香气指纹图谱应用于山西老陈醋的身份识别

王红广，安 娜，车建途,2,*

（1.北京威力格生物科技有限公司，北京 102200；2.北京威力格生物健康科学研究院，北京 102200）

香气成分是决定食醋风味品质的重要因素，其来源几乎覆盖到食醋酿造的各个阶段[1]。研究发现，不同原料、不同生产工艺的食醋样品，香气成分差异明显[2-8]，且香气成分种类和含量的差异是造成食醋风味和质量不同的主要因素[9-10]，所以香气成分组成是食醋样品自身特性的重要体现。

山西老陈醋风味独特，是我国食醋最具代表性的产品之一[11]。通过香气成分的特异性突出其身份特性，是目前山西老陈醋特征性研究的一个方向。虽然已有文献[12-14]描述了山西老陈醋与其他名醋香气成分之间的差异，但并未突出香气组成对其身份识别的重要性，也未寻求到有效的识别方法或统一标准。

食醋指纹图谱技术近年逐步引起重视[15-20]。指纹图谱技术可通过对食醋的特有品质如香气、元素组成、形状、色泽等进行技术处理后实现对产品身份的分析识别，突出其唯一性[21]。聚类分析法是一种常用的指纹图谱技术质量评价方法，对没有样本所属类别信息的物质，以分类图的形式进行直观地系统分析[22]，适用于对大批量样品进行快速分类或身份识别[23]。

顶空固相微萃取-气相色谱-质谱（headspace solid phase microextraction-gas chromatography mass spectrometry，HS-SPME-GC-MS）联用法是目前香气成分分析研究的主要测试方法[23-29]。由于香气成分对于食醋样品的风味贡献不仅取决于含量还与其嗅觉阈值有关，所以目前多结合嗅探法研究食醋的风味表现[2,30]，但是利用嗅探法对一种食醋样品的身份识别操作过于复杂，且带有一定的主观性。实验以传统工艺生产为筛选标准，选取4 种具有代表性品牌的山西老陈醋样品为研究对象，以其他名醋代表性样品作为对照，采用HS-SPME-GC-MS法进行香气测试和定性定量分析，建立山西老陈醋香气指纹图谱，结合聚类分析法及其香气特性，以期实现对山西老陈醋样品快速准确的身份识别。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

所有食醋样品均以传统工艺生产为筛选条件，共筛选9 款山西老陈醋样品，源自于山西老陈醋的4 个代表性品牌厂家，分别为水塔、紫林、东湖和宁化府，其中水塔醋包含不同类型的山西老陈醋样品，包括2 个不同批次的老醋坊原醋、2 个不同陈酿期（1 a陈酿和5 a陈酿）的市售醋、1 个八一原醋和1 个1 a陈酿原醋；对照样品为保宁醋、镇江香醋、永春老醋3 大名醋的各1～2 款代表性样品（表1）。水塔醋样品由山西水塔集团总部提供，其他食醋样品均购于各品牌指定天猫旗舰店。

表 1 食醋样品Table 1 Vinegar samples tested in this study

糠醛、4-乙基愈创木酚、愈创木酚、5-甲基糠醛、糠醇、3-羟基-2-丁酮、2-甲基丙醇、4-乙基苯酚、香兰素、2,3-丁二醇、辛酸、庚酸、己酸、苯乙醇、苯甲醛、丁二酸二乙酯、3-甲基丁酸（异戊酸）、苯甲酸、苯乙酸、乙酸乙酯、乙酸糠酯、乙酸异戊酯、乙酸苯乙酯、苯甲酸乙酯、γ-壬内酯、3-甲基丁醛、2,3-二乙基-5-甲基吡嗪、三甲基吡嗪、2-乙基-6-甲基吡嗪、二甲基二硫醚美国Sigma公司；乙酸（色谱纯） 美国Themo Fisher公司；丙酮、乙醇、苯酚、氯化钠（均为分析纯）国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

HS-SPME仪、PDMS/CAR/DVB复合（50 µm）SPME萃取头 美国Supelco公司；7890A-5975C GC-MS联用仪 美国Agilent公司。

