FSHW | 基于电子鼻、SPME-GC-MS、HS-GC-IMS来揭露传统虾酱独特风味形成的奥秘

2022-11-01 16:02:06 FSHW

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Introduction

虾酱是中国、马来西亚、新加坡、泰国等东南亚地区的传统发酵调味品，由低值虾加盐后研磨成粘稠状发酵而成。虾酱中含有丰富的蛋白质、钙、铁、硒、VA以及虾青素等营养物质，适量食用有益于身体健康。虾酱是一种发酵食品，在发酵过程中，蛋白质会分解为氨基酸，脂肪会转化为脂肪酸，进而产生独特而美味的风味。然而，我国虾酱的生产通常采用自然发酵的方式，整个过程非常漫长，而且很容易受到季节、天气、温度等不可控因素的影响，导致产品质量特别是风味品质的不稳定。目前对发酵食品风味的研究主要集中在成品上，鲜有关于虾酱发酵全过程中风味变化的报道。虾酱风味形成过程相当复杂，为了获得稳定的风味品质，为虾酱发酵过程中风味品质的调控提供可能，就需要全面分析虾酱发酵过程中风味的形成机制。

目前，多种检测技术已广泛应用于食品挥发性风味的研究。电子鼻（E-nose）是一种香气检测技术，可以快速、灵敏、无损地区分样品，但不能准确分析样品中的挥发性风味成分。固相微萃取-气相色谱-质谱联用（SPME-GC-MS）技术对高分子物质的测定具有灵敏度高的特点，但在低分子物质和痕量物质的检测中存在局限性。近年来，顶空-气相色谱-离子迁移谱（HS-GC-IMS）在食品风味分析、质量检测等诸多领域得到了广泛应用。HS-GC-IMS可以提高风味检测的准确度和灵敏度，有效解决GC-MS分析速度慢和前处理导致香气物质损失的问题。然而，其数据库的局限性阻碍了其对挥发性化合物的定性分析。SPME-GC-MS与E-nose相结合，有利于食品风味的综合研究，是目前检测食品挥发性风味物质的主要方法。然而，很少有研究结合这三种检测方法来分析虾酱的风味组成。

江苏大学食品与生物工程学院高瑞昌教授与硕士研究生李影等结合电子鼻、SPME-GC-MS和HS-GC-IMS三种检测方法，全面分析了虾酱发酵过程中挥发性风味化合物的变化。采用计算相对香气活性值（ROAV）的方法筛选虾酱发酵过程中的关键挥发性风味化合物，为分析传统虾酱挥发性风味的形成路径和机理提供了依据，为虾酱产品风味品质的调控提供了理论依据。

Results and Discussion

采用电子鼻分析不同发酵期虾酱样品的整体风味

虾酱样品对W1C、W3C、W6S和W5C四个传感器几乎没有响应，表明在发酵过程中很少产生芳香族化合物、氨和短链烷烃。虽然W5S、W2W和W3S传感器对样品的信号强度较低，但样品之间仍存在差异，这表明产生了少量有机硫化合物、氮氧化物和长链烷烃。虾酱样品对W1S、W1W和W2S的响应值较高，这三个传感器可以显著区分不同发酵阶段的虾酱样品。随着发酵的进行，短链烷烃如甲烷、无机硫化物、醇、醛、酮等物质的含量普遍呈上升趋势，三个传感器的响应值在发酵的最后两个月基本保持不变。PCA结果显示样本大致分为三个相对独立的区域。m0、m1两个时期的样本比较集中，m4相对独立，m5和m6的样本比较相似，m7和m8的相似度较高。

图1 基于电子鼻数据的不同发酵期虾酱样品中的挥发性成分分析

SPME-GC-MS分析

SPME-GC-MS用于分析不同发酵阶段虾酱样品中的挥发性风味化合物。在不同发酵阶段的样品中共鉴定出75种挥发性风味化合物，包括21种醇类、11种酮类、8种酯类、1种酸类、4种烃类、2种硫化物、3种胺类、9种吡嗪类、4种醛类和12种其他化合物。从堆叠图（图2A）可以直观地看出，随着发酵的进行，不同虾酱样品中挥发性化合物的类型发生了显著变化。总的来说，发酵初期的挥发性化合物组成比较相似，发酵第4个月样品风味成分发生显著变化，发酵后期挥发性成分差异较小。这与电子鼻数据的PCA结果一致。醇和胺在所有样品中的挥发性化合物含量较高。在发酵的第五个月开始产生醛和吡嗪。通过热图可以看到特定挥发性化合物的变化（图2B）。

