基于电子鼻和GC-MS技术分析大头菜的挥发性风味物质

赵慧君，王玉荣，李昕沂，赵楠，郭壮*

(1.湖北文理学院食品科学与工程学院 鄂西北传统发酵食品研究所，湖北 襄阳 441053；2.四川省农业科学院农产品加工研究所，成都 610066)

大头菜是以芥菜为原料，经晾晒、腌制、脱水和发酵等工序制作而成的一种传统腌菜[1]。我国四川、湖北和山东等地都有制作和食用大头菜的习俗，但各地加工大头菜的方式略有不同，独特的腌制及发酵方式造就了各地大头菜特有的风味[2]。本研究团队采用电子舌技术和常规理化分析方法对四川成都、湖北襄阳和山东菏泽产大头菜的产品品质进行了评价，结果发现酸味是不同地区产大头菜差异最大的滋味指标[3]，襄阳大头菜食盐含量最高而成武酱大头具有最高的蛋白质、氨基酸态氮、还原糖和总酸含量[4]。风味作为大头菜品质的重要构成部分，直接决定了消费者对产品的喜好程度，然而目前关于不同地区产大头菜风味品质评价的研究报道尚少。

电子鼻是利用气体传感器阵列的响应图案来识别气味的电子系统，能够快速、实时和连续性地监测气味指纹及其变化，然后将测得的指纹数据与建立的标准数据库比对，应用软件进行电子指纹识别[5]，已广泛应用于发酵食品品质动态监测[6]、油脂氧化分析[7]、食品烘焙工艺优化[8]和货架期内食品品质评价[9]等方面。气相色谱-质谱联用仪(gas chromatography-mass spectrometer，GC-MS)综合了色谱法的分离能力和质谱的定性长处，可在较短时间内完成多组分混合物的定性和定量分析，具有灵敏度高、定性能力强的优点[10]，目前已经在大头菜挥发性香味物质分析方面有了广泛的应用[11,12]。

本研究以四川成都地区大头菜、中国地理标识产品湖北襄阳大头菜和山东菏泽成武酱大头为研究对象，采用电子鼻技术对其风味品质进行了评价，并采用GC-MS技术对襄阳大头菜的挥发性风味物质进行了解析，以期为后续大头菜相关产品品质的改良提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

大头菜：从四川成都市郫都区和都江堰市的农户家中采集大头菜样品7个，从襄阳市2家企业和5个农户家中采集大头菜样品7个，从成武县农户家中采集大头菜样品2个并购买袋装大头菜产品2个。

1.2 材料与设备

GCMS-QP2020气相色谱-质谱联用仪 岛津企业管理(中国)有限公司；FOX4000电子鼻 法国Alpha M.O.S公司；SYG-4数显恒温水浴锅 常州朗越仪器制造有限公司；JJ224BC分析天平 常熟市双杰测试仪器厂。

1.3 试验方法

1.3.1 基于FOX4000电子鼻大头菜中敏感类型物质的测定

参照文献[13]中的顶空进样法测定且进行了参数优化。取切碎大头菜样品3.5 g置于20 mL顶空瓶中，密封，每隔2 s以500 r/min的速度搅拌5 s，40 ℃顶空孵化300 s以使风味物质挥发到顶部空间，然后用自动进样器将其抽出汇入载气流。测定参数：以干燥空气为载气，流量为150 mL/min，冲洗时间为120 s，注射器温度为50 ℃，注射量为2.5 mL，注射速度为500 μL/s，持续采集时间为120 s，采集频率为1 s。每个样品重复测定5次，以后4次的结果为本研究的原始数据。FOX4000电子鼻含有3个高效传感器室，共18根传感器，但不同传感器响应性能有交叉部分，为提高其可靠性，对传感器阵列进行了优化，仅使用LY/G，LY/AA，LY/Gh，LY/gCT，LY/gCT1，T30/1，P10/1，P10/2，T70/2，PA/2，P30/1，P30/2，TA/2 13根传感器。测样品时传感器实际响应强度值R=(R1-R0)/R0，其中R1表示各传感器测样品时的电阻值，R0表示各传感器测干燥空气产生的电阻值。

