基于电子鼻和气质联用评价煮制方式对香菇汤挥发性风味物质的影响

刘常园,方东路,张毅航,郑惠华,2,胡秋辉,3,赵立艳,*

(1.南京农业大学食品科学技术学院,农业农村部食用菌加工重点实验室,江苏南京 210095;2.江苏安惠生物科技有限公司,江苏南通 226009;3.南京财经大学食品科学与工程学院,江苏南京 210023)

香菇(Lentinusedodes)是世界上种植量排名第二的食用菌,仅次于双孢菇(Agaricusbisporus),占全球食用菌总量的25%[1]。香菇因其较高的营养价值、理想的风味和良好的药用特性成为亚洲最受欢迎的蘑菇,其种植面积和食用量也逐年增加[2]。香菇富含碳水化合物、蛋白质、游离氨基酸、维生素、脂肪酸、膳食纤维和钙、磷、铁等元素,具有很高的营养价值[3-4]。香菇还含有丰富的生物活性成分,例如多糖和多酚等,使其具有显著的抗氧化性[5]、抗肿瘤[6]、抗癌[7]、免疫调节[8]、抗病毒[9]、抗炎[10]、调节糖尿病[11]。此外,香菇还具有抗龋的能力[12]。

食用菌的香气会影响消费者的接受程度和产品的感官特性[13],它主要来源于不饱和脂肪酸的自氧化或酶促氧化,且被氧化的脂质进一步与蛋白质、肽和游离氨基的相互作用。Strecker降解和美拉德反应也是食品中挥发性物质形成的重要途径[14-15]。李琴[16]研究发现,煮制方式对双孢蘑菇汤挥发性风味成分组成有显著的影响。香菇的特征性挥发性化合物是C8化合物和含硫化合物。1-辛烯-3-醇和3-辛酮是香菇中主要的C8化合物,仅存在于新鲜香菇中;1-辛烯-3-醇带有甜味和青草味,3-辛酮带有甜味、果味、泥土和奶酪或蘑菇的香气[17]。Dermiki等[18]认为,新鲜香菇的独特气味是由直链含硫化合物(如:二甲基二硫化物、二甲基三硫化物)和环状含硫化合物,尤其是1,2,4-三硫杂环戊烷、1,2,4,5-四硫杂环丁烷和蘑菇香精产生的。C8化合物和含硫化合物均是热敏物质,极易在热处理过程中受热降解[19],进而对香菇产品的香气特征及品质产生影响。

电子鼻是一种模拟生物嗅觉系统的高新技术。它的工作原理是通过非选择性传感器阵列与气味活性分子之间的相互作用产生电信号;此电信号被传输到计算机上,利用多元数据统计软件进行分析[20]。电子鼻检测是一种很好的气味分析方法,因为它可以获取样品中香气成分的较为全面信息,而非香气成分的定性和定量测定[21]。固相微萃取(Solid phase mirco-extraction,SPME)-气质联用(Gas chromatography mass spectrometry,GC-MS)技术操作简单、分离性好和灵敏度高,是对食品中挥发性风味成分定性定量分析最常用的方法[22-23]。

本研究以香菇汤为研究对象,利用电子鼻和SPME-GC-MS联用技术对高温煮制(120 ℃ 20 min)、变温煮制(120 ℃ 10 min后120～100 ℃ 10 min)和传统常压煮制(100 ℃ 20 min)三种方式煮制的香菇汤的挥发性风味成分进行分析鉴定,探明不同方式煮制的香菇汤中挥发性风味物质的含量和种类的变化情况,以期为香菇汤的工业化生产提供理论支撑和技术指导。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

新鲜香菇,胡萝卜,葱姜,食盐 市售;黄原胶、麦芽糊精 均为食品级,上海源叶生物科技有限公司。

R2017-0349高温蒸煮锅 山东中润机械有限公司;HC238-AV微波炉 广东美的微波炉制造有限公司;70-2切片机 MSC International公司;Allegra 64R台式高速冷冻离心机 南京百瑞达生物科技有限公司;Fox-3000电子鼻 法国Alpha MOS公司;7890A-5975C GC-MS 美国Agilent公司;顶空固相瓶20 mL 南京昊锐的实验器材有限公司;HH-6数显电子恒温水浴锅 常州国华电器有限责任有限公司;JYL-C022E匀浆机 九阳股份有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 香菇煮制方法 将清洗好的新鲜香菇用切片机切成香菇条(1 cm×5 cm),取一定质量的香菇条,按香菇条∶水=50∶1 (g/mL)取一定量水,于微波炉中300 W烫漂90 s[24],备用;准确称取0.25%(与香菇的质量比,以下同)的黄原胶,加入100倍的水,搅拌20 min后静置30 min,使黄原胶充分吸水溶胀,然后加入2.7%糊精,0.7%盐,之后按照香菇:水=1∶5 (g/mL)加入水,待沸腾后,将香菇、4%胡萝卜丝、0.5%葱和0.5%姜放入,开始煮制。煮制完成后,将香菇汤均匀分装,快速冷却,备用。三种煮制方式是:高温煮制:120 ℃恒温煮制20 min;变温煮制:先120 ℃恒温煮制10 min,然后自然降温到100 ℃变温煮制10 min;传统常压煮制:100 ℃恒温煮制20 min。

