基于电子鼻和GC-MS技术对市售酱油风味品质的评价

杨成聪，舒娜，张亦舒，付彩霞，赵慧君，郭壮*

(1.湖北文理学院 食品科学与工程学院 鄂西北传统发酵食品研究所，湖北 襄阳 441053；2.湖北土老憨调味食品股份有限公司，湖北 宜都 443302)

酱油作为家庭必不可少的调味料，是经过微生物发酵大豆和/或脱脂大豆、小麦和/或小麦粉等酿制而成的具有特殊色、香、味的液体调味品[1]。作为我国传统的发酵食品，酱油不仅具有调味增鲜的作用，其更能赋予食物特殊的香味和特有的色泽[2]。酱油按照其作用可大致分为生抽酱油和老抽酱油，老抽酱油香味更加浓郁，常用于卤制上色，而生抽酱油一般用于炒菜提鲜[3]。GB/T 18186-2000《酿造酱油》、GB 2717-2003《酱油卫生标准》和GB/T 5009.39-2003《酱油卫生标准的分析方法》均要求酱油应具有浓郁的酱香和酯香气，但其评价方式均为感官鉴评法。感官鉴评法在一定程度上具有描述模糊，对鉴评人员要求高且受主观因素影响较大的不足[4]，因而对酱油中的挥发性风味物质进行定量分析是极为必要的。目前针对酱油滋味品质评价[5]、天然酱油与酿造酱油品质比较分析[6]、天然酱油鉴定[7]和酱油抗氧化[8]开展了系列研究，而对生抽酱油和老抽酱油风味品质差异性评价的研究较少。

研究人员多采用电子鼻和气相色谱-质谱联用技术(Gas Chromatography-Mass Spectrometry，GC-MS)对食品风味品质进行了评价，具有结果受主观因素影响小、可信度和重复性高的优点[9]。电子鼻通过金属传感器可以实现对不同敏感类型物质的定性和定量分析，目前已在食品品质检测[10]、风味评价[11]、真伪甄别[12]和特征性香气识别[13]领域有着广泛的应用；GC-MS技术可对食品中挥发性风味物质进行定性和定量研究，亦广泛应用于食品风味评价[14]、游离氨基酸研究[15]、品质判别[16]和农药残留[17]等研究领域。

本研究采用电子鼻和GC-MS联合技术，结合多元统计学分析手段对市售酱油的挥发性风味物质进行了定性和定量分析，甄别了造成生抽酱油和老抽酱油风味品质差异的物质，以期为后续酱油的区分和品质的提升提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

酱油：16 个品牌33 个品名的生抽酱油和8 个品牌11 个品名的老抽酱油，均为市售；氯化钠：国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

SYG-4数显恒温水浴锅 常州朗越仪器制造有限公司；JJ224BC分析天平 常熟市双杰测试仪器厂；PEN3电子鼻 德国Airsense公司；GC-MS-QP2020气相色谱-质谱联用仪、HS-20顶空进样器 日本岛津公司。

1.3 试验方法

1.3.1 基于电子鼻技术对酱油中敏感类型物质的测定

30 mL酱油样品稀释2倍后装入125 mL GC-MS样品瓶中，置于60 ℃恒温水浴锅中保温30 min，平衡10 min后采用电子鼻对酱油中的敏感类型物质进行测定，分别由10 个金属传感器对不同敏感类型物质进行数据采集。10 个金属传感器在测定样品前会进行95 s的自动清洁，然后进行60 s自动检测，每秒测定一个响应值，取49，50，51 s时响应值的平均值为对应值。响应值为金属传感器测试样本时产生的电阻值G与测试空气时的电阻值G0的比值，自动清洁时响应值为1，测定样品时响应值偏离1的程度越大，则说明金属传感器所对应敏感性物质类型浓度越高。

1.3.2 基于GC-MS技术对市售酱油中挥发性风味物质的测定

样品预处理：取12 mL酱油样品于20 mL样品瓶中，加入2 g氯化钠振荡至氯化钠完全溶解，使用带聚四氟乙烯的铝帽封口待用。60 ℃预热振荡30 min，平衡10 min，进样口解吸5 min后进入GC-MS分析。

