基于SPME-GC-MS分析不同干燥方式对香葱挥发性成分的影响

田 震,徐亚元,李大婧,刘春泉,宋江峰,刘 阚,胡 奇,肖亚冬，*,郁志芳

(1.南京农业大学食品科技学院,江苏南京 210095; 2.江苏省农业科学院农产品加工研究所,江苏南京 210014; 3.江苏中烟工业有限责任公司南京卷烟厂,江苏南京 210012)

香葱属于百合科葱属植物[1],因其独特的风味以及对健康的有益作用成为国内使用最广泛的调味料之一。香葱的有益特性是因为其含有的有机硫化物,主要包括硫代亚硫酸盐和含硫的挥发性成分。其中,含硫化合物是香葱中主要的挥发性化合物,是由香葱本身固有的蒜氨酸酶与蒜氨酸之间的反应生成。而蒜素酶又会催化蒜素发生水解产生含硫的挥发性风味物质,包括一硫化物、二硫化物和三硫化物[2]。化合物类型不同对香葱风味贡献程度也不会不同,如具有含氧基团、含氮基团、芳香基团等发香基团的化合物对香葱的香气都会产生影响[3]。

新鲜香葱含水量高达90%,如贮存不当极易在短时间内腐败变质。因此,工业化生产中多采用干燥脱水的方式对香葱进行加工,以延长货架期并提高其商业价值[4]。但是干燥过程会对样品中各类营养物质产生较大的影响,尤其是风味物质[5]。而目前关于葱的挥发性风味物质的研究主要是大葱,集中于大葱油或者是鲜样中风味物质的研究,而有关不同干燥方式对香葱挥发性物质的研究还较少。郭海忱等[6]从大葱葱白、葱叶中提取了挥发油并采用GC-MS对其挥发性成分进行了测定分析,结果表明,葱油中的主要硫化物是二甲基三硫醚、甲基丙烯基二硫醚、丙基丙烯基二硫醚;蒜油中的主要硫化物是二烯丙基二硫醚、二烯丙基三硫醚等。张德莉等[7]采用HS-SPME-GC-MS对香葱油中的挥发性风味成分进行了分离鉴定,表明糠醛、月桂烯、二丙基二硫醚等是导致香葱油风味差异的主要物质。刘源等[8]对新鲜香葱葱叶和葱白中的挥发性风味物质进行了报道,主要成分是二丙基二硫醚、二丙基三硫醚、1-丙硫醇、二甲基硫醚、甲基-2-丙烯基二硫、1-丙烯-1-甲基硫醇,占总成分的79.57%。因此,本研究以香葱为研究对象,通过不同干燥方式对其叶片和叶柄进行干燥,比较了不同干燥方式对香葱干制品挥发性成分的影响,并通过主成分分析和聚类分析研究了鲜样与干制品之间挥发性风味物质的区别,以期为香葱深加工和综合利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

香葱 南京孝陵卫农贸市场,选取新鲜、大小一致、无病虫害的香葱。将其清洗后切分成叶片和叶柄两部分,置于4 ℃冰箱中备用。

FA2014电子分析天平 北京赛多利斯科学仪器公司;KQ-S1000VDE型三频数控超声波清洗器 昆山市超声一起有限公司;DHG-9073BS-Ⅲ型电热恒温鼓风干燥箱 上海新苗医疗器械制造有限公司;Agilent 5977A-7890A气相色谱质谱联用仪 美国安捷伦科技有限公司;57330-U顶空固相微萃取手动进样装置 美国Supelco公司;DB-WAX毛细管柱 美国安捷伦科技有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 香葱叶片干燥方式 不同干燥方式制得的香葱叶片干制品水分含量均控制在湿基含水率为5%～6%。具体的干燥方法如下:

热风干燥:将处理后的香葱叶片(约1 cm×1.5 cm)均匀平铺于75 ℃鼓风干燥箱中进行干燥;

