基于GC-O-MS结合化学计量学探究紫苏对鱼腥味的抑制作用

吴天乐，詹萍，王鹏

（陕西师范大学食品工程与营养科学学院，陕西 西安 710119）

紫苏[Perilla frutescens（L.）Britt.]是一种唇形科“药食同源”性草本植物，富含α-亚油酸、多酚、维生素（β-胡萝卜素）和矿物质，具有心脑血管保健、抗炎抑菌以及增强免疫力等生物活性功能[1]。近年来对紫苏的相关研究包括紫苏功能性评价（如抗炎、抗肿瘤和抗氧化等）[2-3]、紫苏挥发/非挥发性物质分离与鉴定[4-6]等领域。然而利用紫苏及其天然提取物作为抑制鱼肉中鱼腥味手段的相关研究鲜有报道。

鱼肉因脂质氧化[7]（酶促氧化[8]、非酶氧化[9]）会产生鱼腥味等不良风味，而强烈的鱼腥味会严重降低鱼肉的感官品质，制约其在食品中的应用以及消费者的购买欲望。相关研究表明，部分浓度高、气味阈值低的醛类和醇类等化合物对鱼肉不良风味产生起重要作用[10]，如郝淑贤等[11]发现己醛、庚醛、辛醛、2-辛烯醛、壬醛、2-壬烯醛、癸醛、2，4-壬二烯醛、2-十一烯醛以及2，4-癸二烯醛等使罗非鱼产生鱼腥味和哈喇味等不良风味；此外，杨倩倩等[12]通过对比养殖大黄鱼脱脂除臭处理前后的挥发性成分，认为己醛、2，4-癸二烯醛、1-戊烯-3-醇、1-辛烯-3-醇、1-戊烯-3-酮和 3，5-辛二烯-2-酮是鱼腥味的主要成分；An等[13]研究结果再次证实淡水鱼鱼糜样品中（E，Z）-2，4-癸二烯醛是造成鱼肉腥味和油脂味的关键挥发性物质。

吸附法、有机溶剂萃取法、抗氧化法等是目前主要应用的除腥手段[14]，随着自然健康理念的普及，利用天然食材及其产物除腥逐渐成为除腥手段发展趋势。如通过浸渍预处理的丁香水提取物用于干制欧梅纳鱼（Rastrineobola argentea），能够显著降低其硫代巴比妥酸反应物值（thiobarbituric acid reactive substances，TBARS）和过氧化值等脂质氧化指标[15]；利用柑橘精油可显著抑制鲈鱼鱼片中病原菌和真菌菌群的生长[16]，或是采用牛至精油（0.8%）[17]、百里香精油（1%）和月桂精油（1%）[18]也可改善鱼肉的感官品质。此外，酚类化合物能够与蛋白质等多种食品成分发生化学反应，或与一些气味挥发性化合物直接反应，从而改变产品风味[19-20]，如葡萄多酚已经被证明能抑制冷冻鱼糜中的脂质氧化[21]，并能保护脂肪鱼的内源性抗氧化系统[22]；同样，茶多酚能有效抑制氧化三甲胺（trimethylamine oxide，TMAO）的分解，抑制脂质的氧化，并能有效保持鱿鱼干的风味品质[23]。

紫苏传统食用形式通常是作为调味品煲汤或凉拌，湖南名菜紫苏炖鱼就是将紫苏和鱼一同煮制，从而达到抑制鱼腥味、提升鲜味的目的。同时已有相关研究将紫苏或其提取物用于鱼肉及其制品，如陈奇等[24]发现利用紫苏液腌制的鱼制品质量显著提高；周伟等[25]指出紫苏叶水提取物能有效抑制鲣鱼贮藏过程中的脂质氧化和腐败微生物的生长，但针对采用新鲜紫苏探究对鱼肉腥味物质抑制的研究鲜有报道。因此基于感官组学与化学计量学统计分析，探究紫苏除腥效果并从分子层面科学揭示除腥机制，对紫苏产业深加工形式拓展以及产业链延伸具有重要意义。