GC测定条件：SH-Rtx-Wax(30 m×2.25 mm×0.25 μm)色谱柱；进样量为1 μL，进样方式：分流进样；分流比为8∶1；载气为高纯氦气(>99.9999%)和高纯氮气(>99.9999%)；载气控制方式：线速度36.0 cm/s；柱温程序：起始温度30 ℃，保持6 min，以6 ℃/min升到50 ℃，保持6 min，然后以10 ℃/min升到130 ℃，不保持，然后以15 ℃/min升到200 ℃，保持7 min；进样口温度180 ℃。

MS测定条件：离子源：EI离子源；离子源温度：230 ℃；连接口温度：250 ℃；电子轰击能量：70 eV；检测器电压：相对于调谐结果0.1 kV；m/z范围：41.00～450 amu；采集方式：Q3 Scan。

定性分析保留指数定性；NIST 14标准质谱库定性。

定量分析：采用峰面积百分比对样本中挥发性物质进行相对定量分析。

1.3.3 统计学分析

采用主成分分析(Principal Component Analysis，PCA)、典范对应分析(Canonical Correspondence Analysis，CCA)和多元方差分析(Multivariate Analysis of Variance，MANOVA)对生抽酱油和老抽酱油的风味品质差异进行分析，采用冗余分析(Redundancy Analysis，RDA)和曼-惠特尼检验(Mann-Whiney Test)对造成生抽酱油和老抽酱油风味品质差异的关键挥发性风味物质进行甄别。

除使用Cannoco 4.5软件做RDA分析外，其他分析均采用Matlab 2010b软件。采用Matlab 2010b软件绘制热图，其他图均采用Origin 8.5软件绘制。

2 结果与分析

2.1 基于电子鼻技术对生抽酱油和老抽酱油风味品质的差异性分析

基于电子鼻技术对市售酱油风味品质第一主成分(PC1)和第二主成分(PC2)的因子得分图见图1。

图1 基于PCA的生抽酱油和老抽酱油风味品质的PC1和PC2因子得分图Fig.1 PCA of the flavor quality of light and dark soy sauce samples showing PC1 and PC2 factor scores

由图1可知，在使用无监督的PCA对33 个生抽酱油样品和11 个老抽酱油样品进行空间排布时，虽然两类样品在空间排布上有部分重叠，但亦呈现出一定的分离趋势。本研究进一步采用有监督的CCA对上述结果进行了验证，基于CCA的生抽酱油和老抽酱油样品空间排布见图2。

图2 基于CCA的生抽酱油和老抽酱油风味品质评价Fig.2 CCA of the flavor quality of light and dark soy sauce samples

由图2可知，生抽酱油样品主要分布在第二象限和第三象限，而老抽酱油样品主要分布在第一象限和第四象限。由此可知，两类样品的风味品质存在明显的差异，经MANOVA发现，两类酱油风味品质具有显著性差异(P<0.05)。由此可见，以生抽和老抽为分组依据的确是导致44 个酱油样品在空间排布上呈现出明显分离趋势的原因。各传感器对生抽酱油和老抽酱油响应值的差异性分析见表1。

表1 各传感器对生抽酱油和老抽酱油响应值的差异性分析Table 1 Significance analysis of each sensor response of light and dark soy sauce samples

由表1可知，经Mann-Whiney检验发现传感器W5S、W1S、W1W和W2S在生抽酱油样品中的响应值均显著高于老抽酱油样品(P<0.05)，而传感器W1C、W3C和W5C均呈现出相反的趋势(P<0.05)。由此可见，老抽酱油中芳香类物质的含量显著高于生抽酱油，这可能也是老抽酱油用于卤制增香的原因。值得一提的是，传感器W6S、W2W和W3S在两类酱油样品中的相应值差异均不显著(P>0.05)。

