主成分分析超高压对桑椹饮料香气成分的影响

吴梦，李希，马永昆，2，*，肖露露，Tchabo William，Kwaw Emmanuel

（1.江苏大学食品与生物工程学院，江苏镇江212013；2.镇江市果圣源食品科技有限公司，江苏镇江212000）

主成分分析超高压对桑椹饮料香气成分的影响

吴梦1，李希1，马永昆1，2，*，肖露露1，Tchabo William1，Kwaw Emmanuel1

（1.江苏大学食品与生物工程学院，江苏镇江212013；2.镇江市果圣源食品科技有限公司，江苏镇江212000）

采用顶空固相微萃取与气相色谱质谱仪联用技术（SPME-GC-MS）对不同超高压处理的桑椹发酵饮料的香气成分进行测定，并结合主成分分析法对香气成分进行分析。结果表明，在未经高压处理以及7种不同高压处理条件的桑椹发酵饮料中共检出47种香气成分，主要是醇类、酯类、酸类、醛类等，其特征香气成分为异戊醇、苯乙醇、乙酸乙酯、丙酸乙酯、丁酸乙酯、2-甲基丁酸乙酯、乙酸异戊酯、正己酸乙酯、苯甲醛、2-丁酮、乙酸等，赋予饮料果香、水果甜香、植物花香等特有香气。通过主成分分析法分析得出，前3个主成分累计贡献率达到85.30%，可代表原数据信息，并将桑椹饮料分为4类，揭示未经高压处理组与高压处理组以及不同高压处理组间在香气种类及含量中存在的差异。

桑椹饮料；超高压；顶空固相微萃取与气相色谱质谱联用技术；香气成分；主成分分析

Abstract：Principal component analysis was used to investigate the effect of high pressure on the volatile compounds of mulberry beverage.The aroma components were determined using solid phase micro-extraction and gas chromatography-mass spectrometer technique（SPME-GC-MS）.The results showed that 47 aroma components were detected in mulberry fermented beverages without high pressure treatment and 7 different high pressure treatment conditions，predominantly alcohols，esters，acids and aldehydes.The characteristic aroma components of mulberry beverage were isoamyl alcohol，phenylethyl alcohol，ethyl acetate，ethyl propionate，ethyl butyrate，ethyl 2-methyl butyrate，isoamyl acetate，ethyl hexanoate，benzaldehyde，2-butanone and acetic acid，which gave fruity，sweet fruit，plant flowers note to the beverage.Principal component analysis revealed that the third first components could explain 85.30%of the total variance，which could represent the original data.The mulberry beverages were clustered into four groups，thus revealed the difference in aroma type and content among the pressurized beverages and that of the non-pressurized beverages.

Key words：mulberry beverage；high pressure processing；headspace solid phase microextraction-gas chromatography-mass spectrometer；aroma components；principal component analysis

香气品质是评价发酵果蔬饮料类产品的关键指标之一，热杀菌易产生煮熟味，影响发酵饮料的风味，因此热敏性果蔬饮料的杀菌方式及香气改善成为目前业内较为关注的热点。超高压（high pressure processing，HPP）杀菌技术作为新型的杀菌技术之一，主要通过较高的静压力（100 MPa～1 000 MPa）引起的食品原料内部的生物大分子物质（蛋白质、淀粉类及酶类）活性发生改变杀死微生物菌类[1-3]，超高压杀菌技术能够在达到商业无菌要求的同时，保留食品原有的风味及品质，对生态环境的破坏较小，因此目前是非热加工技术中研究最多、产业化程度最高的一种加工方法[4]。

目前评价香气主要采用感官评价法来判断，但由于评价人员极易受主观性因素及环境影响而不能对产品做出客观评价[5]。主成分分析法是一种通过降维把多个指标转化为少数几个综合指标的多元统计分析方法，主要是简化数据和揭示变量间的关系，目前已广泛应用于产品的品种判别、品质探究、工艺判别等方面。如William[6]利用主成分分析法分析不同物理催陈方式对桑椹酒香气成分的影响，于怀龙[7]采用主成分分析法分析香气成分来区分不同品种的桑椹。

本文通过顶空固相微萃取（SPME）和气相色谱质谱联用技术（GC-MS）检测高压处理前后的桑椹发酵饮料的香气成分，并结合主成分分析法分析超高压处理对桑椹发酵饮料香气品质的影响以及存在的差异，旨在为发酵饮料香气品质的评价提供一种思路，以及为应用超高压技术改善桑椹发酵饮料香气提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 原料与试剂

