基于顶空-气相色谱-离子迁移谱法研究干燥方式对小米椒挥发性风味物质的影响

葛 帅，陈宇昱，彭争光，周 辉，丁胜华，蒋立文，秦 丹，王蓉蓉*

（1.湖南农业大学食品科学技术学院，长沙 410128；2.长沙海关技术中心，长沙410004；3.湖南省农业科学院农产品加工研究所，长沙 410125）

辣椒（Capsicum annuumL.）又名牛角椒、辣茄、番椒，为茄科辣椒属一年或多年生草本植物。2017年，全球辣椒种植面积约为199亿公顷，年产量为3610万吨，其产值和效益在不断增加[1]。辣椒富含Vc、多酚、辣椒红素、辣椒素等多种成分，具有抗菌、祛寒、除湿、抗氧化、降低胆固醇等功效[2]。新鲜辣椒含水量较高，采后易腐烂变质，失去商品价值，因此常将其加工成多种产品，如干辣椒、辣椒酱、剁辣椒等[2]。干制可有效降低产品含水量，抑制微生物生长，同时具有操作简单、成本低、便于贮藏等优点，仍是目前辣椒加工的主要方式。然而，辣椒干制过程不单是一个脱水的传热传质过程，还伴随着诸多生化反应，影响产品的理化品质[3-5]。风味作为衡量干制辣椒品质的重要指标之一，其由多种挥发性物质组成，因挥发性物质种类、比例及平衡关系的不同而变化。目前，关于干制辣椒风味方面的研究主要集中在不同辣椒品种和分析方法等方面。Li等[6]采用气相色谱-质谱（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）和气相色谱嗅觉技术对四川辣椒的挥发性风味物质进行了分析，共鉴定出83种挥发性风味物质；王永晓等[7]通过GC-MS技术研究了不同辣椒粉挥发性风味物质成分，确定了清香味辣椒粉主要由蔬菜味、青草味和鲜味组成；王知松等[8]运用GC-MS技术探讨电热和微波烘烤对辣椒粉挥发性风味物质的影响，表明微波烘焙比电热干燥更能提升辣椒风味物质的含量。然而，关于不同干燥方式对辣椒中挥发性风味物质的影响，目前仍研究得较少。

离子迁移谱法（ion mobility spectrometry，IMS）是一种基于气相离子在电场中迁移速率的差异来检测痕量气体和表征化学离子物质的分析技术，相比传统质谱法，其具有对高电负性和高质子亲和力的化合物响应灵敏度高、检测速度快等优势[9-10]，但其分析特性在复杂样品中有局限性，尤其是在食品和农产品的复杂系统中[11]。因此，常将IMS与其他仪器联用以更好发挥其优势。近年来，顶空-气相色谱-离子迁移谱（headspace-gas chromatography-ion mobility spectrometry，HS-GC-IMS）法已被广泛运用于食品风味分析，如粮油、食用菌、肉类、果蔬等。Gerhardt-Delgado等[12]通过HS-GC-IMS鉴定了橄榄油的挥发性风味成分，并成功区分了西班牙橄榄油和意大利橄榄油；Li等[13]采用HS-GC-IMS发现热风干燥会导致松茸口蘑的挥发性风味物质含量降低；Sun等[14]运用HS-GC-IMS分析了枣果实发酵过程的挥发性风味物质的变化，发现发酵过程对枣风味有显著的影响；Arroyo-Manzanaresa等[15]利用HS-GC-IMS所得风味数据对利比亚火腿进行了分类，以避免市场上欺诈消费者的行为。干制辣椒是一种特色调味品，风味是衡量其品质的重要指标之一。HS-GC-IMS能快速检测食品风味的特点，但关于HS-GC-IMS技术在干制辣椒挥发性风味物质方面的研究目前仍未见报道。

