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        基于電子鼻與GC-MS 對不同格瓦斯揮發(fā)性風(fēng)味成分差異分析

        2019-12-04 02:59:36唐紅梅李玉斌王浩文劉乙志吳華昌
        食品科學(xué) 2019年22期
        關(guān)鍵詞:電子鼻揮發(fā)性風(fēng)味

        唐紅梅,李玉斌,王浩文,鄧 靜,劉 陽,劉乙志,劉 建,吳華昌,*

        (1.四川輕化工大學(xué)生物工程學(xué)院,四川 宜賓 644000;2.中國科學(xué)院成都分院,四川 成都 610041;3.四川旅游學(xué)院 烹飪科學(xué)四川省高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610100;4.四川旅游學(xué)院食品學(xué)院,四川 成都 610100)

        格瓦斯是東歐國家傳統(tǒng)的非酒精軟飲料,其乙醇體積分?jǐn)?shù)低于1.2%[1],主要由黑麥或干麥面包自然發(fā)酵而成[2],具有醇香和面包香。格瓦斯采用有利的微生物組合(乳酸菌-酵母菌)發(fā)酵,所以富含豐富的B族維生素、乳酸、二氧化碳[3]。自然發(fā)酵的格瓦斯能量值比典型非酒精飲料低約1/2,對人體的影響與開菲爾相似[2],具有開胃、助消化等功效。近年來,隨著消費(fèi)者對營養(yǎng)、功能性食品興趣的日益增加[4],具有良好滋味與功能性[5]的格瓦斯具有巨大的開發(fā)前景與研究意義。但目前格瓦斯的研究多集中在發(fā)酵[6]、生產(chǎn)[7]、貯藏工藝[8]階段,對格瓦斯風(fēng)味研究較少,而且鮮見有對不同格瓦斯風(fēng)味物質(zhì)的差異分析。

        氣相色譜-質(zhì)譜(gas chromatography-mass spectrometry,GC-MS)能檢測不同樣品中風(fēng)味物質(zhì)的種類和含量,但對不同樣品整體風(fēng)味差異分析較繁瑣,而電子鼻能直接從整體上對樣品風(fēng)味進(jìn)行分析,兩者配合有利于從局部和整體上詳細(xì)地研究食品的風(fēng)味[9]。目前,電子鼻在食品應(yīng)用方面已有諸多研究。張娟等[10]利用電子鼻技術(shù)并結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法,對牛肉中豬肉摻假進(jìn)行識別。易宇文等[11]以東坡肘子為對象,利用感官評價(jià)和電子鼻技術(shù)對其風(fēng)味特征進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)二者分析結(jié)果具有良好的一致性。Wang Min等[12]開發(fā)了一種小型電子鼻系統(tǒng),可以實(shí)時(shí)地對冰箱食品的新鮮度進(jìn)行評估。Wei Xiaobao等[13]對比了GC-MS與電子鼻技術(shù)對摻假牡丹籽油的識別能力,結(jié)果發(fā)現(xiàn)電子鼻結(jié)合線性判別分析更適用于牡丹籽油摻假的檢測。電子鼻結(jié)合GC-MS的技術(shù)廣泛應(yīng)用于食品不同品種、品質(zhì)及貯存條件揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的研究,包括野生真菌[14]、中藥材[15]、白酒[16]、肉類[17]、水果[18]、蔬菜[19]等,這些研究很好地證明電子鼻結(jié)合GC-MS在鑒定食品風(fēng)味差異上具有良好的相關(guān)性與互補(bǔ)性。

        本實(shí)驗(yàn)以電子鼻、GC-MS為主要技術(shù)手段,結(jié)合主成分分析,對自制青稞格瓦斯以及市售4 種格瓦斯的風(fēng)味物質(zhì)進(jìn)行差異鑒定,以期為格瓦斯風(fēng)味的進(jìn)一步研究提供參考。

        1 材料與方法

        1.1 材料與試劑

        自制青稞格瓦斯(Z),按文獻(xiàn)[20]制作;娃哈哈格瓦斯(W) 杭州娃哈哈集團(tuán)有限公司;秋林格瓦斯(Q)天津秋林格瓦斯食品科技有限責(zé)任公司;巴巴耶夫格瓦斯(B) 俄羅斯紅色十月食品集團(tuán);歐奇科娃(O)莫斯科歐奇可娃封閉式股份公司。

        1.2 儀器與設(shè)備

        FOX 4000型電子鼻(帶Alpha SOFT V12軟件)法國Alpha MOS公司;50/30 μm二乙烯基苯/碳分子篩/聚二甲基硅氧烷(divinylbenzene/carboxen/polydimethylsiloxane,DVB/CAR/PDMS)萃取頭、HP 5890/5975 GC-MS聯(lián)用儀 美國Agilent公司。

