結(jié)合GC-MS和GC-IMS分析不同處理方式下青麥仁的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)

張康逸，孫嘉卿，張 燦，馮 濤?

（1. 河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)副產(chǎn)品加工研究中心，河南 鄭州 450002；2. 上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)香料香精技術(shù)與工程學(xué)院，上海 201418）

青麥仁是已經(jīng)生長飽滿、處于乳熟期的嫩小麥粒。碧綠鮮亮，富有嚼勁，有青澀新鮮的麥香味，并且含有豐富的蛋白質(zhì)、膳食纖維、葉綠素和α、β兩種淀粉酶，多種營養(yǎng)成分高于成熟小麥，是一種綠色健康食品，有助人體消化、降低血糖的功能[1]。近年來對谷物的攝取受到廣泛的關(guān)注，但目前我國居民人均谷物攝取量偏低[2]。其經(jīng)濟價值和市場前景廣受各界的關(guān)注，具有良好的發(fā)展前景[3]。目前市場上多為對青麥仁面包[4]、面條[5]品質(zhì)以及不同加工工藝[6]風(fēng)味以及酶解技術(shù)[7]的研究，且研究對象多為青麥仁粉，主要關(guān)注在青麥仁制品的品質(zhì)改良等方面的研究[8]，相對其他作物而言，對青麥仁的研究較為單一，尤其是針對不同處理方式產(chǎn)生的風(fēng)味物質(zhì)的對比分析研究較少，本文通過對比不同處理方式下青麥仁的風(fēng)味變化，對今后更優(yōu)化的青麥仁風(fēng)味產(chǎn)品提供新的方向。

氣相色譜-離子遷移譜法（GC-IMS）是近年來在新興技術(shù)領(lǐng)域興起的熱度較高的氣相分離檢測技術(shù)[9]，該技術(shù)結(jié)合了氣相色譜的高分離能力和離子遷移率光譜（IMS）的快速響應(yīng)、高靈敏度、大氣壓下室溫下即可進(jìn)行、無需進(jìn)行預(yù)處理即可提供快速分析，和可變體積進(jìn)樣的優(yōu)點，又彌補了氣相色譜的低鑒別能力[10]。在食品檢測、鑒別[11]、溯源、分級[12]等各個領(lǐng)域發(fā)展迅速。前人已經(jīng)采用許多方法對青麥仁的風(fēng)味做過一些研究[13]，但是將GC-IMS技術(shù)用來表征不同處理方式下的青麥仁揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)指紋圖譜的研究尚未見報道。

1 材料與方法

1.1 材料

實驗用的青麥仁采摘時間、采摘成熟度相似，保存方法為冷藏。其不同處理方式見表1。

表1 青麥仁樣品Table 1 Green wheat kernel sample

1.2 儀器與設(shè)備

FlavourSpec?風(fēng)味分析儀、GCMS（5975C-7890 A）氣質(zhì)聯(lián)用儀、G4513A16位自動進(jìn)樣塔：美國安捷倫科技有限公司；50/20 μm DVB/CAR/PDMS萃取頭：美國色譜科公司；MP5002電子天平：上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司；HH-S2數(shù)顯恒溫水浴鍋：金壇市醫(yī)療儀器廠；2-辛醇：上海源葉生物科技有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 GC-IMS測定條件

頂空進(jìn)樣條件：頂空孵化溫度：40 ℃；孵化時間：15 min；頂空進(jìn)樣針溫度：45 ℃；進(jìn)樣量：500 uL；孵化轉(zhuǎn)速：500 rpm。

GC-IMS條件：色譜柱類型：FS-SE-54-CB-1 15 m ID: 0.53 mm；柱溫：60 ℃；漂移氣（高純N2，純度≥99.999%）；流速：150 mL/min；IMS探測器溫度：45 ℃。

