不同儲藏條件下玉米揮發性成分研究

錢佳成,宋 偉

(南京財經大學食品科學與工程學院,江蘇省現代糧食流通與安全協同創新中心, 江蘇高校糧油質量安全控制及深加工重點實驗室,南京 210023)

玉米是我國三大儲備糧之一,種植面積在中國布局廣泛,主要分布在東北、華北和西南地區,形成一個從東北到西南的狹長玉米種植帶,這一帶狀區域集中了中國85%的玉米種植面積和90%產量[1]。其中吉林、河北、山東的種植面積均占全國的10%以上,是玉米播種面積最大的省份,南北方玉米因為品種和地理氣候原因的差異而需要不同的適宜儲藏條件[2]。

電子鼻和頂空固相微萃取-氣質聯用分析技術(SPME/GC-MS)通常用于糧油無損檢測[3]和快速檢測中[4]以代替以往的人工操作檢測,具有高效快捷的優點。檢測各種樣品揮發性物質并找出特征性揮發物來檢測樣品儲存狀態是一個熱點[5]。程媛等[6]對不同殺菌條件下的甜玉米揮發性成分進行分析,提出D-檸檬烯、月桂烯是生鮮玉米汁的主要揮發性物質,具有清淡香氣和什錦果香且含量隨著熱殺菌強度增加而降低;同時檢測出的二甲基硫醚是標志性成分,其具有甜玉米清香。崔麗靜等[7]采用對良好和霉變的兩種玉米樣品的分析檢測,建立了電子鼻對霉變與正常樣品的識別模式。張婷婷等[8]利用電子鼻技術建立甜玉米種子活力快速檢測方法,并結合主成分分析、線性判別和支持向量機等方法建立了種子活力的定性定量分析模型。張紅梅等[9]將10個傳感器對6種不同品質玉米的響應進行方差分析,發現除去3個冗雜信號,其余信號值的主成分分析能將不同品質的玉米很好地區分開來。Alessandra等[10]檢測意大利香米隨各儲藏期間蒸煮香味的變化判斷儲存情況。國內外各實驗為探索玉米快速檢測方法提供了重要參考依據。然而基于現有實驗,少有對倉儲狀態下玉米儲藏品質變化的研究,尤其是細分到玉米安全水分上下,輔以氣調控溫條件下實驗室模擬儲藏,且在對于各儲藏條件下的玉米揮發物質的響應變化這一方面研究不足。

本實驗模擬不同倉儲條件,通過電子鼻檢測[11-13]和GC-MS對玉米揮發性物質進行研究[14-18],分析同一樣品不同儲藏周期下和不同樣品之間揮發物質的變化和區別,找到各條件下玉米的特征揮發物,參照常規條件下儲存的玉米,比較溫度、氧氣濃度和初始水分對玉米儲藏的影響,來判斷玉米儲藏狀態,為玉米氣味篩選提供數據支撐和了解不同儲藏期玉米氣味變化,為我國玉米儲藏提供較為全面的儲藏條件分析和質量變化依據,以提高控溫、氣調儲藏技術的經濟性和實用性。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

玉米 君悅288品種,2018年東北產,初始水分16%。經過篩選、除雜。

α-FOX3000型氣味指紋分析儀(電子鼻) 法國Alpha MOS公司;GC(7890A)-MS(5975C)氣質聯用分析儀 美國安捷倫公司;50/30 μm DVB/CAR/PDMS固相微萃取頭 美國supelco公司;HWS型恒溫恒濕箱 寧波東南儀器制造廠;HH-4恒溫水浴鍋 國華電器有限公司;盒式氣調包裝機 上海譚鑫包裝有限公司。

表1 電子鼻傳感器氣體檢測范圍Table 1 Gas detection range of electronic nose sensor

1.2 實驗方法

1.2.1 玉米儲藏處理 新收初始水分16%的玉米分四份分別自然晾曬至水分含量12%、13%、14%、15%四個水分梯度,水分偏低的則通過水壺噴霧加濕,再置于中4 ℃冰柜中冷藏平衡水分兩周至水分恒定達標。

以12%水分玉米為例,調整好水分后,稱取200 g為一份,取96份,分別裝入密封盒中。用氣調包裝機設置密封盒內氧氣氮氣比例,24盒為一組,共4組,將4組密封盒氧氣濃度分別調為2%、5%、8%、21%后減壓充氮,其中一組再分置于溫度為15、20、25、30 ℃的人工氣候箱中模擬儲藏,每個溫度下6份。三因素四水平下,共64個儲藏條件,每月實驗各條件下取一盒共64個樣,為期6個月實驗于18年10月至19年4月進行,實驗量可供4次平行。

