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不同鲜食甜糯玉米挥发性风味物质主成分分析

来源：花匠小妙招时间：2024-12-27 01:27

1 重庆市农业科学院,重庆 401329

2 农业部农产品质量安全监督检验测试中心(重庆),重庆 401329

*通讯作者:柯剑鸿,男,研究员,主要从事作物遗传育种研究。E-mail:120386080@qq.com

作者简介:褚能明,男,助理研究员,主要从事食品科学、仪器分析研究。E-mail:chunengming@126.com

收稿日期:2017-05-26接受日期:2017-07-08网络出版日期:2017-11-20

基金:

重庆市基础科学与前沿技术研究(cstc2016jcyjA0257),重庆市社会事业与民生保障科技创新专项(cstc2015shmszx80029),重庆市农业发展资金项目(NKY-2017AB009)

Principal Components Analysis for Volatility of Flavor Compositions in Different Fresh Sweet Glutinous Corn

1 Chongqing Academy of Agricultural Sciences, Chongqing 401329

2 Supervise and Test Center for Quality and Safety of Agricultural Products of Ministry of Agriculture(Chongqing), Chongqing 401329

Key words:fresh sweet glutinous corn;GC-MS;HS-SPME;flavor components;principal components analysis

优良的鲜食甜糯玉米蒸煮食用时, 除了糯性好、发甜、脆嫩外, 还有一种独特的香味, 这是甜糯玉米作为果蔬型玉米风味品质的重要体现。浓郁的香味是决定鲜食甜糯玉米品质的重要品种特性, 而鲜食甜糯玉米的选育只强调鲜穗产量、糯性和抗逆性等特性, 对影响食用品质的特异性香味的鉴定不够重视, 阻碍了鲜食甜糯玉米的产业化发展[1]。

在谷物香味研究方面, 稻米的香味物质研究比较成熟[2, 3, 4]。Champagne[5]综述了近30年人们在稻米香味物质方面的检测研究工作, 发现了近200种香味物质, 并确定了2-乙酰基-1-吡咯啉是其关键致香化合物。在玉米挥发性风味物质检测方面, Michael等[6]早在70年代就利用气相色谱-质谱联用(gas chromatography-mass spectrometry, GC-MS)开展了玉米中挥发性风味物质检测, 发现了其香味中含有甲醇、乙醛、乙醇、丙酮、戊醛、己醛、己醇等物质。Buttery等[7]通过同时蒸馏-萃取(simultaneous distillation extration, SDE)与GC-MS发现了甜玉米相关产品中2种关键芳香化合物, 2-乙酰基-1-吡咯啉和2-乙酰基-2-噻唑啉。国内学者也在玉米挥发性风味物质方面进行了大量研究, 发现玉米的挥发性风味由其含有的不同芳香物质及含量决定, 芳香物质又是不同挥发性物质组成的混合物, 主要包括醛类、醇类、萜类、酮类、酯类和含硫化合物等[8, 9, 10]。

食品中挥发性风味物质的提取方法主要包括溶剂直接提取法、蒸馏法、超临界萃取法、顶空法和固相微萃取法。近年来, 顶空-固相微萃取(head space-solid phase microextraction, HS-SPME)联用广泛应用于食品中挥发性风味物质的分析[11, 12, 13], 与传统方法比较, HS-SPME法对样品处理简单, 具有萃取温度温和、自动化、可在线萃取等特点, 能提高萃取物的可靠性、稳定性和准确性。主成分分析是食品风味物质多元统计方法中常用的一种数学手段[14, 15, 16], 是一种降维或者把多个指标转化为少数几个综合指标的一种方法, 其目的是简化数据和揭示变量间的关系[17]。宋江峰等[18]对甜糯玉米罐头挥发性风味物质进行多元统计分析, 结果表明不同品种甜糯玉米软罐头均有其特有的挥发性风味物质组合。但目前针对鲜食甜糯玉米香味检测并结合多元统计分析的研究仍鲜有报道。本研究通过建立鲜食甜糯玉米挥发性风味物质检测方法, 结合主成分分析方法, 研究鲜食甜糯玉米独特风味的主要影响因子, 旨在为鲜食甜糯玉米新品种选育提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

