基于气相色谱-离子迁移谱的市售酸奶挥发性风味物质差异分析

申梦娜，乔海军*，张卫兵，贾志龙，张春艳，杨晰

1(甘肃农业大学 理学院，甘肃 兰州，730070)2(甘肃农业大学 食品科学与工程学院，甘肃 兰州，730070) 3(山东海能科学仪器有限公司，山东 济南，250000)

酸奶是典型的发酵乳制品，由于其丰富的营养价值和特有的功能特性，越来越受到消费者的青睐[1]。随着消费者口味的改变及酸奶产品升级的需要，近年来，不同口味酸奶的开发成为酸奶市场的发展趋势[2]。酸奶的风味是评价其质量的重要指标之一，不同品牌的酸奶因原料和发酵工艺的不同，在整体风味上有着较大的差异[3]。挥发性风味物质对酸奶风味品质起决定性影响，因此酸奶中的挥发性风味物质逐渐成为研究热点[4]。

传统方法分析酸奶挥发性风味物质通常需要从复杂的基质中分离并富集挥发性风味成分[5]，如采用固相微萃取[6]、同时蒸馏萃取[7]和溶剂辅助风味蒸发[8]等常见的前处理方式。固相微萃取法虽然无需溶剂、灵敏度高，被广泛应用于酸奶中挥发性成分的提取，但其长时间加热会改变不稳定组分，精度低[5]，且对沸点相对较高的化合物提取效率不佳[9]。同时蒸馏萃取法与固相微萃取法相比，选择性高、回收率高，但未减压时不稳定化合物会受热分解，易产生热效应[5]。溶剂辅助风味蒸发法可以解决固相微萃取法无法有效萃取样品中的痕量挥发性成分的问题，且避免了同时蒸馏萃取法过程中热敏性挥发性成分的损失[10]，但相比固相微萃取法，对易挥发性成分的提取效率较低[9]。此外，这些复杂的前处理技术无法达到快速检测的目的。气相色谱-离子迁移率光谱法(gas chromatography-ion mobility spectrometry，GC-IMS)技术无需样品前处理，极大简化了分析过程，可实现快速检测，且其灵敏度更高，检测限更低[11]，已逐渐应用于食品分类与掺假、食品特征风味分析、食品加工过程监测和新产品开发等方面[12-13]。目前GC-IMS技术用于发酵乳制品挥发性风味成分的检测相对较少，将其用于市售风味酸奶挥发性风味化合物的分析尚未见报道。

本研究以市售庄园牧场3种口味的酸奶和4个不同品牌黄桃燕麦酸奶为研究对象，利用风味感官评价分析不同酸奶的风味特征及差异，并采用GC-IMS技术建立挥发性风味物质的指纹图谱，结合主成分分析(principal component analysis，PCA)对不同酸奶样品进行差异性分析。以期为酸奶的风味改善和品质调控提供一定的科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

酸奶样品，购于北京华联超市(兰州海关银滩雅苑店)，样品信息详见表1。

正构酮类(2-丁酮、2-戊酮、2-己酮、2-庚酮、2-辛酮和2-壬酮)，均为分析纯，北京国药集团化学试剂有限公司。

1.2 主要仪器

FlaourSpec®风味分析仪，德国G.A.S mbH公司(配有CTC PAL RSI自动顶空进样装置)；20 mL顶空进样瓶，宁波哈迈仪器科技有限公司；1～5 mL移液枪，赛默飞世尔科技(中国)有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 风味感官评价方法

采用定量描述感官评价法[14]，从食品活性成分与风味化学研究团队成员中筛选出8名(4名男生，4名女生)感官评价员，经培训后组成评价小组。依据评价员对风味的描述，经讨论后确定了6个风味感官评价指标以及相应的定义(表2)。

表2 市售酸奶样品风味感官评价指标Table 2 Flaor sensory ealuation index of commercial yogurt samples

将酸奶样品，感官评价指标的定义和标准品同时呈送给评价小组，评价小组按0～5的标度(0=不存在，1=刚好可识别，2=强度弱，3=中等，4=强，5=很强)评价每个酸奶样品的香气强度。每个样品的香气强度值取评价员风味感官评价的平均值。

