葛麗琴,孫雪楓,王遠(yuǎn)興

(南昌大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西南昌 330047)

速溶豆粉是經(jīng)由脫皮、浸泡、磨漿、殺菌、脫臭、噴霧干燥等一系列工藝制成的粉狀即溶速食飲品,其含有豐富的植物蛋白與磷脂,還含有維生素B1、B2、煙酸和鐵、鈣等礦物質(zhì),其含有的不飽和脂肪酸具有防止膽固醇沉積的作用,是深受國(guó)民喜愛且老少皆宜的營(yíng)養(yǎng)飲品,素有“植物奶”的美譽(yù)[1]。奶粉主要是以牛乳汁為原料,或使用羊、驢等其他動(dòng)物的乳汁生產(chǎn)的產(chǎn)品,經(jīng)過(guò)消毒、脫水、干燥等工藝制成的粉末,其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值豐富、含鈣量高、機(jī)體吸收利用率高,具有較好的保健和醫(yī)療價(jià)值,被譽(yù)為“白色血液”,是目前奶制品市場(chǎng)的主流。其中,羊奶粉因其相較牛奶粉含更多的乳清蛋白,更少的酪蛋白,且脂肪球體積小,含有較高水平的中鏈脂肪酸,更容易被人體消化吸收,而逐漸受到消費(fèi)者和市場(chǎng)的歡迎[2]。

固相微萃取技術(shù)(solid-phase micro-extraction,SPME)是常用的一種較理想有效的前處理萃取方法,它能夠?qū)⑤腿∨c濃縮同時(shí)進(jìn)行,對(duì)于揮發(fā)性物質(zhì)種類較復(fù)雜且含量較低的樣品有較好的萃取效果,具有萃取條件溫和、靈敏度高、無(wú)需溶劑、操作簡(jiǎn)便、用量少等特點(diǎn)[3-4]。氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(gas chromatography-mass spectrometry,GC-MS)是鑒別揮發(fā)性和半揮發(fā)性有機(jī)化合物的有用工具,它具有高分離性能和準(zhǔn)確的鑒定能力,常用于檢測(cè)小分子易揮發(fā)、極性低、低沸點(diǎn)代謝物,或者經(jīng)過(guò)衍生化后有揮發(fā)性的物質(zhì),是當(dāng)前主要的分析平臺(tái)之一[5]。

目前,國(guó)內(nèi)外針對(duì)速溶豆粉、牛奶粉及羊奶粉多是從營(yíng)養(yǎng)成分、健康功能等方面進(jìn)行研究[6-7],而就速溶豆粉、牛奶粉和羊奶粉揮發(fā)性成分的比較研究報(bào)道較少。本文以速溶豆粉、牛奶粉與羊奶粉為研究對(duì)象,采用固相微萃取-氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用(solid-phase micro-extraction gas-chromatography mass spectrometry,SPME-GC-MS)為研究手段,結(jié)合主成分分析和聚類分析,對(duì)速溶豆粉、牛奶粉與羊奶粉的揮發(fā)性成分進(jìn)行檢測(cè),旨在分析比較三者揮發(fā)性成分的差異性。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

本實(shí)驗(yàn)所測(cè)速溶豆粉、牛奶粉與羊奶粉樣品 均來(lái)源于市售常見品牌,其中速溶豆粉7種,每種3個(gè)批次,來(lái)源于永和、維維、金龍魚、南方、北大荒、Unisoy、Ovaltine等品牌;牛奶粉9種,每種3個(gè)批次 來(lái)源于伊利、飛鶴、雀巢、光明、蒙牛、海乳、Anchor、Cowala、Devondale等品牌;羊奶粉6種,每種3個(gè)批次 來(lái)源于美羚、西蒙、尤愛倍特、Karivita、Caprilac、Flevomel等品牌;正構(gòu)烷烴(C7～C30)的混合標(biāo)準(zhǔn)品(色譜級(jí)) 美國(guó)Supelco公司。