為簡潔說明,文中選取部分樣品實驗條件按照水分含量-氧氣濃度-儲藏溫度-儲藏月份來表示(如12-21-25-1)。另頂空固相微萃取-氣質聯用檢測實驗中挑選的10個樣品在得分圖中另行列表編號以便作圖區分。

1.2.2 玉米水分含量測定 GB 5009.3-2016直接干燥法。

1.2.3 電子鼻測定 參照Song等[19]方案,稱取3 g玉米樣品置于20 mL頂空抽樣瓶中,參數:載氣為干燥空氣,流速150 mL/min;產生溫度70 ℃,獲得時間480 s,保留時間120 s。每個樣品做3組平行。

實驗對不同儲藏條件下玉米進行脂肪酸核磁氣質等檢測,本文為揮發物質研究,篇幅作圖清晰度原因,電子鼻選取水分溫度敏感條件下12-21-30、13-21-30、14-21-30、15-21-30、15-21-25、15-21-20、15-21-15七個樣品。

1.2.4 GC-MS測定 參照崔麗靜等[20]方案修改,稱取30.00 g玉米樣品置于頂空樣品瓶中,用錫紙包裹住瓶口后蓋塞密閉。在80 ℃水浴鍋中加熱萃取50 min,采用DVB/CAR/PDMS纖維,萃取后,將纖維注入GC-MS進樣口(250 ℃不分流模式)在進氣口停留5 min;氣相色譜條件為HP-5MS毛細管柱(30 m×0.25 mm,0.25 μm);載氣為氦氣,設定流速1.0 mL/min;程序升溫:柱溫60 ℃,保持4 min;以5 ℃/min升溫至200 ℃,保持5 min,再以10 ℃/min升溫至240 ℃,保持5 min;進樣口溫度250 ℃。

質譜條件:接口溫度250 ℃,離子源EI,離子源溫度200 ℃,電子能量70 eV,掃描范圍(m/z):30～505,運用全掃描采集模式。

因篇幅原因,GC-MS結果呈現10個樣品的結果;為體現水分氧氣濃度溫度三個條件對揮發物的影響,選取不同水分1,2,8,10號樣品,不同氧氣濃度3,4,5,7號樣品,不同儲藏溫度6,7,8,9號樣品:

1.3 數據處理

GC-MS檢測樣品中未知揮發性成分定性分析與NIST08數據庫匹配,篩選記錄匹配度大于90(最大值為100)的物質,去除柱流失物質(聚甲基硅氧烷化合物)。定量分析按峰面積歸一化法進行,求得各揮發性成分的相對百分含量。再利用SPSS2017和ORIGIN2018軟件進行成分刪選分析并作樣品得分與物質載荷圖比較特征揮發物。

2 結果與分析

2.1 電子鼻檢測

選取玉米單一水分變量(30 ℃高溫常壓下)和單一儲藏溫度變量(高水分15%常壓下)變化較明顯的7個樣品分析電子鼻檢測雷達圖。

由圖1可知,各樣品對傳感器T30/1、P10/1、P40/1、PA/2的響應值均有明顯區別。水分含量小于15%時,T30/1、PA/2的響應值隨儲藏時間推移而減小[21],高溫高水分樣品對P10/2的響應值變化比對低溫低水分樣品更敏感。

圖1 不同儲藏條件下玉米電子鼻檢測雷達圖(1～6個月)Fig.1 Radar diagram of corn electronic nose detection under different storage conditions(1～6 months)

在圖2主成分分析中,PC1和PC2貢獻率和達到90.38%,可以體現主成分的數據。15-21-20樣品在6個月中的儲藏期間內分布于四個象限中,得到明顯的區分。前3個月和后3個月分布于Y軸左右兩側,且6月份的樣品分布于X軸下方,說明玉米儲藏3個月內氣味變化較小,3個月后特別是6個月后氣味變化較大,此時樣品出現霉味[22-23],玉米籽粒表面出現霉斑,逐漸不適宜儲藏。圖3顯示7個不同儲藏條件下的樣品主成分分析,30 ℃下,低水分樣品均分布于Y軸左側,高水分樣分布于右側。再結合圖4樣品得分圖,可知15%水分下,樣品溫度低于25 ℃時分布于X軸上方,溫度為30 ℃時則處于X軸下側,15、30 ℃溫度樣品和20、25 ℃溫度樣品得到很明顯的區分,可見溫度和水分都是影響玉米氣味的因素。通過比較儲存狀態可得在水分低于14%,溫度20 ℃以下玉米可以良好保存,15 ℃下保存狀態最優,與王改利等[24]研究中霉菌隨溫度變化結果相似。在實際倉儲中,可以在考慮經濟效益的條件下選擇安全儲藏條件。

