膜法甘蔗清汁和甘蔗果酒的主要特征风味物质来源分析

陈松蔚，李 鑫，邓立高，毛瑞丰，李 一，贠琳琦，王瑞丰

(广西大学轻工与食品工程学院，广西南宁530004)

0 引言

膜法甘蔗清汁和甘蔗果酒的香气在定性和定量两方面都有极其复杂的化学模型。二者的特征风味来源于特征性挥发性物质的种类和相对含量，这些挥发性成分有酯类、高级醇类、脂肪酸类、醛类、酮类、萜烯类、酯类等。不同的挥发性化合物的组合形成了甘蔗发酵产品的不同的风味。本研究使用顶空固相微萃取(HS-SPME)对甘蔗酒的挥发性成分进行提取分析和鉴定，找出影响膜法甘蔗清汁和甘蔗果酒特征风味的挥发性物质，并对二者主要挥发性物质进行比较，对其变化规律做初步研究[1-2]。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂与仪器

膜法甘蔗清汁收集南宁明阳糖厂，于 2017年12月份采用陶瓷膜过滤技术得到的膜清汁，陶瓷膜口径为 50 nm。经过检测，通过陶瓷膜过滤的甘蔗清汁的糖度为16.8°Bx，pH为5.8。

甘蔗果酒，实验室自制。

NaCl (分析纯)，成都金山化学试剂有限公司；陶瓷膜设备，江苏久吾高科；GC-MS联用仪(四级杆质量分析器，电子电离源和化学电离源)，安捷伦科技有限公司；HS-SPME进样器、50/30 μm DVB/CAR/PDMS、65 μm PDMS/DVB、75 μm CAR/PDMS、100 μm PDMS萃取头，美国Supelco公司。

1.2 方法

1.2.1 甘蔗果酒HS-SPME萃取工艺单因素试验

采用峰面积和峰个数为考察指标，确定样品装液量(8、10、12、14、16 mL)、萃取时间(20、30、40、50、60 min)、萃取温度(50、55、60、65℃)、解析时间(2、3、4、5、6 min)。采用控制变量法分别在其他因素不变的情况下，考察每一种因素对萃取效果的影响。

1.2.2 HS-SPME的分离富集

准确量取单因素实验所需用量的甘蔗果酒置于40.0 mL顶空瓶中，加入1 g NaCl，后加入磁力搅拌子用带有橡胶隔垫的瓶盖密封，将其置于磁力搅拌器中，在50℃恒温条件下搅拌平衡10 min，后将老化完毕的50/30 μm DVB/CAR/PDMS萃取头插入顶空瓶中距液面1 cm处，萃取单因素实验所需时间，之后进行GC-MS分析。

1.3 GC-MS分析条件

1.3.1 膜法甘蔗清汁

GC条件：进样口温度 250℃，载气为 He；流速1.0 mL/min；升温程序：40℃保持12 min，以3℃/min升高至108℃，保持2 min，再以5℃/min升高至250℃，保持5 min。

MS条件：电子电离源；电子能量70 eV；离子源温度230℃；四级杆温度150℃。

1.3.2 甘蔗果酒

GC条件：进样口温度为 250℃，起始温度 45℃，保留5 min，以3℃/min升至 150℃，保留 10 min，以5℃/min升至230℃，保留5 min，载气He，恒流1 mL/min，不分流。

MS条件：电子电离源；电子能量70 eV；离子源温度230℃；四级杆温度150℃。

1.4 数据处理

采用 NIST14谱库(美国国家标准研究院 2014谱库)对质谱数据进行自动检索，根据各物质的分子式、GAS编号及分子结构确定物质，采用峰面积归一法计算各组分相对含量。

2 结果与分析

2.1 HS-SPME条件的选择

2.1.1 样品用量对甘蔗果酒挥发性物质萃取效果的影响

由图1可知，样品用量从8 mL增加到14 mL的过程中，峰面积和峰个数均持续增加，并且在14 mL的时候达到最高，当超过14 mL之后，峰面积和峰个数均呈现下降态势，这可能是因为样品用量增加而导致色谱峰的分离度降低。所以样品用量选为14 mL。

2.1.2 萃取时间对甘蔗果酒挥发性物质萃取效果的影响

由图2看出，当萃取时间从20 min上升到60 min的过程中，峰面积整体上呈现持续增加的态势，峰个数呈现先升高后降低再升高的趋势。在萃取时间是60 min的时候，峰面积和峰个数均呈现最高的状态，所以选用60 min为最佳的萃取时间。

