基于GC-IMS分析不同杂粮馒头挥发性成分的差异

张佳丽， 张爱霞， 李朋亮， 赵 巍， 李少辉， 刘敬科

(河北省农林科学院生物技术与食品科学研究所1， 石家庄 050031) (河北省农林科学院谷子研究所；国家谷子改良中心；河北省杂粮研究实验室2，石家庄 050035)

小麦馒头是中国传统主食之一，占我国小麦消费量40%[1]，主要在我国北部和东南亚国家食用[2]。高品质小麦馒头具有宜人的麦香，深受消费者喜爱。随着人们生活水平的提高，人们对传统主食越来越追求良好的口感、风味以及丰富的营养价值。杂粮具有丰富的营养成分，含有膳食纤维、β-葡聚糖、黄酮、多酚等功能成分[3]，对糖尿病、高血脂和心血管等疾病起到很好的预防作用[4，5]。将杂粮粉添加到小麦粉中，蒸制成杂粮馒头，不仅提高了小麦馒头的营养价值，而且丰富了小麦馒头的种类，同时提高杂粮利用率，对杂粮深加工具有重要意义。

气味是馒头重要的感官品质之一，主要是由于挥发性成分产生的。馒头中的主要挥发性物质依次为烃类、醇类、醛类、酯类等物质[6]。这些挥发性物质主要来源于面粉中的淀粉或糖经发酵剂中微生物代谢会产生醇类化合物，含羰基化合物 (如醛、酮、酯等)则主要来源于高级醇氧化、氨基酸的Strecker降解或醛醇缩合反应[7，8]。挥发性物质主要影响因素有使用的面粉、发酵剂、发酵条件和加工工艺等。

传统测定食品挥发性成分的方法主要采用顶空固相微萃取(SPME)[9]或同时蒸馏萃取法(SDE)[10]，再采用气相色谱-质谱联用(GC-MS)[11]进行检测。这些方法存在样品前处理复杂和检测时间较长等问题。GC-IMS技术是近年来新兴的一种快速检测挥发性风味物质的先进技术，能同时获得挥发性成分的构成及样品品质判别信息，具有灵敏度高、 检测速度快、操作方便且样品分析温度低等特点，更能真实反应样品的挥发性成分存在状态[12]。 目前GC-IMS 技术已广泛应用于食品分类、品质控制、鉴定真伪等方面，比如葡萄酒[13]、羊肉[14]、棕榈油[15]、伊比利亚式火腿[16]等方面。GC-IMS技术在食品挥发性成分中的研究逐渐增多，但是在不同杂粮及添加量的馒头挥发性成分差异的研究鲜见报道。

本研究以燕麦、高梁、黍子、藜麦、小米、薏仁、荞麦共7种杂粮，以质量分数为10%、20%、30%与小麦粉混合，蒸制为杂粮馒头为研究对象，采用GC-IMS 技术结合热图和主成分分析方法，研究不同杂粮馒头挥发性成分的差异，为杂粮馒头的品质控制和产品开发提供参考，加快杂粮产业化进程。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

五得利小麦粉，安琪高活性干酵母，燕麦，高梁，黍子，藜麦，小米，薏仁，荞麦。

1.2 馒头制作

将7种杂粮磨粉并过80目筛，分别以质量分数10%、20%、30%与小麦粉进行混合，取300 g的混合粉、0.7%的酵母、38 ℃温水150 mL，放置和面机中，和面形成光滑面团，放入38 ℃、相对湿度为85%的培养箱中醒发1 h。取出分割70 g/个面块，手工揉制制成半圆形馒头坯，室温醒发5 min，最后蒸制30 min，取出并冷却。

1.3 样品前处理

分别称取馒头样品1.00 g，置于20 mL顶空进样瓶中，60 ℃孵育20 min后进样500 μL。挥发性成分提取样品名如表1，每份样品重复测定3次，用GC-IMS进行分析。

表1 样品信息表

图1 10%、20%、30%添加量杂粮馒头挥发性成分GC-IMS二维谱图

1.4 仪器与设备

FlavourSpec4®风味分析仪，AG285天平，WPL-125 BE型电热恒温培养箱，鼎力DLF150粉碎机，KVC30和面机。

1.5 GC-IMS分析方法

系统条件：色谱柱类型为FS-SE-54-CB-1 (15 m ×0.53 mm，1 μm)，柱温为60 ℃，载气/漂移气为N2，IMS温度为45 ℃，进样体积为500 μL，孵育时间为20 min，孵育温度为60 ℃，进样针温度为85 ℃，孵化转速为500 r/min。气相色谱条件：漂移气流速为150 mL/min，气相载气流速为 初始流速2 mL/min，保持2 min；2～10 min，从2 mL/min上升至10 mL/min；10～20 min，从10 mL/min上升至100mL/min；20～30 min，从100 mL/min上升至150mL/min；运行时间为30 min。

