芫荽(Coriandrum sativum L),俗称香菜,为伞形科芫荽属调味蔬菜,起源于欧洲地中海地区,西汉时张骞出使西域传入我国,深受国人喜爱[1]。芫荽是最古老的芳香蔬菜之一,也具有药用价值,其用于烹饪和药用的历史超过两千年[2]。除食用外,芫荽具有广泛的药理活性,能抗菌[3]、抗氧化[4]、抗糖尿病[5]和解毒铅镉[6-7]等功效。
芫荽作为叶菜,含水量很高,呼吸作用旺盛,采后贮藏性差,极易腐烂变质,风味容易散失,品质迅速裂变[8]。因此,在芫荽产业链中,除部分芫荽直接销售鲜食外,大多通过干制进行保存以便于流通,但干燥加工会造成芫荽特有的香气和风味损失,甚至在加工中会产生不良气味,影响了干制品的品质,对其商品价值和产品质量造成不良影响[9]。芫荽是一种具有独特风味的香辛料[10],可作为调味品的原材料,研究干燥加工工艺对芫荽挥发性风味物质的影响,为后续工厂生产中实现复合调味品风味精准调控和可控化生产提供了一定的科学依据。GC-MS技术是分析食品挥发物的成熟技术,国内外已经在果蔬挥发物分析鉴定时广泛使用。卢琪等[11]利用GC-MS结合电子鼻分析了干燥方式对菊花茶挥发性化合物的影响,结果表明真空干燥效率高,同时保持了福白菊花朵原有色泽和花香;FENG等[12]发现大蒜在不同干燥过程中即有挥发性成分的降解损失,同时也有新的挥发性化合物的生成;SHI等[13]分析了不同干燥方式对八角品质和风味影响,结果表明干燥能更有效地促进八角风味形成和品质的保持。目前,尚未见到GC-MS结合化学计量法分析不同干燥方式芫荽挥发物的报道。
本研究拟采用自然干燥、真空干燥、热风干燥、喷雾干燥和真空冷冻干燥对芫荽进行干燥处理。基于顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用(headspace solid-phase microextraction-gas chromatography-mass spectrometry,HS-SPME-GC-MS)法对芫荽干燥过程中挥发性化合物进行分析鉴定,利用主成分分析和最小二乘判别分析(partial least squares discriminant analysis,PLS-DA)对芫荽进行判定、区分和筛选,通过变量重要性因子(variable importance in projection,VIP)和香气活性值(odor activity value,OAV)找出干燥过程中的标志性化合物,为优质干制芫荽的加工提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
芫荽,天津科技大学食用植物教学实习基地;1,2-二氯苯(色谱纯),麦克林试剂公司;甲醇(色谱纯),天津索罗门生物科技有限公司。
1.2 仪器与设备
Qp2010ultra型GC-MS联用仪,日本岛津仪器有限公司;固相微萃取手动进样手柄、固相微萃取进样器(50/30 μm CAR/DVB/PDMS),美国Supelco公司;VOS-60A真空干燥箱,施都凯仪器设备(上海)有限公司;DZF-6050干燥烘箱,上海一恒科技仪器有限公司;BILON-6000Y喷雾干燥机,上海比朗仪器制造有限公司;XY-FD-27S真空冷冻干燥机,上海欣谕仪器有限公司。
1.3 实验方法
1.3.1 样品制备
新鲜的样品采后挑拣,采用5种不同的干燥方式进行干燥,干燥后样品打粉至80目备用,具体操作条件见表1。
表1 芫荽的5种干燥方法
Table 1 Five methods of drying coriander
干燥方式干燥方法设备类型自然干燥置于阳光下晒干,自然晒干72 h真空干燥温度40 ℃,压力0.8 MPa进行烘干VOS-60A真空干燥箱热风干燥温度60 ℃进行烘干DZF-6050干燥烘箱喷雾干燥芫荽置于破壁机制浆再利用均质机混合均匀,最后在喷雾干燥机中干燥,条件为进风温度120 ℃,出风温度60 ℃,蠕动泵转速44%BILON-6000Y喷雾干燥机真空冷冻干燥芫荽置于物料盘,铺料厚度为5 mm,冷冻温度-30 ℃,冷冻时间4 h,真空13 Pa,冷阱温度-60 ℃,总运行时间24 hXY-FD-27S真空冷冻干燥机
1.3.2 GC-MS检测条件
