速溶豆粉、牛奶粉及羊奶粉挥发性成分的比较

葛丽琴,孙雪枫,王远兴

(南昌大学食品科学与技术国家重点实验室,江西南昌 330047)

速溶豆粉是经由脱皮、浸泡、磨浆、杀菌、脱臭、喷雾干燥等一系列工艺制成的粉状即溶速食饮品,其含有丰富的植物蛋白与磷脂,还含有维生素B1、B2、烟酸和铁、钙等矿物质,其含有的不饱和脂肪酸具有防止胆固醇沉积的作用,是深受国民喜爱且老少皆宜的营养饮品,素有“植物奶”的美誉[1]。奶粉主要是以牛乳汁为原料,或使用羊、驴等其他动物的乳汁生产的产品,经过消毒、脱水、干燥等工艺制成的粉末,其营养价值丰富、含钙量高、机体吸收利用率高,具有较好的保健和医疗价值,被誉为“白色血液”,是目前奶制品市场的主流。其中,羊奶粉因其相较牛奶粉含更多的乳清蛋白,更少的酪蛋白,且脂肪球体积小,含有较高水平的中链脂肪酸,更容易被人体消化吸收,而逐渐受到消费者和市场的欢迎[2]。

固相微萃取技术(solid-phase micro-extraction,SPME)是常用的一种较理想有效的前处理萃取方法,它能够将萃取与浓缩同时进行,对于挥发性物质种类较复杂且含量较低的样品有较好的萃取效果,具有萃取条件温和、灵敏度高、无需溶剂、操作简便、用量少等特点[3-4]。气相色谱-质谱联用技术(gas chromatography-mass spectrometry,GC-MS)是鉴别挥发性和半挥发性有机化合物的有用工具,它具有高分离性能和准确的鉴定能力,常用于检测小分子易挥发、极性低、低沸点代谢物,或者经过衍生化后有挥发性的物质,是当前主要的分析平台之一[5]。

目前,国内外针对速溶豆粉、牛奶粉及羊奶粉多是从营养成分、健康功能等方面进行研究[6-7],而就速溶豆粉、牛奶粉和羊奶粉挥发性成分的比较研究报道较少。本文以速溶豆粉、牛奶粉与羊奶粉为研究对象,采用固相微萃取-气相色谱质谱联用(solid-phase micro-extraction gas-chromatography mass spectrometry,SPME-GC-MS)为研究手段,结合主成分分析和聚类分析,对速溶豆粉、牛奶粉与羊奶粉的挥发性成分进行检测,旨在分析比较三者挥发性成分的差异性。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

本实验所测速溶豆粉、牛奶粉与羊奶粉样品 均来源于市售常见品牌,其中速溶豆粉7种,每种3个批次,来源于永和、维维、金龙鱼、南方、北大荒、Unisoy、Ovaltine等品牌;牛奶粉9种,每种3个批次 来源于伊利、飞鹤、雀巢、光明、蒙牛、海乳、Anchor、Cowala、Devondale等品牌;羊奶粉6种,每种3个批次 来源于美羚、西蒙、尤爱倍特、Karivita、Caprilac、Flevomel等品牌;正构烷烃(C7～C30)的混合标准品(色谱级) 美国Supelco公司。

Agilent 7890-7000B三重串联四极杆气相色谱-质谱联用仪(配有MassHunter Workstation色谱工作站和NIST MS Search 2.0质谱检索数据库)、HP-5MS石英毛细管柱(30 m×0.25 mm,0.25 μm) 美国Agilent公司;萃取手柄、50/30 μm二乙烯基苯/羧乙基/聚二甲基硅氧烷(Divinylbenzene/carboxen/polydimethylsiloxane,DVB-CAR-PDMS)固相微萃取纤维头 美国Supelco公司;AL104电子天平 瑞士Mettler Toledo公司;HH-2数显恒温水浴锅 国华电器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 前处理条件 综合周宸丞等[8]、艾对等[9]前处理方法并优化后确定前处理条件:称取2.00 g试样于20 mL顶空瓶中,用聚四氟乙烯隔垫盖子密封;将顶空瓶置70 ℃水浴锅中水浴平衡30 min,每隔10 min晃动瓶身;再将固相萃取头插入顶空萃取瓶中,萃取吸附30 min。萃取结束后将萃取头放入GC-MS进样口中,250 ℃解析5 min,使得挥发性成分得到分离。

