基于GC-IMS技术分析小麦粉储存过程中挥发性物质的变化

许 诺, 呙 琴, 高玉树, 刘小熙, 苏晓萌, 李 辉, 孙艳雯, 闫 飞

(北京市食品检验研究院(北京市食品安全监控和风险评估中心)1,北京 100094)

(北京首农食品集团有限公司2,北京 100102)

(北京市房山粮油贸易有限公司3,北京 100055)

小麦粉作为我国主要成品粮之一,通常不会长期储藏,但是近年来受旱涝灾害影响,为应对突发情况,会储存一定数量作为储备粮,并且从国家粮食战略储备方面来讲,小麦粉的安全储备也具有重大意义。随着存储时间的延长,小麦粉的品质会发生不同程度的变化,挥发性物质种类和含量也随之发生变化,最终导致不良风味的产生[1,2]。小麦粉储藏期风味及品质变化研究,可以为指导储备粮动态轮换提供参考。

以往对小麦粉风味变化的研究测定方法主要是气相色谱(GC)及气相色谱-质谱联用技术(GC-MS),这些方法通常需要与固相微萃取技术(SPME)联用,对于痕量组分的检测,存在灵敏度低、检测成本高等问题[3]。气相色谱-离子迁移谱技术(GC-IMS)作为一种新的联用技术,具备分离度高、灵敏度高等优点[4,5],样品预处理简单甚至无需前处理,在常压下通过气相色谱进行预分离后进入迁移谱检测器进行检测,微量挥发性风味物质在短时间内便可被检测到。GC-IMS技术在粮食储藏条件优化、产地溯源等方面有较多应用[6-9],但关于小麦粉储藏期风味变化的研究仍较少。

在储藏过程中最受关注的是小麦粉食用品质的变化,目前可以通过人工感官品评实验进行量化,此种手段存在一定主观性且品评人员需要经过长时间的培训和练习,利用GC-IMS技术对挥发性风味物质进行分析实现了对小麦粉中的“香”更为直观的分析。研究运用GC-IMS技术快速检测小麦粉中挥发性物质,通过主成分分析PCA和偏最小二乘-判别分析OPLS-DA判别不同储藏时期的小麦粉。同时结合小麦粉储藏时期脂肪酸值和品尝评分值多角度动态分析小麦粉存储中的变化,从而更好地控制储藏条件,更科学地调整储备粮轮换周期。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

小麦粉:产地山东省,等级为GB/T 1355—1986 特制二等,25 kg/袋,总质量大于1 000 t。生产完成后60 d内进行入库储藏,仓房类型为高大平房仓。苯:分析纯;95%乙醇:优级纯;氢氧化钾滴定溶液标准物质。

1.2 主要仪器和设备

FlavourSpec®气相离子迁移谱联用仪,FD115热鼓风循环干燥箱,JXFD7醒发箱,JCXZ面团成型机,BVM食品体积仪。

1.3 实验方法

1.3.1 小麦粉的存储和取样

小麦粉2021年3月入库,储藏地点为北京,储藏时间150 d,在仓房四角和中心放置托盘垛进行码放,每隔30 d倒垛1次。每隔30 d进行倒包和拆包相结合的取样测定,不少于总包数3%,保证样品代表性。仓房控温控湿技术参照DB11/T 1953—2022,同时对仓房内的温度湿度进行记录。

1.3.2 小麦粉质量及储存指标的测定

小麦粉水分含量按GB 5009.3—2016中第一法测定,脂肪酸值按GB/T 5510—2011测定,品尝评分值的测定参照GB/T 20571—2006制作馒头。

表1 馒头感官评价表

1.3.3 小麦粉挥发性有机物的测定

称取2.0 g小麦粉样品置于20 mL顶空瓶中,封口,用于GC-IMS分析。

1.3.4 GC-IMS 检测条件

色谱柱类型:FS-SE-54-CB-1(15 m×0.53 mm,1 μm),柱温60 ℃,采用自动顶空进样,进样体积500 μL,孵育时间20 min,孵育温度60 ℃,进样针温度85 ℃,孵化转速500 r/min,载气/漂移气为N2,分析时间30 min。流速:初始2 mL/min,保持2 min后在10 min内线性增至6 mL/min,在15 min内增至15 mL/min,在20 min内增至100 mL/min,之后再30 min内增至150 mL/min。

