香气活度值法结合PLSR用于梨酒特征香气物质筛选与鉴定

周文杰,王 鹏,詹 萍*,田洪磊*

(石河子大学食品学院,新疆 石河子 832000)

摘 要:采用固相微萃取-气相色谱-质谱对市售3 种梨酒香气物质进行分离鉴定,共检出43 种挥发性成分,其中醇类16 种、酯类15 种、醛类4 种、酮类2 种、酚类1 种、酸类3 种和其他化合物2 种。结合香气活度值(odor activity value,OAV)和偏最小二乘回归(partial least squares regression,PLSR)确定梨酒特征香气物质并推断其对梨酒香气的贡献程度。OAV结果表明:梨酒特征香气物质主要为异丁醇、1-辛醇、1-壬醇、苯乙醇、丁酸乙酯、3-甲基丁酸乙酯、乙酸异戊酯、己酸乙酯、辛酸乙酯、β-大马士酮、丁香酚。建立6 个感官属性(发酵香、酸香、果香、花香、甜香、清香)与43 种香气物质的PLSR模型表明,苯甲醇、正丁醇、丁二酸二乙酯的OAV小于1,但对梨酒的香气有贡献,经OAV确定的梨酒特征香气物质与发酵香和甜香属性具有很好的相关性,而在清香、酸香、果香和花香上的相关性不明显。

关键词:梨酒;气相色谱-质谱;香气活度值;偏最小二乘回归;特征香气物质

梨酒是以梨为原料经发酵而成的低酒精饮料,具有成本低、纯天然、果香浓郁、营养丰富的特点,同时能够调节人体新陈代谢,促进血液循环、控制体内胆固醇水平、抗衰老等保健作用[1],然而目前市面上常见的梨加工品主要是罐头、梨膏糖等传统产品。

食品中挥发性风味物质的分析鉴定,不仅对了解食品化学组成有着极为重要的意义,而且对控制和提升产品品质也具有实践意义[2]。香气成分是构成果酒质量典型性的主要因素,研究特征香气以及对梨酒香气有贡献的化合物,对于探索梨酒香气成分的呈香机理,客观预测产品风格、提升梨酒的品质有重要意义。关于梨酒的研究,目前主要集中在酵母的选择[3-5]和发酵工艺的优化[6-7]等方面,对梨酒的特征香气物质鲜见深入研究。尤其是梨酒香气物质与感官属性之间关系的研究鲜见报道。宋柬等[8]采用固相微萃取-气相色谱-质谱(solid phase microextraction-gas chromatography-mass spectrometry,SPME-GC-MS)结合GC-嗅闻仪对京白梨酒的特征性香气成分进行了分析,对比不同的发酵方式,最终确定通过添加白砂糖将梨汁糖度调整为16°Brix的发酵工艺参数。陈计峦等[9]采用极性强度不同的2 种SPME纤维头对新疆库尔勒香梨酒中的挥发性物质进行了分析,发现极性较强的SPME纤维头更能吸附梨酒中的挥发性物质。

香气活度值(odor activity value,OAV)法忽略了香气成分之间的相互叠加和抑制作用,但却是目前被普遍认可的估计酒中单个挥发性成分实际香气贡献的客观方法[10-11]。通过香气物质OAV的比较,来分析各香气物质对酒整体风味的贡献大小[12],在庞大的香气成分数据中,OAV被用以筛选果酒中典型香气成分,来揭示果酒特性重要的化学信息。为了分离、鉴定梨酒的特征香气物质,准确、有效地对梨酒进行风味评价和品质调控,本实验采用SPME-GC-MS对市售的梨酒进行分析鉴定,结合OAV和偏最小二乘回归(partial least squares regression,PLSR)确定梨酒特征香气物质,明晰各种挥发性成分对梨酒风味的贡献程度,以期为梨酒香气品质的调控和提升提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂与仪器

