電子鼻結(jié)合氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)分析貯存條件對馬鈴薯面包揮發(fā)性成分的影響

孫 瑩，苗榕芯，江連洲

（1.哈爾濱商業(yè)大學(xué)旅游與烹飪學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030）

馬鈴薯營養(yǎng)豐富，含有人體必需氨基酸、膳食纖維、蛋白質(zhì)，同時含有較高的碳水化合物、多種維生素及胡蘿卜素等營養(yǎng)成分[1]，是全球第四大糧食作物[2]。2015年農(nóng)業(yè)部把馬鈴薯主糧化列為重要議程，鼓勵研制和生產(chǎn)符合國民飲食習(xí)慣的馬鈴薯主糧化產(chǎn)品[3]。將馬鈴薯全粉和小麥粉混合制成馬鈴薯面包，有利于提高蛋白質(zhì)的功效[4]，增加營養(yǎng)價值，并且能夠使面包的品質(zhì)得到改善[5]。將馬鈴薯全粉添加到面包中，可研制出風(fēng)味和品質(zhì)良好的馬鈴薯面包[6]。由于風(fēng)味物質(zhì)是食品感官檢驗的重要指標(biāo)，而面包風(fēng)味的形成主要來自微生物發(fā)酵、酶反應(yīng)以及烘烤熱反應(yīng)等[7]，在不同方式貯藏過程中揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)極易發(fā)生變化。因此，比較不同貯藏方式和貯藏時間馬鈴薯面包揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)變化，是評價馬鈴薯面包品質(zhì)的重要指標(biāo)之一。

電子鼻技術(shù)采用傳感器陣列獲得被分析物質(zhì)的響應(yīng)信號，利用參數(shù)模型技術(shù)將響應(yīng)信號處理成數(shù)據(jù)，獲得指紋圖譜[8]，對樣品整體風(fēng)味信息的分析，具有操作簡單、靈敏度高等特點[9]，廣泛應(yīng)用于食品各個領(lǐng)域[10-13]。頂空固相微萃取-氣相色譜-質(zhì)譜（headspace solid phase microextraction-gas chromatography-mass spectrometry，HS-SPME-GC-MS）聯(lián)用法是一種對樣品的揮發(fā)性成分進行分離、鑒定的新型方法，可對樣品進行采集、萃取、濃縮和進樣處理，可實現(xiàn)風(fēng)味物質(zhì)定性定量分析，在食品揮發(fā)性成分測定方面應(yīng)用廣泛[14-15]。將兩者結(jié)合可以實現(xiàn)微觀分析與宏觀處理相結(jié)合的馬鈴薯面包風(fēng)味的綜合分析。

目前，國內(nèi)外對于面包揮發(fā)性風(fēng)味的研究較多，Tatsuro等[16]利用靜態(tài)HS-SPME-GC-MS和感官評價白面包中的風(fēng)味化合物，發(fā)現(xiàn)儀器和感官分析結(jié)果不同，主要高估了醇類物質(zhì)對風(fēng)味品質(zhì)的影響。Flander等[17]在面包中加入燕麥全粉和小麥面粉，可增強面包風(fēng)味。齊琳娟等[18]研究小麥麩皮和大豆粉對面包風(fēng)味的影響，小麥麩皮面包風(fēng)味物質(zhì)共87 種，總含量減少11.36%，但使麩皮面包香味更濃郁，全脂大豆粉面包風(fēng)味物質(zhì)共89 種，總含量增加9.89%，且影響風(fēng)味的物質(zhì)含量均增加。但對于不同貯藏時間和貯藏方式處理后馬鈴薯面包揮發(fā)性物質(zhì)變化進行分析和研究較少。

本實驗以馬鈴薯面包為對象，利用電子鼻結(jié)合HSSPME-GC-MS探討不同貯藏時間和貯藏方式下馬鈴薯面包中揮發(fā)性風(fēng)味化合物構(gòu)成及其特征變化，彌補感官評價識別度低的缺點，為其品質(zhì)控制與新鮮度評價提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

