电子鼻结合全二维气相色谱质谱分析铜仁珍珠花生烘烤前后挥发性风味成分的变化

林 茂，孟繁博，黄道梅，李国林，郑秀艳，陈 曦，宋光艳

(1.贵州省农业科学院现代农业发展研究所，贵州 贵阳 550006; 2.贵州省农产品加工研究所，贵州 贵阳 550006; 3.贵州博欣生态农业科技有限公司，贵州 贵阳 550006)

花生是油食兼用农作物，根据加工用途的不同可分为油用型和食用型，食用型花生由于蛋白质含量高，鲜食口感佳，可作为食品原料，也可烘烤加工成休闲食品，在烘烤加工过程中，由于氨基酸与还原糖之间会发生美拉德反应、脂肪氧化反应和糖降解反应等[1-2]，挥发性风味物质的组成非常复杂，任何一种食品的风味都是由多种香味组分组成。焙烤、蒸煮和微波辅助等加工方式都会引起食品中的油脂和蛋白发生变化，产生挥发性风味物质[3]。前人研究表明花生中的香味物质主要由上百种的挥发性成分构成[4-5]1966年Mason等对烘烤花生挥发性化合物进行研究，认为低分子量烷基吡嗪类化合物为花生的基本风味物质，此外在花生中还检测到甲醛苯乙醛异丁醛等单羰基化合物及甲苯等无羰基化合物等挥发性物质[6-7]。Ho等测定了焙烤花生中的挥发性物质，获得了131种挥发性成分，主要包括烃类醇类醛类酸类酮类酯类吡嗪等[8-9]。其中，吡嗪类是形成花生风味的主要挥发性成分，并认为2-环内酯3-甲基-2-环内酯、2-异戊基-4,5-甲基噻唑2-戊基-4,5-二乙基噻唑有令人愉快的坚果味[10]。Warner等研究认为，2-甲基吡嗪(2-methylpyrazine)、2,5-二甲基吡嗪(2,5-dimethylpyrazine)、2,6-二甲基吡嗪(2,6-dimethylpyrazine)、2,3,5-三甲基吡嗪(2,3,5-trimethylpyrazine)和乙基吡嗪(ethylpyrazine)等是花生风味中主要的吡嗪类物质[11]。Johnson等利用光谱技术从烘烤花生中鉴定出47种新的挥发性成分，包括23种未曾报到的吡嗪类化合物、7种呋喃类化合物、3种2-苯-2-烯烃化合物、6种吡咯类化合物、2种噻吩类及一些混合物，初步确定烷基吡嗪类化合物是产生花生坚果风味的主要物质[12-13]。挥发性风味物质在食品中含量普遍偏低，但又能代表植物食品中的典型气味。据研究报道，花生中的挥发性物质主要有吡嗪类、醛类、醇类、酮类、酯类、吡咯、吡啶等，其中吡嗪类物质是烘烤花生中最主要的挥发性风味成分[14-15]。不同花生品种所含风味物质种类及含量有一定差异，因此其香味、口感等感官特性在不同品种间差异较大[16-17]。

铜仁珍珠花生是贵州获得国家地理标准保护的地方特色农产品，因其蛋白质含量高、口感香甜、风味佳而备受市场欢迎[18]，作为贵州地方特色农产品，铜仁珍珠花生多以鲜食或烘烤加工成休闲制品，目前对其风味的研究尚属空白。本研究应用电子鼻和全二维气相色谱质仪分析不同加工处理后铜仁珍珠花生的气味和挥发性风味，对比分析了铜仁珍珠花生生品和不同方式烘烤制品中的挥发性风味物质变化，旨在了解铜仁珍珠花生烘烤前后的挥发性风味特性，为铜仁珍珠花生加工提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料及主要仪器设备