2014年生产尖把梨酒(酒精体积分数10%)桓仁古原保健食品有限公司;2013年生产南果梨酒(酒精体积分数10%) 新宾满族自治县东星葡萄酒有限公司;2013年生产库尔勒香梨酒(酒精体积分数8%)新疆库尔勒香梨股份有限公司;正构烷烃混合标准品(C7~C40)、2-辛醇(色谱纯) 美国Sigma-Aldrich公司。

SPME装置、50/30 μm二乙基苯/碳分子筛/聚二甲基硅氧烷(divinylbenzene/carboxen/polydimethylsiloxane,DVB/CAR/PDMS)萃取头 美国Supelco公司;7890A-5975C型GC-MS联用仪、HP-INNOWAX毛细管柱(60 m×0.25 mm,0.25 μm) 美国Agilent公司。

1.2 方法

1.2.1 梨酒香气物质顶空SPME

在15 mL样品萃取瓶中,准确加入8.0 mL梨酒,并加入10 μL的2-辛醇(400 mg/L,以水为溶剂)作为内标化合物,将老化的50/30 μm DVB/CAR/PDMS萃取头插入样品瓶中,同时推出纤维头(与梨酒液面保持2.0 cm),于45 ℃顶空平衡吸附20 min。吸附后,收回纤维头并迅速移至GC进样口,在250 ℃热解吸5 min,同时启动GC-MS仪采集数据。

1.2.2 GC-MS条件

GC条件:HP-INNOWAX色谱柱(60 m×0.25 mm,0.25 μm);进样口温度250 ℃;进样方式:不分流进样;程序升温:40 ℃保持5 min,以2 ℃/min升温至60 ℃,以5 ℃/min升温至180 ℃,保持5 min,再以10 ℃/min升温至230 ℃,保持10 min;载气为氦气;流速1.2 mL/min。

MS条件:离子源温度230 ℃;电子电离源;电子能量70 eV;传输线温度280 ℃;四极杆温度150 ℃;接口温度250 ℃;质量扫描范围30~450 u。

定性定量方法:定性采用各组分在质谱库NIST/ Wiley中匹配度大于85%的鉴定结果,并与文献资料相关化合物保留指数(retention index,RI)进行比对分析,按公式(1)计算化合物RI:

式中:tRi为待测组分i的保留时间/min;tRz和tR(z+1)为紧邻香气成分i前后的2 个正构烷烃的保留时间/min;z为正构烷烃的碳原子数。

采用内标法定量,通过内标物的峰面积和果酒中各组分的峰面积比值,按公式(2)计算各个组分的相对质量浓度:

式中:Ci为待测组分i的质量浓度/(mg/L);Ws为加入内标s的质量/mg;Ai和As分别为待测组分i和内标化合物s的峰面积;V为待测样品的体积/L;fi’为待测组分i对内标s的相对质量校正因子;本实验中各待测组分i的相对校正因子均为1。

1.2.3 梨酒感官指标的测定

实验采用10 点制定量描述感官分析法对不同梨酒的感官属性进行评价,其中0代表没有嗅到该香气,9代表该香气强度很强。感官评价小组由8 名人员(4 男4 女,20~30 岁之间)组成,评定人员均按照相关标准接受系统培训[13]。感官评定人员首先尽可能多的描述出梨酒感官属性,通过整理和评定结果,经讨论、筛选后确定发酵香、果香、甜香、酸香、清香、花香为梨酒感官评价指标。在此基础上对已经确定的6 个感官指标建立统一的评定标准,以确保样品评定的准确性,每个样品平行判定3 次。

1.2.4 特征香气成分的筛选

1.2.4.1 香气活度分析法

OAV是通过计算单种香气成分含量与其阈值的比值来评估该物质对样本整体风味的贡献程度[14]。参考文献[15]计算OAV,即OAV=物质质量浓度/感觉阈值,通常OAV大于1表明该物质对整体风味有直接影响,且OAV越大表明对总体风味贡献越大,反之则表明该物质对梨酒整体风味无实际作用,以此为依据筛选梨酒中重要香气物质。

