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        基于GC-IMS和化學(xué)計(jì)量學(xué)分析海鱸魚肉蒸制過程中風(fēng)味物質(zhì)的變化

        2021-12-03 09:25:40徐永霞白旭婷趙洪雷李學(xué)鵬勵(lì)建榮儀淑敏郭曉華
        食品科學(xué) 2021年22期
        關(guān)鍵詞:酮類醛類鱸魚

        徐永霞,白旭婷,馮 媛,趙洪雷,*,李學(xué)鵬,勵(lì)建榮,儀淑敏,*,謝 晶,郭曉華

        (1.渤海大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,渤海大學(xué)實(shí)驗(yàn)中心,生鮮農(nóng)產(chǎn)品貯藏加工及安全控制技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心,海洋食品精深加工關(guān)鍵技術(shù)省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心,遼寧 錦州 121013;2.上海海洋大學(xué)食品學(xué)院,上海 201306;3.山東美佳集團(tuán)有限公司,山東 日照 276815)

        海鱸魚(Perca fluviatilis)學(xué)名為日本真鱸,屬鱸形目,花鱸屬,是我國沿海地區(qū)重要的經(jīng)濟(jì)魚類之一[1]。海鱸魚主要分布于太平洋西部,在我國以黃海和渤海產(chǎn)量居多[2]。海鱸魚年產(chǎn)量大,據(jù)中國漁業(yè)年鑒最新統(tǒng)計(jì),2019年我國鱸魚養(yǎng)殖年產(chǎn)量約18萬 t,比2018年增長了8.16%[3]。海鱸魚的肉質(zhì)細(xì)嫩鮮美,富含蛋白質(zhì)和不飽和脂肪酸,且鈣、鎂、鋅、硒、VA和B族維生素含量豐富,在市場上深受消費(fèi)者的青睞[4]。

        熱處理是肉制品加工的重要方式,不僅可以提高食用安全性,而且可以賦予制品良好的風(fēng)味和色澤[5]。熱處理的方式和條件對肉品品質(zhì)具有重要影響。常見的食品熱處理方式包括蒸、煮、油炸和微波等,其中蒸制被認(rèn)為是最健康的熱加工方式,不僅可以較好地保留食材的營養(yǎng)成分和原有的風(fēng)味特性,而且減少了油脂和鹽的攝入,更符合現(xiàn)代人們的健康飲食需求[6]。隨著生活水平的提高,人們對水產(chǎn)品的要求不再局限于營養(yǎng)價(jià)值,也越來越注重其風(fēng)味品質(zhì)[7-8]。目前,關(guān)于魚肉揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的研究主要采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法、全二維氣相色譜-飛行時(shí)間質(zhì)譜法、氣相色譜-嗅聞法、電子鼻技術(shù)等[9-10]。氣相色譜-離子遷移譜(gas chromatography-ion mobility spectroscopy,GC-IMS)技術(shù)是近年來新興的一種快速檢測揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的先進(jìn)技術(shù),能同時(shí)獲得風(fēng)味物質(zhì)的構(gòu)成及樣品品質(zhì)判別信息,具有靈敏度高、檢測速度快、操作方便且樣品分析溫度低等特點(diǎn),更能真實(shí)反映樣品的風(fēng)味存在狀態(tài)[11]。此外,GC-IMS可對揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)進(jìn)行可視化表征,從而實(shí)現(xiàn)對不同樣品的區(qū)分。目前GC-IMS技術(shù)已廣泛應(yīng)用于肉類、果蔬和酒類等食品中,在水產(chǎn)品中的應(yīng)用相對較少,應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在關(guān)鍵香氣[12]和異味化合物[13]的鑒定,食品的分級、溯源、品質(zhì)評價(jià)[14-15]和質(zhì)量控制[16]等方面。GC-IMS技術(shù)在食品風(fēng)味領(lǐng)域中的研究逐漸增多,同時(shí)結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)方法也為該技術(shù)在食品風(fēng)味分析中的應(yīng)用提供了重要貢獻(xiàn)。

