GC-MS结合电子鼻分析不同干燥方式对黄花菜粉挥发性物质的影响

马 尧，郝慧慧，张海红，杨静慧，马雪梅

（宁夏大学食品与葡萄酒学院，宁夏 银川 750021）

黄花菜（Hemerocallis citrinaBaroni）又名萱草、金针菜，为百合科萱草属多年生草本宿根植物[1]，作为一种珍贵的食用蔬菜，在我国已有数千年栽种历史。黄花菜鲜甜味美，营养丰富，风味独特，其所含的碳水化合物、蛋白质、脂肪3大营养物质分别占60%、15%、2%，是符合低脂肪、标准供能比的食材。黄花菜即是佐餐佳品又是药用保健食品[2]。据《本草纲目》记载，黄花菜具有利膈、安五脏、清热、养心、抗菌、消炎、明目等功能[3]。翟俊乐等[4]和郑选宁[5]研究发现黄花菜富含黄酮类成分，具有抗氧化、抗抑郁、抗肥胖、抗高血压等多种功能。目前，在黄花菜产业链中，除少部分鲜黄花菜直接用于消费之外，大部分黄花菜都通过干制而保存起来以供淡季需求。然而，由于干制工艺对原料黄花的花型要求较为苛刻，要求以未开花的九成熟的花蕾为原料，造成已开花的成熟黄花被废弃，据作者统计残次黄花菜达到黄花菜产量的10%左右，已经开花的成熟黄花菜由于无法制干导致资源浪费，损失巨大。因此，将已经开花、断折、破损黄花菜进行回收并开发黄花菜加工新工艺和新产品，加大其作为新型食品的开发利用，对其产业发展具有极其重要的意义。

已开花黄花尽管失去了作为干制菜的商业价值，但仍保留着较高的营养价值。若以这些花为原料，采用高效制粉技术，保留鲜花香气及营养组分，生产黄花菜粉，将会变废为宝，产生巨大的经济效益。自然干燥、热风干燥、真空冷冻干燥和喷雾干燥[6]是4 种常见的蔬菜制粉工艺，各有特点。近年来，研究人员针对不同的干燥方式对产品风味的影响展开深入研究，获得一定研究成果。马琦等[7]利用气相色谱-质谱（gas chromatographymass spectrometry，GC-MS）结合电子鼻分析了干燥方式对杏鲍菇挥发性风味成分的影响；蒋鹏飞等[8]比较了不同干燥方式的苦瓜粉品质特性及香气成分；Song Jianxin等[9]利用GC-MS结合电子鼻分析了干燥方式对红枣挥发性风味成分的影响。然而对不同干燥方式黄花菜粉挥发性物质影响研究鲜见报导。为了最大程度保留黄花菜粉的挥发性风味物质，优选黄花菜制粉工艺，本实验分别选择自然阴干、热风干燥、真空冷冻干燥和喷雾干燥4 种方式对黄花菜进行制粉，以GC-MS结合电子鼻技术，定性、定量分析不同干燥方式对黄花菜粉挥发性风味成分的影响，以期为黄花菜资源的合理开发和综合利用提供科学依据，推动黄花菜产业的发展。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

新鲜黄花菜采自宁夏盐池县红寺堡周边，品种为“大乌嘴”、九成熟，长9～12 cm，单质量为8～10 g，直径为0.8～10 mm、无病虫害、无机械损伤的花蕾。

1,2-二氯苯（分析纯） 美国Sigma-Aldrich公司；甲醇（分析纯） 赛默飞世尔科技有限公司。

1.2 仪器与设备

Qp2010ultra型GC-MS联用仪 日本Shimadzu公司；PK157330-U型手动固相微萃取进样器（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）） 美国Supelco公司；DB-WAX型毛细管柱（30 m×0.25 mm，0.25 μm） 美国Agilent公司；PEN3.5电子鼻 德国Airsence公司；WNB22型精密数显恒温水浴槽 上海树立仪器仪表有限公司；LT202E型电子天平 常熟市天量仪器有限责任公司；XW-80A旋涡混合仪 上海嘉鹏科技有限公司；JP-520超微粉碎机昆山强威粉体设备有限公司；pc-zl300破骨机 莱州万凯机械有限公司；KL-75高速匀浆机 诸城市科力机械有限公司：Y160M-6热泵干燥机 东莞市永淦节能科技有限公司；ZDG-0.25型真空冻干机 诸城市鼎州机械有限公司：LPG-5离心喷雾干燥机 常州市日宏干燥设备有限公司。