1.6 数据处理

仪器配套的分析软件包括VOCal和3款插件，可以分别从不同角度进行样品分析。VOCal：用于分析谱图和数据的定性定量，应用软件内置的NIST数据库和IMS数据库可对物质进行定性分析，根据标准曲线进行定量分析。Reporter插件：直接对比样品之间的谱图差异(二维俯视图、三维谱图和差异谱图)；Gallery Plot插件：指纹图谱对比，直观且定量地比较不同样品之间的挥发性有机物差异；SIMCA-P软件：主成分分析；MeV软件：热图分析。

2 结果与讨论

2.1 杂粮馒头挥发性成分GC-IMS二维谱图分析

根据杂粮馒头挥发性成分GC-IMS二维图(图1)可知，选取小麦馒头的谱图作为参比，其他样品的谱图扣减参比。如果二者挥发性有机物一致，则扣减后的背景为白色，而红色代表该物质的浓度高于参比，蓝色代表该物质的浓度低于参比。横坐标1.0处红色竖线为RIP峰(Reaction Ion Peak；反应离子峰，经归一化处理)；纵坐标代表气相色谱的保留时间(s)，横坐标代表离子迁移时间(归一化处理)；RIP峰两侧的每一个点代表一种挥发性有机物，颜色代表物质的浓度。一种化合物可能会产生一个、两个或多个斑点(代表单体、二聚体或三聚体)，具体取决于它们的性质和浓度。从上到下，依次是10%杂粮馒头、20%杂粮馒头和30%杂粮馒头；从左到右依次是1、2、3、4、5、6、7、8号样品。从图1可知同一杂粮馒头随着杂粮添加量增加，挥发性成分种类和浓度也在增加。不同杂粮馒头之间挥发性成分含量存在差异，薏米馒头挥发性成分种类较多，其次是燕麦馒头，而小米馒头和荞麦馒头挥发性成分种类最少。说明不同原料的馒头挥发性成分种类和浓度存在一定差异，是因为杂粮原料不同引起的。为了明确对比每组样品中具体的差异物质，下面选取所有峰进行定性分析。

2.2 挥发性成分定性分析

根据特征性物质保留时间和迁移时间，通过GC-IMS库进行匹配从而对挥发性成分进行定性。如图2所示，每一个数字标记出的点代表定性出的一种挥发性成分。可以明确定性的挥发性物质有31种单体及部分物质的二聚体，单体、二聚体的化学式和CAS号都相同，仅形态不同，结果见表2(图2中数字编号与表2中物质一一对应)。

表2 气相离子迁移谱图定性结果

图2 气相离子迁移谱图

由图2和表2可知，通过GC-IMS对7种杂粮馒头进行检测，可明确定性出共有挥发性成分共31种单体及二聚体，杂粮馒头挥发性成分主要是为醇、醛、酯、酮和呋喃类化合物，其中9种醇类化合物、7种醛类化合物，5种酯类化合物，3种酮类化合物，1种呋喃类化合物。有学者研究[17, 18]，采用顶空-固相微萃取分析4 种发酵剂制作馒头中的挥发性成分，发现馒头主要挥发性成分为醇、烃、酯、醛、酮、芳香类化合物等，结果基本一致。

由表2可知，样品中检测到醇类物质共9种，主要有乙醇、2-甲基-1-丙醇、乙酰甲基甲醇、1-丁醇、2,3-丁二醇、3-甲基-3-丁烯-1-醇、正己醇、5-甲基-2-呋喃甲醇、2-甲基-1-戊醇及部分二聚体。醇类作为酵母发酵的重要产物，能赋予馒头特殊香气，虽然有较高的阈值，但其含量相对较高，对馒头香气贡献较大，同时醇类还是生成其他产物的前体物质[19，20]。通常醇类物质具有芳香、植物香以及酸败等气味。乙醇是馒头香味的主要来源[18]，有酒的气味和刺激性辛辣味；正已醇具有淡青的嫩枝叶气息，微带酒香、果香和脂肪气息[21]。