        本實(shí)驗(yàn)以海鱸魚為研究對象,采用GC-IMS技術(shù)結(jié)合正交偏最小二乘法判別分析(orthogonal partial least squares-discrimination analysis,OPLS-DA)、模型驗(yàn)證及熱圖分析等化學(xué)計(jì)量學(xué)方法,研究不同蒸制時(shí)間對海鱸魚肉揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的影響,旨在為海鱸魚的精深加工及食品化菜品的開發(fā)提供一定的理論參考。

        1 材料與方法

        1.1 材料與試劑

        新鮮海鱸魚,每尾長(20±5)cm,尾質(zhì)量約1 kg,購于遼寧錦州市林西街水產(chǎn)市場。

        2-丁酮、2-戊酮、2-己酮、2-庚酮、2-辛酮、2-壬酮(均為分析純) 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

        1.2 儀器與設(shè)備

        PL602-L電子天平 梅特勒-托利多儀器有限公司;FlavourSpec?風(fēng)味分析儀(配有LAV(Laboratory Analytical Viewer)分析軟件和GC×IMS Library Search定性軟件) 德國G.A.S公司;Checkmate3頂空分析儀丹麥Densensor公司。

        1.3 方法

        1.3.1 樣品預(yù)處理

        取海鱸魚背部肌肉,洗凈瀝干后切成大小均勻的魚塊,然后置于蒸鍋內(nèi)分別加熱4、6、8、10 min和12 min,取出吸去魚肉表面水分得到不同的蒸制樣品(Z4、Z6、Z8、Z10和Z12)。以未經(jīng)處理的新鮮魚肉塊為對照組(Z0)。

        1.3.2 GC-IMS測定

        自動(dòng)進(jìn)樣條件:準(zhǔn)確稱取2.0 g樣品置于20 mL頂空瓶中,設(shè)置孵育溫度60 ℃,孵化轉(zhuǎn)數(shù)500 r/min,孵育時(shí)間15 min,采用頂空自動(dòng)進(jìn)樣的方式,進(jìn)樣量500 μL,進(jìn)樣針溫度65 ℃,不分流模式進(jìn)樣。

        GC條件:采用石英毛細(xì)管色譜柱FS-SE-54-CB-1(15 m×0.53 mm,1 μm),柱溫60 ℃,載氣為氮?dú)猓ā?9.999%),載氣的流速程序見表1,遷移管溫度45 ℃,分析時(shí)間30 min,載氣/漂移氣為N2。

        表1 GC檢測條件Table 1 Gas chromatographic conditions

        1.4 數(shù)據(jù)分析

        采用Origin 2019b軟件、SPSS 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及顯著性分析,P<0.05,差異顯著。魚肉樣品中的揮發(fā)性成分采用儀器配套的LAV(Laboratory Analytical Viewer)軟件和Library Search軟件進(jìn)行采集和分析。利用LAV分析譜圖并進(jìn)行定量分析;通過Reporter和Gallery Plot插件對比指紋圖譜的差異;利用Dynamic PCA插件對樣品進(jìn)行聚類分析,以確定未知樣品的種類;應(yīng)用Library Search軟件內(nèi)置的NIST和IMS數(shù)據(jù)庫對揮發(fā)物進(jìn)行定性分析。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 海鱸魚肉風(fēng)味物質(zhì)的定性分析

        如圖1所示,圖中遷移時(shí)間1.0 ms處紅色豎線表示反應(yīng)離子峰(reactive ion peak,RIP),每個(gè)樣品的遷移時(shí)間約為2.08 ms,各種風(fēng)味物質(zhì)的保留時(shí)間集中分布在100~380 s之間。RIP峰兩側(cè)的每個(gè)點(diǎn)反映了離子流的信號(hào)強(qiáng)度,代表一種揮發(fā)性物質(zhì),點(diǎn)的顏色及面積表示物質(zhì)含量的大小,點(diǎn)的顏色越深、面積越大反映離子流的信號(hào)越強(qiáng),物質(zhì)濃度越高,反之越低[17]。從圖1可直觀看出,樣品經(jīng)蒸制處理后揮發(fā)性物質(zhì)組成的差異,圖中淺藍(lán)色點(diǎn)和紅色點(diǎn)的數(shù)量明顯增加,且紅色點(diǎn)的顏色逐漸加深,說明蒸制后樣品的風(fēng)味物質(zhì)含量明顯高于未經(jīng)蒸制處理的樣品。

