不同產地與品種大豆籽粒的感官與揮發性風味物質差異鑒別

史金楓，李敏敏，黃亞濤，孫玉鳳，王鳳忠*，張景儉

(1.中國農業科學院農產品加工研究所，北京 100193；2.滄州市農林科學院，河北 滄州 061001)

大豆是補充多種營養成分的糧食作物，同時也是多種特色風味農產品的加工原料[1-2]，包括具有醇香味道的豆奶、豆漿，以及利用大豆釀造或發酵生產的醬料、豆乳等調味制品[3-4]。目前我國自產及進口大豆產區分布較廣、品種繁多，而不同產地的氣候、栽培及采收條件的不同會對大豆中所富含的揮發性香氣成分含量造成影響，導致不同品種大豆在加工后擁有不同的感官品質和味覺水平[5-6]，如因品種的差異造成對原料篩選不當，則會造成加工產品的品質欠佳、味道不正，嚴重情況下會釋放大豆的豆腥味，影響制品的風味水平及貨架期[7-8]。

大豆及加工產品中的不良風味主要包括原料的豆腥味、豆油產生的哈喇味及酸敗味等，這些不良風味與大豆中所富含的醛類、醇類及酸類等風味物質的釋放密切相關[9-10]。目前針對不同品種大豆籽粒原料中的風味物質及其本身感官水平的差異研究較少，導致在大豆風味制品加工中所選擇的依據較少。目前較為常用的固相微萃取-氣相色譜-串聯高分辨質譜技術(SPME-GC-QE)可以很好地對樣品中的揮發性風味物質進行鑒別[11-12]，相較于傳統的質譜技術，高分辨質譜的抗基質干擾及定性定量能力更強；而包括電子鼻與電子舌在內的電子感官技術可以對不同樣品的氣味及味覺活度水平作差異性分析[13-14]。

本研究選擇國內外5個不同產區的70種大豆籽粒為研究對象，利用SPME-GC-QE、電子鼻與電子舌等檢測方法分析不同大豆間風味物質的差異，探尋風味物質對大豆感官品質的影響，以期為大豆制品加工時原料品種和產地的選取提供依據。

1 材料和方法

1.1 材料

實驗樣品大豆：共有來自北方區域、東北區域、南方區域、國外地區和中黃大類品種共5個產地區域的大豆品種70個，由各省市大豆產業體系實驗站提供，于中國農業科學院農產品加工研究所匯總貯藏。詳細分組及產地信息見表1。

表1 大豆產地與編號信息Table 1 The places of origin and numbering information of soybeans

續 表

1.2 主要儀器與設備

固體樣品粉碎機 永康市鉑歐五金制品公司；渦旋振蕩器 美國Scientific Industries公司；電子天平 德國Sartorius科學儀器有限公司；KQ-600DE型超聲機 昆山市超聲儀器有限公司；Milli-Q Advantage A10型超純水機 美國Millipore公司；3K15型離心機 美國Sigma公司；Heracles Ⅱ型快速氣相電子鼻、Asrree Ⅱ型電子舌 法國Alphamos公司；SPME固相微萃取裝置(含50/30 μm DVB/CAR/PDMS萃取頭)；Trace 1310 Q Exactive GC型氣相色譜-串聯高分辨率質譜分析儀 美國ThermoFisher公司。

1.3 方法

1.3.1 大豆樣品的制備

將大豆籽粒分別利用固體粉碎機研磨成大豆粉末約20 g備用，過60目篩并密封于-20 ℃保存備用。

1.3.2 SPME-GC-QE分析

稱取2.00 g大豆粉于螺紋頂空進樣瓶中，首先對萃取頭進行老化，以確保其表面殘留物質可被完全去除，將老化好的萃取頭插入螺紋頂空瓶中，通過進樣器手柄推出萃取纖維頭，使其暴露在頂空瓶頂空氣體中，纖維頭與樣品不得有任何接觸。用進樣器將石英纖維頭推回針頭內并拔出，然后插入GC-QE進樣器中，同時啟動儀器收集數據。實驗結果使用NIST 11.0數據庫對未知揮發性化合物譜圖進行比對，并采用峰面積歸一化法進行定量。