桑椹：镇江江心洲；植物乳杆菌ZR01：江苏大学食品与生物工程实验室保藏；Lalvin 71B活性干酵母：法国Lallemand公司；正丙醇（色谱纯）：上海阿拉丁生化科技股份有限公司；氯化钠（分析纯）：国药集团化学试剂有限公司。

数显恒温培养箱：上海—恒科学仪器有限公司；灭菌锅：上海三申医疗器械有限公司；TE124S-电子天平：北京赛多利斯仪器系统有限公司；TGL-20M高速台式冷冻离心机：长沙湘仪离心机仪器有限公司；手动式塑料薄膜封口机：浙江省永嘉水电机械厂；超高压食品处理装置（3L/800MPa）：包头科发高压科技有限责任公司；Agilent6890/5973型气质联用仪：美国Agilent公司；固相微萃取手动进样器、15 mL样品瓶（带胶垫）、950/30μmDVB/CAR/PDMS萃取纤维头：美国Su pelco公司；PC-420型电热磁力搅拌器：美国Corning公司。

1.2 试验方法

1.2.1 桑椹发酵饮料制备

桑椹打浆，加入0.35%的果胶酶，于40℃水浴中酶解1.5 h，冷却后添加120 mg/L的偏重亚硫酸钾，接种5.8%活化后的71B酵母菌在27℃下发酵7.5 h，再接种活化后的0.25%的植物乳杆菌ZR01在36℃下发酵22.5 h，离心过滤后超高压处理。

1.2.2 桑椹发酵饮料的超高压处理

取桑椹发酵饮料样品装入高压袋中，封口后冰水浴存放备用。通过对预试验确定处理条件选择为300、400、500 MPa，保压时间为 15 min，编号分别为 D300/15、D400/15、D500/15；压力条件 400 MPa，保压时间为 10、15、20、25 min，编号分别为 D400/10、D400/15、D400/20、D400/25；未处理样品编号为D0。超高压设备升压速率为每分钟100 MPa，瞬时解压，保压过程压强变化很小，压强差不超过10 MPa，腔内介质油的温度为20℃～22℃。样品处理完后置于4℃冰箱冷藏并在24 h内检测。

1.2.3 SPME萃取方法

取5 mL样品和0.1 μL的内标物正丙醇放置于15 mL顶空瓶中，添加1.0 gNaCl，放入搅拌子后于40℃恒温水浴中预热，磁力搅拌速度为600 r/min，预热10 min后将萃取纤维头插入样品瓶的顶空，与液面保持1.0 cm的距离，萃取30 min。

1.2.4 GC-MS参数条件[8]

色谱条件：DB-WAX 柱（60 m×0.25 mm×0.25 μm），250℃温度下将萃取头老化1 h后备用。将富集香气后的萃取头在进样口（250℃）解析5 min，载气为流量1.0 mL/min的高纯度He，不分流。升温程序为起始温度40℃保持2 min后以5℃/min的升温速率升至100℃保持2 min，再以6℃/min升温速率升至160℃保持3 min，再以10℃/min升温速率升至220℃保持5 min。

质谱条件：5973型四极杆质谱仪，接口温度250℃，电子轰击（EI）离子源，电子能量为70 eV；电子倍增器电压为1 353 V；离子源温度为230℃；四极杆温度为150℃；质量扫描范围为33 amu～450 amu。

1.2.5 挥发性香气成分的定性和定量方法

定性分析：数据收集采取谱库检索法，用HP化学工作站软件对照NIST98库进行对比，成分先由谱库初步鉴定，当匹配度大于800的物质予以确认，再结合参考文献进行定性[9]。

定量分析：采用内标法定量，以正丙醇为内标，浓度 0.02 μg/mL，计算公式为：

式中：C为待测组分的浓度，μg/mL；A为待测组分的峰面积，%；Ci为内标物的浓度，μg/mL；Ai为内标物的峰面积，%。

1.3 数据处理和分析

采用SPSS17.0软件进行主成分分析，采用origin 2015软件进行制图。

2 结果与分析

2.1 不同超高压处理条件下桑椹发酵饮料的香气分析不同超高压条件处理前后的香气成分及含量见

表1，不同超高压处理条件下不同种类的香气含量如图1所示。

表1 不同压强处理桑椹发酵饮料香气成分及含量Table 1 Aroma compounds of mulberry fermented beverages treated by different pressures