黃油 惠州市年年豐糧油有限公司；即發(fā)性活性干酵母、綿白糖 安琪酵母股份有限公司；精制鹽營口鹽業(yè)有限責(zé)任公司；全脂奶粉 內(nèi)蒙古伊利實業(yè)集團股份有限公司；馬鈴薯全粉 上海今良食品技術(shù)有限公司；高筋小麥粉 河北金沙河集團；雞蛋 哈爾濱市家樂福超市。

1.2 儀器與設(shè)備

16/13豪華型食品發(fā)酵箱 廣州市澳聯(lián)斯廚具有限公司；SGB-3Y烤箱 廣州三麥烤箱有限公司；Inose型智鼻 上海瑞玢國際貿(mào)易有限公司；MP5002電子天平上海恒平科學(xué)儀器有限公司；BCD-216SDGK冰箱青島海爾股份有限公司；7890A-5975C GC-MS聯(lián)用儀美國安捷倫公司；Combi PAL頂空萃取裝置 瑞士CTC公司。

1.3 方法

1.3.1 馬鈴薯面包的制作

高筋小麥粉、馬鈴薯粉和奶粉混合后，加入白糖→加入雞蛋、溫水和溶解好的干酵母→揉制面團→加入黃油和鹽，并將黃油和鹽全部揉進面團→整形→醒發(fā)→入烤箱烘焙→冷卻

馬鈴薯面包制作配方：高筋粉85.0 g、馬鈴薯全粉15.0 g、糖17.0 g、奶粉4.0 g、水46.0 g、酵母1.4 g、雞蛋10.0 g、鹽1.0 g、黃油6.0 g。每個面團50.0 g，醒發(fā)60 min，烤箱上火170 ℃，下火160 ℃，烘烤15 min。

1.3.2 馬鈴薯面包的貯藏

以烘烤當(dāng)天記為實驗第1天，烘烤成型后，一批置于室溫4 h后進行測量，即為常溫貯藏第1天數(shù)據(jù)，后常溫貯藏9 d；另一批置于冰箱（2 ℃）冷藏4 h，為冷藏第1天數(shù)據(jù)，后密封冷藏保存9 d分別測量數(shù)據(jù)。

1.3.3 電子鼻測定

分別在第1、2、3、4、5、6、7、8、9天對冷藏和常溫貯藏馬鈴薯面包樣品進行電子鼻檢測。分別取樣品2.0 g置于50 mL頂空瓶中，加蓋密封，室溫放置30 min，待樣品的揮發(fā)性成分至平衡狀態(tài)后，插入電子鼻探頭吸取頂端空氣分析測定其揮發(fā)性物質(zhì)。電子鼻測定參數(shù)：清洗時間120 s，樣品準(zhǔn)備時間10 s，測定時間60 s，載氣流速150 mL/min，每組樣品測定5 次。

1.3.4 HS-SPME-GC-MS分析馬鈴薯面包貯藏過程中揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)

1.3.4.1 揮發(fā)性成分風(fēng)味物質(zhì)的提取

準(zhǔn)確稱取1.0 g面包樣品，放入15 mL SPME樣品瓶中，蓋好瓶蓋，在60 ℃水浴中平衡20 min。后將萃取頭在GC進樣口250 ℃老化30 min去除雜峰，插入裝有2 cm-50/30 μm DVB纖維頭的手動進樣器，頂空萃取40 min。萃取完成后，迅速移出萃取頭，立即插入GC-MS進樣口，以不分流模式熱解吸揮發(fā)物3 min，進行GC-MS聯(lián)機分析。

1.3.4.2 揮發(fā)性風(fēng)味化合物的分析

GC條件：色譜柱為HP-5MS 5% Phenyl Methyl Silox石英毛細(xì)管柱（30 m×250 μm，0.25 μm）；進樣口溫度250 ℃；升溫程序：初始柱溫40 ℃，保持2 min，以6 ℃/min升溫至120 ℃，保持5 min，再以10 ℃/min升至250 ℃，保持8 min；載氣（He）流量1.23 mL/min；柱前壓力10 psi；不分流進樣，溶劑延遲1 min。