        1.3 方法

        1.3.1 電子鼻測定[21]

        樣品前處理:將5 種樣品用超聲波脫氣處理30 min,排除二氧化碳。脫氣完成后,每個(gè)樣品取5 份進(jìn)行平行測定,每份取1 mL,置于10 mL玻璃瓶中,頂空加熱5 min(加熱溫度為70 ℃),進(jìn)樣針吸取0.5 mL頂空氣體進(jìn)樣分析。

        檢測條件:載氣(合成干燥空氣)流速150 mL/min,數(shù)據(jù)采集時(shí)間120 s,延滯時(shí)間300 s。檢測結(jié)束后,以18 個(gè)傳感器的最大響應(yīng)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,不同傳感器對應(yīng)不同的敏感度物質(zhì)[22]。

        1.3.2 頂空固相微萃取-GC-MS測定

        頂空固相微萃取條件:準(zhǔn)確量取5 種市售格瓦斯樣品各8.0 mL及0.5 g氯化鈉于15 mL樣品瓶中,將老化的50/30 μm DVB/CAR/PDMS固相微萃取頭插入樣品瓶頂空部分,70 ℃平衡30 min、吸附15 min后,取出萃取頭并插入GC進(jìn)樣口,同時(shí)啟動(dòng)儀器采集數(shù)據(jù),解吸3 min。

        GC-MS分析條件:HP-5MS色譜柱(30 m×0.25 mm,0.25 μm);載氣:氦氣;進(jìn)樣口溫度250 ℃;進(jìn)樣量2 μL;進(jìn)樣采用不分流方式,載氣流速1.3 mL/min;升溫程序:初溫50 ℃,保持2 min,以5 ℃/min升到200 ℃,保持5 min,以25 ℃/min升到250 ℃,保持5 min。

        由計(jì)算機(jī)質(zhì)譜系統(tǒng)NSIT與RTLPEST檢索未知化合物,匹配度大于700(最大1 000)且可能性大于40%的結(jié)果將予以報(bào)告,各成分相對含量的計(jì)算采用面積歸一化法。

        1.4 數(shù)據(jù)處理

        采用IBM SPSS Statistics 22.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析,Origin 9.0進(jìn)行相關(guān)圖形的繪制。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 電子鼻分析結(jié)果

        由圖1可知,格瓦斯Z、O、B、Q具有相同的指紋圖譜,而格瓦斯W風(fēng)味強(qiáng)度較弱,響應(yīng)值在0~0.5之間,這可能是因?yàn)榍八恼呤侨樗峋c酵母菌共同發(fā)酵,生成酯類、醇類及有機(jī)酸類等易揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)較多,而格瓦斯W是多種乳酸菌發(fā)酵,產(chǎn)生的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)種類較單一,主要是有機(jī)酸類。其中,格瓦斯W在傳感器LY2/G與其他格瓦斯差異最大,該傳感器主要對氨、胺類、碳氧類化合物敏感,其次是對乙醇及燃燒產(chǎn)物敏感傳感器P30/2與對乙醇、氨水、胺類化合物傳感器PA/2。格瓦斯Z、O、B、Q在傳感器LY2/G、P30/2、P30/1、PA/2上均表現(xiàn)出較高響應(yīng)值,這些傳感器主要對碳?xì)浠衔?、氨、胺類、乙醇敏感?/p>

        圖1 5 種格瓦斯電子鼻指紋圖譜Fig. 1 Electronic nose fingerprints of five kvasses

        2.2 GC-MS分析結(jié)果

        圖2 5 種格瓦斯的GC-MS總離子流圖Fig. 2 Total ion current chromatograms of five kvasses analyzed by GC-MS

        由圖2、表1可知,格瓦斯的風(fēng)味主要由醇類、酯類、酸類、醛類物質(zhì)組成,4 種揮發(fā)性風(fēng)味成分總相對含量在73.12%~100%之間。其中,格瓦斯W風(fēng)味物質(zhì)以酯類物質(zhì)為主,相對含量為34.37%,其次是醇類及酸類物質(zhì),醛類物質(zhì)相對含量最少,僅為0.76%,這可能與多種乳酸菌共同發(fā)酵有關(guān);格瓦斯Z、Q、B、O風(fēng)味物質(zhì)以醇類為主,相對含量分別為82.41%、51.49%、81.04%、67.15%,其次是酸類物質(zhì),酯類及醛類物質(zhì)含量均較低,可能是乳酸菌與酵母菌共同發(fā)酵所致,這與艾乃吐拉·馬合木提等[7]在研究乳酸菌和酵母菌共同發(fā)酵的紅棗格瓦斯風(fēng)味成分所得結(jié)論一致。