樣品前處理：稱取2 g樣品，置于20 mL頂空瓶中，40 ℃孵育15 min后進(jìn)樣。

1.3.2 GC-MS測定條件

樣品前處理：稱取不同處理的青麥仁樣品各6 g，置于30 mL棕色螺口固相微萃取樣品瓶中，放入80 ℃恒溫水浴鍋中平衡20 min；同時，將固相微萃取頭插入 GC-MS儀的進(jìn)樣口中，在250 ℃條件下老化20 min。然后再將萃取頭插入平衡好的樣品瓶中，在80 ℃恒溫水浴條件下吸附 50 min后取出，插入氣相色譜進(jìn)樣口，解吸6 min。

1.3.3 GC-MS分析條件

色譜條件：色譜毛細(xì)管柱為DB-5MS（60 mm×0.32 mm，1 μm）；色譜柱起始溫度40 ℃，保持2 min，以5 ℃/min的升溫速率升至180 ℃，再以 10 ℃/min的升溫速率升至 250 ℃，并保持10 min。載氣為氦氣，載氣流量為 0.8 mL/min，壓力為3.29×104Pa，進(jìn)樣口溫度為250 ℃，運行時間47 min。

質(zhì)譜條件：電子轟擊（electron impact，IE）離子源，電子能量70 eV，離子源溫度230 ℃，四級桿溫度為 150 ℃，質(zhì)量掃描范圍為 35～450 m/z，溶劑延遲3 min。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用功能軟件 Laboratory Analytical Viewer和分析軟件和三款插件 Reporter、Gallery Plot、Dynamic PCA以及GC×IMS Library Search對圖譜進(jìn)行差異分析，通過內(nèi)置的NIST 2014氣相保留指數(shù)數(shù)據(jù)庫與G.A.S的IMS遷移時間數(shù)據(jù)庫二維定性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 GC-IMS檢測下不同處理方式青麥仁樣品中的風(fēng)味差異

不同處理方式的青麥仁的GC-IMS圖譜見圖1，縱坐標(biāo)代表氣相色譜的保留時間，橫坐標(biāo)代表離子遷移時間，橫坐標(biāo)1.0處豎線為RIP峰（反應(yīng)離子峰，經(jīng)歸一化處理）。RIP峰兩側(cè)的每一個點代表一種揮發(fā)性有機物，顏色越深表示濃度越大。結(jié)合以上說明及GC-IMS二維俯視圖可以對不同樣品之間的揮發(fā)性物質(zhì)組成進(jìn)行直觀比較。與對照青麥仁相比，清洗青麥仁樣品的風(fēng)味譜圖和其較為相似，風(fēng)味物質(zhì)濃度相差不大；譜圖較為相似的漂燙、預(yù)冷、速凍三種處理方式下的青麥仁樣品有了變化，少數(shù)風(fēng)味物質(zhì)濃度有所增加，但對風(fēng)味的影響相對較??；蒸、煮、凍干處理后的青麥仁風(fēng)味物質(zhì)種類以及濃度稍有減少；炒制和凍干樣品的譜圖中，揮發(fā)性物質(zhì)種類最為豐富、與其他處理方式的青麥仁差異最大，最為明顯。

2.2 GC-IMS檢測下不同處理方式青麥仁樣品風(fēng)味物質(zhì)指紋圖譜對比

為了更具體直觀表現(xiàn)不同樣品、不同過程中揮發(fā)性物質(zhì)的變化規(guī)律和相對含量的比較，我們借助 Gallery Plot插件來繪制揮發(fā)性物質(zhì)的指紋譜圖，直觀且定量地比較不同樣品之間的揮發(fā)性有機物差異。

圖 2中每一行代表一個樣品中選取的全部信號峰，圖中每一列代表同一揮發(fā)性有機物在不同樣品中的信號峰。從圖中可以看出每種樣品的完整揮發(fā)性有機物信息以及樣品之間揮發(fā)性有機物的差異。不同樣品的風(fēng)味物質(zhì)變化在Gallery Plot指紋譜圖更加明顯，每一列是不同樣品中的一種風(fēng)味物質(zhì)，顏色深淺代表濃度高低，通過縱向的比較，不同風(fēng)味物質(zhì)濃度呈現(xiàn)一定的規(guī)律，非常直觀。青麥仁中部分風(fēng)味物質(zhì)未準(zhǔn)確定性，我們以阿拉伯?dāng)?shù)字順序編號并放于最后。主要對已準(zhǔn)確定性的44種揮發(fā)性成分進(jìn)行分析，我們把這些物質(zhì)按照醇、醛、酮等進(jìn)行分類，相同種類的物質(zhì)放在一起，以便分析不同加工過程中，樣品中的風(fēng)味物質(zhì)變化規(guī)律。