1.3.3 固相微萃取條件

樣品在55 ℃恒溫下孵化并萃取1 h，隨后升溫至250 ℃解吸附3 min，最后在270 ℃下老化20 min。

1.3.4 色譜-質譜條件

色譜條件：使用VF-Wax型號色譜柱(60 m×0.25 mm，0.25 μm)，進樣口溫度保持在250 ℃，流速1 mL/min，分流比5∶1；初始溫度40 ℃，保持2 min，隨后以4 ℃/min的速度升溫至230 ℃，保持5 min。

質譜條件：質譜掃描方式為EI全掃描模式，掃描質荷比范圍30～400 m/z，傳輸線溫度250 ℃，離子源溫度280 ℃，電離能量70 eV。

1.3.5 電子鼻分析

稱取大豆粉樣品各1.00 g于頂空樣品瓶中，在(25±1)℃實驗室條件下靜置10 min，確保樣品中的揮發性氣體充滿頂空空間，每個樣品重復3組平行。電子鼻開機后進兩針空氣樣品，待儀器穩定后開始檢測。檢測過程中清洗傳感器時間180 s，檢測時間60 s。所測得的數據采用主成分分析法(principal component analysis, PCA)進行系統性分析。

1.3.6 電子舌檢測

準確稱取大豆粉樣品5.00 g置于離心管中，加超純水稀釋至150 mL，渦旋振蕩后密封進行超聲處理5 min，使樣品與水混合均勻；以10 000 r/min的轉速離心10 min，取出離心管后用針頭吸取清液上層漂浮油脂，以0.45 μm水相濾膜對中間層清液進行抽濾，每種樣品得到至少100 mL澄清水溶液以上機測定。電子舌開機后活化味覺傳感器，建立樣品分析表；樣品燒杯與洗滌超純水燒杯按順序間隔擺放在儀器托盤上，在托盤上放置完樣品后開始進行味覺傳感器掃描檢測，每采樣一次，傳感器自動進入超純水清洗一次。為避免初始檢測響應信號不穩定，每個樣品重復掃描次數為7，在獲得分析數據后為避免誤差，摒除前3圈數據，只采用后4圈穩定的電子舌響應數據。

2 結果與分析

2.1 電子感官分析結果

大豆中所含有的風味化合物含量水平會對感官造成直接影響。在針對不同加工制品篩選大豆原料的過程中，需要對大豆籽粒的感官進行鑒別，篩選適宜不同產品的大豆原料。本研究利用電子感官技術對不同產區與品種大豆的氣味、味覺活度水平進行比較分類，探尋大豆感官品質的差異。電子鼻PCA分析結果見圖1。

圖1 不同產地區域大豆品種分類圖Fig.1 Classification diagrams of soybean varieties from different places of origin

由圖1可知，在北方地區，大多數品種呈現聚集趨勢，氣味水平差異較小，CD4、CD5與SD11的組內平行樣本間差異雖較小，但與其他品種呈現明顯分離趨勢；而5X品種的平行樣本間分離趨勢較大，且同樣與其他品種分離趨勢顯著。東北與國外地區的大豆整體聚集趨勢明顯，但東北地區的JLDLW與其他大豆差異明顯，JLDLW是擁有多個雜交母系的混育大豆品種，推測其與其他品種的差異與此有關；國外地區的BX大豆的一項平行樣本數據顯示與其他大豆數據點位分離趨勢明顯，推測可能是由于儀器或樣品本身帶來的實驗誤差。而中黃與南方地區的大豆品種呈現較為明顯的分離趨勢，表明兩地的大豆品類間存在較為明顯的氣味差異。南方大豆中廣西地區的GC與GX品種呈聚集趨勢，其余品種離散趨勢明顯。

2.2 大豆中的風味化合物分析結果

2.2.1 大豆風味化合物分析

大豆樣品經GC-QE測定后，結果通過NIST 11.0譜庫篩選匹配度大于80%的化合物即為所鑒別出的風味化合物[15]，共有63種，其中包括烷烴類物質13種、醛類物質3種、醇類物質9種、苯類物質7種、烯類物質6種、酯類物質2種、酮類物質9種以及醚類和呋喃類等其他物質14種。各物質保留時間及相對含量見表2。