1.3.4.3 揮發(fā)性風(fēng)味化合物的定性定量分析

所得GC-MS檢測結(jié)果通過計算機NIST 2008譜庫和人工檢索處理，并利用C8～C20正構(gòu)烷烴的保留時間計算各個色譜峰的保留指數(shù)，參考相關(guān)文獻定性鑒定檢出成分，確定揮發(fā)性物質(zhì)的化學(xué)組成，統(tǒng)計匹配度大于80（最大值100）和純度較高的揮發(fā)性成分，按峰面積歸一法計算各化學(xué)成分的相對含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用電子鼻系統(tǒng)配套的軟件，對馬鈴薯面包常溫和冷藏貯藏1～9 d樣品測定的電子鼻揮發(fā)性成分?jǐn)?shù)據(jù)進行主成分分析（principle component analysis，PCA）、線性判別分析（linear discriminant analysis，LDA）和判別因子分析（discriminat function analysis，DFA），其他數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析使用Excel軟件進行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 電子鼻對不同貯藏方式和貯藏時間馬鈴薯面包的區(qū)分

2.1.1 PCA

由圖1a可知，常溫貯藏9 d馬鈴薯面包主成分1和主成分2貢獻率分別為78.7%和18.8%，總貢獻率為97.5%，大于95%，干擾較小，說明該方法有效且能很好地反映樣品的整體信息，即可以代表樣品揮發(fā)性風(fēng)味的主要特征，每組樣品測定數(shù)據(jù)均呈較小的三角形，說明電子鼻數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和重復(fù)性好。馬鈴薯面包的揮發(fā)性成分隨貯藏時間的延長而變化，且不同貯藏時間的馬鈴薯面包氣味響應(yīng)值沒有重疊區(qū)域，因此可將常溫貯藏樣品較好地進行區(qū)分。由圖1b所示，冷藏9 d馬鈴薯面包主成分1貢獻率為88.4%，主成分2貢獻率為9.3%，總貢獻率為97.7%，說明該方法有效，足以收集特征信息，且響應(yīng)值沒有重疊。

比較圖1a和1b可知，PCA圖差異很大。其原因可能是馬鈴薯面包貯藏的溫度不同，體內(nèi)微生物總數(shù)量及酶活力有很大不同，因此出現(xiàn)異味的速率不同，然而酶活力及微生物作用與水分活度密切相關(guān)，在低溫條件下面包水分活度下降速率低于常溫面包，減緩面包腐敗變質(zhì)[19-20]。由此看來，利用電子鼻結(jié)合PCA對不同貯藏期馬鈴薯面包揮發(fā)性成分的測定可行。

城市里還有一種東西讓人無法忍受，那就是無處不在的惡臭味。西瓜皮、各種腐敗的食物、死老鼠、寵物的尸體等，在烈日和高溫的烘烤下發(fā)酵、蒸騰。

圖1 常溫貯藏（a）和冷藏貯藏（b）9 d馬鈴薯面包電子鼻響應(yīng)值的PCAFig.1 PCA of E-nose responses to potato bread stored at room temperature (a) and under cold conditions (b)

2.1.2 LDA

從圖2a可以看出，常溫貯藏1～9 d馬鈴薯面包樣品判別式LD1和判別式LD2的總貢獻率為97.8%。從圖2b可知，冷藏貯藏樣品判別式LD1和判別式LD2的總貢獻率為97.8%。從2 種貯藏方式不同貯藏期三角形的分布來看，不同貯藏時間樣品互不重疊，區(qū)別明顯，說明該方法可有效地區(qū)分不同貯藏期馬鈴薯面包樣品的揮發(fā)性氣味。常溫和冷藏貯藏第2、3、4、5、6天呈梯隊變化，說明這幾天馬鈴薯面包揮發(fā)性氣味變化較小，具有相似的揮發(fā)性成分，而第7、8、9天風(fēng)味速率變化較大，說明這3 d揮發(fā)性成分變化劇烈，可能發(fā)生變質(zhì)現(xiàn)象。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)是由于不同貯藏期面包老化速率不同，隨貯藏時間延長，面包中自由水減少，結(jié)合水增加，水分含量及狀態(tài)對面包老化速率有顯著影響[21-22]。因此，常溫和冷藏條件下不同貯藏時間的面包，其揮發(fā)性氣味有很大差別。比較圖1與圖2可知，采用LDA區(qū)分效果明顯優(yōu)于PCA。