1.4 数据处理

使用Flavour Spec仪器配套的分析软件LAV(Laboratory Analytical Viewer)以及GC-IMS Library Search软件内置的NIST 2021数据库和IMS数据库对测定到的挥发性有机物质进行定性分析,运用LAV中Reporter插件构建挥发性有机物质差异图谱,运用Gallery插件生成挥发性有机物质指纹图谱。使用SIMCA 14.1软件进行OPLS-DA、PLSR及模型评价分析。使用Microsoft Excel和SPSS软件对数据进行整理及统计分析。

2 结果与分析

2.1 GC-IMS三维谱图分析

图1为小麦粉在储藏30、150 d的GC-IMS三维谱图。图1中反应离子峰(reaction ion peak, RIP)右侧的每一个点代表一种挥发性物质,可以看出,挥发性有机物种类和浓度都发生了变化,小麦粉储藏30 d与150 d时的三维谱图有明显不同。直接对比图1中黑色圆圈区域可发现,小麦粉储藏30 d时检测到的挥发性有机物信号峰明显比150 d时更多,且该区域内30 d时检测的信号峰响应值更高。这部分挥发性物质在气相色谱上保留时间较低,说明相对分子质量较小的一些成分随储藏时间延长含量呈下降趋势。

图1 不同储藏时间的小麦粉挥发性有机物质的GC-IMS三维图谱

2.2 GC-IMS指纹谱图分析

利用LAV软件内置的NIST数据库和IMS数据库对挥发性有机物进行定性分析,共定性出37种挥发性物质,其中醇类13种、醛类8种、酯类7种、酮类5种、酸类3种、呋喃类化合物1种,定性分析后得到表2。表2中的觉察阈值均是挥发性物质在空气介质中的嗅觉阈值数据[10]。

表2 指纹图谱中特征峰对应的化合物

挥发性化合物的定量分析由IMS计算的峰体积表示,含量分布如图2所示。储藏期间小麦粉样品中挥发性化合物含量最高的均为醇类化合物,占比40%以上,醇类中戊醇、正己醇、丁醇含量较高。其次是醛类化合物,占比30%左右,其中己醛和丁醛含量较高。而酸类和呋喃类化合物占比很少,均在5%以下。小麦粉挥发性物质以醇类和醛类为主,与前人的研究结果一致[11,12]。

图2 不同储藏时间的小麦粉挥发性成分种类和含量

为研究小麦粉在储藏过程中挥发性有机物发生的变化,运用LAV软件中Gallery插件生成指纹图谱,得到图3。指纹图谱中每一个斑点代表一种挥发性有机物,其中点的颜色代表物质的浓度,颜色越深(红)浓度越高,反之越浅浓度越低。横向一行为一个样品中所选挥发性有机物,纵向一列为同一物质在不同样品中的含量。从图3可以看到样品间挥发性有机物含量的差异。

图3 不同储藏时间的小麦粉挥发性有机物质的指纹图谱

在储藏过程中,大部分成分在整个储藏过程中都能检测到,有的成分仅在储藏前期能检测到,而有的成分在初期浓度很低,储藏过程中逐渐增加。根据挥发性有机物的浓度随储存时间增长而产生的变化规律,在图3指纹图谱上划分了A、B及其他3个区域。A区挥发性物质的含量在小麦粉储存过程中呈降低趋势,B区则呈增高趋势,其他区域在储藏过程中未观察到明显变化。

小麦粉挥发性物质变化规律表明,在0～150 d储存过程中,挥发性物质变化可以较为明显的分为3个阶段:0～60 d为第一阶段,这个阶段内小麦粉挥发性有机物的变化较小;60～120 d内为第二阶段,这个阶段小麦粉挥发性有机物变化明显,A区物质明显降低,至120 d时,指纹图谱中异丙醇、丙醇、乙酸乙酯的特征斑点已观查不到,而B区物质含量均明显增大;120～150 d内为第三阶段,这个阶段内B区小麦粉挥发性有机物含量急剧增大。A区的挥发性物质由醛类、醇类、酯类、酸类、酮类组成。其中相对质量分数最高的是醛类,为51%～60%,己醛、正丁醛、异丁醛的含量相对较高。其次是醇类,占比26%～34%,戊醇、2-甲基丙醇的含量相对较高。酯类、酸类、酮类均占比5%以内。B区的挥发性物质由醇类、酯类、醛类、酸类组成。其中相对质量分数最高的是醇类,为36%～47%,(E)-2-己烯-1-醇、2-乙基-1-己醇的含量相对较高。其次是酯类,占比19%～23%,包括己酸异戊酯和γ-丁内酯。醛类为18%～21%,包括(E)-2-辛烯醛和2-庚烯醛。酸类为13%～20%,包括己酸和异戊酸。