1.2.4.2 PLSR分析法

PLSR方法集中了主成分分析、典型相关性分析和多元线性回归分析优点,同时增设了虚拟响应矩阵,具有强大的数据拟合及预测能力[16],可通过样本间细微差异在复杂混合体系中筛选与梨酒样本香气属性呈显著相关物质,即明晰各种香气成分对梨酒香气的贡献程度。PLSR多用于单一因变量和多个自变量之间的相关性,实验采用PLSR模型分别建立6 个感官指标(作为因变量Yi)和挥发性物质(作为自变量Xi)之间的PLSR函数模型,在此基础上结合误差拟合法和Jack-knife不确定检验筛选梨酒中特征香气物质。

1.3 数据处理

方差分析采用SPSS 19.0软件进行分析,PLSR采用Unscrambler 9.7软件分析,所有的变量都经标准化(1/Sdev)处理。

2 结果与分析

2.1 梨酒挥发性物质GC-MS分析

利用SPME-GC-MS对不同梨酒挥发性物质进行分析,挥发性物质的总离子流图见图1。

图1 不同梨酒香气物质的GC-MS总离子流色谱图
Fig. 1 GC-MS total ion-current chromatograms of aroma compounds of pear wine samples

如表1所示,3 种梨酒共鉴定出43 种挥发性物质,主要包括醇类16 种、酯类15 种、醛类4 种、酮类2 种、酚类1 种、酸类3 种和2 种其他化合物,其中南果梨酒和尖把梨酒中挥发性物质种类相对较少,分别检出23 种和23 种,库尔勒香梨酒则检出33 种物质。

表1 不同梨酒挥发性物质GC-MS鉴定结果
Table 1 Identification of volatile compounds in different pear wines by GC-MS

续表1

注:阈值为文献[17-18]中香气化合物在体积分数10%~14%酒精溶液中的香气阈值,表2同;RI为采用HP-INNOWAX柱(60 m×0.25mm,0.25μm)分析时的文献RI;鉴定方式中MS为质谱与数据库对照(NIST/ Wiley),RI、MS为质谱与数据库对照(NIST/Wiley)且RI与文献一致;ND.未检出。

醇类化合物是果酒中最主要挥发性成分,主要是由酵母等微生物作用于糖分、果胶质和氨基酸等转化产生,也包括亚麻酸降解产物的氧化[19]。在所鉴别出的化合物中,醇类化合物的种类和数量较多,主要包括3-甲基-1-丁醇、苯乙醇、丙醇、异丁醇、正丁醇等。醇类物质在尖把梨酒、南果梨酒和库尔勒香梨酒中质量浓度分别为1.829、7.982 mg/L和4.09 mg/L,其中3-甲基-1-丁醇在尖把梨酒和库尔勒香梨酒中质量浓度分别为0.852 mg/L和3.675 mg/L,在南果梨酒中质量浓度高达5.092 mg/L,3-甲基-1-丁醇具有青草、植物香气,而且这种香气能够持久保持。苯乙醇在尖把梨酒、南果梨酒和库尔勒香梨酒中质量浓度分别0.211、0.329 mg/L和0.146 mg/L,苯乙醇属于高级醇[20],主要是由苯丙氨酸代谢产生,它在很低质量浓度条件下就可以产生很高的花香味[21],对总体香气的形成有不可忽视的作用。同时又是其他香气物质的良好溶剂,能赋予果酒浓郁优雅的香气,是玫瑰香葡萄酒的特征香气成分[22-23],而且丙醇、己醇等均具有浓郁的水果香及芳香。

