基于電子鼻和GC-IMS聯用技術分析不同豆類饅頭揮發成分的差異

張佳麗, 李朋亮, 趙 巍, 張愛霞, 王運亭, 劉敬科

(河北省農林科學院生物技術與食品科學研究所,石家莊 050031)

饅頭是中國傳統主食的代表[1]。隨著生活水平的提高,人們對饅頭品質提出了更高的要求,具有較高營養價值和獨特風味的饅頭受到消費者的歡迎。豆類中富含蛋白質、氨基酸、黃酮、原花青素、酚類等具有較高抗氧化活性的物質[2,3],可以預防和控制肥胖癥[4]、糖尿病[5]和心腦血管[6,7]等疾病。將豆類粉碎過篩后與小麥粉復配,制作成豆類饅頭,不僅可以豐富饅頭的種類,而且能提高饅頭營養價值。同時將豆類主食化,實現其綜合利用,促進我國傳統食品產業向營養健康化升級。

饅頭具有誘人的氣味,這些氣味主要是由于揮發性成分產生的,主要為醇類、醛類、酯類、烴類等物質[8]。饅頭中的揮發性成分主要受使用的小麥粉、發酵條件、發酵劑和加工工藝等因素影響,但是在氣味方面,鮮有關于豆類饅頭方面的報道[9]。

傳統檢測饅頭揮發性成分的方法主要是氣相感官評價和色譜-質譜聯用(GC-MS),前者存在受主觀因素影響,準確率低等問題;后者存在樣品前處理復雜以及檢測時間較長等問題。隨著科技不斷發展,涌現出較多快速檢測方法,如電子鼻法和GC-IMS法聯用技術。電子鼻是對樣品的香氣物質信息進行對比分析,克服了傳統人工品評時表現出的受主觀影響和重復性差的問題[10, 11]。GC-IMS是一種利用氣相色譜結合離子遷移譜對樣品中揮發性成分進行快速檢測的技術[12],具有操作簡單、檢測周期短和靈敏度高等特點。GC-IMS的分析結果可對電子鼻分析結果進行具體解釋,兩者結合對樣品揮發性成分進行闡述,已經成為對揮發性成分分析的有效手段,如香菇湯風味分析[13]、美人椒醬風味分析[14]、茶葉香氣研究[15]等方面。針對豆類饅頭揮發性成分差異的研究鮮有報道。

將紅豆、綠豆、豌豆、鷹嘴豆、黃豆和黑豆共6種豆類分別以質量分數為10%、20%、30%與小麥粉混合,蒸制為豆類饅頭為研究對象,利用電子鼻結合GC-IMS技術進行檢測,采用多元統計分析方法,研究不同豆類饅頭揮發性成分的差異,豐富了饅頭種類,提高雜豆產品附加值,實現多元化發展。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

小麥粉;高活性干酵母; 紅豆、綠豆、豌豆、鷹嘴豆、黃豆、黑豆。

1.2 儀器與設備

PEN3 型便攜式電子鼻,DLF150粉碎機,KVC30和面機,WPL-125 BE型電熱恒溫培養箱, FlavourSpec?風味分析儀。

1.3 饅頭制作

參考張佳麗等[16]饅頭制作方法,并稍作修改。將6種豆類磨粉,過篩,分別與小麥粉進行混合(豆粉的質量分數為10%、20%、30%),得到不同比例的混合粉。稱取600 g的混合粉放置和面機中,加入4.2 g酵母和38 ℃溫水適量,攪拌形成面團,38 ℃醒發1 h。手工揉制成饅頭坯,室溫進行二次醒發,最后蒸制30 min,制得不同豆類饅頭。

1.4 檢測方法

1.4.1 樣品前處理

1.4.1.1 電子鼻

分別稱取樣品3.00 g置于密封瓶中, 金屬浴45 ℃加熱30 min, 用PEN3型電子鼻進行測定。

1.4.1.2 GC-IMS

分別稱取樣品5.00 g,置于20 mL頂空進樣瓶中,100 ℃孵育20 min,孵化轉速500 r/min,進樣500 μL,樣品名稱和編號見表1。

表1 樣品信息表

1.4.2 儀器分析方法

1.4.2.1 電子鼻分析方法

參考范霞等[11]的檢測方法,PEN3型電子鼻的10個傳感器敏感物質說明見表2。

表2 PEN3 型電子鼻各傳感器的響應特性

1.4.2.2 GC-IMS分析方法

系統條件和氣相色譜條件均參考張佳麗等[16]的方法。

1.5 數據處理

儀器配套的分析軟件包括VOCal和Reporter、Gallery Plo、Dynamic PCA插件,可以分別從不同角度進行樣品分析。SIMCA-P軟件：多元統計分析。