圖2 15-21-20條件下玉米6個月主成分分析圖Fig.2 Principal component analysis of corn for 6 months under the conditions of 15-21-20注:A1～A6表示樣品儲藏時間1至6個月。

圖3 不同條件下儲藏末期玉米主成分分析圖Fig.3 Principal component analysis of corn at the end of storage under different conditions

圖4 15%水分玉米在不同溫度下儲藏末期樣品得分圖Fig.4 Sample score of 15% moisture corn at the end of storage under different conditions

2.2 GC-MS檢測

2.2.1 樣品中揮發性成分測定 單一揮發性物質變量數目較多,因此將樣品中的揮發性物質歸類為醇類、芳香烴類、醛類、酸酯類、酮類、烷烴類、烯烴類和雜環其他共8大類。

醇類物質共15種,其中苯乙醇出現頻次最高,Z,E-2-甲基-3,13-十八碳二烯-1-醇次之,苯甲醇只出現在低水分樣品中,Z-2-十三烯-1-醇只在高水分樣品中測出,水分對醇類揮發性物質影響較大。

芳香烴類物質共檢出25種,其中2,3-二甲基-苯酚、2,4-二甲基苯酚、2,5-二甲基苯酚、二硝散、香蘭素、薁、2,6-二叔丁基苯醌、2,6-二叔丁基對甲酚、1-氯二氟甲氧基-4-硝基-苯出現頻次較多,且香蘭素、2,6-二叔丁基苯醌、2,6-二叔丁基對甲酚三種物質揮發量較高。

醛類物質共23種,其中苯甲醛、苯乙醛、癸醛、十四醛、3,5-二叔丁基-4-羥基苯甲醛、E-2-壬烯醛、5,9,13-三甲基-4,8,12-十四碳三烯醛、E,E-2,4-壬二烯醛出現頻次較高,且癸醛、十四醛、3,5-二叔丁基-4-羥基苯甲醛、E-2-壬烯醛揮發量較高。

酸酯類物質共檢出59種,其中鄰苯二甲酸二丁酯、alpha-戊基-gama-丁內酯、壬酸、棕櫚酸甲酯、棕櫚酸乙酯、十二烷酸、鄰苯二甲酸二異丁酯出現頻次較高,且壬酸、alpha-戊基-gama-丁內酯、鄰苯二甲酸二異丁酯揮發量較高。

酮類物質共檢出18種,其中beta-紫羅酮、6,10,14-三甲基-2-十五烷酮、E-香葉基丙酮、Z-香葉基丙酮、beta-紫羅蘭酮、7,9-二叔丁基-1-氧雜螺(4,5)癸-6,9-二烯-2,8-二酮出現頻次較高,且6,10,14-三甲基-2-十五烷酮、E-香葉基丙酮、Z-香葉基丙酮揮發量較高。

烷烴類物質共檢出53種,其中十二烷、十四烷、十六烷、十七烷、十八烷、二十烷、三十一烷、3-甲基-十五烷、3-甲基-十七烷、1,2-環氧十八烷、2,6,10,14-四甲基-十五烷出現頻次較高,且十四烷、十六烷、十七烷、3-甲基-十七烷揮發量較高。

烯烴類物質共檢出22種,其中3′-甲氧基-2,2′-二硝基-苯乙烯、長葉烯出現頻次最高,且長葉烯揮發量最高。

雜環其他類共檢出27種,柏木腦、萘、1-甲基-萘、2-甲基-萘、喹啉、1,4-二甲基-萘、2,6-二甲基-萘、1,4-二氧雜螺[4.5]癸烷-6-羧酸,二甲基酰胺出現頻次較高,且萘、1-甲基-萘、2-甲基-萘揮發量較大。

2.2.2 揮發性物質主成分分析與作圖 根據物質出現頻次和揮發量,剔除相關系數較小的變量來進行主成分分析,使得變量少于樣本數,來找出各樣品所對應的各自特征性揮發物[25]。