1.3 方法

1.3.1 预处理

黄花菜挑选整理进行干燥后装入塑封袋置于4 ℃冰箱贮存。干燥前黄花菜初始含水量为86%，热风干燥、真空冷冻干燥和喷雾干燥3 种干燥方式制得样品水分均控制在10%以下。4 种干燥方法[10-13]的技术细节如表1所示。干燥后使用超微粉碎机（每个样品分2 次，间隔2 min）将除喷雾干燥以外的其他干燥方式黄花菜碎成粉末。将粉末通过60 目筛。

表1 不同干燥方式黄花菜粉制备设备及参数、图片Table 1 Different types of drying equipment and processing parameters used for preparation of daylily powder and product pictures

1.3.2 GC-MS条件

采用顶空固相微萃取对样品进行萃取，GC-MS进行分离、鉴定和定量挥发性化合物。根据Song Jianxin等[9]的方法略作修改。称取2 g样品于20 mL顶空瓶中并加入4 μL 1,2-二氯苯标品溶液，用封口膜封口，涡旋振荡30 s，放入50 ℃水浴锅中平衡20 min，萃取头吸附20 min（50/35 μm DVB/CAR/PDMS）。

GC条件：DB-WAX色谱毛细管柱（30 m×0.25 mm，0.25 μm）；起始温度40 ℃，保持3 min，然后以5 ℃/min升温到200 ℃，再以10 ℃/min升温到230 ℃，保持3 min。氦气作为载气，恒定流速2 mL/min，入口温度250 ℃，不分流。

MS条件：使用电子电离模式；电子能量70 eV；传输线温度280 ℃；离子源温度230 ℃；接口温度250 ℃；溶剂延迟2.5 min；质量扫描范围m/z50～350。定性定量分析：化合物由质谱数据库检索NIST标准谱库，进行定性分析，用峰面积归一法测算各挥发性成分的相对含量。

1.3.3 GC-MS定性与定量分析

挥发性物质经色谱柱分离后，化合物由质谱数据库NIST对比鉴定。根据已知质量浓度的1,2-二氯苯的峰面积按下式计算黄花菜粉样品中各挥发性物质含量：

式中：Ax和Ai分别为目标化合物的峰面积和内标化合物的峰面积；Ci为内标化合物的质量浓度/（μg/mL）；4为加入标准品体积/μL；2为加入样品质量/g；分子1 000为1 kg，分母1 000为1 000 μL；Mx为目标化合物含量/（µg/kg）。

1.3.4 电子鼻检测

配备10 种金属氧化物半导体检测装置（W1C、W5S、W3C、W6S、W5C、W1S、W1W、W2S、W2W、W3S）（表2）。将2 g样品放在瓶子里，盖上聚四氟乙烯硅塞，然后进行分析。

表2 电子鼻传感器阵列的响应特征Table 2 Response characteristics of PEN3.5 electronic nose sensor arrays

电子鼻设置参数：样品测定间隔时间1 s，传感器清洗持续100 s，自动调零持续10 s，样品准备时间5 s，样品测试时间100 s。流率内、入口均为600 mL/min。测量完毕，用清洁空气冲洗容器，直到传感器信号返回基线。每个样本测量3 次。

1.4 数据处理

电子鼻数据分析：运用The Unscrambler X 10.4 (64-bit)软件对数据进行主成分分析（principal component analysis，PCA）和线性判别分析（linear discriminant analysis，LDA）。

利用TBtools_windows-x64_1_071对4 种不同干燥方式得到的黄花菜粉挥发性成分含量进行热图分析与聚类分析。

2 结果与分析

2.1 不同干燥方式对黄花菜粉挥发性成分种类及含量的影响

表3 不同干燥方式的黄花菜粉样品挥发性成分化学组成与含量Table 3 Composition and content of volatile components in daylily powder prepared with different drying methods

续表3

采用顶空固相微萃取结合GC-MS分析4 种干燥方式下黄花菜粉末挥发性成分，通过NIST库比对筛选出相似度大于80%的组分，如表3所示。自然干燥、热风干燥、真空冷冻干燥和喷雾干燥4 种干燥方式的挥发性物质有明显差异。采用GC-MS共检测出68 种挥发性物质，可分为8 大类：醇（11 种）、醛（14 种）、酮（12 种）、酯（4 种）、烷烃（11 种）、酸类（6 种）、烯类（6 种）、其他（4 种），4 种干燥方式分别检测到41（自然干燥）、41（热风干燥）、35 种（真空冷冻干燥）和26 种（喷雾干燥）。其中真空冷冻干燥的总挥发成分最高为56.36 µg/kg，其次是热风干燥（39.82 µg/kg）、自然干燥（28.54 µg/kg）、喷雾干燥（26.04 µg/kg）。

