基于电子鼻与GC-MS 对不同格瓦斯挥发性风味成分差异分析

唐红梅，李玉斌，王浩文，邓 静，刘 阳，刘乙志，刘 建，吴华昌,*

（1.四川轻化工大学生物工程学院，四川 宜宾 644000；2.中国科学院成都分院，四川 成都 610041；3.四川旅游学院 烹饪科学四川省高等学校重点实验室，四川 成都 610100；4.四川旅游学院食品学院，四川 成都 610100）

格瓦斯是东欧国家传统的非酒精软饮料，其乙醇体积分数低于1.2%[1]，主要由黑麦或干麦面包自然发酵而成[2]，具有醇香和面包香。格瓦斯采用有利的微生物组合（乳酸菌-酵母菌）发酵，所以富含丰富的B族维生素、乳酸、二氧化碳[3]。自然发酵的格瓦斯能量值比典型非酒精饮料低约1/2，对人体的影响与开菲尔相似[2]，具有开胃、助消化等功效。近年来，随着消费者对营养、功能性食品兴趣的日益增加[4]，具有良好滋味与功能性[5]的格瓦斯具有巨大的开发前景与研究意义。但目前格瓦斯的研究多集中在发酵[6]、生产[7]、贮藏工艺[8]阶段，对格瓦斯风味研究较少，而且鲜见有对不同格瓦斯风味物质的差异分析。

气相色谱-质谱（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）能检测不同样品中风味物质的种类和含量，但对不同样品整体风味差异分析较繁琐，而电子鼻能直接从整体上对样品风味进行分析，两者配合有利于从局部和整体上详细地研究食品的风味[9]。目前，电子鼻在食品应用方面已有诸多研究。张娟等[10]利用电子鼻技术并结合统计学分析方法，对牛肉中猪肉掺假进行识别。易宇文等[11]以东坡肘子为对象，利用感官评价和电子鼻技术对其风味特征进行分析，发现二者分析结果具有良好的一致性。Wang Min等[12]开发了一种小型电子鼻系统，可以实时地对冰箱食品的新鲜度进行评估。Wei Xiaobao等[13]对比了GC-MS与电子鼻技术对掺假牡丹籽油的识别能力，结果发现电子鼻结合线性判别分析更适用于牡丹籽油掺假的检测。电子鼻结合GC-MS的技术广泛应用于食品不同品种、品质及贮存条件挥发性风味物质的研究，包括野生真菌[14]、中药材[15]、白酒[16]、肉类[17]、水果[18]、蔬菜[19]等，这些研究很好地证明电子鼻结合GC-MS在鉴定食品风味差异上具有良好的相关性与互补性。

本实验以电子鼻、GC-MS为主要技术手段，结合主成分分析，对自制青稞格瓦斯以及市售4 种格瓦斯的风味物质进行差异鉴定，以期为格瓦斯风味的进一步研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

自制青稞格瓦斯（Z），按文献[20]制作；娃哈哈格瓦斯（W） 杭州娃哈哈集团有限公司；秋林格瓦斯（Q）天津秋林格瓦斯食品科技有限责任公司；巴巴耶夫格瓦斯（B） 俄罗斯红色十月食品集团；欧奇科娃（O）莫斯科欧奇可娃封闭式股份公司。

1.2 仪器与设备

FOX 4000型电子鼻（带Alpha SOFT V12软件）法国Alpha MOS公司；50/30 μm二乙烯基苯/碳分子筛/聚二甲基硅氧烷（divinylbenzene/carboxen/polydimethylsiloxane，DVB/CAR/PDMS）萃取头、HP 5890/5975 GC-MS联用仪 美国Agilent公司。

1.3 方法

1.3.1 电子鼻测定[21]

样品前处理：将5 种样品用超声波脱气处理30 min，排除二氧化碳。脱气完成后，每个样品取5 份进行平行测定，每份取1 mL，置于10 mL玻璃瓶中，顶空加热5 min（加热温度为70 ℃），进样针吸取0.5 mL顶空气体进样分析。

检测条件：载气（合成干燥空气）流速150 mL/min，数据采集时间120 s，延滞时间300 s。检测结束后，以18 个传感器的最大响应值进行统计分析，不同传感器对应不同的敏感度物质[22]。

1.3.2 顶空固相微萃取-GC-MS测定

顶空固相微萃取条件：准确量取5 种市售格瓦斯样品各8.0 mL及0.5 g氯化钠于15 mL样品瓶中，将老化的50/30 μm DVB/CAR/PDMS固相微萃取头插入样品瓶顶空部分，70 ℃平衡30 min、吸附15 min后，取出萃取头并插入GC进样口，同时启动仪器采集数据，解吸3 min。

GC-MS分析条件：HP-5MS色谱柱（30 m×0.25 mm，0.25 μm）；载气：氦气；进样口温度250 ℃；进样量2 μL；进样采用不分流方式，载气流速1.3 mL/min；升温程序：初温50 ℃，保持2 min，以5 ℃/min升到200 ℃，保持5 min，以25 ℃/min升到250 ℃，保持5 min。

