海南與國外香莢蘭質構特性及揮發(fā)性成分差異性分析

霍建文　張筠　徐飛　張彥軍　初眾

摘 要 采用穿刺法分析海南（Hainan，HI）、巴布亞新幾內亞（Papua New Guinea，PNG）、馬達加斯加（Madagascar，MG）香莢蘭質構特性差異，利用電子鼻結合頂空固相微萃取氣質聯(lián)用（HS-SPME-GC-MS）技術對HI與PNG、MG香莢蘭揮發(fā)性成分進行分析比較。質構特性結果顯示：表皮韌性大小關系為HI < PNG、MG，PNG與MG差異不顯著（p>0.05）；表皮硬度表現(xiàn)為HI、MG0.05）；內部硬度和緊實度均表現(xiàn)為HI

關鍵詞 香莢蘭；質構特性；揮發(fā)性成分；電子鼻；頂空固相微萃取氣質聯(lián)用

中圖分類號 TQ654.2 文獻標識碼 A

Abstract The puncture method was used to analyze the differences in the texture characteristics among Hainan （HI）， Papua New Guinea （PNG） and Madagascar （MG）. The electronic nose coupled with headspace solid-phase micro-extraction-gas chromatography-mass spectrometry （HS-SPME-GC-MS） was used to analyze the aroma components of vanilla from HI， PNG and MG. The results indicated that the toughness of the epidermis for HI was lower than that of PNG and MG. PNG and MG were not significantly different （p>0.05）. The skin hardness for HI and MG was lower than that of PNG， HI and MG showed no significant difference （p>0.05）. Internal hardness and firmness of vanilla were shown as HI< MG< PNG. A total of 74 aroma components were identified from the three kinds of vanilla pods through HS-SPME-GC-MS. 45， 50 and 51 of which were detected in PNG， HI and MG of vanilla pods. The main content of vanillin in HI vanilla was 69.11%， slightly lower than that of PNG （75.15%） and MG （74.36%）. Low content and more aroma of the substance with guaiacol， 4-methyl guaiacol and 4-methyl phenol were detected. The relative contents of HI and PNG and MG were different. In addition， 8 kinds of volatile compounds were found in HI， including formic acid， 2-ethylfuran， 2，4，5-trimethyloxazole， 2，3，5，6-tetramethylpyrazine， 1，2-dimethoxybenzene， Damascone， vanillic acid and palmitic acid.

Key words vanilla； texture； aroma components； electronic nose； headspace solid-phase microextraction-gas chromatography-mass spectrometry

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2018.05.025

香莢蘭（Vanilla planifolia Andrews），又名香果蘭、香草蘭，屬熱帶藤本植物，原產于墨西哥[1]，20世紀60年代引入我國，主要種植在海南一帶；新鮮的綠色豆莢并不具有其特征香氣，需要經過殺青、發(fā)酵、干燥、調理4個階段產生一系列酶促及非酶促反應，最終產生迷人的香氣[2]；因此被廣泛應用于食品、高級煙酒、香水及制藥等領域[3]。除此之外，香莢蘭還具有抗氧化、抗癌、降血脂、抑菌等生物活性[4]。

近年來，國內外學者對香莢蘭的研究較深入，大多集中于對風味物質的研究報道。Klimes等[5]在香莢蘭原莢中共檢出了170多種揮發(fā)性成分，其中香草醛被認為是最主要的呈香物質；董智哲等[6]采用固相微萃取和同時蒸餾萃取兩種方法收集香莢蘭豆莢中揮發(fā)性成分，結果表明固相微萃取適合檢測小分子易揮發(fā)的物質，而同時蒸餾萃取側重于檢測極性較弱、水溶性較差的大分子物質，2種方法聯(lián)合使用可更全面地萃取香氣成分；初眾等[7]將香莢蘭的整莢和皮中的香氣成分進行比較研究，結果表明香莢蘭整莢中的大部分揮發(fā)性成分在香莢蘭皮中均有檢測到，且含量及種類較為接近；李智等[8]研究發(fā)現(xiàn)不同等級的香莢蘭中揮發(fā)性成分差異明顯，3個等級的香莢蘭中芳香族化合物含量最高；香草醛、香草酸等主要呈香物質含量不會隨豆莢等級的升高而增加。前人雖然已對香莢蘭風味物質進行了大量的研究，但有關海南與國外香莢蘭的系統(tǒng)比較研究未見報道。因此，本研究采用穿刺法對海南與巴布亞新幾內亞、馬達加斯加香莢蘭質構特性差異性進行分析，同時采用HS-SPME-GC-MS結合電子鼻對豆莢中揮發(fā)性成分進行鑒別，探究本土豆莢與國外豆莢揮發(fā)性香氣成分上的區(qū)別，進一步明晰海南香莢蘭的特征香氣，為海南香莢蘭的有效利用及產品研發(fā)提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

HI香莢蘭（產自海南，單元式熱空氣生香法發(fā)酵，含水率26.85%）、PNG香莢蘭（產自巴布亞新幾內亞，塔希提生香法發(fā)酵，含水率19.33%）、MG香莢蘭（產自馬達加斯加，波旁生香法發(fā)酵，含水率22.16%）由中國熱帶農業(yè)科學院香料飲料研究所提供。