2.2 基于GC-MS技术对生抽酱油和老抽酱油的风味品质的差异性分析

本研究采用GC-MS技术从44 个酱油样品中共检测出88 种挥发性风味物质，其中醇类化合物12 种、醛类化合物10 种、酸类化合物5 种、酯类化合物15种和酮类化合物10 种。生抽酱油和老抽酱油样品中不同类型挥发性风味物质相对含量的比较分析见图3。

图3 生抽酱油和老抽酱油挥发性成分的比较分析Fig.3 Comparative analysis of volatile components in light and dark soy sauce samples

由图3可知，醛类化合物在生抽和老抽样品中的相对含量均最高，分别为33.42%和48.32%，其次为醇类化合物，在生抽和老抽样品中的相对含量分别为29.47%和14.69%。经Mann-Whiney检验发现，两类化合物在生抽酱油和老抽酱油之间的相对含量存在显著性差异(P<0.05)，而酸类、酯类和酮类化合物在两类样品之间差异不显著(P>0.05)。

本研究进一步对酱油样品中的平均相对含量大于1.0%的挥发性风味物质进行了统计，结果见图4。

图4 生抽酱油和老抽酱油中主要挥发性风味物质相对强度的热图Fig.4 Heat map of relative abundance of major volatile flavor compounds in light and dark soy sauce samples

由图4可知，44 个酱油样品中相对含量大于1.0%的挥发性风味物质主要包括2-甲基丁醛、异戊醛、异丁醛、乙醇、丙酮、3-甲基-4-氧代戊酸、乙酸乙酯、异戊醇、异丁醇、丁酮、3-丁炔-1-醇、2-甲基-1-丁醇、醋酸和(S)-2-甲基-1-丁醇，其平均相对含量分别为14.21%，13.29%，9.37%，9.16%，8.99%，8.43%，5.50%，5.36%，4.78%，4.19%，3.84%，3.15%，1.60%，1.42%。经Mann-Whiney检验发现，乙醇、3-甲基-4-氧代戊酸、异戊醇和异丁醇在生抽酱油中含量显著偏高(P<0.05)，而异戊醛和醋酸呈现出相反的趋势(P<0.05)，6种挥发性风味物质相对强度的箱形图见图5。

图5 6种挥发性风味物质相对含量的箱形图Fig.5 Box plots of the relative abundance of 6 volatile flavor compounds

由图5可知，异戊醛、乙醇、3-甲基-4-氧代戊酸、异戊醇、异丁醇和醋酸在生抽酱油中的平均含量分别为11.58%，10.89%，10.62%，6.01%，5.66%，0.44%，在老抽酱油中的平均含量分别为18.40%，3.97%，1.88%，3.42%，2.11%，5.07%。本研究进一步采用RDA对导致生抽酱油和老抽酱油风味品质差异的关键挥发性风味物质进行了甄别，结果见图6。

图6 RDA双序图Fig.6 Biplot of the RDA

由图6可知，异丁醇、异戊醇、乙醇、醋酸、异戊醛和异丁醛6 个关键挥发性风味物质与RDA双序图约束轴上的样品赋值良好相关，代表了生抽酱油和老抽酱油风味差异显著相关的挥发性风味物质。值得一提的是，异丁醇、异戊醇和乙醇3 个挥发性风味物质位于生抽酱油一侧，醋酸、异戊醛和异丁醛则位于老抽一侧，这表明生抽酱油挥发性风味物质中异丁醇、异戊醇和乙醇的相对含量高于老抽酱油，而醋酸、异戊醛和异丁醛则呈现出相反的趋势，这与Mann-Whiney检验结果一致。

3 结论

采用电子鼻和GC-MS联合技术对市售酱油的风味品质进行了比较研究，结果发现生抽酱油和老抽酱油的风味品质存在显著差异，且老抽酱油中芳香类物质的含量显著高于生抽酱油。醛类和醇类化合物为酱油中主要的挥发性风味物质，乙醇、3-甲基-4-氧代戊酸、异戊醇和异丁醇在生抽酱油中含量显著偏高，而异戊醛和醋酸呈现出相反的趋势。