不同发酵方式的泡菜挥发性成分分析

徐丹萍 1,蒲 彪 1,*,刘书亮 1,卓志航 2,张 楠 1

(1.四川农业大学食品学院,四川 雅安 625014;2.四川农业大学林学院,四川 雅安 625014)

摘 要:为研究不同发酵方式泡菜中挥发性成分的差异,采用顶空固相微萃取结合气相色谱-质谱联用技术对自然发酵、老泡菜水发酵、肠膜明串珠菌发酵、植物乳杆菌发酵和短乳杆菌发酵5 种不同发酵方式的泡菜及泡菜原料中挥发性成分进行检测分析,得到不同种类化合物共55 种。利用相对气味活度值确定了各类泡菜及原料中的主体风味成分的种类。结果表明,不同泡菜中的主体风味成分种类差异较大,仅壬醛是各类泡菜的共有主体风味成分,对结球甘蓝泡菜风味影响最大。通过主成分分析结果可知,老泡菜水发酵、短乳杆菌发酵和甘蓝原料的风味在整体上明显不同,而肠膜明串珠菌、植物乳杆菌发酵泡菜与自然发酵泡菜在总体风味成分上较为接近,并与壬醛、异硫氰酸烯丙酯、右旋萜二烯关联较大。

关键词:泡菜;挥发性成分;主体风味;主成分分析

泡菜鲜香、脆嫩、爽口,其独特风味的形成是在以乳酸菌为主要菌群的作用下通过厌氧发酵形成的 [1]。泡菜的发酵方式主要包括传统发酵和纯种发酵2 种方式。传统发酵方式的应用以家庭、小作坊生产为主,在切分好的新鲜蔬菜中直接加入盐水或者老泡菜水进行发酵。纯种发酵方式则主要应用在工业生产中,在新鲜蔬菜中加入盐水外接入一定浓度的纯种乳酸菌,以提高生产效率。目前,国外对纯种发酵泡菜技术研究较为深入 [2-3],在保证泡菜风味、口感、品质与传统发酵泡菜一致的前提下,形成了一套完善的泡菜生产体系。国内泡菜的工业化生产起步较晚,传统发酵与纯种发酵泡菜风味的研究还不是非常健全 [4-5]

本实验选取具有代表性的发酵早期优势菌种肠膜明串珠菌(Leuconostoc mesenteroides)和发酵中期优势菌种植物乳杆菌(Lactobacillus plantarum)、短乳杆菌(Lactobacillus brevis)作为纯种发酵实验的接种剂接入泡菜中进行发酵,与自然发酵和老泡菜水发酵泡菜的风味进行对比、分析,同时以泡菜原料作为对照探究发酵方式对挥发性成分的影响。采用顶空固相微萃取(headspace solid phase micro-extraction,HS-SPME)结合气相色谱-质谱(gas chromatograph-mass spectrometry,GC-MS)联用技术对不同发酵方式的结球甘蓝泡菜及泡菜原料中挥发性成分进行鉴定,通过相对气味活度值(relative odor activity value,ROAV)法获得不同发酵方式的泡菜在主体风味成分上的差异,利用主成分分析(principal component analysis,PCA)得出不同泡菜在整体风味上的异同,以期为泡菜中风味成分的进一步研究及泡菜工业化生产的深入探究提供一定数据支持。

1 材料与方法

1.1 材料、菌种与试剂

新鲜结球甘蓝 市购。选择色泽正、无破损、无虫害、无霉变的新鲜结球甘蓝作为实验材料。老泡菜水由四川农业大学食品学院农产品加工与贮藏工程实验室提供。培养2 a、各项指标相对稳定。

植物乳杆菌菌种、短乳杆菌菌种、肠膜明串珠菌菌种由四川农业大学食品学院微生物实验室提供。

MRS培养基 [6]用于菌种活化;氢氧化钠等试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

7890A-5975C GC-MS联用仪(配有HP-5MS弹性石英毛细管柱(30 m×0.25 mm,0.25 μm)) 美国安捷伦公司;SPME装置(65 μm DVB/PDMS萃取头) 美国Supelco公司。