酯类化合物是构成果酒香气的重要物质,对酒的主体香型及风格具有重要的影响[24],它们赋予果酒果香和花香的感官特性。在本实验的梨酒中均检出辛酸乙酯,辛酸乙酯具有白兰地酒香味,主要用于调味品、香料制造。辛酸乙酯在尖把梨酒中质量浓度最高,为0.134 mg/L,而在南果梨酒和库尔勒香梨酒中质量浓度分别为0.105 mg/L和0.043 mg/L。己酸乙酯在尖把梨酒中的质量浓度为0.225 mg/L,南果梨酒为0.474 mg/L和库尔勒香梨酒为0.058 mg/L。质量浓度较高的辛酸乙酯和己酸乙酯都能给梨酒增添雅致的香气。此外,乙酸乙酯、丙酸乙酯、丁酸乙酯、乙酸丁酯、己酸乙酯,这些酯类物质都具有怡人的水果香味。

在尖把梨酒和库尔勒香梨酒中检测到的苯甲醛,质量浓度分别为0.033 mg/L和0.008 mg/L,苯甲醛能使梨酒在发酵过程中带有特殊芳香植物气味。辛酸在低浓度时散出类似奶酪和奶油的风味,在高浓度时则具有腐败味和刺激味[25],仅在库尔勒香梨酒中检测到,质量浓度为0.014 mg/L,这一酸类化合物产生于脂肪酸合成酶的合成[26],对果酒的整体风味结构具有较重要作用。梨酒中也检测出萜烯类物质如樟脑、α-法尼烯,这2 种物质能赋予酒体特殊的果实香气。

2.2 基于OAV法梨酒特征香气物质分析

香气化合物单体在产品整体香气中的贡献主要取决于阈值及其含量,可通过计算OAV进行表征。为了分析梨酒中特征香气物质,分别对3 种梨酒中挥发性成分OAV进行了计算,结果如表2所示。3 种梨酒特征香气成分较为相似,主要包括异丁醇、1-辛醇、1-壬醇、苯乙醇、丁酸乙酯、3-甲基丁酸乙酯、乙酸异戊酯、己酸乙酯、辛酸乙酯、β-大马士酮和丁香酚。丁酸乙酯具有凤梨、菠萝的甜果香味,香气极易挥发扩散,在尖把梨酒中的OAV为0.950,南果梨酒的OAV为3.550,库尔勒香梨酒中的OAV为0.300;同时1-壬醇、乙酸异戊酯、β-大马士酮、丁香酚的OAV在3 种梨酒中表现出高度的差异性。上述结果主要是由于梨果品种和生长环境差异赋予其不同的香气成分,此外也有可能是由于梨酒发酵菌种及工艺的不同所造成的[27]。β-大马士酮是去甲类异戊二烯化合物,具有复杂的花香和热带水果气息,该物质具有较低的香气阈值,在库尔勒香梨酒中β-大马士酮的OAV高达560.000,远高于其他物质,表明β-大马士酮在库尔勒香梨酒中香气呈现重要的作用。这与Pineau等[28]研究较为一致,即β-大马士酮有利于增强酒的果香。辛酸乙酯在3 种梨酒中的OAV也相对较高,分别达到尖把梨酒67.000、南国梨酒52.500和库尔勒香梨酒21.500,表明辛酸乙酯对于梨酒风味的呈现亦具有重要的作用。与此同时有研究表明辛酸乙酯也是库尔勒香梨鲜果中的特征香气成分[9],这种物质在参与的库尔勒香梨酒发酵后仍然存在,表明库尔勒香梨酒发酵过程中保留了部分库尔勒香梨鲜果的特征风味。

表2 不同梨酒的主要成分OAV
Table 2 Major components with OAV > 1 of different pear wines

注:气味描述参考http://flavornet.org/flavornet.html和http://www.odour.org. uk以及参考相关文献对香气进行描述[17]