        表1 5 種格瓦斯揮發(fā)性風(fēng)味成分Table 1 Volatile flavor components identified in five kvasses

        續(xù)表1

        5 種格瓦斯中均檢測出3-甲基-1-丁醇、苯乙醇、乙酸乙酯。其中,3-甲基-1-丁醇在格瓦斯Z、W、Q、B、O相對含量分別為19.38%、2.39%、15.87%、22.43%、21.95%,3-甲基-1-丁醇又稱異戊醇,該醇是雜油醇或高級醇的主要成分,具有苦杏仁味,是意大利Grappa的主要香氣成分[23],在葡萄酒中也有檢出[24]。苯乙醇在格瓦斯Z、W、Q、B、O相對含量分別為13.58%、15.01%、10.25%、23.12%、3.32%,其具有玫瑰與丁香花香氣,有先苦后甜的桃子樣味道[25],其來源有兩條途徑:一部分來自于原料,另一部分來自于L-苯丙氨酸經(jīng)釀酒酵母中脫氨酶、脫羧酶、還原酶作用產(chǎn)生[26],在發(fā)酵、熟化過程中可與酸類物質(zhì)發(fā)生酯化反應(yīng)或被氧化為醛類物質(zhì),導(dǎo)致含量降低。乙酸乙酯在格瓦斯Z、W、Q、B、O相對含量分別為0.57%、31.34%、0.78%、0.36%、2.35%,其呈現(xiàn)水果香、花香,在葡萄酒、啤酒、白酒中均有檢出,在白酒中含量最高[27],該物質(zhì)在發(fā)酵中主要由醇與酸發(fā)生酯化反應(yīng)產(chǎn)生,貯存中則主要發(fā)生支鏈酯的酯化反應(yīng)和高濃度直鏈酯的水解反應(yīng)。

        格瓦斯W共檢測出13 種物質(zhì),其揮發(fā)性成分以乙酸乙酯、山梨酸、苯乙醇、2-乙酰基呋喃為主,相對含量分別為31.34%、18.49%、15.01%、13.95%,其中2-乙?;秽哂刑鹣闩c焦糖香,是咖啡、土豆的風(fēng)味成分之一,但其閾值高達(dá)1 000 μg/L[26],山梨酸為飲料中的防腐劑。格瓦斯Z檢測出16 種物質(zhì),主要揮發(fā)性成分為乙醇、3-甲基-1-丁醇、苯乙醇、辛酸,相對含量分別為45.93%、19.38%、13.58%、9.40%,其中辛酸具有山羊臭與奶酪香[28-29],但閾值極高。格瓦斯Q共檢測出

        17 種物質(zhì),主要揮發(fā)性風(fēng)味成分為乙醇、山梨酸、3-甲基-1-丁醇、苯甲醛、苯乙醇,相對含量分別為24.65%、22.28%、15.87%、13.23%、10.25%。格瓦斯B共檢測出16 種物質(zhì),主要揮發(fā)性風(fēng)味成分為乙醇、苯乙醇、3-甲基-1-丁醇,相對含量分別為35.24%、23.12%、22.43%。格瓦斯O共檢測出16 種物質(zhì),主要揮發(fā)性風(fēng)味成分為乙醇、3-甲基-1-丁醇,相對含量分別為41.08%、21.95%。

        2.3 電子鼻與GC-MS主成分分析

        2.3.1 電子鼻主成分分析結(jié)果

        圖3 5 種格瓦斯電子鼻主成分分析Fig. 3 PCA plot of electronic nose data for five kvasses

        利用SPSS數(shù)據(jù)處理軟件對5 種格瓦斯電子鼻最大響應(yīng)值及揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)組成進(jìn)行主成分分析,如圖3所示,5 種格瓦斯對18 個(gè)傳感器的電子鼻最大響應(yīng)值進(jìn)行降維處理后,得到2 個(gè)主成分,第1主成分方差貢獻(xiàn)率為96.88%,第2主成分方差貢獻(xiàn)率為1.92%,累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為98.8%,主成分1、2包含樣品的大部分信息。由圖3可知,5 種格瓦斯以風(fēng)味不同區(qū)分開,沿著第1主成分方向,格瓦斯Z、O、B、Q較為靠近,而格瓦斯W距其他4 種較遠(yuǎn),即風(fēng)味上存在差異,這種差異由18 個(gè)傳感器共同決定,這與圖1所得結(jié)論一致。沿著第2主成分方向,格瓦斯Z、O、B、Q得以區(qū)分,且Z距離O、B較近與Q距離較遠(yuǎn),這種差異主要由LY2/AA、LY2/Gh、LY2/gCTl、P30/1決定。由電子鼻主成分分析結(jié)果可知:從5 種格瓦斯整體特征風(fēng)味層面分析,格瓦斯Z與格瓦斯W、Q風(fēng)味差異較大,與格瓦斯O、B風(fēng)味更為接近。