微波干燥:将处理后的香葱叶片(规格同上)均匀放置于隧道式微波干燥装置中进行干燥;

微波联合热风干燥:将处理后的香葱叶片(规格同上)先置于隧道式微波干燥设备中干燥至湿基含水率约40%,后置于75 ℃鼓风干燥箱中进行热风干燥。

1.2.2 香葱叶柄干燥方式 不同干燥方式制得的香葱叶柄干制品水分含量均控制在湿基含水率为5%～6%。具体的干燥方法如下:

热风干燥:将处理后的香葱叶柄(约1 cm×1.5 cm)均匀平铺于75 ℃鼓风干燥箱中进行热风干燥;

超声辅助热风干燥:将处理后的香葱叶柄(规格同上)先置于超声波处理装置中进行预处理(超声功率700 W,超声频率45 kHz,超声时间6 min),而后采用75 ℃热风进行干燥。

1.2.3 挥发性成分分析 参考实验室风味物质提取方法。将新鲜的香葱叶片和叶柄分别切碎,干样制成粉末。取制备好的香葱鲜样和干样粉末各1 g,置于15 mL的样品瓶中,盖好盖备用。将固相微萃取的萃取头在气相色谱仪的进样口经240 ℃老化5 min备用。在45 ℃下将固相微萃取器的萃取头插到样品瓶中,顶空静态吸附40 min,而后将萃取头插入气相色谱装置进样口解吸5 min,进行GC-MS分析。

色谱条件:DB-WAX毛细管色谱柱(30 m×0.25 mm,0.25 μm);升温程序:初始温度为40 ℃,以5 ℃/min升温至60 ℃,无保留,再以10 ℃/min升温至100 ℃,保持20 min,再以20 ℃/min升温至240 ℃,保持6 min;载气(He)流速1 mL/min,压力35 kPa;不分流。

质谱条件:电子轰击离子源;电子能量70 eV;灯丝电流150 μA;离子源温度200 ℃;激活电压1.5 V;质量扫描范围m/z 20～500。

1.3 香葱中挥发性成分定性与定量分析

利用NIST08.L标准谱库对GC-MS分析得到的色谱峰的色谱信息进行串联检索,结合文献资料及物质的相对保留时间进行鉴定(正反匹配度≥800),将最终确定的香气组分按照峰面积归一化法计算得到各组分的相对含量。

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1.4 数据处理

实验平行重复三次(n=3),利用IBM SPSS Statistics 20.0(IBM,美国)、Origin 2016(OriginLab,美国)进行数据统计分析及绘图。

2 结果与分析

2.1 新鲜香葱叶片和叶柄中挥发性成分比较

对香葱叶片和叶柄鲜样中的挥发性成分进行检测结果见表1。由表1可知,香葱叶片和叶柄鲜样中共检测并鉴定出56种挥发性成分,叶片和叶柄中分别检测到25和38种挥发性成分,包括含硫化合物25种、醇类5种、醛类2种、酯类2种、烯烃类物质1种、酮类物质3种、烷烃类物质2种以及其他类型的化合物16种。其中,叶片鲜样中相对含量最高的是甲基丙基二硫醚,为60.35%,该化合物仅存在于叶片鲜样中;叶柄鲜样中相对含量最高的物质是三甲基二硫醚,为72.90%,只在叶柄鲜样中检测到,该结果与程安玮等[9]的研究结果相一致。香葱叶片和叶柄鲜样共有的挥发性成分有7种且均为硫醚类化合物,这类化合物主要来自葱属植物,大多具有洋葱、坚果香味[10]。含硫化合物产生的浓郁辛香味是香葱鲜样气味辛辣刺鼻的主要原因。

2.2 不同干燥方式对香葱叶片挥发性成分的影响

2.2.1 不同干燥方式对香葱叶片干制品挥发性成分分析 不同干燥方式制得的香葱叶片干制品中挥发性成分见表2。由表2可知,不同干燥方式后叶片中挥发性成分差别较大,与鲜样相比,化合物种类明显增多,尤其是醇类和醛类物质。