如圖 2A框可以看到，在不同處理方式下青麥仁中醇類物質(zhì)含量較多，如1-辛烯-3-醇、2-丙醇、戊醇等，尤其是對照青麥仁和清洗青麥仁的醇類物質(zhì)種類和含量最為相近，與上文結(jié)論相符，經(jīng)蒸、煮、炒制以及凍干處理后醇類物質(zhì)含量明顯減少。如圖2B框所示，醛類物質(zhì)如丁醛、反-2-庚烯醛、反，反-2，4-庚二烯醛等物質(zhì)在凍干青麥仁樣品中濃度最高，在蒸煮的處理方式下含量最少。如圖 2C框所示，酮類物質(zhì)如 2-庚酮、環(huán)己酮等在對照和清洗青麥仁中含量最多，經(jīng)蒸煮以及炒制、凍干處理后明顯減少。如圖 2D框所示，乙酸乙酯，乙酸丁酯、乙酸異戊酯等酯類物質(zhì)在速凍處理中含量最多，經(jīng)蒸、煮、炒制、凍干處理后較少。青麥仁樣品中醇、醛及酯類風(fēng)味物質(zhì)的變化與青豆樣品類似。不同的是酮類物質(zhì)，可能由于青麥仁本身酮類物質(zhì)的含量就較高，所以炒制樣品的酮類物質(zhì)樣品點的顏色并不深。

圖2 不同處理方式的青麥仁樣品Gallery Plot指紋譜圖Fig.2 Gallery plot fingerprint of Green wheat kernel samples with different treatment methods

2.3 GC-MS 和GC-IMS兩種不同檢測方式下不同處理方式青麥仁樣品風(fēng)味物質(zhì)對比

表2，3分別為GC-IMS和GC-MS所分析出的9種不同處理方式下的青麥仁的主要風(fēng)味物質(zhì)。

通過對比分析不同處理方式下青麥仁的共有風(fēng)味物質(zhì)，由圖3韋恩圖發(fā)現(xiàn)，GC-MS和GC-IMS共同檢測出的風(fēng)味物質(zhì)一般為4～7種，多為正己醛、苯甲醛、壬醛、庚醛、反-2-辛烯醛等醛類化合物，推測其為青麥仁的主要風(fēng)味物質(zhì)。具體的：正己醛和反-2-辛烯醛為除了速凍方式外，其他八種處理方式在兩種檢測方法下均檢測到的風(fēng)味物質(zhì)；除了煮和凍干外，其他七種處理方式在兩種檢測下均檢測到苯甲醛和壬醛；1-辛烯- 3-醇為清洗、漂燙以及速凍處理下兩種檢測方式共有的風(fēng)味物質(zhì)，與GC-IMS單獨檢測結(jié)果中經(jīng)清洗、漂燙、速凍處理后醇類物質(zhì)含量相對較高的結(jié)果較為一致；在對照和凍干處理下均檢測到苯乙烯為其共有的風(fēng)味物質(zhì)。

在 GC-MS分析出的風(fēng)味物質(zhì)中，結(jié)合表 4的OAV值，得出以下結(jié)論。

表2 G C-IMS分析顯示9種不同處理方式下的青麥仁揮發(fā)性物質(zhì)峰面積Table 2 Peak area of volatile compounds of Green wheat kernel under 9 different treating methods via GC-IMS

醛類中，凍干青麥仁的醛類化合物種類最多且每種OAV值較高，在蒸煮處理下含量最低。驗證了低溫凍干條件下?lián)]發(fā)性成分含量相對較高[14]。以在兩種檢測方式檢測重合性較高的正己醛、苯甲醛為例，除凍干外的工藝處理下其醛類物質(zhì)種類及含量都明顯較少，本研究指紋圖譜中的結(jié)論基本一致。其在溫度較低的速凍以及預(yù)冷的處理方式下醛類物質(zhì)含量和種類也較多，該類成分被認(rèn)為主要是不飽和脂肪酸的自動氧化和水解的產(chǎn)物[15]。

