红糖挥发性成分中关键香气成分分析及综合评价

杨婷，王智能，杨柳，应雄美，尚试雄，崔杰，沈石妍

(云南省农业科学院甘蔗研究所 云南省甘蔗遗传改良重点实验室，云南 开远 661699)

红糖是以甘蔗为原料，经过榨汁、澄清、蒸发浓缩得到的一种有营养价值的产品[1]，属于非分蜜糖，因未经过高度精炼，几乎保留了甘蔗中全部的营养成分，如：多种矿物质、维生素、氨基酸、蛋白质、多酚类化合物等有益于人体健康的成分，在抗氧化、抗毒性、保护细胞等方面发挥着积极作用[2-4]。

红糖香气是消费者评判红糖品质最直接的感官感受，不同的红糖产品所呈现的香气具有较大的差异[5-6]，红糖香气成为决定红糖品质的重要因素之一。随着消费者对红糖香气品质的关注，科研工作者对红糖的香气成分开展了研究，黄苏婷等[7-8]对比了固相微萃取(SPME)和同时蒸馏萃取(SDE)两种提取方法，结合气相色谱-质谱(GC-MS)检测方法，SPME和SDE分别检测出47，37种香气物质。García等[9]利用SDE-GC-MS分析红糖香气，发现2-甲基吡嗪、2,5-二甲基吡嗪、糠醛、丙酸、2-甲基丙酸和2-呋喃甲醇为主要香气物质。Asikin等[10]对8种红糖进行香气成分分析，主要香气成分为乙醛、乙醇、乙酸丁酸、2,5-二甲基吡嗪和2,6-二甲基吡嗪。尽管现有研究大概指出了红糖香气成分的总体组成情况，但并非红糖中所有的香气成分都能产生香气，香气成分实际贡献与它们的阈值和浓度相关，为了揭示决定红糖香气品质的关键香气成分，本研究选取了15个红糖样品为研究对象，采用HS-SPME-GC-MS分析检测技术研究红糖的香气组成成分，结合各成分的阈值，计算ROAV值，研究出红糖香气的关键香气成分，利用主成分分析法研究，并采用统计学方法建立香气综合评价模型，以期为红糖香气品质提供判定依据，为红糖质量评估及深入探索提供依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

15个红糖样品通过合作企业及电商平台采购得到，样品信息见图1，置于密封袋内在室温下保存。

图1 红糖样品信息

1.2 仪器与设备

Trace 1310/ISQ 7000气相色谱-质谱联用仪 美国ThermoFisher Scientific公司；CAR/PDMS碳分子筛/聚二甲基硅氧烷萃取头(75 μm) 美国Supelco公司。

1.3 实验方法

1.3.1 样品前处理

准确称取3 g红糖样品置于20 mL顶空瓶中，插入经老化的萃取头，60 ℃水浴萃取50 min后GC-MS检测。

1.3.2 气相色谱-质谱分析

1.3.2.1 色谱条件

进样口250 ℃解吸5 min，不分流进样，载气He，流量1 mL/min；程序升温：50 ℃保持1 min，以4 ℃/min升至120 ℃，保持2 min，以4 ℃/min升至200 ℃，保持2 min，以15 ℃/min升至250 ℃，保持5 min。

1.3.2.2 质谱条件

传输线温度260 ℃，离子源温度250 ℃，EI源，电离电压70 eV，扫描范围30～450 amu。

1.3.2.3 挥发性物质的定性

利用NIST标准质谱库对GC-MS得到的挥发性成分总离子流色谱图进行检索和人工解析，以各香气组分的峰面积占总峰面积的比值表示组分的相对含量。

1.3.3 基于ROAV分析的主体挥发性风味物质评定

相对气味活度值(ROAV)[11-12]是指某一香气物质相对含量与该物质的呈香阈值的比值，以比值评价该香气成分对整体香气的贡献率[13]。采用相对气味活度值评价各挥发性组分对样品总体风味的贡献，在各挥发性香气组分相对含量的基础上，根据参考文献报道的各组分的香气阈值，按以下公式计算各组分的ROAV值：

式中：Ci和Ti分别为红糖中各组分的相对含量(%)和香气阈值(mg/kg)；Cmax和Tmax分别为对红糖总体风味贡献最大的组分的相对含量(%)和香气阈值(mg/kg)。

定义最大贡献组分的ROAVmax=100，ROAV≥1,表示该物质为红糖的关键风味成分，且值越大表示该物质对整体风味贡献越大；0.1≤ROAV<1说明该物质对整体风味有修饰作用。

