基于HS-SPME-GC-MS解析糟辣椒挥发性风味组分特征

摘要：为探究糟辣椒香气及挥发性化合物，该研究首先对糟辣椒的7种香气属性进行感官品评，其次对顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用法（HS-SPME-GC-MS）的萃取温度、平衡时间、萃取时间、饱和NaCl溶液添加量进行单因素试验和正交试验优化，最后以最优萃取条件解析糟辣椒中挥发性化合物种类和含量。结果表明，糟辣椒酸香和甜香是强度较高的香气属性，在添加量为3.0 g时，采用DVB/CAR/PDMS萃取头、萃取温度70 ℃、平衡时间10 min、萃取时间40 min、饱和NaCl溶液添加量4 mL时萃取效果最好，检测出97种不同的挥发性风味物质，其中萜烯类化合物41种、酯类11种、醇类9种、醛类8种、酮类6种、酸类和含硫化合物各5种、呋喃类4种、酚类3种、其他化合物5种。定量结果表明，酸类、醇类以及萜烯类化合物的含量较高。该研究结果为糟辣椒挥发性风味化合物的检测和研究提供了参考。

关键词：糟辣椒；挥发性风味化合物；HS-SPME；正交试验；GC-MS

中图分类号：TS201.1""""" 文献标志码：A""""" 文章编号：1000-9973（2024）08-0155-08

Analysis of Characteristics of Volatile Flavor Components of Fermented

Chili Based on HS-SPME-GC-MS

YANG Shuai1，2， WU Yong-jun1，2， LI Cen1，2*

（1.Key Laboratory of Plant Resources Conservation and Germplasm Innovation in Mountainous Region，

Ministry of Education， Institute of Agro-bioengineering， College of Life Sciences， Guizhou University，

Guiyang 550025， China; 2.Key Laboratory of Animal Genetics， Breeding and Reproduction in

the Plateau Mountainous Region， Ministry of Education， College of Life Sciences，

Guizhou University， Guiyang 550025， China）

Abstract： In order to investigate the aroma and volatile compounds of fermented chili， sensory evaluation is conducted on seven aroma attributes of fermented chili firstly， and then single factor test and orthogonal test are conducted to optimize the extraction temperature， incubation time， extraction time and addition amount of saturated NaCl solution by headspace solid-phase microextraction-gas chromatography-mass spectrometry （HS-SPME-GC-MS）. Finally， the types and content of volatile compounds in fermented chili are analyzed under the optimal extraction conditions. The results show that the sour aroma and sweet aroma of fermented chili are stronger aroma attributes. The extraction effect is the best when the addition amount is 3.0 g， DVB/CAR/PDMS extraction head is used， extraction temperature is 70 ℃， incubation time is 10 min， extraction time is 40 min， and the addition amount of saturated NaCl solution is 4 mL. A total

DOI：10.3969/j.issn.1000-9973.2024.08.026

引文格式：杨帅，吴拥军，李岑.基于HS-SPME-GC-MS解析糟辣椒挥发性风味组分特征.中国调味品，2024，49（8）：155-162.

YANG S， WU Y J， LI C.Analysis of characteristics of volatile flavor components of fermented chili based on HS-SPME-GC-MS.China Condiment，2024，49（8）：155-162.

收稿日期：2024-03-21

基金项目：贵州省辣椒发酵制品工程技术研究中心项目（黔科合平台人才2102）；贵州省辣椒加工工程技术研究中心项目（黔教合 KV（006））；贵州大学自然科学专项（特岗）科研基金项目（贵大特岗合字（2023）15号）；贵州省十二大农业特色（辣椒）产业专班项目（黔农发68号）；贵州省科技计划项目（黔科合支撑156号）

作者简介：杨帅（2000—），男，硕士研究生，研究方向：食品风味化学。

*通信作者：李岑（1989—），女，讲师，博士，研究方向：食品生物技术、食品风味化学与感知科学、酶工程与技术等。

of 97 different volatile flavor substances are detected， including 41 terpenes， 11 esters， 9 alcohols， 8 aldehydes， 6 ketones， 5 acids， 5 sulfurs， 4 furans， 3 phenolics and 5 other compounds. The quantitative results indicate that the content of acids， alcohols and terpenes is relatively high. The research results have provided references for the detection and research of volatile flavor compounds in fermented chili.