2.3 基于PLSR梨酒特征香气物质分析

2.3.1 梨酒感官分析结果

对3 种梨酒的感官属性(发酵香、清香、甜香、果香、酸香、花香)进行感官评定,结果如图2所示。

图2 梨酒的感官属性雷达图
Fig. 2 Radar graph of aroma scores of the pear wines

方差分析结果表明香梨酒样品的感官属性(发酵香、清香、甜香、酸香、花香)均呈现显著的差异(P<0.05),其中3 种梨酒在发酵香、甜香、酸香、花香呈极显著差异(P<0.001),在清香属性上呈显著差异(P<0.05),果香属性则无明显差异。尖把梨酒在酸香属性上得分最高,南果梨酒在花香属性上得分最高,库尔勒香梨酒则表现出明显的发酵香,但在花香和清香上相对较弱。

2.3.2 PLSR分析结果

为了进一步筛选和确定对梨酒感官属性呈现显著贡献的香气物质,实验采用PLSR建立了单一感官属性(Y)与挥发性组分(X)的PLSR模型。利用Jack-knife不确定检验分析计算其回归系数,以此考察对每个感官属性呈显著相关的香气物质。如图3a所示,发酵香与己醇、1-辛醇、1-壬醇、乙酸乙酯、3-甲基丁酸乙酯、丁二酸二乙酯、苯甲醛、β-大马士酮、丁香酚呈显著正相关,可解释68.5%的相关变量。“清香”属性与苯甲醇呈现正相关,而与正丁醇、丁二酸二乙酯呈现负相关(图3b)。“甜香”属性与2-甲基-1-丁醇、己醇、1-辛醇、乙酸乙酯、乳酸乙酯、辛酸乙酯、丁二酸二乙酯、苯甲醛、丁香酚呈显著正相关,而与异丁醇、2-戊醇、丁酸乙酯、乙酸异丁酯、乙酸异戊酯、乙酸己酯呈显著负相关(图3c)。以上呈显著正相关的香气物质可能是梨酒中的特征香气物质,这一结果与宋柬等[8]研究结果较为一致,即梨酒的特征香气物质有辛酸乙酯、丁二酸二乙酯等。“果香”(图3d)和“酸香”(图3e)属性PLSR模型中仅检出少数几种与其呈显著相关物质,且相应PLSR模型也分别仅能解释1.5%和0.30%的相关变量,其原因可能在于,“果香”感官属性界定不明确,容易与“花香”、“甜香”等感官属性混淆,这与“果香”属性在感官评价上的结果一致,得分较低;在梨酒中“酸香”属性与丁二酸二乙酯、苯甲醛呈显著正相关(图3e),孙金沅等[23]研究发现苯甲醛具有杏仁香,“酸香”属性可能是苯甲醛和丁二酸二乙酯2 种香气混合的结果。对于“花香”属性来说(图3f),在所有挥发性物质中只有正丁醇所呈现的回归系数最大(3.1%),表明正丁醇与花香属性有关联。这与丁云连[18]研究结果一致,正丁醇属于醇甜和助香剂的主要物质来源,对形成酒的风味和促使酒体丰满、浓厚起着重要的作用;反之苯甲醇呈现最大负相关系数,这与Gonzalez等[29]研究存在偏差,苯甲醇在果实中多以键合态形式存在,在发酵过程中由于酵母作用水解释放[30],从而呈现怡人的水果香、花香和柑橘香。究其原因可能是由于苯甲醇含量不同所呈现风味存在差异,在低浓度时具有果香和花香,而在高浓度时却呈现类似腐臭味;加之苯甲醇仅在库尔勒香梨酒样本中检出,导致其在“花香”属性上的解释方差不高,而与“果香”属性相关性较高。