HS-SPME条件：称取1.0 g芫荽样品置于40 mL顶空瓶中,加入内标1,2-二氯苯(4 μL、0.163 25 μg/μL),置于70 ℃水浴中平衡30 min,将萃取头刺入顶空瓶中吸附40 min,取出萃取头放于GC进样口解吸20 min。
GC条件：色谱柱：RTX-5MS毛细管柱(30 m×0.25 μm,0.25 mm);升温程序：起始温度40 ℃,40 ℃保持3 min;以4 ℃/min升至150 ℃,保持2 min;以8 ℃/min升至250 ℃,保持6 min。载气为氦气,流速1.0 mL/min,分流进样。
MS条件：质谱条件：电子轰击离子源;离子源温度200 ℃;接口温度220 ℃;电子能量70 eV;质量扫描范围(m/z)35～500。
挥发性化合物定性定量方法：通过GC-MS检测,将挥发性化合物的质谱NIST11谱库进行比较,列出匹配度大于80%的成分,通过相同色谱条件下正链烷烃(C6～C25)标准品的质谱信息以及各组分的保留指数,鉴定挥发性成分,以1,2-二氯苯为内标,采用内标法[14]定量计算各组分含量,计算如公式(1)所示：
(1)
式中：Wx为目标化合物含量,μg/kg;Ax为目标化合物的峰面积;Ai为内标化合物的峰面积;Mi为内标化合物的质量浓度,μg/μL;4为加入内标化合物体积,μL;1 000表示1 kg。
1.3.3 OAV分析
通过OAV的大小来确定关键风味物质,利用各挥发性化合物含量与阈值的比值计算,计算如公式(2)所示：
(2)
式中：Ci为挥发性化合物质量浓度,μg/kg;OTi为阈值,mg/kg;1 000为1 000 μg。
1.4 数据分析
每组试验设置3个平行试验,结果用平均值±标准差表示。采用Microsoft Excel 2019进行数据统计整理,采用SPSS 25.0统计软件对数据进行方差分析;采用R软件进行热图处理;采用SIMCA-P 14.1软件进行PLS-DA分析;采用Origin 2019进行图像处理。
2 结果与分析
2.1 六种芫荽样品挥发性成分分析
为明确不同干燥方式对芫荽挥发性化合物的影响,利用GC-MS对芫荽所含的挥发性化合物分析鉴定。共检测出119种挥发性化合物,可分为8大类：醛类(36种)、醇类(27种)、酮类(8种)、烷烃类(16种)、烯类(7种)、酯类(10种)、酸类(2种)、其他(13种)。其中新鲜芫荽的总挥发成分最高为31 670.87 μg/kg,其次是真空冷冻干燥(27 577.26 μg/kg)、自然干燥(26 506.76 μg/kg)、真空干燥(25 792.68 μg/kg)、热风干燥(8 915.59 μg/kg)、喷雾干燥(7 870.14 μg/kg)。在6种芫荽样品中,醛类物质种类最多,含量最高,其气味阈值较低[15],是芫荽香气的主要贡献物质,醇类物质阈值相对较高[16],对芫荽的香气有辅助作用。
如图1所示,与新鲜芫荽相比,干燥后芫荽的风味成分种类有所减少,干燥方式使得挥发性化合物的数量以及含量减少,其中醛和醇是芫荽重要的风味成分,其数量和含量明显高于其他物质。通过比较挥发性化合物含量,真空冷冻干燥的挥发性化合物含量明显高于其他几种干燥方式,其次是自然干燥;通过比较挥发性化合物数量,自然干燥更有效地保持了芫荽中挥发性化合物数量,此外,酸类物质仅在自然干燥中被检出。总的来说,真空冷冻干燥和自然干燥对芫荽中挥发性化合物质保留效果更好。
a-风味成分种类比较;b-风味成分含量比较
图1 六种芫荽样品风味成分种类和含量
Fig.1 Types and contents of flavor ingredients of six coriander samples
根据这些挥发性化合物的离子流图建立不同干燥方式芫荽的香气指纹图谱,几种干燥方式的挥发性化合物有明显差异。如图2-a所示,与其他干燥方式对比,真空冷冻干燥较好地保留了挥发性化合物的丰度。如图2-b所示,5种干燥方式共检测20种共有的挥发性化合物。此外,真空冷冻干燥有5种特有的挥发性化合物,分别为反-2-十二烯醛、芳樟醇、萜品烯、1-辛烯-3-醇乙酸酯和甲酸正癸酯;喷雾干燥有6种特有的挥发性化合物,分别是反-2-辛烯醛、顺-7-十四烯醛、3-乙基-3-甲基庚烷、十六烷、十七烷和2,4-二甲基-1-癸烯;真空干燥有1种特有的挥发性化合物萘;热风干燥有2种特有的挥发性化合物,分别是十四醛三聚物和2-己基-1-癸醇;日光干燥所特有的挥发性化合物有29种,主要为酸类和烷烃类物质,酸类物质通常有刺鼻气味,烷烃类物质阈值较高对风味贡献较小。GC-MS离子流图和维恩图表明不同干燥方式芫荽中各挥发性化合物的种类和含量具有明显差异。