Key words： fermented chili; volatile flavor compounds; HS-SPME; orthogonal test; GC-MS

贵州的辣椒产业处于我国领先地位，2022年全省辣椒种植面积超过543万亩，辣椒产业产值达260亿元。糟辣椒具有香、鲜、辣等独特风味，是贵州地区特色的发酵辣椒制品。

鲜椒经去蒂、清洗、剁碎后与辅料（姜、蒜、白酒）混匀装坛密封发酵25～45 d后形成糟辣椒。发酵过程中经大量微生物和酶的作用，碎辣椒中的蛋白质和糖类等生物大分子分解成有机酸类、氨基酸和挥发性的醇类、酸类、醛类、酮类等化合物，从而赋予糟辣椒独特的风味。

食品风味是影响其品质的重要指标，顶空固相微萃取（HS-SPME）集萃取、浓缩、进样等为一体，具有客观、准确、快速定性、灵敏度高等优点，广泛应用于食品挥发性成分的定性定量分析。利用顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用法（HS-SPME-GC-MS）测定5种贵州典型辣椒品种的香气成分，分析得出62种共有的挥发性化合物。采用同时蒸馏萃取（SDE）和HS-SPME萃取传统发酵辣椒中挥发性成分，并采用GC-MS对辣椒发酵过程中挥发性成分进行分析，共检测出56种挥发性化合物。张洪礼等采用SPME-GC-MS法对不同加工方式的糟辣椒进行检测，得出64种挥发性物质。郭磊等通过响应面优化HS-SPME-GC-MS并分析美味牛肝菌中的风味物质，共测得包含醇类、醛类、酮类、酸类、酯类在内的55种挥发性物质。然而，目前糟辣椒HS-SPME的检测条件主要参考传统发酵食品，还没有针对糟辣椒进行HS-SPME方法优化。此外，糟辣椒挥发性物质的鉴定方法还停留在NIST数据库的比对，没有通过保留指数（RI）进一步定性。

HS-SPME解析挥发性化合物的最佳条件因被检测物不同而有所差异，对于未知的挥发性化合物，定性时可能同时存在多个匹配度较高的化合物，容易出现定性错误的情况。因此，本研究对HS-SPME方法的萃取温度、平衡时间、饱和NaCl溶液添加量和萃取时间进行单因素试验和正交试验优化，然后采用NIST数据库和RI对化合物进行定性，最后解析不同糟辣椒中挥发性化合物的含量，为糟辣椒工艺提升和产品控制提供了基础。

1" 材料与方法

1.1" 材料与仪器

选自贵州辣椒主产地遵义、六盘水、毕节的糟辣椒试验样品FP-1、FP-2、FP-3、FP-4、FP-5，于2023年4月采购于贵阳市花溪区永辉超市；正构烷烃C7～C30：美国Sigma-Aldrich 公司；20 cm 50/30 μm DVB/CAR/PDMS 固相微萃取三相萃取头：美国Supelco公司；8890N-MSD 5977B GC-MS联用仪：美国Agilent公司；PAL System多功能自动进样器：德国Gerstel公司。

1.2" 糟辣椒感官评价分析

由15名经食品风味感官评价训练（主要利用葡萄酒标准香气酒鼻子Le Nez du Vin训练）的人员组成评价小组，分别对FP-1、FP-2、FP-3、FP-4、FP-5的酸香、咸酱、辣椒、姜、果香、甜香、花香7种不同风味属性进行测评打分，每位测评人员对风味的打分为0～5分，得分结果取平均值。

1.3" 单因素试验

1.3.1" 试验条件

1.3.1.1" HS-SPME条件

基于试验糟辣椒所选样品，以FP-1进行萃取试验优化。称取糟辣椒样品（3±0.05） g于20.0 mL顶空瓶中，加入一定量饱和氯化钠溶液和20 μL乙酸丙酯内标（53 μg/mL）置于孵化器中，保持振摇速度为400 r/min，经加热平衡、萃取吸附后将萃取头插入进样口。

