味物质的检测和分析。

江苏徐州丰县、沛县和山东临沂兰陵县是我国牛蒡茶的重要生产基地，本文选择这些地区的牛蒡茶为研究对象，涉及3种常见的加工工艺，采用GC-MS技术和主成分分析（principal component analysis，PCA），确定其特征性风味物质，以期为牛蒡茶的进一步开发与利用提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

牛蒡茶：9份牛蒡茶样品来源于徐州市丰县、沛县，临沂市兰陵县，原料品种均为柳川理想，涉及3种加工工艺。样品信息见表1。

表1 牛蒡茶原料产地及其加工工艺Table 1 Raw material origin and processing technology of burdock tea

C3～C9、C10～C25 正构混标烷烃标准品：美国 Sigma-Aldrich公司；二氯甲烷、氯化钠（均为分析纯）：南京晚晴化玻仪器有限公司。

1.2 仪器与设备

7890A-5975C气相色谱质谱联用仪：美国安捷伦科技有限公司；50/30 μm CAR/PDMS/DVB萃取纤维头：美国SUPELCO公司；FA21040电子天平：上海精密科学仪器有限公司；BPG-9156A精密鼓风干燥箱：上海一恒科学仪器有限公司。

1.3 挥发性成分检测方法

1.3.1 挥发性成分的提取

采用HS-SPME法。准确称取4.0 g磨碎的牛蒡茶置于20 mL顶空瓶中，加入5 mL沸水，迅速拧紧瓶盖。于60℃水浴条件下平衡5 min后，用萃取纤维头60℃下萃取40 min，然后于250℃进样口解吸5 min。

1.3.2 GC-MS条件

1.3.2.1 GC条件

色谱柱为HP-INNOWAX毛细管柱（30m×0.25mm×0.25 μm）；载气为 He，流速 1 mL/min，分离比 5∶1；进样温度为250℃；升温程序为起始温度为40℃，保持5min，以8℃/min，升至250℃，保持5 min。

1.3.2.2 MS条件

电子电离源，能量为70 eV；离子源温度为230℃，四极杆温度为150℃，接口温度为250℃，扫描范围为m/z 30～400。

1.4 主成分分析与数据统计

对采集到的挥发性成分质谱图经计算机检索，与NIST和Wiley谱库提供的标准质谱图对照，人工解析并确认正反匹配度＞90（最大值为100）的作为鉴定结果，同时结合相对保留时间等参数对部分组分进一步分析[18]，采用峰面积归一法计算挥发性成分相对百分比含量。以相对含量为响应变量对牛蒡茶挥发性成分进行主成分分析，绘制载荷矩阵和得分图，根据公式（1）计算风味物质活性值（odor active values，OAVs），根据公式（2）计算相对气味活性值（relative odor activity value，ROAV）[19]，判断每种风味物质对牛蒡茶香气轮廓的贡献大小。利用SPSS 20.0软件处理数据并作图。

式中：ROAVi为挥发性物质i的相对气味活性值；OAVi为挥发性物质i的气味活性值；OAVmax为各挥发性物质最大的气味活性值。

2 结果与分析

2.1 挥发性风味物质组成

经过GC-MS分析，9份牛蒡茶共检测出97种挥发性成分，其中酮类12种，醛类19种，酯类12种，醇类7种，烷烃类15种，酸类7种，吡嗪类9种，其他（呋喃、烯）类17种。9份牛蒡茶GC-MS总离子流图经合并处理后见图1，含量占比见图2。

图1 牛蒡茶挥发性成分的总离子流程图Fig.1 Total ion flow chart of volatile components of burdock tea

图2 牛蒡茶主要挥发性成分占比Fig.2 Proportion of major volatile components in burdock tea

由图1、图2可知，牛蒡茶的挥发性成分保留时间大多在10 min～29 min，说明9份牛蒡茶挥发性成分相对含量总量接近，反映出其加工工艺原理基本一致。

挥发性成分香型[20]和分析结果见表2。

表2 9份牛蒡茶挥发性成分分析结果Table 2 Analysis results of volatile components of 9 burdock tea