表2 不同干燥方式香葱叶片中挥发性成分分析Table 2 Analysis of volatile flavor components in dried leaf of chive

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热风干燥香葱叶片干制品中共检测出63种挥发性成分。含硫化合物16种,相对含量共计20.71%,其中相对含量最高的是1,3-二噻环己烷,为7.01%。醇类有7种,相对含量共计6.63%,其中相对含量超过1%的有2,6-二甲基环己醇、(Z)-2-戊烯-1-醇和1-辛烯-3-醇。醛类有7种,相对含量共计17.93%。烷烃类9种类,相对含量为46.34%,其中十一烷的相对含量最高,为23.28%。

微波干燥香葱叶片干制品中同样检测出63种挥发性成分。含硫化合物11种,相对含量共计13.93%,其中相对含量最高的是1,3-二噻环己烷,其次是3,4-二甲基噻吩。醇类6种,相对含量共计2.90%。醛类7种,相对含量共计16.58%,相对含量较高的是壬醛、异戊醛。烷烃类11种,相对含量共计47.15%,其中,十一烷的相对含量最高为21.07%。

香葱叶片微波联合热风联合干燥制品中共检测出62种挥发性成分。含硫化合物15种,相对含量共计15.46%,其中相对含量超过1%的有1,3-二噻环己烷和3,4-二甲基噻吩等。醇类6种,但其相对含量都较低。烷烃类11种,相对含量共计43.18%,其中相对含量最高的是十一烷,为18.15%。

含硫化合物是新鲜叶片中主要的挥发性成分,由香葱中的蒜氨酸酶催化S-alk(en)ly-L半胱氨酸亚砜水解生成的,包括单硫化物、二硫化物和三硫化物[11]。叶片经过干燥后其含硫化合物种类增多,原因可能是热风和微波的热干燥使含硫化合物发生热降解生成了挥发性磺基化合物[12]。此外,干燥过程可能会增强或者抑制酶的活性和化学反应,改变磺基化合物的形成机制或者形成更稳定的组分改变了某些化合物的含量[13]。

2.2.2 香葱叶片鲜样和干样挥发性成分主成分分析 为进一步研究香葱叶片干制前后挥发性成分的变化及不同干燥方式对香葱叶片挥发性成分的影响,采用主成分分析法对香葱叶片鲜样和经不同干燥方式制得的叶片干制品中主要挥发性成分进行分析,其主成分的特征值及贡献率见表3。一般来说,主成分分析中累计方差贡献率大于80%,认为数据是可靠的[14]。由表3可知,选取特征值大于1的前三个主成分即可反映总体的信息[15]。

表3 香葱叶片挥发性成分主成分的 特征值及贡献率Table 3 Eigenvalues and contribution rates of principal components of leaf

图1 香葱叶片鲜样和干样中主要 挥发性成分得分图(a)和载荷图(b)Fig.1 Volatile component score plot(a)and loading plot(b)of fresh and dried leaf of chives注:A:叶片鲜样;B:热风干燥叶片; C:微波干燥叶片;D:微波联合热风干燥叶片。

对香葱叶片鲜样和干样中主要的挥发性成分进行主成分分析,得到得分图1A和载荷图1B。主成分分析对主要的挥发性成分进行降维处理,将主要的信息用几个不相关的主成分代表[16]。主成分分析中累计贡献率越大,则主成分可以更好地反映各个指标的信息[17]。由图1A可知,叶片鲜样和干样中主要挥发性成分在第一主成分和第二主成分的贡献率分别为63.98%和26.71%,累计贡献率为90.69%,表明两个主成分能够代表原始数据的信息。由图1a可知,C组(微波干燥叶片)和D组(微波联合热风干燥叶片)样品在第一主成分上得分最高,分布在第四象限;A组(叶片鲜样)样品在第一主成分上得分最低,分布在第三象限;B组(热风干燥叶片)样品在第二主成分上得分最高,分布在第一象限。根据主成分分析原理,样品在得分图上的距离越近说明它们之间挥发性成分组成和含量相似度越高[18]。因此,香葱叶片鲜样与干样的挥发性成分组成和含量差别较大,微波干燥和微波联合热风干燥制得的样品挥发性成分组成较为相似,与鲜样相比在第一主成分上差别较大,与热风干燥样品相比在第二主成分上差别较大。

