谷子是中国北方主栽作物之一, 具有节水、抗旱、耐瘠等特点, 对于缓解北方地区水资源贫乏, 提高山区及半山区土地综合利用具有重大意义。目前, 谷子主要以原粮进行加工, 熬粥是其主要的食用方式, 消费形式单一, 市场拉动力不足, 在一定程度上限制了谷子产业的发展[1]。酿造是谷子重要的深加工技术, 近年来, 随着消费者营养理念的成熟及饮酒习惯的改变, 酿造类小米黄酒的需求日益增加, 发展潜力巨大。新型酿造技术和工艺已被应用于小米黄酒的产品开发中, 为小米黄酒产品产业化、市场化奠定了良好的基础[2, 3]。风味为小米黄酒重要的食用品质, 已引起广大学者的高度重视, 康晓军等[4]采用液液萃取法分析了小米黄酒风味成分, 确定醇类物质为小米黄酒的主要成分, 其中2, 3-丁二醇和苯乙醇含量最高。刘浩等[5]采用50/30 μm二乙烯基苯/碳分子筛/聚二甲基硅氧烷(DVB/CAR/PDMS)萃取头的顶空固相微萃取(headspace solid phase microextraction, HS-SPME)技术分析了小米黄酒风味成分, 确定苯乙醇、异戊醇、丁二酸二乙酯和丁二酸单乙酯等物质为主要风味成分。这些研究主要是对小米黄酒中风味成分百分含量的分析, 尚未涉及小米黄酒风味成分的具体含量以及气味特征的分析, 另外采用单一萃取头的HS-SPME技术进行萃取, 难以有效对其风味成分进行全面研究。
HS-SPME技术是近年来出现的前期提取法, 集采样、吸附、萃取、浓缩、进样等过程于一体, 具有所需仪器简单、操作时间短、样品用量少、无需萃取溶剂、选择性好和重现性高等优点[6], 已广泛用于黄酒[7]、白酒[8]、果酒[9]、啤酒[10]等酒类制品风味成分的分析中。HS-SPME方法中萃取头是关键, 不同萃取头对风味成分的选择性和提取效果差别很大。科研工作者采用不同萃取头提取了树莓[11]、酸橙[12]、马肉[13]、鸭肉[14]和豆腐[15]等食品风味成分, 全面了解这些食品风味成分的构成。另外, 食品中风味成分的构成复杂, 但只有浓度高于其阈值的风味成分对气味有贡献, 这些成分为关键气味成分, 气味活性值(odor active value, OAV)是筛选关键气味成分的重要参数, OAV是食品体系中某一特定成分浓度与其气味阈值的比值, 用以确定其对食品风味的贡献程度, 将其应用于酒类制品的风味研究中可进一步了解酒制品的气味特征和品质特性[16]。
因此, 本研究优化了不同萃取头的提取条件, 采用气相色谱-质谱联用法(gas chromatography-mass spectrometry, GC-MS)对小米黄酒的风味成分进行鉴定, 进一步利用OAV确定其关键风味成分, 以期全面了解小米黄酒风味成分的构成以及气味特征, 对小米黄酒产品开发及其品质控制具有重要意义。
Agilent 7890气相色谱、Agilent 7890气相色谱-质谱联用仪(美国Agilent公司); SPME手动进样手柄、85 μm聚丙烯酸酯(PA)、100 μm PDMS、75 μm CAR/PDMS、50/30 μm DVB/CAR/PDMS萃取头(美国Supelco公司); DS-101S集热式恒温加热磁力搅拌器(中国河南子华仪器有限公司); HP5016SY氮吹仪(上海济成分析仪器有限公司)。
3-辛醇(纯度99%)、C8~C20正构烷烃混合标准溶液(C8~C20均为40 mg/L)(美国Sigma公司); NaCl(国药集团化学试剂有限公司);小米黄酒(张家口北宗黄酒酿造公司)。