1.3.1.2" GC-MS条件

GC条件：不分流模式进样，进样口温度为250 ℃；HP-5MS色谱柱（30 m×250 μm×0.25 μm），载气（He）恒定流量为1.0 mL/min；升温程序：柱箱初始温度为40 ℃，保持3 min，第一梯度以5 ℃/min升温至150 ℃，保持0 min，第二梯度以10 ℃/min升温至250 ℃，保持10 min，共运行45 min，解吸时间5 min。

MS条件：电子轰击离子（EI）源；离子源温度230 ℃；MS四极杆温度150 ℃；扫描方式、全扫描，扫描起点质量（m/z） 29，扫描终点质量（m/z） 500，溶剂延迟0 min。

1.3.2" 单因素试验方法

以平衡时间15 min、饱和NaCl溶液添加量4 mL和萃取时间15 min为试验的初始萃取条件，以总峰面积为考察指标，比较温度（30，40，50，60，70 ℃）对萃取效果的影响；基于初始条件和优化后的萃取温度，依次考察平衡时间（5，10，15，20，25 min）、饱和NaCl溶液添加量（2，3，4，5，6 mL）和萃取时间（30，35，40，45，50 min）对萃取效果的影响。

1.4" 正交试验设计

基于单因素试验结果，以4个单因素为影响因素，进行L9（34）正交试验设计（见表1），以试验得出的总峰面积为考察指标，优化糟辣椒挥发性风味物质的萃取条件。

1.5" 风味化合物定性和定量分析

基于优化后的萃取条件，重复最优组合3次，对5个糟辣椒样品的色谱峰进行分析。

定性：检索NIST数据库对目标化合物进行对比；采取相同GC-MS条件下正构烷烃的保留时间进行分析，用各物质色谱峰的保留时间计算目标物质的保留指数（RI），并与数据库中查询到的保留指数（LRI）进行比对（LRI与RI认定范围相差＜15）。RI的计算公式好如下：

保留指数=100×n+100×（ta-tn）tn+1-tn。（1）

式中：ta为色谱峰a的保留时间（min）；tn为正构烷烃Cn的保留时间（min）（色谱峰a的保留时间须在正构烷烃Cn和Cn+1之间）。

定量：利用半定量法，以乙酸丙酯为内标，3次平行试验对5个糟辣椒中的风味化合物进行定量，计算公式如下：

Cx=Cs×Vs×AxAs×M。（2）

式中：Cx为化合物x的含量（μg/kg）；Ax和As分别为化合物x与内标s的峰面积（AU·min）；Cs为内标物质量浓度（μg/mL）；M为样品质量（kg）；Vs为内标体积（μL）。

2" 结果与分析

2.1" 感官评价

不同糟辣椒香气轮廓见图1。

其酸香和甜香在5个样品中均有较高的香气强度，表明是贵州糟辣椒的主要风味属性，咸酱、花香、果香、辣椒的风味属性在样品中也具有相对明显的气味强度，姜的风味属性除了在FP-1样品中强度较高（3.5）外，在其余4 个样品中的感官得分均小于1.5。总体来看，不同品牌糟辣椒虽然从香气属性上来看可总结为酸香、咸酱、辣椒、姜、果香、甜香以及花香7种，但香气强度有较大差别。

2.2" 单因素试验优化萃取条件

萃取温度是影响样品中风味物质从样品中挥发出来的重要因素。由图2中A可知，在萃取温度为60 ℃时，糟辣椒中挥发性风味物质的总峰面积达峰值，70 ℃时稍有下降，但与60 ℃时相比无显著差异。由于温度过高会导致分子质量较大的物质难以吸附，分子质量小的物质易从吸附材料上解吸下来，以致试验结果的准确性降低。同时，过高的温度也会影响萃取头涂层和挥发性组分在气相之间的分配系数，导致萃取效果不理想。因此，以60 ℃为最佳萃取温度，50，60，70 ℃作为试验水平进行正交试验。