醇类物质在黄花菜粉挥发性物质中贡献非常重要，其前体物质多为不饱和脂肪酸[14]。自然干燥中醇类物质挥发性含量最高，其中含量最高的为1-辛烯-3-醇（5.07 µg/kg），其次为己醇（1.34 µg/kg）、芳樟醇（0.71 µg/kg）、脱氢芳樟醇（0.48 µg/kg），1-辛烯-3-醇为脂肪族不饱和醇，具有蘑菇、薰衣草、玫瑰和干草香气[15]。热风干燥中醇类物质挥发性含量最高的物质也为1-辛烯-3-醇（3.32 µg/kg），但在真空冷冻干燥与喷雾干燥过程中未检出。4 种干燥方式均含有的挥发性物质为芳樟醇及苯乙醇，芳樟醇属于链状萜烯醇类[16]具有铃兰香气，苯乙醇具有清甜的玫瑰样花香。真空冷冻干燥与喷雾干燥中醇类物质挥发性含量最高的物质均为反式-橙花叔醇（4.8 µg/kg和0.47 µg/kg）。

干燥过程中的热分解是导致几种干燥方式醇类物质差异明显的主要原因，这与前人研究的变化趋势一致[17]。醛类物质在黄花菜粉中含量最为丰富（14 种），其气味阈值较低，对总体挥发性的贡献较大，4 种干燥方式均含有的醛类物质为己醛、辛醛、壬醛、反式-2-辛烯醛，这类C5～C9的醛类来自脂肪氧化和降解[18]。其中，辛醛具有很强的水果香味；壬醛具有玫瑰、柑橘等香气，并有强的油脂气味；反式-2-辛烯醛呈脂肪和肉类香气，并有黄瓜和鸡肉香味；己醛使食品具有清香的味道，自然干燥中己醛含量最高为2.66 µg/kg。苯甲醛除在喷雾干燥样品中未检测出外，在其他几种干燥方式均有检出，具有特殊杏仁香味，可以赋予产物脂香风味[19]。另外，青叶醛除在热风干燥中未检出外，在其他几种干燥方式均有检出，具有强烈青草气味。臧红花醛在自然干燥与热风干燥中均有检出，具有木香、辛香、药香、粉香[20]。

酮类物质在黄花菜粉中含量丰富，短链酮类具有脂香和焦香香气[21]，长链酮类则呈现出花香气息[8]，其中1-辛烯-3-酮具有强烈的壤香、蘑菇香气及金属气，带有卷心菜和花椰菜样的蔬菜香韵，有很淡的鱼和鸡肉的香气。6-甲基-3,5-庚二烯-2-酮与香叶基丙酮具有新鲜、清、淡的花香香气，略带甜蜜-玫瑰香韵味，在4 种干燥方式中均有检出。松香芹酮只在自然干燥中检出其具有令人愉快的类似柠檬的香气，无樟脑和松脂的气味。

酯类物质会赋予食品甜香气味[22]和轻微油脂气味[23]，α-呋喃甲醇丙酸酯在除自然干燥以外的其他3 种干燥方式中含量较大，分别达到7.91（热风干燥）、5.90 µg/kg（真空冷冻干燥）和7.61 µg/kg（喷雾干燥）。α-呋喃甲醇丙酸酯具有焦糖样甜香与水果香气。分析其在自然干燥中不存在的原因可能是酯类物质主要是酸类和醇类物质酯化反应的产物，其形成过程复杂，糖酵解、蛋白质水解、脂肪氧化及内源酶作用都是酯类化合物形成的主要途径，其未达到生成温度[24]。二氢猕猴桃内酯在除热风干燥以外的其他3 种干燥方式中均有检出，其具有香豆素样香气，并有麝香样气息[25]。

4 种干燥方式共检出烷烃类物质11 种，其中真空冷冻干燥含量最高达到9 种（35.84 µg/kg），喷雾干燥达到6 种（15.7 µg/kg），热风干燥达到5 种（12.34 µg/kg），自然干燥达到2 种（0.78 µg/kg）。烃类物质由于含量较低感觉阈值相对较高，对黄花菜粉整体风味贡献值较小，但对黄花菜粉风味具有一定的修饰作用。烯类、酸类在4 种干燥方式中含量较少，但其对风味影响巨大。金合欢烯[26]在4 种干燥方式中均存在，其有青香、花香并伴有香脂香气，并且其含量随着干燥温度升高而减小（自然干燥＞热风干燥＞喷雾干燥）。罗勒烯和水芹烯只存在于自然干燥与热风干燥中，其中罗勒烯有草香、花香并伴有橙花油气息[27]，水芹烯具有草本香气[28]。壬酸在热风干燥、真空冷冻干燥、喷雾干燥中均有检出，其呈现脂肪和椰子香气。