将首次使用的PA、PDMS、CAR/PDMS、DVB/CAR/PDMS萃取头分别在气相色谱的进样口老化至无杂峰。PA老化温度280 ℃, 时间60 min; PDMS老化温度250 ℃, 时间30 min; CAR/PDMS老化温度300 ℃, 时间60 min; DVB/CAR/PDMS老化温度270 ℃, 时间60 min。
称取8 mL小米黄酒于样品瓶中, 加入1.5 g NaCl溶解后, 加入400 μg 3-辛醇内标(质量浓度为50.0 mg/L), 于60 ℃下平衡10 min。将老化好的萃取头插入样品瓶顶空部分, 吸附40 min, 再将吸附好的萃取头取出,然后迅速插入GC进样口, 于250 ℃解吸5 min, 同时启动仪器采集数据。
毛细管色谱柱:DB-5MS柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm, 美国Agilent公司); 进样口温度:250 ℃; 接口温度:250 ℃。程序升温:初始温度45 ℃, 保留2 min; 以4 ℃/min升温至220 ℃, 保留5 min。载气:N2; 流速:1.0 mL/min; 不分流进样。
色谱条件:载气为He, 其他条件同1.3.1节。
质谱条件:电离方式为EI; 离子源温度为200 ℃; 接口温度为250 ℃; 电子能量为70 eV; 灯丝发射电流为200 μA; 扫描范围为m/z 33~450。
在相同色谱条件下分析C8~C20正构烷烃混合标准溶液, 以其保留时间计算测得样品化合物的保留指数(RI), 分析匹配度(SI)和反匹配度(RS)均超过800的物质, 同时参考NIST05质谱数据库的检索结果及相关化合物的保留指数, 对化合物进行定性分析。
采用内标定量方法对产品的风味成分进行定量表述, 化合物的质量浓度(μg/L)=内标的质量浓度(μg/L)×(化合物峰面积/内标峰面积)。
采用HS-SPME-GC总离子流图中风味成分的总峰面积和总峰数对不同萃取头的萃取效果进行分析, 本试验针对影响平衡的4个因素进行讨论并分析不同条件对萃取效果的影响。
HS-SPME的灵敏度与样品体积和顶空体积关系密切。样品量较少, 风味成分难以达到平衡; 样品量较多, 风味成分竞争吸附影响吸附效果, 因此样品量对检测结果的准确性有重要影响[6]。试验考察了不同样品量对不同萃取头萃取效果的影响(见图 1a)。由图 1a可知, 当样品量为8 mL时, 总峰面积和总峰数均较多; 当样品量为10 mL时, 总峰面积和总峰数略有下降。故将样品量设为8 mL。
萃取时间即萃取达到平衡所需的时间, 由分析物的分配系数、扩散速率、样品基质、样品体积、萃取涂层厚度等因素决定。一般在萃取过程刚开始时萃取头的吸附量会迅速增加, 一定时间后吸附量缓慢增加[6]。本试验考察了不同萃取时间对不同萃取头萃取效果的影响(见图 1b)。结果显示, 随着萃取时间的增加, 总峰面积和总峰数不断增加, 但萃取时间超过40 min后, 相对变化不大。考虑到实际应用与灵敏度的需要, 故将萃取时间设为40 min。
萃取温度对吸附效果的影响具有两面性:一方面, 温度升高会加快样品分子的运动, 导致液体蒸汽压增大, 有利于吸附; 另一方面, 温度升高会降低萃取头的吸附能力, 使吸附量下降[6]。本试验考察了不同萃取温度对不同萃取头萃取效果的影响(见图 1c)。结果显示, 随着萃取温度的升高, 总峰面积先增大后减小, 总峰数呈波动变化,在萃取温度60 ℃时达到最大值。故将萃取温度设为60 ℃。
