紅糖揮發(fā)性成分中關(guān)鍵香氣成分分析及綜合評(píng)價(jià)

楊婷，王智能，楊柳，應(yīng)雄美，尚試雄，崔杰，沈石妍

(云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所 云南省甘蔗遺傳改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 開(kāi)遠(yuǎn) 661699)

紅糖是以甘蔗為原料，經(jīng)過(guò)榨汁、澄清、蒸發(fā)濃縮得到的一種有營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的產(chǎn)品[1]，屬于非分蜜糖，因未經(jīng)過(guò)高度精煉，幾乎保留了甘蔗中全部的營(yíng)養(yǎng)成分，如：多種礦物質(zhì)、維生素、氨基酸、蛋白質(zhì)、多酚類化合物等有益于人體健康的成分，在抗氧化、抗毒性、保護(hù)細(xì)胞等方面發(fā)揮著積極作用[2-4]。

紅糖香氣是消費(fèi)者評(píng)判紅糖品質(zhì)最直接的感官感受，不同的紅糖產(chǎn)品所呈現(xiàn)的香氣具有較大的差異[5-6]，紅糖香氣成為決定紅糖品質(zhì)的重要因素之一。隨著消費(fèi)者對(duì)紅糖香氣品質(zhì)的關(guān)注，科研工作者對(duì)紅糖的香氣成分開(kāi)展了研究，黃蘇婷等[7-8]對(duì)比了固相微萃取(SPME)和同時(shí)蒸餾萃取(SDE)兩種提取方法，結(jié)合氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)檢測(cè)方法，SPME和SDE分別檢測(cè)出47，37種香氣物質(zhì)。García等[9]利用SDE-GC-MS分析紅糖香氣，發(fā)現(xiàn)2-甲基吡嗪、2,5-二甲基吡嗪、糠醛、丙酸、2-甲基丙酸和2-呋喃甲醇為主要香氣物質(zhì)。Asikin等[10]對(duì)8種紅糖進(jìn)行香氣成分分析，主要香氣成分為乙醛、乙醇、乙酸丁酸、2,5-二甲基吡嗪和2,6-二甲基吡嗪。盡管現(xiàn)有研究大概指出了紅糖香氣成分的總體組成情況，但并非紅糖中所有的香氣成分都能產(chǎn)生香氣，香氣成分實(shí)際貢獻(xiàn)與它們的閾值和濃度相關(guān)，為了揭示決定紅糖香氣品質(zhì)的關(guān)鍵香氣成分，本研究選取了15個(gè)紅糖樣品為研究對(duì)象，采用HS-SPME-GC-MS分析檢測(cè)技術(shù)研究紅糖的香氣組成成分，結(jié)合各成分的閾值，計(jì)算ROAV值，研究出紅糖香氣的關(guān)鍵香氣成分，利用主成分分析法研究，并采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法建立香氣綜合評(píng)價(jià)模型，以期為紅糖香氣品質(zhì)提供判定依據(jù)，為紅糖質(zhì)量評(píng)估及深入探索提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

15個(gè)紅糖樣品通過(guò)合作企業(yè)及電商平臺(tái)采購(gòu)得到，樣品信息見(jiàn)圖1，置于密封袋內(nèi)在室溫下保存。

圖1 紅糖樣品信息

1.2 儀器與設(shè)備

Trace 1310/ISQ 7000氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀 美國(guó)ThermoFisher Scientific公司；CAR/PDMS碳分子篩/聚二甲基硅氧烷萃取頭(75 μm) 美國(guó)Supelco公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 樣品前處理

準(zhǔn)確稱取3 g紅糖樣品置于20 mL頂空瓶中，插入經(jīng)老化的萃取頭，60 ℃水浴萃取50 min后GC-MS檢測(cè)。

1.3.2 氣相色譜-質(zhì)譜分析

1.3.2.1 色譜條件

進(jìn)樣口250 ℃解吸5 min，不分流進(jìn)樣，載氣He，流量1 mL/min；程序升溫：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 質(zhì)譜條件

傳輸線溫度260 ℃，離子源溫度250 ℃，EI源，電離電壓70 eV，掃描范圍30～450 amu。

1.3.2.3 揮發(fā)性物質(zhì)的定性

利用NIST標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜庫(kù)對(duì)GC-MS得到的揮發(fā)性成分總離子流色譜圖進(jìn)行檢索和人工解析，以各香氣組分的峰面積占總峰面積的比值表示組分的相對(duì)含量。

