基于電子鼻和GC-MS技術對不同地區腌制大頭菜揮發性物質的評價

趙慧君，雷炎，胡事成，張振東，郭壯*

(1.湖北文理學院 食品科學技術學院 鄂西北傳統發酵食品研究所，湖北 襄陽 441053； 2.湖北襄陽孔明菜食品有限公司，湖北 襄陽 441104)

大頭菜是十字花科蕓苔屬芥菜的一個變種，屬于根用蔬菜。新采收的大頭菜辣味和苦味較重，不宜生食，加工成腌制品后味道更佳[1]，在我國許多地方均有加工和食用大頭菜的飲食習慣，但是不同的制作方法造就了不同地區大頭菜各自的風味。玫瑰大頭菜是云南名特產品，產品成熟食用時，色澤油黑光亮，味道芳香脆嫩，咸淡適口回甜，并有濃郁的玫瑰香和醬香氣[2]。襄陽大頭菜是中國國家地理標志產品，采用獨特的“三腌、五鹵、六曬”的獨特工藝歷時18個月腌制而成，具有口感脆嫩、香味濃郁的特點[3]。四川宜賓大頭菜也是中國國家地理標志產品，腌制后色澤金黃、味咸味甘、脆爽適口、香氣撲鼻。揮發性物質是大頭菜風味的一個重要組成部分，然而目前關于不同地區大頭菜揮發性物質評價的研究還很少。

電子鼻(electronic nose，E-nose)作為一種無損的檢測技術，可以避免生理嗅覺的缺陷，利用傳感器陣列對不同揮發性物質的響應值進行測定并結合參數模型來識別物質[4]。氣質聯用法(gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS)可在較短時間內完成多組分混合物的定性和定量分析，具有靈敏度高、定性能力強的優點。在利用電子鼻對揮發性物質有效區分的基礎上，采用GC-MS對不同的揮發性物質成分進行鑒定，目前廣泛應用于食品揮發性物質的檢測，如陳醋、啤酒、蝦醬、蘋果醋、鄒椒辣椒粉、紅花椒、風干牛肉等[5-11]，目前在大頭菜揮發性物質的檢測上也有應用[12]。

本研究采用電子鼻和GC-MS技術對云南玫瑰大頭菜、襄陽大頭菜和四川宜賓大頭菜中的揮發性物質進行了評價和解析，以期為后續大頭菜的產地甄別及揮發性物質的指紋圖譜構建奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

襄陽大頭菜：采集自襄陽609菜市場共6個樣品；云南玫瑰大頭菜：購自淘寶“家鄉堡云南土特產”、“吃在云南”和“彩云花城特產”店鋪共9個樣品；四川宜賓大頭菜：購自淘寶“小饞嘴土特產食品店”、“戎陳坊食品”和“購三江宜賓特產店”店鋪共7個樣品。

1.2 儀器與設備

FOX4000電子鼻法國 Alpha M.O.S公司；GCMS-QP2020氣相色譜-質譜聯用儀 島津企業管理(中國)有限公司。

1.3 電子鼻及GC-MS分析測試條件

電子鼻及GC-MS分析測試條件見參照文獻[12]。

1.4 數據處理

利用電子鼻自帶軟件Alpha Soft V11進行傳感器信號強度處理，基于數據矩陣進行PCA、CCA、CA和多元方差分析。利用Kruskal-Wallis檢測各傳感器對不同地區大頭菜響應值的差異性分析。除雷達圖使用Excel 2016軟件繪制外，其他圖均使用Origin軟件繪制。

2 結果與分析

2.1 電子鼻各傳感器對不同地區腌制大頭菜響應值分析

每個傳感器每秒產生的響應值均有不同，選擇各傳感器最大響應值進行數據處理與分析，各傳感器對不同地區大頭菜響應值的差異性分析見表1。

表1 傳感器對不同地區大頭菜響應值的差異性分析Table 1 Difference analysis of each sensor on response value of mustard roots from different regions

注：同行數字肩標字母不同表示差異顯著(p<0.05)。

由表1可知，W1C、W3C和W5C金屬傳感器對襄陽和宜賓地區大頭菜的響應值顯著高于云南玫瑰大頭菜(p<0.05)；W1S、W2S、W5S金屬傳感器對云南玫瑰大頭菜的響應值顯著高于襄陽地區大頭菜(p<0.05)，而W3S金屬傳感器對3個地區大頭菜的響應值沒有統計學上的差別(p>0.05)；W1W金屬傳感器對云南玫瑰大頭菜和宜賓大頭菜的響應值顯著高于襄陽大頭菜(p<0.05)，W2W金屬傳感器對宜賓大頭菜的響應值高于襄陽大頭菜(p<0.05)。綜上所述，襄陽大頭菜的風味品質最優，其次為宜賓大頭菜和云南玫瑰大頭菜。

為了進一步分析3個地區揮發性物質的相似性，用雷達圖進行了分析，見圖1。

圖1 不同地區大頭菜電子鼻響應值的雷達圖Fig.1 Radar map of electronic nose response value of mustard roots from different regions

由圖1可知，襄陽大頭菜、宜賓大頭菜和云南玫瑰大頭菜對電子鼻不同傳感器的響應值之間差異都很大，相對來說，襄陽大頭菜和云南玫瑰大頭菜的差異相對小些。

2.2 3個地區大頭菜電子鼻的主成分分析

揮發性氣味是一種綜合的感覺，從單一的金屬傳感器去分析不夠全面，基于這種考慮進行了PCA分析，基于電子鼻技術對3個地區大頭菜揮發性物質第一主成分(PC1)和第二主成分(PC2)的因子得分圖見圖2。