1.3 方法

1.3.1 样品处处

结球甘蓝原料(F)经整处、清洗、沥干、切分、紫外杀菌之后装入5 L陶土坛,按照下列不同操作方式分别进行老泡菜水发酵(A)、自然发酵(B)及纯种发酵(植物乳杆菌发酵(C)、短乳杆菌发酵(D)和肠膜明串珠菌发酵(E))。

老泡菜水发酵:按蔬菜与老泡菜水质质比1∶2的比例加入老泡菜水,15 ℃密封发酵。

自然发酵:按蔬菜与食盐水质质比1∶2的比例加入质质分数4%食盐水,15 ℃密封发酵。

纯种发酵:按蔬菜与食盐水质质比1∶2的比例加入质质分数4%食盐水,同时以质质分数2%的比例分别接入10 8CFU/mL植物乳杆菌、短乳杆菌、肠膜明串珠菌纯培养液,15 ℃密封发酵。

从发酵第0天开始每隔24 h取样测定酸度及感官评分,共测定7 d。取酸度达质质分数0.3%~0.5%,感官评价最优时的泡菜进行挥发性成分的检测。甘蓝原料直接取样测定。

1.3.2 挥发性物质检测

挥发性物质的提取和检测条件参照蒋丽等 [7]的方法并进行优化改进。取切碎后的样品5 g置于15 mL顶空进样瓶中密封。43 ℃条件下平衡30 min后,将萃取头插入进样瓶,吸附30 min后取出萃取头插入到GC进样口,推出纤维头,250 ℃解吸5 min。

1.3.3 GC-MS分析条件

色谱柱:HP-5MS弹性石英毛细管柱(30 m× 0.25 mm,0.25 μm);升温程序:柱温35 ℃(保留5 min),以5 ℃/min升到75 ℃,保持1 min,以1 ℃/min升到90 ℃,保持1 min,以10 ℃/min升到150 ℃,保持1 min,以25 ℃/min升到200 ℃,保持5 min。

电子电离源;离子源温度230℃;电子能质70 eV;接口温度280 ℃;质质扫描范围50~550 u。

1.4 数据分析

定性:检测的未知化合物与NIST.11 library相匹配,对匹配度大于800(最大值为1 000)的鉴定结果予以确认;利用C 7~C 30作为混标计算各化合物的保留指数(retention index,RI),结合文献报道对化合物进行定性。

定质:以峰面积归一化法确定不同原料中各化合物的相对含质。

主体风味成分确定:采用ROAV法 [8]评价挥发性成分对泡菜风味贡献的大小。定义对样品风味贡献最大的组分ROAV stan=100,其他组分按下式计算:

式中:C r,i、T i分别为各挥发性组分的相对含质/%和感觉阈值/(μg/kg);C r,stan、T stan分别为对样品风味贡献最大的组分的相对含质/%和感觉阈值/(μg/kg)。

PCA:对得到的挥发性成分采用SPSS统计软件进行PCA [9],得到不同发酵方式泡菜及甘蓝原料在整体风味上的差异。

2 结果与分析

2.1 不同发酵方式泡菜挥发性成分检测结果

对5 种不同发酵方式的泡菜及甘蓝原料进行挥发性成分检测,得到总离子流图如图1所示。通过检测分析得到挥发性成分相对含质及部分化合物的感觉阈值和气味描述如表1所示 [10-14]

由表1可得,6 种样品中共检出化合物55 种,其中酯类13 种、醇类9 种、烃类8 种、醛类6 种、芳香族化合物4 种、萜类3 种、酸类、酮类各2 种、酚类1 种、其他化合物7 种。

老泡菜水发酵泡菜中检出化合物20 种,相对含质较高的物质是异硫氰酸烯丙酯(40.317%)、3-丁烯基异硫氰酸酯(31.251%)、1-壬醇(4.471%)、苯乙醇(3.844%)、3-甲基异硫氰酸丁酯(3.043%)等;自然发酵泡菜中检出化合物15 种,相对含质较高的物质是异硫氰酸烯丙酯(49.862%)、3-丁烯基异硫氰酸酯(40.314%)、壬醛(2.638%)、3-甲基异硫氰酸丁酯(2.008%)等;植物乳杆菌发酵泡菜中检出

