主成分分析法在研究宜宾芽菜风味物质变化中的应用

左　勇，王小龙，江　鹏，傅　彬，杨小龙，叶碧霞，张　晶

（四川理工学院生物工程学院，四川自贡643000）

主成分分析法在研究宜宾芽菜风味物质变化中的应用

左勇，王小龙，江鹏，傅彬，杨小龙，叶碧霞，张晶

（四川理工学院生物工程学院，四川自贡643000）

为研究宜宾芽菜发酵过程中风味物质变化情况，采用HS-GC-MS法对宜宾芽菜发酵过程中不同时期的样本分析，以该数据为样本，用主成分分析法研究其主要特征风味物质。结果表明：不同发酵时间段共检测出78种香味物质，其中有烯烃类21种、醇类23种、酯类12种、醛类4种、酮类7种、醚类3种、苯环类6种和其他类2种；利用主成分分析法共提取出6个主成分及对宜宾芽菜香味影响较大的物质12种。通过本文的研究能够掌握芽菜发酵过程中的风味变化，为芽菜的风味改善和新产品研发提供理论依据。

宜宾芽菜，主成分分析法，发酵，风味物质

宜宾芽菜是由叶用芥菜的嫩茎划成条状腌制而成，有川菜“四大名菜”之称，是宜宾的特产［1］。宜宾芽菜具有特殊的风味、口感和色泽，营养丰富，这主要是由于芽菜在发酵过程中，各种不同微生物共同作用，发生一系列的生化反应，生成各种香味物质，赋予了芽菜浓郁的香味［2］。芽菜香气成分是决定其品质优劣极其重要的因素，因此研究宜宾芽菜的风味组成具有重要的意义［3］。

主成分分析是一种多元统计分析技术，采用降维或将多个指标转化为少数几个综合指标的方法，简化数据和揭示变量间的关系［4］。目前主成分分析法已广泛应用于食品中挥发性风味物质的研究。李红蕾等［5］用主成分分析法对黄酒酿制过程中风味物质变化规律的研究，实现对不同酿制阶段黄酒中挥发性风味物质的分析与确定。范琳等［6］用主成分分析法研究豆豉后发酵过程中挥发性成分的动态变化，结果得出在整个后发酵过程中15 d时，样品的风味最好，25 d和30 d次之。杨立平等［7］在研究秘鲁鱿鱼丝加工过程中挥发性风味物质的变化规律时，结果得出主成分分析测试样品的识别贡献率均达99.8%以上。本研究主要通过HS-GC-MS技术对宜宾芽菜发酵过程中不同时期的挥发性风味物质进行提取，用SPSS软件对所得数据进行处理以及主成分分析，旨在研究宜宾芽菜发酵不同时期的主要风味物质种类以及含量，为HS-GC-MS技术在宜宾芽菜生产工艺中评价芽菜品质提供实验依据。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

芽菜样品宜宾双谊富康芽菜厂同一批次分别发酵15 d（Ⅰ），30 d（Ⅱ），60 d（Ⅲ），90 d（Ⅳ），120 d（Ⅴ），150 d（Ⅵ）。

气相色谱质谱联用仪（Agilent 6890-5975）美国安捷伦公司；手动SPME进样器、50/30UM DVB/CAR on PDMS固相微萃取头上海安谱科学仪器有限公司。

1.2实验方法

1.2.1样品的顶空固相微萃取条件取芽菜6 g直接置于15 mL的顶空进样瓶中，于磁力搅拌器上70℃加热平衡30 min后，使用SPME萃取头进行萃取。使用前先将固相微萃取的萃取头在气相色谱仪的进样口250℃老化1 h。将老化的固相微萃取器插在样品瓶上，65℃水浴吸附45 min后拔出，插入气相色谱仪进样口，于250℃解析5 min［8］。