通過表3可知,前三個特征值大于1的物質主成分分析累積方差達到80.657%,再結合表4,可得對PC1貢獻率最大的是酸酯類物質,稱其為酸酯類因子,對PC2貢獻率最大的是芳香烴物質,稱其為芳香烴因子,對PC3貢獻率最大的是醇類物質,稱其為醇類因子。在整個儲藏期間,可用酸酯類、芳香烴和醇類三種物質來代替原來的8種揮發性物質來分析區分樣品。

表3 揮發性物質主成分貢獻率百分比Table 3 The percentage contribution of the main components of volatile substances

表4 成分矩陣Table 4 Ingredient matrix

用Origin對各成分因子進行主成分分析,再剔除相關性較小的變量,得到樣品得分圖來較直觀地反映出不同儲藏條件下各樣品受水分、溫度和氧氣濃度三個因素的影響。同時得到物質載荷圖來反映具體樣品對應的特征揮發物。

2.2.2.1 酸酯類物質分析 由圖6可以看出,不同水分樣品即1、2、8、10號四個樣品,分別分布于四個象限,說明水分對于玉米酸酯類揮發物有很大的影響。不同氧氣濃度即3、4、5、7號樣品分布于第二、三、四三個象限中,且距離Y軸不是很遠,說明氧氣濃度對于玉米酸酯類揮發物有一定影響。不同儲藏溫度即6、7、8、9號四個樣品,6、7、8號三個樣品在第二象限,9號樣品處于第一象限,說明溫度對于玉米酸酯類揮發物也有較大影響,尤其達到30 ℃時,影響較明顯。以常規儲藏條件即安全水分13%,常溫常壓下2號為參照樣,其對應物質載荷圖中為alpha-戊基-gama-丁內酯、鄰苯二甲酸異丁基壬酯,低水分低氧低溫樣品3和樣品2得分相近。高溫高水分高氧樣品9對應物質載荷圖為鄰苯二甲酸二異丁酯。

圖6 樣品得分圖(a)和酸酯類物質在主成分上的載荷圖(b)Fig.6 Sample score(a)and the load diagram of the acid ester on the principal component(b)注:圖b中:D3鄰苯二甲酸二丁酯, D5alpha-戊基-gama-丁內酯,D9壬酸, D10棕櫚酸甲酯,D12十二烷酸,D15棕櫚酸乙酯, D45鄰苯二甲酸異丁基壬酯,D46鄰苯二甲酸二異丁酯。

2.2.2.2 芳香烴類物質分析 由圖7可以看出,不同水分1、2、8、10號四個樣品中,1、2、8號三個樣品在第一、四象限,10號樣品在第三象限,說明水分對芳香烴類物質有一定影響,且水分較高即14%時達到臨界點,大于14%,則有明顯區分度。不同氧氣濃度3、4、5、7號四個樣品,均距離中心軸較近,說明氧氣濃度對于玉米芳香烴類物質揮發性影響較小,且相比較下3號樣品與其余樣品區分度較大,說明氧氣濃度極低時才會有一定影響。不同溫度6、7、8、9號兩個樣品分布于四個不同象限中,且6、7號樣品在X軸上側,8、9號兩樣品處于X軸下側,說明溫度對玉米芳香烴類揮發物影響較大,臨界溫度為20 ℃,其兩側溫度芳香烴類揮發物質相差較大。結合物質載荷圖來看,2、3號樣品得分還是相近,對應特征物質為2,3-二甲基-苯酚、2,5二甲基-苯酚、二硝散、2,6-二叔丁基苯醌、薁。高水分高氧高溫儲藏條件8號樣品對應特征揮發物為香蘭素。

圖7 樣品得分圖(a)和芳香烴類物質在主成分上的載荷圖(b)Fig.7 Sample score(a)and the load diagram of the aromatic hydrocarbons on the principal component(b)注:圖b中:B42,5-二甲基-苯酚,B8香蘭素, B92,6-二叔丁基對甲酚,B11薁,B142,3-二甲基-苯酚, B162,6-二叔丁基苯醌,B17二硝散, B251-氯二氟甲氧基-4-硝基-苯。

2.2.2.3 醇類物質分析 圖8可看出,不同水分1、2、8、10號分別分布于距離中心軸較遠的四個象限中,說明水分對于玉米醇類物質的揮發性有很大的影響。不同氧氣濃度3、4、5、7號四個樣品在X軸上相距不遠,且距離中心軸都較近,說明氧氣濃度對于玉米醇類物質揮發性影響較小。不同溫度6、7、8、9號四個樣品中,低溫樣6、7號位于第四象限,高溫樣品8、9號樣分別位于第二、三象限,說明溫度對于玉米醇類揮發物具有較大影響。再結合物質載荷圖可以看出,模擬常規儲藏條件下2號玉米對應特征揮發物為苯甲醇,高水分高氧高溫下8號樣品對應醇類特征揮發物為苯乙醇、Z-2十三烯-1-醇和Z,E-2-甲基-3,13-十八碳二烯-1-醇。