平衡时间是样品挥发性组分在气相中达到平衡所需的时间。由图2中B可知，平衡时间在5～25 min条件下，挥发性风味组分的总峰面积先上升后下降，在15 min时达到最大值。因此，以15 min为最佳平衡时间，10，15，20 min作为试验水平进行正交试验。

向样品中加入适量的无机盐离子可增强样品中挥发性物质在顶空瓶内的浓度，使萃取头吸附更多的挥发性组分。由图2中C可知，饱和NaCl溶液添加量在2～6 mL之间时，总峰面积在4 mL时达到峰值。由于溶液中无机盐离子浓度过高会影响某些挥发性组分在溶液中扩散的速度以及分子基团之间的相互作用力。因此，以饱和NaCl溶液添加量4 mL为最佳条件，3，4，5 mL作为试验水平进行正交试验。

由图2中D可知，萃取时间为30～50 min之间时，总峰面积的变化趋于平缓，40 min时达到最大值。其原因可能是萃取过程中萃取头吸附挥发性物质逐渐达到饱和，部分吸附物质会因萃取时间过长而发生解吸附，因此总峰面积会有所下降。因此，以40 min为最佳萃取时间，35，40，45 min为试验水平进行正交试验。

2.3" 正交试验

根据单因素试验结果，以挥发性组分的总峰面积作为指标，设置了L9（34）正交试验，结果见表2，根据R值大小可知，各因素对萃取效果影响的主次顺序为A＞D＞C＞B，即萃取温度对糟辣椒风味物质萃取的影响最大，平衡时间的影响最小。根据极差K值大小选出糟辣椒萃取的最优组合A3B1C2D2，即萃取温度70 ℃、平衡时间10 min、饱和NaCl溶液添加量4 mL、萃取时间40 min。最优萃取条件下进行3次平行试验进行验证，试验结果所得总峰面积为5.26×1010 AU·min，表明萃取条件优化良好。

2.4" 挥发性风味化合物定性及定量分析

在HS-SPME最佳条件下对不同糟辣椒中挥发性风味化合物进行定性及定量分析，结果见表3和图3。共检测到97种挥发性化合物，与前人的研究结果相比，除化合物数量明显增加外，本次试验在贵州糟辣椒中还检测出少量呋喃类及含硫类化合物。萜烯类化合物种类最多，共检测出41种。大多数萜烯类在植物机体内由质体和细胞质中的乙酰辅酶A和丙酮酸合成。萜烯类化合物的阈值低，如β-水芹烯和月桂烯在水中的阈值仅为0.04 mg/L和0.015 mg/L，FP-1中萜烯类化合物的相对含量最高，占比达到64%，其中α-姜黄烯、β-水芹烯、月桂烯的相对含量较高，分别为（1 016.3±172.4），（991.6±131.3），（856.4±113.3） μg/kg，可能对FP-1的甜香、姜香风味有一定影响。研究表明，芳樟醇的阈值低，仅为0.006 mg/L，是发酵辣椒的关键呈香物质之一，还具有一定的抗炎、抗菌效果。糟辣椒制作过程中加入的生姜和大蒜等配料也会带入部分萜烯类化合物，如α-姜黄烯是姜中的主要挥发性化合物，通过辅料的形式加入糟辣椒中，影响整体风味。

醇类是发酵食品中重要的风味化合物，生物体内大部分醇类物质来自糖的合成代谢途径，通过氨基酸Ehrlich途径或脂质氧化代谢而成。部分不饱和醇类物质的阈值较低，可能对糟辣椒的风味有较大贡献，如2-糠醇的阈值为0.07 mg/L，赋予糟辣椒一定的水果香味。

糟辣椒挥发性香味成分中酯类化合物种类较多，生物体内的酯类化合物通过有机酸和醇类的酶促反应缩合而成。大部分酯类物质有特殊的花香或水果香气，且酯类物质的阈值一般低于相对应的醇类或酸类，表现出较强的气味特征，从而丰富了糟辣椒的风味。乙酸乙酯的阈值为0.5 mg/L，其在FP-4中的相对含量较高，为（433.7±15.6） μg/kg，可能与FP-4的果香，甜香风味属性较强有关。水杨酸乙酯是一种具甜香的酯类化合物，在水中的阈值为0.084 mg/L，具有一定的抗菌作用，是治疗腹泻的药物组分之一。