2.1.3 解析时间对甘蔗果酒挥发性物质萃取效果的影响

由图3可看出，当解析时间从2 min到6 min的过程中，虽然解析5 min时的峰面积最大但是峰个数相对解析2 min来说相对较少，综合来看，解析5 min时，峰面积和峰个数整体上比其他解析时间好一些。当解析时间超过5 min时，因为解析时间的延长，导致萃取头上的已经吸附的物质分解，进而导致萃取物质种类下降，峰个数减少。故选择5 min为最佳的解析时间。

图1 样品用量对甘蔗果酒挥发性物质萃取效果的影响

图2 萃取时间对甘蔗果酒挥发性物质萃取效果的影响

2.1.4 萃取温度对甘蔗果酒挥发性物质萃取效果的影响

由图4看出，当萃取温度从50℃到60℃的过程中，当萃取温度为60℃时，峰面积和峰个数都呈现最佳状态，这是由于当萃取温度不断增高的时候，香气挥发性物质随着温度升高导致溢出的种类和总量增加。当萃取温度超过60℃时，峰面积和峰个数均开始减少，这是因为当萃取头吸附量达到最大饱和时，如果再继续升高温度，萃取头吸附香气物质的总量不会增加，而且导致萃取头对含量较高的物质吸附量继续增加，同理，萃取头对较低含量的物质吸附量虽然也在增加，但是相对于含量较高较强的物质实际上被萃取头吸附的量是相对越来越少的，而且较强物质的峰还有可能盖过较弱物质的峰，这就导致了峰的个数减少。故本组实验确定最佳的萃取温度是60℃。

图3 解析时间对甘蔗果酒挥发性物质萃取效果的影响

图4 萃取温度对甘蔗果酒挥发性物质萃取效果的影响

综上所述，通过单因素试验确定最佳的萃取条件是：采用萃取头50/30 μm DVB/CAR/PDMS，样品用量14 mL，萃取时间60 min，解析时间5 min，萃取温度60℃。

2.2 膜法甘蔗清汁和甘蔗果酒挥发性香气成分分析与比较

通过对膜法甘蔗清汁和甘蔗果酒的挥发性成分进行分析，二者 GC-MS总离子图谱见图 5和图 6所示。从甘蔗膜清汁中鉴定出挥发性成分65种，包括醇类、酯类、芳香类、羧酸类、醛酮类、杂环类、含硫化合物和烃类8种物质，占总峰面积的77.93%；甘蔗果酒中鉴定出挥发性成分47种，包括醇类、酯类、芳香类、羧酸类、烃类、杂环类、醛酮类总共7种物质，占总峰面积的95.73%，在甘蔗果酒中并未检测到含硫化合物，而在膜法清汁中检测到较高含量的含硫化合物二甲基硫醚，其赋予甘蔗膜清汁浓郁的青香和果香[3]。

每个样品做3次平行检测，检测结果如表1和表2所示。在膜法澄清的蔗汁中共检测出13种醇类物质，占总峰面积的 23.12%，相对含量大于 1%的物质包括异戊醇(1.31%)、2-庚醇(6.61%)、正己醇(5.62%)、反式-3-己烯-1-醇(1.11%)、1-辛烯-3-醇(3.77%)、1-壬醇(2.16%)等，这些醇类物质赋予膜法甘蔗清汁浓郁的花香、果香和甜香[4-5]；7种酯类物质，占总峰面积的7.00%，相对含量大于1%的物质包括乙酸乙酯(2.59%)(浓郁果香)、氯甲酸正辛酯(1.34%)(花香、果香)、2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇二异丁酸酯(1.28%)(果香)等[6-8]；20种醛酮类物质，占总峰面积的 13.01%，相对含量大于 1%的物质包括己醛(4.05%)(果香)、2-庚酮(1.04%)(香蕉、药香)、异戊醛(1.15%)(果香)、壬醛(1.07%)(橙子、玫瑰蜡香)等[9-10]；8种烯烃类物质，占总峰面积的5.91%，相对含量大于1%的物质包括己二烯(2.34%)等；8种芳香类物质，占总峰面积的14.07%，相对含量大于1%的物质包括甲苯(1.09%)、2,6-二叔丁基对甲酚(8.18%)、肟(1.28%)等。2种羧酸类物质，2种呋喃类物质(芳香)；杂环类物质(芳香气味)包括六甲基环三硅氧烷(2.11%)、八甲基环四硅氧烷(2.49%)、十甲基环五硅氧烷(3.13%)等，占总峰面积的8.84%，含硫化合物有二甲基硫醚，占到总峰面积的 5.99%，这些物质占到所有挥发性物质的69.09%，是膜法甘蔗清汁的主要香气物质。

