气相色谱-离子迁移谱结合化学计量法分析不同炒制时间对郫县豆瓣酱挥发性化合物的影响

陈丽兰，陈祖明，袁 灿

（四川旅游学院，四川 成都 610100）

郫县豆瓣酱是川菜中常用的调味品，具有鲜辣醇厚、酱香浓郁、红棕油亮等特点，被誉为“川菜之魂”[1]。郫县豆瓣酱在菜品的烹制和复合调味料加工过程中，多数需要先进行炒制，炒制出香味后再进入后续加工步骤。然而在炒制过程中，过长的炒制时间或者过高的炒制温度会引起一些复杂反应的发生，导致郫县豆瓣酱食用品质下降，因此炒制条件是影响郫县豆瓣酱食用品质的因素。

风味是评定食品食用品质的重要内容。近年来，研究者从郫县豆瓣酱中鉴定出100多种挥发性风味物质，包括醛类、酮类、酯类、醇类、酸类等[2-3]，郫县豆瓣酱挥发性风味物质间的相互作用决定了其香气构型。目前，关于郫县豆瓣酱风味的相关研究集中在不同发酵时间、不同发酵工艺或不同品牌产品的风味比较[3-5]，对郫县豆瓣酱炒制过程中香气化合物变化规律以及特征香气化合物的相关研究较少。课题组前期已采用气相色谱-质谱（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）联用对郫县豆瓣酱炒制前后的香气化合物进行了分析，但对于香气化合物在郫县豆瓣酱炒制过程中的变化规律以及特征香气化合物的相关性仍缺乏系统研究。

气相色谱-离子迁移色谱（gas chromatography-ion mobility spectrometry，GC-IMS）是近年来新兴的气相分离检测技术。与GC-MS技术相比，GC-IMS具有操作简单、分离能力强、检测时间短、灵敏度高、保留样品的原有风味等优点[6-7]。GC-IMS分析技术已广泛应用到各类食品的挥发性风味化合物、品质检测分析等[8-10]，但该技术应用于郫县豆瓣酱挥发性风味物质的研究较少。

本研究以郫县豆瓣酱为研究对象，使用感官评价和GC-IMS结合化学计量法方法分析炒制过程中郫县豆瓣酱的主要挥发性风味物质，分析比较不同炒制时间下郫县豆瓣酱风味物质的变化规律，并建立挥发性成分指纹图谱，继而对其进行正交偏最小二乘判别分析（orthogonal partial least squares-discriminant analysis，OPLS-DA）。本实验方法具有工业应用潜力，可以检测不同炒制程度郫县豆瓣酱的风味差异，旨在为炒制过程中郫县豆瓣酱风味变化的研究提供一定的依据，也为快速、高效分析郫县豆瓣酱挥发性化合物拓宽思路。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

郫县豆瓣酱由四川省郫县豆瓣股份有限公司提供，其生产工艺按照GB/T 20560—2006《地理标志产品 郫县豆瓣》制得；菜籽油（老家土榨）中粮福临门股份有限公司。

1.2 仪器与设备

Flavour Spec®GC-IMS联用仪 德国G.A.S.公司；YP100002B百分之一天平 上海力辰仪器科技有限 公司；J7智能电炒锅 九阳股份有限公司。

1.3 方法

1.3.1 郫县豆瓣酱炒制工艺

取200 g食用油置于铁锅中加热至90 ℃后加入100 g郫县豆瓣酱进行炒制，分别炒制1、2、3、4、5 min。对炒制后的郫县豆瓣酱依次编号，分别为PX-1、PX-2、PX-3、PX-4和PX-5。以空白瓶为对照样，标记为KQ。

