基于GC-IMS技術解析青棗不同菌種發酵關鍵風味物質差異

張江寧,葉崢,張愛鳳

(山西農業大學山西功能食品研究院,太原 030031)

青棗果實有豐富的營養成分且清脆可口,富含維生素C、鈣、磷、維生素B、胡蘿卜素等,素有“維生素丸”之稱[1-2]。食用適量青棗可以有效地促進食欲,促進腸道蠕動,緩解便秘,還可以增加血管的彈性,對于心腦血管疾病有一定的預防作用。

目前青棗加工產品較少,發酵是有效加工途徑之一,果蔬經乳酸菌或酵母菌發酵不僅可以改善食品的風味,而且能代謝產生多種生物活性化合物并具有一定功能性[3-4]。因此,研究開發酵母菌和乳酸菌發酵青棗具有重要的意義[5]。

風味是發酵產品的關鍵指標之一,直接影響產品的可接受度、市場前景等,因此將風味納入評價體系對新產品的開發具有重要意義[6-8]。傳統通過感官評價風味主觀性強,易出現偏差,目前可通過氣相色譜-離子遷移譜技術實現風味定量分析,為產品風味的精準把控提供了條件。目前關于青棗風味成分的研究主要聚焦在青棗果酒和青棗果醋產品方面。原潞[9]采用頂空固相微萃取和氣相色譜-質譜聯用(gas chromatography-mass spectrometry, GC-MS)技術對青棗果酒發酵過程中的主要香氣物質進行了鑒定。燕妮[10]采用高效液相色譜法(high performance liquid chromatography,HPLC)研究了青棗果醋發酵過程中有機酸的變化規律,研究表明果品原料經不同菌種發酵風味差異顯著。目前對青棗經乳酸菌、酵母菌發酵后主要風味成分的研究較少,風味差異未見報道。

氣相色譜-離子遷移譜(gas chromatography-ion mobility spectroscopy,GC-IMS)是一種分析技術,是以不同的氣相離子在電場的作用下發生遷移且速率不同為基礎,主要用于痕量氣體以及化學離子物質表征的檢測[11],進一步結合了氣相色譜與離子遷移譜技術[12-14]。本研究以青棗汁、棗汁酵母菌發酵產品和棗汁乳酸菌發酵產品為研究對象,采用氣相色譜-離子遷移譜方法,通過對不同樣品間的譜圖差異、指紋圖譜以及動態主成分分析(principal component analysis,PCA)圖和相似度分析圖的比較,分析不同樣品之間的風味物質差異,以期為青棗發酵產品開發的發展提供數據支撐和理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

青棗:采自山西農業大學園藝學院太原棗園;乳酸菌、酵母菌:實驗室自有。

苯酚、氫氧化鈉、亞硫酸氫鈉、氯化鉀、偏重亞硫酸鉀(K2S2O5)、3,5-二硝基水楊酸、酒石酸鉀鈉、芥子酸(98%)、單寧酸(99%):均為分析純,上海國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

1.3.1.2 乳酸菌、酵母菌單獨發酵

Jiang G M等[31]用硫酸鐵在640 ℃下焙燒含鋅渣1 h，在硫酸鐵/鐵酸鋅摩爾比為1.2的條件下，進行水浸提取有價值的金屬硫酸鹽進行回收，鋅的回收率可達92.4%。

1.3 實驗方法

Gallery Plot插件:通過比對指紋圖譜,可以直觀且定量地分析出不同樣品之間的揮發性有機化合物的差異[17]。

1.3.1.1 青棗汁制備

稱取500 g的青棗,清洗去核,按照料液比1∶5加入一定量水,打漿,過濾,濾液備用。

社會工作服務機構不但是社會福利服務的傳遞者，其還是社會公平與正義的維護者。社會工作服務機構能對創新社區治理的重要意義在于其在開展專業服務過程中發揮了政策倡導的功能，扮演著政策倡導者的角色。通過參與城市社區治理的過程，社會工作服務機構能夠積極為服務對象提供專業服務和相應的政策性支持，呼吁改善或改變政策和規定中不合理的部分，保護服務對象的合法權益。因此，廣西社會工作服務機構積極倡導開展政府購買社區社會工作服務的探索，建議加快推進社區社會工作崗位開發，提倡社會福利資源優先向邊遠貧困地區、邊疆民族地區、革命老區、城市少數民族社區傾斜，努力推進廣西社會工作事業的發展。