1.2.2 色谱条件 色谱柱:HP-5 MS石英毛细柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm);升温程序:起始柱温40 ℃,保持3 min,以5 ℃/min升至60 ℃,然后以3 ℃/min升至150 ℃,保持2 min,最后以10 ℃/min 升至230 ℃;载气为高纯氦气(纯度≥99.999%);载气流速为1 mL/min;进样口温度250 ℃;分流比为1∶1。

1.2.3 质谱条件 电子轰击离子源;电离电压70 eV;传输线温度250 ℃;离子源温度230 ℃;四级杆温度为150 ℃;溶剂延迟3 min;质量扫描方式为全扫描模式;质量扫描范围m/z 30～500。

1.2.4 定性与定量方法 定性:根据 NIST MS Search 2.0 质谱图库检索结果,结合保留指数定性。

保留指数(retention index,RI)的测定方法:将正构烷烃标准品以液体进样的形式,按照上述 1.3.2 的升温程序进行分离。进样量为1 μL,分流比为20∶1。记录每个正构烷烃标准品出峰的保留时间,各组分的保留指数计算采用 Kovats 保留指数计算公式[10]:

式中:RI为待测组分的保留指数;RTx为待测组分的保留时间;n和n+1分别表示正构烷烃的碳原子数;其中RTn

定量:运用峰面积归一化法得到各挥发性成分的相对含量。

1.3 数据分析

使用IBM SPSS Statistics 22统计学分析软件和SIMCA-P 13.0版软件对数据进行分析,采用Origin8.5作图软件制图。

2 结果与分析

2.1 速溶豆粉、牛奶粉与羊奶粉挥发性成分的GC-MS分析

速溶豆粉、牛奶粉和羊奶粉的挥发性成分总离子流色谱图分别如图1～图3所示。比较图1～图3可以观察到,在5～10 min范围内,羊奶粉有明显区别于另两者的峰,鉴定的挥发性物质为庚醛、2-庚酮和二甲基砜,羊奶粉的挥发性成分出峰时间比较接近,峰较为密集,速溶豆粉和牛奶粉的峰分离度较好,三者能够明显区分开。

图1 速溶豆粉挥发性成分总离子流色谱图Fig.1 Total ion chromatogram of volatile components of instant soybean powder

图2 牛奶粉挥发性成分总离子流色谱图Fig.2 Total ion chromatogram of volatile components of milk powder

图3 羊奶粉挥发性成分总离子流色谱图Fig.3 Total ion chromatogram of volatile components of goat milk powder

从图1可以看出,速溶豆粉的挥发性成分主要集中在16～21、27～31和34～38 min,在20.96 min出现最大峰为十二烷,占总挥发性成分的11.4%,其余高峰物质分别为壬醛、2,2,4,6,6-五甲基庚烷、(E,E)-3,5-辛二烯-2-酮、右旋萜二烯、3-甲基十三烷、十四烷、2,6-二叔丁基对甲酚等;从图2可以看出,牛奶粉的挥发性成分主要集中在11～21和26～30 min,在11.68 min出现最大峰为2,2,4,6,6-五甲基庚烷,占总挥发性成分的19.04%,其余高峰物质分别为壬醛、十二烷、十四烷、δ-癸内酯、二甲基砜等;从图3可以看出,羊奶粉的挥发性成分主要集中在5～21和27～30 min,在16.67 min出现最大峰为壬醛,占总挥发性成分的14.95%,其余高峰物质分别为2,2,4,6,6-五甲基庚烷、右旋萜二烯、壬醛、十二烷、二甲基砜等。综上来看,三者均含有壬醛、2,2,4,6,6-五甲基庚烷、十二烷等物质,且相对含量较高,速溶豆粉和牛奶粉最大峰都为烃类物质,而羊奶粉最大峰是醛酮类物质,这可能是影响风味的原因之一。

