不同品牌泡姜中关键挥发性风味物质分析

陈磊，毕秀芳，焦文成，邢亚阁，车振明

(1.西华大学 食品与生物工程学院，成都 610039；2.宜宾西华大学研究院，四川 宜宾 644000)

生姜(ZingiberofficinaleRoscoe)是一种药食两用的草本植物，在热带、亚热带地区被广泛种植，在中国已有5000多年的生产历史[1]。我国生姜的产业化发展较为稳定，常年种植面积约为375万亩，年产量可达1000万吨，是生姜年产量最多的国家[2-3]。生姜具有独特的香气以及一些药用功效，近年来，研究人员对生姜的研究主要集中在生姜生物活性成分分析、加工与应用以及风味化学等方面。已有研究表明，生姜及其提取物含有多酚类化合物[4-7]，具有抗氧化、抗炎、降血脂等生物活性，其中一些还具有潜在的癌症预防活性，对人体具有极其重要的生理保健功能[8-13]。Gunathilake等[14]报道了一种由富含姜辣素的提取物组成的功能性饮料，在自发性高血压大鼠中表现出降低胆固醇的作用。Mattje等[15]研究发现超临界CO2生姜提取物能有效控制鱼肉中的脂质氧化，有可能取代人工合成的抗氧化剂。在生姜及其制品挥发性风味物质研究方面，付云云等[16]研究发现四川新鲜白口姜在沙土贮藏过程中挥发性风味物质种类会明显减少，并且在贮藏过程中大多数挥发性风味物质含量会降低。

泡菜是我国传统特色发酵食品的典型代表之一，具有健胃理气、抑菌、减肥、预防心脑血管疾病等功效[17-19]。香气风味是泡菜中感官质量的重要指标，会影响消费者的接受度和满意度。近年来，研究学者利用顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用技术(HS-SPME-GC-MS)对泡菜挥发性风味物质进行了许多研究，他们认为挥发性风味因其原料种类不同而不同[20]。汪莉莎等[21]采用SPME-GC-MS技术分析出芋头叶柄泡菜中主要挥发性物质有4-己烯酸、苯甲醛、甲酸异戊酯等。徐丹萍等[22]采用SPME-GC-MS技术研究发现酯类是泡萝卜、泡芥菜和泡甘蓝中的特征挥发性成分，醛类、萜类分别是泡黄瓜、泡芹菜的特征挥发性成分。Rao等[23]首次在泡萝卜中发现了DL-异冰片酯、3,5-二甲基苯甲醛、2-氨基-5-甲基苯甲酸和2-羟基十四酸的存在。

泡姜是以嫩生姜为原料发酵制得的一种具有独特风味的泡菜。目前对泡姜中挥发性风味物质的研究较少，因此，本研究拟用电子鼻技术、顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用技术(HS-SPME-GC-MS)以及香气活性值(OAV)，对市售不同品牌泡姜的挥发性风味物质进行鉴定分析，对泡姜实际生产具有一定的指导意义。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

6种不同品牌泡姜：“老母水”牌泡姜、“龙泉山”牌泡姜、“蜀浓湘”牌泡姜、“味星”牌泡姜、“盈棚”牌泡姜、“真的老”牌泡姜，均购于附近超市，分别编号为PJ1、PJ2、PJ3、PJ4、PJ5和PJ6。

2-甲基-3-庚酮：纯度>95%(GC)，上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

1.2 仪器与设备

JA2003型电子天平 上海舜宇恒平科学仪器有限公司；MP-5H型超级恒温槽 上海一恒科学仪器有限公司；PEN3型便携式电子鼻传感器 德国Airsense 公司；2020NX型气相色谱-质谱联用仪 日本岛津公司；57330-U型固相微萃取手柄、57318型 75 μm CAR/PDMS 固相微萃取头 美国Supelco公司；研钵。

1.3 方法

1.3.1 HS-SPME条件

参照An等的方法，称取1 g已研磨成匀浆的泡姜样品于15 mL顶空萃取瓶中，加入3 mL饱和食盐水，同时加入0.1 mL 0.816 mg/mL的2-甲基-3-庚酮溶液作为内标物，将顶空萃取瓶密封并保存在45 ℃恒温水浴锅中平衡20 min，然后将老化后的PDMS萃取头在45 ℃下暴露于顶部空间30 min，使萃取头能够完全富集样品的挥发性成分。随后迅速将吸附后的萃取头取出并插入气相色谱仪进样口，在250 ℃下解吸5 min，同时启动气相色谱仪采集数据。