1.3.3 基于ROAV分析的主體揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)評(píng)定

相對(duì)氣味活度值(ROAV)[11-12]是指某一香氣物質(zhì)相對(duì)含量與該物質(zhì)的呈香閾值的比值，以比值評(píng)價(jià)該香氣成分對(duì)整體香氣的貢獻(xiàn)率[13]。采用相對(duì)氣味活度值評(píng)價(jià)各揮發(fā)性組分對(duì)樣品總體風(fēng)味的貢獻(xiàn)，在各揮發(fā)性香氣組分相對(duì)含量的基礎(chǔ)上，根據(jù)參考文獻(xiàn)報(bào)道的各組分的香氣閾值，按以下公式計(jì)算各組分的ROAV值：

式中：Ci和Ti分別為紅糖中各組分的相對(duì)含量(%)和香氣閾值(mg/kg)；Cmax和Tmax分別為對(duì)紅糖總體風(fēng)味貢獻(xiàn)最大的組分的相對(duì)含量(%)和香氣閾值(mg/kg)。

定義最大貢獻(xiàn)組分的ROAVmax=100，ROAV≥1,表示該物質(zhì)為紅糖的關(guān)鍵風(fēng)味成分，且值越大表示該物質(zhì)對(duì)整體風(fēng)味貢獻(xiàn)越大；0.1≤ROAV<1說(shuō)明該物質(zhì)對(duì)整體風(fēng)味有修飾作用。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用 Microsoft Office Excel 2016對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行基本處理，使用SPSS 22.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 紅糖香氣成分的HS-SPME-GC-MS分析

由表1可知，15個(gè)紅糖樣品中共鑒定出67種揮發(fā)性化合物，可分為醛類、吡嗪類、酮類、醇類、酸類、酯類以及其他化合物。其中酸類化合物種類最多(18種)，醛類10種，吡嗪類7種，酮類8種，醇類10種，酚類最少(3種)，酯類次之(5種)，其他類化合物6種。不同紅糖產(chǎn)品揮發(fā)性物質(zhì)數(shù)量和相對(duì)含量存在差異，共有物質(zhì)21種，包括苯甲醛、5-甲基呋喃醛、2,5-二甲基吡嗪、4-環(huán)戊烯-1,3-二酮、2(5H)-呋喃酮、甲基環(huán)戊烯醇酮、丙酮醇、糠醇、5-甲基-2-呋喃甲醇、(-)-異雪松醇、乙酸、丙酸、丁酸、異戊酸、異辛酸、正己酸、壬酸、苯甲酸、(-)-泛酰內(nèi)酯、松三糖、3-乙酰基吡咯。其中乙酸、3-乙酰基吡咯、糠醇、丙酸相對(duì)含量較高。

表1 不同紅糖揮發(fā)性香氣組分及相對(duì)含量

15個(gè)紅糖樣品中，酸類物質(zhì)相對(duì)含量最高，含量在10.89%～76.41%之間，其中乙酸相對(duì)含量最高，但其閾值較大，對(duì)整體貢獻(xiàn)較小。吡嗪類物質(zhì)相對(duì)含量次于酸類，含量在0.71%～55.21%之間，其中2,5-二甲基吡嗪、2,6-二甲基吡嗪相對(duì)含量較高，且閾值較低，對(duì)整體香氣的影響超過(guò)酸類化合物。15個(gè)紅糖產(chǎn)品中，醇類物質(zhì)相對(duì)含量次于吡嗪類，含量在2.74%～16.55%之間，其中糠醇相對(duì)含量較高，且閾值極低，對(duì)整體風(fēng)味影響較大。

2.2 紅糖香氣成分的ROAV分析

目前已報(bào)道的揮發(fā)性呈香物質(zhì)有10000多種，但并不是所有香氣化合物都對(duì)食物香氣有貢獻(xiàn)，研究發(fā)現(xiàn)僅有很少一部分香氣成分能夠?qū)κ澄镎w香氣起到主要貢獻(xiàn)作用，還有一部分對(duì)整體有輔助貢獻(xiàn)作用[14]，香氣成分實(shí)際貢獻(xiàn)與其閾值和濃度相關(guān)，可見(jiàn)僅僅基于紅糖香氣組分的含量并不能說(shuō)明其實(shí)際的貢獻(xiàn)度，需要通過(guò)計(jì)算ROAV來(lái)進(jìn)一步判斷。