由表1可知,速溶豆粉、牛奶粉和羊奶粉分别鉴定出42、48、47种挥发性物质,包括醇类、醛酮类、烃类、酸类、酯类和其他类物质等。整体来看,相比另外两种奶粉,速溶豆粉中检出的醇类和酸类物质含量最多;相比速溶豆粉和羊奶粉,牛奶粉中检出的烃类和酯类物质含量最多;相比速溶豆粉和牛奶粉,羊奶粉中检出的醛酮类和其他类物质含量最多。速溶豆粉、牛奶粉和羊奶粉中醛酮类和烃类物质含量均较多,其总和占总相对含量的77.14%～85.01%,可能对其风味有重要贡献。挥发性成分中十二醛、十一烷、1-十三烯、7-甲基十三烷只在牛奶粉中检出,1-戊醇、3-辛烯-2-酮、2-甲基十三烷、γ-十二内酯只在羊奶粉中有检出,而速溶豆粉中检测到的(E,E)-3,5-辛二烯-2-酮和2,6-二叔丁基对甲酚相对含量远高于另两种物质,这些物质可能是三者挥发性风味的差异物质。

表1 速溶豆粉、牛奶粉与羊奶粉挥发性成分定性分析及相对含量Table 1 Qualitative analysis and relative content of volatile components of instant soybean powder,goat milk powder and milk powder

续表

从图4可以看出,速溶豆粉检出的醇类物质种类最多(4种);在牛奶粉中检出烃类物质种类最多(25种);在羊奶粉中检出的醛酮类(11种)、酯类(8种)和其他类物质(3种)种类均较多。整体来看,三者中检出的烃类、醛酮类、酯类的个数均较多,可能对风味有重要影响。

图4 速溶豆粉、羊奶粉与奶粉的各类挥发性成分种类数对比Fig.4 Comparison of number of various volatile components of instant soybean powder,goat milk powder and milk powder

综上看来,速溶豆粉、牛奶粉和羊奶粉挥发性成分中烃类的相对含量在总挥发性成分比重均最大,其中速溶豆粉中烃类物质相对含量占比56.72%;牛奶粉中烃类物质含量高达66.07%,是三者中烃类物质含量最高的;而羊奶粉中烃类物质含量占比也高达51.22%。但由于烃类物质风味阈值较高,对于挥发性风味的贡献并不大[28]。其次,占比较大的是醛酮类物质,醛酮类物质是脂肪发生氧化反应产生的二次氧化产物[29]。由于速溶豆粉的脂肪含量比羊奶粉与牛奶粉低,速溶豆粉含脂18%[30],牛奶粉含脂26%[31],而羊奶粉脂肪含量高达30%以上[32],这可能是导致羊奶粉与牛奶粉含有的醛酮类物质比速溶豆粉高的原因。醛酮类物质风味阈值较低,对于挥发性风味的贡献较大,是奶粉风味的常见特征组分[27]。检出的醛酮类物质主要包括己醛、庚醛、壬醛、癸醛、2-庚酮、3-辛烯-2-酮和(E,E)-3,5-辛二烯-2-酮,三者按醛酮类物质含量由高到低依次是羊奶粉、速溶豆粉和牛奶粉。醛酮类物质含量的差异对三者的特征风味具有突出贡献。其他类物质包括二甲基砜、2-正戊基呋喃、2,6-二叔丁基对甲酚,其中二甲基砜主要是来自乳制品中甲硫氨酸降解产生[33],风味阈值较低;2-正戊基呋喃通常被报道为亚油酸的氧化产物[34],阈值较低,对气味有很大的贡献;2,6-二叔丁基对甲酚是常用的酚类抗氧化剂,阈值较低,对气味具有一定的贡献。速溶豆粉未检测到其他类物质中的含硫物质二甲基砜,而羊奶粉与牛奶粉中二甲基砜相对含量较高,并且羊奶粉的二甲基砜相对含量远高于牛奶粉,高达12.13%,这一结果与雷飞艳等[35]的研究结果一致。