果酒的香气是评价果酒品质的重要指标，其来源于果香、发酵香、陈酿香，除了原料本身自带的果香外，香气物质主要是由微生物作用于蛋白质、糖类、脂肪及其他物质产生的[10]。由表1可知，桑椹发酵饮料的主体香气由酯类、醇类、酸类、酮类和醛类等物质组成，超高压处理前后醇类、酯类和醛类等香气物质的种类有所改变。未处理桑椹发酵饮料共鉴定出37种香气物质，经过超高压处理的桑椹发酵饮料的香气成分均在40种以上，伴随着香气物质的生成和消失。

续表1 不同压强处理桑椹发酵饮料香气成分及含量Continue table 1 Aroma compounds of mulberry fermented beverages treated by different pressures

图1 不同种类香气成分的含量Fig.1 The content of aroma components in different species

由表1和图1可知，随着保压时间的延长总酯的含量先增加后减少，大部分酯类物质的含量在15 min高压处理后达到最大值，如乙酸乙酯、乙酸丙酯、乙酸异丁酯、丁酸乙酯、异戊酸乙酯、正己酸乙酯、乳酸乙酯、辛酸乙酯和乳酸异戊酯等。超高压处理后醇类物质均低于未处理组，原因可能是一方面醇酸的酯化反应，另一方面是由于超高压有利于增加醇-水缔合程度[11]；随着保压时间的延长，总酯和总醛含量均呈现出先增加后减小的趋势，且保压15 min时含量最高；酸类物质的总含量减少，使饮料口感更加柔和。经不同高压处理桑椹发酵饮料中的酯类物质的含量均有所增加，其中400 MPa处理条件增加最多；随着处理压力的升高醇类物质和酸类物质的含量均有所减少，可能是超高压作用过程中，腔内温度随着压强的升高而增加，从而促进了醇类与酸类物质的酯化反应[12]。300MPa和400 MPa处理后的醛类物质的含量均高于未处理组，这可能是由于高压破坏了糖苷键，使醛类物质得到了释放[13]。醇酸酯化反应增加酯类香气物质，增强了桑椹发酵饮料的果香和甜香，使得香气更加馥郁芬芳。

2.2 桑椹发酵饮料特征香气成分的初步筛选

Grosch[14]认为食品中已鉴定的成分中真正对食品香气有贡献的成分不足5%。实际上，食品的香气只有几种主要的挥发成分构成及特征香气成分，它们对食品的整体香气起着至关重要的作用和影响。根据Guadagni[15]香气值理论，食品中香气浓度高而阈值低的成分很可能是食品的特征香气或主体香气成分，一种呈香物质在食品香气中起作用的强度可用香气浓度与香气阈值的比值即香气强度或香气值（FU）表示。一般FU＜1时，该香气成分可能不会引起嗅觉器官的感觉，FU＞1时，这种香气可能对食品香气的贡献和影响较大。因此，本文根据FU＞1的香气成分列为特征香气成分，结果见表2。

由表2可知，桑椹发酵饮料的特征香气成分有异戊醇、苯乙醇、乙酸乙酯、丙酸乙酯、丁酸乙酯、2-甲基丁酸乙酯、乙酸异戊酯、正己酸乙酯、苯甲醛、2-丁酮、乙酸等，赋予了饮料果香、水果甜香、植物花香等特有的香气。袁小单[19]研究桑椹酒香气成分时认为桑椹酒的特征香气为异戊醇、苯乙醇、乙酸乙酯、乙酸异戊酯、正己酸乙酯、辛酸乙酯、乙醛、壬醛等，这与本研究结果部分香气是相同的。与Luchai Butkhup等[20]的研究桑椹酒主体香气部分相同。由于本研究采用乳酸菌和酵母菌双菌种发酵，因此与桑椹酒的香气成分存在一定的差异，且桑椹品种也会造成主体香气的不同。

表2 桑椹发酵饮料特征香气成分的阈值、香气值及香气描述Table 2 Odor thresholds，aroma values and odor description of characteristic aroma components in mulberry fermented beverages

2.3 不同超高压处理桑椹发酵饮料的香气成分主成分分析

本研究以桑椹饮料的香气成分作为研究对象，采用主成分分析法对不同超高压处理条件下的桑椹发酵饮料的香气成分进行分析，其特征值、贡献率及累计贡献率见表3，主成分的载荷矩阵和特征向量见表4。

表3 主成分的特征值及贡献率Table 3 Eigenvalues and contribution of principal components

表4 主成分的载荷矩阵和特征向量Table 4 Loading matrix and eigenvectors of principal components

续表4 主成分的载荷矩阵和特征向量Continue table 4 Loading matrix and eigenvectors of principal components

