基于電子鼻、HS-GC-IMS和HS-SPME-GC-MS對5種食用植物油揮發(fā)性風(fēng)味成分分析

袁桃靜, 趙笑潁, 龐一揚, 余遠(yuǎn)江, 白云霞, 孫 寧, 劉小玲,

(1.廣西大學(xué) 輕工與食品工程學(xué)院，南寧 530004； 2.廣西水牛乳工程技術(shù)研究中心，南寧 530000)

食用植物油是人們?nèi)粘Ｉ钪械谋匦杵罚瑸槿梭w提供營養(yǎng)物質(zhì)的同時，給食物增加色澤、香氣和口感[1]?；ㄉ鸵蛱厥獾幕ㄉ阄妒艿较M者的喜愛，其不飽和脂肪酸主要為油酸和亞油酸；大豆油是世界上產(chǎn)量最大的油脂，其不飽和脂肪酸主要為油酸、亞油酸和亞麻酸；玉米油源自玉米胚芽，富含維生素E等營養(yǎng)物質(zhì)，在歐美國家被譽為”長壽油”，其不飽和脂肪酸主要為油酸和亞油酸；油茶籽油取自山茶的果實，有清香氣味，其不飽和脂肪酸中油酸含量高達約80%，因其化學(xué)組成和物理參數(shù)等與橄欖油接近而被譽為”東方橄欖油”；棕櫚油由油棕樹的果實壓榨所得，其飽和脂肪酸主要為棕櫚酸，不飽和脂肪酸主要為油酸，是一種高穩(wěn)定性的煎炸油[2]。不同食用植物油受原料、提取過程和貯藏方式等因素的影響，其風(fēng)味呈現(xiàn)差異性，研究食用油自身的揮發(fā)性成分，對調(diào)控加工食品的風(fēng)味、提高人民生活品質(zhì)具有重要意義。

目前，電子鼻(Electronic nose)、頂空氣相色譜-離子遷移譜(HS-GC-IMS)和固相微萃取-氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(SPME-GC-MS)已分別廣泛應(yīng)用于食品揮發(fā)性風(fēng)味的研究，如水果[3]、蔬菜[4]、茶[5]、酒[6]、食用油[7]以及肉制品[8]等。電子鼻是基于氣體傳感陣列模擬人類嗅覺系統(tǒng)的電子儀器，是一種用途廣泛、快速無損的風(fēng)味分析方法；HS-GC-IMS是基于氣相中不同的氣相離子在電場中遷移速率的差異對離子進行標(biāo)識的一項分析技術(shù)，其優(yōu)點為分析時間短、簡單易操作等；SPME-GC-MS是基于固相微萃取、氣相分離、質(zhì)譜測定相對分子質(zhì)量的一種分析方法，該方法具有靈敏度高、不使用溶劑的特點，但纖維頭易損壞。

本研究分別采用電子鼻、HS-GC-IMS和HS-SPME-GC-MS對花生油、大豆油、玉米油、油茶籽油和棕櫚油揮發(fā)性成分進行分析，并采用相對氣味活度值(Relative odor activity value，ROAV)法確定各食用植物油中的關(guān)鍵風(fēng)味物質(zhì)并分析其共性和差異，在研究5種食用油揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的基礎(chǔ)上，對比3種分析方法得到的風(fēng)味物質(zhì)差異，以期為建立食用植物油指紋圖譜、食用植物油特征香氣的貢獻研究以及食品風(fēng)味加工研究奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 原料與試劑

5個品種共15個食用植物油產(chǎn)品信息見表1，在分析前，食用植物油均在25℃下避光貯存。N-酮C4～C9(國藥集團化學(xué)試劑公司)；氦氣(純度99.999%)；氮氣(純度99.999%)。

表1 食用植物油產(chǎn)品信息

1.1.2 儀器與設(shè)備

PEN3電子鼻(德國Airsense公司)，包含10個金屬氧化物傳感器；CTC CombiPAL自動頂空進樣裝置(瑞士CTC Analytics AG公司)；FlavourSpec 1H1-00053型氣相色譜-離子遷移譜(德國G.A.S.公司)；固相微萃取裝置；50/30 μm二乙烯基苯/碳分子篩/聚二甲基硅氧烷(DVB/CAR/PDMS)萃取頭(美國Supelco)；7890N/5975 GC-MS聯(lián)用儀(美國Agilent公司)。