2.2 速溶豆粉、牛奶粉及羊奶粉挥发性成分的聚类分析与主成分分析

为了表征和鉴定速溶豆粉、羊奶粉和奶粉的不同化学型,将挥发性成分进行聚类分析(CA)和主成分分析(PCA)。获得聚类分析构建的树状图和主成分分析的二维得分图和载荷图,如图5～图6所示。

图5 速溶豆粉、羊奶粉与牛奶粉挥发性成分的聚类分析树状图Fig.5 Cluster analysis of instant bean powder, goat milk powder and milk powder

图6 66个样品的主成分二维得分图(A)和二维载荷图(B)Fig.6 PCA 2D score plots(a)and 2D loading plots(b)of 66 samples注:图6(A)中数字表示不同样本; 图6(B)中数字与表1一致,表示不同挥发性成分。

由图5可以看出,通过聚类分析树状图可以将速溶豆粉、牛奶粉和羊奶粉三者明显的区分开。欧氏距离可用于表示样品的相似程度,相似程度越高的样品,欧氏距离越小[36]。从右往左看,在距离为24时(图5中虚线Ⅰ处),样品聚为两大类:第一类为速溶豆粉,第二类为羊奶粉与牛奶粉;在距离为22时(图5中虚线Ⅱ处)可将样品分为三类:速溶豆粉3、羊奶粉与牛奶粉、其余速溶豆粉;在距离为18时(图5中虚线Ⅲ处)将样品分为五类:速溶豆粉3、速溶豆粉7、其余速溶豆粉、羊奶粉、牛奶粉。由此表明,聚类分析能很好地应用于速溶豆粉、牛奶粉和羊奶粉挥发性成分的区分。

结合表1发现,1-辛烯-3-醇(3.26%)、癸醛(2.32%)、(E,E)-3,5-辛二烯-2-酮(5.28%)、1-十二烯(2.20%)、正癸酸(2.40%)、丙位辛内酯(1.15%)、2-正戊基呋喃(1.12%)、2,6-二叔丁基对甲酚(6.50%)在速溶豆粉中含量明显高于牛奶粉和羊奶粉,可推断出这些物质对速溶豆粉特征风味的形成具有突出贡献;壬醛(14.01%)、2-壬酮(1.15%)、2,2,4,6,6-五甲基庚烷(19.04%)、十一烷(2.01%)、十二烷(16.88%)、δ-癸内酯(3.47%)、1-十三烯(0.38%)在牛奶粉中含量明显高于速溶豆粉与羊奶粉,可推断出这些物质对牛奶粉特征风味的形成具有主要贡献;庚醛(3.01%)、反-2-辛烯醛(2.10%)、壬醛(14.95%)、2-庚酮(1.08%)、3-辛烯-2-酮(1.94%)、右旋萜二烯(10.01%)、γ-十二内酯(0.20%)、二甲基砜(12.13%)在羊奶粉奶粉中含量明显高于速溶豆粉与牛奶粉,推断是羊奶粉特征风味物质的主要贡献物质。