挥发性化合物的相对含量并不能准确反映它们对整体香气特征的真实贡献。因此，用计算ROAV值的方法来鉴定挥发性化合物对整体香气特征的贡献。ROAV值越大，化合物对整体风味的贡献就越大。ROAV≥1的物质是样品的关键风味化合物，0.1≤ROAV＜1的物质是改变样品整体风味的化合物

SPME-GC-MS在虾酱发酵过程中共鉴定出4种挥发性成分0≤ROAV＜1的挥发物，包括1-戊醇、1-戊-3-醇、(2Z)-2-辛烯-1-醇和苯甲醛，它们助于整体风味的形成。鉴定出ROAV≥1的挥发性成分13种，其中9种是发酵中后期的关键挥发性成分，即1-辛烯-3-醇、异丁醇、1-壬醇、异戊醇、乙酸乙酯、二甲硫基甲烷、二甲基硫醚、三甲胺、3-乙基-2,5-甲基吡嗪、2,3,5-三甲基吡嗪、2-甲基-3-异丙基吡嗪、异戊醛和2-甲基丁醛。

图2 基于GC-MS数据的不同发酵期虾酱样品中的挥发性成分分析

HS-GC-IMS分析

HS-GC-IMS用于分析不同发酵阶段虾酱的挥发性有机成分（VOCs）（图3A）。可以看出，随着发酵的进行，虾酱中的挥发性成分随着发酵时间的延长而逐渐丰富，种类和含量发生了显著变化。根据HS-GC-IMS鉴定结果，不同发酵阶段虾酱中的VOCs主要包括醇类、酮类、酯类、醛类和含杂原子（吡嗪类和硫醚类）。对虾酱风味影响较大的VOCs主要产生于发酵的中后期。挥发性成分变化的总体趋势与SPME-GC-MS结果一致。图3红框内的3-甲基丁醛、2-甲基丁醛、丁酮等物质在虾酱发酵至m4阶段时显著增加，然后逐渐减少。绿框中的2,5-二甲基吡嗪、异戊酸乙酯、乙酸乙酯、丙醛等物质在m5期显着增加，然后逐渐减少。黄色框内己酸乙酯、1-戊醇、庚醛、异丁醛、1-丁醇等物质随着虾酱发酵的进行总体呈下降趋势，其中2-戊酮m4阶段含量最高，随后下降。

PCA结果表明m0和m1样本之间的相似性很高，m5和m6样本相似，m7与m8相似。但是m4与其他时期的样品区别较大。可能是由于m4时期环境温度的显著升高导致细菌群落的组成和活性发生了剧烈变化，最终导致大量挥发性代谢物的形成。这些结果与电子鼻和SPME-GC-MS的结果一致。

同样用计算ROAV值的方法来筛选HS-GC-IMS鉴定的VOCs中的关键挥发性化合物。HS-GC-IMS共识别出3种0≤ROAV＜1的VOCs和8种ROAV≥1的VOCs。HS-GC-IMS技术的高灵敏度可以弥补SPME-GC-MS检测痕量物质的不足。除了已通过SPME-GC-MS鉴定出的乙酸乙酯、二甲基硫醚、2-甲基丁醛和异戊醛外，壬醛、己酸乙酯、异戊酸乙酯和丙醛也被鉴定为关键的挥发性风味化合物。

图3 基于GC-IMS数据的不同发酵期虾酱样品中的挥发性成分分析

Conclusion

在不同发酵阶段的传统虾酱中共鉴定出17种关键挥发性香气成分。电子鼻、SPME-GC-MS和HS-GC-IMS技术的结合可以弥补各自的局限性，更全面地反映挥发性成分的变化。HS-GC-IMS的高效性和高灵敏度提供了将其用作监测风味变化的可视化工具的可能性。研究过程中发现，大部分风味物质的产生与氨基酸、脂肪酸等风味前体的降解代谢有关。由于发酵过程与各种微生物和酶的生化代谢途径密切相关，关键风味化合物、酶和微生物之间的相关性将作为下一步研究的重点进一步探索，这些研究对虾酱生产的风味质量控制和产业化具有重要意义。

