基于電子鼻和GC-MS技術對市售醬油風味品質的評價

楊成聰，舒娜，張亦舒，付彩霞，趙慧君，郭壯*

(1.湖北文理學院 食品科學與工程學院 鄂西北傳統發酵食品研究所，湖北 襄陽 441053；2.湖北土老憨調味食品股份有限公司，湖北 宜都 443302)

醬油作為家庭必不可少的調味料，是經過微生物發酵大豆和/或脫脂大豆、小麥和/或小麥粉等釀制而成的具有特殊色、香、味的液體調味品[1]。作為我國傳統的發酵食品，醬油不僅具有調味增鮮的作用，其更能賦予食物特殊的香味和特有的色澤[2]。醬油按照其作用可大致分為生抽醬油和老抽醬油，老抽醬油香味更加濃郁，常用于鹵制上色，而生抽醬油一般用于炒菜提鮮[3]。GB/T 18186-2000《釀造醬油》、GB 2717-2003《醬油衛生標準》和GB/T 5009.39-2003《醬油衛生標準的分析方法》均要求醬油應具有濃郁的醬香和酯香氣，但其評價方式均為感官鑒評法。感官鑒評法在一定程度上具有描述模糊，對鑒評人員要求高且受主觀因素影響較大的不足[4]，因而對醬油中的揮發性風味物質進行定量分析是極為必要的。目前針對醬油滋味品質評價[5]、天然醬油與釀造醬油品質比較分析[6]、天然醬油鑒定[7]和醬油抗氧化[8]開展了系列研究，而對生抽醬油和老抽醬油風味品質差異性評價的研究較少。

研究人員多采用電子鼻和氣相色譜-質譜聯用技術(Gas Chromatography-Mass Spectrometry，GC-MS)對食品風味品質進行了評價，具有結果受主觀因素影響小、可信度和重復性高的優點[9]。電子鼻通過金屬傳感器可以實現對不同敏感類型物質的定性和定量分析，目前已在食品品質檢測[10]、風味評價[11]、真偽甄別[12]和特征性香氣識別[13]領域有著廣泛的應用；GC-MS技術可對食品中揮發性風味物質進行定性和定量研究，亦廣泛應用于食品風味評價[14]、游離氨基酸研究[15]、品質判別[16]和農藥殘留[17]等研究領域。

本研究采用電子鼻和GC-MS聯合技術，結合多元統計學分析手段對市售醬油的揮發性風味物質進行了定性和定量分析，甄別了造成生抽醬油和老抽醬油風味品質差異的物質，以期為后續醬油的區分和品質的提升提供數據支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

醬油：16 個品牌33 個品名的生抽醬油和8 個品牌11 個品名的老抽醬油，均為市售；氯化鈉：國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

SYG-4數顯恒溫水浴鍋 常州朗越儀器制造有限公司；JJ224BC分析天平 常熟市雙杰測試儀器廠；PEN3電子鼻 德國Airsense公司；GC-MS-QP2020氣相色譜-質譜聯用儀、HS-20頂空進樣器 日本島津公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 基于電子鼻技術對醬油中敏感類型物質的測定

30 mL醬油樣品稀釋2倍后裝入125 mL GC-MS樣品瓶中，置于60 ℃恒溫水浴鍋中保溫30 min，平衡10 min后采用電子鼻對醬油中的敏感類型物質進行測定，分別由10 個金屬傳感器對不同敏感類型物質進行數據采集。10 個金屬傳感器在測定樣品前會進行95 s的自動清潔，然后進行60 s自動檢測，每秒測定一個響應值，取49，50，51 s時響應值的平均值為對應值。響應值為金屬傳感器測試樣本時產生的電阻值G與測試空氣時的電阻值G0的比值，自動清潔時響應值為1，測定樣品時響應值偏離1的程度越大，則說明金屬傳感器所對應敏感性物質類型濃度越高。

1.3.2 基于GC-MS技術對市售醬油中揮發性風味物質的測定

樣品預處理：取12 mL醬油樣品于20 mL樣品瓶中，加入2 g氯化鈉振蕩至氯化鈉完全溶解，使用帶聚四氟乙烯的鋁帽封口待用。60 ℃預熱振蕩30 min，平衡10 min，進樣口解吸5 min后進入GC-MS分析。