表2 不同區域大豆中揮發性風味物質及其含量Table 2 The volatile flavor compounds and their content in soybeans from different regions

續 表

由表2可知，除北方地區與國外區域外，其他3個地區大豆中含量最高的物質均為3-己基戊基-3,4-二烯(東北23.74%，南方20.34%，中黃16.95%，出峰時間6.27 min，見圖2)，3-己基戊基-3,4-二烯在大豆或其他類別農產品風味化合物的相關研究和記載中極少出現，目前尚未知其在大豆中的合成來源與風味貢獻；北方地區含量最高的物質為正己烷(含量12.24%，出峰時間4.82 min)，國外地區含量最高的物質為甲苯(含量13.19%，出峰時間11.83 min)。其他在5個地區大豆中具有較高含量且響應值較高的物質還包括戊烷、乙酸乙酯、2-丁酮、甲苯、正己醛、1,3-二甲基苯、檸檬烯、正己醇、3-辛醇和乙酸，平均含量范圍在2%～10%。在大豆中這12種物質含量的總和分別占5個產地區域的67.18%、69.72%、64.47%、53.97%和59.24%，初步推測其是大豆中具有較高貢獻值的揮發性風味化合物。

圖2 不同地區大豆揮發性成分的總離子流色譜圖Fig.2 Total ion current chromatograms of volatile components in soybeans from different regions

其余經由GC-QE鑒別出的揮發性風味化合物含量多在0.5%以下且響應值較低，推測對大豆籽粒整體風味的影響不大，但在過往研究中，1-辛烯-3-醇和呋喃類物質被認為與大豆分離蛋白的脂肪氧化酶缺失具有一定關聯，其同樣對豆腥味的產生具有一定影響。由圖2可知，1-辛烯-3-醇、2-戊基呋喃等物質在其保留時間點上響應值過低，含量不足1%，在大豆籽粒中此兩類物質對整體風味的影響較小。

2.2.2 大豆風味化合物貢獻率分析

為進一步探討風味化合物對大豆籽粒整體風味的貢獻率，采用ROAV法，針對含量較高的12類物質嗅覺閾值計算得出的ROAV判定其對大豆整體風味的貢獻作用。嗅覺閾值通常指能夠引起人體嗅覺產生最小刺激或反應的物質濃度。ROAV在揮發性風味化合物分析中可評價香氣物質對原料風味的貢獻，此處定義對于大豆整體風味貢獻最大組分ROAVstan為100，其他揮發性化合物的ROAV按下式計算：

式中：Ti、Ci分別為各組分相應的嗅覺閾值(μg/L)和相對含量(%)；Tri、Cri分別為對樣品整體風味作出貢獻最大組分相對應的嗅覺閾值(μg/L)和相對含量(%)。一般認為，0.1≤ROAV≤1的物質對整體風味起修飾作用；ROAV>1的物質對整體風味起關鍵性作用。

表3 不同產地大豆中主要風味物質的ROAVTable 3 ROAVs of main flavor substances in soybeans from different places of origins

