基于氣相-離子遷移色譜分析不同凍干溫度下海膽中揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的變化

傅寶尚，江彩艷，啟航，陳瑤，王書晨，姜鵬飛*

1(國(guó)家海洋食品工程技術(shù)研究中心，大連工業(yè)大學(xué) 食品學(xué)院，遼寧 大連，116034)2(大連乾日海洋食品有限公司，遼寧 大連，116037)

海膽是一類海洋無脊椎動(dòng)物[1]，屬棘皮動(dòng)物門，海膽中含有多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，包括維生素、礦物質(zhì)、蛋白質(zhì)、多糖[2]和高質(zhì)量的多不飽和脂肪酸[3]，且具有抗癌、抗凝血、抗血栓的形成、抗微生物和抗氧化特性等特性。海膽味道鮮美，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高，但在加工貯運(yùn)過程中很容易發(fā)生自溶[4]，極大的影響其食用價(jià)值及口感，為了增加海膽的保存期限，目前以鹽漬、冰鮮海膽和酒精加工為主[5]，但是含鹽量較高、僅可作為調(diào)味品等問題限制了海膽的銷售市場(chǎng)。真空冷凍干燥技術(shù)是一種高效的脫水方法，在食品貯運(yùn)過程中可以最大限度的保持原生鮮食品的色香味及營(yíng)養(yǎng)成分[6]，因此研究不同凍干條件對(duì)海膽不同指標(biāo)的影響對(duì)海膽的加工具有重要的實(shí)際意義，本試驗(yàn)以凍干溫度為變量，研究其對(duì)海膽中揮發(fā)性有機(jī)物質(zhì)含量的影響。

氣相色譜-離子遷移譜(gas chromatography-ion mobility spectrometry，GC-IMS)是一種新型的氣相分離技術(shù)，檢測(cè)時(shí)間快，無需前處理，檢測(cè)結(jié)果穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于食品中風(fēng)味物質(zhì)的分析[7]，如杜曉蘭等[8]對(duì)不同加工方式制作的番鴨肉中的風(fēng)味物質(zhì)進(jìn)行分析，WANG等[9]對(duì)比分析了不同年齡下靖遠(yuǎn)羔羊樣品中的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)之間的差異，王帆等[10]利用GC-IMS技術(shù)對(duì)不同養(yǎng)殖模式下的河蟹中的風(fēng)味物質(zhì)進(jìn)行了研究。風(fēng)味是評(píng)價(jià)海膽性腺新鮮程度的一個(gè)重要指標(biāo)[11]，TAKAGI等[12]研究了攝食海帶對(duì)海膽性腺中風(fēng)味物質(zhì)的影響，結(jié)果表明飼喂海帶會(huì)減少海膽性腺中不好的氣味成分，還增加了海帶的香氣，對(duì)養(yǎng)殖海膽飼料的選擇具有很大的意義。ZHAO等[13]研究了溫度對(duì)海膽性腺產(chǎn)量、顏色和風(fēng)味的影響，研究表明，高溫條件下，海膽性腺的產(chǎn)量值顯著升高，低溫組海膽性腺的顏色和風(fēng)味顯著優(yōu)于高溫組，綜合分析可得高溫有利于提高海膽性腺的產(chǎn)量和指標(biāo)，低溫有利于提高海膽性腺的品質(zhì)。

目前對(duì)海膽中風(fēng)味物質(zhì)的研究多集中于海膽的養(yǎng)殖方面，對(duì)海膽加工過程中以及不同加工條件對(duì)海膽風(fēng)味物質(zhì)造成的影響方面研究較少。因此本文通過對(duì)不同凍干溫度下海膽中揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)之間的差異進(jìn)行研究，以期為后續(xù)海膽的加工提供一定的理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

蝦夷馬糞海膽由大連乾日海洋食品有限公司提供，取鮮活海膽，從圍口部將海膽打開一個(gè)開口，去除內(nèi)臟，取完整的海膽黃，置于速凍倉(cāng)中速凍2 h，使海膽中心溫度低于-30 ℃。打開真空冷凍干燥機(jī)預(yù)熱30 min，打開壓縮機(jī)，當(dāng)冷阱溫度達(dá)到-40 ℃時(shí)將海膽置于托盤中，關(guān)閉倉(cāng)門，打開真空泵，真空度設(shè)置為30 Pa，加熱板溫度分別設(shè)置為30、50、70 ℃。凍干時(shí)間：30 ℃條件下凍干40 h，50 ℃條件下凍干32 h、70 ℃的條件下凍干20 h，凍干后的海膽水分含量<3%。

