基于电子鼻和GC-MS技术对山东成武和广西英家大头菜挥发性物质分析

赵慧君，胡事成，张振东，郭壮*

(1.湖北文理学院 食品科学技术学院 鄂西北传统发酵食品研究所，湖北 襄阳 441053；2.湖北襄阳孔明菜食品有限公司，湖北 襄阳 441104)

大头菜是十字花科芸薹属芥菜的一个变种，新采收的大头菜辣味和苦味较浓，一般需腌制后食用，不同地区大头菜的加工方法造就了大头菜风味的差异。山东成武大头菜又叫成武酱大头，属于酱腌菜类，棕红透明，集香、咸、甜三味于一体，2010年被评为国家地理标志产品。广西英家大头菜是广西壮族自治区钟山县的特产，属于腌菜类，色泽淡黄、味美鲜香、咸淡适宜、质地脆嫩，2016年被评为国家地理标志产品。山东成武大头菜和广西英家大头菜都为当地的名优产品，但是对其挥发性物质的研究目前仍是空白。

电子鼻(electronic nose，E-nose)作为一种无损的检测技术，可以规避生理嗅觉的缺陷，利用传感器阵列对不同挥发性物质的响应值并结合参数模型来识别物质[1]。气-质联用法(gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS)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。在电子鼻对挥发性物质有效区分的基础上，采用GC-MS对不同的挥发性物质成分进行鉴定，目前广泛应用于食品挥发性物质的检测。Gao等利用电子鼻和GC-MS联用对12种不同发酵工艺的老抽进行了检测，发现了41种主要挥发性物质，对酱油的评价提供了很大的帮助[2]。Vera等对67个同一品牌和生产工艺但不同产地的啤酒样品进行了检测，结果显示不同产地的啤酒间香气也存在着差异[3]。用同样的方法对中国传统食品虾酱[4]、中华绒螯蟹[5]、陈醋(中国山西陈醋、日本黑醋和意大利香醋)[6]、南瓜[7]、发酵果酒[8]等的挥发性物质进行了检测和分析。电子鼻和GC-MS技术在大头菜挥发性物质的研究上也有应用，曾凡坤等通过蒸馏萃取-气相色谱-质谱联用对传统发酵工艺、脱盐和新工艺生产的重庆菜市场内大头菜的挥发性物质进行了检测，发现新工艺挥发性香气种类高于传统大头菜和脱盐大头菜[9]。洪冰等利用蒸馏萃取和气相色谱-质谱联用技术对自然发酵和接种发酵的大头菜挥发性物质进行了检测，发现接种发酵的大头菜中挥发性物质更多[10]。邓静等采用固相微萃取与气相色谱-质谱联用法对大头菜腌制过程中的挥发性物质进行了检测，结果显示：在腌制过程中，酯类、酸类、醇类、烷烃类及含氮类组分的种类逐渐增加，醛类组分的种类逐渐减少[11]。赵慧君等采用电子鼻技术对四川成都、湖北襄阳和山东菏泽腌制的大头菜样品的风味品质进行了评价，同时采用GC-MS对襄阳大头菜中的挥发性物质进行了检测，发现其主要挥发性风味物质为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[12]。

为研究不同产地大头菜中的挥发性物质，本研究在采用电子鼻对山东成武和广西英家大头菜中挥发性物质进行有效区分的基础上，采用GC-MS对不同的挥发性物质成分进行鉴定，此研究将为后续不同地区大头菜的甄别和挥发性物质指纹图谱的构建奠定基础。

1 材料与方法

1.1 实验材料

广西英家大头菜：采购自淘宝店铺“永盛特产”和“南国风味苑”共14个样品；山东成武大头菜：采购自淘宝店铺“天猫超市”、“绿源生态庄园”和“山东菏泽一鸣特产”共16个样品。

1.2 仪器与设备

HSS 32电子鼻 德国Airsense公司；GC-MS-QP2020气相色谱-质谱联用仪 岛津企业管理(中国)有限公司。

1.3 电子鼻及GC-MS分析测试条件

参照文献[12]。

1.4 数据处理

利用电子鼻自带软件Alphasoft V11进行传感器信号强度处理，基于数据矩阵进行PCA、CCA、CA和多元方差分析。利用Kruskal-Wallis检测各传感器对不同地区大头菜响应值的差异性分析。除雷达图使用Excel 2016软件绘制外，其他图均使用Origin软件绘制。

2 结果与分析

2.1 电子鼻各传感器对山东成武和广西英家大头菜的响应值分析

每个传感器每秒产生的响应值均不同，在进行数据处理与分析时选择各传感器最大响应值进行，山东成武和广西英家大头菜的电子鼻响应值的差异性分析见表1。

表1 传感器对不同地区大头菜响应值的差异性分析Table 1 The difference analysis of sensors to response values of mustard roots from different regions

由表1可知，山东成武大头菜对W5S、W1W传感器的响应值高且与广西英家大头菜的响应值有显著差异(p<0.05)，山东成武大头菜对W1C、W3C、W5C传感器的响应值低且与广西英家大头菜的响应值有显著差异(p<0.05)，山东成武大头菜对W6S、W1S、W2S、W2W、W3S传感器的响应值与广西英家大头菜的响应值无显著差异(p>0.05)。由此可见，广西英家大头菜芳香类物质的含量高于山东成武大头菜。

为进一步研究山东成武大头菜和广西英家大头菜对电子鼻各个传感器的响应值，用雷达图进行了分析，见图1。

图1 基于电子鼻数据的雷达分析图Fig.1 The radar analysis diagram based on electronic nose data

由图1可知，山东成武大头菜对电子鼻的W5S、W6S、W1S、W1W、W2S、W2W、W3S传感器的响应值都比广西英家大头菜高，而W1C、W3C、W5C的响应值则相反。