供试甜糯玉米品种分别为渝糯7号、渝糯9号、渝糯930、京科糯2000、粤甜16号、粤甜28号, 均取自重庆市农业科学院试验基地, 鲜样采回实验室后24 h内完成检测分析。

TSQ Quantum GC气相色谱-串联质谱联用仪, 美国ThermoFisher公司; TriPlus AS全自动顶空固相微萃取自动进样器, 美国ThermoFisher公司; T18匀浆仪, 德国IKA公司; 20 mL玻璃样品瓶(配有PTFE垫片钳口瓶), 美国Thermo Fisher公司; 50/30 μ m聚二甲基硅氧烷(DVB/CAR/PDMS) 萃取纤维头, 美国Supelco公司; C7~C30正构烷烃标准品(纯度在99%以上), 美国Supelco公司。

1.2 试验条件

色谱条件:DB-WAX 毛细管柱(30 m× 0.25 mm× 0.25 μ m); 载气He, 流速1.0 mL· min-1; 恒流模式; 起始柱温50℃, 保持3.5 min, 以5℃· min-1升至90℃, 无保留; 再以12℃· min-1升至220℃, 保持7 min。进样口温度为230℃, 进样方式为不分流, 传输线温度为280℃; SPME专用线性衬管(105 mm× 0.75 mm)。

质谱条件:电子轰击(EI)离子源, 电子能量70 eV, 离子源温度250℃, 灯丝电流50 μ A, 扫描模式为全扫描(SCAN), 扫描质量(m/z)范围为:40~450 u。

顶空-固相微萃取进样器条件:孵化模式设定为恒定模式, 样品孵化温度60℃, 孵化时间30 min, 孵化器底座每隔2 min自动振摇一次。萃取头老化温度250℃, 样品萃取时间30 min, 在气相进样口的解吸时间为2 min。

1.3 样品处理方法

称取100 g鲜玉米粒, 将新鲜的甜糯玉米粒用刀具简单切碎后, 加50 mL的纯水, 用匀浆仪在 10 000 r· min-1 条件下匀浆, 最后准确称取3.0 g匀浆后的样品放入20 mL顶空钳口进样瓶中, 用钳口工具压紧一次性聚四氟乙烯(PTFE)垫片和铝制瓶盖, 然后将样品瓶放入样品托盘中, 待自动顶空固相微萃取进样器设备就绪备用。仪器条件准备就绪后, 样品的萃取按照1.2中设定的条件进行, 萃取完成后萃取头插入进样口, 软件会自动触发GC-MS同时进行扫描。

1.4 风味物质定性定量方法

定性:将GC-MS采集到的样品全扫描质量图谱中的每个色谱峰, 与NIST Library(2014)中标准图谱进行匹配性检索, 以反相匹配度大于750(最大值1 000)的匹配结果作为鉴定结果; 同时在同样的色谱条件下测定正构烷烃的保留时间, 将换算出每种化合物的保留指数与NIST官方网站[19]上的同类型的色谱柱保留指数比较, 以进一步确证2种定性方法的一致性。

定量:化合物按峰面积归一化法计算相对百分含量。

1.5 数据分析方法

运用SPSS 22.0和SIMCA 13.0软件中的主成分分析功能, 对所得数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 色谱柱和萃取头的选择

本试验选用固定相为聚乙二醇的极性毛细管色谱柱, 这种色谱柱比较适合分析醇类、醛类和酯类等风味物质[20], 结合在线顶空-固相微萃取(HS-SPME)技术对鲜食甜糯玉米的主要挥发性风味物质进行了分析。SPME技术中的固相萃取纤维头的灵敏度和极性直接影响分析结果的准确性, 根据分析的对象和查阅文献[21], 选择了极性范围较广的、适用于分子质量在40~275 u范围的小分子香味物质分析的DVB/CAR/PDMS萃取头。6种甜糯玉米品种挥发性风味物质的GC-MS全扫描总离子流图见图1。