a-六种芫荽样品的特征挥发物轮廓;b-维恩图分析
图2 六种芫荽样品中挥发性成分的HS-SPME-GC-MS分析
Fig.2 HS-SPME-GC-MS analysis of volatile components in six coriander samples
2.2 六种芫荽样品特征性呈香物质分析
OAV可用于评估挥发性化合物对芫荽样品香气的贡献[17]。研究表明,OAV≥1的挥发性化合物对整体香气的贡献较大,OAV>10的挥发性化合物则被确定为重要香气成分[18]。如表2所示,OAV>1的物质共34种,其中醛类19种、醇类9种、酮类3种、脂类1种、杂环类2种。
表2 六种芫荽样品OAV>1的挥发性风味物质
Table 2 Volatile flavor compounds with OAV> 1 in six coriander samples
编号CAS号中文名称阈值/(mg/kg)香气特征OAV新鲜日光干燥真空干燥热风干燥喷雾干燥真空冷冻干燥178-84-2异丁醛0.001 5刺激性、麦芽味、绿色4.923.2816.799.0717.283.382590-86-3异戊醛0.001 1麦芽、麦芽酒13.3944.7573.9774.6364.1016.45396-17-32-甲基丁醛0.001咖啡味18.6837.0675.0050.9691.9411.584110-62-3戊醛0.001 2杏仁、麦芽、有刺激性3.9810.2615.9344.04<138.97566-25-1己醛0.005草、牛脂、脂肪22.505.153.712.468.601.6866728-26-3反式-2-己烯醛0.11苹果香、清香8.23<1<1<1<1<17124-13-0正辛醛0.000 587脂肪、肥皂、柠檬、清香14.80<136.2657.4717.7613.578124-19-6壬醛0.001 1油脂、青草、花香93.84116.75102.4075.5550.8077.79918829-56-6反式-2-壬烯醛0.000 19黄瓜、脂肪、清香 48.0137.3458.6724.38<161.7210112-31-2癸醛0.003肥皂、橘子皮、牛脂14.09656.82423.97156.46148.111 185.4211432-25-7β-环柠檬醛0.003薄荷44.2127.94<1<1<1<1123 913-81-3反式-2-癸烯醛0.017油脂7.8050.676.05<110.0341.8513112-44-7十一醛0.012 5油、辛辣、甜味75.48110.8783.0126.1012.96150.48142463-77-62-十一烯醛0.32甜味1.172.969.59<1<12.1715112-54-9十二醛0.000 13百合花、油脂、柑橘25 860.0532 237.0835 972.425 170.903 058.2145 911.061620407-84-5反-2-十二烯醛0.001 4清香、油脂、甜味69.08<1<1<1<160.911710486-19-8十三醛0.07花香、甜味、葡萄味1.807.346.131.560.6112.5118124-25-4十四醛三聚物0.11花香、蜡1.75<121.64<1<1<119104-67-6十四醛0.006杏子1.01244.97<130.2814.4114.1620123-51-3异戊醇0.004威士忌、麦芽、焦的<11.38<1<1<1<121111-27-3正己醇0.005 6树脂、花朵、清香 9.15<1<1<1<1<1223391-86-41-辛烯-3-醇0.001 5干草香、清香带甜19.0114.002.619.178.302.992320296-29-13-辛醇0.007 8苔藓、螺母、蘑菇 1.61<1<1<1<1<12478-70-6芳樟醇0.000 22花香3 396.42<1<1<1<11 272.1025106-24-1香叶醇0.006 6玫瑰木青、醇甜6.411.40<1<1<110.2026112-30-1癸醇0.775脂肪1.38<1<1<1<1<1274826-62-42-十二烯醛醇0.001 4绿色柑橘果柑草本69.084 