2 結果與分析

2.1 基于電子鼻對豆類饅頭揮發性成分差異分析

2.1.1 電子鼻傳感器對不同的豆類饅頭揮發性成分的信號響應

電子鼻傳感器對豆類饅頭揮發性成分的響應信號如圖1所示,傳感器W5S、W1S、W1W、W2S、W2W的響應信號普遍較強,說明雜豆饅頭的揮發性成分中主要含有氮氧化物、甲烷、硫化物、醇類及芳香族化合物。這與Azarnia等[17]發現黃豌豆中的揮發性成分主要有醇類和吡嗪類,酮類和芳香族類,醛類和含硫化合物類,結果基本一致;與李積華[18]發現綠豆湯中揮發性成分為醇類、有機硫化物、烷烴類化合物,結果基本一致。

圖1 豆類饅頭揮發性成分的傳感器響應值

2.1.2 不同豆類饅頭揮發性成分的偏最小二乘法判別分析

對豆類饅頭揮發性成分進行偏最小二乘法(PLS-DA)判別分析,結果顯示紅豆、綠豆、豌豆、鷹嘴豆和白面饅頭合為一組,黃豆和黑豆饅頭分為二組,說明黃豆和黑豆饅頭中揮發性成分與白面饅頭揮發性成分差異較大(圖2),經交叉驗證PLS-DA模型不存在過擬合現象。

注：R2X=0.419,R2Y=0.299,Q2=0.95。圖2 PLS-DA得分圖

2.2 基于GC-IMS技術對不同的豆類饅頭揮發性成分的差異性分析

2.2.1 豆類饅頭揮發性成分GC-IMS二維譜圖分析

由圖3可知,選取7號白面饅頭的譜圖作為參比,剩余樣品譜圖扣減參比。白色區域代表揮發性物質濃度與參比一致,而紅色代表揮發性物質的濃度高于參比,藍色代表揮發性物質的濃度低于參比[13]。從圖3可知黃豆和黑豆饅頭揮發性成分種類較多,含量較高。其余4種饅頭揮發性成分種類較少。同一種豆類饅頭隨著雜豆所占比例增加,饅頭中的揮發性成分種類和濃度也在增加。

圖3 不同添加量豆類饅頭揮發性成分GC-IMS二維譜圖

2.2.2 豆類饅頭揮發性成分定性分析

由表3可知,可明確定性出揮發性物質共25種單體、二聚體和多聚體,主要是為醇、酯、醛、酮和呋喃類化合物。這與前人采用頂空-固相微萃取分析酵母饅頭中的揮發性成分結果基本一致[19, 20]。豆粉及小麥面粉中的淀粉和糖經酵母中微生物代謝會產生醇類化合物,而高級醇經過氧化、氨基酸的Strecker降解或醛醇縮合反應則進一步會生成醛、酮、酯等[21]。

表3 氣相離子遷移譜圖定性結果

由表3可知,醇類物質共檢測到7種,主要有1-辛烯-3-醇、乙醇、正己醇、3-甲基-3-丁烯-1-醇、1-戊烯-3-醇、2-甲基丙醇、1-戊醇單體及部分二聚體和多聚體。醇類物質主要通過酵母發酵而得,是饅頭香氣的主要物質,同時醇類還是生成醛、酮、酯等的前體物質[22-25];醛類物質共檢測到6種,主要有2-庚醛、丁醛、己醛、2-己烯醛、(E)-2-辛烯醛、辛醛及部分二聚體。醛類主要通過脂肪的氧化分解而得[26],單純的醛類有刺激性氣味,但是微量醛可使香氣更加醇厚。醛類物質香氣濃烈,一般具有清香、水果香等,是饅頭香氣的重要組成部分[27];酯類物質共檢測到1種,主要有乙酸乙酯。酯類物質是酵母發酵過程中經過醇和脂肪酸的酯化反應生成,通常具有水果香味[28];酮類物質共檢測到1種,主要有乙偶姻。酮類物質主要來自于醇的氧化或酯類的分解[29],酮類化合物香氣閾值較低,賦予饅頭香氣能力較強[30, 31]。