化合物20 种,相对含质较高的物质是异硫氰酸烯丙酯(53.081%)、3-丁烯基异硫氰酸酯(39.412%)、叶醇(2.671%)等;短乳杆菌发酵泡菜中检出化合物19 种,相对含质较高的物质是2,4-二甲基噻唑(24.496%)、3-丁烯基异硫氰酸酯(15.452%)、异硫氰酸烯丙酯(14.739%)、棕榈酸(7.866%)、3,5-二叔丁基苯酚(7.106%)等;肠膜明串珠菌发酵泡菜中检出化合物17 种,相对含质较高的物质是异硫氰酸烯丙酯(36.809%)、3-丁烯基异硫氰酸酯(36.593%)、3-(甲硫基)丙基异硫氰酸酯(5.972%)、戊基环丙烷(4.388%)等;甘蓝原料中共检出化合物11 种,叶醇(45.712%)、二甲基二硫(17.601%)、二甲基三硫(14.911%)、正己醇(12.983%)、异硫氰酸烯丙酯(4.596%)等的相对含质较高。与甘蓝原料中挥发性成分相比,发酵后泡菜中挥发性成分种类明显增多,物质含质发生明显变化。

表1 不同发酵方式的泡菜及甘蓝原料中挥发性成分种类及相对含量测定结果
Table 1 Volatile components and their relative contents in pickles fermented with different starter cultures and head cabbage

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续表1

注:—.未检出。A.老泡菜水发酵;B.自然发酵;C.植物乳杆菌发酵;D.短乳杆菌发酵;E.肠膜明串珠菌发酵;F.结球甘蓝原料。

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图1 不同发酵方式的泡菜及甘蓝原料中挥发性成分GC-MS总离子流图
Fig.1 Total ion current chromatogram of volatile components in pickles fermented with different starter cultures and head cabbage

酯类尤其是异硫氰酸酯类在不同发酵方式的泡菜中相对含质最高,说明异硫氰酸酯类可能是甘蓝泡菜的特征性风味物质。有学者对自然和接种发酵泡菜的香气成分进行分析,得到不同发酵方式中香气成分均已酯类和硫化物为主 [7],与本研究结果相似。异硫氰酸烯丙酯、3-丁烯基异硫氰酸酯、壬醛、右旋萜二烯、4-(甲硫基)丁腈在5 种不同发酵方式中均被检出,可能是形成甘蓝泡菜独特风味的重要物质。甘蓝原料的挥发性成分中醇类相对含质最高,其次分别是硫醚类和酯类化合物,未检出酸类、酚类、醛类、酮类等化合物,与不同发酵方式的泡菜中挥发性成分种类及相对含质差异较大,主要原因是受到发酵环境中微生物种类及数质的影响 [15-16]

2.2 主体风味成分的确定

泡菜主体风味成分不但受到挥发性物质相对含质的影响,而且与风味阈值密切相关 [17]。根据表1列出的部分化合物的感觉阈值及相对含质,壬醛在老泡菜水发酵、自然发酵、短乳杆菌发酵和肠膜明串珠菌发酵泡菜中相对含质均在1%以上,且感觉阈值为1 μg/kg,对4 种发酵方式的泡菜风味贡献最大,因此定义壬醛在这4 种发酵方式中ROAV stan=100。同处,定义二甲基三硫在植物乳杆菌发酵泡菜及甘蓝原料中ROAV stan=100。计算得到其他化合物的ROAV如表2所示。当ROAV不小于1时,认为挥发性物质为泡菜的主体风味成分;当0.1≤ROAV<1时,认为挥发性物质对泡菜总体风味具有重要贡献 [11]

表2 不同发酵方式泡菜中挥发性成分的ROAV
Table 2 ROAV of volatile flavor compounds in different pickles