1.2.2色谱和质谱条件色谱条件［9］：进样口温度250℃；检测器温度300℃，进样量l μL；色谱柱：HP-5MS，50 m×200 μm×0.33 μm；程序升温：初温50℃，以5℃/min的速率升温到120℃，保持1 min，再以10℃/min的速率升温到230℃保持5 min；进样口温度250℃，不分流；载气为氦气；体积流量为1.0 mL/min。

质谱条件：离子化方式EI；离子源：EI源；离子化能量：70 eV；离子源温度：150℃；扫描质量：30～395 amu；四极杆温度：230℃；接口温度：250℃；倍增器电压：1960 V；载气：高纯度He2（纯度99.999%）；载气流量：l mL/min。

1.2.3数据处理［3］由GC-MS得到的谱图经计算机在（NIST05）标准谱库的检索，确定出挥发性风味成分。仅当匹配度纯度＞800的鉴定结果才予以采纳，并采用峰面积归一化法算出各成分的峰面积。

主成分分析：采用SPSS 19.0软件，将气相样本数据标准化处理后，做因子分析，可得到主成分的方差贡献表，选择累计贡献率达到85%以上的主成分；再根据方差贡献度求出相应主成分数学模型及主成分特征向量。

图1　不同时期GC-MS色谱分析图Fig.1　Different periods of GC-MS chromatographic analysis chart

2　结果与分析

2.1芽菜发酵过程中香气成分分析

2.1.1GC-MS色谱图采用固相微萃取-气相色谱-质谱联用分别对发酵15 d（Ⅰ），30 d（Ⅱ），60 d（Ⅲ），90 d（Ⅳ），120 d（Ⅴ），150 d（Ⅵ）中挥发性成分进行分析，得到样品的总离子流，如图1所示。

2.1.2香气成分分析利用HS-GC-MS法对芽菜发酵过程不同时期进行挥发性风味物质成分分析，香气成分各组分经计算机谱库，并结合相关文献［10-12］检索，共检测出78种挥发性物质，如表1所示。从Ⅰ中共检测出28种挥发性物质，Ⅱ中检测出35种挥发性物质，Ⅲ中共检测出31种挥发性物质，Ⅳ中共检测出29种挥发性物质，Ⅴ中检测出挥发性物质最多共42种，Ⅵ检测出挥发性物质31种。其中Ⅱ特有的香味物质有顺-4-（1-甲基乙基）环己醇；Ⅲ特有的香味物质有2，7-二甲基-2，6-亚辛基-1-醇、环戊烷、（3，1，0）-双环-异亚丙基-1-甲基-乙烷；Ⅳ特有的香味物质有对-薄荷-1-烯-8-醇、2-环乙烯-4-（1-甲基乙基）-1-酮；Ⅴ特有的香味物质有3－甲基－1－丁醇、1-甲基乙基-4-甲基-3-环戊烯醇、反式-薄荷烯醇、苯乙醇、（Z）-3，7-二甲基-2，6-亚辛基-1-醇丙酸酯、亚麻酸乙酯、壬酸乙酯、4-（1-甲基乙基）苯甲醇乙酸酯、间异丙基甲苯、1-甲氧基-4-（1-丙烯基）苯、壬基-环丙烷；Ⅵ特有的香味物质是β-月桂烯。

表1　芽菜发酵不同时期挥发性成分及其相对含量Table 1　Volatile aroma components and the relative contents in sprout different periods of fermentation

续表

2.2宜宾芽菜发酵不同时期挥发性物质的主成分分析

提取对芽菜不同发酵时期香味贡献度大的物质，利用SPSS 19.1软件对不同发酵时期芽菜挥发性物质的相对含量进行主成分分析，得到主成分相关矩阵的特征值、方差贡献率及累计贡献率如表2所示。由表2可知第1主成分贡献率为27.038%，第2主成分贡献率为18.421%，第3主成分贡献率为13.926%，第4主成分贡献率为11.866%，第5主成分贡献率为10.905%，第6主成分贡献率为8.182%，根据主成分提取累计贡献度大于90%的要求可知［13］，此6个主成分已包含绝大多数样本信息量，故依据其贡献率大小依次编号为第1、2、3、4、5、6主成分。