1.3.2 GC-IMS分析条件

顶空进样条件：准确取量5.00 mL样品，移入20 mL顶空瓶中，封口。每份样品重复3次。采用自动顶空方式进样。进样体积500 μL；孵育时间20 min；孵育温度80 ℃，进样针温度85 ℃。

GC条件：FS-SE-54-CB-1色谱柱(15 m×0.53 mm，1 μm)，柱温60 ℃，载气流速程序：初始流速2 mL/min，保持2 min；8 min内线性升至10 mL/min，然后10 min内线性升至100 mL/min，再5 min内线性升至150 mL/min。

IMS条件：温度45 ℃；漂移气(E1)和载气(E2)均为N2(纯度≥99.999%)，漂移气流速150 mL/min。

1.4 数据处理

通过外标法(C4～C9正构酮)计算化合物的相对保留指数和配套软件GC×IMS Library Search(内置NIST和IMS数据库)对化合物进行定性分析；采用系统自带分析软件LA(Laboratory Analytical iewer)中Reporter和Gallery Plot插件进行图谱的对比分析；Dynamic PCA插件进行主成分分析。按峰体积归一化法计算各挥发性组分的相对含量。采用Origin 2018 Pro软件绘图。

2 结果与分析

2.1 3种庄园牧场酸奶挥发性风味差异分析

2.1.1 不同庄园牧场酸奶的风味感官评价结果

由图1可知，不同酸奶样品间风味感官评价结果存在较大差异，其中焙烤味、青草味和花香味差异最大，乳酸味和果香味次之，奶香味差异最小。由风味图1可知，ZY-HT花香味和果香味较为强烈，ZY-TS次之，ZY-YW较弱；ZY-YW的奶香味和乳酸味较为浓郁；ZY-TS焙烤味最突出。同时3种酸奶中均有花香味和青草味作为修饰，且ZY-HT的青草味较为突出，可能是燕麦的添加为其贡献了青草味。

图1 不同庄园牧场酸奶风味感官评价雷达图Fig.1 Radar chart of flaor sensory ealuation of different yogurts from Zhuangyuan Pasture

2.1.2 不同庄园牧场酸奶GC-IMS谱图差异

图2是3种庄园牧场酸奶挥发性风味物质GC-IMS二维差谱图，以ZY-TS样品谱图为参比，其他样品谱图扣减参比所得。图中红色表示该挥发性物质的含量高于参比，蓝色代表该物质的含量低于参比，横坐标8.0 ms处红色竖线为反应离子峰(reaction ion peak，RIP)，RIP两侧的每一个点代表一种挥发性风味化合物。颜色代表物质的信号强度，颜色越深，强度越大[15]。3种酸奶中挥发性风味物质有明显差异。ZY-HT的挥发性风味物质最多，ZY-YW次之，ZY-TS最少，同一化合物的含量也存在较大差异。

图2 不同庄园牧场酸奶的GC-IMS二维差谱图Fig.2 GC-IMS two-dimensional differential spectrum of different yogurts from Zhuangyuan Pasture

2.1.3 不同庄园牧场酸奶挥发性风味物质的定性及含量差异分析

根据保留时间和迁移时间，通过软件GC×IMS Library Search检索，结合正构酮C4～C9作为外标对挥发性风味化合物进行定性分析[16]，共检测到69个信号峰，鉴定了其中的44种挥发性组分(表3)，包括酯类化合物15种、醛类化合物9种、酮类化合物9种、醇类化合物8种、酸类化合物2种和1种吡嗪类化合物，这些挥发性风味化合物共同构建了3种庄园牧场酸奶和4个品牌黄桃燕麦酸奶的特征风味。

为了确定各类挥发性风味化合物在3种酸奶中的含量差异，采用归一化法计算各组分的相对含量，结果如图3所示。吡嗪类(0.55%)在ZY-TS中含量最高，这可能是ZY-TS焙烤风味突出的原因；ZY-YW中酮类(73.44%)和酸类(4.55%)含量明显高于其他2种酸奶，这可能是ZY-YW奶香味较浓郁的原因；ZY-HT的酯类(23.78%)、醛类(21.6%)和醇类(12.37%)含量最高，这可能是ZY-HT果香味、花香味和青草味较为突出的原因。