图1b为叶片鲜样和干样中主要挥发性成分的载荷图,根据不同化合物与原点之间的距离可以确定样品与各个主成分之间的相关性和不同样品间化合物相对含量的差异[19-20]。由图1b可知,叶片鲜样中含硫化合物、醛类和烃类物质含量较高,热风干燥制得的叶片干样中噻吩类、醛类和烷烃类物质含量较高,微波干燥和微波联合热风干燥制得的叶片中烷烃类化合物含量较高。

2.3 不同干燥方式对香葱叶柄挥发性成分的影响

2.3.1 不同干燥方式对香葱叶柄干制品挥发性成分分析 不同干燥方式制得的香葱叶柄干制品中挥发性成分表4。由表4可知,同叶片一样,干燥后叶柄中生成了多种新的挥发性物质。

表4 不同干燥方式香葱叶柄中挥发性成分分析Table 4 Analysis of volatile flavor components in dried petiole of chive

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热风干燥香葱叶柄制品中共检测出71种挥发性成分。含硫化合物有25种,相对含量共计49.26%。其中,相对含量最高的是3,4-二甲基噻吩,为11.21%。醇类3种,相对含量超过1%的有环戊基甲醇。醛类7种,相对含量共计11.31%,相对含量大于1%的为2-甲基-2-戊烯醛、巴豆醛和壬醛。酯类3种。烯烃类6种,但相对含量都低于1%。烷烃类8种,正癸烷相对含量最高。其他类物质11种,相对含量最高的是2,3-二甲基吡啶。

超声辅助热风干燥香葱叶柄中共检测到73种挥发性成分。含硫化合物25种,相对含量共计48.64%,相对含量最高的是1,3-二噻环己烷。醇类5种。醛类6种,壬醛、Z-2-庚烯醛和α-亚乙基-苯乙醛的相对含量大于1%。烷烃类8种,十二烷的相对含量最高为2.94%。其他类物质有20种。

香葱叶柄鲜样中丙硫醇的相对含量为7.23%,丙硫醇具有强烈刺激性且易燃,在香葱的抗菌功能中起着重要的作用;但干燥后叶柄中不存在该物质,表明加热条件下该化合物稳定性降低,导致降解完全[21]。醛类是香葱中重要的风味成分,叶柄干燥后产生了多种类型的醛类且以不饱和醛类为主,不饱和醛类会产生刺激性和辛辣气味,具有青草味[22]。干燥后的叶柄中产生了更多的噻吩类物质,噻吩类物质是硫代亚磺酸盐的降解产物及三丙基二硫醚等的前体物质[23]。烷烃类物质是食品风味物质中常见的一类物质,但这类物质的风味阈值较高,一般对产品整体风味贡献并不明显,但在产品整体香气的维持和协调中起着重要作用[7,24]。

2.3.2 香葱叶柄鲜样和干样挥发性成分主成分分析 为进一步研究香葱叶柄干制前后挥发性成分的变化及不同干燥方式对香葱叶柄挥发性成分的影响,采用主成分分析法对香葱叶柄鲜样和经过不同干燥方式制得的干样中主要的挥发性成分进行分析,其主成分的特征值及贡献率见表5。由表5可知,选取特征值大于1的前两个主成分即可反映总体的信息[15]。

表5 香葱叶柄挥发性成分主成分的特征值及贡献率Table 5 Eigenvalues and contribution rates of principal components of petiole