醛类物质共检测到7种，主要有己醛、2-甲基丙醛、丁醛、苯甲醛、苯乙醛、壬醛、2-辛烯醛(E)及部分二聚体。醛类主要来自于脂肪的氧化分解[22]，醛类物质芳香阈值较低对馒头香味有一定贡献，香气浓烈，一般具有奶油、脂肪、草香、果香以及青香等气味[23]。壬醛具有强烈的油脂气味和甜橙气息；苯甲醛具有特殊的杏仁气味；反式-2-辛烯醛具有脂肪气息，青香气味；苯乙醛具有浓郁的玉簪花香。

酯类物质共检测到5种，主要有乙酸乙酯、乙酸异戊酯、己酸乙酯、苯甲酸甲酯、丁酸丙酯及部分二聚体。酯类物质是酵母发酵过程中由醇和脂肪酸的酯化反应生成，通常具有果香味[24]，气味浓郁，香气持久。己酸乙酯是具有果香味的香料，是浓香型酒的主体香气成分。

酮类物质共检测到3种，主要有2,3-丁二酮、2-庚酮、6-甲基-5-庚-2-酮及部分二聚体。酮类物质来源于酯类的分解产物或醇的氧化[25]，其香气阈值较低，赋予馒头香气能力较强[26]；呋喃类物质为2-戊基呋喃，该物质具有豆香、 果香、泥土、青香及类似蔬菜的香韵[27]。

2.3 杂粮馒头挥发性成分GC-IMS指纹图谱分析

为了更加直观地观察每种样品完整挥发性成分信息以及样品之间挥发性成分的差异，在LAV中Gallery Plot插件程序，生成指纹图谱(图3)。每1行代表一个样品中选取的全部信号峰；图3每1列代表同一挥发性成分在不同样品中的信号峰。

根据10%杂粮馒头的指纹图谱(图3a)可知，燕麦和薏米的挥发性物质种类和浓度差异较大。其中A区域主要有乙醇、2-甲基-1-丙醛、丁醛、2-戊基呋喃、苯甲酸甲酯、壬醛和3-甲基-3-丁烯-1-醇等，B区域主要有丁酸丙酯、己醛、2-庚酮、己醇、苯乙醛、E-2-辛醛和己酸乙酯等，其浓度明显高于其他样品中的浓度，其余杂粮馒头和小麦整体挥发性物质种类和浓度较相似。根据20%杂粮馒头的指纹图谱(图3b)可知，燕麦和薏米的挥发性物质种类和浓度差异最大，其中C区域主要有苯甲醛、5-甲基-2-呋喃甲醇、2-戊基呋喃、苯乙醛、苯甲酸甲酯、2-甲基-1-丙醛、壬醛、2-甲基-1-丙醇、丁醛和3-甲基-3-丁烯-1-醇等，D区域主要有丁酸丙酯、己醛、E-2-辛醛、己醇、2-庚酮和己酸乙酯等，其浓度明显高于其他样品中的浓度，其余样品和小麦的整体挥发性物质种类和浓度较相似。根据30%杂粮馒头的指纹图谱(图3c)可知，燕麦、高梁、黍子、藜麦和薏米的挥发性物质种类和浓度差异最大。其中E区域主要有2，3-丁二醇、苯甲醛、苯乙醛、3-甲基-3-丁烯-1-醇、壬醛、2-甲基-1-戊醇和2-甲基-1-丙醇等，F区域主要有乙酸乙酯等，G区域主要有5-甲基-2-呋喃甲醇等、H区域主要有2，3-丁二酮、丁醛、6-甲基-5-庚烯-2-酮和乙酸异戊酯等和I区域主要有己醛、2-庚酮、E-2-辛醛、己醇、2-戊基呋喃、己酸乙酯和丁酸丙酯等，其浓度明显高于其他样品中的浓度，荞麦和小麦的整体挥发性物质种类和浓度较相似。