        圖1 海鱸魚肉蒸制過程中的特征風(fēng)味二維GC-IMS譜圖Fig.1 Two-dimensional GC-IMS spectra of characteristic flavor components in sea bass flesh during steaming process

        為了進(jìn)一步分析蒸制過程中海鱸魚肉揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的變化,采用GC×IMS Library Search軟件內(nèi)置的NIST數(shù)據(jù)庫和IMS數(shù)據(jù)庫進(jìn)行定性分析。依據(jù)揮發(fā)性物質(zhì)的GC保留時(shí)間和離子遷移時(shí)間,以C4~C9的正酮類作為外標(biāo)物計(jì)算每種揮發(fā)性物質(zhì)的保留指數(shù),通過與GCIMS數(shù)據(jù)庫進(jìn)行匹配,完成對魚肉中揮發(fā)性物質(zhì)的定性分析[18]。如表2所示,海鱸魚蒸制過程中可明確定性的揮發(fā)性物質(zhì)共有43 種,包括提高待分析物濃度時(shí),出現(xiàn)2 個(gè)分子時(shí)共用一個(gè)質(zhì)子或電子,形成二聚體的現(xiàn)象[19]。鑒定出的揮發(fā)性物質(zhì)碳鏈普遍集中在C3~C9之間,包括醛類12 種、醇類8 種、酮類5 種、酸類2 種、酯類2 種和含硫化合物1 種,其中醛類物質(zhì)的含量最高,其次是酮類和醇類物質(zhì)。

        表2 海鱸魚肉蒸制過程中鑒定出的揮發(fā)性物質(zhì)Table 2 Volatile compounds identified in sea bass flesh during steaming process

        2.2 不同蒸制時(shí)間下海鱸魚肉的風(fēng)味變化

        利用GC-IMS分析海鱸魚肉蒸制過程中揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的變化,得到的風(fēng)味指紋圖譜如圖2所示。指紋圖譜中代表揮發(fā)性物質(zhì)的點(diǎn)亮度發(fā)生明顯變化,說明不同蒸制時(shí)間下魚肉中揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的組成存在明顯差異。經(jīng)蒸制處理后,魚肉樣品中風(fēng)味物質(zhì)的含量明顯高于對照組。隨著蒸制時(shí)間的延長,魚肉中揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的種類和濃度總體有不同程度的上升,這可能與魚肉蒸制過程中發(fā)生的美拉德反應(yīng)、脂類的氧化和裂解有關(guān),此外一定的熱處理可促進(jìn)魚肉中揮發(fā)性風(fēng)味化合物的釋放,從而增加魚肉中揮發(fā)性物質(zhì)的含量[20]。榮建華等[21]通過固相微萃取-氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法分析蒸制對脆肉鯇魚肉揮發(fā)性成分的影響,發(fā)現(xiàn)蒸制后魚肉中揮發(fā)性物質(zhì)的相對含量及種類均高于生魚肉。

        圖2 海鱸魚肉蒸制過程中的Gallery Plot圖Fig.2 Gallery Plot analysis of volatile flavor compounds in sea bass flesh during steaming process