LG1.5型真空冷凍干燥試驗(yàn)機(jī)，新陽(yáng)速凍設(shè)備制造有限公司；200型電子天平，美國(guó)雙杰兄弟有限公司；FlavourSpec?風(fēng)味分析儀(GC-IMS)，德國(guó)G.A.S公司；MXT-5型色譜柱，美國(guó)RESTEK公司。

1.2 GC-IMS進(jìn)樣方法

稱取凍干海膽樣品各1 g，分別放入20.0 mL頂空進(jìn)樣瓶中，50 ℃孵化20 min，頂空進(jìn)樣后用GC-IMS風(fēng)味儀對(duì)樣品揮發(fā)性成分進(jìn)行分析，參考PU等[14]的方法，略作修改。儀器運(yùn)行實(shí)際參數(shù)設(shè)置如下：頂空孵化溫度：50 ℃；孵育時(shí)間20 min；轉(zhuǎn)速500 r/min；進(jìn)樣針溫度85 ℃；進(jìn)樣體積500.0 μL，不分流模式；載氣為高純N2(純度≥99.99%)；清洗時(shí)間0.5 min。

GC條件：色譜柱溫度 40 ℃；運(yùn)行時(shí)間 20 min；載氣為高純 N2(純度≥99.99%)；初始流速2.0 mL/min，保持10 min后在15 min內(nèi)增至150 mL/min。

IMS條件：MXT-5型色譜柱(柱長(zhǎng)15 m，內(nèi)徑0.53 mm，厚度1 μm)；柱溫60 ℃；漂移氣(N2，純度≥99.99%)；流速150 mL/min；IMS溫度45 ℃；分析時(shí)間20 min。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用風(fēng)味儀Laboratory Analytical Viewer、Reporter、Gallery Plot 和Dynamic PCA 插件分析數(shù)據(jù)。與儀器內(nèi)置的數(shù)據(jù)庫(kù)(GC × IMS Library Search NIST數(shù)據(jù)庫(kù)和IMS數(shù)據(jù)庫(kù))進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)樣品中的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)進(jìn)行定性分析。采用Microsoft Excel 2010對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，柱狀圖采用Origin 2019軟件繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同凍干溫度海膽GC-IMS風(fēng)味成分譜圖分析

圖1是通過GC-IMS技術(shù)對(duì)不同凍干溫度下海膽中的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)所得到的三維譜圖。X軸表示漂移時(shí)間，Y軸表示保留時(shí)間，Z軸表示峰強(qiáng)度，譜圖中的每一個(gè)點(diǎn)代表一種化合物，一種化合物可能會(huì)有兩個(gè)或多個(gè)斑點(diǎn)，代表二聚體或多聚體。氣味成分的含量通過顏色深淺呈現(xiàn)，顏色越深表示該物質(zhì)含量越高。三維譜圖從左到右依次代表在30、50、70 ℃條件下凍干海膽。觀察可得，海膽在不同溫度下凍干的GC-IMS三維譜圖難以用肉眼予以區(qū)分。

圖1 不同凍干溫度海膽中揮發(fā)性物質(zhì)三維譜圖

為了更好地區(qū)分不同凍干溫度下海膽中揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的差異，將圖1中的三維譜圖轉(zhuǎn)化成二維平面圖(圖2)，圖3是扣除與30 ℃凍干海膽相同部分得到的差異對(duì)比圖，進(jìn)一步區(qū)分不同凍干溫度海膽中的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)。由圖3可知，不同凍干溫度下，GC-IMS能夠分離海膽中的不同揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)，且這些物質(zhì)的含量有升高或下降的趨勢(shì)。這可能是由于在凍干過程中，隨著溫度的變化，風(fēng)味物質(zhì)的含量發(fā)生變化[15]。于小番等[16]研究不同中心溫度對(duì)黃顙魚風(fēng)味物質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)較高溫度加工條件下，黃顙魚的香氣更濃郁，其中醛類物質(zhì)對(duì)風(fēng)味貢獻(xiàn)較大。