圖2 常溫貯藏（a）和冷藏貯藏（b）9 d馬鈴薯面包電子鼻響應(yīng)值的LDAFig.2 LDA of E-nose responses to potato bread stored at room temperature (a) and under cold conditions (b)

2.1.3 DFA

圖3 常溫貯藏（a）和冷藏貯藏（b）9 d馬鈴薯面包的DFAFig.3 DFA of potato bread stored at room temperature (a) and under cold conditions (b)

由圖3可知，常溫和冷藏貯藏1～9 d的樣品分別有各自的區(qū)域且不重疊，模型效果良好，可用于對未知樣品進行判別。依據(jù)建立的DFA模型，對常溫貯藏第8天和冷藏貯藏第1天馬鈴薯面包檢驗品進行判別，從圖3可知，常溫第8天和冷藏第1天檢驗品落在相應(yīng)組別中，判別結(jié)果良好。因此可以采用DFA方法建立不同貯藏期馬鈴薯面包識別模型，可對未知貯藏期馬鈴薯面包進行有效識別。而常溫貯藏第5、6、8、9天主要集中在DF1正半軸，其余天數(shù)集中在DF1負(fù)半軸；冷藏貯藏1～9 d全部集中在DF1負(fù)半軸，冷藏和常溫貯藏馬鈴薯面包氣味之間有明顯差異。

2.2 貯藏方式和時間對馬鈴薯面包揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)種類的影響

圖4 常溫第1天（a）、常溫第6天（b）和冷藏第6天（c）馬鈴薯面包揮發(fā)性成分總離子圖Fig.4 Total ion current chromatograms of volatile components of potato bread on the first (a) and sixth (b) day of storage at room temperature and on the sixth day of storage under cold conditions (c)

表1 不同貯藏方式和時間的馬鈴薯面包揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)種類及相對含量Table1 Relative content of each class of volatile flavor compounds in potato bread at different storage times under different conditions

本實驗樣品馬鈴薯面包為未添加防腐劑產(chǎn)品，結(jié)合感官評價和電子鼻分析結(jié)果，馬鈴薯面包在常溫第1天品質(zhì)最優(yōu)，常溫和冷藏第6天品質(zhì)發(fā)生較大的變化。電子鼻雖能看出樣品之間差別，但無法顯示馬鈴薯面包中揮發(fā)性物質(zhì)發(fā)生變化的情況，因此，采用HS-SPME-GC-MS技術(shù)比較常溫第1天、常溫第6天和冷藏第6天3 種馬鈴薯面包揮發(fā)性物質(zhì)變化，不同貯藏期下馬鈴薯面包的主要揮發(fā)性成分總離子見圖4，分析結(jié)果如表1所示。

從圖4可知，常溫第1天、冷藏和常溫貯藏第6天馬鈴薯面包的譜圖峰發(fā)生極大的變化，包括揮發(fā)性風(fēng)味化合物的種類不同，每種風(fēng)味化合物的相對含量也有很大的差異。

如表1所示，常溫第1天馬鈴薯面包樣品共檢測出17 種風(fēng)味化合物，經(jīng)常溫和冷藏2 種方式貯藏6 d后，風(fēng)味化合物分別變?yōu)?4 種和4 種，其中只有1 種物質(zhì)（甲氧基-苯基-肟）為3 種面包共有。在常溫第1天馬鈴薯面包樣品中，酯類物質(zhì)相對含量較高，為57.298%，而常溫和冷藏第6天時，相對含量較高的物質(zhì)分別是醇類和醚類，分別為54.016%和69.143%。在所檢測出的風(fēng)味物質(zhì)中，醇類、酯類和烴類所占比例較大且種類較多。常溫第1天馬鈴薯面包醇類物質(zhì)相對含量為2.922%，經(jīng)過常溫貯藏后變?yōu)?4.016%，增加17.5 倍，而冷藏后為19.407%，增加5.6 倍。常溫第1天樣品中酯類化合物57.298%，冷藏后消失，常溫貯藏后下降82.7%，為9.940%。原樣品中烴類化合物23.366%，冷藏后消失，常溫后變?yōu)?.364%。以上結(jié)果說明，隨貯藏時間延長，馬鈴薯面包揮發(fā)性成分差異較大，風(fēng)味物質(zhì)種類和含量降低。