酮類一般被認(rèn)為呈脂香和焦香香氣，并且隨著碳鏈增長呈現(xiàn)出增強的花香氣息。在凍干處理下較明顯的產(chǎn)生了3，5-辛二烯酮、beta-紫羅蘭酮等酮類物質(zhì)。該酮類物質(zhì)是由于類胡蘿卜素（植物烯或植物氟烯）發(fā)生氧化反應(yīng)和縮合反應(yīng)而生成的[16]。

醇類中，以1-辛烯-3-醇為例，很明顯經(jīng)過蒸煮以及炒制處理后，青麥仁中醇類物質(zhì)的含量驟減。這可能來源于脂氧合酶對部分脂肪酸的氧化作用、醇脫氫酶對部分醛類物質(zhì)的還原作用、酯類物質(zhì)水解反應(yīng)的結(jié)果[17]，在多種對谷物的研究中被發(fā)現(xiàn)[18]。而在對照、清洗處理下的青麥仁，雖然醇類物質(zhì)含量較高，但其閾值也較高，對青麥仁香氣主要起柔和作用[19]。

表3 G C-MS分析顯示不同處理方式下的青麥仁主要風(fēng)味物質(zhì)的相對含量（相對內(nèi)標(biāo)物2-辛醇的濃度）Table 3 GC-MS analysis shows the relative content of main flavor compounds (relative internal standard 2-octanol concentration) in different treatment methods %

續(xù)表3

圖3 不同處理方式下GC-MS和GC-IMS的風(fēng)味韋恩圖Fig.3 Venn diagram of flavor of GC-MS and GC-IMS under different treatment methods

酯類物質(zhì)是脂肪氧化產(chǎn)生的游離脂肪酸和醇的相互作用形成的脂降解的產(chǎn)物，在青麥仁中的GC-IMS檢測中發(fā)現(xiàn)的乙酸乙酯、乙酸丁酯、乙酸異戊酯等在 GC-MS中并未檢測到，可能由于相對含量較低，對類似農(nóng)作物的研究表明酯類化合物對農(nóng)作物香氣無特殊貢獻(xiàn)[20]。

表4 G C-MS檢測下9中不同處理方式的青麥仁OAV值大于3的風(fēng)味物質(zhì)Table 4 Flavor compounds with OAV value greater than 3 detected by GC-MS

雜環(huán)類化合物大多是由還原糖降解產(chǎn)生，對青麥仁的風(fēng)味起到不可忽視的作用，尤其是在炒制處理下，2-戊基呋喃就被認(rèn)為是炒制過程中美拉德反應(yīng)的主要產(chǎn)物[21]。也屬于焙烤類食品的特征風(fēng)味[22]。

綜上，可以根據(jù)不同種化合物的總體含量初步對青麥仁的處理方式進(jìn)行判斷。

2.4 不同處理方式下青麥仁樣品的香氣輪廓圖

對9種不同處理方式下的青麥仁中OAV值大于100的風(fēng)味化合物結(jié)合其風(fēng)味特征，采用八個感官描述詞來評價其香氣：綠色脂肪、苦杏仁樣、玫瑰甜香、蠟狀醛香、蘑菇干草香、柑橘果香、蔬菜青香、辛辣干柏油，在OAV值相差不大的情況下按照相對含量建立表5，并繪制香氣輪廓圖。

從圖 4中可以看出，經(jīng)不同方式處理的青麥仁在綠色脂肪的香氣方向比較接近且以此為主，綠色脂肪主要由正己醛、庚醛、順-3-壬烯-1-醇、反- 2-辛烯醛、反式-2-壬醛、(E，E)-2，4-壬二烯醛、(E，E)-2，4-庚二烯醛、反式-2，4-癸二烯醛等醛類化合物貢獻(xiàn)，尤其是凍干處理的青麥仁，其綠色脂肪樣香氣相對占比尤為高，考慮到是凍干處理導(dǎo)致醛類物質(zhì)含量增加，與本研究指紋圖譜結(jié)論一致。