1.3.2 GC-IMS测定

准确称量2.0 g处理后的郫县豆瓣酱样品，置于20 mL顶空进样瓶中并加盖密封，置于孵化炉中，在50 ℃条件下孵化20 min，进样体积为500 μL。

GC条件：FS-SE-54-CB-1 色谱柱（15 m×0.53 mm）；柱温60 ℃；载气为高纯氮气（纯度≥99.999%）；载气流速程序：初始流速2.0 mL/min，保持2 min；在10 min内流速增加到10.0 mL/min；而后在10～40 min内流速增大到100.0 mL/min。

IMS条件：漂移气为高纯氮气（纯度≥99.999%）；漂移气流速150 mL/min；IMS探测器温度为45 ℃；漂移管长度为9.8 cm；管内线性电压为500 V/cm；漂移管温度为45 ℃。

1.3.3 感官评价

采用定量描述分析法进行风味感官评价，参照卢云浩[11]和Feng Yunzi[12]等并调整，将炒制制得的10 g郫县豆瓣酱置于50 mL PET瓶中，经过无顺序编号后，交由感官评定小组（人员10 名以上）对每个样品进行感官鉴定。气味强度采用感官评定常用的9 点标度法表示，其中1～9代表从极弱到极强的区间变化；呈香属性描述词参考卢云浩[11]和Feng Yunzi[12]等并调整，描述词为焦香、辛香、果香、花香、坚果香、木香，炒制的郫县豆瓣酱的感官描述、定义及评定尺度如表1、2所示。

表1 郫县豆瓣酱的感官描述和定义Table 1 Sensory description and definition of Pixian bean paste samples

表2 感官评定尺度Table 2 Scale for sensory evaluation

1.4 数据处理

通过SIMCA 14.1软件进行OPLS-DA，采用SPSS 20.0软件进行Pearson相关性分析，利用Origin 2019软件中Apps插件进行聚类分析，并通过Origin 2019绘图。

2 结果与分析

2.1 不同炒制时间郫县豆瓣酱的感官评价

由图1可知，炒制后的郫县豆瓣酱的6 个香气属性，分别为焦香、辛香、果香、花香、坚果香、木香。不同炒制时间的郫县豆瓣酱的风味差异性明显。随着炒制时间的延长，所有样品的焦香、木香和坚果香出现不同程度的增强，在炒制5 min后表现出最强；辛香呈降低趋势；花香呈先减弱后增强趋势，在炒制3 min后表现出最弱；果香呈先增强后减弱趋势，在炒制4 min后表现出最强。

图1 郫县豆瓣酱感官评价雷达图Fig.1 Radar map of sensory evaluation of Pixian bean paste samples

2.2 不同炒制时间郫县豆瓣酱的香气化合物GC-IMS分析

如图2a所示，图中反应离子峰（reaction ion peak，RIP）的每一个峰代表一种挥发性物质[13]。随着炒制时间延长，郫县豆瓣酱香气化合物浓度有明显变化。为进一步比较不同郫县豆瓣酱样品的差异，结合二维图进行分析。图2b中，整个光谱代表总的风味化合物，RIP右侧的点表示从样品中检测到的挥发性有机化合物。颜色表示单个化合物的信号强度。红色表示高强度，蓝色表示低强度。颜色越暗表示强度越大[14-15]。背景为蓝色，有的化合物含有两个或多个斑点，分别代表性质和浓度的不同的二聚体或三聚体[16-17]。具体取决于挥发性成分浓度和性质。由图2b可知，样品的香气化合物主要集中在区域A和B，A区域中部分化合物随着炒制时间的延长颜色加深，B区域中部分化合物随着炒制时间的延长颜色变浅。

图2 不同炒制时间郫县豆瓣酱中香气化合物的GC-IMS三维图（a）和二维图（b）Fig.2 GC-IMS 3D (a) and 2D (b) topographic spectra of flavor compounds in Pixian bean paste at different stir-frying times