1.3 方法

1.3.1 样品前处理

向15 mL样品瓶中加入8 mL样品、2.5 g NaCl和磁力转子，迅速用带有聚四氟乙烯隔垫的样品瓶盖拧紧，置于磁力搅拌加热台上，控制温度60 ℃，搅拌加热15 min，样品瓶中的气-液相香气物质达到平衡后，将已活化处理的萃取头插入样品瓶的顶空部分（萃取头距离液面1 cm）进行萃取，在60 ℃提取40 min，然后将萃取头插入GC进样口，在250 ℃热解吸5 min。每个样品重复3 次。

1.3.2 色谱条件

色谱柱：Agilent J&W HP-INNOWAX（60 m×0.25 mm，0.25 µm）；载气为高纯氦气，流速为1 mL/min；固相微萃取手动进样，采用不分流模式，插入GC的进样口，进样口温度250 ℃，热解吸时间5 min；柱温箱的升温程序为40 ℃保持5 min后以5 ℃/min的速率升温至220 ℃，保持10 min。

1.3.3 质谱条件

质谱接口温度为220 ℃，离子源温度为230 ℃，四极杆温度为150 ℃，电离方式为电子电离，离子能量70 eV，质量扫描范围为45～500 u。

1.3.4 定量和定性分析

定性方法：有标准品的成分利用标准品、保留时间和质谱统一定性。将标准品物质利用蒸馏水稀释成适当浓度，按照1.3.1节方法测定保留时间和质谱信息；无标准品的成分以保留时间和质谱进行定性，且仅筛选质谱NIST 11检索结果中匹配度不小于70%的物质为定性成分。

定量方法：绝对含量以峰面积表示，相对含量按照峰面积归一化法进行计算。

1.3.5 对照谱图建立和共有峰匹配

采用中药色谱指纹图谱相似度评价系统软件（2012版）建立每个食醋样品的对照谱图和匹配不同食醋样品的共有指纹峰。按照图1操作流程：1）将每个食醋样品平行3 次测试的样品谱图导入到相似度评价软件中，按照保留时间匹配共有峰，时间窗宽度设置为0.1 min，并按照平均值法生成对照谱图；2）将不同食醋样品的对照谱图导入到相似度评价软件中，同样按照保留时间匹配共有峰，时间窗宽度设置为0.1 min，并根据香气成分定性结果进一步筛选确定最终的共有指纹峰。

图 1 食醋样品对照谱图建立和共有峰匹配操作流程Fig. 1 Flowchart for the construction of reference fingerprint

1.4 数据分析

作图和数据分析：采用Origin 9.1软件结合Excel 2007。

层次聚类分析：依据样品峰面积本身所具有定量的特征对大量数据进行分组归类以了解数据集的内在结构[31]。聚类分析的数据处理方法采用空间伸缩性表现较好的组平均距离法[32]。

2 结果与分析

2.1 山西老陈醋香气指纹图谱

2.1.1 方法重复性考察结果

由于检测到的食醋香气成分复杂多样，不同的香气成分含量差异很大（图2），而乙酸作为所有食醋样品共性成分，含量普遍较高，以乙酸的保留时间和相对含量的变异系数考察方法的重复性。选择老醋坊原醋样品S2，连续平行进样6 次，计算乙酸保留时间和相对含量的变异系数（表2）。乙酸保留时间变异系数为0.05%，说明方法在成分保留时间定性方面较为稳定，有利于指纹图谱共有峰的匹配；乙酸相对含量变异系数为6.67%，与文献[33]结果相符，方法重复性较为理想。另外，相对于中药指纹图谱分析方法精密度控制不大于5%[34]的要求，乙酸含量变异系数相对偏高，可能原因是香气成分本身挥发性较大，种类又多，其在SPME萃取头涂层上的分配系数和传质速率又受温度和时间的影响[35]，所以温度波动、时间控制、人为操作等因素都有可能造成测试误差。目前香气成分测试的文献报道[2-8]普遍采用3～5 次平行测试的平均值作为最终测试结果。