1.1.1 试验材料

试验材料由贵州省农作物品种资源研究所提供，同田种植收获后，40℃烘干至水分含量<6%，装入密闭容器瓶中放置冰箱中(4℃)备用。

1.1.2 主要仪器设备

全二维气相色谱—飞行时间质谱(美国Zoex公司，GC×GC-TOF-MS)，其中GC×GC系统由美国Agilent 7890气相色谱仪，便携式电子鼻(德国Airsense公司，PEN3型)，磁力加热搅拌装置(美国Supelco 公司，PC-420D)，萃取头(美国Supelco公司，PDMS/DVB/CAR 50/30μm)，烤箱(中国格兰仕电器制造有限公司，K6 30L)，微波炉(中国格兰仕电器制造有限公司，G80F20CL-B8)。

1.2 方法

1.2.1 检测样品的准备

① 微波烘烤：选取无破损，色泽较好，大小一致的带壳花生200 g，置于瓷盘中，用微波炉烘烤(输出功率：800W，频率：2450MHz)，烘烤3min，待烘烤完成完全冷却后进行分析。② 烤箱烘烤：选取无破损，色泽较好，大小一致带壳花生200 g，置于烤盘中，烘烤30 min，烘烤温度130 ℃，待烘烤完成完全冷却后进行分析。

1.2.2 检测分析方法

① 电子鼻检测：参考Wei等[19]的方法并略加修改，将烘烤后花生样品粉碎后过10目筛，固定采用时间间隔1.0 s，清洗时间40.0 s，准备进样时间5.0 s，测定时间100.0 s，每次测定完后将尾气排出，再将通道清零后才能进行第二轮的顶空进样，每组实验平行10次(表1)。

② 固相微萃取(HS-SPMS)：将1.2.1节烘烤样品剥掉外壳，用研钵磨碎，称取3 g放入20 mL顶空样品瓶中，同时加入内标物乙酸苯乙酯1 μL，用顶空瓶盖将其密封，然后将顶空瓶放入到固相微萃取加热装置中，在60 ℃条件下平衡20 min，利用已经活化好的固相微萃取纤维头(PDMS/DVB/CAR，50/30 μm)吸附15 min，间萃取头插入GC进样口(进样口温度250 ℃)，解析3.5 min，每个样品重复2次。

③ 全二维气相色谱—飞行时间质谱(GC×GC-TOFMS)分析：一维色谱柱为HP-5MS(30 m×250 μm，0.25 μm)，二维色谱柱为DB-wax(1.5 m ×0.1 mm，0.1 μm)；初始温度60 ℃(2 min)，以3 ℃/min升至230 ℃，保持5 min；恒流模式，流速0.8 mL/min；样品运行时间45 min；进样口温度250 ℃；不分流模式进样。

④ 质谱分析：电离源为EI，70 eV；离子源温度280 ℃；传输线温度300 ℃；质量范围45～450m/z；分辨率4000，FWHM；采集速度100 Hz。

表1 电子鼻传感器名称及性能

1.3 数据处理

电子鼻数据分析：取稳定后70～75 s的数据信息,根据电子鼻自带软件进行主成分分析(principal component analysis，PCA)GC×GC-TOFMS 数据分析：采用Zoex GC Image 全二维数据处理系统。对于香气成分的定性鉴定采用标准谱库检索(NIST与Wiley最新谱库同时检索)，而定量分析则采用了内标相对定量法(假定校正因子F=1)。图片数据分析：原始数据统计分析采用SPSS17.0，图表处理采用Orign 8.1。

2 结果与分析

2.1 电子鼻检测

对各组电子鼻检测结果分别取平均值，得到10根传感器收集到气味特征响应值如图1所示。横坐标表示时间，纵坐标表示响应强度对应与于10根传感器的相对电阻变化率。每一条曲线代表一个传感器在100 s内的相应变化，在测定前10 s 时传感器的响应先快速增强，然后随着电阻率增大，在50 s 以后传感器的响应变化趋于平稳。

图1 电子鼻对花生气味物质响应图Fig. 1 The response figure of electronic nose to peanut flavor matters注：1～10号为10根传感器对应的编号(详见表1 )。Note: No.1-10 are serial numbers corresponding to table 1.