图3 香气物质对感官属性的显著性影响分析
Fig. 3 Standardized and estimated regression coefficients from PLSR prediction model showing significant correlations between volatile compounds sensory aroma attributes

a.发酵香;b.清香;c.甜香;d.果香;e.酸香;f.花香;挥发性物质编号同表1所示。

3 结 论

本研究采用SPME-GC-MS对3 种梨酒的香气物质进行了分析,共检出43 种物质,包括醇类16 种、酯类15 种、醛类4 种、酮类2 种、酚类1 种、酸类3 种和2 种其他化合物。通过OAV法筛选出梨酒中重要香气物质11 种(OAV>1),包括异丁醇、1-辛醇、1-壬醇、苯乙醇、丁酸乙酯、3-甲基丁酸乙酯、乙酸异戊酯、己酸乙酯、辛酸乙酯、β-大马士酮、丁香酚;结合PLSR相关性模型证实经OAV法筛选确定的11 种重要香气物质与梨酒发酵香和甜香属性具有较好相关性;苯甲醇、正丁醇、乳酸乙酯、丁二酸二乙酯OAV均小于1,但通过PLSR模型拟合发现上述物质亦对梨酒整体风味有贡献,说明存在一些OAV小于1的香气物质对梨酒的特征香气成分有关。单纯采用OAV法判定梨酒特征香气成分存在一定的弊端,因此OAV法结合PLSR相关性模型可以更全面、有效地筛选和确定梨酒中的特征香气成分。

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Screening and Identification of Flavor Characteristics of Three Pear Wines Based on Odor Activity Value Using Partial Least Squares Regression

ZHOU Wenjie, WANG Peng, ZHAN Ping*, TIAN Honglei*
(College of Food, Shihezi University, Shihezi 832000, China)

Abstract:The aroma compounds of three commercial pear wines were determined using solid phase microextraction (SPME) in combination with gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS). A total of 43 aroma compounds were identified, including 16 alcohols, 15 esters, 4 aldehydes, 2 ketones, 1 phenol, 3 acids and 2 other compounds. Partial least squares regression (PLSR) were used to determine the characteristics of aroma compounds based on their odor activity values (OAV) and to deduce their contribution to the aroma of the wines. The characteristic aroma compounds identified mainly included isobutanol, 1-octano, 1-alcohol, phenylethyl alcohol, ethyl butyrate, ethyl 3-methyl butyrate, isoamyl acetate, ethyl caproate, ethyl caprylate, β-damascus ketone, and eugenol, and their possible correlation with six sensory attributes (fermented, acidic, fruity, floral, sweet, and delicate aromas) was fitted to a PLSR model. It turned out that the OAV of benzyl alcohol, n-butanol, and ethyl succinate were less than 1, which contributed to the aroma of pear wines. There was a good correlation between OAV of wine aroma compounds and fermented and sweet aromas while no striking correlations were observed with delicate, fruity and floral aromas.

Key words:pear wine; gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS); odor activity value (OAV); partial least squares regression (PLSR); characteristic aroma compounds

DOI:10.7506/spkx1002-6630-201714021

中图分类号:TS262.7

文献标志码:A

文章编号:1002-6630(2017)14-0138-06

引文格式:周文杰, 王鹏, 詹萍, 等. 香气活度值法结合PLSR用于梨酒特征香气物质筛选与鉴定[J]. 食品科学, 2017, 38(14): 138-143.

DOI:10.7506/spkx1002-6630-201714021. http://www.spkx.net.cn

ZHOU Wenjie, WANG Peng, ZHAN Ping, et al. Screening and identification of flavor characteristics of three pear wines based on odor activity value using partial least squares regression[J]. Food Science, 2017, 38(14): 138-143. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201714021. http://www.spkx.net.cn

收稿日期:2016-11-15

基金项目:国家自然科学基金面上项目(31571846);石河子大学名校名师结对子项目(SDJDZ201517)

作者简介:周文杰(1992—),男,硕士研究生,研究方向为食品风味化学。E-mail:631541027@qq.com

*通信作者:詹萍(1981—),女,副教授,博士,研究方向为食品风味化学。E-mail:zhanping0993@126.com

田洪磊(1979—),男,副教授,博士,研究方向为功能食品与食品配料。E-mail:thl0993@sina.com