1.2 試驗方法

1.2.1 電子鼻檢測

稱取(3.00±0.01)g油樣于20 mL具有聚四氟乙烯隔墊密封的頂空瓶中，置于60℃水浴中加熱平衡10 min，電子鼻針頭在同一高度頂空進樣。參數(shù)設(shè)置：清洗時間130 s，預(yù)進樣時間5 s，進樣流速400 mL/min，載氣流速400 mL/min，檢測時間200 s。試驗油樣分別做兩組平行。取穩(wěn)定平緩時間點(180 s)的傳感器信號進行數(shù)據(jù)分析。

1.2.2 HS-GC-IMS分析

參考 Contreras等[7]的方法并做適當(dāng)調(diào)整。稱取(3.00±0.01)g油樣于20 mL具有聚四氟乙烯隔墊密封的頂空瓶中，將頂空瓶60℃加熱孵化10 min后，不分流頂空進樣200 μL。進樣針溫度80℃，進樣口溫度80℃；進樣前清洗時間30 s，進樣后清洗時間6 min。

GC條件：FS-SE-54-CB-0.5石英毛細(xì)管柱(15 m×0.53 mm×0.5 μm)；色譜柱溫度40℃；載氣為氮氣。載氣流速程序為前8 min，保持2 mL/min；8～20 min，從2 mL/min上升至50 mL/min；20～25 min，從50 mL/min上升至100 mL/min；25～30 min，從100 mL/min上升至150 mL/min。

IMS條件：漂移管長度9.8 cm；漂移管溫度60℃；漂移氣為氮氣；漂移氣流速150 mL/min；管內(nèi)線性電壓500 V/cm；放射源β射線(氚，3H)；正離子模式；光譜平均掃描次數(shù)12次。

使用N-酮C4～C9作為外標(biāo)計算揮發(fā)性化合物的保留指數(shù)(RI)，通過GC×IMS Library Search軟件比對保留指數(shù)和GC-IMS庫中標(biāo)準(zhǔn)品的漂移時間鑒定食用植物油中揮發(fā)性有機化合物(VOCs)。試驗油樣分別做兩組平行。

1.2.3 HS-SPME-GC-MS分析

參考Jahouach-Rabai等[9]方法并做適當(dāng)調(diào)整。稱取(3.00±0.01)g油樣于20 mL具有聚四氟乙烯隔墊密封的頂空瓶中，置于60℃恒溫水浴中加熱平衡10 min，將50/30 μm的DVB/CAR/PDMS萃取頭(已在250℃老化30 min)通過隔墊插入頂空瓶中，萃取頭長度控制為2.6 cm，推出纖維頭頂空吸附40 min后，進樣口解吸5 min，用于GC-MS檢測。

GC條件： DB-5彈性毛細(xì)管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)；進樣口溫度250℃；不分流模式進樣；載氣(He)流速1.9 mL/min；升溫程序為柱初溫40℃(保持5 min)，以3℃/min升至140℃，5℃/min升至180℃，8℃/min升至250℃(保持5 min)。

MS條件：離子源(EI)溫度230℃；電子能量70 eV；四極桿溫度150℃；傳輸線溫度250℃；質(zhì)量掃描范圍(m/z)30～450。

各色譜峰經(jīng)Nist14譜庫檢索，列出匹配度大于800的化合物(最大為1 000)，扣除雜峰，采用面積歸一化法確定各組分的相對含量。同一品種的食用油揮發(fā)性成分相對含量以其采樣的3個油樣的“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”表示。試驗油樣分別做兩組平行。

1.2.4 關(guān)鍵揮發(fā)性風(fēng)味化合物的確認(rèn)