由表3可知，在這12種揮發性風味化合物中，有7種物質在5個產地區域大豆中的ROAV均小于0.1，包括戊烷、正己烷、3-己基戊基-3,4-二烯、乙酸乙酯、2-丁酮、甲苯和檸檬烯，說明這7類物質對大豆整體風味的貢獻可忽略不計，雖然其在大豆中含量與響應值普遍較高，但由于其嗅覺閾值也普遍偏高(437～1 500 μg/L)，導致這些物質需在更高含量水平下才可被人體感知，故對大豆籽粒整體風味的貢獻作用極小，但在加工過程中還需重點關注檸檬烯、乙酸乙酯等物質的含量積累是否會對加工品的香氣產生良性影響。除國外地區(ROAV=0.61)外，其他4個產地區域的大豆中的正己醛ROAV均大于1(1.32～5.11)，正己醛在北方、南方和中黃大豆的ROAV均為12種物質中最高，表明正己醛普遍對國內大豆的風味起到關鍵作用；1,3-二甲基苯對中黃地區大豆的風味貢獻極小，對其余地區的大豆風味起修飾作用；正己醇對國內大豆的ROAV在0.34～0.44之間，貢獻作用偏低，僅對國內大豆風味起修飾作用，但對國外大豆風味的貢獻作用較為顯著(ROAV=1.06)，這也是由于國外地區大豆中的正己醇含量明顯高于國內地區大豆。3-辛醇在5個產地區域中平均含量為4%～8%，嗅覺閾值在12種風味物質中最低(2.7 μg/L)，而其在5個產地區域大豆中，ROAV均大于1，且在東北地區大豆中所含風味物質ROAV達到2.33，表明3-辛醇對東北地區大豆風味作用較為顯著。值得注意的是，這種物質在大豆類加工產品的風味中發揮的作用未見報道，但其在蘑菇、干酪等食品中被普遍用作增香類成分[16]，對于3-辛醇是否與大豆發酵或壓榨過程中產生的香氣物質有關，還需進一步的探索；乙酸在南方地區及中黃大豆ROAV分別為1.06和1.81，對這兩個產地區域風味的貢獻率較高，但對其余3個產地區域大豆風味的貢獻作用較小，僅起到修飾作用。

經對比得出的對風味具有貢獻作用的化合物在不同區域含量對比見圖3。

圖3 不同區域大豆中貢獻率較高的風味化合物含量比較Fig.3 Comparison of content of flavor compounds with higher contributionrates in soybeans from different regions

北方地區的大豆的正己醛含量為5個產地區域中最高(見圖3 中A)，而國外進口大豆中的正己醇含量顯著高于其他地區3倍(見圖3中 B)，正己醛和正己醇已被證明是豆腥味的主要來源，在大豆發酵制品及豆奶等產品的制作中被作為重點關注的風味化合物，微量的正己醛便會使人產生不良情緒[17]，說明北方與國外地區的大豆品種可能更易在加工中產生豆腥味，相較于其他品種,不適于發酵制品或其他風味產品的制作；東北地區大豆的正己醇含量、乙酸含量均顯著低于其他4個產地，中黃大豆的乙酸含量在5個產地區域中最高(見圖3中E)，且乙酸對中黃大豆的貢獻率最大(ROAV=1.81)。正己醇是發酵過程中異味的主要來源，其不但會影響發酵制品的味覺水平，會對產品貨架期等造成影響[18]；乙酸是大豆原料主要的酸敗味來源，過多的乙酸含量會導致豆油的過氧化值水平提高，產生哈喇味,從而降低其感官水平[19]。因此表明中黃大豆相比于其他產地大豆，更不適于豆油類副食品的加工；東北地區大豆的風味化合物綜合水平較高，且東北大豆在我國產量較大，是適宜用作風味制品加工、豆油加工等不同加工產業的優良品類。

2.2.3 電子舌分析結果

為探究大豆風味物質與其味覺活度水平的關系，采用電子舌對大豆滋味水平進行分析。通過電子舌味覺傳感器分析后，在所有大豆原料中均鑒別出了咸味、鮮味和酸味。電子舌通過儀器的滋味傳感器可以判明樣品本身所帶有的滋味及其響應值，從而判斷樣品在味覺水平上的差異。大豆原料本身雖然不可直接食用，但其中所包含的味覺活度會直接影響初加工及精深加工農產品的食用品質和味覺閾值[20]。

為判明5個產地區域內不同省份大豆品種間的味覺活度差異，基于方差分析法(ANOVA)對大豆中3種味覺活度水平進行單因素檢驗，結果見表4。

表4 基于ANOVA分析不同產地不同滋味類型的差異顯著性Table 4 The significance of differences among different taste types in different places of origin based on ANOVA

由表4可知，北方區域大豆的酸度和咸度水平差異性較不顯著(P>0.01)，鮮度水平差異較顯著(P<0.01)；東北區域大豆的酸度與鮮度水平差異極顯著(P<0.001)，咸度水平差異較顯著(P<0.01);南方區域大豆除鮮度水平差異極顯著(P<0.001)外，酸度與咸度水平差異均不顯著(P>0.1)；國外地區與中黃品種大豆的3種味覺活度差異均極顯著(P<0.001)。綜上所述，產地是所有品種大豆鮮味差異性的主要影響因素，但并不是所有大豆品種酸度與咸度的主要影響因素。