由表3和表4可知，前3种主成分累计贡献率大于85%，即可代表原数据信息。第一主成分贡献率为48.66%，反映的指标有乙酸异丁酯、乙酸乙酯、茴香醛、乙酸仲丁酯、苯甲醛、2-丁酮、乙酸甲酯、乙酸异戊酯、2-甲基丁酸乙酯、异丁醇、异丁酸乙酯、正己酸乙酯、苯甲醇、丁酸乙酯、琥珀酸二乙酯、苯甲酸乙酯、乳酸异戊酯、异戊醇、丙酸乙酯等。第二主成分贡献率为25.20%，反映的指标有正己醇、乙酸丙酯、壬醛、2-乙基己醇、丁酸、乳酸乙酯、乙酸苯甲酯、异戊酸乙酯、邻苯二甲酸二甲酯等。第三主成分贡献率为11.44%，反映的指标有正己酸、甲酸辛酯、2，4-二叔丁基苯酚、2-乙基己醇等。

由前3个主成分的得分作散点图如图2。

图2 不同超高压处理桑椹饮料香气主成分得分散点图Fig.2 Scores scatter plots of aroma components in mulberry fermented beverage treated by different pressures

由图2可知，不同超高压处理条件下桑椹发酵饮料的香气被分为4类，第一类为D400/10和D400/15条件下的桑椹发酵饮料，第二类为D400/20和D400/25条件下桑椹发酵饮料，第三类为D300/15和D500/15处理的桑椹发酵饮料，而未经超高压处理的桑椹发酵饮料D0为第四类。超高压处理组与未被超高压处理组均没有被归为一类，由此可知，超高压处理对桑椹发酵饮料的香气存在一定的影响，不同超高压处理时间和不同高压均会对桑椹发酵饮料的香气起到不同的作用。

以不同超高压处理条件桑椹发酵饮料香气成分的前3个主成分载荷作图，结果如图3。

图3 不同超高压处理桑椹饮料香气主成分载荷散点图Fig.3 Loading scatter plots of aroma components in mulberry fermented beverage treated by different pressures

由图2、图3可知，第一类超高压处理的桑椹发酵饮料D400/10和D400/15位于PC2、PC3的负半轴和PC1的正半轴，第一类与其他高压处理桑椹饮料香气差异主要在第一类具有较高含量的A6（正己醇）、A10（紫罗兰醇）、B8（丁酸乙酯）、B9（2-甲基丁酸乙酯）、B10（异戊酸乙酯）、B13（乳酸乙酯）、B14（辛酸乙酯）、B18（琥珀酸二乙酯）、B19（苯甲酸乙酯）、B20（乙酸苯甲酯）、B22（邻苯二甲酸二乙酯）、C1（壬醛）、E1（2，4-二叔丁基苯酚）、F4（正己酸）等香气成分。第二类位于PC1、PC2和PC3的负半轴，包括D400/20和D400/25条件下桑椹发酵饮料，能反映第二类与其他高压处理桑椹饮料差异的香气成分为A5（甲基乙酰甲醇）、A7（2-乙基己醇）、A14（苯乙醇）。第三类D300/15和D500/15处理的桑椹发酵饮料的香气成分主要集中在PC1和PC3的正半轴PC2的负半轴，其特点是其高含量的A11（庚乙二烯乙二醇），B1（乙酸甲酯）表示，B6（乙酸仲丁酯）和F3（2-甲基己酸）以及含量适中的B2（乙酸乙酯）B5（乙酸丙酯）、B7（乙酸异丁酯）、B11（乙酸异戊酯）、C3（茴香醛）。未经超高压处理的桑椹发酵饮料D0作为第四类其香气成分主要位于PC1、PC2和PC3的正半轴，能反映第四类与其他高压处理桑椹饮料差异的香气成分为高含量的 A1（乙醇）、A2（仲丁醇）、A3（异丁醇）、A4（异戊醇）、B3（丙酸乙酯）以及较高含量的B12（正己酸乙酯）和D1（2-丁酮）。因此，不同香气成分对不同超高压处理的桑椹饮料的香气贡献不同，进而使其与其他类别的桑椹发酵饮料区分开。