图5 膜法甘蔗清汁中挥发性成分的GC-MS总离子图谱

图6 甘蔗果酒中的挥发性成分的GC-MS总离子图谱

表1 甘蔗果酒中各种香气物质的含量和风味特征描述

表2 甘蔗膜清汁中各种香气物质的含量和风味特征描述

注：“N”代表没有查询到气味。

图7 膜法甘蔗清汁和甘蔗果酒挥发性成分数量比较

膜法甘蔗清汁和甘蔗果酒中挥发性物质的数量和相对含量比较如图7和图8所示。在甘蔗果酒中检测到主要的挥发性物质有醇类物质7种(32.17%)，酯类物质22种(22.50%)，芳香类物质6种(6.83%)，羧酸类物质3种(3.01%)，相对含量较高的物质分别是醇类物质中的乙醇(27.56%)(醇香)、香叶醇(3.92%)(玫瑰花香)，酯类物质中的二氯乙酸十三烷基酯(12.49%)(果香)、丙酸乙酯(2.15%)(果香、醚香)、正己酸乙酯(2.00%)(果香、酒香)，羧酸类物质中的9-癸烯酸(2.78%)(蜡香、果香、乳香)，芳香类物质的丁香酚(6.14%)(花香)，醛酮类物质中的大马士酮(1.46%)(玫瑰花香)。这些物质占到总挥发性物质的61.05%，是甘蔗果酒中的主要挥发性成分。二者相对比，共有物质有酯类物质中的癸酸乙酯(0.62%，0.11%)、月桂酸乙酯(0.62%，0.05%)，芳香类物质中的4-乙基-2-甲氧基苯酚(0.08%，0.28%)、丁香酚(0.34%，6.14%)、4-乙烯基-2-甲氧基苯酚(0.19%，0.13%)和醛酮类物质中的壬醛(1.07%，0.10%)。甘蔗果酒和膜法甘蔗清汁相比较，醇类物质峰面积增加了 9.05%，膜法甘蔗清汁中的主要醇类物质赋予清汁的花香、甜香和果香，而发酵后的甘蔗果酒中则是主要由香叶醇(3.92%)赋予甘蔗果酒的玫瑰花香；酯类物质增加了 15.51%，增加了 15种酯类物质，二氯乙酸十三烷基酯(12.49%)赋予了果酒浓郁的果香和香草香气；醛酮类物质减少了11.66%，减少了 14种物质，清汁中己醛(4.05%)赋予其浓郁的果香，而在果酒中大马士酮(1.46%)赋予其浓郁的玫瑰花香；芳香类物质减少了 7.24%，减少了 2种物质，甘蔗果酒中的丁香酚(6.14%)赋予其浓郁的丁香和甜辛香[11-14]。

图8 膜法甘蔗清汁和甘蔗果酒挥发性成分相对含量比较

3 结论

本试验采用 HS-SPME技术萃取膜法甘蔗清汁和甘蔗果酒的香气成分，并结合GC-MS进行分析。通过对萃取工艺的优化(萃取温度、萃取时间、解析时间等参数)，确定最佳的萃取工艺，并对二者进行香气成分分析。从甘蔗膜清汁中鉴定出挥发性成分65种，包括醇类、酯类、芳香类、羧酸类、醛酮类、杂环类、含硫化合物和烃类8种物质，占总峰面积的 77.93%；甘蔗果酒中鉴定出挥发性成分 47种，包括醇类、酯类、芳香类、羧酸类、烃类、杂环类、醛酮类总共7种物质，占总峰面积的95.73%。二甲基硫醚、正己酸乙酯、香叶醇、乙醇、二氯乙酸十三烷基酯、大马士酮是甘蔗果酒的主要特征风味的物质来源，赋予其浓郁的醇香和酒香；2-庚醇、正己醇、乙酸乙酯、己醛、2,6-二叔丁基对甲酚是膜法甘蔗清汁的主要特征风味的物质来源，赋予其浓郁的果香和甜辛香。这些物质的存在为进一步研究膜法甘蔗清汁及其甘蔗汁下游产品的特征风味研究提供参考。