由表2可知，通過(guò)相應(yīng)物質(zhì)的感覺(jué)閾值及其氣味描述[15-18]，計(jì)算ROAV，D-(-)-泛酰內(nèi)酯、糠醇在15種紅糖中均檢測(cè)到，其中糠醇是一種具有溫和的油膩、燒焦氣味的揮發(fā)性香氣物質(zhì)，其閾值很低(0.0123 mg/kg)，相對(duì)含量高，氣味活度值較高，推測(cè)其對(duì)紅糖香氣具有關(guān)鍵的貢獻(xiàn)作用。D-(-)-泛酰內(nèi)酯閾值極低(0.0006 mg/kg)，具有最高的ROAV，對(duì)紅糖香氣有重要貢獻(xiàn)作用。綜上所述，二者可能是紅糖香氣共有的特征呈香物質(zhì)。

表2 紅糖香氣成分閾值及香味描述

異戊醛、正辛醛、壬醛、反-2-辛烯醛、2-甲基吡嗪、3-羥基-2-丁酮、1-辛烯-3-酮、1-辛烯-3-醇、愈創(chuàng)木酚具有極低的閾值，但由于不同紅糖產(chǎn)品之間相對(duì)含量存在差異，且部分紅糖產(chǎn)品中并未檢測(cè)到該物質(zhì)含量，對(duì)紅糖香氣貢獻(xiàn)存在差異。具有蘋果香的異戊醛，除了在8，9，10，13號(hào)樣品未檢測(cè)到，其余11種紅糖產(chǎn)品中異戊醛的ROAV均大于1，對(duì)香氣起到重要貢獻(xiàn)作用；正辛醛對(duì)6，7，8，11，14，15號(hào)樣品香氣有重要貢獻(xiàn)；壬醛對(duì)5，6，7，8，10，15號(hào)樣品香氣起到重要貢獻(xiàn)；反-2-辛烯醛對(duì)4，6，7，10，11，13，14，15號(hào)樣品香氣有重要貢獻(xiàn)，正辛醛和反-2-辛烯醛賦予紅糖獨(dú)特的青草香和油脂味；具有堅(jiān)果香的2-甲基吡嗪僅對(duì)1，2，14號(hào)樣品香氣有重要貢獻(xiàn)作用；3-羥基-2-丁酮對(duì)1，2，3，5，9號(hào)樣品整體香氣起到重要貢獻(xiàn)作用，賦予其獨(dú)特的奶香味；1-辛烯-3-酮、1-辛烯-3-醇為紅糖香氣提供了獨(dú)特的蘑菇香味；7，11，13號(hào)樣品未檢測(cè)到愈創(chuàng)木酚含量，3，8，10號(hào)樣品愈創(chuàng)木酚的ROAV<1，對(duì)這3個(gè)樣品整體香氣起到修飾作用，愈創(chuàng)木酚對(duì)其余紅糖樣品整體香氣均有重要貢獻(xiàn)作用(ROAV>1)，賦予樣品獨(dú)特的熏香和辛香味。

吡嗪類是典型的美拉德反應(yīng)產(chǎn)物，2,5-二甲基吡嗪、2,6-二甲基吡嗪相對(duì)含量存在差異，在不同紅糖樣品中起到的貢獻(xiàn)不同，2,5-二甲基吡嗪僅對(duì)14號(hào)樣品香氣有重要貢獻(xiàn)作用，對(duì)其余樣品均起到修飾作用；2,6-二甲基吡嗪對(duì)2，6，14號(hào)樣品香氣有重要貢獻(xiàn)作用。據(jù)報(bào)道，酸類也是紅糖香氣的主要組分，丁酸對(duì)3，10，12，13號(hào)樣品香氣有重要貢獻(xiàn)作用；異戊酸對(duì)1，13號(hào)樣品香氣有重要貢獻(xiàn)作用；5，10，11號(hào)樣品未檢測(cè)到4-甲基戊酸含量，除對(duì)7，8，15號(hào)樣品香氣起到修飾作用外，對(duì)其他樣品香氣均有重要貢獻(xiàn)作用。