2.2.3 豆類饅頭揮發性成分GC-IMS指紋圖譜分析

由圖4a可知,黃豆揮發性物質濃度和種類差異較大,其次是黑豆。其中A區域主要有(E)-2-辛烯醛、5-甲基-2-呋喃甲醇、苯甲醇等和B區域主要有1-丁酮、2,3-丁二酮等,其濃度明顯高于其他樣品中的濃度。根據圖4b可知,黃豆揮發性物質差異最大,黑豆和鷹嘴豆差異次之。其中C區域主要有5-甲基-2-呋喃甲醇等和D區域主要有乙酰甲基甲醇、3-甲基-3-丁烯-1-醇、壬醛等,E區域主要有(E)-2-辛烯醛、1-丁酮、2,3-丁二酮等其濃度明顯高于其他樣品中的濃度。根據圖5c可知,黃豆和黑豆的揮發性物質差異較大。其中F區域主要有壬醛、苯乙醛、苯甲酸甲酯等、G區域主要有5-甲基-2-呋喃甲醇、正丁醛、己醛等其濃度明顯高于其他樣品中的濃度。

注：圖中的標注與表3中相對應;a、b、c分別對應10%、20%、30%(質量分數)豆類饅頭。圖4 豆類饅頭揮發性成分指紋圖譜

注：a PCA得分圖;b PLS-DA得分圖,R2X=0.426,R2Y=0.183,Q2=0.95;c PLS-DA載荷圖(帶方框的黑色三角形代表VIP>1的差異揮發性成分)。

由結果可知,黃豆、黑豆和鷹嘴豆饅頭揮發性成分主要為醇、醛、酮、呋喃類化合物。將黃豆、黑豆和鷹嘴豆分別添加到小麥粉中制作成饅頭,揮發性物質濃度明顯升高,進而使饅頭的風味更豐富。紅豆、綠豆和豌豆豆類饅頭揮發性成分差異較小。

2.2.4 豆類饅頭揮發性成分多元統計分析

對25種揮發性成分進行多元統計分析,第一主成分將樣品分成4組,1、2、3和4共為一組,5、6、7號為二、三和四組,說明黃豆和黑豆饅頭會產生差異性揮發性成分,對饅頭的香氣影響較大,其余饅頭揮發性成分差異較小。與二維GC-IMS圖譜結果一致(圖5a),同時與電子鼻測定的結果基本一致,為了明確具體差異性成分,對4組豆類饅頭的揮發性成分進行PLS-DA分析,可以發現這些揮發性成分可以將4組豆類饅頭明顯分開(圖5b),經交叉驗證PLS-DA模型不存在過擬合現象。經載荷圖顯示,4組豆類饅頭產生的差異性揮發性成分(VIP>1)分別為2-甲基丙醇、乙酸乙酯、丁醛、己醛單體、己醛二聚體、1-辛烯-3-醇多聚體、2-戊基呋喃、2-己烯醛單體、正己醇單體、正己醇二聚體、乙偶姻、(E)-2-辛烯醛(圖5c)。

3 結論

本研究采用電子鼻和GC-IMS聯用技術檢測不同添加量的6種豆類饅頭揮發性成分的差異。電子鼻傳感器對氮氧化物、甲烷、硫化物、醇類、有機硫化物和芳香族化合物的響應信號普遍較強;經過PLS-DA分析黃豆和黑豆饅頭中揮發性成分對饅頭的影響較大。GC-IMS可定性出25種揮發性成分,主要有醇、酯、醛、酮、呋喃類化合物。隨著豆類添加量的增加,饅頭中揮發性物質的濃度和種類也會增加。通過多元統計分析共篩選出12種差異性揮發性成分(VIP>1),同時可知黃豆和黑豆饅頭差異較大。因此,黃豆和黑豆的揮發性成分種類和濃度差異最大,紅豆、綠豆、豌豆、鷹嘴豆差異較小。

結果表明,電子鼻儀器可以將豆類饅頭中不同類型揮發性成分區分開來,可檢測出氮氧化物、硫化物的揮發性成分,但不能定量比較揮發性物質的具體差異。GC-IMS儀器對不同的豆類具有不同的特征譜圖,可以明顯看出樣品之間的揮發性成分的差異。電子鼻和 GC-IMS聯用可分析豆類饅頭樣品揮發性成分的差異,為豆類饅頭產品開發提供參考,提高雜豆產品附加值,實現多元化發展。