基于GC-IMS技術(shù)分析小麥粉儲存過程中揮發(fā)性物質(zhì)的變化

許 諾, 咼 琴, 高玉樹, 劉小熙, 蘇曉萌, 李 輝, 孫艷雯, 閆 飛

(北京市食品檢驗(yàn)研究院(北京市食品安全監(jiān)控和風(fēng)險評估中心)1,北京 100094)

(北京首農(nóng)食品集團(tuán)有限公司2,北京 100102)

(北京市房山糧油貿(mào)易有限公司3,北京 100055)

小麥粉作為我國主要成品糧之一,通常不會長期儲藏,但是近年來受旱澇災(zāi)害影響,為應(yīng)對突發(fā)情況,會儲存一定數(shù)量作為儲備糧,并且從國家糧食戰(zhàn)略儲備方面來講,小麥粉的安全儲備也具有重大意義。隨著存儲時間的延長,小麥粉的品質(zhì)會發(fā)生不同程度的變化,揮發(fā)性物質(zhì)種類和含量也隨之發(fā)生變化,最終導(dǎo)致不良風(fēng)味的產(chǎn)生[1,2]。小麥粉儲藏期風(fēng)味及品質(zhì)變化研究,可以為指導(dǎo)儲備糧動態(tài)輪換提供參考。

以往對小麥粉風(fēng)味變化的研究測定方法主要是氣相色譜(GC)及氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(GC-MS),這些方法通常需要與固相微萃取技術(shù)(SPME)聯(lián)用,對于痕量組分的檢測,存在靈敏度低、檢測成本高等問題[3]。氣相色譜-離子遷移譜技術(shù)(GC-IMS)作為一種新的聯(lián)用技術(shù),具備分離度高、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)[4,5],樣品預(yù)處理簡單甚至無需前處理,在常壓下通過氣相色譜進(jìn)行預(yù)分離后進(jìn)入遷移譜檢測器進(jìn)行檢測,微量揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)在短時間內(nèi)便可被檢測到。GC-IMS技術(shù)在糧食儲藏條件優(yōu)化、產(chǎn)地溯源等方面有較多應(yīng)用[6-9],但關(guān)于小麥粉儲藏期風(fēng)味變化的研究仍較少。

在儲藏過程中最受關(guān)注的是小麥粉食用品質(zhì)的變化,目前可以通過人工感官品評實(shí)驗(yàn)進(jìn)行量化,此種手段存在一定主觀性且品評人員需要經(jīng)過長時間的培訓(xùn)和練習(xí),利用GC-IMS技術(shù)對揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)進(jìn)行分析實(shí)現(xiàn)了對小麥粉中的“香”更為直觀的分析。研究運(yùn)用GC-IMS技術(shù)快速檢測小麥粉中揮發(fā)性物質(zhì),通過主成分分析PCA和偏最小二乘-判別分析OPLS-DA判別不同儲藏時期的小麥粉。同時結(jié)合小麥粉儲藏時期脂肪酸值和品嘗評分值多角度動態(tài)分析小麥粉存儲中的變化,從而更好地控制儲藏條件,更科學(xué)地調(diào)整儲備糧輪換周期。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

小麥粉:產(chǎn)地山東省,等級為GB/T 1355—1986 特制二等,25 kg/袋,總質(zhì)量大于1 000 t。生產(chǎn)完成后60 d內(nèi)進(jìn)行入庫儲藏,倉房類型為高大平房倉。苯:分析純;95%乙醇:優(yōu)級純;氫氧化鉀滴定溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。

1.2 主要儀器和設(shè)備

FlavourSpec?氣相離子遷移譜聯(lián)用儀,FD115熱鼓風(fēng)循環(huán)干燥箱,JXFD7醒發(fā)箱,JCXZ面團(tuán)成型機(jī),BVM食品體積儀。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 小麥粉的存儲和取樣

小麥粉2021年3月入庫,儲藏地點(diǎn)為北京,儲藏時間150 d,在倉房四角和中心放置托盤垛進(jìn)行碼放,每隔30 d倒垛1次。每隔30 d進(jìn)行倒包和拆包相結(jié)合的取樣測定,不少于總包數(shù)3%,保證樣品代表性。倉房控溫控濕技術(shù)參照DB11/T 1953—2022,同時對倉房內(nèi)的溫度濕度進(jìn)行記錄。

1.3.2 小麥粉質(zhì)量及儲存指標(biāo)的測定

小麥粉水分含量按GB 5009.3—2016中第一法測定,脂肪酸值按GB/T 5510—2011測定,品嘗評分值的測定參照GB/T 20571—2006制作饅頭。