2.2 鲜食甜糯玉米主要挥发性风味物质成分

本试验总采集6个玉米品种, 每个品种采集5个重复样品, 共计30个样品。利用在线HS-SPME技术收集鲜食甜糯玉米的香气物质, GC-MS法分析测定, 各成分经NIST2014库检索和保留指数定性, 6种甜糯玉米品种共计定性出42种挥发性风味物质(表1)。表1中鉴定出的风味物质仅有个别未查询到保留指数, 如2-己基-1-癸醇和2-甲基-1-十六醇, 其他没有查询到保留指数的物质主要是一些烷烃类的化合物, 该类物质在非极性色谱柱上有保留指数, 而在极性色谱柱(本试验使用的极性色谱柱)上未见相关报道。

应用峰面积归一化法对每种风味成分进行定量, 由表1可知, 各供试品种化合物相对百分含量在2以上的分别为:渝糯7号(7种):3-甲基-呋喃、乙醇、2, 6, 10-三甲基十二烷、十五烷、十六烷、十七烷、橙花叔醇; 渝糯9号(8种):乙醇、1-戊醇、十四烷、2, 6, 10-三甲基十二烷、十五烷、十六烷、2, 6, 10-三甲基十五烷、十七烷; 渝糯930号(6种):乙醇、己醛、1-辛烯-3-醇、十五烷、十六烷、十七烷; 京科糯2 000号(3种):十五烷、十六烷、雪松醇; 粤甜16号(5种):3-羟基-2-丁酮、十五烷、2, 3-丁二醇、十六烷、棕榈酸乙酯; 粤甜28号(5种):3-羟基-2-丁酮、2, 3-丁二醇、十六烷、罗汉柏烯、2-甲基-1-十六醇。综上, 每个品种所含高阈值化合物的数量均不同, 总体来说糯玉米品种比甜玉米品种高, 且糯玉米品种的烷烃含量较高, 甜玉米含量高的化合物种类区别不大。

表1 甜糯玉米主要挥发性风味成分和平均相对含量 Table 1 Main volatile flavor components and average relative of sweet glutinous corn

2.3 主成分分析

SPSS统计软件是广泛应用于统计学分析运算、数据挖掘、预测分析和决策支持任务的软件, 运用SPSS软件进行主成分分析的研究已有广泛报道[22, 23, 24]。近年来, 应用模式识别软件SIMCA进行标志物识别[25]研究正逐渐兴起, 该软件是一款专注于主成分分析和偏最小二乘法判别功能的软件, 它的作图功能相比SPSS软件要简单易用。本试验结合运用2种软件中的优势功能, 对所得数据进行分析。

在多个指标的综合评价中, 主成分分析能够消除各指标间的相互影响, 客观评价样品的相对地位。本试验利用数据分析软件中的分析统计功能, 以6种鲜食甜糯玉米的GC-MS全扫描数据为分析对象, 将表2中42种挥发性风味化合物相对百分含量进行数据标准化处理后进行主成分分析(表2~表4)。由表2可知, 有4个主成分的特征值大于4, 总累积方差贡献率为89.872%, 基本代表了这几种鲜食甜糯玉米的主要香味物质的主成分。各主成分的特征值和贡献率分别为:第1主成分为15.082%、35.909%, 第2主成分为9.562%、22.767%, 第3主成分为7.861%、18.717%, 第4主成分为5.241%、12.479%。

主成分载荷矩阵显示的是各变量指标与各主成分之间的关系, 数值的绝对值越大, 表明此指标与某一主成分的联系紧密程度越大, 反映了该指标在某一主成分上的载荷程度。由表3可知, 第1主成分与十七烷、十六烷、2-己基-1-癸醇、3-甲基-呋喃、1-戊醇、橙花叔醇呈高度正相关, 与2, 3-丁二醇呈高度负相关。第2主成分与叶醇、庚醛、2, 3-二氢苯并呋喃、3-甲基-2-丁烯醛、2-甲基-3-辛酮、异戊醇呈高度正相关。第3主成分与金合欢醇、雪松醇、辛酸呈高度正相关。第1主成分和第2主成分的累计贡献率为58.676%, 说明这2个主成分的对甜糯玉米的香味贡献超过一半。因此, 可以认为十七烷、十六烷、2-己基-1-癸醇、3-甲基-呋喃、1-戊醇、橙花叔醇、叶醇、庚醛、2, 3-二氢苯并呋喃、3-甲基-2-丁烯醛、2-甲基-3-辛酮、异戊醇等12种化合物是甜糯玉米挥发性风味物质的主要特征化合物。