圖2 基于主成分分析的因子荷載圖Fig.2 Factor loading diagram based on PCA

由圖2可知，PC1和PC2的因子得分達到92.77%，可以反映原始數據的全部信息。

本研究進一步用典范對應分析對3個地區揮發性物質進行了評價，見圖3。

圖3 基于主成分分析的因子得分圖Fig.3 Factor scoring diagram based on PCA

由圖3可知，云南玫瑰大頭菜主要分布在第三和第四象限，襄陽大頭菜主要分布在第二、第三和第四象限，宜賓大頭菜主要分布在第一和第二象限，3個地區大頭菜揮發性物質雖然有重疊，但是整體呈現分散趨勢，進一步說明不同地區的大頭菜揮發性物質存在著差異。

本研究進一步基于馬氏距離的聚類對3個地區大頭菜的揮發性物質進行了分析，結果見圖4。

圖4 不同地區大頭菜風味品質的聚類分析Fig.4 Cluster analysis of the flavor quality of mustard roots from different regions

注：“*”表示p<0.05，“***”表示p<0.001。

由圖4可知，云南玫瑰大頭菜與襄陽大頭菜形成一個聚類，進而兩者與宜賓大頭菜形成第二個聚類。這也驗證了雷達圖所反映的云南與襄陽大頭菜揮發性物質差異較小，這兩者與宜賓大頭菜揮發性物質差距較大的結論。采用MANOVA對3個地區大頭菜的揮發性物質進行了顯著性分析，發現云南玫瑰大頭菜與襄陽大頭菜差異顯著(p<0.05)，兩者與宜賓大頭菜的差異均達到了極顯著(p<0.01)。

2.3 基于GC-MS技術分析3個地區大頭菜的揮發性物質

利用GC-MS對云南玫瑰大頭菜、襄陽大頭菜和宜賓大頭菜中的揮發性物質進行定性檢測，共檢測到82種揮發性物質，對其相對含量超過1%的進行統計，見圖5。

圖5 大頭菜各揮發性物質相對強度值的箱形圖(n=22)Fig.5 The box plot of relative intensity of volatile compounds in mustard roots (n=22)

由圖5可知，異戊醛、二甲基二硫醚、2-甲基丁醛、己醛、異丁醛、異戊醇、丙酮和異丁醇為3個地區大頭菜中主要的揮發性物質。其中異戊醛在不同樣品中差異性最大，其次為二甲基二硫醚，差異性最小的為異丁醇。利用GC-MS從云南玫瑰大頭菜、襄陽大頭菜和宜賓大頭菜中共定性檢測出82種揮發性物質，其中酮類5種，占3.68%；醇類12種，占14.84%；硫醚類4種，占19.63%；醛類7種，占31.96%；酯類10種，占3.09%；烯烴類24種，占15.38%；烷類8種，占6.48%；酸類3種，占2.79%；其他9種，占2.12%。云南玫瑰大頭菜檢測出23種，襄陽大頭菜檢測出25種，四川宜賓大頭菜檢測出65種，相對含量見表2。由表2可知，相對含量超過1%的揮發性物質中，異戊醛(16.13%)、2-甲基丁醛(7.28%)、異丁醛(6.82%)和丙酮(2.22%)主要集中在云南玫瑰大頭菜和襄陽大頭菜中，宜賓大頭菜中的含量很少；己醛(1.43%)、異丁醇(2.08%)、異戊醇在襄陽大頭菜中相對含量高，在云南玫瑰大頭菜和宜賓大頭菜中含量很低；二甲基二硫醚(8.97%)在云南玫瑰大頭菜中含量高，在襄陽大頭菜和宜賓大頭菜中含量低。云南玫瑰大頭菜中特有的主要揮發性物質為甲基三硫醚和甲基四硫醚；襄陽大頭菜中特有的揮發性物質含量和占比均很少；宜賓大頭菜中特有的揮發性物質種類最多，但含量均不高，主要為側柏酮、α-松柏醇、2-甲基-5-異丙基-二環[3.1.0]己烷-2-醇、己酸乙酯、α-水芹烯、α-蒎烯、β-蒎烯、水合檜烯、β-月桂烯、3-蒈烯、α-松油烯、羅勒烯、松油烯、石竹烯等。云南玫瑰大頭菜中主要的揮發性物質為異戊醛、2-甲基丁醛、丙酮、甲基三硫醚和甲基四硫醚；襄陽大頭菜中主要的揮發性物質為異戊醛、2-甲基丁醛、異丁醛、丙酮、己醛和異丁醛；宜賓大頭菜中主要的揮發性物質為烯烴類物質。

表2 大頭菜中揮發性物質及其相對含量Table 2 Volatile compounds and their relative content in mustard roots

續 表

續 表

3 結論

采用電子鼻對云南玫瑰大頭菜、襄陽大頭菜和四川宜賓大頭菜的揮發性物質進行了研究，研究發現襄陽大頭菜和云南玫瑰大頭菜在風味上比較相似，與四川宜賓大頭菜相差較遠。經GC-MS分析，發現結果與電子鼻結果一致，襄陽大頭菜和云南玫瑰大頭菜的揮發性物質相似度較高，與四川宜賓大頭菜主要的揮發性物質有很大的區別。3種大頭菜用料均為芥菜，揮發性物質的區別與3種大頭菜的制作工藝有關，云南玫瑰大頭菜為醬菜，襄陽大頭菜為腌菜，四川宜賓大頭菜同樣為腌菜，但是腌制時間較短且加入花椒、辣椒、油脂之類的調味品，造成了與其他兩種大頭菜風味的差異。