图2为不同处理花生的10次平行检测数据在PCA平面上的分布，各处理间分散，第一主成分和第二主成分的累计贡献率达96.23%，第一主成分贡献率为81.47%、第二主成分贡献率为14.76%。说明电子鼻能有效区分不同处理的花生气味变化。从不同处理样品间的距离来看，同一种烘烤方式处理花生间的距离最小，不同处理间的距离较大，尤其微波烘烤处理与生品之间的距离最大。为进一步明确风味成分的变化，采用GC×GC-TOFMS对挥发性风味物质进行进一步的分析和鉴定。

2.2 不同处理花生挥发性成分的GC×GC-TOFMS分析

根据GC×GC-TOFMS的工作原理和文献报道的分析条件[20-22]，对花生中挥发性成分的GC×GC-TOFMS鉴定方法进行了优化，获得了花生样品挥发性成分的GC×GC 全二维色谱图 (图3)。

图2 铜仁珍珠花生生品和烘烤制品PCA分析 Fig.2 PCA result of raw and roasted Tongren peanut注：a，微波烘烤带壳花生(Roasted peanut pods by microwave)；b，微波烘烤籽仁(Roasted peanut seed by microwave)；c，烤箱烘烤带壳花生(Roasted peanut pod by oven)；d，烤箱烘烤籽仁(Roasted peanut seed by oven)；e，花生生品籽仁(Raw peanut seed)。

根据标准谱库自动检索和手动对其相似度、保留时间等进行比较分析。从表1 中可见，在生品中鉴定出20种挥发性成分，其中包括14种醛、3种吡嗪和3种其他成分。 从烤箱烘烤花生中挥发性成分来看，在籽仁中检测到33种挥发性成分，包括17种醛、5种吡嗪和11种其他物质；在带壳花生中检测到31种挥发性成分，包括16种醛类、4种吡嗪和11种其他挥发性成分。从微波烘烤花生中挥发性成分来看，在籽仁中检测到39种挥发性成分，包括18种醛、7种吡嗪和14种其他物质；在带壳花生中检测到38种挥发性成分，包括18种醛类、7种吡嗪和13种其他挥发性成分。从以上不同处理花生中的挥发性成分的变化可知，花生生品经过烘烤加工以后，其中的挥发性成分发生了很大的改变，由原来的20种增加至40种，包括4种醛、4种吡嗪和14种其他物质；由此可见，电子鼻检测可初步确定烘烤花生中挥发性成分的种类增加。

性风味物质快速检测方面的应用越来越广泛，已经成功用于鸭、虾、猪肉、牛肉、鱼和鸡肉等肉类的新鲜度评价及保藏货架期的预测[28-34]。电子鼻用于花生中挥发性气味的研究比较少，本研究结果表明，电子鼻能够较好地区分铜仁珍珠花生生品和不同方式烘烤的样品，主成分分析显示各组样品间差异明显，电子鼻区分度好，并且通过电子鼻进行前期分析操作便捷，对花生加工产品的品质评价和质量控制具有重要意义。

全二维气相色谱质谱在铜仁珍珠花生生品中检测到20种挥发性风味成分，其中醛类14种，吡嗪3种和其他成分3种；在烘烤样品中共检测到40种挥发性风味成分，主要包括醛类18种，吡嗪类7种和其他成分16种。醛类和吡嗪类物质是铜仁珍珠花生中的主要挥发性成分，生品通过加工以后，醛和吡嗪的种类和含量均有增加，尤其烘烤花生中吡嗪类物质的含量增加显著；但是烤箱烘烤和微波烘烤花生中的物质种类和含量均有差异，烘烤温度过高、时间过长时会影响吡嗪类挥发性风味成分的形成。电子鼻对花生中挥发性风味成分的判别与全二维气相色谱质谱的鉴定结果相一致。