表1 饅頭感官評價表

1.3.3 小麥粉揮發(fā)性有機(jī)物的測定

稱取2.0 g小麥粉樣品置于20 mL頂空瓶中,封口,用于GC-IMS分析。

1.3.4 GC-IMS 檢測條件

色譜柱類型:FS-SE-54-CB-1(15 m×0.53 mm,1 μm),柱溫60 ℃,采用自動頂空進(jìn)樣,進(jìn)樣體積500 μL,孵育時間20 min,孵育溫度60 ℃,進(jìn)樣針溫度85 ℃,孵化轉(zhuǎn)速500 r/min,載氣/漂移氣為N2,分析時間30 min。流速:初始2 mL/min,保持2 min后在10 min內(nèi)線性增至6 mL/min,在15 min內(nèi)增至15 mL/min,在20 min內(nèi)增至100 mL/min,之后再30 min內(nèi)增至150 mL/min。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Flavour Spec儀器配套的分析軟件LAV(Laboratory Analytical Viewer)以及GC-IMS Library Search軟件內(nèi)置的NIST 2021數(shù)據(jù)庫和IMS數(shù)據(jù)庫對測定到的揮發(fā)性有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行定性分析,運(yùn)用LAV中Reporter插件構(gòu)建揮發(fā)性有機(jī)物質(zhì)差異圖譜,運(yùn)用Gallery插件生成揮發(fā)性有機(jī)物質(zhì)指紋圖譜。使用SIMCA 14.1軟件進(jìn)行OPLS-DA、PLSR及模型評價分析。使用Microsoft Excel和SPSS軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理及統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 GC-IMS三維譜圖分析

圖1為小麥粉在儲藏30、150 d的GC-IMS三維譜圖。圖1中反應(yīng)離子峰(reaction ion peak, RIP)右側(cè)的每一個點(diǎn)代表一種揮發(fā)性物質(zhì),可以看出,揮發(fā)性有機(jī)物種類和濃度都發(fā)生了變化,小麥粉儲藏30 d與150 d時的三維譜圖有明顯不同。直接對比圖1中黑色圓圈區(qū)域可發(fā)現(xiàn),小麥粉儲藏30 d時檢測到的揮發(fā)性有機(jī)物信號峰明顯比150 d時更多,且該區(qū)域內(nèi)30 d時檢測的信號峰響應(yīng)值更高。這部分揮發(fā)性物質(zhì)在氣相色譜上保留時間較低,說明相對分子質(zhì)量較小的一些成分隨儲藏時間延長含量呈下降趨勢。

圖1 不同儲藏時間的小麥粉揮發(fā)性有機(jī)物質(zhì)的GC-IMS三維圖譜

2.2 GC-IMS指紋譜圖分析

利用LAV軟件內(nèi)置的NIST數(shù)據(jù)庫和IMS數(shù)據(jù)庫對揮發(fā)性有機(jī)物進(jìn)行定性分析,共定性出37種揮發(fā)性物質(zhì),其中醇類13種、醛類8種、酯類7種、酮類5種、酸類3種、呋喃類化合物1種,定性分析后得到表2。表2中的覺察閾值均是揮發(fā)性物質(zhì)在空氣介質(zhì)中的嗅覺閾值數(shù)據(jù)[10]。

表2 指紋圖譜中特征峰對應(yīng)的化合物

揮發(fā)性化合物的定量分析由IMS計算的峰體積表示,含量分布如圖2所示。儲藏期間小麥粉樣品中揮發(fā)性化合物含量最高的均為醇類化合物,占比40%以上,醇類中戊醇、正己醇、丁醇含量較高。其次是醛類化合物,占比30%左右,其中己醛和丁醛含量較高。而酸類和呋喃類化合物占比很少,均在5%以下。小麥粉揮發(fā)性物質(zhì)以醇類和醛類為主,與前人的研究結(jié)果一致[11,12]。

圖2 不同儲藏時間的小麥粉揮發(fā)性成分種類和含量

為研究小麥粉在儲藏過程中揮發(fā)性有機(jī)物發(fā)生的變化,運(yùn)用LAV軟件中Gallery插件生成指紋圖譜,得到圖3。指紋圖譜中每一個斑點(diǎn)代表一種揮發(fā)性有機(jī)物,其中點(diǎn)的顏色代表物質(zhì)的濃度,顏色越深(紅)濃度越高,反之越淺濃度越低。橫向一行為一個樣品中所選揮發(fā)性有機(jī)物,縱向一列為同一物質(zhì)在不同樣品中的含量。從圖3可以看到樣品間揮發(fā)性有機(jī)物含量的差異。