含硫化合物是植物中一类特殊的天然产物，能产生强烈、刺鼻的味道，是洋葱、大蒜等葱属植物的特征风味物质。研究表明，发酵蔬菜中的含硫风味化合物可能由以氨基酸为前体的酶促反应或美拉德反应而生成，烯丙基甲基硫醚、二烯丙基硫醚和二烯丙基二硫在食品中的呈味阈值和含量较低，是食品风味物质中重要的一类化合物。5种含硫化合物中除3-甲基噻吩外都具有一定的葱、蒜风味，FP-4中含硫化合物含量占比最高（14.5%），然而FP-3中并未检测到该类含有葱、蒜风味的含硫化合物，可能是由于FP-3中该类含硫化合物含量低于检测限并未检测到，若要定量该类含硫化合物较低的糟辣椒样品，含硫化合物检测器，如硫化学发光检测器（SCD）可以达到更低的检测限，硫化物一般阈值较低，可能对不同品牌糟辣椒整体香气差异有重要影响。

酸类、醛类、酮类、酚类、呋喃类以及其他化合物在糟辣椒中的种类虽然较少，但不同化合物的阈值及相对含量有所不同，故对糟辣椒的风味仍具有一定贡献。醛类物质赋香能力强、阈值低且适量的醛类物质有利于辣椒辣味的保持。酸类化合物的相对含量在一定程度上可以协调糟辣椒的整体呈味风格，虽然只检测到5种，但有较高的占比（32.6%～62.3%），其中醋酸的平均值高达2 935.7 μg/kg，FP-3和FP-5中酸类化合物相对含量较高，可能对二者的酸香属性有较大贡献。

3" 结论

糟辣椒风味独特，本研究对香气轮廓进行了感官评价，发现酸香和甜香是糟辣椒主要的香气属性。HS-SPME-GC-MS条件对糟辣椒挥发性物质分析的灵敏度、准确度、峰形等有一定影响。通过单因素试验和正交试验优化糟辣椒挥发性物质萃取条件，最优组合为萃取温度70 ℃、平衡时间10 min、萃取时间40 min、饱和NaCl溶液添加量4 mL。经NIST数据库比对及保留指数双重定性共检测出97种挥发性风味物质，其中萜烯类化合物41种、酯类11种、醇类9种、醛类8种、酮类6种、酸类和含硫化合物各5种、呋喃类4种、酚类3种、其他化合物5种。挥发性化合物在不同糟辣椒中有一定差异，但总体酸类、醇类、萜烯类化合物的相对含量高于其余风味化合物。本研究为糟辣椒挥发性风味化合物的检测和研究提供了参考和依据。

参考文献：

金学欢.贵州省辣椒产业发展研究.贵州：贵州大学，2018.

黄道梅，魏江霖，吴世焕，等.贵州省辣椒加工业发展现状解析.中国调味品，2019，44（10）：187-189，194.

赵令江，杨梅花，贾曼曼，等.凯里特色糟辣椒发酵工艺流程及品质分析.食品安全导刊，2022（28）：85-87.

张洪礼，王伦兴，吴义华，等.不同加工方式对糟辣椒风味物质的影响.保鲜与加工，2022，22（9）：64-70.

WENG Z B， SUN L， WANG F， et al. Assessment the flavor of soybean meal hydrolyzed with Alcalase enzyme under different hydrolysis conditions by E-nose， E-tongue and HS-SPME-GC-MS.Food Chemistry：X，2021，12：100141.

GAO H， YANG F， ZHU B Q， et al. Optimization of HS-SPME-GC-MS for the determination of volatile flavor compounds in Ningxiang pork.Foods，2023，12（2）：297.

杜勃峰，李达，肖仕芸，等.基于HS-SPME-GC-MS及主成分分析综合评价贵州典型辣椒品种香气品质.食品研究与开发，2019，40（7）：149-155.

