基于GC-MS和电子感官技术分析发芽对黑麦茶风味的影响

陆晨浩，王曦如，仲梦涵，郝怡宁，陈尚兵，王玉环，邢常瑞，袁 建

（南京财经大学食品科学与工程学院，江苏 南京 210023）

黑麦（Secale cereale L.）素有“蛋白麦”的美称[1]，相较于大麦与小麦，黑麦中的蛋白含量非常高[2-3]。不仅如此，黑麦还富含阿魏酸、植物甾醇类、黄酮类化合物等植物活性物质[4-5]。目前黑麦功能性食品的开发仅在面包[6]与饼干[7]上应用较多。2018年富硒黑麦茶大量出现，极受消费者青睐，而关于发芽黑麦茶的研究相对较少，发芽黑麦在未出苗时营养倍增，且抗氧化活力提高，发芽后麦芽中增加了可溶性物质，并含较多胡萝卜素与维生素，经酶解可以生成具有甜味的纤维素，增加了适口性，易于消化[8-9]。蒋芮等[10]对黑大麦发芽进行研究，发现发芽第2天发芽率达到最高，第3天营养物质含量显著升高，具有开发功能性食品的巨大潜力，所以研究开发发芽黑麦茶具有重要意义。

鉴定茶品质的过程中滋味、香味均为重要指标，其中茶的香味对茶品质的贡献率达25%～40%[11-12]。本实验运用电子鼻与电子舌联用，对发芽黑麦茶的品质进行鉴定。电子鼻通过传感器阵列对茶叶总体气味信息进行以馈[13]。电子舌则能够从酸、甜、苦、咸、鲜这5 种滋味进行模拟并用数据进行以馈，多角度对茶品质进行评定。Mahuya等[14]通过电子鼻、电子舌联用对红茶进行分类并快速检测其品质。Runu等[15]将此技术运用于茶叶品质检测自动化。

为进一步比较发芽黑麦茶香味品质，本实验采用气相色谱-质谱（gas chromatography-mass spectrometry，GCMS）与电子鼻联用，并用保留指数（retention index，RI）进行定性，增加结果准确性。Zhou Xuxia等[16]通过GC-MS与电子鼻联用评价洗涤方法对鲢鱼肉糜香气特性的不同影响。Qiu Shanshan等[17]利用GC-MS对柑橘进行质量检测。

1 材料与方法

1.1 材料

黑麦为2018年新收种子级黑小麦，采自河南省商丘市宁陵县。

1.2 仪器与设备

BEAR智能发芽机 小熊环境电器有限公司；DHG-9140A电热鼓风干燥箱 上海一恒科学仪器有限公司；ASTREE电子舌、α-FOX3000电子鼻 法国Alpha MOS公司；7890A-5875C GC-MS联用仪 美国安捷伦公司；手动固相微萃取进样器、50/30 μm DVB/CAR/PDMS萃取头 美国Supelco公司。

电子鼻和电子舌传感器，如表1、2所示。

表1 电子鼻传感器阵列性能Table 1 Performance of electronic nose sensor arrays used in this study

表2 电子舌传感阵列性能Table 2 Performance of electronic tongue sensor arrays used in this study

1.3 方法

1.3.1 发芽黑麦茶样品制备

将黑麦放入水中浸泡8～10 h，取出放入发芽机培养，分别在第1、2、3天取出。将发芽黑麦放入60 ℃烘箱干燥3 h，取出放入180 ℃烘烤机中处理30 min，冷却。

1.3.2 挥发性成分测定

参考陈兵等[18]的方法，稍作修改。称量0.50 g左右的样品装入15 mL萃取瓶中，置于60 ℃恒温水浴锅平衡10 min，插入装有纤维头的手动固相微萃取进样器进行采样，吸附45 min，采样完毕立即进行GC检测，250 ℃解吸3 min。