Agilent 7890-7000B三重串聯(lián)四極桿氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(配有MassHunter Workstation色譜工作站和NIST MS Search 2.0質(zhì)譜檢索數(shù)據(jù)庫(kù))、HP-5MS石英毛細(xì)管柱(30 m×0.25 mm,0.25 μm) 美國(guó)Agilent公司;萃取手柄、50/30 μm二乙烯基苯/羧乙基/聚二甲基硅氧烷(Divinylbenzene/carboxen/polydimethylsiloxane,DVB-CAR-PDMS)固相微萃取纖維頭 美國(guó)Supelco公司;AL104電子天平 瑞士Mettler Toledo公司;HH-2數(shù)顯恒溫水浴鍋 國(guó)華電器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 前處理?xiàng)l件 綜合周宸丞等[8]、艾對(duì)等[9]前處理方法并優(yōu)化后確定前處理?xiàng)l件:稱取2.00 g試樣于20 mL頂空瓶中,用聚四氟乙烯隔墊蓋子密封;將頂空瓶置70 ℃水浴鍋中水浴平衡30 min,每隔10 min晃動(dòng)瓶身;再將固相萃取頭插入頂空萃取瓶中,萃取吸附30 min。萃取結(jié)束后將萃取頭放入GC-MS進(jìn)樣口中,250 ℃解析5 min,使得揮發(fā)性成分得到分離。

1.2.2 色譜條件 色譜柱:HP-5 MS石英毛細(xì)柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm);升溫程序:起始柱溫40 ℃,保持3 min,以5 ℃/min升至60 ℃,然后以3 ℃/min升至150 ℃,保持2 min,最后以10 ℃/min 升至230 ℃;載氣為高純氦氣(純度≥99.999%);載氣流速為1 mL/min;進(jìn)樣口溫度250 ℃;分流比為1∶1。

1.2.3 質(zhì)譜條件 電子轟擊離子源;電離電壓70 eV;傳輸線溫度250 ℃;離子源溫度230 ℃;四級(jí)桿溫度為150 ℃;溶劑延遲3 min;質(zhì)量掃描方式為全掃描模式;質(zhì)量掃描范圍m/z 30～500。

1.2.4 定性與定量方法 定性:根據(jù) NIST MS Search 2.0 質(zhì)譜圖庫(kù)檢索結(jié)果,結(jié)合保留指數(shù)定性。

保留指數(shù)(retention index,RI)的測(cè)定方法:將正構(gòu)烷烴標(biāo)準(zhǔn)品以液體進(jìn)樣的形式,按照上述 1.3.2 的升溫程序進(jìn)行分離。進(jìn)樣量為1 μL,分流比為20∶1。記錄每個(gè)正構(gòu)烷烴標(biāo)準(zhǔn)品出峰的保留時(shí)間,各組分的保留指數(shù)計(jì)算采用 Kovats 保留指數(shù)計(jì)算公式[10]:

式中:RI為待測(cè)組分的保留指數(shù);RTx為待測(cè)組分的保留時(shí)間;n和n+1分別表示正構(gòu)烷烴的碳原子數(shù);其中RTn

定量:運(yùn)用峰面積歸一化法得到各揮發(fā)性成分的相對(duì)含量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

使用IBM SPSS Statistics 22統(tǒng)計(jì)學(xué)分析軟件和SIMCA-P 13.0版軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,采用Origin8.5作圖軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 速溶豆粉、牛奶粉與羊奶粉揮發(fā)性成分的GC-MS分析

速溶豆粉、牛奶粉和羊奶粉的揮發(fā)性成分總離子流色譜圖分別如圖1～圖3所示。比較圖1～圖3可以觀察到,在5～10 min范圍內(nèi),羊奶粉有明顯區(qū)別于另兩者的峰,鑒定的揮發(fā)性物質(zhì)為庚醛、2-庚酮和二甲基砜,羊奶粉的揮發(fā)性成分出峰時(shí)間比較接近,峰較為密集,速溶豆粉和牛奶粉的峰分離度較好,三者能夠明顯區(qū)分開。

圖1 速溶豆粉揮發(fā)性成分總離子流色譜圖Fig.1 Total ion chromatogram of volatile components of instant soybean powder