续表2 9份牛蒡茶挥发性成分分析结果Continue table 2 Analysis results of volatile components of 9 burdock tea

续表2 9份牛蒡茶挥发性成分分析结果Continue table 2 Analysis results of volatile components of 9 burdock tea

由表2可知，经过GC-MS分析，共检测到9类挥发性物质，具体如下。

醛类在9份牛蒡茶挥发性物质含量中占比最大，为11.47%～24.57%，共19种。其中己醛、糠醛、甲基糠醛、2-甲基-丙醛在9份牛蒡茶中均有检出。己醛、异戊醛、2-甲基-丙醛、辛醛主要贡献了牛蒡茶中的甜香、果香[21]。2-甲基丁醛、庚醛、糠醛、苯甲醛、甲基糠醛则贡献了木香、咖啡、杏仁香味。糠醛含量占比2.31%～14.16%，是制作香料的重要原料[22]。2-甲基-丙醛占比0.21%～2.06%，可配制焦糖和各种水果型香精[23]，苯甲醛具有杏仁香气。

酮类在9份牛蒡茶挥发性物质含量中占比为6.52%～24.99%，共计21种，对整体香气有着重要作用。1-（2-呋喃基）-乙酮占2.32%～8.34%，有烟草烘烤香气。2-乙酰基吡咯含量为0.93%～4.02%，具有较浓郁甜香、奶香，多用于咖啡、茶叶、坚果类食用香精的制作[24]。2，3-二氢-3，5-二羟基-6-甲基-4H-吡喃-4-酮含量为1.67%～14.07%，呈现泥土、烘烤香味，广泛存在于茶类香气物质中。

醇类共有7种物质，占挥发性物质含量的0.49%～7.50%。其中正戊醇呈杂醇油气味[25]。苯甲醇、苯乙醇、2-丁基-2-辛烯醇则贡献了草木清香、花香和甜味。其中2-丁基-2-辛烯醇是重要的制药原料[26]。2-呋喃乙醇可用于工业制树脂、胶黏体等中间体物质制备[27]。

吡嗪类共有9种物质，在9份牛蒡茶挥发性物质含量中占比 2.09%～18.41%。2，5-二甲基吡嗪、2，6-二甲基吡嗪、3-乙基-2，5-二甲基-吡嗪在9份牛蒡茶中均有检出，主要贡献了奶香、烘烤与杏仁香气。2-乙基-6-甲基吡嗪、三甲基吡嗪、甲基吡嗪也有检出，可赋予牛蒡茶肉香、烤香、可可香气[28]。

烷烃类分布较为分散，在9份牛蒡茶挥发性物质含量中占比0.39%～8.14%，其中1-乙烯基-1-甲基-2，4-二（丙-1-烯-2-基）环己烷占比为0.12%～7.19%，其在药理上能针对多种癌症标志物起到抗肿瘤作用[29]。

酯类分布也较为分散，共计14种，其中棕榈酸乙酯、磷酸三乙酯、棕榈酸乙酯检出较多。苯甲酸苄酯为（4-亚甲基-5-羰基-3-四氢呋喃基）-苯甲酸甲酯经过热裂解产生的衍生物，常出现于食品消毒杀菌的农产品中[30]。乙酸糠酯与棕榈酸乙酯则多用于食用香精、食品调味中[31]，呈现微弱奶香味、蜡香及水果清香。

酸类共有7种物质，在9份牛蒡茶挥发性物质含量中占比1.56%～13.37%。其中，醋酸含量占比为1.56%～9.26%，主要用于复合型香气的调制，有着刺鼻酸味。羊油酸占比2.54%～3.67%，可配制食用香精，呈现羊膻味。戊酸与壬酸具有果香、奶香。