1.3.2 基于GC-MS技术对襄阳大头菜挥发性风味物质的分析

样品处理：称取大头菜样品10 g于顶空样品瓶中，加入0.1 g/mL NaCl溶液，并以带聚四氟乙烯的铝帽密封，置于60 ℃条件下振荡30 min后平衡10 min后进入GC-MS开始采集数据。

GC条件：SH-Rtx-Wax(30 m×2.25 mm×0.25 μm)极性毛细管色谱柱；传输线温度：200 ℃；进样口温度：230 ℃；温控程序：开始温度40 ℃，保持5 min，以5 ℃/min上升至150 ℃，然后以10 ℃/min上升至230 ℃，保持6 min；载气：N2，He，Ar；流量：1.2 mL/min；分流模式进样，分流比：15∶1。

MS条件：离子源：EI离子源；电子能量：(70±0.1) eV；离子源温度：220 V；m/z范围：33.00～450 amu；通过NIST14标准质谱库和保留指数定性对未知化合物进行定性，且仅当匹配度高于80%时的结果才予以采用；采用仪器自带工作站对数据进行面积归一化处理，确定组分的相对含量。

1.4 数据处理

使用电子鼻自带Alphasoft V11软件进行传感器信号强度处理，基于数据矩阵使用主成分分析(principal coordinate analysis，PCA)、典范对应分析(canonical correlation analyses，CCA)、聚类分析(cluster analysis，CA)和多元方差分析(multivariate analysis of variance，MANOVA)对不同地区大头菜风味品质进行评价，使用kruskal-wallis检验对各传感器对不同地区大头菜响应值的差异性进行分析。除雷达图使用Excel 2016软件绘制外，其他图均使用Origin 8.5软件绘制。

2 结果与分析

2.1 基于电子鼻技术对不同地区大头菜风味品质的差异性分析

本研究首先采用电子鼻技术对不同地区大头菜风味品质进行了分析，各传感器响应曲线见图1。

图1 各传感器响应曲线图Fig.1 The response curve of each sensor

由图1可知，每个传感器每秒产生的响应值略有不同，在进行数据处理与分析时，选择各传感器最大响应值进行分析。各传感器对不同地区大头菜响应值的差异性分析见表1。

表1 各传感器对不同地区大头菜响应值的差异性分析Table 1 Significance analysis of each sensor response in salted mustard root collected from different regions

注：0.004±0.002表示平均值±标准差；含有相同字母的同一行数据差异不显著(P<0.05)。

由表1可知，传感器T30/1，P10/2，T70/2，PA/2，P30/1，P30/2，TA/2对湖北襄阳大头菜的响应值显著偏低(P<0.05)，而传感器LY2/gCT呈现出相反的趋势(P>0.05)。由于传感器TA/2，T30/1，T70/2，P30/1，P30/2分别对食物的香气或发酵气味敏感，因而成武酱大头的风味品质优于襄阳大头菜，这可能与其加工工艺有关，成武酱大头为酱大头菜而襄阳大头菜为腌大头菜。值得一提的是，虽然传感器LY2/G，LY2/AA，LY2/Gh，LY2/gCT1，P10/1对不同地区产大头菜的响应值差异亦显著(P<0.05)，但实际响应强度值均接近于0，因而可认为大头菜中不含有胺类和硫化氢等有毒气体。基于主成分的PC1和PC2因子得分图见图2。

图2 不同地区大头菜风味品质的主成分分析Fig.2 Evaluation of the flavor profile characterization of salted mustard root collected from different regions based on principal coordinate analysis

由图2可知，不同地区的大头菜样品虽有部分交叉但整体上呈现出较明显的分离趋势，其中5 个襄阳大头菜样品多数分布在第二象限，4个成武酱大头样品主要分布在第一象限，而四川大头菜主要分布在第三和第四象限。由此可见，不同地区产大头菜的风味品质存在较大差异。本研究进一步使用典范对应分析对不同地区大头菜风味品质进行了评价，结果见图3。