FlavourSpec?GC-IMS風味分析儀 德國GAS公司;JE2002電子天平(2 kg/0.01 g) 上海浦春計量儀器有限公司;MXT-5色譜柱(15 m×0.53 mm,1 μm) 美國Restek公司;SPX-300F小型生化培養箱 上海東麓儀器設備有限公司;HU-910IV-M多功能原汁機/榨汁機 韓國惠人公司;TGL-18M臺式高速冷凍離心機 上海盧湘儀離心機儀器有限公司。

VOCal:用于分析數據和譜圖的定性和定量分析,同時應用軟件中內置的NIST數據庫和IMS數據庫對揮發性有機物進行定性分析[15]。

將一定量青棗汁分別接種活化后的不同乳酸菌發酵劑(接種量0.5%)和酵母菌(接種量0.5%),其中,接種了乳酸菌的青棗汁置于35 ℃發酵罐中培養100 h,接種了酵母菌的青棗汁置于28 ℃培養箱中培養24 h。

姚曉冬的家鄉在嘉興，雖與蘭溪同屬江南，但兩地的自然風貌還是有所不同。在姚曉冬看來，嘉興是水鄉，蘭溪多丘陵，他說道：“除了花鳥以外，我也非常喜歡畫山水，蘭溪丘陵山泉的獨特韻味很吸引我，所以常常來這里轉轉，找找感覺。多年來，也在蘭溪交到了一些好朋友，可以說我與蘭溪結下了不解之緣……我曾與其他好友一起在蘭溪辦過畫展，但是個人作品展，這還是第一次。希望通過這次展覽的機會，與更多的書畫愛好者有一次密切的交流和互動?！?。

1.3.2 色譜條件

1.3.2.1 氣相色譜-離子遷移譜(GC-IMS)分析

取1 mL樣品并轉移至20 mL頂空進樣瓶中。自動頂空進樣單元見表1。

表1 自動頂空進樣單元Table 1 Automatic headspace sampling unit

Dynamic PCA插件:動態PCA和相似度分析圖,用于樣品的聚類分析和相似度分析,并可迅速確定未知樣品的種類[18]。

【劇情回顧】《天龍八部》里的“六脈神劍”乃大理段氏的最高武學，由不同的手指隔空激發內力，變化精微。吐蕃國師鳩摩智就是為了搶到這門絕學，一直苦苦糾纏男主角段譽。

MXT-5色譜柱(15 m×0.53 mm,1 μm);柱溫60 ℃;載氣/漂移氣:N2;IMS溫度:45 ℃。

1.3.2.3 IMS條件

漂移氣為N2;漂移氣流速為150 mL/min。

1.4 數據處理

2) 壓載水中3種致病菌的分布具有鮮明的特點，即隨壓載水深度的增加菌落數量與檢出率逐漸增加，且隨時間推移此態勢明顯加強，其間若發生壓載水置換行為或水齡<10 d時則這一勢態不明顯。

Reporter插件:直接比較樣品間的譜圖差異(二維俯視圖、三維譜圖和差異譜圖)[16]。

要在重視學校創新創業教育的基礎上加大社區創客教育與高校創新創業教育的聯動機制，激發合力，努力將社區創新教育糅合到社會經濟結構的各個環節中去，不斷進化和完善社區教育體制，構建社區教育資源共享機制［1］。

學生希望可以通過自己的發現、研究和探索得到答案，但是在傳統教學模式中，教師往往都將問題及其解決方式提前準備好，直接提供給學生，這并不利于學生的個性化發展，機械式的解決問題，會使所有探索行為變得毫無意義。因此，教師應當結合新課改的三維教學目標，將知識和能力的培養放在同等重要的地位，讓學生在獲取數學知識的過程中，能夠有效利用這些知識，全面提升小學生的數學學習能力和數學綜合素質。