图 2 山西老陈醋样品GC-MS谱图Fig. 2 GC-MS chromatogram of SAV

表 2 方法重复性分析Table 2 Repeatability of GC-MS

2.1.2 山西老陈醋香气指纹图谱的建立

研究[36]发现，山西老陈醋的香气成分主要来源于生产原料和酿造过程，取决于功能微生物的代谢活动，受控于生产条件对群体微生物代谢反应及后处理化学反应的调节，所以不同品牌或类型山西老陈醋样品由于部分生产条件的不同，香气组成会存在一定的差异（图3），口感和风味也略有不同。山西老陈醋代表性的风味特征应该是所有山西老陈醋样品的共有特性，所以利用9 款山西老陈醋样品的共有香气成分建立其香气指纹图谱更具有说服力。将首先将9 款山西老陈醋样品按照1.3.5节进行共有峰匹配，并生成对照谱图，各成分含量按照对照谱图峰面积的归一化法进行相对计算。9 款样品共匹配到82 个共有峰（图4），按照1.3.4节对共有峰进一步定性和筛选，最后确认44 种山西老陈醋共有香气成分，包含酸类、醇类、酯类、醛酮类、杂环类、其他6 大类（表3）。

图 3 9 款山西老陈醋样品的对照谱图Fig. 3 Reference chromatograms of 9 SAVs

图 4 山西老陈醋共有峰匹配结果Fig. 4 Matching of peaks common to 9 SAVs

表 3 山西老陈醋的共有香气成分Table 3 Aroma components common to 9 SAVs

续表3

山西老陈醋定性的44 种共有香气成分相对总含量占89.32%，具有代表性。根据表3 种各香气成分的保留时间和平均峰面积，绘制山西老陈醋的共有香气成分分布图（图5），以此作为山西老陈醋的香气指纹图谱。

对比山西老陈醋各类香气成分的数量和含量（图6），由于乙酸的存在，酸类物质含量明显较高，但数量并不多，其他酸类物质含量也普遍较低；在酸味的基础上，杂环类物质无论数量或含量均占优势，风味表现以坚果味、烤香味为主，很可能是山西老陈醋风味特性的主要体现；醇类物质数量和含量仅次于杂环类物质，风味以坚果味、醇香味、花香为主；醛酮类物质虽然种类较多，但含量偏低，风味表现同样以坚果味、咖啡香为主；酯类物质总含量与醛酮类物质相当，风味则以花香味、果香为主；酚类物质和其他类物质虽然种类和含量均不高，但也赋予了山西老陈醋更加丰富的风味特征。

图 5 山西老陈醋香气指纹图谱Fig. 5 Aroma fingerprint of SAV

图 6 山西老陈醋各类共有香气成分的数量和相对含量Fig. 6 Number and relative contents of aroma components common to 9 SAVs

2.2 山西老陈醋的身份识别

2.2.1 聚类分析

选择四大名醋的其他名醋作为对照样品，通过香气成分的对比突出山西老陈醋的身份特性。以山西老陈醋香气指纹图谱作为参照样品（记为R），利用共有香气对所有山西老陈醋样品和对照样品进行聚类分析（图7）。当距离阈值取0.018＜λ＜0.064时，食醋样品可以分为四大集合，分别为{S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7，S8，S9，R}、{S11}、{S12，S13}和{S10}，对应的正好是山西老陈醋、镇江香醋、永春老醋和保宁醋，并且与参照样品R同一个集合的所有样品均属于山西老陈醋样品，所以山西老陈醋香气指纹图谱具有一定代表性，在适当阈值条件下，可以实现对山西老陈醋样品的身份识别；而当阈值λ＞0.064时，其他名醋样品也与山西老陈醋样品归为一类，所以聚类分析用于山西老陈醋样品的身份识别还存在一定的模糊性，需要考虑设定合适的阈值。由此可见，聚类分析法能够实现对山西老陈醋样品身份的模糊识别，可以作为其身份识别的一个重要参考。

2.2.2 香气风味特性分析

分析山西老陈醋44 种共有香气（表3），首先乙酸作为食醋样品主要的呈味物质对风味影响较大[38]，是酸性风味的代表；其次共有香气中还有两大主要风味类型，分别为以咖啡香、坚果香、烤香味为代表的较为浓厚型香气风味和以果香、花香为代表的清新型香气风味。共有香气成分中3 种主要风味类型代表性香气（表4）的总数和总含量分别占45.5%和73.3%（相对于共有香气总数和总含量进行计算），比重较大，所以三者的组成和比例关系很可能是山西老陈醋香气特性的重要体现。