对香葱叶柄鲜样和干样中24种主要的挥发性成分进行主成分分析,得到得分图2a和载荷图2b。主成分分析将不同处理得到的样品间挥发性成分进行多维比较,通过得分图分析根据不同样品之间的距离判断其挥发性成分的差异程度,由载荷图不同化合物与原点之间的距离和方向明确各种挥发性成分与各个主成分之间的相关性以及不同处理的样品间该化合物相对含量的差异[20]。主成分分析中累计贡献率越大,则主成分更能反映各个指标的信息。由图2a可知,叶柄鲜样和干样中主要挥发性成分在第一主成分和第二主成分的贡献率分别为59.05%和40.91%,累计贡献率为99.96%,表明两个主成分能够代表原始数据的信息。由图2a可知,E组(叶柄鲜样)样品在第一主成分上得分最低,与第一主成分呈负相关,分布在第三象限;F组(热风干燥叶片)样品在第二主成分上得分最高,与第二主成分呈正相关,分布在第二象限;G组(超声辅助热风干燥叶片)样品在第一主成分上得分最高,与第一主成分呈正相关,在第二主成分上得分最低,与第二主成分呈负相关,分布在第四象限。因此,可以通过第一主成分将香葱叶柄鲜样和超声辅助热风干燥制得的叶柄干样进行区分,通过第二主成分将热风干燥和超声辅助热风干燥制得的叶柄干样进行区分。

图2b为香葱叶柄鲜样和干样中主要挥发性成分的载荷图,由图2可知,甲基丙基二硫醚等化合物与第一主成分呈负相关,是叶柄鲜样中主要的挥发性成分;2-戊基呋喃、壬醛等物质与第一主成分呈正相关,是超声辅助热风干燥制得的叶柄中主要的挥发性成分,其具有豆香、果香、青草味等香气[25];烷烃类物质与第二主成分呈正相关,是热风干燥制得的叶柄干样中主要的挥发性成分。

图2 香葱叶柄鲜样和干样中主要挥 发性成分得分图(a)和载荷图(b)Fig.2 Volatile component score plot(a)and loading plot(b)of fresh and dried petiole of chives注:E:叶柄鲜样;F:热风干燥样品; G:超声辅助热风干燥样品。

2.4 香葱鲜样及不同干燥方式制得的干样聚类分析

图3为香葱鲜样及不同干燥方式制得的干样中主要挥发性成分聚类热图。采用ward最小方差和欧氏距离法进行分层聚类[26]。由图3可知,上方树状为不同样品的聚类,中部填充颜色深浅表示各样品中各类挥发性风味物质含量的高低,颜色越深表示相对含量越高。从上方的聚类来看,所有的样品大致可以分为4类:第一类为叶片鲜样,第二类为叶柄鲜样,第三类为热风干燥、微波干燥和微波联合-热风干燥制得的叶片干制品,第四类为热风干燥和超声辅助热风干燥制得的叶柄干制品。同一类别内挥发性成分种类和含量间相似度高。不同种类间的差别较大,尤其是叶片和叶柄鲜样及叶片和叶柄干制品之间的差别较大。此外,不同干燥方式制得的样品之间也存在着明显差异。新鲜样品与干燥样品之间挥发性成分的种类和差异较大,可能是在干燥过程中某些含硫化合物受热后发生化学反应使干燥后香葱叶片和叶柄干样中烷烃类物质含量较高。

图3 香葱鲜样及不同干燥方式制得的干样中主要挥发性成分聚类热图Fig.3 Clustering heat map of the relative content of volatile compounds for fresh samples and dried samples in different drying methods注:A：叶片鲜样;B:热风干燥叶片;C:微波干燥叶片;D:微波联合热风干燥叶片; E:叶柄鲜样;F:热风干燥叶柄;G:超声辅助热风干燥叶柄。