圖2 不同凍干溫度海膽揮發(fā)性物質(zhì)成分GC-IMS二維圖譜

圖3 不同凍干溫度海膽揮發(fā)性物質(zhì)成分差異對(duì)比

2.2 不同凍干溫度海膽GC-IMS風(fēng)味成分定性分析

根據(jù)揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的遷移時(shí)間、保留時(shí)間和保留指數(shù)，與儀器的數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)比，實(shí)現(xiàn)對(duì)揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的定性。如圖4所示，每一個(gè)數(shù)字代表一種揮發(fā)性物質(zhì)，圖中的物質(zhì)編號(hào)與表1中的編號(hào)一一對(duì)應(yīng)。在不同溫度凍干海膽樣品的40個(gè)信號(hào)峰中共鑒定出24種揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)，其中醛類物質(zhì)15種，醇類物質(zhì)4種，酮類物質(zhì)4種，吡嗪類物質(zhì)1種。

表1 不同凍干溫度海膽中揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)定性分析結(jié)果

圖4 凍干海膽中揮發(fā)性物質(zhì)GC-IMS定性

2.3 不同凍干溫度海膽揮發(fā)性成分指紋圖譜

為了更加直觀區(qū)分不同溫度凍干海膽中揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)含量的差別，利用Gallery Plot插件生成如圖5所示的指紋圖譜，其中每一橫行代表每一個(gè)樣品中所有的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)，每一個(gè)溫度樣品平行測(cè)定3次，每一縱行代表同一種揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)在不同樣品中的含量多少，顏色越深表示含量越多，其中數(shù)字代表未定性的風(fēng)味物質(zhì)。

如圖5所示，A區(qū)域中的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)隨凍干溫度的升高，含量先上升后下降，即在50 ℃凍干時(shí)含量最高，包括乙醇(單聚體、二聚體)和2-庚酮；B區(qū)域中的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)隨凍干溫度的升高，含量先下降后上升，即在50 ℃凍干時(shí)含量最低，包括丁醛和E-2-戊烯醛；C區(qū)域中的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)隨凍干溫度的升高含量逐漸下降，包括丙酮和丁酮(單聚體、二聚體)；D區(qū)域中的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)隨凍干溫度的升高含量逐漸升高，包括2-甲基丙醛和1-辛烯-3-醇；E區(qū)域中的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)在70 ℃凍干海膽中的含量最高，包括2-甲基丁醛、3-甲基丁醛、己醛(單聚體、二聚體)、戊醛、庚醛、2-甲基-2-戊烯醛(單聚體、二聚體)、2,3-二甲基-5-乙基吡嗪，Z-4-庚烯醛、E-2-己烯醛、苯甲醛和(E,E)-2,4-辛二烯醛，其含量明顯高于30、50 ℃凍干海膽中的風(fēng)味物質(zhì)，這可能是由于在較高溫度條件下，發(fā)生了美拉德反應(yīng)[17]，導(dǎo)致3種不同凍干溫度條件下海膽中揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的含量不同，其中醛類物質(zhì)較多，3-甲基丙醛在70 ℃凍干海膽中的相對(duì)含量高達(dá)11.48%，賦予海膽蘋果香氣，對(duì)海膽的風(fēng)味貢獻(xiàn)有積極作用，此外較高溫度凍干有助于減少海膽中的微生物含量[18]。王益強(qiáng)等[19]分析真空冷凍干燥技術(shù)對(duì)食品質(zhì)量的影響，與其他干燥方法對(duì)比，得出真空冷凍干燥技術(shù)在貯藏過程中能夠較好的抑制微生物的生長(zhǎng)繁殖。

圖5 不同凍干溫度海膽中揮發(fā)性物質(zhì)指紋圖譜

為了對(duì)海膽中各類揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的含量進(jìn)行可視化的分析，根據(jù)不同風(fēng)味物質(zhì)的離子峰體積，按照歸一化法換算得到不同凍干溫度海膽中揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的相對(duì)含量，如圖6所示，30 ℃凍干溫度下，海膽中醇類物質(zhì)占比12.59%，醛類物質(zhì)占比41.04%，酮類物質(zhì)占比30.67%，吡嗪類占比1.28%；50 ℃凍干溫度下，海膽中醇類物質(zhì)占比13.84%，醛類物質(zhì)占比41.35%，酮類物質(zhì)占比28.82%，吡嗪類物質(zhì)占比1.37%；70 ℃凍干溫度下，海膽中醇類物質(zhì)占比13.75%，醛類物質(zhì)占比44.72%，酮類物質(zhì)占比24.42%，吡嗪類物質(zhì)占比1.47%。