1.3.1 樣品的前處理

我國校園足球競賽多以學校為基本參賽單位，這會導致足球競賽成績優勢學校與劣勢學校差距進一步加大，影響學校參賽積極性，造成劣勢學校優秀足球人才流失。建議增設以區級、市級、省級為單位的校園足球競賽體系，尤其是以區為單位的校園足球賽事，促進片區內學校間足球優勢資源共享，將散落于區域內的各學校優秀球員集中起來，為他們提供一同訓練與比賽的機會，通過高水平校園足球競賽體系的構建，也為職業足球發現與選拔基層青少年人才提供平臺。

1.3.2.2 GC條件

2 結果與分析

2.1 對比樣品的揮發性有機物差異(GC-IMS圖譜分析)

應用VOCal分析軟件中的Reporter插件程序對青棗汁、棗汁酵母菌發酵產品和棗汁乳酸菌發酵產品中的揮發性成分進行三維對比,得到GC-IMS三維譜圖(保留時間、遷移時間和峰強度,見圖1),可以看出不同樣品風味物質的差異[19-22]。與此同時,進一步降低數據維度,得到俯視圖(見圖2),進行差異對比。橫坐標1.0處的豎線為RIP峰(反應離子峰),RIP峰兩側的每個點代表一種揮發性有機化合物。顏色表示物質的濃度,淺色表示濃度較低,深色表示濃度較高,顏色越深表示濃度越大[23-24]。將樣品0作為對照,在剩下的譜圖中去除樣品0中的信號峰,從而得到二者的差異譜圖(見圖3)。

圖1 樣品的三維譜圖Fig.1 Three-dimensional spectrogram of samples

圖2 樣品的GC-IMS譜圖(俯視圖)Fig.2 GC-IMS spectra of samples (top view)

圖3 樣品的GC-IMS譜圖(差異圖)Fig.3 GC-IMS spectra of samples (difference diagram)

2.2 樣品中的揮發性有機物指紋圖譜對比

應用VOCal分析軟件中的Gallery Plot插件程序,對鮮棗汁(樣品1)、棗汁酵母菌發酵產品(樣品2)和棗汁乳酸菌發酵產品(樣品3)的指紋圖譜進行對比分析,可以分析出不同樣品間的風味物質差異[25]。由圖4可知,在a區域中,樣品1富含2-甲?；?5-甲基噻吩、6-甲基-5-庚烯-2-酮、丙酮、3-戊酮、2-甲基-1-丁醇、二甲基二硫醚、1-丙醇、丁酸甲酯、苯乙烯等風味物質,而樣品2和樣品3相對缺少這些風味物質。b區域中,樣品2富含Z-3-己烯-1-醇、異丁醇、1-辛烯-3-醇、乙酸異戊酯、乙酸異丁酯、異丁酸乙酯、丙酸乙酯、己醛等風味物質,而樣品1和樣品3相對缺少這些風味物質。c區域中,樣品3富含3-甲基丁酸、2-戊酮、羥基丙酮、甲醇等風味物質,而樣品1和樣品2相對缺少這些風味物質。根據指紋圖譜還可以得出:樣品1和樣品3的共同風味物質有環己烯-2-酮;樣品2和樣品3的共同風味物質有2,3-戊二酮、己酸乙酯、甲酸乙酯、乙酸乙酯、乙縮醛[26-27]。

圖4 樣品的Gallery Plot圖(指紋圖)Fig.4 Gallery plot of samples (fingerprint)

通過整理不同樣品中的物質出峰位置及峰體積數據可以準確地得知:樣品1中6-甲基-5-庚烯-2-酮、2-辛酮、3-戊酮、2-甲基丁醛、E-2-庚烯醛、E-2-己烯醛、二甲基二硫醚、苯乙烯、苯、2-甲基-1-丁醇、1-丙醇、丁酸甲酯、丙酸、甲基吡嗪等物質的含量較高;樣品2中苯乙醛、2,3-二乙基-5-甲基吡嗪、1-辛烯-3-醇、Z-3-己烯-1-醇、2-辛醇、異丁醇、異戊醇、己醛、乙酸異戊酯、乙酸異丁酯、異丁酸乙酯、丙酸乙酯等物質的含量較高;樣品3中己酸乙酯、甲酸乙酯、2-戊酮等物質的含量較高[28]。

2.3 樣品的聚類分析(動態主成分分析PCA)