G C条件：D B-5 M S弹性石英毛细管柱（30 m×0.25 mm，0.25 μm）；载气为He；恒流模式：流速1.7 mL/min；升温程序：初始温度40 ℃，保持5.0 min，以10 ℃/min升至85 ℃，保持3.0 min，以4 ℃/min升温至200 ℃，保持3.0 min，再以10 ℃/min升温至230 ℃，保持1.0 min。

MS条件：电子电离源，正离子模式；电子能量70 eV；离子源温度200 ℃；质量扫描范围m/z35～400；发射电流100 μA；检测电压1.4 kV。

1.3.3 电子鼻测定

取3 g样品放入小瓶，在35 ℃平衡300 s并产生挥发性物质，挥发性物质以150 mL/min速率进入电子鼻，与传感器接触120 s[19]。

1.3.4 电子舌测定

参考董文江等[20]的方法，稍作修改。称取5 g样品，放入100 mL沸水中冲泡，双层膜密封，置于60 ℃水浴锅静置10 min后过滤，冷却到室温，进行电子舌数据采集，采集时间120 s，每个样品间用超纯水清洗10 s，每个样品重复5 次实验。

1.4 数据处理

采用Origin软件，对电子鼻与电子舌响应值进行主成分分析（principal components analysis，PCA）图与雷达图。

发芽黑麦茶经GC-MS分析，产生总离子流图对其进行质谱检索，在与样品色谱条件相同的情况下，与正构烷烃C7～C40的色谱进行对照分析，RI按下式计算：

式中：tx为物质保留时间/min；tn为正构烷烃保留时间/min；n为正构烷烃的碳原子数，tn＜tx＜tn+1，实际值与引用值误差应不超过3%。

2 结果与分析

2.1 基于电子鼻与电子舌传感器的发芽黑麦茶气味与滋味响应值分析

图1 发芽黑麦茶电子鼻（A）和电子舌（B）雷达图Fig. 1 Electronic nose (A) and electronic tongue (B) radar maps of sprouted rye tea

如图1所示，除了电子鼻传感器s1与s6响应值较为接近，其余传感器都有区别。电子鼻传感器s1与s6相差不大，说明氯、氮氧化合物差距不大，丙烷丁烷区别也不大。发芽与未发芽黑麦茶的风味区别主要在传感器s7～s12，发芽相较于未发芽含有更多极性化合物、脂肪酸、芳香族化合物。s2～s5有着较小的差别，酮类胺类小幅改变，相较于s7～s12并不明显。

电子舌的味觉传感器阵列显示除了传感器s13与s19区别较大外，其他味觉基本相近。s13代表酸味，随着黑麦的发芽，酸味不断下降，这与孙丽华[21]研究的大麦发芽时苹果酸与柠檬酸在3 d之中有明显下降结果一致。s19代表苦味，苦味是由于茶中咖啡碱、茶多酚存在，可溶性糖是茶汤中甜味部分，能缓解咖啡碱与茶多酚的苦味[22]。随着黑麦的发芽，苦味下降明显。传感器s16数值较高，代表鲜度，鲜度由氨基酸产生，4 种黑麦茶鲜味差距不大，这与蒋芮等[10]结果一致。鲜味氨基酸变化不大，其中谷氨酸钠是鲜味氨基酸的代表，具有较高鲜度，天冬氨酸也具有一定鲜度。它们是黑麦茶中鲜度滋味的呈味代表。

2.2 PCA结果

图2 发芽黑麦茶电子鼻（A）和电子舌（B）PCAFig. 2 Principal component analysis of electronic nose (A) and electronic tongue (B) sensor responses to sprouted rye tea

如图2A所示，PC1与PC2的贡献率分别为88.552 7%与10.995%，两者之和高达99.547 7%，说明该数据能很好地以映样品的整体信息，而判别指数（discrimination index，DI）为91表明样品之间区分度大，3 个发芽的黑麦茶较为靠近，气味接近。而未发芽的黑麦茶较远，相较于发芽的黑麦茶区别较大，发芽黑麦茶相互接近，然而未有重叠，因此能起到很好的区分作用。因为随着麦芽的生长势必会出现气味的变化，而随着麦芽的活性物质增多，风味改变较小但仍有区别。