其他类包含烯、胺、呋喃类化合物，总体含量较低，占比0.50%～3.67%，含量分布较为分散，对总体香气影响较小。其中2-戊基呋喃在多数牛蒡茶中均有检出，含量占比0.20%～2.26%，具有果香、泥土及类似蔬菜的香味[32]。二甲基亚砜为玉米贝壳香气，常用于合成食品调味剂，在医药工业中作为某些药物的原料及载体，有消炎止痛、利尿、镇静等作用[33]。

2.2 特征性风味物质成分分析

9份牛蒡茶共检出97种化合物，较难筛出特征香气物质。为降低分析难度，去除个别牛蒡茶中特有且含量较低的物质，采用数据分析软件对其主成分提取，主成分的特征值及方差贡献率见表3，主成分载荷矩阵见表4。

表3 主成分的特征值和方差贡献率Table 3 Eigenvalues and variance contribution rates of principal components

表4 主成分载荷矩阵Table 4 Principal component load matrix

续表4 主成分载荷矩阵Continue table 4 Principal component load matrix

由表3可知，从9份牛蒡茶中共提取出了8个主成分，累计贡献率为100%，前4个主成分累计贡献率为89.865%，说明该数学模型可靠，能够反映全面的变量信息。

对主成分1贡献较大的香气成分有2-乙基-6-甲基吡嗪、2-乙酰基吡啶、正戊醇、戊醛、3-乙基-2，5-二甲基-吡嗪、2-丁基-2-辛烯醇、十二烷、己醛、2-戊基呋喃、2，6-二甲基吡嗪、羊油酸、2，5-二甲基吡嗪、甲基吡嗪、1-氯戊烷、2-己烯、3-甲基十一烷等，赋予牛蒡茶略苦涩、坚果烘烤、焦糖、可可和苹果香气。

对主成分2贡献较大的香气成分有醋酸、辛醛、2-乙基-5-甲基吡嗪、2-呋喃乙醇、庚酸、壬酸、壬醛。PC2累计方差贡献率为29.593%，赋予醋酸、橙香、肉香、烤香、果香、奶香和玫瑰香。

对主成分3贡献率较大的香气成分有糠醛、磷酸三乙酯、2，4-双（1，1-二甲基乙基）-苯酚、（2R，4AR，5R，8AS）-十氢-5-羟基-α-，α-，4A-三甲基-8-亚甲基-2-萘甲醇，赋予杏仁香气。

对主成分4贡献率较大的香气成分有庚醛、戊酸、苯乙醛、5-羟甲基糠醛、1-（2-呋喃基）-乙酮、六硫环辛烷，呈现坚果、奶香和风信子香气。

主成分5、主成分6、主成分7、主成分8贡献率较小，4个累计贡献率为10.135%。

本试验选择前2个主成分因子进行分析。得分图和载荷图分别见图3和图4。

图3 主成分得分图Fig.3 Score plot of principal component

图4 主成分载荷图Fig.4 Loading plot of principal component

如图3和图4所示，9份牛蒡茶风味成分具有较为明显的区域分布特征。2、7、8、9号牛蒡茶较为接近，3、4、5、6号牛蒡茶较为接近，1号牛蒡茶与其他牛蒡茶分布较远，与其他牛蒡茶香气区别较大。

2.3 风味物质活性计算

为了更深入确定牛蒡茶主体风味物质，引入OAVs概念，进一步甄选最能代表牛蒡茶风味的成分。根据风味物质相对含量及阈值[34]计算OAVs，结果见表5。

表5 牛蒡茶中风味物质阈值及OAVsTable 5 Flavor substance threshold and OAVs in burdock tea

根据表5可知，OAVs较高的风味物质有异戊醛、2，5-二甲基吡嗪、壬醛、己醛、2-乙酰基吡咯、苯甲醛、2-戊基呋喃、2-呋喃乙醇、3-乙基-2，5-二甲基-吡嗪、5-羟甲基糠醛共10种。其中2，5-二甲基吡嗪、2-乙酰基吡咯、己醛的OAVs在9份牛蒡茶中均较高，苯甲醛、2-戊基呋喃的OAVs排名次之。