817.47<174.771 550.393 258.1928150-86-7 叶绿醇0.641花香1.84<18.046.26<15.28294312-99-61-辛烯-3-酮0.000 003蘑菇香、金属<1<11.255.215.55<1303796-70-1香叶基丙酮0.06木兰花、清香<11.02<1<1<1<13114901-07-6β-紫罗兰酮0.003 5花香木质甜果浆果热带蜂蜡17.95104.2843.3517.958.52<1323681-82-1(E)-3-己烯-1-醇乙酸酯0.013绿色、泥土、果味与油脂味12.05<1<1<1<1<1333777-69-32-戊基呋喃0.005 8绿豆、黄油1.05<11.271.22<1<13491-20-3萘0.006焦油<1<1<11.33<1<1
醛类是氨基酸分解代谢,酮酸脱羧或不饱和脂肪防酸分解的初级代谢产物,具有低气味阈值的醛类物质可以为蔬菜提供特殊风味[19],异丁醛、异戊醛、2-甲基丁醛、戊醛、己醛、壬醛、癸醛、十一醛、十二醛和十三醛在几种样品中均有检出;戊醛和反式-2-壬烯醛在喷雾干燥中未检出,而在其他几种芫荽样品中均有检出,赋予芫荽杏仁香和清香味;反式-2-己烯醛仅在新鲜样品中检出,呈清香味和果香味;反-2-十二烯醛仅在新鲜和真空冷冻干燥中检出,具有清香和花香味;β-环柠檬醛仅在新鲜和日光干燥中检出,具有薄荷味。醇类物质可以通过蛋白质和氨基酸的微生物代谢以及脂质过氧化产生的酮和醛的还原而形成[20],具有清香和甜味的1-辛烯-3-醇在几种芫荽样品中均有检出,而具有花香的芳香醇仅在新鲜和真空冷冻干燥样品中检出。酮类主要由脂肪氧化,羰基化合物和氨基化合物的美拉德反应产生,大多是酮类物质的阈值较低[21],在芫荽样品中检测出的3种酮类物质分别是1-辛烯-3-酮、香叶基丙酮和β-紫罗兰酮,基于OAV,1-辛烯-3-酮是真空干燥、热风干燥和喷雾干燥的重要香气成分,并赋予芫荽蘑菇香;香叶基丙酮主要赋予芫荽花香味;β-紫罗兰酮是一种萜烯类衍生物,是类胡萝卜素降解产生的主要化合物之一,赋予芫荽花香和清香。脂类赋予芫荽坚果和油脂香气,(E)-3-己烯-1-醇乙酸酯仅在新鲜样品中检出。杂环类物共检出2种,萘的OAV较低,仅在喷雾干燥中被检出,呋喃是通过美拉德反应和糖降解途径产生的,仅在新鲜样品、真空干燥和热风干燥中被检出,2-戊基呋喃曾作为烤羊肉的主要呈香物质被检出[22]。其中,醛类物质如壬醛、癸醛、十一醛、十二醛、十四醛,醇类物质如芳樟醇、2-十二烯醛醇等物质OAV得分较高。文献报道芫荽中的主要呈香物质为醛类和醇类物质[23],结合本研究中的芫荽样品挥发性化合物对应的OAV进一步分析,表明芫荽整体的香味呈百合花香、柑橘香、花香、杏子味、青草香以及油脂味,主要归因于壬醛、癸醛、十一醛、十二醛、十四醛、芳樟醇和2-十二烯醛醇。
2.3 多元统计分析
为研究6种芫荽样品香气特征,利用HS-SPME-GC-MS联用的方法对芫荽样品的香气化合物成分及相对含量进行分析鉴定。以香气组分作为因变量,6种芫荽样品作为自变量,通过PLS-DA分析,可以实现6种芫荽样品有效区分。如图3-a、图3-c所示,为了更直观地区分6种芫荽样品的差异,应用主成分分析和PLS-DA两种化学计量法中的经典降维模型,尽可能多地保留原始数据,将大量变量简化为几个合成变量。如图3-a所示,挥发性化合物在干燥过程中发生了显著变化。前2个主成分的数据差异良好,分别占总方差的36.2%和26.4%。3种热干燥样品位于第1象限,自然干燥样品位于第3象限,真空冷冻干燥和新鲜样品位于第4象限,由此体现了芫荽在干燥前后香气存在一定的差异性。本次分析中的
代表该模型较可靠且稳定性良好[24]。经过200次置换检验,如图3-d所示,R2=0.174、Q2=-0.793,Q2的回归线截距小于零,说明模型不存在过拟合,模型验证有效[25],认为该结果可用于6种芫荽样品鉴别分析。
a-主成分分析;b-层次聚类分析;c-PLS-DA分析;d-PLS-DA模型置换检验
图3 多元统计分析
Fig.3 Multivariate statistical analysis
注：natural drying：自然干燥; vacuum drying：真空干燥;hot air drying：热风干燥;spray drying：喷雾干燥;vacuum freeze-drying：真空冷冻干燥。