由圖5可知,青棗汁、棗汁酵母菌發酵產品和棗汁乳酸菌發酵產品3種樣品中各個區域內點之間的離散度都較小。青棗汁位于PC1的正向軸,棗汁酵母菌發酵產品和棗汁乳酸菌發酵產品都位于PC1的負向軸,且三者距離都很遠,表明青棗汁、棗汁酵母菌發酵產品和棗汁乳酸菌發酵產品三者的風味存在較大差異。由動態主成分分析圖可知,兩種主成分累計貢獻率為99%,這表明PCA分析既能有效地反映出樣品的整體信息,又能較好地區分出加入不同菌種的青棗發酵樣品[29]。

圖5 樣品的PCA分析圖Fig.5 PCA analysis diagram of samples

由圖6可知,棗汁酵母菌發酵產品、棗汁乳酸菌發酵產品和青棗汁樣品的距離都很遠,說明3種樣品的相似度較低,因此,3種樣品的風味相對來說差異較大。

圖6 樣品的最近鄰-歐氏距離圖(距離越近,相似度越高)Fig.6 Nearest neighbor-Euclidean distance diagram of samples (the closer the distance, the higher the similarity)

2.4 樣品的揮發性有機物定性分析(GC×IMS Library Search)

通過匹配GC-IMS數據庫,進而定性分析樣品中的揮發性有機物,見圖7～圖9。

李金枝的話把我弄糊涂了，我趕緊順著李金枝手指的方向看去。我腦袋里嗡了一下。即使沒戴眼鏡，我也知道自己是光著身子的。為了確認事實，我又用手摸了摸自己。壞了，真壞了，不僅光著身子，而且光得非常徹底，真正的一絲不掛。

圖7 青棗汁樣品氣相離子遷移Fig.7 Gas phase ion migration of green jujube juice samples

圖8 棗汁酵母菌發酵樣品氣相離子遷移Fig.8 Gas phase ion migration of jujube juice samples fermented by yeast

圖9 棗汁乳酸菌發酵樣品氣相離子遷移Fig.9 Gas phase ion migration of jujube juice samples fermented by lactic acid bacteria

由圖7～圖9可知,青棗汁、棗汁酵母菌發酵產品和棗汁乳酸菌發酵產品3種樣品都有45個揮發性化合物特征峰位置點。整理表2數據,共計檢測出44種揮發性成分,其中包括酯類9種、醇類11種、酮類8種、烯類1種、醛類8種、羧酸類2種、其他5種,其中一種化合物同時檢出了單體和二聚體,即辛酸乙酯[30]。

表2 鑒別不同樣品中的揮發性成分Table 2 Identification of volatile components in different samples

3 結論與討論

本文采用GC-IMS技術對青棗汁、棗汁酵母菌發酵產品和棗汁乳酸菌發酵產品進行揮發性有機物組成分析,根據揮發性有機物定性分析(GC×IMS Library Search)共計檢測出44種風味物質[31];采用氣相色譜-離子遷移譜技術構建揮發性有機物的風味指紋圖譜,獲得了不同樣品的揮發性化合物指紋譜圖,由此得出:鮮棗汁中6-甲基-5-庚烯-2-酮、2-辛酮、3-戊酮、2-甲基丁醛、E-2-庚烯醛、E-2-己烯醛、二甲基二硫醚、苯乙烯、苯、2-甲基-1-丁醇、1-丙醇、丁酸甲酯、丙酸、甲基吡嗪等物質的含量較高;棗汁酵母菌發酵產品中苯乙醛、2,3-二乙基-5-甲基吡嗪、1-辛烯-3-醇、Z-3-己烯-1-醇、2-辛醇、異丁醇、異戊醇、己醛、乙酸異戊酯、乙酸異丁酯、異丁酸乙酯、丙酸乙酯等物質的含量較高;棗汁乳酸菌發酵產品中己酸乙酯、甲酸乙酯、2-戊酮等物質的含量較高。采用動態主成分分析(PCA)方法對樣品進行聚類分析,可以有效地區分添加不同菌種的青棗汁發酵樣品。根據樣品的最近鄰-歐氏距離圖可以看出,棗汁酵母菌發酵產品、棗汁乳酸菌發酵產品和青棗汁樣品的距離都很遠,由此表明3種樣品的相似度較低,風味相對來說差異較大,為青棗發酵產品的相關研究提供了新的理論依據和數據支持[32-33]。