李影，女，江苏大学食品与生物工程学院工学硕士，主要研究内容为食品风味化学及发酵水产风味质量控制，参与“蓝色粮仓科技创新”国家重点研发计划“水产品高质化生物加工新技术与产品开发”子课题一项；主持江苏省研究生实践创新计划项目一项。

高瑞昌，男，江苏大学食品与生物工程学院教授，博导。国家现代农业产业技术体系岗位科学家，原国家自然科学基金委委员会食品科学学科项目主任，江苏省“六大人才高峰”高层次人才，江苏大学食品生物工程与智能装备方向带头人，中国生物工程学会理事，中国食品科技学会青年工作委员会委员，江苏长江珍稀鱼类标准化委员会委员，《未来食品科学》编委、《食品科学》青年编委，《肉类研究》编委。长期从事食品蛋白质加工与综合利用方向主要聚焦在食品蛋白质的结构与加工功能关系研究；水产食品组分与营养功效方向主要聚集在水产原料的营养组分开发和功效关系研究，特别是蛋白多肽等活性物质的功效研究；食品风味化学研究主要开展传统水产品风味形成机理与控制技术。主持国家自然科学基金和国家现代农业产业技术体系专项等各类项目20余项。以第1作者或通讯作者在《Trends in Food Science & Technology》、《Critical Reviews in Food Science and Nutrition》、《Food Hydrocolloids》、《Journal of Agriculture and Food Chemistry》、《Food Chemistry》、《Food & Function》、《Food Research International》、《食品科学》、《中国食品学报》等国内外权威期刊发表论文100余篇，其中被SCI和EI收录60余篇，ESI高被引论文2篇，主编“十二五”高等学校通用规划教材1部，参编其他高等学校通用教材5部；授权国家发明专利11项，申请国家发明专利22项，申请PCT专利3项；获江苏省科技进步奖、中国食品科学技术学会科技进步奖、中国轻工业联合会科技进步奖、教育部高等学校科学研究优秀成果奖等省部级和市厅级奖励7项。

Analysis of the changes of volatile flavor compounds in a traditional Chinese shrimp paste during fermentation based on electronic nose, SPME-GC-MS and HS-GC-IMS

Ying Li^a, Li Yuan^a, Huijie Liu^a, Hongying Liu^b, Yue Zhou^a, Miaonan Li^a, Ruichang Gao^a,*

^a School of Food and Biological Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China

^b Ocean College, Hebei Agriculture University, Qinhuangdao 066000, China

*Corresponding author.

Abstract

Traditionally fermented shrimp paste has a long fermentation period and is susceptible of external factors, which leads to unstable quality and limits its development and application. Therefore, the purpose of this study is to analyze the flavor changes in the shrimp paste fermentation process and screen out the key volatile aroma components in the shrimp paste to control the flavor quality of the shrimp paste products. The overall odor profile was detected by the electronic nose. A total of 106 volatile flavor compounds in the shrimp paste samples at different fermentation stages were identified by solid-phase microextraction-gas chromatography-mass spectrometry (SPME-GC-MS) and headspace-gas chromatography-ion mobility spectrometry (HS-GC-IMS). The main aroma components alcohols, aldehydes, pyrazines and other substances in the fermentation process showed an overall upward trend. A total of 17 key volatile aroma components in shrimp paste at different fermentation stages were identified by the relative aroma activity value (ROAV) method. The combination of electronic nose, SPME-GC-MS and HS-GC-IMS could comprehensively reflect the changes of volatile components in shrimp paste at different fermentation stages, which helps to further understand the mechanism of shrimp paste flavor formation and provides a basis for the regulation of the flavor quality of shrimp paste products.

Reference:

LI Y, YUAN L, LIU H J, et al. Analysis of the changes of volatile flavor compounds in a traditional Chinese shrimp paste during fermentation based on electronic nose, SPME-GC-MS and HS-GC-IMS[J]. Food Science and Human Wellness, 2023, 12(1): 173-182. DOI:10.1016/j.fshw.2022.07.035.

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