2.3 貯藏方式和時間對馬鈴薯面包揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)成分的影響

2.3.1 醇類物質(zhì)

表2 不同貯藏方式和時間的馬鈴薯面包揮發(fā)性風(fēng)味成分及相對含量Table2 Volatile flavor compositions of potato bread at different storage times under different conditions

續(xù)表2

醇類物質(zhì)主要產(chǎn)生于脂肪氧化、酯類化合物分解和醛類化合物還原[24]，馬鈴薯面包中油脂含量較高，因此脂質(zhì)的氧化分解是醇類物質(zhì)生成的重要反應(yīng)。大部分醇類物質(zhì)的感知閾值較高，常伴有芳香、植物香、酸敗味和土氣味，樣品中的醇均為不飽和醇，而不飽和醇的閾值相對較低，對馬鈴薯風(fēng)味的貢獻率較高，可賦予面包馬鈴薯的香氣[25]。如表2所示，常溫第1天馬鈴薯面包中為苯乙醇，含量為2.922%，苯乙醇有清純的玫瑰花香，該物質(zhì)也是我國規(guī)定允許使用的香料，被廣泛應(yīng)用于花香油、化妝品香精和食用香精中[26]；冷藏第6天為二甲基硅烷二醇，相對含量為19.407%；常溫貯藏第6天為蘇式-3-溴-2-戊醇、1-氯-2-丙醇、二甲基硅烷二醇和D-薄荷醇，相對含量為54.016%。2 種方式貯藏6 d后，醇類物質(zhì)含量大幅升高，這主要是由于二甲基硅烷二醇的出現(xiàn)引起的，因而猜測該醇可能是造成貯存后期馬鈴薯面包氣味產(chǎn)生變化的主要成分。

2.3.2 酯類物質(zhì)

酯類化合物是酸、醇在高溫作用下生成的產(chǎn)物，為面包帶來果香氣和奶氣[27]，貯藏后酯類含量降低，說明馬鈴薯面包風(fēng)味品質(zhì)下降。從表2可以看出，常溫第1天馬鈴薯面包樣品中醇類和酸類物質(zhì)的比例都很低，但是酯類的比例卻最高，而常溫貯藏第6天樣品中醇類和酸類物質(zhì)比例較高，酯類化合物比例卻不高，因此，醇類和酸類的含量不與酯類含量成正比，其可能和醇、酸的種類有關(guān)。常溫第1天馬鈴薯面包中最主要的酯類物質(zhì)為苯二羧酸甲基丙酯，占樣品酯類總量的76.287%以上，其中O2-丁基O1-（2-甲基丙基）苯-1,2-二羧酸酯和（+）-D-乳酸乙酯僅在常溫貯藏第6天樣品中檢測出，說明樣品在貯藏過程中合成新的酯類物質(zhì)，但是貯藏條件不同合成的物質(zhì)也有很大差別。

2.3.3 烴類物質(zhì)

常溫第1天馬鈴薯面包中有5 種烴類化合物，相對含量為23.366%，高于貯藏后樣品中烴類的含量和種類。由于烴類物質(zhì)具有較高的芳香閾值，不具有風(fēng)味活性，對樣品整體風(fēng)味的貢獻率較小[28]，但其含量豐富，且有些是產(chǎn)生雜環(huán)化合物的重要中間體，有利于提升馬鈴薯面包的整體風(fēng)味品質(zhì)[29]。常溫第1天樣品烴類相對含量為23.366%，約占總化合物含量的25.698%，其中α-異松油烯屬于單萜類化合物，賦予面包微甜的柑橘香氣[30]；而冷藏后烴類物質(zhì)幾乎消失，常溫貯藏后烴類相對含量為6.364%，說明貯藏后馬鈴薯面包整體風(fēng)味下降。