VIP表示挥发性化合物对样本的贡献度,VIP>1表示该变量具有重要作用,且VIP值越大,说明该挥发性化合物在样品间差异越显著。筛选出50种VIP>1的标志差异性挥发性化合物,可作为6种芫荽样品的标志物。其中,反式-2-辛烯-1-醇和顺-1-甲基双环癸烷-2,10-二酮的VIP>1.2,是造成不同芫荽样品间差异的最关键化合物。此外,有16个标志差异性挥发性化合物OAV>1,分别是2-十一烯醛、十四醛三聚物、戊醛、反式-2-壬烯醛、十四醛、2-戊基呋喃、正辛醛、异丁醛、叶绿醇、癸醛、十二醛、2-甲基丁醛、十三醛、香叶醇、十一醛、1-辛烯-3-醇和反-2-十二烯醛。如图4所示,为了直观地表示芫荽中挥发性化合物含量在不同在干燥方式下的变化规律,采用了热图分析,由白到红色代表着挥发性化合物含量由低到高。
a-VIP;b-热图分析
图4 变量重要性因子
Fig.4 Variable importance factor
a-自然干燥;b-真空干燥;c-烘箱干燥;d-喷雾干燥;e-真空冷冻干燥
图5 不同干燥方法处理的芫荽挥发性成分的多元统计分析
Fig.5 Multivariate statistical analysis of the volatile components of coriander treated with different drying methods
注：消失或新形成的VCS筛选标准为FC>2或<0.5,“*”为OAV>1,“**”为OAV>1且VIP>1。
2.4 干燥过程主要气味物质的变化
挥发性化合物可能在不同的加工过程中发生复杂的相互作用转化成其他化合物。如图5-a所示,日光干燥后,样品中41个挥发性成分(volatile components,VCS)含量变化超过2倍,26个VCS出现,25个VCS消失,其中OAV较高的壬醛、十二醛和芳樟醇的减少或消失会降低芫荽样品的花香、青草香和油脂香,而癸醛、十四醛和香叶基丙酮的增加或产生会提高芫荽样品的柑橘味和青香;如图5-b所示,真空干燥后,样品中37个VCS含量变化超过2倍,3个VCS出现,29个VCS消失,其中OAV较高的壬醛、十一醛、十二醛和十四醛的减少或消失会降低芫荽样品的花香、柑橘香、油脂香和杏子味,而癸醛和香叶基丙酮的增加或产生会提高芫荽样品的柑橘味和花香;如图5-c所示,热风干燥后,样品中36个VCS含量变化超过2倍,8个VCS出现,34个VCS消失,其中OAV较高的壬醛、十一醛、十二醛和芳樟醇的减少或消失会降低芫荽样品的花香、柑橘香和油脂香,而癸醛、十四醛、2-十二烯醛醇和香叶基丙酮的增加或产生会提高芫荽样品的柑橘味和草本香;如图5-d所示,喷雾干燥后,样品中46个VCS含量变化超过2倍,9个VCS出现,30个VCS消失,其中OAV较高的壬醛、十一醛、十二醛、芳樟醇和2-十二烯醛醇的减少或消失会降低芫荽样品的花香、柑橘香和油脂香,而癸醛、十四醛、β-紫罗兰酮和香叶基丙酮的增加或产生会提高芫荽样品的柑橘味、果香和花香;如图5-e所示,真空冷冻干燥后,样品中37个VCS含量变化超过2倍,3个VCS出现,28个VCS消失,其中OAV较高的壬醛和芳樟醇减少会降低芫荽样品的花香、青草香和油脂香,而癸醛、十四醛和香叶基丙酮的增加或产生会提高芫荽样品的柑橘味和花香。
3 结论
通过HS-SPME-GC-MS分析不同干燥方式获得的芫荽样品中的挥发性成分,共检测出119种风味物质,其中新鲜芫荽的总挥发成分最高为31 670.87 μg/kg,其次是真空冷冻干燥(27 577.26 μg/kg)。利用OAV评估其对整体风味的影响,初步确定了芫荽关键特征风味化合物为壬醛(油脂、青草、花香)、癸醛(肥皂、橘子皮、牛脂)、十一醛(油、辛辣、甜味)、十二醛(百合花、油脂、柑橘)、十四醛(杏子)、芳樟醇(花香)和2-十二烯醛醇(青草、柑橘、果柑)。通过PLS-DA分析筛选出50种VIP>1的挥发性物质,可实现不同干燥方式芫荽的区别判断。本研究通过对干燥后芫荽的风味进行分析,得到风味较好的芫荽粉。由于利用OAV方法对样品中的特征风味化合物的分析存在一定局限性,在后续的研究中,将进一步结合气相色谱-嗅闻检测技术和气相色谱离子迁移谱等技术,为干燥香菜的品质评定提供客观依据。
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