1.4 数据处理

采用 Microsoft Office Excel 2016对实验数据进行基本处理，使用SPSS 22.0对数据进行主成分分析。

2 结果与分析

2.1 红糖香气成分的HS-SPME-GC-MS分析

由表1可知，15个红糖样品中共鉴定出67种挥发性化合物，可分为醛类、吡嗪类、酮类、醇类、酸类、酯类以及其他化合物。其中酸类化合物种类最多(18种)，醛类10种，吡嗪类7种，酮类8种，醇类10种，酚类最少(3种)，酯类次之(5种)，其他类化合物6种。不同红糖产品挥发性物质数量和相对含量存在差异，共有物质21种，包括苯甲醛、5-甲基呋喃醛、2,5-二甲基吡嗪、4-环戊烯-1,3-二酮、2(5H)-呋喃酮、甲基环戊烯醇酮、丙酮醇、糠醇、5-甲基-2-呋喃甲醇、(-)-异雪松醇、乙酸、丙酸、丁酸、异戊酸、异辛酸、正己酸、壬酸、苯甲酸、(-)-泛酰内酯、松三糖、3-乙酰基吡咯。其中乙酸、3-乙酰基吡咯、糠醇、丙酸相对含量较高。

表1 不同红糖挥发性香气组分及相对含量

15个红糖样品中，酸类物质相对含量最高，含量在10.89%～76.41%之间，其中乙酸相对含量最高，但其阈值较大，对整体贡献较小。吡嗪类物质相对含量次于酸类，含量在0.71%～55.21%之间，其中2,5-二甲基吡嗪、2,6-二甲基吡嗪相对含量较高，且阈值较低，对整体香气的影响超过酸类化合物。15个红糖产品中，醇类物质相对含量次于吡嗪类，含量在2.74%～16.55%之间，其中糠醇相对含量较高，且阈值极低，对整体风味影响较大。

2.2 红糖香气成分的ROAV分析

目前已报道的挥发性呈香物质有10000多种，但并不是所有香气化合物都对食物香气有贡献，研究发现仅有很少一部分香气成分能够对食物整体香气起到主要贡献作用，还有一部分对整体有辅助贡献作用[14]，香气成分实际贡献与其阈值和浓度相关，可见仅仅基于红糖香气组分的含量并不能说明其实际的贡献度，需要通过计算ROAV来进一步判断。

由表2可知，通过相应物质的感觉阈值及其气味描述[15-18]，计算ROAV，D-(-)-泛酰内酯、糠醇在15种红糖中均检测到，其中糠醇是一种具有温和的油腻、烧焦气味的挥发性香气物质，其阈值很低(0.0123 mg/kg)，相对含量高，气味活度值较高，推测其对红糖香气具有关键的贡献作用。D-(-)-泛酰内酯阈值极低(0.0006 mg/kg)，具有最高的ROAV，对红糖香气有重要贡献作用。综上所述，二者可能是红糖香气共有的特征呈香物质。

表2 红糖香气成分阈值及香味描述

异戊醛、正辛醛、壬醛、反-2-辛烯醛、2-甲基吡嗪、3-羟基-2-丁酮、1-辛烯-3-酮、1-辛烯-3-醇、愈创木酚具有极低的阈值，但由于不同红糖产品之间相对含量存在差异，且部分红糖产品中并未检测到该物质含量，对红糖香气贡献存在差异。具有苹果香的异戊醛，除了在8，9，10，13号样品未检测到，其余11种红糖产品中异戊醛的ROAV均大于1，对香气起到重要贡献作用；正辛醛对6，7，8，11，14，15号样品香气有重要贡献；壬醛对5，6，7，8，10，15号样品香气起到重要贡献；反-2-辛烯醛对4，6，7，10，11，13，14，15号样品香气有重要贡献，正辛醛和反-2-辛烯醛赋予红糖独特的青草香和油脂味；具有坚果香的2-甲基吡嗪仅对1，2，14号样品香气有重要贡献作用；3-羟基-2-丁酮对1，2，3，5，9号样品整体香气起到重要贡献作用，赋予其独特的奶香味；1-辛烯-3-酮、1-辛烯-3-醇为红糖香气提供了独特的蘑菇香味；7，11，13号样品未检测到愈创木酚含量，3，8，10号样品愈创木酚的ROAV<1，对这3个样品整体香气起到修饰作用，愈创木酚对其余红糖样品整体香气均有重要贡献作用(ROAV>1)，赋予样品独特的熏香和辛香味。