2.3 不同炒制时间郫县豆瓣酱的香气化合物定性分析

采用GC-IMS内置的NIST数据库和IMS数据库，根据保留指数、保留时间和迁移时间对郫县豆瓣酱炒制过程中挥发性风味物质定性分析。如表3所示，可鉴定出挥发性成分共97 种（单体或者二聚体），其中醛类18 种、酮类17 种、酯类22 种、醇类10 种、烷烃类5 种、烯烃类5 种、杂环类10 种、醚类2 种和其他化合物8 种。

表3 郫县豆瓣酱香气物质鉴定结果Table 3 Identification of aroma substances in Pixian bean paste samples

为进一步分析郫县豆瓣酱香气化合物的变化，采用归一法对样品中鉴定出不同类型化合物进行半定量分析。如图3所示，在样品中鉴定出香气化合物的总相对含量在65.0%～70.0%之间，其中醛类、酮类和酯类物质相对含量较大，样品之间差异不明显。样品的醛类和酯类化合物相对含量分别在10.9%～15.20%和14.6%～20.5%之间，并且随着炒制时间的延长呈增加趋势。醛类物质主要来源于脂质氧化而生成的典型化合物，呈现出甜香、花果香，可增强食品风味的品质，对郫县豆瓣酱整体风味占主导地位[18]，主要化合物包括异戊醛、糠醛、丁醛等。酯类物质主要由醇类与酸类物质酯化反应而成，可呈现甜香和果香[19]，主要有乙酸乙酯、异戊酸乙酯和2-甲基丁基乙酯。醇类化合物相对含量在6.33%～9.62%之间，且随着炒制时间的延长呈先增加后降低趋势。醇类物质一般由醛或酮发生还原而生成，其风味与化合物本身碳原子数有关，一般3 个碳原子以下的醇类物质大多具有愉悦的香味，4～6 个碳原子具有近似麻醉气味，超过7 个碳原子有芳香气味[20]，样品中醇类物质主要有乙醇、异丁醇、2-甲基-3-呋喃硫醇和1-辛烯-3-醇等。酮类和杂环类化合物相对含量在10.10%～15.80%和5.00%～7.10%之间，并且随着炒制时间的延长呈先降低后增加趋势。酮类物质主要来源于脂质氧化，属于不稳定的中间体，一般被还原成相应的醇，可以呈现花香味，主要的化合物有2,3-丁二酮和丙酮，其中2,3-丁二酮可提供奶油的香气[20]。杂环类化合物在郫县豆瓣酱风味中起到主导作用，主要来源于美拉德反应[21]，主要化合物有吡啶、甲基吡嗪、2,5-二甲基呋喃、2,4,5-三甲基噻唑、2-乙基-5-甲基吡嗪和2-乙酰基吡咯等，其中2-乙酰基吡咯可提供土豆的香气，2,4,5-三甲基噻唑可提供坚果风味[10]。另外，烷烃、烯烃、醚类和其他类化合物的相对含量分别为2.74%～4.13%、2.76%～4.84%、0.43%～2.88%和2.17%～4.71%，样品间无明显变化趋势。在烯烃中，γ-松油烯、β-蒎烯、水芹烯和蒎烯均属于萜类化合物，可提供样品木香和柠檬 香[22]。烷烃在样品风味中阈值较大，对风味贡献较小。

图3 郫县豆瓣酱香气物质相对含量Fig.3 Relative contents of aroma substances in Pixian bean paste samples