2.1.4 不同庄园牧场酸奶的指纹图谱

为解析3种庄园牧场酸奶的特征挥发性风味化合物及差异，采用Gallery plot插件将GC-IMS二维图谱中所有谱峰重构为指纹图谱(图4)，并识别了它们的特征峰区域[18]。图中每一行代表一个样品中选取的全部信号峰，每一列代表同一挥发性风味化合物在不同样品中的信号峰，数字编号表示化合物未定性，不作分析。

从指纹图谱(图4)可清楚地看出3种酸奶的特征挥发性风味化合物及差异。正己醇、2-乙基-5-甲基吡嗪、庚醛单体、乙酸丙酯、苯甲酸乙酯(单体和二聚体)和丁酸甲酯等构成了ZY-TS的特征峰区域(图中A区域)；2-戊酮、2-庚酮(单体和二聚体)、异戊醛、乙酸丁酯(单体和二聚体)、1-戊醇、乙酸戊酯(单体和二聚体)、糠醛(单体和二聚体)和2-壬酮(单体和二聚体)等构成了ZY-YW的特征峰区域(图中B区域)；正己醛二聚体、乙醇、苯甲醛(单体和二聚体)、乙酸乙酯、丁酸丁酯、芳樟醇(单体、二聚体和多聚体)、正己酸乙酯和氧化芳樟醇等构成了ZY-HT的特征峰区域(图中C区域)。这些特征峰区域不仅是ZY-TS、ZY-YW和ZY-HT酸奶样品间具有明显差异的原因，同时也决定了不同酸奶的风味特征。2-乙基-5-甲基吡嗪为ZY-TS提供了独特且浓郁的坚果味和烘烤味，掩盖了其他香味[19]，使得ZY-TS的焙烤味最为突出。ZY-YW的特征挥发性风味化合物2-壬酮贡献了一定的奶香味和水果味，符合其风味感官评价结果。ZY-HT的特征挥发性风味化合物中正己醛二聚体、苯甲醛二聚体、乙酸乙酯、丁酸丁酯和芳樟醇单体含量远高于其他酸奶，它们分别为ZY-HT提供了突出的青草味、杏仁味、菠萝味、苹果味和花香味，与其风味感官评价结果相一致。

此外，3-羟基-2-丁酮在3种酸奶中含量都较高，它给酸奶贡献了强烈的奶香味。赋有奶酪味和油脂味的己酸(单体和二聚体)含量在ZY-YW和ZY-HT中均较高。2-丁酮和丙酮在ZY-TS和ZY-YW中含量均较高，它们能够赋予酸奶较为浓郁的水果香韵，这与ERKAYA等[20]发现丙酮和2-丁酮是发酵乳中的主要风味物质结果一致。

2.1.5 不同庄园牧场酸奶的PCA

3种庄园牧场酸奶样品的PCA结果如图5所示。PC1和PC2贡献率分别为61%和34%，累计方差贡献率为95%，表明PCA结果有效。ZY-TS、ZY-YW和ZY-HT样品分别分布在不同象限，且彼此之间距离较远，说明3种酸奶样品之间的差异较大。PCA结果能够很好地区分3种庄园牧场酸奶样品。

2.2 4个品牌黄桃燕麦酸奶挥发性风味差异分析

2.2.1 不同黄桃燕麦酸奶的风味感官评价结果

由4个品牌黄桃燕麦酸奶的风味感官评价雷达图(图6)可以看出，不同酸奶样品间风味感官评价结果差异较小，它们均具有较强的奶香味、果香味、花香味和青草味，乳酸味和焙烤味较弱。ZY-HT的奶香味、乳酸味、花香味和青草味较为强烈；GYR-HT花香味和青草味相对较弱；CQ-HT和AMX-HT的风味感官评价结果相近；4个品牌酸奶样品间果香味和焙烤味差异最小。

2.2.2 不同黄桃燕麦酸奶GC-IMS谱图差异

4个品牌黄桃燕麦酸奶的GC-IMS二维差谱图如图7所示，ZY-HT的挥发性风味物质最少，CQ-HT、GYR-HT和AMX-HT酸奶样品间的挥发性风味物质差异较小，CQ-HT和AMX-HT之间挥发性风味物质最为相似，且4个酸奶样品中挥发性风味物质的含量存在明显差异。