3 讨论与结论

香葱叶片和叶柄鲜样的各类挥发性成分中含硫化合物种类较多,相对含量最高,说明新鲜香葱特殊的风味主要是含硫化合物贡献的。而干燥后香葱中挥发性成分变化较大,新增种类较多,原因可能是不同挥发性物质在加热条件下的变化不同。如醇类物质在加热后易氧化生成醛类或者酮类化合物;同样,烯烃类化合物加热过程中会转化为醛类和酮类化合物,并且温度越高转化的越多;另外,甲基硫醚类化合物的相对含量变化与干燥方式也密切相关。研究表明,微波干燥会使物料内部的温度及蒸气压达到最高,在此条件下利于风味前体物质糖与氨基酸发生美拉德反应,蒸汽易于向外转移并诱发香气成分汽化,最终导致风味物质的变化;而热风干燥作为热干燥也可使原料中形成新的物质,如醇类、醛类和酮类等。刘春菊等人[27]发现:热风联合微波干燥后慈姑中挥发性风味物质的种类和含量具有明显提高,并且利于其挥发性化合物的形成,赋予其干燥后浓郁的风味。

叶片干燥后其中的烷烃类物质种类增多而且含量增大,该结果与Guo等对洋葱鲜样和干样挥发性成分比较研究结果相一致[28]。三种干燥方式制得的叶片干样中相对含量最高的挥发性成分是十一烷;其次是正癸烷。因为干燥过程中某些含硫化合物会降解生成烷烃类物质和其他挥发性成分。热风干燥制得的叶片中含硫化合物的种类多,相对含量较高,同时还生成了一些酮类、醛类和酯类物质。酮类物质具有果香、青草味样的香气[29]。微波制得的样品中含硫化合物种类较少,烷烃类和醛类物质种类及含量都增加。微波-热风联合干燥后叶片中硫醚类物质相对含量较低,烷烃类和烯烃类物质相对含量较高。

热风干燥与超声辅助热风干燥制得的叶柄中挥发性成分的种类和含量是不同的。热风干燥产生的含硫化合物种类较多,相对含量较高。而超声辅助热风干燥的叶柄干制品中烷烃类物质种类较多,同时生成了叶柄鲜样和热风干燥干制品中都不存在的氯甲酸正辛酯、二硫化碳、吡唑、2-戊基呋喃和吡嗪类物质。说明超声处理会对叶柄挥发性成分产生影响,超声波产生的能量可能会使一些成分发生转化形成新的物质[30]。

本研究通过顶空固相微萃取结合气质联用对香葱鲜样和不同干燥方式制得的干样进行挥发性成分分析,共检测出8大类挥发性成分,其中香葱叶片和叶柄鲜样中含硫化合物、醇类、醛类、酯类、酮类、烯烃、烷烃和其他化合物相对含量的均值分别为92.09%、0.69%、0.34%、1.26%、1.75%、0.54%、0.05%和3.28%。热风干燥、微波干燥和微波联合热风干燥制得的叶片干制品中各类物质相对含量的均值分别为17.28%、2.82%、15.32%、0.74%、5.56%、2.62%、43.75%和11.91%。热风干燥和超声辅助热风干燥制得的叶柄干制品中各类物质相对含量的均值分别为47.72%、1.56%、9.23%、0.39%、9.14%、1.66%、14.33%和15.97%。由主成分分析得到含硫化合物是香葱叶片和叶柄鲜样中主要的挥发性成分,烷烃类物质是叶片和叶柄干样中主要的挥发性成分。从整体上看,通过主成分分析得分图和载荷图可以将不同处理得到的香葱样品进行很好的区分。本研究仅对部分干燥方式得到的香葱叶片和叶柄干制品的挥发性成分进行了分析,对于每种干燥方式中的各个实验因素对香葱挥发性成分的影响未做阐述,将在后续的研究中进一步开展相关研究,探明各实验因素对香葱挥发性成分的影响,得到最佳干燥条件,为实现高品质脱水香葱的工业化生产提供理论依据和技术支持。