GC測定條件：SH-Rtx-Wax(30 m×2.25 mm×0.25 μm)色譜柱；進樣量為1 μL，進樣方式：分流進樣；分流比為8∶1；載氣為高純氦氣(>99.9999%)和高純氮氣(>99.9999%)；載氣控制方式：線速度36.0 cm/s；柱溫程序：起始溫度30 ℃，保持6 min，以6 ℃/min升到50 ℃，保持6 min，然后以10 ℃/min升到130 ℃，不保持，然后以15 ℃/min升到200 ℃，保持7 min；進樣口溫度180 ℃。

MS測定條件：離子源：EI離子源；離子源溫度：230 ℃；連接口溫度：250 ℃；電子轟擊能量：70 eV；檢測器電壓：相對于調諧結果0.1 kV；m/z范圍：41.00～450 amu；采集方式：Q3 Scan。

定性分析保留指數定性；NIST 14標準質譜庫定性。

定量分析：采用峰面積百分比對樣本中揮發性物質進行相對定量分析。

1.3.3 統計學分析

采用主成分分析(Principal Component Analysis，PCA)、典范對應分析(Canonical Correspondence Analysis，CCA)和多元方差分析(Multivariate Analysis of Variance，MANOVA)對生抽醬油和老抽醬油的風味品質差異進行分析，采用冗余分析(Redundancy Analysis，RDA)和曼-惠特尼檢驗(Mann-Whiney Test)對造成生抽醬油和老抽醬油風味品質差異的關鍵揮發性風味物質進行甄別。

除使用Cannoco 4.5軟件做RDA分析外，其他分析均采用Matlab 2010b軟件。采用Matlab 2010b軟件繪制熱圖，其他圖均采用Origin 8.5軟件繪制。

2 結果與分析

2.1 基于電子鼻技術對生抽醬油和老抽醬油風味品質的差異性分析

基于電子鼻技術對市售醬油風味品質第一主成分(PC1)和第二主成分(PC2)的因子得分圖見圖1。

圖1 基于PCA的生抽醬油和老抽醬油風味品質的PC1和PC2因子得分圖Fig.1 PCA of the flavor quality of light and dark soy sauce samples showing PC1 and PC2 factor scores

由圖1可知，在使用無監督的PCA對33 個生抽醬油樣品和11 個老抽醬油樣品進行空間排布時，雖然兩類樣品在空間排布上有部分重疊，但亦呈現出一定的分離趨勢。本研究進一步采用有監督的CCA對上述結果進行了驗證，基于CCA的生抽醬油和老抽醬油樣品空間排布見圖2。

圖2 基于CCA的生抽醬油和老抽醬油風味品質評價Fig.2 CCA of the flavor quality of light and dark soy sauce samples

由圖2可知，生抽醬油樣品主要分布在第二象限和第三象限，而老抽醬油樣品主要分布在第一象限和第四象限。由此可知，兩類樣品的風味品質存在明顯的差異，經MANOVA發現，兩類醬油風味品質具有顯著性差異(P<0.05)。由此可見，以生抽和老抽為分組依據的確是導致44 個醬油樣品在空間排布上呈現出明顯分離趨勢的原因。各傳感器對生抽醬油和老抽醬油響應值的差異性分析見表1。

表1 各傳感器對生抽醬油和老抽醬油響應值的差異性分析Table 1 Significance analysis of each sensor response of light and dark soy sauce samples

由表1可知，經Mann-Whiney檢驗發現傳感器W5S、W1S、W1W和W2S在生抽醬油樣品中的響應值均顯著高于老抽醬油樣品(P<0.05)，而傳感器W1C、W3C和W5C均呈現出相反的趨勢(P<0.05)。由此可見，老抽醬油中芳香類物質的含量顯著高于生抽醬油，這可能也是老抽醬油用于鹵制增香的原因。值得一提的是，傳感器W6S、W2W和W3S在兩類醬油樣品中的相應值差異均不顯著(P>0.05)。