表2　6个主成分的特征值及其贡献率Table 2　Eigenvalues，contribution and cumulative contribution of 6 principal components

表3　主成分载荷矩阵Table 3　Principal component loading matrix

续表

由表3可知，对第一主成分贡献较大的物质有右旋柠檬烯、反-1-甲基-4-（1-甲基乙基）-2-环己烯-1-醇、（Z）-3，7-二甲基-2，6-亚辛基-1-醇、2-甲基-1-丙醇、反-3-甲基-6-（1-甲基乙基）-2-环己烯-1-醇、3-甲基-1-丁醇、1-甲基乙基-4-甲基-3-环戊烯醇、反式-薄荷烯醇、苯乙醇、（Z）-3，7-二甲基-2，6-亚辛基-1-醇丙酸酯、亚麻酸乙酯、壬酸乙酯、间异丙基甲苯、1-甲氧基-4-（1-丙烯基）苯、对异丙基苯甲醛等物质；对第二主成分贡献较大的物质有4-萜烯醇、对异丙基环己醇、薄荷醇、3，7-二甲基-1，6-辛二烯-3-醇、7-醇、水杨酸乙酯、2-十一酮等物质；对第三主成分贡献较大的物质有α-水芹烯、4-［1-甲乙基］-1-甲基-1，3-环己二烯、6，6-二甲基-2-亚甲基双环［3，1，1］庚-3-醇、2，7-二甲基-2，6-亚辛基-1-醇、4-［1-甲基亚乙基］-2-环己烯基-1-酮、3甲基-6-（1-甲基乙基）-2-环己烯-1-酮、1，4，7，10，13，16-六氧环十八烷、环戊烷、（3，1，0）-双环-异亚丙基-1-甲基-乙烷、（1S-顺）-1，2，3，5，6，8a-六氢-4，7-二甲基-1-（1-甲基乙基）-萘等物质；对第四主成分贡献较大的物质有1，4-二甲基-5，1-甲乙基-环戊烯、3，7-二甲基-1，3，7-辛三烯、α-松油醇、4-异丙基-苯乙醇、α，α，4-三甲基-3-环己烯-1-甲醇、3-甲基丁酸己酯、4-异丙基环己酮、乙醛等物质；对第五主成分贡献较大的物质有β-蒎烯、4-甲基-1-（1-甲基乙基）-二环［3.1.0］己-2-烯、β-月桂烯、对甲基苯异丙醇、1-甲基-2-（1-甲乙基）苯、4-亚甲基-1-异丙基双环［3，1，0］己烷、苯甲醛、八（乙二醇）-（十二烷基）醚等物质；对第六主成分贡献较大的物质有4-甲基-1-（1-甲基乙基）-二环［3.1.0］己-2-烯、顺-4-（1-甲基乙基）环己醇、1，7，7-三甲基-二环［2，2，1］庚-2-基醋酸酯、2-羟基-丙酸乙酯、3-（4-甲基-3-戊烯基）-呋喃等物质。

由表1中香味物质的相对物质含量、表2中的主成分和表3中主成分载荷矩阵计算出第一、第二主成分值并以第一主成分值为横坐标、第二主成分值为纵坐标作散点图，见图2。由PCA主成分散点图2可知，影响芽菜香气组成成分主要为在第一主成分和第二主成分正半轴处，即图1中右上角圈类的物质，依次为顺-4-（1-甲基乙基）环己醇、2-十一酮、5-甲基-2-异丙基-3-环已烯-1-酮、对异丙基环己醇、乙酸乙酯、异硫氰酸烯丙酯、辛酸乙酯、癸酸乙酯、（Z）-3，7-二甲基-2，6-亚辛基-1-醇、2-甲基-1-丙醇、3，7-二甲基-1，6-辛二烯-3-醇、3-甲基-1-丁醇。