由计算机质谱系统NSIT与RTLPEST检索未知化合物，匹配度大于700（最大1 000）且可能性大于40%的结果将予以报告，各成分相对含量的计算采用面积归一化法。

1.4 数据处理

采用IBM SPSS Statistics 22.0进行数据处理与分析，Origin 9.0进行相关图形的绘制。

2 结果与分析

2.1 电子鼻分析结果

由图1可知，格瓦斯Z、O、B、Q具有相同的指纹图谱，而格瓦斯W风味强度较弱，响应值在0～0.5之间，这可能是因为前四者是乳酸菌与酵母菌共同发酵，生成酯类、醇类及有机酸类等易挥发性风味物质较多，而格瓦斯W是多种乳酸菌发酵，产生的挥发性风味物质种类较单一，主要是有机酸类。其中，格瓦斯W在传感器LY2/G与其他格瓦斯差异最大，该传感器主要对氨、胺类、碳氧类化合物敏感，其次是对乙醇及燃烧产物敏感传感器P30/2与对乙醇、氨水、胺类化合物传感器PA/2。格瓦斯Z、O、B、Q在传感器LY2/G、P30/2、P30/1、PA/2上均表现出较高响应值，这些传感器主要对碳氢化合物、氨、胺类、乙醇敏感。

图1 5 种格瓦斯电子鼻指纹图谱Fig. 1 Electronic nose fingerprints of five kvasses

2.2 GC-MS分析结果

图2 5 种格瓦斯的GC-MS总离子流图Fig. 2 Total ion current chromatograms of five kvasses analyzed by GC-MS

由图2、表1可知，格瓦斯的风味主要由醇类、酯类、酸类、醛类物质组成，4 种挥发性风味成分总相对含量在73.12%～100%之间。其中，格瓦斯W风味物质以酯类物质为主，相对含量为34.37%，其次是醇类及酸类物质，醛类物质相对含量最少，仅为0.76%，这可能与多种乳酸菌共同发酵有关；格瓦斯Z、Q、B、O风味物质以醇类为主，相对含量分别为82.41%、51.49%、81.04%、67.15%，其次是酸类物质，酯类及醛类物质含量均较低，可能是乳酸菌与酵母菌共同发酵所致，这与艾乃吐拉·马合木提等[7]在研究乳酸菌和酵母菌共同发酵的红枣格瓦斯风味成分所得结论一致。

表1 5 种格瓦斯挥发性风味成分Table 1 Volatile flavor components identified in five kvasses

续表1

5 种格瓦斯中均检测出3-甲基-1-丁醇、苯乙醇、乙酸乙酯。其中，3-甲基-1-丁醇在格瓦斯Z、W、Q、B、O相对含量分别为19.38%、2.39%、15.87%、22.43%、21.95%，3-甲基-1-丁醇又称异戊醇，该醇是杂油醇或高级醇的主要成分，具有苦杏仁味，是意大利Grappa的主要香气成分[23]，在葡萄酒中也有检出[24]。苯乙醇在格瓦斯Z、W、Q、B、O相对含量分别为13.58%、15.01%、10.25%、23.12%、3.32%，其具有玫瑰与丁香花香气，有先苦后甜的桃子样味道[25]，其来源有两条途径：一部分来自于原料，另一部分来自于L-苯丙氨酸经酿酒酵母中脱氨酶、脱羧酶、还原酶作用产生[26]，在发酵、熟化过程中可与酸类物质发生酯化反应或被氧化为醛类物质，导致含量降低。乙酸乙酯在格瓦斯Z、W、Q、B、O相对含量分别为0.57%、31.34%、0.78%、0.36%、2.35%，其呈现水果香、花香，在葡萄酒、啤酒、白酒中均有检出，在白酒中含量最高[27]，该物质在发酵中主要由醇与酸发生酯化反应产生，贮存中则主要发生支链酯的酯化反应和高浓度直链酯的水解反应。

格瓦斯W共检测出13 种物质，其挥发性成分以乙酸乙酯、山梨酸、苯乙醇、2-乙酰基呋喃为主，相对含量分别为31.34%、18.49%、15.01%、13.95%，其中2-乙酰基呋喃具有甜香与焦糖香，是咖啡、土豆的风味成分之一，但其阈值高达1 000 μg/L[26]，山梨酸为饮料中的防腐剂。格瓦斯Z检测出16 种物质，主要挥发性成分为乙醇、3-甲基-1-丁醇、苯乙醇、辛酸，相对含量分别为45.93%、19.38%、13.58%、9.40%，其中辛酸具有山羊臭与奶酪香[28-29]，但阈值极高。格瓦斯Q共检测出

17 种物质，主要挥发性风味成分为乙醇、山梨酸、3-甲基-1-丁醇、苯甲醛、苯乙醇，相对含量分别为24.65%、22.28%、15.87%、13.23%、10.25%。格瓦斯B共检测出16 种物质，主要挥发性风味成分为乙醇、苯乙醇、3-甲基-1-丁醇，相对含量分别为35.24%、23.12%、22.43%。格瓦斯O共检测出16 种物质，主要挥发性风味成分为乙醇、3-甲基-1-丁醇，相对含量分别为41.08%、21.95%。