圖3 不同儲藏時間的小麥粉揮發(fā)性有機(jī)物質(zhì)的指紋圖譜

在儲藏過程中,大部分成分在整個儲藏過程中都能檢測到,有的成分僅在儲藏前期能檢測到,而有的成分在初期濃度很低,儲藏過程中逐漸增加。根據(jù)揮發(fā)性有機(jī)物的濃度隨儲存時間增長而產(chǎn)生的變化規(guī)律,在圖3指紋圖譜上劃分了A、B及其他3個區(qū)域。A區(qū)揮發(fā)性物質(zhì)的含量在小麥粉儲存過程中呈降低趨勢,B區(qū)則呈增高趨勢,其他區(qū)域在儲藏過程中未觀察到明顯變化。

小麥粉揮發(fā)性物質(zhì)變化規(guī)律表明,在0～150 d儲存過程中,揮發(fā)性物質(zhì)變化可以較為明顯的分為3個階段:0～60 d為第一階段,這個階段內(nèi)小麥粉揮發(fā)性有機(jī)物的變化較小;60～120 d內(nèi)為第二階段,這個階段小麥粉揮發(fā)性有機(jī)物變化明顯,A區(qū)物質(zhì)明顯降低,至120 d時,指紋圖譜中異丙醇、丙醇、乙酸乙酯的特征斑點(diǎn)已觀查不到,而B區(qū)物質(zhì)含量均明顯增大;120～150 d內(nèi)為第三階段,這個階段內(nèi)B區(qū)小麥粉揮發(fā)性有機(jī)物含量急劇增大。A區(qū)的揮發(fā)性物質(zhì)由醛類、醇類、酯類、酸類、酮類組成。其中相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高的是醛類,為51%～60%,己醛、正丁醛、異丁醛的含量相對較高。其次是醇類,占比26%～34%,戊醇、2-甲基丙醇的含量相對較高。酯類、酸類、酮類均占比5%以內(nèi)。B區(qū)的揮發(fā)性物質(zhì)由醇類、酯類、醛類、酸類組成。其中相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高的是醇類,為36%～47%,(E)-2-己烯-1-醇、2-乙基-1-己醇的含量相對較高。其次是酯類,占比19%～23%,包括己酸異戊酯和γ-丁內(nèi)酯。醛類為18%～21%,包括(E)-2-辛烯醛和2-庚烯醛。酸類為13%～20%,包括己酸和異戊酸。

小麥粉中醛類揮發(fā)性物質(zhì)較豐富,大多數(shù)醛是由不飽和脂肪酸氧化產(chǎn)生的,而醛類的閾值普遍較低,具有特殊氣味,例如C4醛具有強(qiáng)烈刺激性氣味,C5醛具有青草氣味或油蠟氣味[13,14]。小麥粉樣品檢測出的戊醛也是陳米不良?xì)馕兜闹饕煞諿15]。小麥粉中庚醛含量基本無變化,正丁醛、異丁醛、戊醛、己醛等在第二階段逐漸減少,2-庚烯醛則增強(qiáng)。張康逸等[16]的研究中也曾報道過己醛、庚醛、(E)-2-辛烯醛是構(gòu)成青麥脂肪香氣的主要揮發(fā)性成分。

醇類主要來源于脂肪的氧化分解,大部分醇類無特殊氣味且嗅覺閾值較高,對糧食風(fēng)味貢獻(xiàn)不強(qiáng)。不同儲藏時間小麥粉樣品均檢測出正己醇、1-辛烯-3-醇、3-甲基-3-丁烯-1-醇,且含量沒有明顯變化。小麥粉中醇類物質(zhì)相對含量較高,其中正己醇已被發(fā)現(xiàn)在小麥粉中含量最高[11],而具有蘑菇氣味且閾值較低的1-辛烯-3-醇已被證實(shí)為許多糧食的特征香氣成分[17-19]。

小麥粉中的酮類同樣來源于脂質(zhì)氧化降解,也可由微生物引起。酸酯類揮發(fā)物由醇類和脂肪酸縮合而成,通常具有明顯香氣。酯類香味閾值較高,可能對小麥粉氣味貢獻(xiàn)不大,但其中的部分化合物是形成雜環(huán)化合物的重要中間體物質(zhì),對形成小麥粉揮發(fā)性成分依然具有重要作用。小麥粉樣品中檢測到的其他物質(zhì),例如雜環(huán)化合物2-戊基呋喃,是亞油酸氧化及還原糖降解產(chǎn)物[20],具有蔬菜芳香且閾值相對較低,已有研究證實(shí)2-戊基呋喃是構(gòu)成小麥麥香的關(guān)鍵風(fēng)味物質(zhì)之一[21]。