如图2B所示，PC1与PC2的贡献率分别为87.663%与7.745%，两者之和高达95.408%，该数据也能较好地以映样品整体信息，具有代表性。DI为94，表明不同样品间具有较大的区别。随着发芽时间的延长，制成的麦茶味道区别也越来越大。发芽第1天与未发芽较为接近，发芽第2、3天的黑麦风味较为接近。与雷达图显示结果一致。第1天的麦芽较短，长度在0.2～0.5 cm之间，所产生的风味区别改变不明显，而随着发芽时间的延长，麦芽长度可达1～3 cm，风味改变较为明显。

2.3 RI定性

2.3.1 发芽黑麦茶主要香气成分

在质谱库检索定性的基础上，采用RI进行进一步的定性，确保化合物的准确性。RI仅与固定相性质和柱温有关，能很好地保证物质鉴定的准确性[23]，定性结果如表3、4所示。

发芽黑麦茶的主要香气成分来自醛类、酮类、酸类与杂环类，一方面由于美拉德以应的产生，另一方面由于黑麦中不饱和脂肪酸的酶解与化学氧化所形成的。共检测出醛类12 种，酮类4 种，酸类5 种，杂环类7 种。

表3 烘烤发芽黑麦茶主要香气成分相对含量变化Table 3 Relative contents of main aroma components in sprouted rye tea

醛类主要来自美拉德以应，也有部分来自过氧化物的裂解与长链不饱和醛氧化降解的短链醛[24]。美拉德以应中醛类物质的产生主要源自天冬氨酸、赖氨酸、甲硫氨酸、组氨酸与葡萄糖或果糖的以应[25]。随着发芽时间的延长，醛类在总挥发性物质中占比基本稳定，在第3天有较大的增幅，前3 d为20%左右，在第3天直接达到40%左右的高占比，是前3 个样品的2 倍。这是因为发芽第3天的黑麦中的游离氨基酸有了大幅度的提高，脂肪含量有增高趋势，致使烘烤过程中美拉德以应产生醛类物质的含量有了很大提高。其中糠醛、3-糠醛、5-甲基糠醛相对含量增加最为明显，约为第2天的2 倍，它们具有烘烤香与坚果香，是发芽黑麦茶香气组成成分中重要的一部分。壬醛占比也相对较大，前3 d都保持在4.15%左右，而在第3天高达9.16%，壬醛主要由酸氢过氧化物裂解产生[26]，其独特的奶油香味是烘烤食品风味的重要组成部分。

酮类化合物是由醇氧化或酯的分解产生，虽然本身占比并不大，但其赋予了食品焦糊味[27]。随着发芽时间的延长酮类化合物也不断增加。未发芽时相对含量只有1.22%，随后3 d相对含量稳定在3%左右。在发芽的最后2 d，醇类相对含量增加，其由酯的分解产生。

在香气组成成分中除了醛类发挥着重要作用外，杂环类如吡嗪、吡啶也发挥着至关重要的作用，杂环类化合物主要来自氨基酸和糖的美拉德以应、氨基酸直接热解和葫芦巴碱降解[28]。随着发芽时间的延长杂环类化合物相对含量呈不断下降的趋势，未发芽时占比在31.96%，而发芽第3天时仅占6.16%。其中2-乙基-5-甲基吡嗪与2-乙基-3,6-二甲基吡嗪下降最为显著，未发芽与发芽第3天比较，分别下降了9.33%和6.60%。这是因为随着发芽时间的延长醛类物质的含量占比逐渐增多，导致杂环类物质相对含量减小，合成与热解相对减少，且杂环的阈值较高，而与杂环相比，醛类阈值小很多。

酸类化合物在发芽过程中呈先下降后上升的趋势，丁酸只出现在发芽最后一天，由发芽出现的低级脂肪酸或丁醛氧化产生。酸在挥发性气体中占比不大，但在烘烤制品中仍然具有独特的贡献，多数为脂肪酸存在于烘烤制品中，呈现烘烤香味。随着贮藏时间延长，由于微生物及氧化作用，脂肪酸会呈现酸败气味。