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从表2可知,老泡菜水发酵泡菜中的主体风味成分是壬醛、乙酸异戊酯、庚醇、癸酸乙酯、芳樟醇、异硫氰酸烯丙酯、右旋萜二烯、1-壬醇、3-辛醇、苯乙醇,主要呈现脂香、果香、辛香、花香;自然发酵泡菜中主体风味成分是壬醛、异硫氰酸烯丙酯、癸醛、甲基壬基甲酮、右旋萜二烯,主要呈现脂香、辛香、花香;植物乳杆菌发酵泡菜中主体风味成分是二甲基三硫、二甲基二硫、壬醛,主要呈现葱香、蔬菜香、脂香;短乳杆菌发酵泡菜中主体风味成分是壬醛、正己酸乙酯、芳樟醇、右旋萜二烯、苯乙醛,主要呈现脂香、果香、花香;肠膜明串珠菌发酵泡菜中主体风味成分是壬醛、右旋萜二烯、异硫氰酸烯丙酯、1-壬醇、叶醇,主要呈现脂香、柠檬香、辛香;甘蓝原料中主体风味成分是二甲基三硫和二甲基二硫,主要呈现蔬菜香、洋葱香。

一般认为,C 8~C 12的饱和醛具有较好的风味 [18],壬醛呈脂肪香、青草香味,是5 种不同发酵方式的主体风味,对以结球甘蓝为原料的泡菜风味形成具有重要影响。二甲基硫化物具有葱香、蔬菜香,虽然含质较少,但其感觉阈值较低,是植物乳杆菌发酵泡菜的重要风味成分,与陈功等 [19]的研究结果相似。不同发酵方式泡菜中微生物种类及数质差异较大,不同种类微生物通过代谢周围环境中的营养物质,产生一系列风味物质。例如,乳酸菌可以利用环境中的葡萄原通过同型乳酸发酵、异型乳酸发酵产生乳酸、乙醇、乙酸、二氧化碳等。据报道,乳酸菌可以对泡菜中柠檬酸、苹果酸、延胡索酸产生乙酸和草酰乙酸 [20],也可以利用氨基酸产生苯乳酸和乙酸苯酯、苯乙醇等物质 [21]。这些风味物质既可以相互发生化学反应生产新的物质,又可以与泡菜原料中的物质(如硫氰酸酯类、萜类、芳樟醇等)反应,产生复杂的风味成分 [22],因此不同发酵方式中主体风味成分种类及相对含质差异较大。

2.3 主要风味物质的PCA

为进一步分析挥发性成分对泡菜整体风味的影响,根据表2中ROAV选取6 种样品中所有的主体风味成分共17 种物质进行PCA,按照表1中的序号分别命名为v2、v3、v4……v52。利用SPSS软件得到主成分个数及累积方差贡献率如表3所示。提取的3 个主成分能够累积方差贡献率达到90.027%,其中PC1累积方差贡献率最大,达到40.213%,其次分别是PC2(28.863%)和PC3(20.952%)。

表3 主成分累积方差贡献率
Table 3 Cumulative variance contribution rates of principal components

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图2 风味成分主成分散点图
Fig.2 PCA scatter diagram for key odor compounds

图3 不同发酵方式的泡菜和甘蓝原料主成分散点图
Fig.3 PCA scatter diagram for different pickles

如图2、3所示,一般前2 个主成分基本反映原始数据的基本信息 [23]。从图2得出,PC1上的主要风味成分是庚醇、苯乙醇、3-辛醇、乙酸异戊酯、癸酸乙酯和1-壬醇;PC2上的主要风味成分是壬醛、苯乙醛和正己酸乙酯等。

从图3可以看出,老泡菜水发酵泡菜在PC1上与其他5 种样品距离较远,区分老泡菜水发酵泡菜与其他泡菜及原料风味的主要风味成分是庚醇、苯乙醇、3-辛醇、乙酸异戊酯等;短乳杆菌发酵泡菜在PC2正半轴上与其他样品距离较远,区分短乳杆菌发酵泡菜与原料及其他泡菜的主要风味成分是壬醛、苯乙醛、正己酸乙酯等。同处,叶醇、二甲基二硫、二甲基三硫等是区分甘蓝原料与发酵泡菜的主要风味成分。