2.3.4 醚、酮、醛、酸類物質(zhì)

醛類是酵母在較高溫度下形成的副產(chǎn)物，常溫第1天馬鈴薯面包中相對含量為3.732%，冷藏后為2.416%，其含量比較小，但由于其風(fēng)味閾值較低，是面包重要風(fēng)味物質(zhì)之一，根據(jù)碳鏈長度差異性，C3～C9醛具有青香、蠟香和脂肪香，C10～C12醛具有花香和柑橘香[29]。常溫第1天樣品中檢測出壬醛和反式-2,4-癸二烯醛，壬醛具有較尖銳的蜜蠟花香、油脂氣味和甜橙氣息，在貯藏后未檢測出，可能是在貯藏過程中該物質(zhì)揮發(fā)。酮類物質(zhì)是脂肪氧化產(chǎn)生的，其閾值范圍遠高于同分異構(gòu)體醛類，對整體風(fēng)味貢獻率較小，所以此類物質(zhì)并不是馬鈴薯面包風(fēng)味主要貢獻物。常溫第6天，3-甲硫基-2-丁酮相對含量為3.543%，據(jù)研究表明酮類化合物會賦予面包焦糊氣味[30]。其他類型的面包風(fēng)味檢測中并未出現(xiàn)醛類，其主要是由馬鈴薯中醇類與淀粉反應(yīng)生成的[31]。因此，馬鈴薯面包與其他類面包相比可出現(xiàn)獨特的香味。從表2可以看出，酸類物質(zhì)僅在常溫貯藏第6天出現(xiàn)，為十六烷酸和肉豆蔻酸，其相對含量分別為7.089%和1.551%。

2.3.5 其他類

其他類包括雜環(huán)及含氮化合物，香氣閾值較低，3 種馬鈴薯面包雜環(huán)及含氮化合物含量變化不大，面包在烘焙過程中發(fā)生一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)反應(yīng)包括美拉德反應(yīng)、焦糖化反應(yīng)、熱降解作用等，隨時間延長，這類物質(zhì)不會消失。甲氧基-苯基-肟是一種含氮類化合物，具有霉味[32]，相對含量由1.790%（常溫第1天）分別增加到7.035%（冷藏第6天）和7.460%（常溫第6天），說明馬鈴薯面包在貯藏過程中品質(zhì)劣變。這一結(jié)論與電子鼻PCA和LDA結(jié)論相符。

3 結(jié) 論

利用HS-SPME-GC-MS對常溫第1天、冷藏第6天和常溫第6天馬鈴薯面包揮發(fā)性物質(zhì)進行檢測分析，共檢測出28 種揮發(fā)性物質(zhì)。3 種馬鈴薯面包揮發(fā)性物質(zhì)含量和種類差別較大，其中常溫第1天馬鈴薯面包以酯類為主要揮發(fā)性成分，可賦予面包果香和奶香，貯藏后含量大量減少，說明樣品貯藏后風(fēng)味品質(zhì)下降，冷藏和常溫貯藏第6天分別以醚類和醇類為主要揮發(fā)性成分。貯藏后二甲基硅烷二醇、二甲醚、苯二羧酸甲基丙酯和反式-1-甲基-4-（1-甲基乙烯基）-環(huán)己烷這些有機物含量差別較大，可能是造成馬鈴薯面包揮發(fā)性氣味不同的主要原因。這一結(jié)果符合電子鼻PCA和LDA結(jié)果，PCA和LDA均能有效地將不同貯藏期的馬鈴薯面包區(qū)分開來，同時利用DFA方法建立馬鈴薯面包不同貯藏期識別庫模型，判別效果良好，但是利用電子鼻技術(shù)不能對揮發(fā)性成分進行定性定量分析，結(jié)合HS-SPME-GC-MS技術(shù)可分析影響面包風(fēng)味變化主要化合物，這將為馬鈴薯面包不同貯藏期鑒別、合理加工及品質(zhì)控制提供參考。