1.3.2 GC-MS条件

1.3.2.1 GC 条件

采用DB-5MS毛细管色谱柱(32 m×0.25 mm，0.25 μm)对泡姜样品进行分析，采用不分流模式，进样口温度250 ℃，载气为氦气，载气流速为1 mL/min，升温程序为初始温度50 ℃，保持1 min 后，以4 ℃/min的升温速度升至135 ℃，不保留；然后以0.5 ℃/min的速度升至140 ℃，不保留;再以15 ℃/min的速度升至230 ℃，保持3 min，最后回到50 ℃。

1.3.2.2 MS 条件

采用全扫描模式，在电子碰撞离子源(EI)的电离模式下以70 eV记录，并在40～550 amu的质量范围内以0.5 scan/s进行扫描。电子碰撞离子源(EI)温度为220 ℃。

1.3.2.3 定性定量方法

通过质谱与标准信息库NIST 17.Lib进行检索比对，选取相似度大于90的物质进行分析定性；采用半定量法，选取2-甲基-3-庚酮为内标物，对泡姜样品挥发性成分进行定量，每组重复3次，取平均值。质量浓度Ci(mg/g)计算公式如下：

式中：Ai为挥发性物质峰面积，A0为内标物峰面积，C0为内标溶液质量浓度(mg/mL)，V0为内标溶液体积(mL)，mi为样品质量(g)。

1.3.3 OAV法分析

查阅挥发性成分在水中的阈值，根据每种挥发性成分的质量浓度与阈值的比值计算其OAV，以此评价该挥发性成分对样品整体挥发性风味的贡献程度[24-25]。OAV<1说明该物质对总体风味无实际影响；OAV>1说明该物质可能对总体风味有直接影响；且在一定范围内，OAV越大说明该物质对总体风味的贡献越大[26-27]。OAV 计算公式如下：

式中：Ci为挥发性成分的质量浓度(mg/g)，OTi为挥发性成分在水中的阈值(mg/g)。

1.3.4 电子鼻分析

PEN3型电子鼻由10种金属氧化物气体传感器阵列组成。参照陈慧敏等[28]的方法，并做适当修改。称取5 g泡姜匀浆样品于30 mL样品瓶中，温水浴密封静置10 min，随后插入电子鼻探头吸取顶端气体，测定挥发性物质。电子鼻扫描参数：采样间隔时间1 s，空气冲洗时间120 s，调零时间5 s，预采样时间5 s，采集时间120 s，载气流速300 mL/min，进样流速300 mL/min，金属传感器，90 s后基本稳定，选取92，93，94 s为响应值，每个样品重复操作6次。

1.3.5 数据统计与分析

采用IBM SPSS Statistics 25软件对数据进行显著性分析，采用OriginPro 9.0 软件进行绘图，运用电子鼻自带WinMuster软件进行主成分分析(PCA)和线性判别分析(LDA)。

2 结果与分析

2.1 不同品牌泡姜电子鼻PCA和LDA分析

采用PCA方法对电子鼻数据进行分析，样品的挥发性成分聚集成2个主成分，可以清楚地看出样品间的差异[29]。由图1中a可知，6种品牌泡姜经PCA分析，第1主成分的区分贡献率达95.89%，第2主成分的区分贡献率达2.45%，2个主成分的累计区分贡献率达98.34%。累计贡献率越高，主成分对样品原始指标信息反映越好[30]。因此，本研究中，这2个主成分可代表泡姜中挥发性成分的主要特征。PJ2、PJ5、PJ63种品牌泡姜产品之间没有重叠，表明其在挥发性物质上有一定差异；而其余3种均有部分重叠，表明其在挥发性物质上有相似之处，这也说明PCA法分析不能对6种样品进行独立区分。对数据进行LDA分析，可以有效地抽取样品中挥发性成分信息，使类别区分达到更好的分离效果。由图1中b可知，经LDA分析，主成分1和主成分2的区分贡献率分别为66.28%和13.74%，总贡献率为80.02%，但仍有3种泡姜样品有少量重叠，说明LDA法分析也不能对6种样品进行独立区分。结果表明，PCA和LDA法分析均能对其中部分产品有较好的区分，但不能达到对其完全独立区分，赵江欣等[31]研究自然发酵和直投式发酵萝卜的风味时，也发现PCA和LDA均不能完全区分同种发酵方式的泡萝卜。因此，需要通过HS-SPME-GC-MS对不同品牌泡姜的具体挥发性风味物质进一步探究。