2.2 基于GC-MS技術對生抽醬油和老抽醬油的風味品質的差異性分析

本研究采用GC-MS技術從44 個醬油樣品中共檢測出88 種揮發性風味物質，其中醇類化合物12 種、醛類化合物10 種、酸類化合物5 種、酯類化合物15種和酮類化合物10 種。生抽醬油和老抽醬油樣品中不同類型揮發性風味物質相對含量的比較分析見圖3。

圖3 生抽醬油和老抽醬油揮發性成分的比較分析Fig.3 Comparative analysis of volatile components in light and dark soy sauce samples

由圖3可知，醛類化合物在生抽和老抽樣品中的相對含量均最高，分別為33.42%和48.32%，其次為醇類化合物，在生抽和老抽樣品中的相對含量分別為29.47%和14.69%。經Mann-Whiney檢驗發現，兩類化合物在生抽醬油和老抽醬油之間的相對含量存在顯著性差異(P<0.05)，而酸類、酯類和酮類化合物在兩類樣品之間差異不顯著(P>0.05)。

本研究進一步對醬油樣品中的平均相對含量大于1.0%的揮發性風味物質進行了統計，結果見圖4。

圖4 生抽醬油和老抽醬油中主要揮發性風味物質相對強度的熱圖Fig.4 Heat map of relative abundance of major volatile flavor compounds in light and dark soy sauce samples

由圖4可知，44 個醬油樣品中相對含量大于1.0%的揮發性風味物質主要包括2-甲基丁醛、異戊醛、異丁醛、乙醇、丙酮、3-甲基-4-氧代戊酸、乙酸乙酯、異戊醇、異丁醇、丁酮、3-丁炔-1-醇、2-甲基-1-丁醇、醋酸和(S)-2-甲基-1-丁醇，其平均相對含量分別為14.21%，13.29%，9.37%，9.16%，8.99%，8.43%，5.50%，5.36%，4.78%，4.19%，3.84%，3.15%，1.60%，1.42%。經Mann-Whiney檢驗發現，乙醇、3-甲基-4-氧代戊酸、異戊醇和異丁醇在生抽醬油中含量顯著偏高(P<0.05)，而異戊醛和醋酸呈現出相反的趨勢(P<0.05)，6種揮發性風味物質相對強度的箱形圖見圖5。

圖5 6種揮發性風味物質相對含量的箱形圖Fig.5 Box plots of the relative abundance of 6 volatile flavor compounds

由圖5可知，異戊醛、乙醇、3-甲基-4-氧代戊酸、異戊醇、異丁醇和醋酸在生抽醬油中的平均含量分別為11.58%，10.89%，10.62%，6.01%，5.66%，0.44%，在老抽醬油中的平均含量分別為18.40%，3.97%，1.88%，3.42%，2.11%，5.07%。本研究進一步采用RDA對導致生抽醬油和老抽醬油風味品質差異的關鍵揮發性風味物質進行了甄別，結果見圖6。

圖6 RDA雙序圖Fig.6 Biplot of the RDA

由圖6可知，異丁醇、異戊醇、乙醇、醋酸、異戊醛和異丁醛6 個關鍵揮發性風味物質與RDA雙序圖約束軸上的樣品賦值良好相關，代表了生抽醬油和老抽醬油風味差異顯著相關的揮發性風味物質。值得一提的是，異丁醇、異戊醇和乙醇3 個揮發性風味物質位于生抽醬油一側，醋酸、異戊醛和異丁醛則位于老抽一側，這表明生抽醬油揮發性風味物質中異丁醇、異戊醇和乙醇的相對含量高于老抽醬油，而醋酸、異戊醛和異丁醛則呈現出相反的趨勢，這與Mann-Whiney檢驗結果一致。

3 結論

采用電子鼻和GC-MS聯合技術對市售醬油的風味品質進行了比較研究，結果發現生抽醬油和老抽醬油的風味品質存在顯著差異，且老抽醬油中芳香類物質的含量顯著高于生抽醬油。醛類和醇類化合物為醬油中主要的揮發性風味物質，乙醇、3-甲基-4-氧代戊酸、異戊醇和異丁醇在生抽醬油中含量顯著偏高，而異戊醛和醋酸呈現出相反的趨勢。