圖2 牛奶粉揮發(fā)性成分總離子流色譜圖Fig.2 Total ion chromatogram of volatile components of milk powder

圖3 羊奶粉揮發(fā)性成分總離子流色譜圖Fig.3 Total ion chromatogram of volatile components of goat milk powder

從圖1可以看出,速溶豆粉的揮發(fā)性成分主要集中在16～21、27～31和34～38 min,在20.96 min出現(xiàn)最大峰為十二烷,占總揮發(fā)性成分的11.4%,其余高峰物質(zhì)分別為壬醛、2,2,4,6,6-五甲基庚烷、(E,E)-3,5-辛二烯-2-酮、右旋萜二烯、3-甲基十三烷、十四烷、2,6-二叔丁基對(duì)甲酚等;從圖2可以看出,牛奶粉的揮發(fā)性成分主要集中在11～21和26～30 min,在11.68 min出現(xiàn)最大峰為2,2,4,6,6-五甲基庚烷,占總揮發(fā)性成分的19.04%,其余高峰物質(zhì)分別為壬醛、十二烷、十四烷、δ-癸內(nèi)酯、二甲基砜等;從圖3可以看出,羊奶粉的揮發(fā)性成分主要集中在5～21和27～30 min,在16.67 min出現(xiàn)最大峰為壬醛,占總揮發(fā)性成分的14.95%,其余高峰物質(zhì)分別為2,2,4,6,6-五甲基庚烷、右旋萜二烯、壬醛、十二烷、二甲基砜等。綜上來(lái)看,三者均含有壬醛、2,2,4,6,6-五甲基庚烷、十二烷等物質(zhì),且相對(duì)含量較高,速溶豆粉和牛奶粉最大峰都為烴類物質(zhì),而羊奶粉最大峰是醛酮類物質(zhì),這可能是影響風(fēng)味的原因之一。

由表1可知,速溶豆粉、牛奶粉和羊奶粉分別鑒定出42、48、47種揮發(fā)性物質(zhì),包括醇類、醛酮類、烴類、酸類、酯類和其他類物質(zhì)等。整體來(lái)看,相比另外兩種奶粉,速溶豆粉中檢出的醇類和酸類物質(zhì)含量最多;相比速溶豆粉和羊奶粉,牛奶粉中檢出的烴類和酯類物質(zhì)含量最多;相比速溶豆粉和牛奶粉,羊奶粉中檢出的醛酮類和其他類物質(zhì)含量最多。速溶豆粉、牛奶粉和羊奶粉中醛酮類和烴類物質(zhì)含量均較多,其總和占總相對(duì)含量的77.14%～85.01%,可能對(duì)其風(fēng)味有重要貢獻(xiàn)。揮發(fā)性成分中十二醛、十一烷、1-十三烯、7-甲基十三烷只在牛奶粉中檢出,1-戊醇、3-辛烯-2-酮、2-甲基十三烷、γ-十二內(nèi)酯只在羊奶粉中有檢出,而速溶豆粉中檢測(cè)到的(E,E)-3,5-辛二烯-2-酮和2,6-二叔丁基對(duì)甲酚相對(duì)含量遠(yuǎn)高于另兩種物質(zhì),這些物質(zhì)可能是三者揮發(fā)性風(fēng)味的差異物質(zhì)。

表1 速溶豆粉、牛奶粉與羊奶粉揮發(fā)性成分定性分析及相對(duì)含量Table 1 Qualitative analysis and relative content of volatile components of instant soybean powder,goat milk powder and milk powder

續(xù)表

從圖4可以看出,速溶豆粉檢出的醇類物質(zhì)種類最多(4種);在牛奶粉中檢出烴類物質(zhì)種類最多(25種);在羊奶粉中檢出的醛酮類(11種)、酯類(8種)和其他類物質(zhì)(3種)種類均較多。整體來(lái)看,三者中檢出的烴類、醛酮類、酯類的個(gè)數(shù)均較多,可能對(duì)風(fēng)味有重要影響。

圖4 速溶豆粉、羊奶粉與奶粉的各類揮發(fā)性成分種類數(shù)對(duì)比Fig.4 Comparison of number of various volatile components of instant soybean powder,goat milk powder and milk powder