采用相對氣味活度值(ROAV)法[10]確定食用植物油中關(guān)鍵揮發(fā)性風(fēng)味化合物，定義對樣品總體風(fēng)味貢獻最大的組分的ROAVstan為100，其他組分(A)的ROAV按式(1)計算。

(1)

式中：CA為各揮發(fā)性化合物的相對含量；Cstan為對樣品總體風(fēng)味貢獻最大的化合物的相對含量；TA為各揮發(fā)性成分相對應(yīng)的感覺閾值；Tstan為對樣品總體風(fēng)味貢獻最大的化合物相對應(yīng)的感覺閾值。

1.2.5 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 20.0、Origin 9.1和Laboratory Analytical Viewer(LAV)進行數(shù)據(jù)處理及繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 電子鼻分析不同品種食用植物油

采用電子鼻對15個食用植物油樣品整體氣味進行分析，同一品種的食用植物油的10個傳感器響應(yīng)值分別取平均值后，得到雷達圖如圖1所示。

由圖1可看出：花生油和油茶籽油的氣味圖譜相似，對傳感器S7響應(yīng)值最高，其次是S9和S2，花生油的3個響應(yīng)值均高于油茶籽油，表明硫化物、芳香化合物和氮氧化合物在花生油中的貢獻大于油茶籽油；大豆油、玉米油和棕櫚油的氣味圖譜基本重合，傳感器S7和S9的響應(yīng)值小于1，傳感器S1、S2、S3、S4、S5、S6、S8和S10的響應(yīng)值約等于1，說明這3種食用植物油氣味較接近且揮發(fā)性成分濃度低。

注：每個傳感器主要敏感氣味為S1(芳香成分)、S2(氮氧化合物)、S3(氨類和芳香成分)、S4(氫化物)、S5(短鏈烷烴芳香成分)、S6(甲基類)、S7(硫化物)、S8(乙醇)、S9(芳香化合物和有機硫化物)、S10(烷烴)。圖1 電子鼻檢測5種食用植物油的雷達圖

采用主成分分析(PCA)對電子鼻采集的數(shù)據(jù)進行差異性分析，結(jié)果如圖2所示。

圖2 電子鼻檢測5種食用植物油的PCA圖

由圖2可看出，第一、第二主成分的總貢獻率為99.55%，超過了85%，說明前兩個主成分能夠很好地反映原始數(shù)據(jù)的大部分信息，但差異主要體現(xiàn)在貢獻率為99.05%的第一主成分上。從同一品種食用植物油之間的距離上看，棕櫚油、玉米油和大豆油的數(shù)據(jù)點最為集中，花生油的數(shù)據(jù)點離散度最高，油茶籽油次之，說明棕櫚油、玉米油和大豆油的自身整體風(fēng)味輪廓接近，而花生油自身的樣品差異較大。從不同品種的食用植物油之間的距離上看，花生油和油茶籽油少部分重疊，說明花生油和油茶籽油揮發(fā)性成分有一定共性，PCA不能進行良好的區(qū)分；大豆油、玉米油、棕櫚油基本重疊，說明這3種食用植物油揮發(fā)性成分整體差異相對較?。换ㄉ秃陀筒枳延团c大豆油、玉米油和棕櫚油無交叉地分布在不同的區(qū)域，說明這兩部分整體的風(fēng)味輪廓差異顯著。