TA-XT plus質構分析儀（英國stable micro system公司）；電子鼻分析系統(tǒng)（法國Alpha M.O.S公司）；CAR/PDMS（75um）固相微萃取頭（美國Supelco公司）；7890A-5975C高效氣相色譜-質譜聯(lián)用儀（美國Agilent公司）。

1.2 方法

1.2.1 質構特性分析 采用質構分析儀對香莢蘭進行TPA（Texture profile analysis）分析，穿刺探頭采用P2N不銹鋼針型探頭，測試在（26±4）℃的溫度環(huán)境下進行。主要儀器設定參數(shù)為：測前速度0.5 mm/s，測試速度0.5 mm/s，測后速度10 mm/s，應變80%，負載觸發(fā)力10 g，數(shù)據采集率500 pps。

1.2.2 電子鼻測試條件 稱取1 g樣品均勻裝入10 mL樣品瓶中，加蓋密封；電子鼻系統(tǒng)配備有5套金屬傳感器，各傳感器性能見表1[9]；G6500-CTC自動進樣器，載氣為凈化空氣；流速150 mL/min；孵化溫度50 ℃；孵化期300 s；注射器溫度60 ℃；注射體積1500 μL；數(shù)據采集延遲時間180 s；采集時間90 s；

樣品平行4次。

1.2.3 HS-SPME條件 參照董智哲等[6]的方法略作改動，稱取1 g香莢蘭粉末，置于15 mL固相萃取瓶中，加蓋密封，將其放入80 ℃恒溫孵化器預熱20 min，再將CAR/PDMS（75μm）纖維頭插入固相萃取瓶中吸附 20 min， GC-MS進樣口解吸附8 min。

1.2.4 GC-MS條件 色譜柱為DB-5MS毛細管柱

（30 m×0.25 mm，0.25 mm）；升溫程序：起始溫度40 ℃，保持2 min，1.5 ℃/min的速率升溫至65 ℃，保持2 min，再以0.5 ℃/min的速率升溫至70 ℃，再以5 ℃/min升溫至90 ℃，再以3 ℃/min升溫至170 ℃，最后以4 ℃/min的速率升溫至220 ℃并保持2 min；載氣為超純氦，流速1 mL/min，不分流進樣。

質譜條件：電子電離源；離子源溫度250 ℃；傳輸線溫度280 ℃；連接口溫度250 ℃；電子能量70 eV；電子倍增電壓1 200 V；掃描方式為全掃描；質量掃描范圍m/z 30～300 amu。

1.3 數(shù)據處理

質構數(shù)據采用SPSS 20.0軟件統(tǒng)計分析，Origin 8.0軟件作圖；電子鼻數(shù)據采用儀器自帶軟件Alpha Soft V 12.0處理，Origin 8.0軟件作圖；GC-MS分析按照GC-MS譜庫（NIST 14，Mainlib， Replib）進行檢索并參考有關文獻定性鑒定檢出成分，與譜庫中化合物相似度低于80%的組分標為未鑒定出，通過峰面積歸一化法確定其相對質量分數(shù)。

2 結果與分析

2.1 質構特性分析

香莢蘭質構特性分析指香莢蘭在外力的作用下，使其發(fā)生形變所需要的力。對香莢蘭進行穿刺試驗，以穿刺過程中時間為橫坐標，測試探頭所處時間的觸發(fā)力為縱坐標作圖，得到不同產地香莢蘭質構穿刺受力曲線見圖1。

從HI樣品的穿刺曲線（圖1-a）可以看到質構針形探頭從莢果表皮插入內部的受力全過程，探頭接觸莢果表皮時力逐漸增加，首先在3.5 s左右產生第一個峰，表皮發(fā)生破裂，峰力值分布在200～400 g之間；破裂之后力值會有短暫的減小，此時開始感應內部力值的變化，伴隨探頭深入，香莢蘭內部感應力值逐漸增大最終達到150～250 g之間。圖1-b為PNG特征曲線，與圖1-a分布規(guī)律不同，第一個峰峰力值分布在350～500 g之間，且峰出現(xiàn)時間相對于圖1-a有所提前，內部感應力值最終達500～700 g之間。圖1-c為MG香莢蘭特征曲線，在第一個峰峰力值與峰出現(xiàn)時間上與圖1-a相似，但豆莢內部感應力值與圖1-a和圖1-b不同，最終范圍分布在400～600 g之間。根據針形探頭穿刺香莢蘭過程受力曲線的出峰時間及受力值分布規(guī)律的不同，反應出3種香莢蘭在質地結構上是有所區(qū)別的，但此分析只能作為簡單直觀的數(shù)據，不能確切地進行比較分析，因此需要對穿刺曲線分析程序（Macro）進行編輯獲得確切參數(shù)，以便更透徹的分析香莢蘭的質構特性[10]。