本研究采用HS-GC-IMS技术对经热风干燥、红外干燥、真空冷冻干燥和自然晾晒处理的小米椒（Capsicum frutescens）进行挥发性风味物质的组成鉴定，分析干燥方式对小米椒挥发性风味物质的影响，并运用主成分分析（principal component analysis，PCA）和热图聚类探究不同干燥方式处理的小米椒样品间的相关性与差异性，以期为干制辣椒风味品质的调控提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

小米椒，产地湖南，购于湖南省长沙市湘桦连锁超市，挑选成熟度一致、大小均一、颜色均匀以及无病虫害和机械损伤的小米椒作为试验材料。

1.2 主要仪器与设备

101-2AB电热鼓风干燥箱（天津泰斯特仪器有限公司）；LGJ-25G冷冻干燥机（北京四环福瑞科仪科技发展有限公司）；SAK-505红外烘干机（泰州圣泰科红外科技有限公司）；DE-50g万能粉碎机（浙江红景天工贸有限公司）；HS-GC-IMS FlavourSpec®风味分析仪（德国Gesellschaft für analytische Sensorsysteme mbH公司）。

1.3 方法

1.3.1 样品制备

将小米椒洗净沥干并去蒂，均匀平铺于筛盘中，分别进行热风干燥、红外干燥、真空冷冻干燥和自然晾晒处理至含水率达10%以下。将干制后的样品冷却至室温后经粉碎机粉碎，于避光铝箔袋中进行真空包装后在-20℃冰箱中保藏备用。

1.3.2 干燥工艺参数

热风干燥：温度为65℃，风速为1.5 m/s；红外干燥：温度为65℃、辐照功率为675 W；真空冷冻干燥：冷阱温度为-50℃，绝对压力为30 Pa；自然晾晒：在25℃热风干燥中进行模拟。

1.3.3 HS-GC-IMS分析

自动进样器条件：孵化温度为90℃；孵化时间为15 min；进样方式为顶空进样；进样针的温度为95℃；进样量为500 μL，且不分流。

GC条件：FS-SE-54-CB-1毛细管柱（15 m×0.53 mm）；色谱柱温度为60℃；载气为纯度≥99.999%的N2；载气流流量为2 mL/min并保持2 min，18min内载气流流量线性升至100mL/min后停止。

IMS条件：漂移管的温度为45℃；漂移气为纯度≥99.999%的N2；漂移气流速为150 mL/min。

数据库：GC×IMS Library Search应用软件内置的NIST数据库和IMS数据库。

1.4 数据处理

运用GC-IMS仪器配套的分析软件LAV（laboratory analytical viewer）及 3 款插件 Reporter、Gallery Plot、Dynamic PCA对样品离子迁移谱图进行分析；运用Origin 2017和Origin 2017 Heat Map with Dendrogram作图；运用IBM SPSS Statistics 23软件进行主成分分析。

2 结果与分析

2.1 GC-IMS谱图分析

不同干燥方式处理的小米椒GC-IMS谱图如图1所示。其中，图1a为三维GC-IMS谱图，图1b为二维GC-IMS谱图。二者的横坐标均为挥发性风味物质相对于反应离子峰的离子迁移时间，纵坐标均为气相保留时间。图1a中的第三维坐标为离子反应峰强度，图1b水平坐标1.0处的红色垂直线为反应离子峰（reaction ion peak，RIP），迁移时间约为 7.9 ms，GC-IMS谱图的迁移时间相对于RIP进行了归一化处理，以避免检测过程中温度和压强偏差导致离子迁移时间发生变化[16]。由于挥发性风味物质各组分离子质量、电荷数等的差异，不同离子在设备离子迁移区中性气体分子的碰撞作用及外加电场作用下分离，通过离子迁移时间与离子反应峰强度可对挥发性风味物质的各组分进行定性定量分析[10,17-18]。如图1b所示，RIP右侧的点可反映挥发性风味物质的种类，颜色与峰强度呈正相关对应，可间接表示挥发性风味物质的含量，颜色越深则含量越高[14]。总体来看，4种干燥方式处理的小米椒其挥发性风味物质的迁移时间大都集中在1.0～1.5区间内，保留时间为100～400 s区间。冷冻干燥的样品在保留时间为100～200 s区间内时，大部分挥发性风味物质的含量明显低于其他干燥方式，而热风干燥与红外干燥的挥发性风味物质成分非常相似，这可能与两者的干燥温度相同有关。自然晾晒介于热风干燥与真空冷冻干燥之间，其红点分布近似于热风干燥，这可能是由于自然晾晒和热风干燥的处理方式相似所致。