匀浆后香菇汤样品中挥发性风味物质含量以干基计,其样品水分含量按照GB 5009.3-2016《食品中水分的测定》进行测定。

1.2.2 电子鼻分析 以高速档(40000 r/min)匀浆香菇汤,并称取2 g置于顶空固相瓶中,立即用带有聚四氟乙烯的盖子进行密封,然后于室温下平衡45 min,平衡后用电子鼻进行测量。测量条件为:检测时间为180 s,延滞时间为1080 s,载气为洁净的空气,流速为150 mL/min。电子鼻各传感器对应的响应参考物质[25]如表1所示。

表1 电子鼻各传感器对应的参考物质

1.2.3 SPME-GC-MS分析 参照Li等[26]的方法进行GC-MS测定。

1.2.3.1 顶空固相微萃取 称取2 g匀浆后香菇汤样品于顶空固相瓶中,立即用聚四氟乙烯盖子密封,密封后放入60 ℃水浴锅中,用DVB/CAR/PDMS固相萃取头进行提取挥发性风味物质,萃取时间为40 min,萃取头距离瓶底样品的距离保持在2 cm。固相萃取头在使用前需在氮气保护下插入气相色谱进样口进行老化以去除萃取头上面的杂质,老化温度为250 ℃,时间为30 min。

1.2.3.2 GC-MS分析 色谱条件:色谱柱为HP-5MS毛细管柱(30 m×250 μm,0.25 μm)。升温程序:初始温度45 ℃,保持3 min,以5 ℃/min的速度升到85 ℃,保持3 min,再以10 ℃/min的速度升至220 ℃,保持2 min,最后以5 ℃/min的速度升至230 ℃,保持7 min;载气He;流速0.8 mL/min;不分流。质谱条件:电子轰击(EI)离子源;电子能量70 eV;离子源温度230 ℃;质量扫描范围35～550 u,进样口温度250 ℃,MS四极杆温度150 ℃。

1.2.4 保留指数(RI)的计算 取C7-C40正构烷烃混标作为标准品,按照上述实验条件进行操作分析,记录每个正构烷烃的保留时间,计算各挥发性组分的RI值[27]。

RI=100n+100[(tx-tn)/(tn+l-tn)]

其中:tx、tn和tn+1(tn

1.3 数据处理

每组样品测定3次,取平均值。实验数据利用Microsoft Office Excel 2010软件进行统计分析,Origin 2018软件对实验数据处理作图,每组数据测定3次,结果以平均值呈现。

2 结果与分析

2.1 电子鼻分析

主成分分析法(PCA)是一种较常用数据统计手段,此分析方法能够降低数据矩阵的维数,保留原始数据集的大部分信息并解释各变量之间的相关性[28]。电子鼻分析的结果如图1所示。PC1和PC2分别代表总方差的72.4%和15.0%,累计贡献率为87.4%,这表明前两个主成分足以反映原始电子鼻数据集的总体情况(图1a)。高温煮制香菇汤主要位于第三象限,在PC1和PC2的负半轴。变温煮制香菇汤与传统常压煮制香菇汤在PC1上得到了较好的分离。此外,变温煮制和传统煮制香菇汤分别位于PC1正半轴和负半轴,与PC2的具有正相关。由此可以看出,电子鼻能够根据香气清楚地区分用不同方法煮制的香菇汤样品。三种香菇汤样品的载荷图见图1b,传感器LY2/LG与传统常压煮制香菇汤的香气成分具有更大的相关性,传感器T30/1、P10/1、PA/2和T70/2对高温煮制香菇汤的风味成分关联性更强,而传感器LY2/AA、LY2/G、LY2/gCT和LY2/GH对变温煮制香菇汤的整体风味特征贡献更多。为进一步探索不同煮制方式对香菇汤风味的影响,采用HS-SPME-GC-MS对香菇汤的风味物质组成作分析鉴定。