由圖6可知，在不同凍干溫度下的海膽中，醛類物質(zhì)在含量方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他種類的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)，醛類物質(zhì)閾值較低，對(duì)海膽的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)影響較大。醛類物質(zhì)的相對(duì)含量隨著凍干溫度的升高，呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)，其中己醛單聚體(青草、脂肪)、己醛二聚體(青草、脂肪)、2-甲基丁醛(香甜)、3-甲基丁醛(蘋果香)和2-甲基丙醛(刺激性氣味)的含量在醛類物質(zhì)中占比較高，說明干燥過程會(huì)對(duì)醛類揮發(fā)性物質(zhì)造成一定的破壞[20]，長(zhǎng)時(shí)間的干燥處理會(huì)使其揮發(fā)性風(fēng)物質(zhì)損失，且凍干條件下油脂氧化分解因素的影響減少。羅成等[21]對(duì)比分析了不同干燥方式對(duì)腌臘高原冷水魚中揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的影響，表明醛類物質(zhì)是肉制品加工過程中重要的風(fēng)味成分，且仿天然風(fēng)干方式優(yōu)于烘烤干燥方式。

圖6 不同凍干溫度下海膽中各類揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)相對(duì)含量

其次含量較多的物質(zhì)是酮類物質(zhì)，干燥后酮類化合物有所增強(qiáng)，但真空環(huán)境下不易形成酮類化合物[22]，相對(duì)含量隨著凍干溫度的升高呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)。其中丙酮(辛辣甜)的含量最高，2-丁酮(辛辣甜)的含量次之。

醇類物質(zhì)在海膽風(fēng)味物質(zhì)中的占比低于酮類物質(zhì)，醇類物質(zhì)主要來源于不飽和脂肪酸的氧化，其閾值較高[23-24]，對(duì)海膽的整體風(fēng)味貢獻(xiàn)較小。1-戊烯-3-醇(蘑菇味和青草味)和乙醇單聚體(酒香、刺激性辛辣味)的含量相對(duì)較高，與水產(chǎn)品風(fēng)味之間聯(lián)系密切，隨著凍干溫度的升高，醇類物質(zhì)的含量呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，但是波動(dòng)幅度不大，因此對(duì)凍干海膽的風(fēng)味影響不大。

2.4 不同凍干溫度海膽揮發(fā)性成分主成分分析

多元統(tǒng)計(jì)方法主要是通過降維的方法，將多個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)指標(biāo)，更加直觀的區(qū)分不同變量對(duì)各個(gè)指標(biāo)的影響。對(duì)3種不同凍干溫度海膽中的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)進(jìn)行主成分分析，如圖7所示，不同凍干溫度下，海膽中風(fēng)味物質(zhì)圖譜之間存在明顯差異，30℃與50℃凍干海膽中的風(fēng)味物質(zhì)數(shù)據(jù)相距較近，與70℃凍干海膽相距較遠(yuǎn)，說明70℃凍干海膽中的風(fēng)味物質(zhì)與其他兩種溫度之間存在較大的差異。由圖7可知，主成分1和主成分2累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到96%，且同一凍干溫度下的海膽樣品大致聚在一起，能夠較好的反映不同凍干溫度下海膽中揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)含量之間差異，說明主成分分析能夠較好的區(qū)分不同溫度凍干海膽樣品。

圖7 不同凍干溫度海膽中揮發(fā)性物質(zhì)主成分分析

3 結(jié)論

本研究采用GC-IMS技術(shù)檢測(cè)海膽在3種不同凍干溫度下?lián)]發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)之間存在的差異，共鑒定出24種揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)，包括醛類、酮類、醇類和吡嗪類，隨著凍干溫度的升高，海膽中的醛類物質(zhì)含量逐漸上升，其中己醛(單聚體、二聚體)、2-甲基丁醛、3-甲基丁醛和2-甲基丙醛的含量在醛類物質(zhì)中占比較高，對(duì)海膽風(fēng)味貢獻(xiàn)較大；酮類物質(zhì)含量逐漸下降，丙酮和2-丁酮的含量較高；醇類物質(zhì)含量先上升后下降，1-戊烯-3-醇和乙醇(單聚體)的含量較高，但其對(duì)海膽風(fēng)味物質(zhì)的整體貢獻(xiàn)不大。對(duì)不同凍干溫度海膽中的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)進(jìn)行主成分分析，結(jié)果表明，兩個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到96%，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同凍干溫度海膽的區(qū)分。該研究對(duì)不同凍干溫度海膽中揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)建立了指紋圖譜，可視化的呈現(xiàn)了海膽中揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)輪廓，為之后海膽的加工提供了一定的數(shù)據(jù)支持。