《食品科学》:陕西理工大学金文刚副教授等:基于GC-IMS技术结合多元统计模型分析不同色泽小米粥挥发

2023-05-26作者:来源:责任编辑:食品界 字体A+AA-

粥是小米日常制作的方便食物品类之一,由于制作便捷、易消化吸收,还具有清热解渴、健胃除湿等促健康效应。除了营养功能外,小米粥独特挥发性风味成分是其最直接的感官品质之一,这些风味物质能刺激嗅觉细胞使人体感知气味,直接影响消费者对小米粥的感官体验,对于消费者感官嗜好性至关重要,故探究小米粥的挥发性风味成分可为丰富其食味品质提供重要信息。

通过气相色谱-离子迁移谱(GC-IMS)技术对不同色泽小米蒸煮后米粥中挥发性有机物进行鉴定与差异分析,尚鲜有报道。为此,陕西理工大学生物科学与工程学院,秦巴生物资源与生态环境省部共建培育国家重点实验室的金文刚、赵萍等利用新兴GCIMS技术探究市场上4 种色泽小米(黑、绿、白和黄)蒸煮后米粥的挥发性有机物差异,可视化构建挥发性有机物指纹图谱,并结合主成分分析(PCA)、正交偏最小二乘判别分析(OPLS-DA)筛选差异性挥发性有机物,以期为丰富不同色泽小米粥食味品质特性提供参考。

1、不同色泽小米粥挥发性有机物GC-IMS谱图


从图2可知,4 个不同色系小米粥的3D地形图相似度较高,不容易通过肉眼直观进行挥发性有机物差异比较,需要进一步降维处理,以便于直观比较不同色泽小米粥挥发性有机物差异。

如图3所示,4 种小米粥挥发性有机物被GC-IMS较好地分离开,且不同色泽小米粥中部分挥发性有机物含量有升有降,呈现了相对差异(图3B),致使不同色泽小米粥的GC-IMS特征谱也存在一定差异。

2、不同色泽小米粥GC-IMS挥发性有机物定性分析


图4为4 种不同色泽小米粥挥发性有机物定性分析图谱(以黑小米粥为例)。利用GC-IMS仪器内置的NIST 2014数据库与G.A.S.的IMS迁移时间数据库,从4 种不同色泽小米粥样品55 个信号峰定性鉴定到挥发性有机物共有48 种(单体及二聚体),其中醛类22 种、酮类11 种、醇类9 种、醚类2 种、呋喃类2 种和酯类2 种物质。


从表1可知,4种不同色泽小米粥中己醛含量最高,特别是黄小米粥;其次是戊醛、庚醛和3-甲基丁醛等,可赋予小米粥青草、脂肪、水果、杏仁和麦芽香气,与张昱格等对小米香气分析特征基本一致。而其余挥发性有机物相对含量在4 种不同色泽小米粥样品间表现出了相对差异性。

3、不同色泽小米粥挥发性有机物指纹图谱


图5中横、纵向比较可知,4 种不同色泽小米粥风味成分具有明显差异。黄小米粥中壬醛、庚醛、2-丁酮、2-庚酮、2-甲基丁醛、3-甲基丁醛、乙酸乙酯、甲基异丁酮和戊醛等含量相对较高(A区域);黑小米粥中壬醛(单体和二聚体)、环己酮、3-羟基-2-丁酮、庚醛(单体和二聚体)、2-甲基丁醛、3-甲基丁醛、丁醛、2-丁酮和2-庚酮等含量相对较高(B区域);绿小米粥中2-庚酮二聚体、2-丁酮、戊醛、庚醛和环己酮等含量相对较高(C区域);白小米粥中戊醛二聚体、2-丁酮二聚体、甲基庚烯酮、反-2-辛烯醛、反式-2-戊烯醛(单体和二聚体)、辛醛、蘑菇醇、正己醇(单体和二聚体)、反式-2-己烯醛(单体和二聚体)、2-正丁基呋喃、丙硫醇、2-甲基-1-丁醇、异戊醇、2-戊酮和叔丁基甲醚等含量相对较高(D区域)。

图5还表明白小米粥特征挥发性有机物种类最多,特别是2-戊基呋喃、正己醇、1-戊醇、2-庚酮、(E)-2-庚烯醛和戊醛明显高于其他色泽小米粥(P<0.05)。有研究表明绿小米蒸煮后特征挥发性有机物成分比白、黄和黑小米要多,与本实验结果不一致可能与小米品种、产地和蒸煮条件有关。谷物蒸煮后挥发性风味物质通常是各种有机物协同作用的整体呈现,本研究小米粥特征有机物(A、B、C和D区域)对不同色泽小米粥整体关键风味差异的影响还有待于进一步探究。

本研究4 种不同色系小米粥各类挥发性有机物种类具有一定差异性,总体以醛类、酮类和醇类为主,其次是呋喃、酯类和醚类(图6)。黑、绿、白和黄色小米粥中醛类化合物相对含量分别为80.12%、80.06%、69.70%和80.65%;酮类化合物相对含量分别为9.72%、9.89%、9.03%和6.52%;醇类化合物相对含量分别为5.92%、6.29%、14.91%和7.84%;呋喃类化合物相对含量分别为2.17%、2.09%、5.66%和2.73%;酯类化合物相对含量分别为1.68%、1.25%、1.13%和1.72%;醚类化合物相对含量分别为0.39%、0.42%、0.69%和0.54%。宏观上,黑小米粥中醛类、酮类、酯类相对含量较高,绿小米粥中酮类相对含量最高;白小米粥中醇类和呋喃类相对含量最高;黄小米粥中醛类和酯类相对含量最高。