2.2 HS-GC-IMS分析不同品種食用植物油

采用HS-GC-IMS對15個食用植物油樣中的揮發(fā)性有機化合物進行檢測和分析，其中5個有代表性食用植物油樣的GC-IMS二維圖如圖3所示。

注：圖中的亮點深淺為VOCs在IMS中的離子峰強度。圖3 5個食用植物油樣的GC-IMS二維圖

從圖3可以看出，花生油在畫圈區(qū)域的揮發(fā)性有機物明顯多于其他油樣，油茶籽油次之，棕櫚油和大豆油最少。為進一步分析主要揮發(fā)性化合物差異，選取15個食用植物油樣的信號峰進行指紋圖譜比對。依據(jù)特征峰選取原則，將選取的不同揮發(fā)性有機化合物對應(yīng)的特征峰進行分類排序，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，15個食用植物油樣中共檢出56種揮發(fā)性有機化合物，其中定性24種。A框為所有檢測樣品共有的揮發(fā)性有機化合物特征峰區(qū)域，共10種化合物，其中定性8種，分別為戊醛(單體)、己醛(單體)、庚醛、1-戊醇(單體)、1-丙醇、2-丁酮(單體)、辛醛和丁醛(單體)，這類化合物總體呈現(xiàn)脂香、果香、葉香、清香等。B框為花生油的揮發(fā)性有機化合物特征峰區(qū)域，共27種化合物，其中定性8種，分別為2-甲基吡嗪、2,5-二甲基吡嗪、丁醛(二聚體)、正己醇、2,3-丁二酮、2-丁酮(二聚體)、1-戊醇(二聚體)和鄰二甲苯，花生油揮發(fā)性有機化合物不僅種類多且含量較高，在組間表現(xiàn)出明顯差異性。C框為花生油和玉米油共有揮發(fā)性有機化合物特征峰區(qū)域，共5種化合物，其中定性2種，分別為1-丁醇(單體)和1-丁醇(二聚體)。D框為油茶籽油的揮發(fā)性有機化合物特征峰區(qū)域，共2種化合物。E框為花生油和油茶籽油共有的特征峰區(qū)域，共7種化合物，其中定性4種，分別為己醛(二聚體)、戊醛(二聚體)、2-戊酮和2-庚酮。F框中的5種化合物，除了兩種玉米油(CR1和CR2)未檢出定性的化合物二甲羥基呋喃酮和苯甲醛，其余油樣均出現(xiàn)這兩種特征峰。

由圖3和圖4可知：5種食用植物油中共有的揮發(fā)性有機化合物主要為戊醛、己醛等醛類化合物，主要呈現(xiàn)脂香、果香、葉香、清香[11]；花生油的主要揮發(fā)性有機化合物為A、B框中的醛酮類、醇類和吡嗪類物質(zhì)，種類多且含量高，組間呈現(xiàn)出明顯差異性；油茶籽油的揮發(fā)性有機化合物種類和含量均低于花生油；大豆油、玉米油和棕櫚油的揮發(fā)性有機化合物種類少且含量較低。HS-GC-IMS檢測結(jié)果與電子鼻相符，但HS-GC-IMS指紋圖譜能直觀地看出不同品種食用植物油揮發(fā)性有機化合物的差異性。

注：橫坐標(biāo)為選取的特征峰(已定性化合物用文字標(biāo)識，未定性化合物用數(shù)字標(biāo)識)，縱坐標(biāo)為樣品編號。圖4 5種食用植物油HS-GC-IMS譜圖中揮發(fā)性有機化合物的指紋圖譜

2.3 HS-SPME-GC-MS分析不同品種食用植物油

2.3.1 5種食用植物油揮發(fā)性成分

采用頂空固相微萃取法萃取15個食用植物油樣中的揮發(fā)性物質(zhì)并用GC-MS進行分析，所得揮發(fā)性成分如表2所示。

由表2可看出，15個油樣中共檢測出86種化合物，其中醛類22種，酮類10種，醇類7種，烴類6種，芳香族化合物9種，吡嗪類17種，吡咯類3種，酯類4種，酸類4種，呋喃類2種，其他2種，與相關(guān)研究[12-14]有相似之處。5種食用植物油共同的揮發(fā)性化合物有10種，分別為戊醛、己醛、(E)-2-己烯醛、庚醛、(E)-2-辛烯醛、壬醛、2-庚酮、1-戊醇、十二烷和苯，說明其是食用植物油常見的揮發(fā)性成分，與HS-GC-IMS分析結(jié)果一致的共有化合物為戊醛、己醛、庚醛和1-戊醇。