        由圖3可知,醛類物質(zhì)在海鱸魚肉中相對含量最高,其次是酮類和醇類物質(zhì)。據(jù)研究報(bào)道,醛類化合物(C6~C9)主要來源于不飽和脂肪酸的氧化降解或氨基酸的斯特勒克降解反應(yīng),其氣味閾值比較低,對魚肉的整體風(fēng)味影響較大[22-23]。和生魚肉相比,蒸制處理顯著增加了魚肉中醛類物質(zhì)的含量,且隨著蒸制時(shí)間的延長,魚肉中的己醛、庚醛、辛醛、壬醛、3-甲基丁醛、(E)-2-己烯醛、(E)-2-庚烯醛、(E)-2-辛烯醛、(E,E)-2,4-辛二烯醛和苯甲醛等醛類物質(zhì)的含量逐漸增加。己醛和庚醛主要產(chǎn)生于亞油酸和花生四烯酸的氧化,辛醛和壬醛主要由油酸的氧化形成[24];烯醛類主要來源于亞油酸和亞麻酸的降解[25]。其中己醛有青草氣味,(E)-2-庚烯醛具有油脂香,對魚肉風(fēng)味均有重要貢獻(xiàn)。酮類和醇類物質(zhì)一般來源于脂肪酸的氧化降解,其氣味閾值通常高于醛類,但具有獨(dú)特的花香、水果香等令人愉悅的風(fēng)味,可能對特殊魚香味的形成有一定貢獻(xiàn)。隨著蒸制時(shí)間的延長,魚肉中的1-辛烯-3-醇、1-庚醇、1-己醇、1-戊醇、1-丁醇、糠醇、3-呋喃甲醇、2-庚酮、2-戊酮和2-丁酮等醇類和酮類物質(zhì)含量逐漸增加。1-辛烯-3-醇主要由亞油酸的氧化產(chǎn)生,具有典型的蘑菇味和清香,可增強(qiáng)魚肉的脂香味[23]。酮類物質(zhì)如2-庚酮、2-丁酮可通過脂肪氧化和美拉德反應(yīng)產(chǎn)生,有研究報(bào)道,酮類對消減腥味有一定的貢獻(xiàn)[25]。還有少部分物質(zhì)在蒸制4 min或6 min時(shí)含量較高,如戊醛、丁醛和乙酸乙酯等。3-甲基丁醇、二甲基二硫、丙酸等物質(zhì)在生魚肉中檢出的含量較高,而蒸制后含量逐漸降低。二甲基二硫化合物主要是由魚體內(nèi)含硫氨基酸降解產(chǎn)生,其氣味閾值極低,在高濃度時(shí)具有刺激性氣味,通常與變質(zhì)的海味有關(guān)[26]。3-甲基丁醇和丙酸具有令人不愉快的氣味,其在蒸制樣品中的相對含量顯著降低,說明蒸制處理可明顯改善魚肉的風(fēng)味。

        圖3 海鱸魚肉蒸制過程中揮發(fā)性組分的相對含量變化Fig.3 Changes in contents of volatile components in sea bass flesh during steaming process

        2.3 OPLS-DA及熱圖聚類分析

        2.3.1 樣品的OPLS-DA

        OPLS-DA為能夠去除與X軸、Y軸有關(guān)的信號(hào),建立物質(zhì)表達(dá)量與樣品類別間關(guān)系模型的有效判別分析統(tǒng)計(jì)方法[27]。利用OPLS-DA中的得分散點(diǎn)圖對不同蒸制時(shí)間下魚肉樣品中的風(fēng)味物質(zhì)進(jìn)行分析,結(jié)果如圖4所示。隨機(jī)改變分類變量的排列順序建立相應(yīng)的模型,RX2=0.966,RY2=0.879,當(dāng)R2和Q2處于0.5~1之間時(shí),表明模型有較好的概括解釋率[28]:Q2=0.714,表示模型有較好的預(yù)測能力。當(dāng)模型的穩(wěn)定性和預(yù)測能力都比較好時(shí),說明構(gòu)建的模型穩(wěn)定性及預(yù)測能力均達(dá)到要求,可用于區(qū)分不同蒸制時(shí)間下海鱸魚肉揮發(fā)性風(fēng)味組成的差異。

        圖4 海鱸魚肉蒸制過程中的OPLS-DAFig.4 OPLS-DA plot of sea bass flesh samples with different steaming times

        2.3.2 模型驗(yàn)證

        利用置換檢驗(yàn)對OPLS-DA模型進(jìn)行驗(yàn)證,根據(jù)樣本數(shù)據(jù)的隨機(jī)排列情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)推斷[29]。它將樣本進(jìn)行順序上的置換(n=200),重新得出統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)量,構(gòu)造經(jīng)驗(yàn)分布,以此為基礎(chǔ)進(jìn)行推斷。Q2代表累計(jì)交叉有效性,其值與模型預(yù)測能力呈正比;R2代表累計(jì)方差值,表示有多少原始數(shù)據(jù)被用來建立新的OPLS-DA模型,其值大則表示模型的解釋能力強(qiáng)[30]。應(yīng)用OPLS-DA模型進(jìn)行擬合,其評價(jià)指標(biāo)為RX2=0.966,RY2=0.879,Q2=0.714,說明所建模型擬合效果良好。為進(jìn)一步驗(yàn)證模型是否過擬合,將部分樣本的類別打亂,進(jìn)行200 次的置換擬合。如圖5所示,R2與縱軸相交(0,0.299),Q2與縱軸相交(0,-0.849),R2和Q2兩條回歸線斜率相對較大,左邊隨機(jī)排列產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)值R2和Q2均低于最右邊的R2和Q2值,且Q2回歸線的截距是負(fù)數(shù),說明OPLS-DA模型均無擬合現(xiàn)象,預(yù)測能力很好,可直接用于樣品的判別分析。