4、不同色泽小米粥挥发性有机物相似度分析


从图7A可知,PC1和PC2分别为64.7%和18.2%,累计贡献率达到82.9%,基本涵盖大多数样品特征,相同色泽小米粥样品的挥发性有机物相对聚集一起,其中黑色和绿色小米粥较接近,与白色和黄色小米粥样品离得较远。图7B为载荷图,与PC得分图一起可更好地反映不同色泽小米粥样品挥发性有机物的差异。由图7C可看出,黑色和绿色小米粥较接近相似度较高,与白色和黄色小米粥样品离得较远相似度较低,可通过欧式距离对不同色泽小米粥样本进行区分。前期采用GC-IMS结合PCA、欧氏距离对不同色泽糙米饭样品挥发性有机物分析也得到了类似结果。

5、OPLS-DA及模型评价分析


由图8A可知,除黑小米粥和绿小米粥样品聚集较近外,其他色泽小米粥样品在OPLS-DA得分散点图上区分良好,分类效果与PCA散点接近,OPLS-DA模型可进一步排除不相关差异,实现不同组间样品挥发性有机物的更好分离。为避免过拟合现象,利用置换检验对OPLS-DA所做模型的可靠性进行验证。如图8B所示,经200 次交叉验证后,模型Q回归线与横坐标交叉,且截距是负数,所有置换检验R2Q2均低于原始值,提示模型无过拟合,构建的OPLS-DA模型稳定可靠。
6、不同色泽小米粥样品中差异挥发性有机物筛选

结果如图9A所示。通常筛选VIP值大于1的挥发性有机物作为不同样品间的差异风味成分。本研究不同色泽小米粥样品中共13 种挥发性有机物VIP值大于1,分别为甲基异丁酮、乙酸乙酯、3-羟基-2-丁酮、庚醛(单体和二聚体)、壬醛(单体和二聚体)、2-庚酮、环己酮、苯甲醛、3-甲基丁醛和2-甲基丁醛(单体和二聚体)。本研究对不同小米粥中筛选的13 种挥发性有机物进行PCA和聚类分析,结果见图9B、C。PC1和PC2分别为51.3%和23.2%,累计贡献率达到74.5%(图9B),可解释大部分样品间的变异。聚类热图结果也表明,不同色泽小米粥样品中13 种标记挥发性有机物将样品差异分类较好(图9C)。基于OPLS-DA结合VIP值大于1)的方法筛选的标记性挥发性有机物在水产品脱腥、热加工过程中也被证实可用于不同样品的区分。因此,本研究筛选到这些挥发性有机物标记物,结合PCA和聚类分析也可实现不同色泽小米粥样品的区分。
结论
借助GC-IMS技术分析4 种不同色泽小米粥挥发性有机物轮廓,共鉴定48 种挥发性有机物,其中醛类22 种、酮类11 种、醇类9 种、醚类2 种、呋喃类2 种和酯类2 种。整体上,不同色泽小米粥挥发性有机物以醛类、醇类和酮类为主,其次是呋喃、酯类和醚类。黑小米粥中醛类、酮类、酯类相对含量较高,绿小米粥中酮类相对含量最高;白小米粥中醇类和呋喃类相对含量最高;黄小米粥中醛类和酯类相对含量最高。PCA和欧氏距离分析表明,通过GC-IMS挥发性有机物数据可实现不同色泽小米粥较好区分。通过OPLS-DA建立稳定性较好预测模型,筛选出13 种差异挥发性有机物(VIP>1),分别为甲基异丁酮、乙酸乙酯、3-羟基-2-丁酮、庚醛(单体和二聚体)、壬醛(单体和二聚体)、2-庚酮、环己酮、苯甲醛、3-甲基丁醛和2-甲基丁醛(单体和二聚体),也可实现对不同色泽小米粥样品的较好区分。该研究基于GC-IMS技术建立不同色泽小米粥挥发性有机物指纹图谱,可视化勾勒出不同色泽小米粥挥发性有机物轮廓,为丰富不同色泽小米食味品质特性提供了参考信息。
作者简介


金文刚 副教授

陕西理工大学生物科学与工程学院

金文刚,博士,副教授,硕士生导师。2001-2008年先后从宁夏大学获得食品科学与工程学士、硕士学位;2013年6月获得西北农林科技大学水产品加工及贮藏工程博士学位。现就职于陕西理工大学生工学院,主要从事食品科学与工程专业教学与科研工作。承担食品专业本科生《食品营养学》、《食品工程原理》、研究生《水产品加工及贮藏工程专题》等课程。主持完成厅局级科研项目3项。目前负责国家自然科学基金面上项目合作课题1项、陕西省“三秦学者”科技创新团队课题1项。参与完成的“大鲵加工关键技术及副产物高值化利用研究”,2020年获陕西省科学技术进步三等奖(排名第二)。参编科学出版社《食品物性学》教材1部。以第一作者或通讯作者在Food HydrocolloidsDrying TechnologyJournal of Functional FoodsEuropean Food Researchand Technology食品科学中国食品学报等国内外食品领域SCI、EI收录期刊发表论文17篇。现任陕西省资源生物重点实验室肉类食品研究室主任,兼陕西理工大学大鲵研究所负责人。2019年10月,从大连工业大学食品科学与工程博士后流动站出站,并入选汉中市首批青年科技创新团队-大鲵深加工与高值化利用团队带头人。2020年5月,获批美国马萨诸塞大学阿莫斯特分校食品系国家公派访问学者。主要研究方向为秦巴山区特色食品资源深度开发利用。