2.3 小麥粉揮發(fā)性主成分及其與儲存指標(biāo)相關(guān)性分析

2.3.1 揮發(fā)性有機(jī)物的PCA和OPLS-DA

通過圖3指紋圖譜中各個特征區(qū)域的對比分析可以判別出儲存時間不同的小麥粉中存在的風(fēng)味差異,但仍受限于觀察者的主觀性,為了更好地實(shí)現(xiàn)GC-IMS三維譜圖的數(shù)字化表達(dá),通過LAV內(nèi)置PCA插件進(jìn)行數(shù)據(jù)降維[22]完成主成分分析,得到圖4a。每個主成分的貢獻(xiàn)率在軸PC1和PC2后標(biāo)注,PC1的貢獻(xiàn)率為59%,PC2的貢獻(xiàn)率為13%,前2個主成分之和為72%,代表了原始數(shù)據(jù)中大部分的信息。通過二維平面數(shù)據(jù)點(diǎn)分布情況可直接觀察到不同的儲存時間形成的差異。

圖4 不同儲藏時間的小麥粉的PCA和OPLS-DA結(jié)果

觀察圖4a可發(fā)現(xiàn),儲存時間0～60 d內(nèi),小麥粉信號點(diǎn)分布在第二、三象限且較為集中,當(dāng)儲存時間達(dá)到90～120 d時,小麥粉信號點(diǎn)分布在第一、四象限且分布距離均較遠(yuǎn),區(qū)分已經(jīng)非常明顯,說明在儲存期60 d內(nèi)的小麥粉風(fēng)味與90 d后的小麥粉樣品香氣組分具有明顯差異,并且在90～150 d儲存期間風(fēng)味變化的區(qū)分度十分顯著。

依據(jù)變量重要性投影,將每個檢測出的揮發(fā)性有機(jī)物對小麥粉儲藏期分組的貢獻(xiàn)進(jìn)行量化,得到VIP值。VIP值越大,說明在不同儲藏期揮發(fā)性有機(jī)物差異越顯著。通常采用VIP值大于1的標(biāo)準(zhǔn)[24],篩選出14種差異揮發(fā)性有機(jī)物,分別為苯乙醇、正己醇、2-乙基-1-己醇、2-庚烯醛、乙酸丁酯、3-辛醇、3-甲基丁醛、乙酸己酯、γ-丁內(nèi)酯、己酸、3-甲基-3-丁烯、1-辛烯-3-醇、(E)-2-己烯-1-醇、2-己酮。

2.3.2 結(jié)合小麥粉中水分含量及脂肪酸值分析對揮發(fā)性物質(zhì)變化的影響

觀察圖5小麥粉水質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨儲存時間的變化圖可發(fā)現(xiàn),在小麥粉樣品中水質(zhì)量分?jǐn)?shù)在11.8%～13.9%范圍內(nèi)變化,0～60 d內(nèi)變化較小,60 d后逐漸降低。小麥粉在冬季入庫,0～90 d儲存溫度貼近自然存放條件,在90～150 d控制溫度在20 ℃以下,儲存濕度控制在50%～65%。

圖5 小麥粉水質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨儲存時間的變化

大多數(shù)與食品有關(guān)的品質(zhì)變化都遵循零級或一級反應(yīng)動力學(xué)規(guī)律[25,26]。通過化學(xué)計量手段測定得到小麥粉中脂肪酸值數(shù)據(jù)結(jié)果,將脂肪酸值測定數(shù)據(jù)與儲存時間以線性方程處理,基于零級和一級反應(yīng)模式進(jìn)行擬合后的相關(guān)系數(shù)分別為0.994和0.999,說明脂肪酸值含量變化符合動力學(xué)一級反應(yīng)。繪制小麥粉中脂肪酸值、日增值、反應(yīng)速率隨儲存時間的變化圖,得到圖6。

