基于电子鼻和气质联用分析干燥方式对郫县豆瓣风味的影响

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(1.四川旅游学院烹饪科学四川省高等学校重点实验室,四川成都 610100; 2.四川广播电视大学德阳分校绵竹工作站,四川德阳 618000; 3.四川旅游学院食品学院,四川成都 610100)

郫县豆瓣是以蚕豆瓣、红辣椒等原料发酵而成的一种四川特色调味品,在川菜中广泛应用,使用量大,但含水量高,造成运输和存储等不便。豆瓣粉便于运输和存储,由郫县豆瓣干制并研磨而成,属新型调味品,目前鲜有报道。

热风干燥、微波干燥和烘烤[1]是常用的热能干燥方法[2],它们利用热能将食品水分蒸发而达到干燥目的,但易使热敏性风味物质损失[3],主要应用于粮食[4]、茶叶[5]等方面。冷冻干燥利用冰在真空状态下升华达到干燥,温度低,热敏性风味物质损失少,但成本高,效率低,能源消耗多[6],主要应用在水果[7]、药材[8]等方面。研究表明郫县豆瓣的风味物质约有140余种[9],其中,酯类、酚类、醇类等物质对郫县豆瓣风味的形成有重要贡献[10-11]。目前,郫县豆瓣风味物质的研究主要集中在发酵过程中风味物质的形成和变化[10]、陈酿时间对风味的影响[11]、快速发酵与传统发酵方法对风味物质的影响[12]等方面,不同干燥方式对郫县豆瓣风味物质的影响研究尚未见报道,而不同干燥方式对物料风味的影响较大[2-8]。

本实验以郫县豆瓣为研究对象,采用真空冷冻、烘烤、热风和微波四种干燥方式处理郫县豆瓣,通过电子鼻(E-nose)和固相微萃取-气相色谱质谱联用仪(SPME-GC-MS),结合化学计量学(PCA和CA),分析郫县豆瓣及豆瓣粉的整体风味轮廓和香气物质,比较不同干燥方式对其风味的影响,探索最佳豆瓣粉干燥方式,为豆瓣粉的工业生产及品质控制提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

绍丰和郫县豆瓣盒装 400 g,成都市郫县绍丰和调味品实业有限公司。

FALLC4N分析天平 常州市衡正电子仪器有限公司;FOX 4000电子鼻 法国Alpha MOS公司;PC-420D专用磁力加热搅拌装置,75 μm CAR/PDMS手动萃取头 美国Supelco公司;SQ680气相色谱质谱联用仪 美国PerkinElmer;FD-1-50真空冷冻干燥机 北京博医康实验仪器有限公司;HO-60SF电烤箱 海氏(Hauswirt)中国;101-0 AB型电热鼓风干燥箱 北京中兴伟业仪器有限公司;P80D23N1L-A9(S0)微波炉 格兰仕;ZT-400型高速多功能粉粹机 永康市展帆工商贸有限公司;DW-FW 110超低温冰箱 三洋;其他均为实验室常用设备。

1.2 实验方法

1.2.1 不同干燥方式郫县豆瓣粉的制备 真空冷冻干燥:将50 g豆瓣放入托盘,平铺1 cm厚,置于超低温冰箱(-40 ℃,4 h),后放入真空冷冻干燥机(-50 ℃,15 Pa)干燥10 h。取出,计算出蒸发的水分量,并以此为标准,作为烘烤、热风和微波干燥终点的标准。

烘烤、热风、微波干燥:将50 g豆瓣放入托盘,平铺1 cm厚,分别放入电烤箱(50 ℃,5 h)、电热鼓风机(50 ℃,5 h)和微波炉(低火,8 min),然后根据实际情况减少干燥时间,直至蒸发的水分含量与冷冻干燥一致(±2%)为止。

将样品用多功能粉粹机磨制成粉,过50目筛,密封备用。真空冷冻、烘烤、热风和微波干燥样品编号分别为1、2、3、4,未干燥样品(参照品)为5。

1.2.2 电子鼻分析 电子鼻由18根金属氧化传感器组成,每根传感器对一类或几类物质敏感[13]。

准确称量样品2.00 g,置于10 mL顶空瓶,密封、编号。分析条件:手动进样,顶空温度70 ℃,加热时间10 min,载气流量150 mL/s,进样量2000 μL,进样速度2000 μL/s;数据采集时间2 min,时间延迟3 min。每个样品平行测试5次,取传感器后3次在第2 min时获得的稳定信号进行分析。