在样品中加入NaCl等无机盐, 可以增加样品体系的离子强度, 通过降低待测物的溶解度增加分配系数, 但无机盐的加入也会影响基质黏度, 降低分析物扩散速度, 对吸附效果产生负效应[6]。试验考察了加入不同量的NaCl对不同萃取头萃取效果的影响(见图 1d)。结果显示, 随NaCl量的升高, 萃取得到的化合物个数和总峰面积逐渐增加, 当NaCl添加量为1.5 g时达到最大值, 超过1.5 g, 总峰面积和总峰数略有变化, 但波动不大。故将NaCl的添加量设为1.5 g。
图 2列出了不同萃取头提取小米黄酒风味化合物的个数和峰面积的百分含量(以下简称百分含量), 共检测到55种成分, 分别为醇、酯、含苯衍生物、烃、酸、醛、酮、烯、酚和杂环类化合物。不同萃取头提取到的风味成分的构成较为相似, 尽管醇类物质的数量仅有2~5种, 但百分含量较高, 为49.54% ~82.54%, 是主要风味成分, 其中采用PA萃取头时醇类物质数量最多、百分含量最高; 酯、含苯衍生物和烃的数量较多, 有4~10种, 但是百分含量相对较低, 仅酯在PDMS下的百分含量较高, 为20.38%;其他物质如酸、醛、酮、烯、酚和杂环类化合物的数量和百分含量相对较低, 数量多为1~2个, 百分含量多低于10%。
不同萃取头提取小米黄酒风味成分的含量和OAV见表 1, 不同萃取头提取风味成分的种类和含量差别较大, 仅检测出14种相同的风味成分, 占55种风味成分总数的24.45%。从OAV结果可以看出, 不同萃取头提取的气味特征成分主要为苯乙醇、苯乙烯、2-甲基萘、1-甲基萘、苯甲醛、苯乙醛和2-甲氧基-苯酚, 苯乙醇和苯乙醛具有较高的OAV, 为小米黄酒中的重要气味成分。
醇类物质是由糖代谢、氨基酸脱氢脱羧作用产生, 是陈化酯类物质的前驱物质[7], 尽管检测到醇类物质的种类较少, 但其含量最高, 4种萃取头提取到醇类物质的含量为11 297.98~47 601.94 μg/L, 其中PA和DVB/CAR/PDMS对醇类物质吸附力较强、CAR/PDMS次之, 而PDMS最弱。由表 1可知, 共检测到5种醇类物质, 均为具有气味特征的风味成分, 能够赋予酒液果香、花香等独特气味[9, 17], 但不同萃取头的萃取结果显示, 仅苯乙醇的OAV大于1, 为11.98~51.22, 其中采用DVB/CAR/PDMS萃取头时的OAV最大, 采用PDMS时最低。苯乙醇具有淡雅的花香或果香, 可由酵母细胞通过苯丙酮酸或艾氏途径生成, 对产品气味特征有重要贡献[7]。苯乙醇在其他小米黄酒风味研究中被确定为主要风味成分[4, 5], 可见苯乙醇为小米黄酒中重要的气味物质, 苯乙醇也是传统大米黄酒品质控制的重要指标, 对产品气味品质有着重要的影响。
酵母发酵与陈酿过程是酯类物质形成的主要途径, 即醇类的酯化[9], 不同萃取头下酯类物质的总含量相差相对较小, 为4 648.57~5 833.82 μg/L。不同萃取头提取到的酯类物质, 除丁二酸二乙酯含量较高外, 其他酯类物质的含量相对较低。由表 1可知, 在所检测到的酯类物质中有5种酯类物质具有花香、果香等气味, 但它们的OAV均小于1, 对小米黄酒气味贡献可能不大。
小米黄酒中检出的含苯衍生物可能来源于小米, 已有研究[18]显示, 小米中含有一定数量的含苯衍生物。含苯化合物含量相对较低, 采用PA和PDMS萃取头萃取时, 含量相对较低, 分别为195.46 μg/L和245.88 μg/L, 而采用CAR/PDMS和DVB/CAR/PDMS时, 含量相对较高, 分别为1 758.91 μg/L和1 774.83 μg/L。尽管含苯化合物含量较低, 通常具有较低阈值, 在4种气味特征含苯衍生物质中, 2-甲基萘在采用不同萃取头时的OAV均大于1, 1-甲基萘仅在采用PDMS萃取头时的OAV小于1, 苯乙烯在采用CAR/PDMS和DVB/CAR/PDMS萃取头时的OAV也大于1。含苯化合物对小米黄酒气味贡献明显。