圖6 小麥粉中脂肪酸值隨儲存時間的變化

小麥粉中的不飽和脂肪酸在存儲過程中會發(fā)生氧化水解反應(yīng),產(chǎn)生游離脂肪酸,小分子的游離酸也具有揮發(fā)性。脂質(zhì)的氧化產(chǎn)生醛酮類小分子揮發(fā)性成分,脂質(zhì)的水解作用會使脂肪酸值增高[27]。因此,小麥粉儲藏過程中脂肪酸值與揮發(fā)性有機(jī)物質(zhì)含量有非常高的正相關(guān)性。觀察圖6可發(fā)現(xiàn),90 d后反應(yīng)速率常數(shù)k由減小逐漸變?yōu)樵龃蟆Ｒ疬@一變化的原因可能是小麥粉儲存溫度的提高,90 d后儲存溫度升至20 ℃左右。此外,小麥粉在儲存第二和第三階段(60～150 d)內(nèi)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸降低,含水量變低很可能提高自動氧化的速率,具有3個以上雙鏈脂肪酸,如二十碳五烯酸可氧化為庚烯醛等小分子醛類[28],這也與GC-IMS測定結(jié)果一致。儲藏150 d時,脂肪酸值(以mgKOH/100 g計)升至63.05±1.85,以該反應(yīng)模型推算,后續(xù)一個月脂肪酸值將接近小麥粉標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定上限80 mgKOH/100 g,因此在儲藏期150 d時可以考慮準(zhǔn)備小麥粉的出庫輪換。

2.3.3 小麥粉品嘗評分值與揮發(fā)性有機(jī)物質(zhì)相關(guān)性

由5名經(jīng)過培訓(xùn)的感官評價人員根據(jù)表2對饅頭的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行打分,對每次評價取平均值。根據(jù)評價結(jié)果繪制雷達(dá)圖,得到圖7。在0～60 d儲存期間,即第一階段內(nèi),饅頭評分值總分在78～82分,韌性、黏性在入庫0 d時評分值最高,氣味、食味30 d時評分最高,而色澤、彈性在60 d時評分最高。這一階段內(nèi)評分值區(qū)分度不大。在60～120 d即第二階段內(nèi),饅頭的氣味、食味評分迅速降低。當(dāng)儲藏期150 d時,樣品饅頭的彈性、黏性評分已小于6分,氣味、食味、韌性小于7分,總分降至63分,小麥粉樣品已經(jīng)達(dá)到輕度不宜存的程度。以GC-IMS信號值作為表征變量,將樣品特征峰體積信號值形成一個矩陣,可通過PLSR建立小麥粉揮發(fā)性物質(zhì)與品嘗評分值的預(yù)測模型[15]。利用檢測出的50個揮發(fā)性有機(jī)物的峰體積與品嘗評分實(shí)測值進(jìn)行線性回歸分析,得到的品嘗評分值預(yù)測值與實(shí)測值的相關(guān)系數(shù)R=0.985,表明基于小麥粉揮發(fā)性有機(jī)物可以較準(zhǔn)確的預(yù)測小麥粉品嘗評分值。但由于數(shù)據(jù)較少,建模時使用了全部樣品作為校正集,后續(xù)需擴(kuò)大樣品數(shù)量,對模型進(jìn)行優(yōu)化。

圖7 不同儲存時間小麥粉饅頭的感官評價雷達(dá)圖

對不同儲藏時間小麥粉樣品的揮發(fā)性有機(jī)物及儲存品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行熱圖聚類分析后得到圖8。經(jīng)分析可知,0～60 d的樣品和90～150 d的樣品有明顯區(qū)別,6個不同儲存時間的樣品可直接分為2個大組,而90～150 d的樣品又可分為90～120 d與150 d2個小組。這與通過指紋圖譜變化分的3個階段是一致的。

注:Y軸為已定性的揮發(fā)性有機(jī)物、水質(zhì)量分?jǐn)?shù)、脂肪酸值、品嘗評分值,X軸為不同儲藏時間的小麥粉樣品。

觀察圖8可發(fā)現(xiàn),從聚類分析上,小麥粉中異戊酸、γ-丁內(nèi)酯的變化規(guī)律與脂肪酸值最為接近,后期可以通過增加樣品數(shù)量,觀察這2種物質(zhì)是否可以模擬代替脂肪酸值指標(biāo)來直接預(yù)測小麥粉貨架期。

3 結(jié)論

研究采用GC-IMS技術(shù)對小麥粉儲藏過程中揮發(fā)性有機(jī)物質(zhì)的變化進(jìn)行分析,共鑒定出37種揮發(fā)性物質(zhì),包括醇類、醛類、酯類、酮類、酸類和呋喃類化合物。其中醇類物質(zhì)相對含量最高,醛類和酯類次之。在不經(jīng)過樣品前處理的條件下GC-IMS可快速檢測小麥粉中的揮發(fā)性有機(jī)物,通過主成分分析和偏最小二乘-判別分析可判斷小麥粉的儲藏期,熱圖聚類分析也可以明顯將儲藏前后期的樣品分開。利用GC-IMS對小麥粉儲藏過程的分析結(jié)果與化學(xué)計量測定手段和感官評價手段的分析結(jié)果一致,為小麥粉儲藏期鑒定提供了參考。