本研究采用气相色谱-嗅闻-质谱联用（gas chromatography-olfactometry-mass spectrometry，GC-O-MS）技术分离与鉴定鱼肉中挥发性物质组成，并通过嗅辨确定鱼肉中关键呈腥味特征物质；再向鱼汤中添加不同质量的紫苏粉，通过GC-O-MS、感官评价结合主成分分析（principal component analysis，PCA）等，构建腥味物质与感官属性相关性预测评价模型，在明晰鱼肉中特征腥味物质的基础上，评价紫苏对腥味的抑制作用，以期为采用天然产物抑制鱼肉腥味提供参考，同时为紫苏资源深加工利用提供新思路与技术基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

新鲜草鱼、干紫苏叶（产于广西南宁）：市售；1，2-二氯苯（纯度＞99%）、正构烷烃（C7～C40）：美国 Sigma公司。

1.2 仪器与设备

手提式高速中药粉碎机（DFT-100）：江苏同君仪器科技有限公司；电子分析天平（MA110）：上海第二天平仪器厂；高压反应瓶：上海有机化学研究所；焦热式恒温磁力搅拌器（DF-101S）：河南予华仪器有限公司；固相微萃取（solid phase micro-extraction，SPME）装置（75 μm CAR/PDMS萃取头）：美国Supelco公司；气相色谱质谱联用仪（5977B-7890C）：安捷伦科技有限公司；嗅辨仪（Olfactry Port OP275）：荷兰 ATAS＆GL公司。

1.3 方法

1.3.1 鱼汤样本制备

将新鲜草鱼经宰杀、去鳞、清洗等预处理，沿鱼背部剖开，除去内脏、头部和尾部并切成大小接近的鱼块（4 g/块），准确称取6份样品（8 g/份）。将干紫苏叶粉碎过40目筛制得紫苏粉。将鱼块放入100 mL高压反应瓶，按照鱼块质量0%、0.05%、0.10%、0.50%、1.00%、5.00%的比例将紫苏粉依次加入到反应瓶中，形成梯度样本S0～S5，加入40 mL蒸馏水，将反应瓶置于焦热式恒温磁力搅拌器中油浴，于120℃加热50 min，待进一步检测。

1.3.2 感官评价方法建立

采用定量描述分析（quantitative descriptive analysis，QDA）方法进行评价[26]，根据现有鱼汤风味描述[27]结合评价小组成员讨论，形成鱼汤感官属性的描述词，最终确定感官属性描述词为哈喇味、鱼腥味、脂香味、肉香味、草药味、清香味[28]，各属性均采用100分制评价，从0到100分别表示气味强度从无到有且依次增强（0为未感知到），感官评价评分标准见表1。

表1 感官评价评分标准Table 1 Scoring criteria for sensory evaluation

将6组不同的鱼汤样品进行随机三位数编号，通过培训的10名感官品评人员（5男5女，平均年龄在25岁）进行嗅闻打分。

1.3.3 GC-O-MS检测条件

挥发性物质萃取：将萃取头在气相色谱进样口进行空白解吸，老化30 min，待基线平稳。向反应瓶加入1.0 μL 的标准品 1，2-二氯苯（浓度为 0.130 6 μg/μL）作为内标化合物；将反应瓶置于60℃水浴锅中，平衡10 min，插入萃取头，顶空萃取40 min。萃取完成后，迅速插入气相色谱-质谱（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）联用仪进样口，启动GC-O-MS进行数据采集，萃取头解吸时间7 min。

升温与嗅闻条件：选用DB-WAX毛细管色谱柱（30 m×0.25 μm，0.25 mm）；进样口温度为 250℃；柱箱升温程序为初始温度40℃，保持3 min，以5℃/min的速率升至200℃，保持5 min，最后以10℃/min的速率升至230℃，保持5 min；载气为高纯氦气，流量为1 mL/min；进样分流比为2∶1，溶剂延迟5 min。在分流阀处补充氦气，柱箱和嗅辨仪间的传输线温度设置为120℃，在嗅探口用水蒸气增湿气体，流量1 mL/min[29]。嗅闻分析采用检测频率法（detection frequency，DF）[30]，感官小组成员记录气味活性化合物开始和结束时间并进行气味描述，每个小组成员重复2次，DF≥5的化合物（至少有5名评估员报告）可被视为具有气味活性。