綜上看來(lái),速溶豆粉、牛奶粉和羊奶粉揮發(fā)性成分中烴類的相對(duì)含量在總揮發(fā)性成分比重均最大,其中速溶豆粉中烴類物質(zhì)相對(duì)含量占比56.72%;牛奶粉中烴類物質(zhì)含量高達(dá)66.07%,是三者中烴類物質(zhì)含量最高的;而羊奶粉中烴類物質(zhì)含量占比也高達(dá)51.22%。但由于烴類物質(zhì)風(fēng)味閾值較高,對(duì)于揮發(fā)性風(fēng)味的貢獻(xiàn)并不大[28]。其次,占比較大的是醛酮類物質(zhì),醛酮類物質(zhì)是脂肪發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生的二次氧化產(chǎn)物[29]。由于速溶豆粉的脂肪含量比羊奶粉與牛奶粉低,速溶豆粉含脂18%[30],牛奶粉含脂26%[31],而羊奶粉脂肪含量高達(dá)30%以上[32],這可能是導(dǎo)致羊奶粉與牛奶粉含有的醛酮類物質(zhì)比速溶豆粉高的原因。醛酮類物質(zhì)風(fēng)味閾值較低,對(duì)于揮發(fā)性風(fēng)味的貢獻(xiàn)較大,是奶粉風(fēng)味的常見特征組分[27]。檢出的醛酮類物質(zhì)主要包括己醛、庚醛、壬醛、癸醛、2-庚酮、3-辛烯-2-酮和(E,E)-3,5-辛二烯-2-酮,三者按醛酮類物質(zhì)含量由高到低依次是羊奶粉、速溶豆粉和牛奶粉。醛酮類物質(zhì)含量的差異對(duì)三者的特征風(fēng)味具有突出貢獻(xiàn)。其他類物質(zhì)包括二甲基砜、2-正戊基呋喃、2,6-二叔丁基對(duì)甲酚,其中二甲基砜主要是來(lái)自乳制品中甲硫氨酸降解產(chǎn)生[33],風(fēng)味閾值較低;2-正戊基呋喃通常被報(bào)道為亞油酸的氧化產(chǎn)物[34],閾值較低,對(duì)氣味有很大的貢獻(xiàn);2,6-二叔丁基對(duì)甲酚是常用的酚類抗氧化劑,閾值較低,對(duì)氣味具有一定的貢獻(xiàn)。速溶豆粉未檢測(cè)到其他類物質(zhì)中的含硫物質(zhì)二甲基砜,而羊奶粉與牛奶粉中二甲基砜相對(duì)含量較高,并且羊奶粉的二甲基砜相對(duì)含量遠(yuǎn)高于牛奶粉,高達(dá)12.13%,這一結(jié)果與雷飛艷等[35]的研究結(jié)果一致。

2.2 速溶豆粉、牛奶粉及羊奶粉揮發(fā)性成分的聚類分析與主成分分析

為了表征和鑒定速溶豆粉、羊奶粉和奶粉的不同化學(xué)型,將揮發(fā)性成分進(jìn)行聚類分析(CA)和主成分分析(PCA)。獲得聚類分析構(gòu)建的樹狀圖和主成分分析的二維得分圖和載荷圖,如圖5～圖6所示。

圖5 速溶豆粉、羊奶粉與牛奶粉揮發(fā)性成分的聚類分析樹狀圖Fig.5 Cluster analysis of instant bean powder, goat milk powder and milk powder

圖6 66個(gè)樣品的主成分二維得分圖(A)和二維載荷圖(B)Fig.6 PCA 2D score plots(a)and 2D loading plots(b)of 66 samples注:圖6(A)中數(shù)字表示不同樣本; 圖6(B)中數(shù)字與表1一致,表示不同揮發(fā)性成分。