图6A得分图表示速溶豆粉、牛奶粉和羊奶粉三者基于挥发性成分的相似性与差异性,图6(B)载荷图表示引起样品差异的关键变量。不同的变量对区分模型的建立和贡献是不一样的。从理论上来说,载荷图中越是远离中心点的变量,对得分图的贡献越大,而这种物质正是不同类型样本中的差异成分[37]。由图6A二维得分图可知,速溶豆粉、牛奶粉和羊奶粉可以明显被分为三类,区分度较好。由图6B二维载荷图可知,2,2-二甲基-1-癸醇(4)、1-十二烯(26)、3-甲基十三烷(35)、2,6,10-三甲基十二烷(36)、2,2-二甲基-1-辛醇(5)、庚醛(7)、γ-十二内酯(49)、二甲基砜(54)、正十七烷(42)、1-戊醇(1)、2-甲基十三烷(34)、反-2-辛烯醛(9)等挥发性成分远离y轴;而十二烷(27)、丁位十二内酯(50)、δ-癸内酯(48)、1-十三烯(29)、十四烷(37)、丁位十四内酯(52)、十一烷基环戊烷(41)、苯甲醛(8)、2-正戊基呋喃(55)、己醛(6)等挥发性成分远离 x轴。这些物质远离中心点,贡献较大,是样本中的差异成分。

从图6可以看出,癸醛(11)、(E,E)-3,5-辛二烯-2-酮(15)、1-十二烯(26)、正癸酸(45)、丙位辛内酯(46)、2-正戊基呋喃(55)、2,6-二叔丁基对甲酚(56)等挥发性物质的载荷图位置与得分图中速溶豆粉所处位置类似,说明速溶豆粉中这些挥发性物质含量较高,能作为速溶豆粉的关键挥发性物质,用来和牛奶粉和羊奶粉进行区分。十二烷(27)、丁位十二内酯(50)、2-乙基己醇(3)、壬醛(10)、2-甲基癸烷(21)、邻苯二甲酸正丁异辛酯(53)、十一烷(22)、2,2,4,6,6-五甲基庚烷(18)、1-十三烯(29)、δ-癸内酯(48)、丁位十四内酯(52)等挥发性物质的载荷图位置与得分图中牛奶粉所处位置类似,说明牛奶粉中这些挥发性物质含量较高,能作为牛奶粉的关键挥发性物质,用来和速溶豆粉和羊奶粉进行区分。1-戊醇(1)、反-2-辛烯醛(9)、庚醛(7)、二甲基砜(54)、3-辛烯-2-酮(14)等挥发性物质的载荷图位置与得分图中羊奶粉所处位置类似,说明羊奶粉中这些挥发性物质含量较高,能作为羊奶粉的关键挥发性物质,用来和牛奶粉和速溶豆粉进行区分。此分析结果和聚类分析结果一致,可以互相佐证。

3 结论

基于固相微萃取气相色谱质谱联用技术对速溶豆粉、牛奶粉和羊奶粉的挥发性成分进行鉴定,在速溶豆粉中共鉴定出42种挥发性物质,牛奶粉中共鉴定出48种挥发性物质,羊奶粉中共鉴定出47种挥发性物质。检出的物质主要包括醇类、醛酮类、烃类、酸类、酯类和其他类等物质,三者中烃类、醛酮类和酯类物质的种类和含量均较高,其中速溶豆粉中检测到的醇类和酸类物质含量高于牛奶粉与羊奶粉;牛奶粉中检测到的烃类和酯类物质含量高于速溶豆粉和羊奶粉;羊奶粉中检测到的醛酮类和其他类物质含量高于速溶豆粉和牛奶粉。结合聚类分析和主成分分析两种统计学方法进行数据研究,结果表明,癸醛、(E,E)-3,5-辛二烯-2-酮、1-十二烯、正癸酸、丙位辛内酯、2-正戊基呋喃、2,6-二叔丁基对甲酚是速溶豆粉的关键挥发性物质;壬醛、δ-癸内酯、十二烷、丁位十二内酯、2,2,4,6,6-五甲基庚烷、1-十三烯是牛奶粉的关键挥发性物质;1-戊醇、庚醛、2-庚酮、二甲基砜、3-辛烯-2-酮、壬醛、γ-十二内酯等挥发性物质是羊奶粉的关键挥发性物质。这些物质可作为三者间的挥发性差异物。今后可以尝试增加样本的种类和数量,如探究不同产地、不同存储时间或不同加工工艺的样本之间的挥发性成分的差异。