十七烷对第1主成分贡献最大, 载荷值为0.956, 其次为十六烷、2-己基-1-癸醇、3-甲基-呋喃、1-戊醇, 载荷值分别为0.943、0.890、0.853、0.838, 说明第1主成分代表十七烷、十六烷、2-己基-1-癸醇、3-甲基-呋喃、1-戊醇等化合物。叶醇对第2主成分贡献最大, 载荷值为0.928, 其次为庚醛, 载荷值为0.882, 说明第2主成分代表叶醇和庚醛。乙酸乙酯对第3主成分贡献最大, 载荷值为0.602, 其次为2, 6, 11-三甲基十二烷, 载荷值为0.579, 说明第3主成分代表乙酸乙酯和2, 6, 11-三甲基十二烷。甲基庚烯酮对第4主成分贡献最大, 载荷值为0.746, 其次为2, 6, 11-三甲基十二烷, 载荷值为0.685, 说明第4主成分代表甲基庚烯酮和2, 6, 11-三甲基十二烷。

2, 3-丁二醇对第1主成分贡献最小, 载荷值为-0.816。3-羟基甲基丙烷、2-正戊基呋喃对第2主成分贡献最小, 载荷值分别为-0.537、-0.535。雪松醇、金合欢醇、辛酸对第3主成分贡献最小, 载荷值分别为-0.939、-0.939、-0.884。十五烷对第4主成分贡献最小, 载荷值为-0.586。载荷值小的化合物对玉米的挥发性风味贡献小, 同时也表明它的含量极低或者未被检出。

由表4可知, 第1主成分得分最高的为渝糯7号, 得分为3.86; 第2主成分得分最高的为渝糯9号, 得分为5.70; 第3主成分得分最高的是粤甜16, 得分为3.45; 第4主成分得分最高的为渝糯930号, 得分为2.85。说明第1主成分代表了渝糯7号, 第2主成分代表了渝糯9号, 第3主成分代表了粤甜16号, 第4主成分主要代表了渝糯930号。

表2 4个主成分特征值及贡献率 Table 2 Eigenvalues of 4 principal components and their cumulative contribution 表3 甜糯玉米主要挥发性风味物质主成分载荷矩阵 Table 3 Principal component loading matrix of flavor composition in sweet glutinous corn 表4 6种甜糯玉米主成分得分 Table 4 Principal component scores of 6 sweet glutinous corn

第1主成分和第2主成分对供试玉米的香味贡献率接近60%, 以这2种主成分为坐标, 挥发性风味成分为变量组, 将上述数据导入到数学统计软件中, 考察它们在第1主成分和第2主成分上的空间分布情况。由图2可知, 渝糯7号和渝糯930号在同一象限, 渝糯9号为一象限, 粤甜16号和粤甜28号同在一个象限, 京科糯2 000号介于这些品种之间。由图3可知, 与主成分分布图具有基本的一致性趋势, 渝糯7号和渝糯930号代表的特征变量组分为十六烷、3-甲基-呋喃、1-戊醇、橙花叔醇、甲基庚烯酮等化合物; 渝糯9号代表的特征变量组分主要是叶醇、庚醛、异戊醇、正己醇等化合物; 粤甜16号和粤甜28号代表的特征变量组分主要是乙酸乙酯、2, 6, 11-三甲基十二烷、罗汉柏烯、2, 3-丁二醇、3-羟基-2-丁酮等化合物。