表2 HS-SPME-GC-MS檢測5種食用植物油揮發(fā)性成分及相對含量 %

續(xù)表2 %

續(xù)表2 %

花生油中共鑒定出77種揮發(fā)性成分，包括醛類19種，酮類8種，醇類7種，烴類2種，含硫含氮含雜環(huán)等化合物41種。含硫含氮含雜環(huán)化合物占比最大，達到81.88%；其次是醛類，達到11.20%；酮類、醇類、烴類分別占1.85%、4.81%、0.26%?；ㄉ拖鄬枯^高的化合物有2,5-二甲基吡嗪、2,3-二氫苯并呋喃、2-甲基吡嗪、2-乙基-5-甲基吡嗪、2,3,5-三甲基吡嗪、3-乙基-2,5-二甲基吡嗪、麥芽酚、糠醛、2-甲氧基-4-乙烯基苯酚和2-乙基-6-甲基吡嗪。Baker等[15]研究認(rèn)為吡嗪類化合物中的2,5-二甲基吡嗪可能是衡量花生風(fēng)味最佳的化合物。吡嗪類化合物來源于高溫壓榨花生油過程中氨基酸和糖參與的美拉德反應(yīng)，其含量高且閾值低，為花生油整體風(fēng)味提供了濃郁的堅果香和烘烤香氣。

大豆油中共鑒定出26種揮發(fā)性成分，包括醛類12種，酮類4種，醇類2種，烴類4種，含硫含氮含雜環(huán)化合物4種。醛類占比最大，達到71.71%，酮類、醇類、烴類和含硫含氮含雜環(huán)化合物分別占2.93%、2.18%、11.88%和11.30%。大豆油相對含量較高的化合物有己醛、戊醛、(E,E)-2,4-庚二烯醛、2-正戊基呋喃、庚醛、癸烷、1-辛烯、(E)-2-庚烯醛、十二烷和壬醛。醛類化合物種類豐富、含量高且閾值低，對整體風(fēng)味貢獻較大，其產(chǎn)生途徑主要為油料細(xì)胞破裂后的脂氧合酶(LOX)途徑以及加工和貯藏過程中油脂自動氧化[16]。

玉米油中共鑒定出27種揮發(fā)性成分，包括醛類13種，酮類1種，醇類3種，烴類6種，含硫含氮含雜環(huán)化合物4種。醛類占比最大，達到62.30%，酮類、醇類、烴類和含硫含氮含雜環(huán)化合物分別占3.90%、5.50%、19.41%和8.89%。玉米油相對含量較高的化合物有己醛、戊醛、癸烷、2-正戊基呋喃、(E)-2-庚烯醛、十二烷、2-庚酮、庚醛、1-戊醇和1-辛烯-3-醇。玉米油中酮類和醇類化合物含量雖高，但其閾值較高，對玉米油整體風(fēng)味貢獻較小。

油茶籽油中共鑒定出42種揮發(fā)性成分，包括醛類15種，酮類6種，醇類5種，烴類4種，含硫含氮含雜環(huán)等化合物12種。醛類占比最大，達到64.37%，酮類、醇類、烴類和含硫含氮含雜環(huán)化合物分別占4.23%、6.00%、1.81%和23.58%。油茶籽油相對含量較高的化合物有己醛、壬醛、辛醛、戊醛、庚醛、壬酸、(E)-2-庚烯醛、對二甲苯、1-辛烯-3-醇和2-正戊基呋喃。與韓小苗等[17]的研究結(jié)果相似，其發(fā)現(xiàn)占比為70%左右的醛類物質(zhì)為油茶籽油整體風(fēng)味作出主要貢獻。李梓銘等[18]研究同樣認(rèn)為，物理壓榨與精煉油茶籽油風(fēng)味主體的脂香和青草香主要由閾值低的醛類化合物提供。

棕櫚油中共鑒定出18種揮發(fā)性成分，包括醛類8種，酮類2種，醇類1種，烴類5種，含硫含氮含雜環(huán)化合物2種。醛類占比最大，達到67.01%，酮類、醇類、烴類和含硫含氮含雜環(huán)化合物分別占6.79%、0.36%、18.91%和6.93%。相對含量較高的化合物有己醛、戊醛、癸烷、對二甲苯、十二烷、6-甲基-5-庚烯-2-酮、庚醛、2-庚酮、(E)-2-庚烯醛和壬醛。與電子鼻和HS-GC-IMS檢測結(jié)果相符，棕櫚油揮發(fā)性成分種類少且含量低。