MS条件：离子化方式为电子电离（electron impact，EI），电子能量 70 eV，离子源温度 230 ℃，四极杆温度150℃，质量扫描范围35 amu～750 amu。

1.3.4 挥发性物质定性与定量

定性方法：将各分离组分的质谱信息与Wiley library和NIST 14 library中已知化合物的质谱信息相匹配，选取相似度指数大于800的鉴定结果，并与文献资料中已报道的线性保留指数（linear retention indices，LRI）进行比对[31]，按如下公式计算化合物保留指数（retention index，RI）。

式中：tRx为待测化合物x的调整保留时间，min；tRn为碳原子数为n的正构烷烃调整保留时间，min；tR（n+1）为碳原子数为n＋1的正构烷烃调整保留时间，min；n为碳原子数。

定量方法：采用内标法定量[32]，通过鱼汤中各待测组分的峰面积和内标物的峰面积比值，按如下公式计算各个组分的相对含量。

式中：Ci为待测组分 i的含量，mg/g；Ws为加入内标s的质量，mg；Ai和As分别为待测组分i和内标化合物s的峰面积；m为待测样品的质量，g；fi′为待测组分i对内标s的相对质量校正因子；本试验中各待测组分i的相对校正因子均为1。

1.4 数据处理

聚类分析、方差分析和主成分分析均采用SPSS 19.0软件处理，所有试验均进行3次，所有数据均以平均数±标准差呈现。

2 结果与分析

2.1 不同紫苏添加量样品中挥发性成分分析

经过GC-MS检测，不同紫苏添加量的鱼汤中挥发性成分如表2所示。

表2 不同紫苏添加量的鱼汤挥发性成分汇总与嗅辨描述Table 2 Volatile compounds extracted from fish soup added with Perilla frutescens leaves and olfactory description

续表2 不同紫苏添加量的鱼汤挥发性成分汇总与嗅辨描述Continue table 2 Volatile compounds extracted from fish soup added with Perilla frutescens leaves and olfactory description

由表2发现，紫苏不同添加量会造成鱼汤整体挥发性物质构成产生明显差异，为进一步探究紫苏对鱼汤中呈味物质影响，首先采用GC-O嗅辨分析确定具有呈味效果的物质，发现己醛、庚醛、2-戊基呋喃、辛醛、（E）-2-庚烯醛、壬醛、1-辛烯-3-醇、癸醛、（E）-2-壬烯醛、芳樟醇、石竹烯、（E）-2-辛烯-1-醇、（E）-2-癸烯醛、α-松油醇、紫苏醛、（E，E）-2，4-癸二烯醛、（E）-紫苏醇17种物质可嗅辨出明显气味。结合相关研究证明由于多不饱和脂肪酸通过脂氧合酶（如1，5-脂肪氧合酶、1，2-脂肪氧合酶）可以衍生出短链碳醇和羰基化合物，因此醛类通常在鱼肉中呈现油脂味或脂香味[33]，如辛醛、壬醛、（E）-2-壬烯醛和（E，E）-2，4-癸二烯醛；己醛偏青草味，庚醛则带有鱼腥味[34]；此外，呋喃类物质一般是由碳水化合物降解、美拉德反应或脂肪氧化等途径产生，鱼汤中的2-戊基呋喃主要由脂肪氧化产生[35]。嗅辨得出鱼汤主要呈香特征为土腥味、油脂味和青草味，初步推测己醛、庚醛、辛醛、壬醛、癸醛、（E）-2-壬烯醛、2-戊基呋喃、（E）-2-辛烯-1-醇、（E）-2-庚烯醛、（E，E）-2，4-癸二烯醛和（E）-2-癸烯醛等是潜在构成鱼腥味的关键物质。