2.4 不同炒制时间郫县豆瓣酱的香气化合物指纹图谱

如图4所示，每个化合物的信号越亮，信号强度越强，而信号越暗，信号强度越弱[23-25]。A区的香气化合物浓度在炒制1 min时最高，随着炒制时间的延长其浓度降低，特别是醛类、醇类、酮类、酯类物质和杂环类物质，如(E)-2-戊烯醛、2-甲基-2-戊烯醛、(E)-2-壬醛、5-甲基糠醛、异戊醛、1-辛烯-3-醇、2-己醇、3-甲基-2-丁醇、异丁醇、3-庚烯-2-酮、2-戊酮、异戊酸己酯、甲酸香茅酯、乙酸苄酯、异戊酸乙酯、异丁酸甲酯、丙酸乙酯、乙酸乙酯、2-乙基-5-甲基吡嗪、2,4,5-三甲基噻唑和对甲基苯酚。B区香气化合物的浓度随着炒制时间的延长而增加，特别是醛类、酮类、酯类、萜类物质，如2-甲基丙醛、异戊醛、3-甲基丁醛、2-丁酮、异丁酸异丁酯、丁酸乙酯、乙酸甲酯、蒎烯、水芹烯、己二烯二硫、甲基吡嗪和2,5-二甲基呋喃。C区香气化合物的浓度随着炒制时间的延长呈先增加后减小趋势，在炒制时间为4 min时最大，特别是γ-松油烯、吡啶、乙醇、2-乙基-5-甲基吡嗪、2-乙酰基吡咯、(E)-2-戊烯醛和甲基苯乙酸。D区香气化合物的浓度随着炒制时间的延长而无明显变化，特别是对甲基苯甲醛、(E)-2-庚烯醛、糠醛、柠檬醛、仲辛酮、2-丁酮、γ-丁内酯和甲基吡嗪。

图4 郫县豆瓣酱香气成分指纹谱图Fig.4 Fingerprint of aroma substances in Pixian bean paste

2.5 郫县豆瓣酱的聚类分析

为进一步分析不同炒制时间郫县豆瓣酱香气化合物的差异性，对GC-IMS鉴别出的香气化合物进行聚类分析。如图5所示，当欧式距离为13.8时，不同炒制时间的郫县豆瓣酱可分为3 个聚类。第1类为炒制时间为1 min的郫县豆瓣酱，第2类为炒制时间为2～4 min的郫县豆瓣酱，第3类为炒制时间为5 min的郫县豆瓣酱。

图5 郫县豆瓣酱聚类分析Fig.5 Clustering analysis of Pixian bean paste samples

2.6 不同炒制时间郫县豆瓣酱的香气化合物OPLS-DA

OPLS-DA是一种有监督的判别分析统计方法，能够对数据进行降维，实现复杂实验数据可视化及判别分析与预测[26-27]。为进一步探究不同炒制时间郫县豆瓣酱香气化合物，以鉴别出的97 种香气化合物为因变量，以不同炒制时间的样品为自变量，进行OPLS-DA。如图3a 所示，采用（cum）和（cum）分别表示在X轴和Y轴上对变量的解释能力，Q2（cum）表示模型的预测能力[10]。其中（cum）＝0.849，（cum）＝0.995，（cum）-（cum）＜0.3，表明该模型较为可靠，同时，Q2（cum）＝0.548＞0.5，表明该模型具有一定的预测能力。

OPLS-DA因子载荷图表示香气化合物与不同炒制时间的郫县豆瓣酱样品相关性，即X值和Y值越靠近，其相关性越高[28]。由图6b可知，(E)-2-庚烯醛、5-甲基糠醛、正丁醛、2-甲基四氢呋喃-3-酮、γ-丁内酯、乙酸苄酯、异丁酸甲酯、3-甲基-2-丁醇、2,4,5-三甲基噻唑和己二烯二硫与所有样品相关性较高，表明该类化合物为炒制郫县豆瓣酱的特征性风味物质。

图6 不同炒制时间郫县豆瓣酱香气化合物的OPLS-DAFig.6 OPLS-DA analysis of aroma substances in Pixian bean paste at different stir-frying time