2.2.3 不同黄桃燕麦酸奶的挥发性风味物质含量差异分析

4个品牌黄桃燕麦酸奶样品挥发性风味化合物的鉴定结果(同3种庄园牧场酸奶)见表3。

由图8可知，4个品牌酸奶样品间的挥发性风味化合物含量存在明显的差异，且酯类、醛类、酮类和醇类化合物含量均较高，酸类和吡嗪类化合物含量较低。ZY-HT中醛类、酮类和酸类化合物含量明显高于其他3个品牌酸奶，这可能是ZY-HT与其他酸奶风味特征差异较大的主要原因；而CQ-HT、GYR-HT和AMX-HT间挥发性风味化合物含量差异较小，且CQ-HT和AMX-HT之间差异最小。

2.2.4 不同黄桃燕麦酸奶的指纹图谱

从指纹图谱(图9)可清楚地看出4个品牌黄桃燕麦酸奶的特征挥发性风味化合物及差异。乙醇、3-羟基-2-丁酮、丁酸甲酯、正己酸乙酯、苯甲酸乙酯(单体和二聚体)、正己醛二聚体、己酸二聚体和丁酸丁酯等构成了ZY-HT的特征峰区域(图中D区域)；2-甲基丁酸乙酯(单体和二聚体)、庚醛二聚体、异戊醛、叶醇和芳樟醇(单体、二聚体和多聚体)等构成了CQ-HT的特征峰区域(图中E区域)；正己醇、氧化芳樟醇、苯乙酮和乙酸丁酯(单体和二聚体)等构成了GYR-HT的特征峰区域(图中F区域)；2-甲基丁酸己酯、2-庚酮二聚体和2-壬酮单体等构成了AMX-HT的特征峰区域(图中G区域)。

ZY-HT的特征挥发性化合物中正己醛二聚体、3-羟基-2-丁酮和苯甲酸乙酯的含量远高于其他酸奶样品，它们赋予了ZY-HT更加浓郁的青草味、奶香味和花香味。CQ-HT和AMX-HT的特征挥发性风味化合物较为相似，其中赋有杏仁味的糖醛(单体和二聚体)含量在CQ-HT和AMX-HT中均较高。乙酸乙酯和乙酸丙酯在CQ-HT、GYR-HT和AMX-HT酸奶样品中的含量均较高，它们分别贡献了一定的菠萝味和芹菜味。2-丁酮、苯甲醛(单体和二聚体)、己酸单体、2-戊酮和2-庚酮单体等在4个品牌酸奶中的含量都较高，它们为酸奶提供了果香味、奶油味和花香味。ZHAO等[21]也发现苯甲醛和2-庚酮为酸奶中主要的挥发性风味化合物。各酸奶样品的特征挥发性风味化合物GC-IMS指纹图谱能够很好地表征它们的风味感官评价结果。

2.2.5 不同黄桃燕麦酸奶的PCA

从4个品牌黄桃燕麦酸奶样品的PCA(图10)可以看出，PC1和PC2贡献率分别为47%和28%，累计方差贡献率为75%，表明PCA结果有效。其中ZY-HT与其他酸奶的距离最远，与其他酸奶样品间的差异最大；CQ-HT与AMX-HT均处于第一象限，距离最近差异最小。PCA结果能够很好的区分ZY-HT、CQ-HT、GYR-HT和AMX-HT酸奶样品。

3 结论

采用风味感官评价结合GC-IMS技术，比较分析了3种庄园牧场酸奶和4个品牌黄桃燕麦酸奶的挥发性风味化合物的差异，共鉴定了其中44种挥发性组分，包括酯类、醛类、酮类、醇类、酸类和吡嗪类化合物。实验结果建立和表征了各酸奶样品的特征挥发性风味化合物指纹图谱；3种不同庄园牧场酸奶样品间的特征挥发性风味化合物存在明显差异；4个品牌黄桃燕麦酸奶样品的指纹图谱分析结果进一步证明GC-IMS技术适用于样品痕量组分的检测和差异性比较；各酸奶样品的特征挥发性风味化合物GC-IMS指纹图谱差异很好地表征了风味感官评价结果。PCA成功实现了不同酸奶样品间的差异。该研究建立了基于GC-IMS技术分析酸奶挥发性风味物质的新方法，同时为酸奶的风味改善和品质调控提供了一定的科学依据。