2.2 挥发性成分定性分析

热风干燥、红外干燥、真空冷冻干燥、自然晾晒处理的小米椒分别鉴定出39、37、36、34种挥发性风味物质。基于热风干燥的小米椒中挥发性物质种类最多，且热风干燥中鉴定的挥发性风味物质涵盖了其他3种干燥方式，因此，本研究以热风干燥为例对离子迁移谱进行了进一步分析。图2为热风干燥的样品离子迁移谱图，其中每一个标记点为一种挥发性风味物质。在保留时间为100～400 s的区间内共出现了40个信号峰，400～1 200 s区间内出现了6个信号峰，可见大部分挥发性风味物质的保留时间在 100～400 s区间内。通过 GC×IMS Library Search软件内置的NIST 2014气相保留指数数据库与IMS迁移时间数据库对信号峰进行二维定性，共鉴定出46个信号峰、39种挥发性风味物质，其中部分挥发性风味物质可产生多个信号。如表1所示，己酸异戊酯、乙酸丁酯、苯乙醛、苯甲醛、甲硫基丙醛、糠醛、2,6-二甲基-4-庚酮同时存在单体和二聚体。同一物质的单体和二聚体的保留时间相似，但迁移时间不同，这与化合物的浓度有关，高浓度的物质能促进电离区质子化分子与中性分子结合生成二聚体[15-16,19]。此外，Lantsuzskaya 等[20-21]发现，二聚体的形成还与其分析物的高质子亲和力有关，由于某些化合物的质子亲和力高于水的质子亲和力，导致反应物的质子向这类高质子亲和力化合物转移，进而生成二聚体或多聚体。新生成的二聚体质量大于单体，故迁移时间增加，导致检测过程中某些物质会在离子迁移谱中出现多个信号，而单体、二聚体的二重数据可更加精准地对化合物进行定性。

图1 不同干燥方式处理的小米椒三维GC-IMS谱图（a）和二维谱图（b）Fig.1 Three-dimensional GC-IMS spectrum(a)and two-dimensional spectrum(b)of chilis treated by different drying methods

2.3 指纹谱图分析

图2 热风干燥小米椒离子迁移谱图Fig.2 Ion mobility spectrometry of chilis treated by hot air drying

表1 热风干燥小米椒46种定性挥发性风味物质信息Tab.1 Information on 46 qualitative volatile substances of chilis treated by hot air drying

图3为不同干燥方式处理的小米椒指纹图谱，其中方格代表挥发性风味物质，颜色代表该物质的浓度，每一行为一个样品中所有的挥发性成分，同一列为同种物质在不同样品中的含量。如图3所示，4种干燥方式处理的小米椒经HS-GC-IMS技术共鉴定出46种信号峰，未鉴定出的信号有35种。干燥方式对小米椒挥发性风味物质都有明显的影响，热风干燥与红外干燥的结果较类似，而真空冷冻干燥与自然晾晒间存在差异。为进一步比较不同干燥方式小米椒挥发性风味物质成分的差异，本研究对指纹图谱中挥发性风味物质进行了分类，红框区域为酯类物质，绿框区域为醛类物质，黄框区域为醇类物质，其余为一些杂环化合物、酮类化合物和有机酸。小米椒挥发性风味物质主要由酯类、醛类和醇类化合物构成。对已鉴定的挥发性风味物质进行定性分析后发现，种类最多的为热风干燥，有39种，其次为红外干燥，有37种，真空冷冻干燥为36种，最少的为自然晾晒，仅有34种。相较于自然晾晒，其他干燥方式处理的小米椒挥发性风味物质的种类都有所增加，真空冷冻干燥较自然晾晒增加了乙酸丙酯和2,3-丁二醇；红外干燥比真空冷冻干燥增加了2,5-二甲基吡嗪；热风干燥相较于其他3种干燥方式增加了己酸乙酯、2,6-二甲基-4-庚酮。吡嗪与酮类可能是由于热风干燥和红外干燥的温度较高从而促进了Maillard反应生成的风味物质。邓媛元等[22]在研究干燥方式对苦瓜茶的挥发性物质的影响中也有类似的发现，但增加的种类有限。总体而言，干燥方式对挥发性风味物质种类影响不大。