由圖5可以看出,通過(guò)聚類分析樹狀圖可以將速溶豆粉、牛奶粉和羊奶粉三者明顯的區(qū)分開。歐氏距離可用于表示樣品的相似程度,相似程度越高的樣品,歐氏距離越小[36]。從右往左看,在距離為24時(shí)(圖5中虛線Ⅰ處),樣品聚為兩大類:第一類為速溶豆粉,第二類為羊奶粉與牛奶粉;在距離為22時(shí)(圖5中虛線Ⅱ處)可將樣品分為三類:速溶豆粉3、羊奶粉與牛奶粉、其余速溶豆粉;在距離為18時(shí)(圖5中虛線Ⅲ處)將樣品分為五類:速溶豆粉3、速溶豆粉7、其余速溶豆粉、羊奶粉、牛奶粉。由此表明,聚類分析能很好地應(yīng)用于速溶豆粉、牛奶粉和羊奶粉揮發(fā)性成分的區(qū)分。

結(jié)合表1發(fā)現(xiàn),1-辛烯-3-醇(3.26%)、癸醛(2.32%)、(E,E)-3,5-辛二烯-2-酮(5.28%)、1-十二烯(2.20%)、正癸酸(2.40%)、丙位辛內(nèi)酯(1.15%)、2-正戊基呋喃(1.12%)、2,6-二叔丁基對(duì)甲酚(6.50%)在速溶豆粉中含量明顯高于牛奶粉和羊奶粉,可推斷出這些物質(zhì)對(duì)速溶豆粉特征風(fēng)味的形成具有突出貢獻(xiàn);壬醛(14.01%)、2-壬酮(1.15%)、2,2,4,6,6-五甲基庚烷(19.04%)、十一烷(2.01%)、十二烷(16.88%)、δ-癸內(nèi)酯(3.47%)、1-十三烯(0.38%)在牛奶粉中含量明顯高于速溶豆粉與羊奶粉,可推斷出這些物質(zhì)對(duì)牛奶粉特征風(fēng)味的形成具有主要貢獻(xiàn);庚醛(3.01%)、反-2-辛烯醛(2.10%)、壬醛(14.95%)、2-庚酮(1.08%)、3-辛烯-2-酮(1.94%)、右旋萜二烯(10.01%)、γ-十二內(nèi)酯(0.20%)、二甲基砜(12.13%)在羊奶粉奶粉中含量明顯高于速溶豆粉與牛奶粉,推斷是羊奶粉特征風(fēng)味物質(zhì)的主要貢獻(xiàn)物質(zhì)。

圖6A得分圖表示速溶豆粉、牛奶粉和羊奶粉三者基于揮發(fā)性成分的相似性與差異性,圖6(B)載荷圖表示引起樣品差異的關(guān)鍵變量。不同的變量對(duì)區(qū)分模型的建立和貢獻(xiàn)是不一樣的。從理論上來(lái)說(shuō),載荷圖中越是遠(yuǎn)離中心點(diǎn)的變量,對(duì)得分圖的貢獻(xiàn)越大,而這種物質(zhì)正是不同類型樣本中的差異成分[37]。由圖6A二維得分圖可知,速溶豆粉、牛奶粉和羊奶粉可以明顯被分為三類,區(qū)分度較好。由圖6B二維載荷圖可知,2,2-二甲基-1-癸醇(4)、1-十二烯(26)、3-甲基十三烷(35)、2,6,10-三甲基十二烷(36)、2,2-二甲基-1-辛醇(5)、庚醛(7)、γ-十二內(nèi)酯(49)、二甲基砜(54)、正十七烷(42)、1-戊醇(1)、2-甲基十三烷(34)、反-2-辛烯醛(9)等揮發(fā)性成分遠(yuǎn)離y軸;而十二烷(27)、丁位十二內(nèi)酯(50)、δ-癸內(nèi)酯(48)、1-十三烯(29)、十四烷(37)、丁位十四內(nèi)酯(52)、十一烷基環(huán)戊烷(41)、苯甲醛(8)、2-正戊基呋喃(55)、己醛(6)等揮發(fā)性成分遠(yuǎn)離 x軸。這些物質(zhì)遠(yuǎn)離中心點(diǎn),貢獻(xiàn)較大,是樣本中的差異成分。