以纯鱼汤为对照组，将紫苏以不同添加量加入鱼汤后，由于紫苏中挥发性物质加入，紫苏鱼汤的整体挥发性物质种类与含量均显著变化，对比发现11种具有潜在鱼腥味挥发性特征物质在紫苏添加后均呈显著降低趋势，如随着紫苏添加量增加，庚醛含量从（6.15±0.43）μg/g降低至（0.69±0.05）μg/g，（E，E）-2，4-癸二烯醛与庚醛趋势相同，含量从（15.31±1.06）μg/g降低至（1.90±0.14）μg/g，具有青草味的己醛和 2-戊基呋喃含量也发生了降低，分别随着紫苏添加量增加从（15.76±1.10）μg/g降低至（1.71±0.12）μg/g以及从（16.04±1.12）μg/g降低至（2.15±0.16）μg/g。在 11 种特征物质中壬醛下降最为明显，纯鱼汤含量为（37.89±2.64）μg/g，在添加 5%紫苏后降至（1.06±0.08）μg/g。以上结果表明，紫苏的添加造成了鱼汤整体物质组成变化，可明显降低关键呈腥味挥发性物质的含量，并不仅仅是掩盖原有的鱼腥味，而是发生了化合或分解等化学变化[36]。此外，紫苏的添加也使鱼汤挥发性物质组成中产生多种具有其他呈香属性的挥发性物质，如紫苏醛（草药味）、（E）-紫苏醇（清香味）和芳樟醇（香甜味）等在纯鱼汤中未检测出，在紫苏添加量为5%时分别达（214.29±15.45）、（18.69±1.35）μg/g 和（25.76±1.87）μg/g，以上“从无到有”的物质在一定程度上改变了鱼汤整体风味轮廓，然而鱼汤或紫苏鱼汤挥发性物质组成复杂，难以直接通过对比其含量高低评价紫苏添加是否对鱼汤风味品质产生正向调控，以及不同梯度添加是否产生差异，因此以挥发性物质含量为数据源，采用聚类分析对6组样本组间差异进行分析。

2.2 不同紫苏添加量样品聚类分析

不同紫苏添加量的鱼汤聚类分析如图1所示。

图1 鱼汤挥发性风味物质聚类分析Fig.1 Cluster pedigree of volatiles from fish soup

由图1可知，6组不同紫苏添加量鱼汤样本（S0～S5）在欧式组间距离为5时，分为三大组。第一大类的3组鱼汤样本分别为空白对照和紫苏添加量较低的两组（S1为0.05%、S2为0.10%），它们在最小距离内形成聚类，表明这几组样本相似性较高[37]，在欧式距离为2时S3与S4归为一类，随着欧式距离增大到6时S0～S4产生联系。而当欧氏距离继续增加至25时，S5才与其余样本归为一类。由聚类分析结果进一步说明紫苏的添加会造成鱼汤整体风味轮廓产生显著差异，并且随着紫苏的添加紫苏鱼汤组间也会产生明显差异，在紫苏添加量低于0.10%时与纯鱼汤相比整体挥发性风味物质轮廓未产生显著变化，表明对鱼汤除腥效果并不明显，随着紫苏添加量增至0.50%和1.00%产生差异效果，直至添加量为5.00%时差异最大。然而，并不是紫苏添加量越多对鱼汤除腥效果越佳，需要结合人工感官评价对鱼汤各感官属性进行评价，综合得出紫苏对鱼汤整体风味品质影响效果，从而确定最佳除腥效果的紫苏添加量。

2.3 不同紫苏添加量鱼汤感官评价与主成分分析

对不同紫苏添加量的鱼汤进行感官评价，评分结果如表3所示。

表3 不同紫苏鱼汤样本描述性感官评分Table 3 Descriptive sensory profiles of fish soup samples added with different amounts of Perilla frutescens leaves

对不同样本各感官属性进行差异对比，发现添加紫苏后鱼汤各感官属性均发生改变，不仅体现在腥味属性的得分降低，而且随着紫苏的加入其带来的感官属性强度也随着增加。在纯鱼汤中鱼肉天然带有的哈喇味和鱼腥味感官强度为所有试验组中最强，在紫苏添加量较低如S1和S2样本中，这两种感官属性并未发生显著差异（P＞0.05），因此说明此时紫苏添加量不足以达到较好的除腥效果，对鱼汤整体风味品质改善不明显。随着紫苏添加量的增加从S3样本到S5样本两种感官属性均显著降低（P＜0.05），同时草药味感官强度显著增强，表明紫苏添加过量虽然除腥效果有所增强，但会带来其他风味，甚至会产生令人不愉悦的气味，以致对鱼汤整体风味品质起到劣变作用，对比S4与S5样本发现鱼肉的鱼腥味属性并未进一步降低，但草药味属性却显著增加（P＜0.05），再次证明紫苏添加过量会使草药味过大从而对鱼汤整体风味品质产生负面影响。为进一步明晰造成鱼腥味等不良风味的挥发性物质，以及从分子层面揭示紫苏添加量与感官属性间内在联系，采用主成分分析构建不同紫苏添加量中挥发性物质与感官属性得分相关性评价模型，不同鱼汤样本PCA载荷图如图2所示。