2.3 电子鼻与GC-MS主成分分析

2.3.1 电子鼻主成分分析结果

图3 5 种格瓦斯电子鼻主成分分析Fig. 3 PCA plot of electronic nose data for five kvasses

利用SPSS数据处理软件对5 种格瓦斯电子鼻最大响应值及挥发性风味物质组成进行主成分分析，如图3所示，5 种格瓦斯对18 个传感器的电子鼻最大响应值进行降维处理后，得到2 个主成分，第1主成分方差贡献率为96.88%，第2主成分方差贡献率为1.92%，累计方差贡献率为98.8%，主成分1、2包含样品的大部分信息。由图3可知，5 种格瓦斯以风味不同区分开，沿着第1主成分方向，格瓦斯Z、O、B、Q较为靠近，而格瓦斯W距其他4 种较远，即风味上存在差异，这种差异由18 个传感器共同决定，这与图1所得结论一致。沿着第2主成分方向，格瓦斯Z、O、B、Q得以区分，且Z距离O、B较近与Q距离较远，这种差异主要由LY2/AA、LY2/Gh、LY2/gCTl、P30/1决定。由电子鼻主成分分析结果可知：从5 种格瓦斯整体特征风味层面分析，格瓦斯Z与格瓦斯W、Q风味差异较大，与格瓦斯O、B风味更为接近。

2.3.2 GC-MS主成分分析结果

对5 种格瓦斯GC-MS数据进行降维处理后，得到3 个主成分，第1主成分方差贡献率为34.59%，第2主成分方差贡献率为28.20%，第3主成分方差贡献率为21.35%，累计方差贡献率为84.14%，3 个主成分基本上包含样品的大部分信息。由表2可知，乙醇、山梨酸、苯乙醛在第1主成分具有较大载荷，分别为0.25、-0.27、0.26，乙酸苯乙酯在第2主成分具有较大载荷，为0.25，苯甲醛在第3主成分具有较大载荷，为0.25。说明乙醇、山梨酸、苯乙醛、乙酸苯乙酯、苯甲醛对格瓦斯风味差异区分有重要影响。

表2 GC-MS特征向量矩阵Table 2 Eigenvector matrix of first three principal components

由图4可知，5 种格瓦斯以风味不同区分开，沿着第1主成分方向，格瓦斯W、Q较为靠近，格瓦斯O、B、Z接近，即国内、国外格瓦斯在乙醇、山梨酸、苯乙醛3 种风味物质上存在差异。国内格瓦斯W、Q乙醇相对含量在35%～45%之间，且含有18%～22%的山梨酸，不含有苯乙醛，该物质具有风信子香味[30]；国外格瓦斯O、B以及格瓦斯Z，乙醇相对含量在0%～25%之间，且含有0.74%～1.49%的苯乙醛，不含山梨酸。沿着第2主成分方向，格瓦斯B、W、Q接近，其他2 种较为分散，即在乙酸苯乙酯上存在差异，该物质具有花香和蜜香[31]，在B、W相对含量为0.6%，Z中相对含量在1.67%左右，其他2 种格瓦斯不含该物质。沿着第3主成分方向，格瓦斯O、B、Z接近，其他2 种较为分散，即在苯甲醛上存在差异，该物质具有苦杏仁味[32]，在O、B、Z中相对含量在0.75%～3.14%之间，Q中相对含量为13.23%，W中不含该物质。综上所述，格瓦斯B、O、Z风味接近，W与Q较为分散，这种差异可能是由乙醇、山梨酸、苯乙醛、乙酸苯乙酯、苯甲醛相对含量不同所致。

图4 5 种格瓦斯GC-MS主成分分析Fig. 4 PCA plot of GC-MS results for five kvasses

3 结 论

采用电子鼻，结合主成分分析，对青稞格瓦斯（Z）、俄罗斯格瓦斯（O、B）、国内格瓦斯（Q、W）的挥发性风味成分差异分析可知：从5 种格瓦斯整体特征风味层面分析，格瓦斯Z与格瓦斯Q、W风味差异较大，与格瓦斯O、B风味更为接近。但格瓦斯Z与格瓦斯O、B间存在微小差异，主要因LY2/AA、LY2/Gh、LY2/gCTl、P30/1响应值不同，即乙醇、氨、碳氢化合物含量不同所致。

利用顶空固相微萃取进样，经GC-MS进一步分析可知：格瓦斯Z与格瓦斯O、B风味更为接近，但与格瓦斯Q、W有较大差异，这一结果与电子鼻分析结果一致。乙醇、山梨酸、苯乙醛、乙酸苯乙酯、苯甲醛等挥发性风味物质在5 种格瓦斯中的相对含量不同，可能会导致风味呈现差异。本实验从局部和整体对5 种格瓦斯的风味进行差异分析，为不同格瓦斯的风味分析提供参考。