变量投影重要性（variable importance for the projection，VIP）可用于筛选出对郫县豆瓣酱呈味香气轮廓有重要影响的关键标记物[28-29]。由图6c可知，34 种香气化合物的VIP＞1，VIP值越大，差异越显著。34 种香气化合物主要有醛类5 种、酮类8 种、酯类11 种、烷烃1 种、烯烃类3 种、醇类1 种、杂环化合物2 种、醚类1 种和其他2 种，如柠檬醛、(E)-2-壬醛、正丁醛、2-甲基丙醛、仲辛酮、2-庚烯-2-酮、2-戊酮、2-丁酮、3-甲基丁酸丁酯、丙烯酸乙酯、异丁酸异丁酯、乙酸乙酯、乙酸甲酯、乙酸异丙酯、丁酸乙酯、正丙醇、蒎烯、水芹烯、甲基吡嗪、2,4,5-三甲基噻唑、2-乙基-5-甲基吡嗪等。

2.7 郫县豆瓣酱感官评价和香气化合物的相关性分析

为研究感官评价属性与香气化合物之间的关系，采用Pearson相关系数对不同炒制时间郫县豆瓣酱的感官属性与VIP＞1的香气化合物进行相关性分析[30]。如图7所示，焦香、木香和坚果香与大部分香气化合物呈显著负相关，而与仲辛酮、乙酸丙酯、丙烯酸乙酯、异戊酸乙酯、乙酸乙酯、2,4,5-三甲基噻唑、2-乙基-5-甲基吡嗪呈显著负相关（P＜0.05），且与3-庚烯-2-酮、2-戊酮、3-甲基丁酸丁酯、二硫基丙醇和蒎烯呈极显著负相 关（P＜0.01），而与正丁醛、2-甲基丙醛、过氧化乙酰丙酮、异丁酸异丁酯、乙酸甲酯呈显著正相 关（P＜0.05）。辛香与大部分香气化合物呈显著正相关，与仲辛酮、3-庚烯-2-酮、乙酸丙酯、丙烯酸乙酯、乙酸乙酯、二硫基丙醇和2,4,5-三甲基噻唑呈显著正相关（P＜0.05），与2-戊酮、3-甲基丁酸丁酯、二硫基丙醇、蒎烯和2-乙基-5-甲基吡嗪呈极显著正相关（P＜0.01），与正丁醛和2-甲基丙醛显著负相关（P＜0.05）。果香与正丙醇呈显著正相关（P＜0.05，与3-甲基丁酸丁酯呈显著负相关（P＜0.05）。

图7 感官评价和特征香气Pearson相关性Fig.7 Pearson correlation heatmap of sensory evaluation and characteristic aroma components

3 结论

采用描述性感官评价和GC-IMS对不同炒制时间郫县豆瓣酱的香气化合物进行分析。结果表明：郫县豆瓣酱在炒制4 min后表现出最强的果香，在炒制5 min后表现出最强的焦香、木香和坚果香，郫县豆瓣酱的辛香随着炒制时间延长而减弱。由聚类分析可知，郫县豆瓣酱可分为3 个聚类，其中炒制时间为1 min的郫县豆瓣酱为第1类，炒制时间为2～4 min的郫县豆瓣酱为第2类，炒制时间为5 min的郫县豆瓣酱为第3类。在郫县豆瓣中共检测出97 种香气化合物，其中醛类18 种、酮类17 种、酯类22 种、醇类10 种、烷烃类5 种、烯烃类5 种、杂环类10 种、醚类2 种和其他化合物8 种。由OPLS-DA筛选出34 种标志性化合物，主要有柠檬醛、(E)-2-壬醛、正丁醛、2-甲基丙醛、仲辛酮、2-庚烯-2-酮、2-戊酮、2-丁酮、3-甲基丁酸丁酯、丙烯酸乙酯、异丁酸异丁酯、乙酸乙酯、乙酸甲酯、乙酸异丙酯、丁酸乙酯、正丙醇、蒎烯、水芹烯、甲基吡嗪、2,4,5-三甲基噻唑、2-乙基-5-甲基吡嗪等。由Pearson相关性可知，焦香、木香和坚果香与大部分香气化合物呈显著负相关，辛香与大部分香气化合物呈显著正相关。本研究为郫县豆瓣酱的关键风味物质研究提供理论依据以及为相关研究提供方法借鉴。