2.3.2 5種食用植物油關(guān)鍵風(fēng)味化合物

采用ROAV法確定食用植物油中關(guān)鍵揮發(fā)性風(fēng)味化合物，以此評價SPME富集的揮發(fā)性物質(zhì)對總體風(fēng)味的貢獻。ROAV越大，化合物對總體風(fēng)味貢獻越大，ROAV≥1的物質(zhì)為樣品的關(guān)鍵風(fēng)味化合物，0.1≤ROAV<1的物質(zhì)為對樣品總體風(fēng)味起到修飾作用的化合物。所有風(fēng)味化合物閾值由相關(guān)資料[11, 19]查閱得到，按照式(1)獲得的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的ROAV如表3所示。

從表3可以看出，花生油、大豆油、玉米油、油茶籽油和棕櫚油的關(guān)鍵風(fēng)味物質(zhì)分別有16、10、13、13、6種。5種食用植物油共同的關(guān)鍵風(fēng)味化合物為己醛(清香、葉香、果香、木香)、壬醛(脂香)和庚醛(風(fēng)干魚肉味)?；ㄉ吞赜械年P(guān)鍵風(fēng)味化合物為3-乙基-2,5-二甲基吡嗪(堅果香)、 2-甲氧基-4-乙烯基苯酚(一定濃度有花香)、 2-乙基-3,5-二甲基吡嗪(堅果香)和2-乙基-5-甲基吡嗪(堅果烘烤香氣)；大豆油特有的關(guān)鍵風(fēng)味化合物為(E,E)-2,4-庚二烯醛(清香)；棕櫚油特有的關(guān)鍵風(fēng)味化合物為6-甲基-5-庚烯-2-酮(果香)；油茶籽油和玉米油沒有特有的風(fēng)味化合物，但油茶籽油中高含量、低閾值的關(guān)鍵風(fēng)味物質(zhì)戊醛、己醛、辛醛和壬醛賦予油脂特殊的清香、果香和脂香；玉米油中ROAV較高的(E,E)-2,4-癸二烯醛、3-甲基丁醛、己醛和(E)-2-壬烯醛賦予了玉米油脂香、果香和黃瓜清香。

3 結(jié) 論

本研究采用電子鼻檢測5種食用植物油揮發(fā)性成分得到整體氣味輪廓；頂空氣相色譜-離子遷移譜(HS-GC-IMS)共檢出56種化合物，其中定性化合物24種，并得到5種食用植物油差異圖譜；頂空固相微萃取-氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(HS-SPME-GC-MS)法共鑒定出86種化合物，花生油、大豆油、玉米油、油茶籽油和棕櫚油揮發(fā)性物質(zhì)分別有77、26、27、42、18種。這3種檢測方法對5種食用植物油揮發(fā)性成分分析結(jié)果存在部分差異但大體相似。

電子鼻檢測發(fā)現(xiàn)，花生油與油茶籽油氣味輪廓相似，且花生油氣味濃度大于油茶籽油，而玉米油、大豆油和棕櫚油整體氣味差異相對較小且濃度較低；HS-GC-IMS鑒定5種食用植物油共有風(fēng)味化合物為戊醛(單體)、己醛(單體)、庚醛、1-戊醇(單體)、1-丙醇、2-丁酮(單體)、辛醛和丁醛(單體)；HS-SPME-GC-MS檢測5種食用植物油共有風(fēng)味化合物為戊醛、己醛、(E)-2-己烯醛、庚醛、(E)-2-辛烯醛、壬醛、2-庚酮、1-戊醇、十二烷和苯，其中共有的關(guān)鍵風(fēng)味化合物為己醛、壬醛和庚醛，花生油、大豆油和棕櫚油的特有關(guān)鍵風(fēng)味化合物分別為吡嗪類化合物、(E,E)-2,4-庚二烯醛和6-甲基-5-庚烯-2-酮。