图2　78种香气成分的主成分散点图Fig.2　PCA biplot for 78 identified aroma components

芽菜发酵初期异硫氰酸烯丙酯类化合物为其主要挥发性风味物质，随着发酵的进行，在乳酸菌等微生物的作用下产生一些醛类、脂类等挥发性的风味成分，因此脂类物质在发酵接近中期占据主要风味，发酵后期产生了很多与乳酸菌发酵及酸性环境相关的风味成分，如对甲基苯异丙醇、反-3-甲基-6-（1-甲基乙基）-2-环己烯-1-醇、桉叶油醇等。发酵后期有部分新的挥发性风味化合物被检测到，这可能和微生物的发酵作用以及一些其他的生物合成途径有关。

3　结论与讨论

3.1利用HS-GC-MS法对发酵不同时期的宜宾芽菜进行挥发性成分分析，共检测出78种挥发性物质，各样品中检测出挥发性物质种类含量不一。芽菜发酵过程中各个时期都有特有的风味物质，发酵初期主要是芽菜本身的风味和人为添加的调味物质，随着发酵的进行，部分风味逐渐消失，通过微生物作用的结果产生新的风味物质。

3.2利用主成分分析法对78种挥发性物质进行分析，共得到风味贡献度大的主成分6组，影响芽菜香气组成成分的主要物质分别为顺-4-（1-甲基乙基）环己醇、2-十一酮、5-甲基-2-异丙基-3-环已烯-1-酮、对异丙基环己醇等12种。其中醇类和脂类占多数，这与发酵过程中乳酸菌等微生物的发酵作用相关，也与芽菜细胞内合成代谢及各种产物之间的反应相关。

3.3通过主成分分析法研究宜宾芽菜发酵不同时期风味物质贡献的差异性，找出对风味贡献最大的物质是可行的。目前用主成分分析法研究宜宾芽菜中挥发性风味成分的报道较少，仅有张静等［3］对不同品种芽菜做过研究，但并不涉及到芽菜的发酵过程，不能掌握芽菜发酵过程中各种挥发性风味成分的变化情况。主成分分析是基于对数据的标准化处理、组合，主要是对物质的数量及含量有比较客观的反映［14］。然而食品的香味不仅由风味物质的数量多少，含量高低决定，还与风味物质的阈值有极大的关系，完全通过对数据仍有一定的局限性，无法完全真实地反映出对风味贡献最大的物质，因此可以考虑风味阈值、电子鼻、数据处理软件等结合分析风味物质的贡献度。

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Principal component analysis in the study of Yibin sprouts flavor changing application

ZUO Yong，WANG Xiao-long，JIANG Peng，FU Bin，YANG Xiao-long，YE Bi-xia，ZHANG Jing
（Department of Bioengineering，Sichuan University of Science and Engineering，Zigong 643000，China）

To study changes in Yibin sprouts flavor substances in the case of the fermentation process，using HS-GC-MS method for sample Yibin sprouts different periods of fermentation process analysis to the data sample analysis method to study the main characteristics of flavor with principal component analysis.The results showed that：different fermentation periods were detected in 78 kinds of flavoring substances，thereinto olefin（21 kinds），alcohols（23 kinds），esters（12 kinds），aldehydes（4 kinds），ketones（7 kinds），ethers（3 kinds）and benzene ring（6 kinds）and the like，a total of six main components were extracted and a greater impact on the Yibin sprouts flavor substances 12 kinds using principal component analysis.Through the study of this paper could grasp the change of flavor in the fermentation process of bean sprouts，bean sprouts，provides the theory basis for the improvement of the flavor and new product development.

Yibin sprouts；PCA；fermentation；volatile flavor compounds

TS264.2

A

1002-0306（2015）16-0068-07

10.13386/j.issn1002-0306.2015.16.005

2014－11－18

左勇（1972-），男，硕士研究生，教授，主要从事发酵工程方面的研究，E-mail：sgzuoyong@tom.com。

2015四川省农业科技转化项目；2015固态发酵资源利用四川省重点实验室；2013大学生创新创业训练计划项目（201310622001）；四川理工学院培育项目（2013PY09）；四川理工学院研究生创新基金项目（y2013004）。