小麦粉中醛类挥发性物质较丰富,大多数醛是由不饱和脂肪酸氧化产生的,而醛类的阈值普遍较低,具有特殊气味,例如C4醛具有强烈刺激性气味,C5醛具有青草气味或油蜡气味[13,14]。小麦粉样品检测出的戊醛也是陈米不良气味的主要成分[15]。小麦粉中庚醛含量基本无变化,正丁醛、异丁醛、戊醛、己醛等在第二阶段逐渐减少,2-庚烯醛则增强。张康逸等[16]的研究中也曾报道过己醛、庚醛、(E)-2-辛烯醛是构成青麦脂肪香气的主要挥发性成分。

醇类主要来源于脂肪的氧化分解,大部分醇类无特殊气味且嗅觉阈值较高,对粮食风味贡献不强。不同储藏时间小麦粉样品均检测出正己醇、1-辛烯-3-醇、3-甲基-3-丁烯-1-醇,且含量没有明显变化。小麦粉中醇类物质相对含量较高,其中正己醇已被发现在小麦粉中含量最高[11],而具有蘑菇气味且阈值较低的1-辛烯-3-醇已被证实为许多粮食的特征香气成分[17-19]。

小麦粉中的酮类同样来源于脂质氧化降解,也可由微生物引起。酸酯类挥发物由醇类和脂肪酸缩合而成,通常具有明显香气。酯类香味阈值较高,可能对小麦粉气味贡献不大,但其中的部分化合物是形成杂环化合物的重要中间体物质,对形成小麦粉挥发性成分依然具有重要作用。小麦粉样品中检测到的其他物质,例如杂环化合物2-戊基呋喃,是亚油酸氧化及还原糖降解产物[20],具有蔬菜芳香且阈值相对较低,已有研究证实2-戊基呋喃是构成小麦麦香的关键风味物质之一[21]。

2.3 小麦粉挥发性主成分及其与储存指标相关性分析

2.3.1 挥发性有机物的PCA和OPLS-DA

通过图3指纹图谱中各个特征区域的对比分析可以判别出储存时间不同的小麦粉中存在的风味差异,但仍受限于观察者的主观性,为了更好地实现GC-IMS三维谱图的数字化表达,通过LAV内置PCA插件进行数据降维[22]完成主成分分析,得到图4a。每个主成分的贡献率在轴PC1和PC2后标注,PC1的贡献率为59%,PC2的贡献率为13%,前2个主成分之和为72%,代表了原始数据中大部分的信息。通过二维平面数据点分布情况可直接观察到不同的储存时间形成的差异。

图4 不同储藏时间的小麦粉的PCA和OPLS-DA结果

观察图4a可发现,储存时间0～60 d内,小麦粉信号点分布在第二、三象限且较为集中,当储存时间达到90～120 d时,小麦粉信号点分布在第一、四象限且分布距离均较远,区分已经非常明显,说明在储存期60 d内的小麦粉风味与90 d后的小麦粉样品香气组分具有明显差异,并且在90～150 d储存期间风味变化的区分度十分显著。

依据变量重要性投影,将每个检测出的挥发性有机物对小麦粉储藏期分组的贡献进行量化,得到VIP值。VIP值越大,说明在不同储藏期挥发性有机物差异越显著。通常采用VIP值大于1的标准[24],筛选出14种差异挥发性有机物,分别为苯乙醇、正己醇、2-乙基-1-己醇、2-庚烯醛、乙酸丁酯、3-辛醇、3-甲基丁醛、乙酸己酯、γ-丁内酯、己酸、3-甲基-3-丁烯、1-辛烯-3-醇、(E)-2-己烯-1-醇、2-己酮。

2.3.2 结合小麦粉中水分含量及脂肪酸值分析对挥发性物质变化的影响

观察图5小麦粉水质量分数随储存时间的变化图可发现,在小麦粉样品中水质量分数在11.8%～13.9%范围内变化,0～60 d内变化较小,60 d后逐渐降低。小麦粉在冬季入库,0～90 d储存温度贴近自然存放条件,在90～150 d控制温度在20 ℃以下,储存湿度控制在50%～65%。