3 讨论

食品中挥发性风味物质分析关键在于挥发性物质的分离和萃取, 固相微萃取法集萃取、浓缩、解吸于一体, 具有方便、快捷、样品用量少、不使用有机溶剂等特点, 避免了一些不稳定风味物质分解等问题, 与顶空技术联用提高了对挥发性风味物质的富集效率, 是目前应用于挥发性风味物质的分析和检测主要技术手段。

挥发性香味物质的构成和含量是决定其香味的关键, 其中有真正起赋味作用化合物占主导作用, 也有对香味起修饰作用的物质, 而不是由某种单一化合物决定的。同时, 农产品中挥发性风味物质的构成和特征受品种的影响较大[25], 这些挥发性风味成分的不同, 在一定程度上说明了品种之间的差异。主成分分析可以大体看出对风味起主要贡献的一组风味化合物。本研究利用多元统计分析软件, 对不同鲜食甜糯玉米挥发性风味成分进行分析, 结果表明, 渝糯7号主要挥发性风味成分是十七烷、十六烷、2-己基-1-癸醇、3-甲基-呋喃、1-戊醇; 渝糯9号主要挥发性风味成分是叶醇、庚醛、2, 3-二氢苯并呋喃、3-甲基-2-丁烯醛、2-甲基-3-辛酮; 渝糯930号主要挥发性风味成分是甲基庚烯酮、2, 6, 11-三甲基十二烷、2-(十八氧基)乙醇; 粤甜16号主要挥发性风味成分是金合欢醇、雪松醇、辛酸。

大多数谷物类的挥发性风味成分主要构成有醇类、醛类、酮类、酯类、烃类、有机酸类以及杂环类化合物等[26, 27], 本研究的鉴定结果也验证了这一点。本研究发现, 几种供试鲜食玉米中, 醇类和烃类的含量比重较大, 占总检出物质的52%。醇类物质在本研究中共发现了13种, 占所鉴定出风味物质的31%。植物中的醇类大多具有特殊的香味, 特别是低级醇, 如橙花叔醇, 具有清甜柔美的橙花气息, 带有像玫瑰、铃兰和苹果花的气息, 一般在香味中起协调作用。烃类检出9种, 占总检出物质的21%, 其中仅十六烷一种烃类在6种供试品种中的含量在4.28%~8.94%之间。烃类并不具有香味的属性。在本研究中, 尽管各类烷烃的含量较高, 其相应的风味阈值也较高, 但对风味贡献不大。烷烃作为植物蜡质重要组成部分之一在自然界植物的叶、茎、花以及果实等器官和组织的表面广泛存在, 常应用于植物个体差异性和种群多样性研究[28]。

综上, 含量大的化合物并不一定具有香味的属性, 说明风味的决定还有很多含量极少、起修饰和协调作用的化合物, 因此如何在统计学上表达这类物质的权重还需进一步研究。

4 结论

通过顶空-固相微萃取(HS-SPME)与气相色谱-质谱仪(GC-MS)联用, 建立了鲜食甜糯玉米中挥发性风味成分的分析方法, 共检出醇类物质13种(31%)、烃类9种(21%)、杂环类6种(14%)、酮类5种(12%)、醛类4种(10%)、酯类3种(7%)、有机酸2种(5%)。利用多元统计软件分析了6个不同鲜食甜糯玉米品种挥发性风味物质的主成分, 结果表明, 渝糯7号主要挥发性风味成分是十七烷、十六烷、2-己基-1-癸醇、3-甲基-呋喃、1-戊醇; 渝糯9号主要挥发性风味成分为叶醇、庚醛、2, 3-二氢苯并呋喃、3-甲基-2-丁烯醛、2-甲基-3-辛酮; 渝糯930号主要挥发性风味成分是甲基庚烯酮、2, 6, 11-三甲基十二烷、2-(十八氧基)乙醇; 粤甜16号主要挥发性风味成分是金合欢醇、雪松醇、辛酸。该研究表明了不同品种的鲜食甜糯玉米风味物质之间的差别, 为鲜食甜糯玉米品种的选育提供了一定的理论依据。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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