2.2 HS-SPME-GC-MS分析

糖类、脂肪酸和氨基酸是许多生化反应的起始底物,涉及大量不同的酶促反应系统,最终会形成许多挥发性化合物[14]。香菇汤中挥发性风味化合物的百分含量如表2所示。通过与NIST 08库和RI作对比,确定了50种挥发性风味化合物。根据化学性质,将所测定的香菇汤中的50种挥发性风味化合物分为六个类别,其中有烃类(15种)、醛和酮类化合物(5种)、醇类(11种)、酯类(12种)、含硫化合物(4种)和其他类化合物(3种)。确定了其总挥发性风味化合物种类为高温煮制香菇汤35个,变温煮制香菇汤34个,传统常压煮制香菇汤27个。高温煮制和变温煮制香菇汤中挥发性风味化合物种类多于传统常压煮制样品的原因是在热处理过程中,美拉德反应的发生及引发的许多其他反应例如脂质氧化和降解、氧化的脂质与蛋白质或氨基酸之间的相互作用、维生素降解等,产生大量的挥发性物质[29]。由图2可知,在高温煮制香菇汤中,烃类和酯类挥发性风味物质的百分含量更高;在变温煮制香菇汤中,烃类和醇类挥发性风味物质的百分含量更高;在传统常压煮制香菇汤中,烃类和含硫化合物类挥发性风味物质的百分含量更高。

图2 三种煮制方式煮制的香菇汤的各类挥发性风味物质的百分含量

由表2可以发现,在高温煮制香菇汤中烃类的百分含量为25.71%,变温煮制香菇汤为29.63%,传统常压煮制为13.60%。烃类化合物可能源于脂肪酸的均裂[30],其气味活性阈值一般较高,不易引起明显的嗅感[31]。在高温煮制香菇汤中醇类化合物的百分含量为14.54%,变温煮制香菇汤为18.10%,传统常压煮制为2.60%。醇类化合物的阈值通常较高,对样品整体风味贡献不大,其一般具有芳香、青草香、酸败味和土霉味,主要来源于脂肪的氧化分解、氨基酸还原和碳水化合物的代谢[32]。在高温煮制香菇汤中酯类化合物的百分含量为16.74%,变温煮制香菇汤为2.02%,传统常压煮制为0.63%。酯类化合物一般具有水果香气,主要来源于脂肪酸的氧化和氨基酸的分解[33]。醛酮类化合物在高温煮制香菇汤中的百分含量为0.58%,变温煮制香菇汤为0.61%,传统常压煮制为3.25%。酮类化合物由多不饱和脂肪酸的热氧化或降解、氨基酸降解或微生物氧化产生,其气味阈值一般较低,对香菇汤的整体风味影响较大[34]。醛类化合物是不饱和脂肪酸氧化的产物,气味阈值一般也较低,对香菇汤整体风味的形成有重要影响[35-36]。含硫化合物是香菇中特征挥发性风味成分,带来一种令人愉快的香菇风味。其在高温煮制香菇汤中含硫化合物的百分含量为0.47%,变温煮制香菇汤为2.20%,传统常压煮制为32.82%。其他类化合物在三种香菇汤中的占比分别是:0.44%、2.74%和1.07%。由此可知,高温煮制的香菇汤中,酯类化合物含量要高于变温和传统常压煮制香菇汤;变温煮制香菇汤中,烃类、醇类和其他类化合物最高;而传统常压煮制对香菇的特征风味物质-含硫化合物和醛酮类化合物保留更好。结合电子鼻的各传感器的特征响应物质可知,传统常压煮制香菇汤中含硫化合物对风味的贡献更突出;高温煮制香菇汤中极性有机化合物、烃类、和芳香族化合物含量较高;变温煮制香菇汤中醇类、碳氧化合物含量较丰富。由此可以说明三种香菇汤具有不同的香气特征,这也能证明电子鼻和GC-MS的结果较为一致。

表2 不同方法煮制的香菇汤中挥发性风味物质的百分含量

续表

在香菇汤中没有检测到1-辛烯-3-醇和3-辛酮,因为这两种C8化合物对热敏感,极易受热降解[37]。含硫化合物对香菇的独特风味的产生起着重要的作用,尤其是蘑菇香精、1,2,4,5-四硫环己烷和1,2,4,6-四硫环庚烷。有研究报道[18]称,蘑菇香精对人体健康十分有益,在抑制血小板聚集方面具有积极的作用。在此项研究中,仅在变温煮制和传统常压煮制香菇汤中检测到了蘑菇香精,并且传统常压煮制香菇汤中的蘑菇香精百分含量要高于变温煮制香菇汤。

3 结论

利用电子鼻对高温、变温和传统常压煮制的香菇汤的整体香气特征进行分析,发现3种香菇汤的风味特征有明显区别,结合主成分分析发现3种方式煮制的香菇汤在主成分分析图中能够分离开来。进一步用SPME-GC-MS对香菇汤的挥发性风味物质进行分析鉴定,结果发现,高温煮制的香菇汤中酯类化合物含量为16.74%,高于变温和传统常压煮制香菇汤;烃类、醇类和其他类化合物在变温煮制香菇汤中含量最高,分别为29.63%、18.10%和2.74%;而传统常压煮制对香菇的特征风味物质-含硫化合物和醛酮类化合物保留更好,其百分含量分别为32.82%和3.25%。本研究以精准的数字化加工参数,模拟传统大火快煮、大火转小火煮制和小火慢熬的煮制方式,探明了各方式在煮制过程中挥发性风味物质的变化规律,为香菇汤的生产提供理论基础和技术指导。