图2 不同鱼汤样本PCA分析载荷图Fig.2 PCA plot of different fish soup samples

由图2可知，PC1和PC2累计总方差贡献率为83.23%，符合主成分构建规则，能够反映各组样本大部分信息，选取前两个主成分（PC1、PC2）分析。PCA分析基本原则为在图中距离越近表明潜在相关性越大，6种感官属性分布于坐标系3个象限，其中清香味与草药味集中在坐标系左侧，该结果验证了清香味与草药味是由于紫苏的添加引入，因此二者含量变化存在显著相关性。脂香味与肉香味分布在坐标系右下方且距离接近，说明这两种感官属性变化存在显著相关性，且均为正向感官属性，符合实际感官评价体验。在无监督分析模式下通过二维空间的距离可以分析出各挥发性物质与感官属性的相关性大小[38]，基于此可推断与腥味及哈喇味相关性高的物质。由图2可知，庚醛（A10）和（E，E）-2，4-癸二烯醛（A67）紧密聚在鱼腥味属性周围，2-戊基呋喃（A11）、壬醛（A24）、癸醛（A34）、（E）-2-辛烯-1-醇（A51） 和（E）-2-癸烯醛（A53）聚在哈喇味属性周围，证明这7种物质与鱼汤中鱼腥味和哈喇味两种感官属性成显著相关性，同时也证明此模型能够有效筛选出表征各感官属性的关键物质。此外，在通过嗅辨确定的11种物质中己醛（A5）、辛醛（A17）、（E）-2-庚烯醛（A20）和（E）-2-壬烯醛（A38）这4种物质在PCA模型中并不与采用GCO-MS嗅辨确定的各对应感官属性接近，这是因为PCA无监督分析模式依照含量与感官属性强度间是否存在对应关系而进行分类，而以上4种物质的含量在添加紫苏后，与鱼腥味或哈喇味感官属性强度间并不存在线性或非线性变化，因此与其他7种物质相比相关性较低，同时有多种物质在GC-O-MS嗅辨过程中未呈现特征气味，但与各感官属性距离接近，可能是因为这些物质含量改变与感官属性变化成显著正或负相关，这些高相关性物质也可作为后期预测除腥效果或感官品质靶点物质。

3 结论

采用GC-O-MS技术对不同紫苏添加量鱼汤中挥发性物质分离与鉴定，并通过嗅辨仪筛选出11种潜在关键鱼腥味组成物质，分别为己醛、庚醛、辛醛、壬醛、癸醛、（E）-2-壬烯醛、2-戊基呋喃、（E）-2-辛烯-1-醇、（E）-2-庚烯醛、（E，E）-2，4-癸二烯醛和（E）-2-癸烯醛。添加紫苏使11种呈腥味特征物质含量降低，同时如紫苏醛、（E）-紫苏醇等物质含量增加。通过聚类分析确定添加紫苏能够显著改变鱼汤挥发性风味物质轮廓，同时对6组鱼汤进行感官评价，对6种感官属性强度评价发现紫苏添加量在0.50%时鱼腥味感官属性强度最低，且不会随着紫苏增加再继续降低，同时紫苏添加量达5.00%时鱼汤中草药味属性强度过高，会造成鱼汤整体风味品质劣变，最后采用PCA验证了前期嗅辨中7种关键物质为构成鱼腥味和哈喇味的特征物质。综上所述，添加紫苏能够通过降低关键呈腥味物质含量达到除腥目的，然而紫苏添加需适量否则会产生新的不良风味，后期可进一步以关键呈腥味物质为靶点定向优化紫苏除腥工艺、深入探究除腥机理。