燕麦主要挥发性成分为醇、醛、酯类化合物，刘凤杰[28]发现不同加工方式下，燕麦挥发性成分中2，3-丁二醇、苯乙醛、苯甲醛也被检测到，因此小麦粉中添加燕麦粉蒸制成馒头，这些物质是浓度明显升高，进而使馒头的风味更丰富。薏米主要挥发性成分为醇、醛、酯、酮类、呋喃类化合物，赵泽伟等[29]在检测薏仁饮料储藏过程风味化合物变化中，发现挥发性成分中有己醛、己醇、2-戊基呋喃，而这些成分在薏米杂粮馒头中被检测到，因此小麦粉中添加薏米粉蒸制成馒头，这些物质的浓度明显升高，所以使馒头的风味更加丰富。在杂粮馒头添加量为30%时，高梁挥发性成分为酯类化合物等，吴幼茹等[30]研究发现高粱蒸煮香气中，酯类也是主要的挥发性成分；黍子挥发性成分为醇类化合物等，杨清华[31]在粳糯糜子粥中，共检测到6种醇类挥发性物质；藜麦挥发性成为为醛、酯和酮类化合物，其浓度明显高于其他样品中的浓度，周洋等[32]研究发现烘烤、蒸汽热处理和挤压膨化对藜麦风味的影响发现醛类为藜麦加工的关键风味物质。因此，燕麦、薏米杂粮馒头中挥发性物质的浓度明显高于其他样品中的浓度，与GC-IMS二维图谱结果相对应。燕麦、薏米、高粱、黍子、藜麦杂粮馒头中挥发性成分存在一定差异，小米和荞麦杂粮馒头挥发性成分差异较小，可能是因为不同杂粮的脂肪酸含量不同引起。

注：1 2-甲基-1-丙醇； 2 2，3-丁二醇；3 6-甲基-5-庚烯-2-酮；4 乙醇；5 2-甲基-1-丙醛； 6 正丁醛；7 2-戊基呋喃；8 苯甲酸甲酯；9 壬醛单体；10 3-甲基-3-丁烯-1-醇；11 乙酸乙酯；12 1-丁醇；13 5-甲基-2-呋喃甲醇单体；14 2，3-丁二酮；15 苯甲醛；16 2-甲基-1-戊醇； 17 乙酰甲基甲醇；18 5-甲基-2-呋喃甲醇二聚体；19 己醛单体；20 2-庚酮单体；21 丁酸丙酯；22 己醛二聚体；23 2-庚酮二聚体；24 正己醇；25 苯乙醛；26 E-2-辛烯醛；27 己酸乙酯单体；28 己酸乙酯二聚体；29 乙酸异戊酯图3 杂粮馒头挥发性成分指纹图谱

2.4 杂粮馒头挥发性成分多元统计分析

主成分分析是利用降维的方式，将多指标转化为少数指标，且能够解释较多的原来众多变量信息，使变量之间的关系更加清晰。对不同添加量的杂粮馒头产生的31种挥发性成分进行主成分分析，第一主成分将样品分成3组，1和6号各一组，2、3、4、5、7和8号为一组，说明燕麦馒头和薏米馒头中挥发性成分对馒头的影响较大，会产生差异性挥发性成分，与二维GC-IMS图谱结果一致(图4a)。为了明确具体差异性成分，对3组杂粮馒头的挥发性成分进行PLS-DA分析，可以发现这些挥发性成分可以将3组杂粮馒头明显分开(图4b)，经交叉验证PLS-DA模型不存在过拟合现象(图5a)。经载荷图显示，3组杂粮馒头产生的差异性挥发性成分(VIP>1)分别为2-庚酮二聚体、2-甲基-1-戊醇、E-2-辛烯醛、2-戊基呋喃、3-甲基-3-丁烯-1-醇、5-甲基-2-呋喃甲醇单体、6-甲基-5-庚烯-2-酮、苯甲醛、己酸乙酯二聚体、己酸乙酯单体、己醛二聚体、正己醇、壬醛单体、苯乙醛、丁酸丙酯(图5b)。

图4 得分图

注：带方框的黑色三角形代表VIP>1的差异挥发性成分。图5 验证图和载荷图

3 结论

本研究采用GC-IMS检测7种杂粮不同添加量的馒头挥发性成分的差异，共定性识别出31种挥发性成分，杂粮馒头中挥发性成分主要是醇、醛、酯、酮和杂环类化合物，主要以醇、醛、酯、酮为主。

结果表明，随着杂粮添加量的增加，挥发性成分的种类和浓度有所增加。通过多元统计分析共筛选出 15 种差异性挥发性成分(VIP>1)，同时可知燕麦和薏米馒头差异较大。因此，燕麦和薏米的挥发性成分种类和浓度差异最大，高粱、黍子和藜麦差异次之，小米和荞麦差异最小。