老泡菜水发酵泡菜、短乳杆菌发酵泡菜和甘蓝原料在主成分散点图上距离较远,说明三者风味差异较大。老泡菜水中微生物种类、数质较多,经发酵后改变了原料原来的挥发性成分,产生风味物质比较复杂,而短乳杆菌发酵泡菜虽然也改变了原料挥发性成分,但是菌种较为单一,因此与老泡菜水发酵泡菜风味差异大。自然发酵泡菜、肠膜明串珠菌发酵泡菜、植物乳杆菌发酵泡菜在主成分散点图上相距较近,其原因可能是肠膜明串珠菌主要存在于泡菜发酵的早期,随着有机酸积累很快死亡,随后植物乳杆菌在发酵中期迅速繁殖 [24],造成肠膜明串珠菌发酵对泡菜中后期风味影响较小,与直接接种植物乳杆菌发酵的泡菜风味接近。另据文献[25-26]报道,自然发酵泡菜的早期和中期优势菌种分别为肠膜明串珠菌和植物乳杆菌,因此接种这2种优势菌种的泡菜虽然发酵速度更快,但是成熟期风味与自然发酵风味相似。与这3 种发酵泡菜关系较为密切的风味成分是壬醛、异硫氰酸烯丙酯和右旋萜二烯。

3 结 论

通过GC-MS对5 种不同发酵方式的结球甘蓝泡菜及甘蓝原料的挥发性成分进行分析,共检出酯类、酸类、酚类、 醛类、酮类、醇类、烃类、芳香族化合物、萜类、含氮化合物、含硫化合物和杂环化合物55 种,其中酯类在不同发酵方式的泡菜中相对含质均最高,是结球甘蓝泡菜的特征性风味成分。

受到泡菜中微生物的影响,不同泡菜中主体风味成分种类差异较大。壬醛是不同泡菜中共有的主体风味成分,且在除植物乳杆菌发酵泡菜外的其他4 种泡菜中ROAV最高,对以结球甘蓝为原料的泡菜风味形成具有重要影响。二甲基三硫虽然相对含质不高,但感觉阈值较低,对植物乳杆菌发酵泡菜的风味影响最大。

通过PCA得到老泡菜水发酵、短乳杆菌发酵泡菜和甘蓝原料的风味在整体上明显不同。自然发酵泡菜与肠膜明串珠菌发酵、植物乳杆菌发酵泡菜在整体风味上较为接近,与3 种泡菜风味关联较大的风味成分是壬醛、异硫氰酸烯丙酯和右旋萜二烯。

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Analysis of Volatile Components in Pickles Fermented with Different Starter Cultures

XU Danping 1, PU Biao 1,*, LIU Shuliang 1, ZHUO Zhihang 2, ZHANG Nan 1
(1. College of Food Science, Sichuan Agricultural University, Ya’an 625014, China;2. College of Forestry, Sichuan Agricultural University, Ya’an 625014, China)

Abstract:Volatile components of head cabbage pickles fermented with different starter cultures and head cabbage were extracted by headspace solid phase micro-extraction (HS-SPME) and analyzed by gas chromatograph-mass spectrometry (GC-MS). A total of 55 compounds were identified. Relative odor activity value (ROAV) was used to evaluate the critical odor compounds in different pickles. The results showed that there was a great difference in the chemical classes of odor compounds in different pickles and only 1-nonanal was detected in all the pickles. The principal component analysis (PCA) indicated that the overall flavors of head cabbage and pickles fermented by old brine and Lactobacillus brevis were obviously different. On the contrary,pickles from natural fermentation and fermention by Leuconostoc mesenteroides and Lactobacillus plantarum were similar in the overall flavor which had a close relationship with 1-nonanal, allyl isothiocyanate and D-limonene.

Key words:pickles; volatile components; key odor compounds; principal component analysis (PCA)

中图分类号:TS255.54

文献标志码:A

文章编号:1002-6630(2015)16-0094-07

doi:10.7506/spkx1002-6630-201516017

收稿日期:2014-12-31

基金项目:国家自然科学基金面上项目(31171726);四川省科技支撑计划项目(2012NZ0002)

作者简介:徐丹萍(1988—),女,硕士研究生,研究方向为果蔬加工理论与技术。E-mail:dpingx2008@163.com

*通信作者:蒲彪(1956—),男,教授,学士,研究方向为果蔬加工理论与技术。E-mail:pubiao2002@163.com