電子舌對70種大豆的具體味覺活度分析結果見圖4。70種大豆的酸度平均值為6.24，咸度平均值為5.84，鮮度平均值為6.10。

圖4 5個產地區域不同大豆品種的味覺活度值雷達圖Fig.4 Radar diagrams of taste activity values of different soybean varieties from five places of origin

由圖4可知，在5個產地區域中，大豆酸度平均值最高的為北方地區(6.55)，中黃大豆次之(6.02)。中黃大豆的酸度水平與其所富含的極高乙酸含量具有顯著關聯，同時中黃大豆中的正己醛含量(1.25%)和正己醛的貢獻率(ROAV=4.46)都僅次于北方大豆(1.43%，ROAV=5.11),而北方大豆中的乙酸含量與其他地區相比并無顯著優勢，據此推測大豆的酸度味覺水平除了與乙酸含量相關外，還與正己醛含量具有高度相關性，大豆中的酸度水平過高會影響農產品的貨期架[21]，因此，北方地區與中黃大豆相較于其他品種更不適于豆油、豆奶和豆芽等貯藏要求較高的農產品生產；同時若利用二者進行其他類農產品加工，需重點關注正己醛含量對最終產品品質的影響。

咸度平均值最高的品種來自東北吉林地區(8.80)，包括混育的JLDLW及HD；鮮度平均值最高的品種來自南方廣西地區(7.78)，包括GC、GX等品種。大豆中的咸度和鮮度水平主要來源于其中的鮮味肽及水解蛋白所產生的代謝產物，這些代謝產物可以顯著增強大豆的味覺豐富程度[22]，在以大豆為原料的調味制品加工中可以起到良性作用；同時東北地區與南方地區大豆的正己醇含量基本持平(見圖4中B)，同為5個產地區域中最低水平，故吉林地區與廣西地區大豆可作為大豆調味制品的良好籽粒原料。

3 結論

本文通過GC-QE與電子感官技術結合對5個產地區域大豆籽粒的揮發性風味物質及感官水平進行測定與比較，為大豆風味類制品原料的選取提供了參考。電子鼻與電子舌均能較好地鑒別出大豆風味和滋味活度之間的差異(P<0.01)；GC-QE在大豆中共鑒定出63種揮發性風味物質，其中有5種對大豆籽粒風味具有一定貢獻作用，包括正己醛、正己醇、乙酸等大豆不良風味的來源物質及1,3-二甲基苯和3-辛醇，正己醛和3-辛醇的貢獻作用尤其顯著，ROAV在5個產地中的均值大于1；正己醇對國外地區大豆風味貢獻作用顯著，ROAV=1.06，對其余地區大豆風味貢獻作用較小，ROAV<1；乙酸對南方和中黃地區大豆貢獻作用較大，ROAV分別為1.06和1.81，對其余地區風味貢獻作用較小，ROAV<1；1,3-二甲基苯對5個產地區域大豆的風味貢獻作用極小，ROAV均不超過0.15。

北方地區大豆的正己醛含量和酸度味覺水平均為5個產地區域中最高，不推薦作為以大豆為原料的風味制品加工；東北地區大豆的正己醛及乙酸含量最低，其中吉林地區的大豆具有最高的咸度味覺水平，推薦作為優質大豆加工制品的原料；南方大豆的正己醇含量與東北地區大豆基本持平，且廣西的GC與GX品種具有最高的鮮度味覺水平，推薦廣西地區大豆作為優質大豆調味增鮮制品的原料；國外地區大豆的正己醇含量最高，中黃地區大豆的乙酸含量最高，正己醛、乙酸分別對國外與中黃大豆的風味影響作用最大，在使用兩地大豆進行加工時應尤其注意兩種物質的動態變化規律，防止產生不良風味。

本研究對大量品種大豆間的感官與風味水平進行比較，初步得到了在味覺與風味水平上具有優勢的品種，為大豆制品的原料篩選方法提供了數據參考和體系構建的依據。