周晓媛，邓靖，李福枝，等.发酵辣椒的挥发性风味成分分析.食品与生物技术学报，2007（1）：54-59.

郭磊，李为兰，鲁斌，等.响应面优化HS-SPME-GC-MS法分析美味牛肝菌挥发性风味物质.中国调味品，2023，48（2）：163-168.

XIAO Z B， ZHOU X， NIU Y W， et al. Optimization and application of headspace-solid-phase micro-extraction coupled with gas chromatography-mass spectrometry for the determination of volatile compounds in cherry wines.Journal of Chromatography B，2015，978：122-130.

CUEVAS-GLORY L F， SOSA-MOGUEL O， PINO J， et al. GC-MS characterization of volatile compounds in habanero pepper （Capsicum chinense Jacq.） by optimization of headspace solid-phase microextraction conditions.Food Analytical Methods，2015，8：1005-1013.

徐梓焓，舒畅，罗中魏，等.响应面法优化HS-SPME-GC-MS法检测猪肉中挥发性风味物质.食品工业科技，2021，42（6）：252-259.

ZHANG Z， PAWLISZYN J. Headspace solid-phase microextraction.Analytical Chemistry，1993，65（14）：1843-1852.

SCHWAB W， DAVIDOVICH-RIKANATI R， LEWINSOHN E. Biosynthesis of plant-derived flavor compounds.The Plant Journal，2008，54（4）：712-732.

WU Y， DUAN S， ZHAO L， et al. Aroma characterization based on aromatic series analysis in table grapes.Scientific Reports，2016，6：31116.

杨剑.传统发酵辣椒产香微生物的选育及产香机理研究.长沙：湖南农业大学，2020.

LUKIC I， HORVAT I. Differentiation of commercial PDO wines produced in Istria （Croatia） according to variety and harvest year based on HS-SPME-GC/MS volatile aroma compound profiling.Food Technology and Biotechnology，2017，55（1）：95-108.

ZHANG Q X， ZHANG F， GONG C J， et al. Physicochemical， microbial， and aroma characteristics of Chinese pickled red peppers （Capsicum annuum L.） with and without biofilm.RSC Advances，2020，10（11）：6609-6617.

陆宽，王雪雅，孙小静，等.电子鼻结合顶空SPME-GC-MS联用技术分析贵州不同品种辣椒发酵后挥发性成分.食品科学，2018，39（4）：199-205.

NIU Y W， WANG P P， XIAO Q， et al. Characterization of odor-active volatiles and odor contribution based on binary interaction effects in mango and vodka cocktail.Molecules，2020，25（5）：1083.

PIRES E J， TEIXEIRA J A， BRNYIK T， et al.Yeast： the soul of beer's aroma—a review of flavour-active esters and higher alcohols produced by the brewing yeast.Applied Microbiology and Biotechnology，2014，98（5）：1937-1949.

RAJENDRAN S， SILCOCK P， BREMER P， et al. Flavour volatiles of fermented vegetable and fruit substrates： a review.Enviromental Science，2023，28（7）：3236.

PINO J A， MESA J. Contribution of volatile compounds to mango （Mangifera indica L.） aroma.Flavour and Fragrance Journal，2006，21（2）：207-213.

WANG J J， WANG R R， XIAO Q， et al. SPME/GC-MS characterization of volatile compounds of Chinese traditional-chopped pepper during fermentation.International Journal of Food Properties，2019，22（1）：1863-1872.

TOKARSKA B， KARWOWSKA K. The role of sulphur compounds in evaluation of flavouring value of some plant raw materials.Nahrung，1983，27（5）：443-447.

朱照华.含硫风味化合物及其形成原理.江苏调味副食品，2016（3）：4-8.

CHEN Y Y， XU H S， DING S H， et al. Changes in volatile compounds of fermented minced pepper during natural and inoculated fermentation process based on headspace-gas chromatography-ion mobility spectrometry.Food Science amp; Nutrition，2020，8（7）：3362-3379.

吕孝飞，马君义，郭俊炜，等.成熟度指数对不同品种橄榄油脂肪酸、酚类化合物及风味属性的影响.中国油脂，2022，47（1）：28-35.