2.2 山东成武和广西英家大头菜电子鼻传感器响应值的主成分分析

挥发性气味是一种综合的感觉，以单一的金属传感器去分析不够全面，因此进行了PCA分析。基于电子鼻技术对山东成武和广西英家大头菜挥发性物质第一主成分(PC1)和第二主成分(PC2)的因子荷载图见图2。

图2 基于主成分分析的因子荷载图Fig.2 The factor loading diagram based on PCA

由图2可知，PC1由W1S、W2S、W2W、W1C、W3C、W5C组成，贡献率为79.80%；PC2由W1W、W3S、W5S、W6S组成，贡献率为11.8%。PC1和PC2的因子得分达到91.60%，可以反映原始数据的全部信息。芳香性物质对应的传感器W1C、W3C和W5C在第二象限，表明品质较好的大头菜分布在第二象限，第三象限次之，第一象限和第四象限最差。

结合PC1和PC2的因子得分，结果见图3。

图3 基于主成分分析的因子得分图Fig.3 The factor score diagram based on PCA

由图3可知，第二象限中全部为广西英家大头菜，共9个样品，其余5个广西英家大头菜样品在第一象限，且与第二象限距离较近。山东成武大头菜样品位于第三和第四象限。与山东成武大头菜相比，广西英家大头菜的芳香性物质含量更高，氮氧化物、氢化物、有机硫化物和烷烃等物质含量相对较低。

2.3 基于GC-MS技术分析山东成武和广西英家大头菜样品的挥发性物质

利用GC-MS对山东成武和广西英家大头菜中的挥发性物质进行定性检测，共检测到75种挥发性物质，对相对含量超过1%的进行统计，见图4。

图4 大头菜各挥发性物质相对强度值的箱形图(n=30)Fig.4 The box plot of relative intensity of volatile components in mustard roots (n=30)

由图4可知，醋酸、异戊醛(令人愉快的果香)、乙酸乙酯(清灵、微带果香的酒香)、丁醛、甲硫醚(蔬菜香气)和丙酮(辛辣气味)是这两个地区大头菜中主要的挥发性物质。其中醋酸在不同样品中差异性最大，其次为乙酸乙酯，差异性最小的为异戊醛。

利用GC-MS检测到的75种挥发性物质中，酮类6种，占7.28%；醇类11种，占12.30%；酸类3种，占5.66%；醛类10种，占28.78%；硫醚类3种，占18.07%；酯类9种，占8.61%；烯类14种，占10.52%；烷类6种，占4.66%；其他13种，占4.12%。山东成武大头菜中检出35种，广西英家大头菜中检出54种，相对含量见表2。

表2 大头菜中挥发性物质及其相对含量Table 2 The volatile components and their relative content in mustard roots

续 表

由表2可知，相对含量超过1%的6种物质中，丙酮(4.3%)、醋酸(1.93%)和丁醛(9.05%)在山东成武和广西英家大头菜中含量均很丰富，异戊醛(14.16%)和甲硫醚(2.74%)在山东成武大头菜中含量丰富，乙酸乙酯(2.37%)在广西英家大头菜中含量丰富。山东成武和广西英家大头菜中共有的挥发性物质为丙酮、乙醇(微甘，并伴有刺激的辛辣滋味)、醋酸、异戊醛、丁醛、苯甲酸甲酯(浓郁的冬青油和尤南迦油香气)、苯甲酸乙酯(水果气味)。山东成武大头菜每个样品中均含有广西英家大头菜中没有的挥发性物质，包括二奎酸酐、2-丁酮(辛辣气味)、异戊醇(不愉快气味)、苯乙醛(水果的甜香味)、可可醛(果香、木香、草香、巧克力香)、可卡醛、丙烯基乙醚、甲硫醚、2-丁基-4-甲基-1，3-二氧杂环戊烷、二氧杂环庚烷类、L-丙氨酸乙酰胺(S)。

广西英家大头菜的挥发性物质较为杂乱且没有太多规律，其中样品1，2，3中特有的物质较多，包括新薄荷醇、α-松油醇、4-萜烯醇、2-甲基戊醛、环已烯、α-蒎烯、β-蒎烯、月桂烯、水芹烯、α-松油烯、β-罗勒烯、γ-松油烯、α-异松油烯、石竹烯、β-雪松烯、正十四碳烷玫瑰氧化物和顺式-芳樟醇氧化物，这可能与不同厂家的生产工艺不同有关。

3 结论

山东成武和广西英家大头菜均为国家地理标志产品，为研究和比较这两种大头菜的挥发性物质，首先采用电子鼻技术对山东成武和广西英家大头菜的挥发性物质进行了研究，结果发现广西英家大头菜含有的芳香性物质比山东成武高，氮氧化物、氰化物、有机硫化物和烷烃等物质含量相对较低。GC-MS结果表明，异戊醛和甲硫醚在山东成武大头菜中含量丰富，乙酸乙酯在广西英家大头菜中含量丰富，与电子鼻结果相符合。造成这种差异的原因可能有两个：一是大头菜的种植环境不同，山东和广西不同的地域造就了大头菜的不同风味；二是大头菜的制作工艺不同，山东成武大头菜为酱腌菜类，广西英家大头菜为腌菜类。本研究首次研究了不同地区不同类型大头菜中挥发性物质的异同，为今后不同地区间大头菜指纹图谱的绘制奠定了基础。