综上所述，黄花菜粉风味是由各类物质共同作用形成，酯类、醛类、酮类、醇类物质为黄花菜粉的主要挥发性风味物质，呋喃类与有机酸类物质起到丰富香气组成和调和风味物质的作用。此外，不同干燥方式对黄花菜粉挥发性风味物质含量有显著影响，热风干燥与喷雾干燥能很大程度促进酯类物质生成，而自然干燥与热风干燥能有效地保留醇类、醛类物质。究其差异原因，4 种干燥方式中，自然干燥与热风干燥原理相似。但热风干燥温度相对于自然干燥较高，黄花菜粉中的热敏活性物质损失较为严重，低沸点香气成分大量流失的同化长链高分子化合物发生氧化并发生裂解。自然干燥温度较低，能有效减缓香气成分的损失率，但干燥温度降低，必然造成干燥时间的相应延长，同样不利于香气成分的保持。黄花菜粉中的大多数挥发性物质在真空冻干产品中有较好的保留效果，这可能与真空冷冻干燥过程中物料所处环境温度较低且为真空环境，但由于干燥温度较低，杂环化合物转化较少，产生烘烤香气较弱。喷雾干燥工艺干燥效果好，物料均匀、流散性好，但因瞬间高温过程，物料的香气成分容易被破坏。

2.2 挥发性物质的热图分析

图1 不同干燥方式黄花菜粉挥发性风味物质热图Fig. 1 Heatmap of volatile flavor substances in daylily powder prepared by different drying methods

为进一步确定各干燥方式挥发性风味物质的变化，将各香气含量取以10为底的对数进行热图聚类分析，结果如图1所示。经不同干燥方式干燥的黄花菜粉可分成2 类，其中喷雾干燥与自然干燥为1 类，真空冷冻干燥与热风干燥为1 类，由此可知喷雾干燥与自然干燥处理的黄花菜粉其挥发性物质组成及含量较为类似，具有较高的相关性。真空冷冻干燥与热风干燥处理的黄花菜粉其挥发性物质组成及含量较为类似，具有较高的相关性。

2.3 Mos电子鼻分析

如图2所示，W1W（硫化氢敏感）和W2W（芳香化合物和有机硫化物敏感）的响应明显更高，其次是W5S（氮氧化合物敏感），其响应值分别为3.04～9.59、2.78～6.12、1.34～3.97。最高响应值在这3 组变量中都存在于自然干燥中，最低值均存在于喷雾干燥中。

图2 不同干燥方法黄花菜粉电子鼻雷达图Fig. 2 Radar diagram of electronic nose data for daylily powder prepared by different drying methods

图3 不同干燥方式下黄花菜粉样品的PCA（A）和LDA（B）Fig. 3 PCA (A) and LDA (B) plots of daylily powder prepared by different drying methods

由于雷达图不足以对不同干燥方式黄花菜粉样品的香气特征进行分类，因此对不同干燥方式下黄花菜粉样品进行PCA，结果如图3A所示，PCA是将电子鼻数据进行降维处理，提取主要特征进行线性分析，将主要信息保留在几个不相关的PC中，由图3A可知，PC1和PC2贡献率分别为86%和10%，总贡献率为96%，表明2 个PC能够反映原始数据的信息。4 组样品之间没有重叠，表明其在挥发性成分上有一定差异。LDA是利用所有传感器的信号研究样品所属类别的统计方法。如图3B所示，部分变量与PC1和PC2有一定相关性，与PC1呈明显正相关的挥发性物质主要有W5C（对烯烃和芳香型化合物敏感）、W3C（对氨类和芳香型化合物敏感）、W1C（对芳香族化合物敏感）与PC2呈明显正相关的挥发性物质主要有W15（对烃类物质敏感）、W1W（对硫化氢敏感）、W2S（对醇类和部分芳香型化合物敏感）、W2W（对芳香化合物和有机硫化物敏感）这表明挥发性成分与不同干燥方式黄花菜粉存在相关性。

3 结 论

利用GC-MS技术分析不同干燥方式黄花菜粉的挥发性物质组成及含量，共检测出68 种挥发性物质，主要包括8 大类：醇类、醛类、酮类、酯类、烷烃类、酸类、烯类、其他。4 种干燥方式分别检测到41（自然干燥）、41（热风干燥）、35 种（真空冷冻干燥）和26 种（喷雾干燥）。真空冷冻干燥的总挥发成分含量最高为56.36 µg/kg，其中三十六烷的含量为12.34 µg/kg。占21%，但此物质的含量对香气贡献较小，且由于真空冷冻干燥过程干燥温度较低，杂环化合物转化较少，产生烘烤香气较弱。从提高挥发性风味物质的角度出发，热风干燥可以得到风味较好的黄花菜粉。本研究为今后黄花菜的综合利用研究提供一定的理论基础。