图3 不同地区大头菜风味品质的典范对应分析Fig.3 Evaluation of the flavor profile characterization of salted mustard root collected from different regions based on canonical correlation analysis

由图3可知，相对于无监督的主成分分析，在使用有监督的典范对应分析对18 个样品进行空间排布时，不同地区产大头菜呈现出明显的分离趋势，这进一步证明了不同地区产大头菜样品的风味品质存在较大差异。本研究进一步对不同地区产大头菜风味品质的相似性进行了评价，各传感器对不同地区大头菜响应值的雷达图见图4。

图4 各传感器对不同地区大头菜响应值的雷达图Fig.4 Radar map of each sensor response in salted mustard root collected from different regions

由图4可知，成武酱大头和四川成都地区大头菜的风味品质较为相似，除传感器PA/2外，其他传感器对两类大头菜样品的响应值无明显差异，这与kruskal-wallis检验结果基本一致。由此可见，较之襄阳大头菜，成武酱大头和四川成都地区大头菜风味品质较为相似。本研究进一步采用基于马氏距离的聚类对这一定性结论进行了验证[15]，结果见图5。

图5 不同地区大头菜风味品质的聚类分析Fig.5 Evaluation of the flavor profile characterization of salted mustard root collected from different regions based on cluster analysis

注：“**”表示P<0.01，“***”表示P<0.001。

由图5可知，四川成都地区大头菜和菏泽成武酱大头样品形成了1个聚类，同时两者与襄阳大头菜形成了第2个聚类，这亦验证了较之襄阳大头菜，成武酱大头和四川成都地区大头菜风味品质较为相似。本研究进一步采用MANOVA对不同地区大头菜的风味品质进行了显著性分析，结果发现四川成都地区大头菜和菏泽成武酱大头差异非常显著(P<0.01)，而两者均与襄阳大头菜差异极显著(P<0.001)，这亦与PCA和CCA结果相一致。

2.2 基于GC-MS技术襄阳大头菜挥发性风味物质的分析

本研究使用GC-MS技术对7个襄阳大头菜样品中挥发性风味物质的种类及含量进行了测定，共检测出了37种挥发性风味物质，其中醇类、醚类、醛类、酮类、烷烃类、烯烃类和酯类分别为5，3，9，3，2，11，2种，平均相对含量分别为19.76%，7.00%，35.37%，7.47%，0.17%，14.25%，14.36%。由此可知，襄阳大头菜中主要挥发性风味物质为醛类化合物，襄阳大头菜挥发性风味物质的相对含量见表2。

表2 襄阳大头菜挥发性风味物质的相对含量Table 2 The relative content of volatile flavor components in Xiangyang salted mustard root %

续 表

襄阳大头菜样品中平均相对含量大于5.0%的挥发性风味物质主要为3-丁炔-1-醇、壬醛、乙酸异戊酯、D-柠檬烯、丙酮、乙酸乙酯和异戊醛，其平均相对含量分别为17.52%，13.44%，7.52%，7.19%，7.16%，6.83%，6.11%。不同襄阳大头菜样品中主要挥发性风味物质存在较大的差异，1#样品中含量最多的挥发性风味物质为3-丁炔-1-醇，相对含量为66.24%；2#和5#样品中含量最多的挥发性风味物质均为乙酸乙酯，相对含量分别为12.08%和35.74%；3#和4#样品中含量最多的挥发性风味物质均为壬醛，相对含量分别为43.57%和24.33%；6#样品中含量最多的挥发性风味物质为乙酸异戊酯，相对含量为31.00%；而7#样品中含量较多的挥发性风味物质为苯甲醛和二甲基二硫醚，相对含量分别为19.89%和19.78%。

3 结论

采用电子鼻和GC-MS联合技术对大头菜的风味品质进行了比较研究，结果发现较之襄阳大头菜，成武酱大头和四川成都地区大头菜风味品质较为相似，经GC-MS分析发现襄阳大头菜中主要挥发性风味物质主要为壬醛、1,2-丙二烯-1,3-二酮、3-丁炔-1-醇、乙酸异戊酯、D-柠檬烯、丙酮、乙酸乙酯和异戊醛。