2.4 主要挥发性成分分析

表2为不同干燥方式处理的小米椒挥发性风味物质峰体积值。如表2所示，主要有7类物质，分别是酯类、醛类、醇类、呋喃类、吡嗪类、酮类和有机酸类。其中，热风干燥样品的酯类物质和呋喃类物质的含量较高，且己酸乙酯、乙酸丙酯等酯类物质几乎只在热风干燥中出现。真空冷冻干燥的醛类物质除了苯甲醛、辛醛外，其他物质基本都维持在较高水平。同时，部分醇类、酮类化合物在真空冷冻干燥中也有较高的含量。吡嗪类、有机酸类物质在小米椒中的种类较少，2,5-二甲基吡嗪仅在热风干燥和红外干燥中出现。

图3 不同干燥方式处理的小米椒挥发性风味物质指纹图谱Fig.3 Fingerprint of volatile substances in chilis treated by different drying methods

酯类化合物是影响小米椒辣度的重要原因，辣度越大，酯类物质含量越高，刺激性气味越明显[26]。其中，己酸己酯提供的“刺激”气味是构成辣椒刺激性风味的主要物质[26]。酯类物质主要是由高温作用下辣椒中不饱和脂肪酸氧化或裂解产生的[8]。马燕等[27]发现辣椒籽中含有大量的不饱和脂肪酸，其中亚油酸和油酸居多，辣椒籽中丰富的不饱和脂肪酸是辣椒干燥形成大量酯类物质的重要原因。通过比较发现，热风干燥的酯类化合物含量最高，冷冻干燥最少，这可能是由于辣椒长时间处于真空低温环境，造成了酯类物质的损失，而热风干燥由于较高的温度会促进醇类的酯化，从而导致酯类含量增加[28]。邓媛元等[22]也发现，热风干燥后的苦瓜茶酯类物质相较于真空冷冻干燥、日晒干燥等方式处理后的含量较高。由表2可知，热风干燥的小米椒己酸乙酯和己酸丙酯的含量较其他干燥方式有明显的差异，尤其是己酸乙酯，其只在热风干燥的小米椒中检出。总体而言，4种干燥方式的挥发性风味物质种类差别仅为1～2种，说明干燥方式对酯类化合物种类的影响不大。

醛类化合物在小米椒中种类最为丰富，共有10种，且醛类物质的阈值较低，赋予香气的能力强，较低含量就可对风味的呈现产生较大影响[29]。C5～C9醛类主要来源可能是亚油酸等不饱和脂肪酸的氧化，其他部分醛类可能来源于Maillard反应中的Strecker降解[30]。其中，3-甲基丁醛是该反应的典型产物，具有水果和坚果味香气，然而高浓度的3-甲基丁醛则具有强烈刺激性气味[31]。经比较发现：糠醛主要提供焦香和辛香味，其在自然晾晒的样品中的含量最少，这可能是由于晾晒时间较长导致糠醛挥发所致；乙缩醛具有新鲜的青果香味，在冷冻干燥与自然晾晒的样品中具有较高含量；苯甲醛具有苦杏仁、樱桃及坚果香味，主要来源于亚油酸氧化及异亮氨酸在Maillard反应中的Strecker降解，其在4种干燥方式中的含量差别不大；甲硫基丙醛可能来源于含硫氨基酸的分解，对风味有较大的贡献，其在真空冷冻干燥与自然晾晒的样品中含量高于热风干燥与红外干燥。总之，干燥方式对小米椒醛类化合物影响显著，真空冷冻干燥的样品醛类物质能被最大程度地保留，其他干燥方式可能由于长时间加热导致醛类物质挥发或转化为吡嗪等物质，或与样品组分间产生较强的结合力而没有足够的蒸汽压使之形成特征风味，导致挥发性醛类物质的含量较低[32]。