由表 1可知, 烃类物质在数量上占优势, 含量也相对较高, 为1 059.26~3 046.59 μg/L, 但是烃为非气味特征类成分, 通常对产品气味品质贡献不大。
酸类物质大部分来源于酵母菌和乳酸菌代谢的副产物。酸类物质的OAV小于1, 对酒的感官质量有积极贡献, 可以使酒中的各种香气趋于协调、平衡, OAV大于1则会对香气带来负面影响[19]。此外酸类物质还可以与醇类化合物发生作用, 生成相应的酯类, 从而赋予酒体愉快的香味。不同萃取头提取到的酸类物质的OAV均小于1, 因此对样品气味具有积极贡献。
醛、酮类物质使酒中的各种香气趋于平衡、融合、协调, 本研究共检测出两种醛类物质, 高含量的苯甲醛在采用CAR/PDMS和DVB/CAR/PDMS萃取头时的检测结果分别为3 022.60 μg/L和11 226.44 μg/L, 苯甲醛、苯乙醛和花香、果香气味有关[9, 17]。采用不同萃取头提取到的苯甲醛和苯乙醛的OAV均大于1, 苯甲醛在采用CAR/PDMS和DVB/CAR/PDMS时的OAV相对较高, 分别为8.64和32.08;苯乙醛具有较低阈值, 在不同萃取头下显示出高OAV, 为24.97~160.88, 为小米黄酒中最重要的气味成分。酮类物质苯乙酮为气味物质, 仅在DVB/CAR/PDMS中被检测到且含量较低, 对气味贡献不大。
烯烃、酚类及杂环类化合物也为酒类中的气味成分, 除酚类外, 其他成分的含量相对较低, 仅2-甲氧基-苯酚在采用PA和DVB/CAR/PDMS萃取头时的OAV大于1, 对产品气味贡献明显。
由表 1可知, 不同萃取头下香气成分差别较大, PA萃取头对丁二酸二乙酯、十二酸、壬酸、庚酸、四氢糠醇、苯基乙醇、十五烷、1-甲基萘、3-甲硫基丙醇的吸附效果较好, 这些化合物主要为极性较强的酸和醇类化合物, PA萃取头涂层为聚丙烯酸酯纤维材料, 对于极性强的化合物有较好的吸附作用[20]; PDMS萃取头主要对十二烷、十八烷、十三烷、十四烷、2, 4-二叔丁基苯酚的萃取效果较好, PDMS萃取头涂层为聚二甲基硅氧烷, 对非极性化合物有较好吸附作用[21]; DVB/CAR/PDMS萃取头对苯甲醛、萘、联苯、戊二酸二甲基酯、苯甲酸乙酯、癸酸乙酯、对二甲苯、3-吡啶甲酸乙酯、苯乙酮、2, 6, 10-三甲基十五烷、十二酸乙酯、苯乙酸乙酯的吸附效果较好, 这些化合物主要为中等极性的酯和含苯类衍生物, DVB/CAR/PDMS萃取头的涂层为二乙烯基苯、碳分子筛和聚二甲基硅氧烷, 相对于PDMS和CAR/PDMS萃取头, DVB/CAR/PDMS萃取头有更好的灵敏度和选择性[20]。将不同萃取头应用于小米黄酒风味的成分分析中, 可全面了解小米黄酒风味成分的构成。
本文对PA、PDMS、CAR/PDMS、DVB/CAR/PDMS 4种萃取头的提取条件进行了优化, 并得出不同萃取头提取到的风味成分差别显著。确定了苯基乙醇、苯乙烯、2-甲基萘、1-甲基萘、苯甲醛、苯乙醛和2-甲氧基-苯酚7种小米黄酒气味成分特征类成分, 其中苯基乙醇和苯乙醛对气味贡献最大。较为全面地了解了小米黄酒风味成分的构成以及气味特征, 对小米黄酒产品开发及其品质控制具有重要意义。由于小米黄酒的各种香气成分的含量、感官阈值以及相互作用决定其最终的香气特征, 风味组分的鉴定还需要有人体嗅觉感官分析的参与进一步完善。