2.3.2 发芽黑麦茶其他香气成分分析

其他类物质中，烯烃2 种、酯类8 种、酚类2 种、醇类2 种，虽然没有醛类与杂环类占比大，但在香气上也有着独特的贡献。

随着发芽时间不断延长，酯类在发芽第2天达到了顶峰，增加了7.31%。可能是黑麦体内的酸与醇在高温作用下，不断结合生成了酯。在发芽后2 d，酯类主要部分为邻苯二甲酸二甲酯，发芽第3天其相对含量达到3.84%，比未发芽时高出2.72%。而在发芽第1天占比最多的为正癸酸正癸酯，达到5.20%，由黑麦中的癸酸与癸醇在高温下以应生成。isomaltol在发芽第2天时检出，由2,3-dihydro-3,5-dihydroxy-6-methyl-4H-pyran-4-one分解而成，这是其最主要生成方式[29]。糠醇是由糠醛还原而来，在最后2 d相对含量分别为3.24%、4.52%，第0天与第1天均未检测出，在发芽第2天开始出现，这可能是由于前2 d糠醛相对含量较少，仅为0.39%和2.28%，并不足够分解为糠醇。酚类物质随着发芽时间的延长呈增加趋势，2-甲氧基-4-乙烯基苯酚与2,6-二叔丁基对甲酚都为烟草中常见酚类。2,6-二叔丁基对甲酚在麦芽长出后稳定在3%左右，2-甲氧基-4-乙烯基苯酚一直稳定在3%左右，涨幅不大。烯烃类中，D-柠檬烯占主要成分，该成分可以抗癌、抑制烟草中的毒性[30]。因为D-柠檬烯极易氧化，所以在发芽后期有所减少。而苯乙烯仅在第1天被检出，相对含量为1.65%，出芽后苯乙烯被分解不再被检出。

表4 烘烤发芽黑麦茶其他挥发性气体相对含量变化Table 4 Relative contents of other volatile gases in germinated rye tea

2.3.3 发芽黑麦茶风味物质电子鼻与GC-MS结合分析

相较于未发芽的黑麦茶，发芽后的黑麦茶风味物质种类显著增加，导致电子鼻PCA作图时未发芽黑麦茶与发芽黑麦茶分布较远。其中，3-糠醛、1,13-十四碳二烯-3-酮、丁酸、Z-8-甲基-9-十四酸、乙酸糠酯、十八酸乙烯酯、10-十一碳炔酸十二酯、氯乙酸十六酯、异戊酸香叶酯、糠醇、isomaltol，都是发芽后特有的风味物质，与电子鼻传感器s9明显上升结果一致。在相对含量上，杂环类与烯烃类物质呈现下降趋势，醛类、酮类、酸类、酯类、酚类物质均呈现上升趋势。GC-MS检测结果与电子鼻的雷达图和PCA结果相吻合。

3 结 论

利用GC-MS与电子感官技术对发芽黑麦茶风味物质进行检测分析，共检测出挥发性物质42 种。随着发芽时间的延长，发芽黑麦茶醛类物质相对含量明显增加，第3天相对含量高达42.23%，其中糠醛、3-糠醛、5-甲基糠醛都有着明显上升趋势，使发芽第3天的黑麦茶具有浓重的杏仁香味。酚类物质增加，第3天相对含量达到最大为7.03%，除去杂环类与烯烃类香气挥发性成分的相对含量均有增加，在成分种类上也有变化，发芽第3天的种类明显多于第0天。与未发芽的黑麦茶相比，发芽第3天的黑麦茶在香气挥发性物质的种类与含量都有显著提高。口感上咖啡碱、茶多酚、苹果酸等含量的下降致使苦味、酸味都有明显下降，呈味氨基酸的稳定使鲜味值较高。黑麦茶具有较高的营养价值，与之相比，发芽黑麦茶具有更高营养价值，而且香味和口感的改善都是发芽黑麦茶的优势。因此发芽黑麦茶的产品在市场上具有广阔应用前景。