吡嗪类是典型的美拉德反应产物，2,5-二甲基吡嗪、2,6-二甲基吡嗪相对含量存在差异，在不同红糖样品中起到的贡献不同，2,5-二甲基吡嗪仅对14号样品香气有重要贡献作用，对其余样品均起到修饰作用；2,6-二甲基吡嗪对2，6，14号样品香气有重要贡献作用。据报道，酸类也是红糖香气的主要组分，丁酸对3，10，12，13号样品香气有重要贡献作用；异戊酸对1，13号样品香气有重要贡献作用；5，10，11号样品未检测到4-甲基戊酸含量，除对7，8，15号样品香气起到修饰作用外，对其他样品香气均有重要贡献作用。

具有坚果味的苯甲醛和具有焦糖、坚果香的甲基环戊烯醇酮对所有红糖样品整体香气有修饰作用。除此之外，还有一些物质对红糖整体香气有修饰作用，如：2,4-二叔丁基苯酚、2-乙酰基呋喃。

表3 红糖香气成分的ROAV

2.3 红糖关键香气成分PCA分析

对15个红糖香气有主要贡献的挥发性物质的ROAV进行主成分分析。由表4可知，前4个公因子解释的累计方差达86.907%，且特征值大于1，表明前四个主成分基本包含了红糖挥发性物质的绝大部分信息，可用于进行综合评价；第1主成分的贡献率为43.339%，决定第1主成分的主要是1-辛烯-3-酮、D-(-)-泛酰内酯、反-2-辛烯醛、1-辛烯-3-醇；第2主成分的贡献率为16.636%，决定第2主成分的主要是2-甲基吡嗪、愈创木酚、壬醛；第3主成分的贡献率为14.834%，决定第3主成分的主要是异戊醛、3-羟基-2-丁酮；第4主成分的贡献率为12.098%，决定第4主成分的主要是糠醇。

表4 主成分分析成分得分系数、特征值、方差贡献率及累计方差贡献率

根据表4构建各主成分得分与各挥发性物质间的线性关系式：

F1=-0.04X1-0.169X2+0.256X3+0.085X4+0.019X5+0.369X6+0.205X7+0.065X8+0.012X9+0.324X10。

F2=0.11X1-0.372X2+0.102X3+0.445X4+0.109X5+0.155X6-0.01X7-0.03X8+0.379X9+0.011X10。

F3=0.522X1+0.278X2+0.142X3+0.095X4-0.311X5-0.102X6+0.191X7+0.017X8+0.149X9-0.281X10。

F4=0.032X1+0.169X2-0.062X3-0.047X4+0.369X5+0.035X6+0.12X7+0.748X8+0.14X9+0.114X10。

其中，F1、F2、F3、F4分别代表第1主成分得分、第2主成分得分、第3主成分得分、第4主成分得分，为研究各红糖的香气质量，对4个公因子的得分进行加权求和，权数为公因子对应的方差贡献率，利用综合评价函数：

zFi=43.339%F1+16.636%F2+14.834%F3+12.098%F4。

其中，zFi表示各样品的综合得分。根据不同主成分综合得分(见表5)，红糖香气品质从高到低综合排名依次为样品11号、样品10号、样品5号、样品8号、样品4号、样品15号、样品6号、样品7号、样品9号、样品12号、样品3号、样品14号、样品1号、样品2号、样品13号。

表5 红糖香气质量评价表

3 结论

本文采用HS-SPME-GC-MS技术分析红糖挥发性成分的组成和相对含量情况，在15个红糖样品中共鉴定出8类，共67种挥发性化合物，结果表明，红糖挥发性成分中含有丰富的醛类、吡嗪类、酮类、醇类、酸类、酯类、酚类及其他化合物，其中乙酸、3-乙酰基吡咯、糠醇、丙酸是红糖相对含量丰富的化合物。

通过计算ROAV，红糖中挥发性成分关键香气物质主要是：D-(-)-泛酰内酯、糠醇、异戊醛、正辛醛、壬醛、反-2-辛烯醛、2-甲基吡嗪、3-羟基-2-丁酮、1-辛烯-3-酮、1-辛烯-3-醇、愈创木酚；ROAV值越大表示该物质对整体风味贡献越大，因此糠醇、D-(-)-泛酰内酯对红糖香气具有关键的贡献作用。利用PCA对红糖香气质量进行综合评价，通过综合评价模型对红糖香气品质从高到低综合排名，前三名依次为样品11号、样品10号、样品5号，此研究结果决定了红糖关键香气成分，为红糖香气质量评价提供了新的模式，为红糖香气深入研究提供了依据。