2.4 不同加工工艺制备的牛蒡茶主体风味物质

按照表1中3种加工工艺对应的牛蒡茶编号，结合表5数据，分析不同加工工艺的牛蒡茶主体风味物质差异。工艺1制备的牛蒡茶（3、4、5号）特征风味物质有己醛、2，5-二甲基吡嗪、2，6-二甲基吡嗪、3-乙基-2，5-二甲基-吡嗪、异戊醛、糠醛、苯甲醛、5-羟甲基糠醛、2-呋喃乙醇、三甲基吡嗪、2-戊基呋喃。其中己醛、2，5-二甲基吡嗪、2，6-二甲基吡嗪、3-乙基-2，5-二甲基-吡嗪含量高于其他工艺牛蒡茶。主要香气类型为烘烤、可可风味，略带果木清香。2，5-二甲基吡嗪活性值较高，是影响该工艺牛蒡茶香气的特征物质。

工艺2制备的牛蒡茶（2、6、7号）特征性风味物质有 1-（2-呋喃基）-乙酮、2，3-二氢-3，5-二羟基-6-甲基-4H-吡喃-4-酮、异戊醛、己醛、甲基糠醛、2-丁基-2-辛烯醇、2-戊基呋喃。其中1-（2-呋喃基）-乙酮、2，3-二氢-3，5-二羟基-6-甲基-4H-吡喃-4-酮、糠醛、2-丁基-2-辛烯醇、2-戊基呋喃的含量高于其他工艺牛蒡茶。1-（2-呋喃基）-乙酮活性值较高，是影响该工艺牛蒡茶香气的特征物质。

工艺3制备的牛蒡茶（1、8、9号）特征性风味物质有 3-乙基-2，5-二甲基-吡嗪、3-甲基-1，2-环戊二酮、1-（2-呋喃基）-乙酮、2-乙酰基吡咯、异戊醛、己醛、壬醛、甲基糠醛、5-羟甲基糠醛、2-呋喃乙醇、羊油酸、2，5-二甲基吡嗪、2，6-二甲基吡嗪、2-戊基呋喃。其中 3-甲基-1，2-环戊二酮、异戊醛、己醛、壬醛、2-乙酰基吡咯、羊油酸、3-乙基-2，5-二甲基-吡嗪含量高于其他工艺牛蒡茶，其他风味物质含量均衡。异戊醛活性值较高，是影响该工艺牛蒡茶香气的特征物质。2-乙酰基吡咯活性值相对工艺2牛蒡茶较低，因此苦涩香味更轻微。

9种牛蒡茶中的挥发性成分被分为7个香气属性，将每个香气属性中的挥发性物质的ROAV相加，通过雷达图表征，即为3种加工工艺牛蒡茶的香气轮廓图，见图5。

如图5所示，苹果和烘烤香味对牛蒡茶香气贡献最大，工艺1的牛蒡茶具有更多的泥土香气，工艺2的牛蒡茶苹果和坚果香气更突出，工艺3的牛蒡茶杏仁和玫瑰香气更浓，工艺1和工艺3的牛蒡茶其烘烤香味较工艺2的更强。

3 讨论

牛蒡茶是以天然牛蒡根为原料，经加热烘烤制成的保健茶品，具有抗氧化、抗炎、预防糖尿病及癌症的作用。本研究对9份牛蒡茶风味物质进行分析发现，共检测出97种挥发性成分，其中酮类12种，醛类19种，酯类12种，醇类7种，烷烃类15种，酸类7种，吡嗪类9种，其他（呋喃、烯）类17种，以醛类化合物为主。醛类物质种类最多，含量丰富且阈值较低，对总体风味具有重要贡献，其中异戊醛含量较高且阈值较低（4.5 μg/kg）。主要特征香气成分有异戊醛、2，5-二甲基吡嗪、壬醛、己醛、2-乙酰基吡咯、苯甲醛、2-戊基呋喃、2-呋喃乙醇、3-乙基-2，5-二甲基-吡嗪、5-羟甲基糠醛等10种，贡献了牛蒡茶坚果、奶香、烘烤、泥土清香等特殊香气。