在孫銳等[11]、趙登超等[12]、馬慶華等[13]、Shiu等[14]研究基礎上結合香莢蘭自身特點分3個階段對穿刺曲線進行解析定義，香莢蘭質構穿刺曲線定義如圖2所示。在測試開始的第一階段，探頭接觸莢果表皮時，受力值逐漸增加，此時0～1 s（縱坐標軸與錨1之間）的陡升值（斜率），可反映豆莢的韌性（g/sec），在達到第一峰力值時，莢果表皮發(fā)生破裂，此時的峰力值表達果莢的表皮硬度（g），第二階段穿刺莢果內部，其對應曲線上45%～85%（錨2與錨3之間）的平均力表示內部硬度，最后階段針形探頭從豆莢中拔出，由于莢果包裹產生負力作用，此時曲線最大負峰力值與穿刺深度比值表達香莢蘭的緊實度（g/mm）。

曲線經解析后得到數(shù)據見表2，對香莢蘭受力的第一階段分析可知，表皮韌性的大小關系為HI0.05），分別為218.545、216.510 g/sec，HI最小僅為61.033 g/sec；表皮硬度大小關系為HI0.05），分別為337.559 g和296.375 g；在內部硬度及緊實度上3種豆莢差異顯著（p<0.05），大小關系均為HI

香莢蘭的生香是一個十分復雜的過程，揮發(fā)性成分含量和種類會由于種植地區(qū)不同而存在差異。Gassenmeier等[28]采用高效液相色譜技術對MG、PNG等來源于7個不同國家的90多組香莢蘭樣本中的主要香氣成分—香草醛的絕對含量進行檢測，發(fā)現(xiàn)不同國家香莢蘭樣本中的香草醛含量各不相同，其中MG香莢蘭中香草醛平均含量為1.78 g/hg，PNG為1.34 g/hg。目前，我國海南發(fā)酵的香莢蘭中香草醛的絕對含量可以達到3 g/hg[29]。其次，加工工藝上的區(qū)別同樣影響著香氣成分的生成。Pardio等[30]研究7種不同殺青工藝條件下處理的豆莢，經發(fā)酵生香3個月后，豆莢內所含有的香草醛、對羥基苯甲醛、香草醇等風味化合物的含量存在差異；江明等[31]研究不同加工條件下與香莢蘭香氣成分轉化相關內源酶的變化規(guī)律時發(fā)現(xiàn)，殺青及發(fā)酵的溫度和時間極大影響著豆莢中內源酶活性損失程度，繼而影響著豆莢整個生香過程中揮發(fā)性香氣成分的轉化。目前，我國主要采用單元式熱空氣加工法生香，巴布亞新幾內亞和馬達加斯加分別采用塔希提法和波旁法生香，3種加工工藝技術條件上的區(qū)別（如殺青、發(fā)酵溫度和時間及方式等）是我國香莢蘭與國外香莢蘭在香氣成分上存在差異的重要因素。

3 討論

采用穿刺法對HI與PNG、MG香莢蘭的質構特性進行分析，結果顯示，在表皮韌性、表皮硬度、內部硬度、緊實度上，HI均表現(xiàn)出小于PNG、MG的趨勢；采用電子鼻結合HP-SPME-GC-MS對揮發(fā)性成分進行分析，通過電子鼻PCA可以將HI與PNG、MG香莢蘭進行區(qū)分；GC-MS共檢出74種揮發(fā)性成分，主要呈香物質香草醛的含量在HI香莢蘭中略低于PNG和MG；檢出的香氣較為強烈物質如愈創(chuàng)木酚、4-甲基愈創(chuàng)木酚等在3種豆莢中的相對含量均存在一定差異。此外，在HI香莢蘭中鑒定出8種特有揮發(fā)性成分，其中4種具有芳香氣味，分別是香草酸、2-乙基呋喃、2，4，5-三甲基唑、2，3，5，6-四甲基吡嗪。各地區(qū)氣候環(huán)境、土壤環(huán)境及加工工藝的不同對香莢蘭等植物類的揮發(fā)性香氣成分的生成均有著極大的影響，劉曄等[32]對廬山云霧茶的揮發(fā)性成分進行研究，發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)所產云霧茶的主要特征香氣成分含量各不相同。郭勝男等[33]利用HS-SPME-GC-MS分析了不同產地肉桂的揮發(fā)性成分，發(fā)現(xiàn)廣西產肉桂與其余產地差異較大，揮發(fā)性成分的種類更多；周斌等[34]比較了不同國家不同烘焙工藝下咖啡的香氣成分，發(fā)現(xiàn)不同樣品中香氣成分種類相似，但含量差別較大。

本研究通過電子鼻結合HP-SPME-GC-MS對我國同國外香莢蘭揮發(fā)性成分進行分析，進一步明晰了海南香莢蘭的特征香氣；同時采用質構儀對香莢蘭質構特性進行分析，以更全面地反映海南香莢蘭同國外香莢蘭的差異，為海南香莢蘭的開發(fā)利用及研究提供重要參考。在后續(xù)工作中，有必要對香莢蘭生長及加工過程中主要香氣成分及其前體物質之間的轉化形成機制進行研究，探討影響香莢蘭揮發(fā)性成分的關鍵因素，提高香莢蘭的風味品質。

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