表 4 山西老陈醋3 大主要风味类型的代表性香气Table 4 Representative aroma components of three main flavor types of SAV

分别计算各山西老陈醋样品中的乙酸含量（记为A值）、9 种浓厚型香气总含量（记为D值）、10 种清新型香气总含量（记为F值），并与对照样品进行对比（图8）。乙酸含量山西老陈醋与永春老醋样品含量相对较高，而保宁醋和镇江香醋含量相对较低；清新型香气含量永春老醋样品含量明显较高，其次是镇江香醋，山西老陈醋与保宁醋相对较低；浓厚型香气永春老醋含量明显低于其他名醋，而不同的山西老陈醋样品间含量差异也比较明显。由此可见，四大名醋香气成分中的A值、D值和F值的分配比例各不相同，其中山西老陈醋在A值与D值方面稍占优势，而F值相对较弱，即山西老陈醋相对于其他名醋在酸性风味和浓厚型风味特性表现更为突出。

图 8 不同醋样间A、D、F值对比Fig. 8 A, D and F values of different vinegar samples

为更加直观突出山西老陈醋的优势香气特性，实验将山西老陈醋具有优势的A值和D值相乘，并除以相对较弱的F值，然后将其结果的100 倍作为一个山西老陈醋的香气特性参数（记为P值），计算公式如下：

另外，由于3 种风味类型参数中A值所占比重相对较高，且各样品间A值的差异化也相对较小，所以实验进一步将A值差异化进行了放大，将P值计算公式中的A值替换为A2值，作为另一个香气特性参数（记为Ps值），计算公式如下：

分别对比山西老陈醋样品和对照样品的P值和Ps值（图9），可见P值和Ps值均明显放大了山西老陈醋与其他名醋的差异化，且突显出了所有山西老陈醋样品，其中Ps值突显效果更好；所有山西老陈醋样品的Ps值均在5以上，而其他名醋Ps值均趋近于0，所以Ps值也可以作为山西老陈醋样品身份识别的一个参考因子。相比前文香气指纹图谱的聚类分析，Ps值缺少了整体香气类型的对比信息，但在一定程度上却弥补了聚类分析的模糊性，选择性更高。所以香气特性参数Ps值可以作为聚类分析的补充，提高对山西老陈醋样品身份识别的准确性和可靠性。

图 9 不同醋样P值（A）和Ps值（B）对比Fig. 9 P (A) and Ps (B) values of different vinegar samples

3 讨 论

目前，市场上销售的山西老陈醋类型日渐繁多，口味也具有多样性，为突出山西老陈醋的独特性，实验筛选9 款不同类型的山西老陈醋样品，且以传统工艺酿造的手工醋为主，以此来建立山西老陈醋的香气指纹图谱并突出其风味特征更具有代表性和说服力。

实验通过指纹图谱共有峰匹配与定性定量分析结合的方式，筛选出44 种山西老陈醋的共有香气成分，并以此建立山西老陈醋香气指纹图谱。通过香气风味特性分析，山西老陈醋相对于其他名醋在酸性和浓厚型风味相对突出，而清新型风味相对较弱。根据山西老陈醋香气指纹图谱和主要风味类型特点，实验建立了一个快速准确识别山西老陈醋身份的方法，即首先利用香气指纹图谱的聚类分析对样品进行模糊识别，然后利用香气特性参数Ps值进一步比较筛选，确认山西老陈醋样品的身份。

在食醋工业高速发展的今天，山西老陈醋香气指纹图谱的身份识别功能具有广泛的应用前景，如可用于辅助真伪鉴定，也可用于生产中产品风味的质量控制，同时也有助于山西老陈醋质量标准的制定。当然，由于实验研究的样品数量和种类有限，而山西老陈醋样品成分复杂多样[36]，不同成分的分析方法也不同，要建立统一的质量标准，还需要更多的研究数据。