1.2.3 GC-MS条件 萃取条件:取样品2.00 g置于15 mL顶空瓶中,加入搅拌子密封,磁力搅拌装置温度70 ℃,转速80 r/min,平衡10 min,然后将老化(250 ℃,10 min)的萃取头插入顶空瓶,吸附80 min后,在250 ℃气相色谱进样口解吸10 min。

GC条件:色谱柱:Elite-5MS(30 m×0.25 mm×0.25 μm);进样口温度:250 ℃;升温程序:起始温度40 ℃,保持2 min,以2 ℃/min升至60 ℃,保留1 min,接着以6 ℃/min升至140 ℃,保留1 min,然后以20 ℃/min 升至250 ℃,保留2 min。载气:氦气(99.9999%),流速1 mL/min,分流比5∶1。

MS条件:EI离子源,电子能量70 eV,离子源温度230 ℃;全扫描模式;质量扫描范围:35～400 m/z;扫描延迟1.1 min。

1.2.4 定性定量分析 定性分析:挥发性成分的定性以检索NIST 2011谱库、计算其保留指数并与其文献值进行比对为主,同时结合人工解析质谱图进行确定。

定量分析:采用峰面积归一化法进行简单定量,求得各挥发性成分的相对含量。

1.3 数据处理

采用UnscramblerX 10.4进行主成分(PCA)和聚类分析(CA),由origin 9.1完成作图。

2 结果与分析

2.1 不同干燥方式郫县豆瓣粉电子鼻分析

2.1.1 电子鼻传感器响应值雷达图 对4种干燥豆瓣粉和未干燥豆瓣(参照品)进行电子鼻分析,取传感器在120 s时的响应值作雷达图,结果见图1。如图1可知,1、5号样品在多数传感器上的相应值差异不明显,表明冷冻干燥样品与未干燥样品在香味上差异小,也说明冷冻干燥对样品中挥发性物质的损失最小,能够最大限度的保留热敏性物质[2]。2、3和4号样品与5号样品在传感器T40/2、P30/2、P40/2、P30/1、PA/2、T70/2、P40/1、P10/2、T30/1上响应值差异明显,说明豆瓣中热敏性物质在烘烤、热风和微波干燥的条件下损失严重,由此推测,冷冻干燥样品与烘烤、热风和微波干燥样品在香味上差异明显。

图1 电子鼻传感器响应雷达图Fig.1 The radar map of E-nose responses

2.1.2 电子鼻PCA分析 图2为电子鼻分析豆瓣粉风味结果的主成分分析。王琼[14]等认为两个主成分超过85%即可反映样品的主要特征信息,图中主成分1和2分别为90%和9%,贡献率99%,说明其降维是有效的,能够反映样品的主要特征信息与总体风味轮廓。1、5号样品分布在Y轴的右侧,且分别分布在第四和第一象限,说明1、5号样品的差异主要来源于第二主成分,而第二主成分仅有9%,故1、5号样品差异小,与雷达图结果类似,和张晓敏[15]等研究结论一致。2、3和4号分布在Y轴左侧,说明1、5号与2、3和4号样品差异大,4号样品到2号样品的距离较3号远,说明4、3号样品更为相似,仅在第二主成分上有差异。

图2 样品电子鼻主成分分析Fig.2 The PCA of E-nose of the samples

2.1.3 电子鼻CA分析 图3是样品电子鼻传感器响应值的聚类分析图。图中可看出,1、5号样品相似度高,在0.18882处聚类,与PCA分析一致;3、4号样品在0.09058处聚类,且与2号样品在0.18417处聚类,与PCA分析中3、4号样品仅在第二主成分上有差异,且4号样品距2号样品较3号远一致,也与3个样品均分布在Y轴的左面一致;2、3、4号样品的聚类比主成分分析更清晰的反应出它们两两相似程度。