具有堅(jiān)果味的苯甲醛和具有焦糖、堅(jiān)果香的甲基環(huán)戊烯醇酮對(duì)所有紅糖樣品整體香氣有修飾作用。除此之外，還有一些物質(zhì)對(duì)紅糖整體香氣有修飾作用，如：2,4-二叔丁基苯酚、2-乙酰基呋喃。

表3 紅糖香氣成分的ROAV

2.3 紅糖關(guān)鍵香氣成分PCA分析

對(duì)15個(gè)紅糖香氣有主要貢獻(xiàn)的揮發(fā)性物質(zhì)的ROAV進(jìn)行主成分分析。由表4可知，前4個(gè)公因子解釋的累計(jì)方差達(dá)86.907%，且特征值大于1，表明前四個(gè)主成分基本包含了紅糖揮發(fā)性物質(zhì)的絕大部分信息，可用于進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)；第1主成分的貢獻(xiàn)率為43.339%，決定第1主成分的主要是1-辛烯-3-酮、D-(-)-泛酰內(nèi)酯、反-2-辛烯醛、1-辛烯-3-醇；第2主成分的貢獻(xiàn)率為16.636%，決定第2主成分的主要是2-甲基吡嗪、愈創(chuàng)木酚、壬醛；第3主成分的貢獻(xiàn)率為14.834%，決定第3主成分的主要是異戊醛、3-羥基-2-丁酮；第4主成分的貢獻(xiàn)率為12.098%，決定第4主成分的主要是糠醇。

表4 主成分分析成分得分系數(shù)、特征值、方差貢獻(xiàn)率及累計(jì)方差貢獻(xiàn)率

根據(jù)表4構(gòu)建各主成分得分與各揮發(fā)性物質(zhì)間的線性關(guān)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，F(xiàn)1、F2、F3、F4分別代表第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，為研究各紅糖的香氣質(zhì)量，對(duì)4個(gè)公因子的得分進(jìn)行加權(quán)求和，權(quán)數(shù)為公因子對(duì)應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率，利用綜合評(píng)價(jià)函數(shù)：

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

其中，zFi表示各樣品的綜合得分。根據(jù)不同主成分綜合得分(見(jiàn)表5)，紅糖香氣品質(zhì)從高到低綜合排名依次為樣品11號(hào)、樣品10號(hào)、樣品5號(hào)、樣品8號(hào)、樣品4號(hào)、樣品15號(hào)、樣品6號(hào)、樣品7號(hào)、樣品9號(hào)、樣品12號(hào)、樣品3號(hào)、樣品14號(hào)、樣品1號(hào)、樣品2號(hào)、樣品13號(hào)。

表5 紅糖香氣質(zhì)量評(píng)價(jià)表

3 結(jié)論

本文采用HS-SPME-GC-MS技術(shù)分析紅糖揮發(fā)性成分的組成和相對(duì)含量情況，在15個(gè)紅糖樣品中共鑒定出8類，共67種揮發(fā)性化合物，結(jié)果表明，紅糖揮發(fā)性成分中含有豐富的醛類、吡嗪類、酮類、醇類、酸類、酯類、酚類及其他化合物，其中乙酸、3-乙酰基吡咯、糠醇、丙酸是紅糖相對(duì)含量豐富的化合物。

通過(guò)計(jì)算ROAV，紅糖中揮發(fā)性成分關(guān)鍵香氣物質(zhì)主要是：D-(-)-泛酰內(nèi)酯、糠醇、異戊醛、正辛醛、壬醛、反-2-辛烯醛、2-甲基吡嗪、3-羥基-2-丁酮、1-辛烯-3-酮、1-辛烯-3-醇、愈創(chuàng)木酚；ROAV值越大表示該物質(zhì)對(duì)整體風(fēng)味貢獻(xiàn)越大，因此糠醇、D-(-)-泛酰內(nèi)酯對(duì)紅糖香氣具有關(guān)鍵的貢獻(xiàn)作用。利用PCA對(duì)紅糖香氣質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，通過(guò)綜合評(píng)價(jià)模型對(duì)紅糖香氣品質(zhì)從高到低綜合排名，前三名依次為樣品11號(hào)、樣品10號(hào)、樣品5號(hào)，此研究結(jié)果決定了紅糖關(guān)鍵香氣成分，為紅糖香氣質(zhì)量評(píng)價(jià)提供了新的模式，為紅糖香氣深入研究提供了依據(jù)。