從圖6可以看出,癸醛(11)、(E,E)-3,5-辛二烯-2-酮(15)、1-十二烯(26)、正癸酸(45)、丙位辛內(nèi)酯(46)、2-正戊基呋喃(55)、2,6-二叔丁基對(duì)甲酚(56)等揮發(fā)性物質(zhì)的載荷圖位置與得分圖中速溶豆粉所處位置類似,說(shuō)明速溶豆粉中這些揮發(fā)性物質(zhì)含量較高,能作為速溶豆粉的關(guān)鍵揮發(fā)性物質(zhì),用來(lái)和牛奶粉和羊奶粉進(jìn)行區(qū)分。十二烷(27)、丁位十二內(nèi)酯(50)、2-乙基己醇(3)、壬醛(10)、2-甲基癸烷(21)、鄰苯二甲酸正丁異辛酯(53)、十一烷(22)、2,2,4,6,6-五甲基庚烷(18)、1-十三烯(29)、δ-癸內(nèi)酯(48)、丁位十四內(nèi)酯(52)等揮發(fā)性物質(zhì)的載荷圖位置與得分圖中牛奶粉所處位置類似,說(shuō)明牛奶粉中這些揮發(fā)性物質(zhì)含量較高,能作為牛奶粉的關(guān)鍵揮發(fā)性物質(zhì),用來(lái)和速溶豆粉和羊奶粉進(jìn)行區(qū)分。1-戊醇(1)、反-2-辛烯醛(9)、庚醛(7)、二甲基砜(54)、3-辛烯-2-酮(14)等揮發(fā)性物質(zhì)的載荷圖位置與得分圖中羊奶粉所處位置類似,說(shuō)明羊奶粉中這些揮發(fā)性物質(zhì)含量較高,能作為羊奶粉的關(guān)鍵揮發(fā)性物質(zhì),用來(lái)和牛奶粉和速溶豆粉進(jìn)行區(qū)分。此分析結(jié)果和聚類分析結(jié)果一致,可以互相佐證。

3 結(jié)論

基于固相微萃取氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)對(duì)速溶豆粉、牛奶粉和羊奶粉的揮發(fā)性成分進(jìn)行鑒定,在速溶豆粉中共鑒定出42種揮發(fā)性物質(zhì),牛奶粉中共鑒定出48種揮發(fā)性物質(zhì),羊奶粉中共鑒定出47種揮發(fā)性物質(zhì)。檢出的物質(zhì)主要包括醇類、醛酮類、烴類、酸類、酯類和其他類等物質(zhì),三者中烴類、醛酮類和酯類物質(zhì)的種類和含量均較高,其中速溶豆粉中檢測(cè)到的醇類和酸類物質(zhì)含量高于牛奶粉與羊奶粉;牛奶粉中檢測(cè)到的烴類和酯類物質(zhì)含量高于速溶豆粉和羊奶粉;羊奶粉中檢測(cè)到的醛酮類和其他類物質(zhì)含量高于速溶豆粉和牛奶粉。結(jié)合聚類分析和主成分分析兩種統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)研究,結(jié)果表明,癸醛、(E,E)-3,5-辛二烯-2-酮、1-十二烯、正癸酸、丙位辛內(nèi)酯、2-正戊基呋喃、2,6-二叔丁基對(duì)甲酚是速溶豆粉的關(guān)鍵揮發(fā)性物質(zhì);壬醛、δ-癸內(nèi)酯、十二烷、丁位十二內(nèi)酯、2,2,4,6,6-五甲基庚烷、1-十三烯是牛奶粉的關(guān)鍵揮發(fā)性物質(zhì);1-戊醇、庚醛、2-庚酮、二甲基砜、3-辛烯-2-酮、壬醛、γ-十二內(nèi)酯等揮發(fā)性物質(zhì)是羊奶粉的關(guān)鍵揮發(fā)性物質(zhì)。這些物質(zhì)可作為三者間的揮發(fā)性差異物。今后可以嘗試增加樣本的種類和數(shù)量,如探究不同產(chǎn)地、不同存儲(chǔ)時(shí)間或不同加工工藝的樣本之間的揮發(fā)性成分的差異。