3 结论

本研究采用SPME-GC-MS测定不同超高压处理桑椹发酵饮料的香气成分，根据Guadagni香气值理论筛选出桑椹发酵饮料的特征香气成分有异戊醇、苯乙醇、乙酸乙酯、丙酸乙酯、丁酸乙酯、2-甲基丁酸乙酯、乙酸异戊酯、正己酸乙酯、苯甲醛、2-丁酮、乙酸等，赋予了饮料果香、水果甜香、植物花香等特有的香气。通过主成分分析法对不同超高压处理条件下的桑椹发酵饮料的香气成分进行分析，未超高压处理及不同高压处理条件下的桑椹发酵饮料的香气被分为4类，表明超高压处理对桑椹发酵饮料的香气存在一定的影响，且不同保压时间和不同高压处理均会对桑椹发酵饮料的香气起到不同的作用，其香气成分的种类和含量间存在一定的差异。

[1]Oey Indrawati.Effects of High Pressure on Enzymes[J].Trends in Food Science&Technology,1998,9(5):197-203

[2]郝秦锋,许洪高,高彦祥.超高压灭菌及其对食品品质的影响[J].食品科学,2009,30(23):498-503

[3]董鹏,张良,陈芳,等.食品超高压技术研究进展与应用现状[J].农产品加工(综合刊),2013(6):28-29

[4]黄丽,孙远明,潘科,等.超高压处理对荔枝果汁品质的影响[J].农业工程学报,2007,23(2):259-262

[5]岳田利,彭帮柱,袁亚宏,等.基于主成分分析法的苹果酒香气质量评价模型的构建[J].农业工程学报,2007,23(6):223-227

[6]William Tchabo.Effect of high pressure and ultrasound on phytochemical and volatile compounds in the processing of a sulfur dioxide-free mulberry(Morus nigra)wine[D].Zhenjiang:Jiangsu University,2015

[7]于怀龙,马永昆,张荣,等.不同品种桑椹香气成分的主成分分析[J].食品工业科技,2016,37(10):62-66

[8]邓娜娜,马永昆,张龙,等.不同杀菌处理桑椹果醋香气质量的主成分分析[J].食品与发酵工业,2014,40(4):172-177

[9]谢建春.现代香味分析技术及应用[M].北京:中国标准出版社,2008

[10]冯凤琴,叶立扬.食品化学[M].北京:化学工业出版社,2005:175-176

[11]王亚超,马永昆,于怀龙,等.超高压处理对黄酒中醇水缔合影响的研究[J].现代食品科技,2016(2):221-226

[12]Furuta Toshiaki,Matsuo Jiro,Kurata Tetsuro,et al.Cleavage of esters under nearly neutral conditions at high pressure[J].High Pressure Research An International Journal,1993,11(1):93-106

[13]顾睿.超高压加工苹果黄酒工艺及其风味的研究[D].镇江:江苏大学,2009

[14]Grosch W.Evaluation of the Key Odorants of Foods by Dilution Experiments,Aroma Models and Omission[J].Chemical Senses,2001,26(5):533-545

[15]Guadagni D G,Buttery R G,Harris J.Odour intensities of hop oil components[J].Journal of the Science of Food&Agriculture,1966,17(3):142

[16]李华.葡萄酒品尝学[M].北京:科学出版社,2013:33-46

[17]马永昆,刘晓庚.食品化学[M].南京:东南大学出版社,2007:305-306

[18]孙宝国.食用调香术[M].北京:化学工业出版社,2010:23-32

[19]袁小单,马永昆,王行,等.超高压处理对发酵桑椹酒香气的影响[J].食品与发酵工业,2013,39(2):177-181

[20]Butkhup Luchai,Jeenphakdee Montri,Jorjong Sujitar,et al.HSSPME-GC-MS analysis of volatile aromatic compounds in alcohol related beverages made with mulberry fruits[J].Food Science and Biotechnology,2011,20(4):1021-1032

Effect of High Pressure Processing on Aroma Compounds in Mulberry Beverage Analyzed by Principal Component

WU Meng1，LI Xi1，MA Yong-kun1，2，*，XIAO Lu-lu1，Tchabo William1，Kwaw Emmanuel1
（1.School of Food and Biological Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，Jiangsu，China；2.Zhenjiang Guoshengyuan Food Technology Co.，Ltd.，Zhenjiang 212000，Jiangsu，China）

2017-03-25

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.19.025

江苏高校优势学科建设工程资助项目（PAPD）

吴梦（1994—），女（汉），硕士研究生，研究方向：食品发酵及食品风味研究。

*通信作者：马永昆（1963—），男（汉），教授，博士生导师，研究方向：食品风味化学、食品发酵工程及食品非热力加工研究。