牛蒡茶由醛、酮、醇、吡嗪、烷烃、酯、酸等近百种挥发成分复合而成，其挥发性成分主要来源为原料牛蒡根中非挥发性物质在加热过程中经反应衍生产生。醛、酮、烷烃类占比较高，表现出牛蒡茶独特的清香类型。醛类中糖醛类物质在9份牛蒡茶中均有检出，是迄今为止无法用合成方法制取[35]而只能由植物纤维产生的一种重要物质。值得注意的是，在7份牛蒡茶中检出了由葡萄糖或果糖脱水生成的5-羟甲基糠醛，其化学性质较为活泼，有类似蜂蜜的甜味，并在3份牛蒡茶中检出了柠檬烯，说明这两类物质无需通过发酵工艺也可以产生，这不同于屠玥之等[17]的研究结果。醛类、酮类和烯烃类物质相对含量较高，酯类物质相对含量较低，可能是由于牛蒡茶中有丰富的抗氧化物质，保护了易被氧化的风味物质。吡嗪类化合物是加热食品中典型的香味组分，是通过氨基和糖的美拉德反应形成的，可赋予牛蒡茶烘烤风味或坚果风味。烯、胺、呋喃类化合物虽然成分含量非常少，但由于其具有较低的阈值，所以也能够影响牛蒡茶的整体香味。

影响3种加工工艺牛蒡茶香气的主体物质分别是2，5-二甲基吡嗪、1-（2-呋喃基）-乙酮和异戊醛。吡嗪等被认为具有高温依赖性的化合物，气味阈值较低，赋予食品坚果、可可味，对牛蒡茶整体香气有显著贡献。工艺1属于传统高温加热型，坚果香气更浓，前期晾晒处理有助于缩短加热时间，保护泥土清香。随着温度升高，这些醛、醇类物质转化形成新的物质。呋喃酮类和呋喃醛类的环酮分子具有增香的作用，在高于130℃烘烤下容易产生[36]。异戊醛等醛类主要在较低温度条件下，由氨基酸经美拉德反应产生，赋予牛蒡茶苹果和玫瑰风味。工艺2和工艺3由于降低了加热温度，更有利于醛、呋喃酮类物质的保留。其中工艺3采用了更先进的微波真空干燥技术，变传统的蒸汽加热为电加热，既能够达到含水率8%以下的牛蒡茶行业标准，保持牛蒡茶特征性风味物质，又能满足低碳节能环保的要求，具有很好的示范推广价值。加热温度、加热时间以及微波真空干燥中的真空度的差异，都可能影响风味物质成分和含量，也会影响牛蒡茶中多糖、蛋白质、多酚等物质的含量[37]。因此挥发性物质与非挥发性物质可能共同赋予了不同工艺牛蒡茶相似和独特的风味，其相互作用方式及其特定工艺条件与风味物质的相关性等问题还需要进一步研究和探讨。

4 结论

9份来自江苏徐州丰县、沛县和山东临沂兰陵县的牛蒡茶中，共检测出97种挥发性成分，包括酮类12种，醛类19种，酯类12种，醇类7种，烷烃类15种，酸类7种，吡嗪类9种，其他（呋喃、烯）类17种，以醛类化合物为主。经主成分分析，在64种贡献较大的风味物质中，活性值较高的有2-乙基-6-甲基-吡嗪、2-乙酰基吡啶、戊醛、2-丁基-2-辛烯醇等10种成分，赋予其烘烤、苹果、杏仁且略带泥土清香的风味，是牛蒡茶的特征性风味物质。根据风味物质活性值，判断3种常见加工工艺的主体风味物质分别为2，5-二甲基吡嗪、1-（2-呋喃基）-乙酮和异戊醛。