        2.3.2 GC-MS主成分分析結(jié)果

        對5 種格瓦斯GC-MS數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理后,得到3 個(gè)主成分,第1主成分方差貢獻(xiàn)率為34.59%,第2主成分方差貢獻(xiàn)率為28.20%,第3主成分方差貢獻(xiàn)率為21.35%,累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為84.14%,3 個(gè)主成分基本上包含樣品的大部分信息。由表2可知,乙醇、山梨酸、苯乙醛在第1主成分具有較大載荷,分別為0.25、-0.27、0.26,乙酸苯乙酯在第2主成分具有較大載荷,為0.25,苯甲醛在第3主成分具有較大載荷,為0.25。說明乙醇、山梨酸、苯乙醛、乙酸苯乙酯、苯甲醛對格瓦斯風(fēng)味差異區(qū)分有重要影響。

        表2 GC-MS特征向量矩陣Table 2 Eigenvector matrix of first three principal components

        由圖4可知,5 種格瓦斯以風(fēng)味不同區(qū)分開,沿著第1主成分方向,格瓦斯W、Q較為靠近,格瓦斯O、B、Z接近,即國內(nèi)、國外格瓦斯在乙醇、山梨酸、苯乙醛3 種風(fēng)味物質(zhì)上存在差異。國內(nèi)格瓦斯W、Q乙醇相對含量在35%~45%之間,且含有18%~22%的山梨酸,不含有苯乙醛,該物質(zhì)具有風(fēng)信子香味[30];國外格瓦斯O、B以及格瓦斯Z,乙醇相對含量在0%~25%之間,且含有0.74%~1.49%的苯乙醛,不含山梨酸。沿著第2主成分方向,格瓦斯B、W、Q接近,其他2 種較為分散,即在乙酸苯乙酯上存在差異,該物質(zhì)具有花香和蜜香[31],在B、W相對含量為0.6%,Z中相對含量在1.67%左右,其他2 種格瓦斯不含該物質(zhì)。沿著第3主成分方向,格瓦斯O、B、Z接近,其他2 種較為分散,即在苯甲醛上存在差異,該物質(zhì)具有苦杏仁味[32],在O、B、Z中相對含量在0.75%~3.14%之間,Q中相對含量為13.23%,W中不含該物質(zhì)。綜上所述,格瓦斯B、O、Z風(fēng)味接近,W與Q較為分散,這種差異可能是由乙醇、山梨酸、苯乙醛、乙酸苯乙酯、苯甲醛相對含量不同所致。

        圖4 5 種格瓦斯GC-MS主成分分析Fig. 4 PCA plot of GC-MS results for five kvasses

        3 結(jié) 論

        采用電子鼻,結(jié)合主成分分析,對青稞格瓦斯(Z)、俄羅斯格瓦斯(O、B)、國內(nèi)格瓦斯(Q、W)的揮發(fā)性風(fēng)味成分差異分析可知:從5 種格瓦斯整體特征風(fēng)味層面分析,格瓦斯Z與格瓦斯Q、W風(fēng)味差異較大,與格瓦斯O、B風(fēng)味更為接近。但格瓦斯Z與格瓦斯O、B間存在微小差異,主要因LY2/AA、LY2/Gh、LY2/gCTl、P30/1響應(yīng)值不同,即乙醇、氨、碳?xì)浠衔锖坎煌隆?/p>

        利用頂空固相微萃取進(jìn)樣,經(jīng)GC-MS進(jìn)一步分析可知:格瓦斯Z與格瓦斯O、B風(fēng)味更為接近,但與格瓦斯Q、W有較大差異,這一結(jié)果與電子鼻分析結(jié)果一致。乙醇、山梨酸、苯乙醛、乙酸苯乙酯、苯甲醛等揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)在5 種格瓦斯中的相對含量不同,可能會(huì)導(dǎo)致風(fēng)味呈現(xiàn)差異。本實(shí)驗(yàn)從局部和整體對5 種格瓦斯的風(fēng)味進(jìn)行差異分析,為不同格瓦斯的風(fēng)味分析提供參考。

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