图3 样品电子鼻聚类分析Fig.3 The CA of E-nose of the samples

2.2 不同干燥方式郫县豆瓣粉挥发性物质成分分析

表1是不同干燥方式郫县豆瓣粉挥发性风味成分GC-MS检测结果。1、2、3、4和5号样品共检测到75种挥发性物质,分别为64、33、37、46和75种,占总挥发性物质的81.70%、55.03%、51.82%、62.97%、87.21%,共有化合物14种。相对含量较高有糠醇、芳樟醇、苯乙醇、3-糠醛、苯甲醛、苯乙醛、乙酸、山梨酸甲酯、苯甲酸乙酯、柠檬烯、罗勒烯、4-乙基苯酚、2-正戊基呋喃、茴香脑、2-乙酰基吡咯等15种,特别是乙酸(平均含量13.685%);含量较低的有异戊醇、2-甲基丁酸乙酯、辛酸甲酯、癸酸乙酯、十二烷、α-长叶蒎烯、α-蒎烯、2,3-戊二酮、甲苯、苯酚、3-苯基呋喃等11种。李治华[12]等认为乙酸、糠醇、苯甲酸乙酯等物质虽然在郫县豆瓣中含量较高,但对风味贡献并不大。从GC-MS检测到的挥发性物质种类来看,真空冷冻干燥(64种)效果最好,其次是微波干燥(46种),再次是热风干燥(37种),烘烤效果最差为(33种),由此可见干燥会造成挥发性物质损失,热能干燥方式损失较严重,真空冷冻干燥对挥发性物质的损害最小。

表1 样品主要挥发性成分GC-MS鉴定结果Table 1 Identification of the main volatile components of samples by GC-MS

续表

刘平[11]、黄湛[26]的研究表明异戊醛、2-甲基丁酸乙酯、异戊酸乙酯、3-甲硫基丙醛、苯乙醛、四甲基吡嗪、芳樟醇、苯乙醇、2-乙基苯酚、4-乙基愈创木酚、4-乙基-2-甲氧基苯酚、糠醛、十六酸乙酯为郫县豆瓣的特征风味物质,一致确认的特征风味物质有异戊醛、芳樟醇、苯乙醇。目前有关郫县豆瓣的文献[9-12,17,26-28]中,这三种物质均有被检出,而其他特征风味物质却并未一致检出,可以推测这三种物质为郫县豆瓣的基本特征风味物质。实验结合未干燥样品和黄湛、刘平等的研究成果确定异戊醛、2-甲基丁酸乙酯、异戊酸乙酯、苯乙醛、芳樟醇、苯乙醇、4-乙基-2-甲氧基苯酚、糠醛这8种物质为郫县豆瓣的特征风味物质。相对于未干燥的郫县豆瓣,冷冻干燥样品共检测到7种特征风味物质(4-乙基-2-甲氧基苯酚未检测出),烘烤干燥检测到4种特征风味物质(芳樟醇、苯乙醇、异戊醛、苯乙醛),热风干燥5种特征风味物质(芳樟醇、苯乙醇、异戊醛、糠醛、苯乙醛),微波干燥5种特征风味物质(芳樟醇、苯乙醇、异戊醛、苯乙醛、4-乙基-2-甲氧基苯酚)。冷冻干燥样品与未干燥样品在特征风味物质上最为相似,其次是热风干燥和微波干燥。另外,4种干燥方式均检测到基本特征风味物质(异戊醛、芳樟醇、苯乙醇)。

2.3 不同干燥方式郫县豆瓣粉挥发性物质种类及相对含量分析

图4是四种干燥方式所得豆瓣粉风味化合物的分类及相对含量比较,主要挥发性物质为醇类、醛类、酸类、酯类、烃类、酮类、酚类和其他化合物。未干燥郫县豆瓣的醛类、酯类、酮类和酚类物质相对含量分别为22.533%、15.819%、1.917%、7.629%,而4种方式干燥后,其含量均降低。干燥后,酸类物质含量大幅上升,可能与水分丧失有关,以及与其他离子形成盐或者被某些物质所吸附[10],而在干燥时释放有关。酸类物质一般只提供刺激性气味,协调各风味[10],不是郫县豆瓣的特征风味物质。热能干燥的豆瓣粉在醇类、酸类、烃类上均有较大幅度下降,可能与物质的沸点和干燥时间有关,真空冷冻干燥样品其含量较高(12.925%、28.224%、13.959%),可能与低温有关。

图4 样品各类型挥发性物质分析比较Fig.4 The comparison and analysis of volatile chemical substances in samples

3 结论

通过对不同干燥方式郫县豆瓣的电子鼻雷达图、PCA和CA分析表明:冷冻干燥豆瓣粉与郫县豆瓣在香味上最为接近,烘烤、热风和微波干燥样品风味差异大。GC-MS分析表明:冷冻、烘烤、热风和微波干燥的豆瓣粉与郫县豆瓣分别检测到挥发性物质64、33、37、46和75种,特征风味物质为7、4、5、5和8种,均检测到三种基本特征风味物质(异戊醛、芳樟醇、苯乙醇)。未干燥的郫县豆瓣与冷冻干燥的样品在风味上最为相似,与热风、微波和烘烤样品差异大,但都具有基本特征风味物质;冷冻干燥对样品风味物质影响最小,可作为高端豆瓣粉加工工艺,其他干燥方式可作为大众产品的开发方法。