其中，對照、漂燙、清洗青麥仁的風(fēng)味輪廓圖較為相似，依舊以綠色脂肪為主，且含量相當(dāng)，在經(jīng)清洗以及漂燙處理后，蘑菇干草香有所降低，可能是1-辛烯-3-醇等物質(zhì)含量的減少所致，而蠟狀醛香的貢獻(xiàn)稍有增加，可能是壬醛、癸醛、反式-2-己烯醛等醛類物質(zhì)增加所致；經(jīng)炒制處理的青麥仁風(fēng)味輪廓圖與其他處理方式差異最大，尤其是蘑菇干草香含量下降明顯，與本研究經(jīng)炒制處理后青麥仁醇酮類物質(zhì)減少的結(jié)論一致；速凍、預(yù)冷以及蒸煮處理方式下的風(fēng)味輪廓圖較為相似，體現(xiàn)在蔬菜青香（2-正戊基呋喃等化合物含量增加所致）、柑橘果香（甲苯等化合物含量增加所致）都有所增加，蠟狀醛香有所下降。與本研究GC-IMS譜圖變化趨勢一致。

表5 九種青麥仁八個香氣描述詞的相對含量Table 5 Relative contents of eight aroma descriptors of nine Maize Species %

圖4 9 種青麥仁樣品的香氣輪廓圖Fig.4 Aroma profile of 9Green wheat kernel samples

3 結(jié)論

在對速凍、清洗、漂染、預(yù)冷、蒸、煮、炒、凍干以及對照青麥仁通過 GC-MS分析，共得到199種風(fēng)味物質(zhì)，其中不同處理方式下OAV＞100的關(guān)鍵呈香物質(zhì)主要以正己醛、庚醛、苯甲醛、苯乙醛、反-2-辛烯醛、壬醛、反式-2-壬醛、癸醛、(E，E)-2，4-壬二烯醛、BETA-環(huán)檸檬醛等醛類為主。GC-IMS共檢測出68種物質(zhì)，其中34種在庫中能檢索到對應(yīng)的化合物名稱?？傮w看來，在不同處理方式下青麥仁所含的主要風(fēng)味物質(zhì)是固定的，比如，正己醛、壬醛、1-辛烯-3-醇、苯甲醛、反-2-辛烯醛、2-正戊基呋喃等在采用兩種分析時均被證明是不同處理方式下青麥仁的主要風(fēng)味物質(zhì)。但對于不同處理方式的特征風(fēng)味還是有對應(yīng)的變化。初步認(rèn)為，清洗、漂燙工藝與對照青麥仁的風(fēng)味差異不大，且對照和清洗青麥仁中醇類物質(zhì)含量最多，在經(jīng)其他處理方式后醇類物質(zhì)的含量有明顯的下降；與玉米和青豆的變化不同，酮類物質(zhì)在對照和清洗青麥仁中含量最多，在其他處理方式下均有減少的趨勢，可能由于青麥仁本身酮類物質(zhì)的含量就較高；經(jīng)預(yù)冷、速凍等工藝處理后，總體青麥仁香氣輪廓不變，醛、酯類物質(zhì)含量有所增加，速凍處理后的青麥仁酯類物質(zhì)含量最多；在經(jīng)凍干處理后，青麥仁中醛類物質(zhì)含量較多，而經(jīng)蒸煮處理后醛類物質(zhì)明顯下降，達(dá)到最低，與過熱蒸汽處理對燕麥風(fēng)味影響結(jié)論一致[23]；在炒制處理后吡嗪等雜環(huán)類化合物含量增加。根據(jù)本研究中不同處理方式下關(guān)鍵呈香物質(zhì)的差異，下一階段可結(jié)合相關(guān)加工產(chǎn)生特異性風(fēng)味的工藝進(jìn)一步進(jìn)行精細(xì)化研究，以尋找最佳的加工方式。