醇类化合物在干燥小米椒中的种类也十分丰富，其主要来源于脂肪氧化分解和羰基化合物还原[33]。由表2可知，不同干燥方式处理的小米椒其醇类物质差异明显。其中，乙醇在高浓度时能提供醇香，但乙醇的阈值较高，对风味的贡献不大[34]；甲基支链醇主要由氨基酸代谢作用产生[35]，其中3-甲基丁醇表现为辛辣香味，提供辣椒中“辣”的特征风味，在红外干燥与自然晾晒样品中有较高含量；（E）-2-己烯醇具有强烈的青香香气并伴有果香、蔬菜香，相较真空冷冻干燥和自然晾晒，其在热风干燥和红外干燥的含量很低。综合来看，醇类物质在这4种干燥方式中含量各有高低，热风干燥和红外干燥的高温条件易促使部分醇类物质酯化[22]。关于干燥方式对醇类挥发性风味物质的影响仍有待进一步研究。

呋喃、吡嗪、酮类和有机酸类化合物在不同干燥方式处理的小米椒中种类不多，却对风味的形成起着不可或缺的作用。杂环化合物的阈值低，主要是氨基酸与还原糖发生美拉德反应生成的，并带有特殊的香气，其多种香气成分可极大地丰富辣椒的风味。吡嗪类物质主要是由己醛基和氨基酸缩合形成的中间产物经Strecker降解生成氨基还原酮氧化缩合而成，这些物质常常具有焦香味和焙烤味[36-37]。呋喃及2,5-二甲基吡嗪在热风和红外干燥中都有较高的含量，主要原因是高温能促进Maillard反应，同时部分醛类化合物可反应生成吡嗪化合物。酮类物质较为稳定，且香气持久，但丙酮这类C3～C5低碳脂肪族酮类化合物香气较弱，对小米椒风味的贡献不大[24]。加热可一定程度上促进酮类物质的生成，除低碳酮类化合物，2-庚酮在热风干燥和自然晾晒中都有较高的含量，而2,6-二甲基-4-庚酮只在热风干燥的小米椒中检出，其分别具有类似梨的水果香味和薄荷的香味。此外，Barros等[38]发现长时间低温真空环境也可能会使多不饱和脂肪酸降解为酮类物质。有机酸类化合物主要呈现刺激性酸味来协调其他风味，其在受热时不稳定，容易脱酸脱羧生成酮类物质[39]。

综上所述，干制小米椒风味是由各类物质共同作用形成的，酯类、醛类、醇类物质为干制小米椒的主要挥发性风味物质，呋喃类、吡嗪类、酮类、有机酸类起到丰富香气组成和调和其他风味物质的作用。此外，不同干燥方式对小米椒挥发性风味物质含量有显著的影响，热风干燥和红外干燥能一定程度上促进酯类、呋喃类和吡嗪类物质生成，而真空冷冻干燥和自然晾晒能较好地保留醛类物质。