图1 电子鼻PCA分析图(a)和LDA分析图(b)

2.2 不同品牌泡姜挥发性风味物质的GC-MS分析

续 表

由表1可知，6种品牌泡姜样品共鉴定出72种挥发性物质，包括40种烯烃类、13种醇类、5种醛类、8种酯类和6种酮类物质。其中烯烃类物质种类最多，包括姜烯、α-法呢烯、β-倍半水芹烯等；醇类物质次之，主要有桉叶油醇、α-松油醇、香叶醇等，说明烯烃类和醇类是泡姜中的主要挥发性物质。采用半定量法进行定量分析，结果显示，6种样品共有的挥发性物质在含量上存在显著差异性(P<0.05)，比较同种品牌样品的不同类物质发现，姜烯、桉叶油醇、香叶醛和乙酸香叶酯4种物质在同类物质中含量最高，其中姜烯在整体挥发性物质中含量也最高，分别在PJ1、PJ2、PJ3、PJ4、PJ5和PJ6 6种泡姜挥发性物质中占46.29%、44.65%、43.69%、41.08%、41.62%、43.35%，显著高于其他挥发性物质(P<0.05)。比较不同品牌样品同类物质发现，莰烯、月桂烯、(+)-环苜蓿烯、α-蒎烯、(+)-7-表-倍半萜烯、反式-β-金合欢烯、香树烯、α-姜黄烯、桉叶油醇、2-茨醇、α-松油醇、β-桉叶醇、乙酸龙脑酯在PJ2泡姜中的含量显著高于其他品牌(P<0.05)，而其余物质在不同品牌中未表现出显著性差异(P>0.05)。王强伟等[32]在新鲜生姜中鉴定出主要挥发性成分有姜烯、桉叶油醇、香叶醛等。Huang等[33]也从新鲜及干燥生姜中鉴定出其主要挥发性化合物包括姜烯和香叶醛。本研究中姜烯、桉叶油醇和香叶醛含量较高，可能与原料本身含量较高有关。同时，由于发酵过程是动态变化状态，发酵过程中某些组分会增加或减少，从而影响最终产品的挥发性风味物质。

表1 不同品牌泡姜挥发性物质HS-SPME-GC-MS 鉴定结果

由图2中a可知，从种类数量上看，PJ1、PJ2、PJ3、PJ4、PJ5、PJ6分别共鉴定出48，50，42，50，55，34种挥发性风味物质，并且6种样品烯烃类物质数量均显著高于其他类物质，醇类物质次之，是重要的挥发性风味物质。由图2中b可知，从相对含量上看，同一品牌泡姜样品不同种类物质之间，烯烃类物质相对含量均显著高于其他4种物质(P<0.05)，相对含量均高达80%以上，在整个分类物质中占据较大比重。但在同种类物质不同品牌泡姜样品之间，仅PJ2中烯烃类物质相对含量显著高于其他5种品牌泡姜(P<0.05)，相对含量高达93.95%。不同品牌泡姜样品在其余4种物质中相对含量上也表现出一定的差异性，PJ4中醇类物质相对含量为4.61%，PJ5中醛类物质相对含量为6.97%，PJ6中酯类物质相对含量为5.46%，分别显著高于其他品牌(P<0.05)。

图2 不同品牌泡姜中挥发性物质种类(a)及相对含量(b)