        圖5 海鱸魚肉蒸制過程中OPLS-DA的擬合曲線Fig.5 Fitting curve of OPLS-DA for sea bass flesh samples with different steaming times

        2.3.3 熱圖分析

        通過熱圖和凝聚層級聚類分析(hierarchical cluster analysis,HCA)法,將不同蒸制時(shí)間下的魚肉樣品與43 種揮發(fā)性化合物的關(guān)系進(jìn)行可視化。依據(jù)OPLS-DA模型中的變量重要性投影(variable importance in the projection,VIP)將每個(gè)變量對分類的貢獻(xiàn)進(jìn)行量化,其中VIP值大于1的揮發(fā)性化合物可作為潛在的特征標(biāo)志物[31]。海鱸魚肉蒸制過程中共篩選出11 種特征揮發(fā)性標(biāo)志物(VIP>1),包括醇類5 種、醛類4 種、酯類2 種。為了更加直接地區(qū)分不同蒸制處理下魚肉特征揮發(fā)性化合物的變化,依據(jù)每種風(fēng)味物質(zhì)的峰強(qiáng)度值繪制熱圖,結(jié)果如圖6所示。通過熱圖并結(jié)合HCA可以區(qū)分不同蒸制時(shí)間下海鱸魚肉樣品的風(fēng)味差異,可將具有不同風(fēng)味特征的魚肉大致分為3 類,分別為生魚肉(Z0)、蒸制4、6、8 min和10 min的魚肉(Z4、Z6、Z8和Z10)以及蒸制12 min的魚肉(Z12)。生魚肉中揮發(fā)性標(biāo)志物的種類較少,其中3-甲基丁醇在生魚肉中含量最高,其含量隨蒸制時(shí)間的延長而降低。Edirisinghe等[32]發(fā)現(xiàn)生魚中的異戊醇含量隨貯藏時(shí)間的延長而增加。因此,3-甲基丁醇可作為生魚肉的特征性風(fēng)味物質(zhì)。蒸制12 min的魚肉中1-庚醇、糠醇和(E)-2-庚烯醛的含量最高,這3 種風(fēng)味物質(zhì)可作為魚肉熟制后的特征性風(fēng)味物質(zhì)。

        圖6 海鱸魚肉蒸制過程中特征風(fēng)味物質(zhì)的熱圖和HCAFig.6 Heatmap and HCA of characteristic flavor components in sea bass flesh samples with different steaming times

        3 結(jié) 論

        本研究采用GC-IMS技術(shù)對海鱸魚肉蒸制過程中揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的變化進(jìn)行分析,共鑒定出43 種揮發(fā)性物質(zhì),包括醛類、酮類、醇類、酸類、酯類和含硫化合物,其中醛類物質(zhì)的相對含量最高,其次是酮類和醇類物質(zhì)。不同蒸制時(shí)間下海鱸魚肉的風(fēng)味物質(zhì)組成存在明顯差異,其中新鮮海鱸魚肉中3-甲基丁醇、二甲基二硫和丙酸等風(fēng)味物質(zhì)的相對含量較高,隨蒸制時(shí)間延長,魚肉中醛類、酮類和醇類物質(zhì)的含量逐漸增加,如庚醛、辛醛、壬醛、3-甲基丁醛、(E)-2-庚烯醛、(E,E)-2,4-辛二烯醛、苯甲醛、2-庚酮、2-丁酮、1-辛烯-3-醇、1-庚醇、1-丁醇和3-呋喃甲醇等。采用OPLS-DA、熱圖聚類分析等計(jì)量學(xué)方法篩選出11 種揮發(fā)性標(biāo)志物(VIP>1),并能較好區(qū)分不同蒸制時(shí)間下的海鱸魚肉樣品,其中3-甲基丁醇、1-庚醇、糠醇和(E)-2-庚烯醛可作為生熟海鱸魚肉的特征標(biāo)志物。

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