圖8 樣品得分圖(a)和醇類物質在主成分上的載荷圖(b)Fig.8 Sample score(a)and the load diagram of the alcohol on the principal component(b)注:圖b中:A1苯乙醇,A2苯甲醇,A12Z-2-十三烯-1-醇, A13Z,E-2-甲基-3,13-十八碳二烯-1-醇。

相較于電子鼻,GC-MS可以更詳細地、定量地顯示出各樣品揮發物間的區別[26]。通過主成分累積方差貢獻率,可以用酸酯類、芳香烴類和醇類3個主成分來較好的代替原先的8類成分來判別樣品品質。比較水分、氧氣濃度和儲藏溫度對以上3類物質的影響,得出水分是最主要的影響因素,參照常規儲存13-21-25條件,水分達到14%甚至15%時,樣品品質和低水分玉米有明顯區別;溫度對品質影響次之,20、25 ℃下能安全儲藏,小于15 ℃時利于儲藏,達到30 ℃時則不利于儲藏;氧氣濃度對揮發物有明顯影響的是酸酯類,氧氣濃度較低時,抑制了氧化作用,減少氧化酸敗的速率,同時一部分芳香烴類物質如2,6-二叔丁基對甲酚、1-氯二氟甲氧基-4-硝基-苯揮發量較大,2,6-二叔丁基對甲酚又名抗氧劑BHT,能減緩食物的酸敗速度,其含量與酸酯類含量成反比。儲藏初期氧氣濃度較高,脂類物質氧化生成醛酮類物質,所以初期醛酮類物質占比比儲藏后期高。高溫高濕下玉米中糖代謝較快,也會生成醛和醇[27],醇類物質在儲藏中后期間能較多量得檢出。烷烴類物質揮發量較高但閾值較大且大多不具備香味屬性,對氣味影響較小。與馬良等[28]結果不同而與褚能明等[29]結果相似,由于玉米品種的區別,本實驗中玉米脂質含量較高,且各實驗中均表明烷烴類物質揮發量較大,但本實驗中只選取了主成分貢獻率前三的物質,認為烷烴類并不是特征性物質。高溫儲藏下1,4-二氧雜螺[4.5]癸烷-6-羧酸,二甲基酰胺揮發量較高,N-甲基-4-氯苯磺酰胺在高水分玉米中揮發量較高,酰胺類在高溫高濕條件下比低溫低濕更容易水解,生成羧酸和胺,從而導致酸酯類揮發物變多。香蘭素具有香莢蘭豆香氣及濃郁的奶香,高溫高水分樣品中香蘭素的揮發量遠低于其他樣品。烯烴類物質具有刺激性氣味,炔烴類物質刺激性更甚[26],在儲藏后期揮發量較大,嚴重影響氣味,不飽和烯烴和烯醇類物質也可作為玉米劣變的特征揮發物,與萬立昊等[30]實驗結果吻合。

3 結論

電子鼻傳感器響應值可以將不同儲藏條件和周期下的玉米樣品較好地區分開來,且當玉米水分達到14%甚至15% 以上,儲藏溫度大于25 ℃時,樣品儲存3個月后就較易產生霉變。不同儲藏條件下的特征性揮發物可以判別玉米是否利于儲藏,綜合來看,水分與溫度對玉米儲藏的影響較大,氧氣濃度有一定影響,其對于酸酯類揮發物有影響。結合電子鼻與GC-MS的結果,相較于常規儲存條件13-21-25,玉米安全儲存條件水分應小于13%,溫度應低于20 ℃。溫度低于15 ℃時極利于玉米儲藏,大于25 ℃甚至達到30 ℃時,則極不利于儲藏。

實驗細分各項儲藏條件,能為安全儲糧方案的設立提供數據參考,同時通過揮發物質檢測,能夠根據各類揮發變化,尤其是通過香蘭素、不飽和烯烴、不飽和烯醇等物質來有效判別玉米儲藏狀態。但是該實驗中對于霉變玉米未檢測出對應匹配度較高的物質來判別霉變程度,且只通過對氣味貢獻度較高的三類物質來說明,后續實驗中可跟進烷烴、醛酮等物質變化對于玉米儲存狀態的判別,還可去尋找哪些揮發物與玉米霉變程度相關。