结果表明，不同品牌泡姜样品挥发性物质在分类上相似，但是在物质含量和数量上存在一定的差异。在前人研究中，罗松明[34]研究乳酸菌发酵泡仔姜时，对挥发性物质也做出了相似的分类，并且发现烯烃类物质种类最多。另外，有文献报道，不同产地生姜挥发性物质种类之间也存在差异[35-36]，说明不同品牌泡姜挥发性物质种类可能受到原料产地的影响。不同的发酵方式也会对泡菜挥发性风味物质产生影响，夏季等[37]研究发现，与自然发酵相比，纯种发酵使香菇泡菜中醇类和醛类物质相对含量分别增加了5.9%和1.0%。贾潜等[38]研究发现，与未处理组相比，65 ℃和85 ℃巴氏杀菌5 min会使槽姜中烯烃类和醇类物质含量和种类增加。王双[39]研究发现，辐照杀菌与热杀菌会导致泡豇豆中酯类物质含量降低。综上所述，不同品牌泡姜产品之间各类挥发性风味物质存在差异可能与原料、发酵方式、杀菌条件等因素有关。

2.3 不同品牌泡姜挥发性风味物质的OAV分析

尽管通过GC-MS技术在泡姜中鉴定出了较多挥发性物质，但研究表明，仅有少部分物质能在呈现特征风味中作出重要贡献，赋予食品独特的风味属性。香气活性值(OAV)可作为评价挥发性物质在食品基质中贡献大小的更精准的标尺[40]，因此，结合OAV法分析对6种样品的特征风味物质作进一步判断。

由表2可知，通过OAV法分析，6种泡姜中OAV>1的特征挥发性物质共有36种，包括15种烯烃类、7种醇类、4种醛类、6种酯类和4种酮类物质。其中PJ1、PJ2、PJ3、PJ4、PJ5和PJ6中分别含有21，24，18，26，30，14种，其中，大根香叶烯B是PJ1中独有的关键挥发性风味物质；莰烯、α-松油醇、樟脑是PJ2中独有的关键挥发性风味物质；β-蒎烯、正辛醛是PJ4中独有的关键挥发性风味物质；δ-榄香烯、2-庚醇香茅醇、7-甲基-3-亚甲基-6-辛烯醛、乙酰丙酮是PJ5中独有的关键挥发性风味物质。月桂烯、α-蒎烯、(+)-β-芹子烯、桉叶油醇、2-茨醇、香叶醇、柠檬醛、香叶醛、乙酸龙脑酯和乙酸香叶酯是6种泡姜中共有的关键挥发性风味物质，说明其是形成泡姜独特风味的重要物质。烯烃类物质广泛存在于植物体内，阈值低，具有特殊气味，但有些含量较高的烯烃类物质在本研究中并没有确定为特征挥发性物质，可能与鉴定方法有关，还需要利用其他鉴定方法进行进一步确定。醛类和酯类一般会呈现出辛辣味，而醇类物质对酯类、醛类等成分的产生不可或缺。另外，Luo等采用气相色谱-嗅感与香气稀释分析(AEDA)相结合鉴定发现柠檬醛、乙酸香叶酯的稀释因子(FD)达到最高(FD=200∶1)，被确定为泡姜中的关键挥发性物质。本研究采用OAV法鉴定的结果与Luo等的研究结果有相同之处。

表2 不同品牌泡姜挥发性物质的OAV分析

综上所述，利用OAV法能对泡姜中关键挥发性风味物质进行有效鉴定，并且得到不同品牌泡姜中关键挥发性风味物质具有差异性。

3 结论

电子鼻技术PCA和LDA分析仅能对部分产品挥发性风味进行较好区分，而不能对所有产品进行完全区分。通过GC-MS从6种品牌泡姜中共鉴定出72种挥发性物质，包括40种烯烃类、13种醇类、5种醛类、8种酯类和6种酮类物质。6种样品中烯烃类和醇类物质的数量和相对含量均远高于其他种类，其中姜烯是所有挥发性物质中含量最高的物质，在PJ1泡姜挥发性物质中最高占比达到46.29%。6种品牌泡姜中OAV>1的物质共有36种，包括15种烯烃类、7种醇类、4种醛类、6种酯类和4种酮类物质。其中，月桂烯、α-蒎烯、(+)-β-芹子烯、桉叶油醇、2-茨醇、香叶醇、柠檬醛、香叶醛、乙酸龙脑酯和乙酸香叶酯是6种泡姜中共有的关键挥发性风味物质。结果表明，不同品牌泡姜在挥发性风味物质方面既存在共性，也存在差异性。由于泡姜的发酵过程处于动态变化，加上原料品种和发酵工艺的差异，最终形成了具有不同独特风味的泡姜产品。