2.5 PCA及热图聚类分析

不同干燥方式处理的小米椒PCA分析结果如图4所示，主成分1与主成分2的贡献率之和高达86%，说明这2种主成分可表达原有变量的大部分信息。由图4可知，热风干燥与红外干燥的样品具有相似性，而真空冷冻干燥与自然晾晒间存在差异。为了进一步探究不同干燥方式处理的小米椒挥发性风味物质的差异，本研究运用Origin 2017中Heat Map with Dendrogram插件，采用Ward最小方差和欧式距离法对数据进行聚类分析，具体如图5所示。聚类分析是一种对变量进行分类的多元统计法，并能通过可视化图形直观反映样品的相关程度。图5中横向为干燥方式的聚类，纵向为挥发性风味物质的聚类，右侧标尺数值表示各挥发性风味物质的峰体积，热图中相应颜色对应标尺中的峰体积范围。被聚为同一类的干燥方式表示相关程度高，欧式距离越短表示样品相关程度越高。从图5中可以看出，经不同干燥方式干燥的小米椒可分成3类：自然晾晒和冷冻干燥的小米椒各自为单独一类，红外干燥与热风干燥的小米椒被聚为同一类。由此可知，热风干燥与红外干燥处理的样品其挥发性风味物质组成及含量较为类似，具有较高的相关性；而相较于热风干燥与红外干燥，真空冷冻干燥与自然晾晒间相关程度较低，这与PCA结果及前文分析一致。此外，挥发性风味物质间多为单体与二聚体、酯类与醇类、醛类与醇类之间的聚类，表明这类物质相关性较强，同时也侧面反映了其在干燥过程中可通过各种化学反应相互转化或生成新的挥发性风味物质[40]。如酯类在高温条件下被水解为醇类[39]；醇也能在高温加热条件下与酸发生酯化反应生成酯[22,28]；醇和醛能发生缩合反应生成杂环类化合物[39]，如2-戊基呋喃。

表2 不同干燥方式处理的小米椒挥发性风味物质峰体积值Tab.2 The peak volume value of volatile substances in chilis treated by different drying methods

图4 不同干燥方式处理的小米椒挥发性风味物质PCA分析结果Fig.4 PCA analysis results of volatile substances in chilis treated by different drying methods

图5 不同干燥方式处理的小米椒挥发性风味物质热图聚类Fig.5 Heat map clustering of volatile substances in chilis treated by different drying methods

3 讨论

通过HS-GC-IMS技术对不同干燥方式处理的小米椒挥发性风味物质进行分析，共鉴定出挥发性风味物质39种，包括9种酯类、10种醛类、10种醇类、2种呋喃类、3种吡嗪类、3种酮类和2种有机酸类。就风味物质的种类而言，酯类、醛类和醇类化合物种类较为丰富，构成了干制小米椒的主体风味物质。基于PCA及热图聚类分析发现，相比于真空冷冻干燥与自然晾晒，热风干燥与红外干燥的挥发性风味物质具有较高的相关性。而与热风干燥和红外干燥相比，真空冷冻干燥与自然晾晒间的差异较大，干燥过程中部分挥发性风味物质间具有较强的相关性，能通过化学反应实现风味化合物间的转化。干燥方式对挥发性风味物质种类影响较小，热风干燥、红外干燥、真空冷冻干燥、自然晾晒的小米椒挥发性风味物质种类分别为39、37、36、34种。然而，干燥方式对小米椒挥发性风味物质含量有明显的影响，其中在热风干燥和红外干燥所得样品的挥发性风味物质中，己酸己酯、壬酸乙酯、己酸异戊酯、乙酰呋喃和2,5-二甲基吡嗪的峰体积值远高于真空冷冻干燥和自然晾晒所得的样品；而醛类物质易在热风干燥和红外干燥过程中损失，其甲硫基丙醛、己醛和丁醛的峰体积值均低于真空冷冻干燥和自然晾晒，特别是3-甲基丁醛、苯乙醛和糠醛的峰体积值均远小于真空冷冻干燥。相较于真空冷冻干燥和自然晾晒，热风干燥和红外干燥能一定程度上促进酯类、呋喃类和吡嗪类物质的生成；而真空冷冻干燥和自然晾晒相较于其他2种干燥方式能较好地保留醛类物质。总体而言，热风干燥与红外干燥的样品其挥发性风味物质种类较多，且大部分挥发性风味物质含量都高于真空冷冻干燥与自然晾晒，对丰富干制小米椒的风味具有积极影响。