图5 小麦粉水质量分数随储存时间的变化

大多数与食品有关的品质变化都遵循零级或一级反应动力学规律[25,26]。通过化学计量手段测定得到小麦粉中脂肪酸值数据结果,将脂肪酸值测定数据与储存时间以线性方程处理,基于零级和一级反应模式进行拟合后的相关系数分别为0.994和0.999,说明脂肪酸值含量变化符合动力学一级反应。绘制小麦粉中脂肪酸值、日增值、反应速率随储存时间的变化图,得到图6。

图6 小麦粉中脂肪酸值随储存时间的变化

小麦粉中的不饱和脂肪酸在存储过程中会发生氧化水解反应,产生游离脂肪酸,小分子的游离酸也具有挥发性。脂质的氧化产生醛酮类小分子挥发性成分,脂质的水解作用会使脂肪酸值增高[27]。因此,小麦粉储藏过程中脂肪酸值与挥发性有机物质含量有非常高的正相关性。观察图6可发现,90 d后反应速率常数k由减小逐渐变为增大。引起这一变化的原因可能是小麦粉储存温度的提高,90 d后储存温度升至20 ℃左右。此外,小麦粉在储存第二和第三阶段(60～150 d)内水质量分数逐渐降低,含水量变低很可能提高自动氧化的速率,具有3个以上双链脂肪酸,如二十碳五烯酸可氧化为庚烯醛等小分子醛类[28],这也与GC-IMS测定结果一致。储藏150 d时,脂肪酸值(以mgKOH/100 g计)升至63.05±1.85,以该反应模型推算,后续一个月脂肪酸值将接近小麦粉标准规定上限80 mgKOH/100 g,因此在储藏期150 d时可以考虑准备小麦粉的出库轮换。

2.3.3 小麦粉品尝评分值与挥发性有机物质相关性

由5名经过培训的感官评价人员根据表2对馒头的各项指标进行打分,对每次评价取平均值。根据评价结果绘制雷达图,得到图7。在0～60 d储存期间,即第一阶段内,馒头评分值总分在78～82分,韧性、黏性在入库0 d时评分值最高,气味、食味30 d时评分最高,而色泽、弹性在60 d时评分最高。这一阶段内评分值区分度不大。在60～120 d即第二阶段内,馒头的气味、食味评分迅速降低。当储藏期150 d时,样品馒头的弹性、黏性评分已小于6分,气味、食味、韧性小于7分,总分降至63分,小麦粉样品已经达到轻度不宜存的程度。以GC-IMS信号值作为表征变量,将样品特征峰体积信号值形成一个矩阵,可通过PLSR建立小麦粉挥发性物质与品尝评分值的预测模型[15]。利用检测出的50个挥发性有机物的峰体积与品尝评分实测值进行线性回归分析,得到的品尝评分值预测值与实测值的相关系数R=0.985,表明基于小麦粉挥发性有机物可以较准确的预测小麦粉品尝评分值。但由于数据较少,建模时使用了全部样品作为校正集,后续需扩大样品数量,对模型进行优化。

图7 不同储存时间小麦粉馒头的感官评价雷达图

对不同储藏时间小麦粉样品的挥发性有机物及储存品质指标进行热图聚类分析后得到图8。经分析可知,0～60 d的样品和90～150 d的样品有明显区别,6个不同储存时间的样品可直接分为2个大组,而90～150 d的样品又可分为90～120 d与150 d2个小组。这与通过指纹图谱变化分的3个阶段是一致的。

注:Y轴为已定性的挥发性有机物、水质量分数、脂肪酸值、品尝评分值,X轴为不同储藏时间的小麦粉样品。

观察图8可发现,从聚类分析上,小麦粉中异戊酸、γ-丁内酯的变化规律与脂肪酸值最为接近,后期可以通过增加样品数量,观察这2种物质是否可以模拟代替脂肪酸值指标来直接预测小麦粉货架期。

3 结论

研究采用GC-IMS技术对小麦粉储藏过程中挥发性有机物质的变化进行分析,共鉴定出37种挥发性物质,包括醇类、醛类、酯类、酮类、酸类和呋喃类化合物。其中醇类物质相对含量最高,醛类和酯类次之。在不经过样品前处理的条件下GC-IMS可快速检测小麦粉中的挥发性有机物,通过主成分分析和偏最小二乘-判别分析可判断小麦粉的储藏期,热图聚类分析也可以明显将储藏前后期的样品分开。利用GC-IMS对小麦粉储藏过程的分析结果与化学计量测定手段和感官评价手段的分析结果一致,为小麦粉储藏期鉴定提供了参考。