GCIMS评价双螺杆挤压处理对香菇柄挥发性成分的影响

发布时间：2022-03-25

　　摘 要: 本文以香菇柄为研究对象，采用气相离子色谱技术分析在不同加水量( 20% 、50% ) 条件下经双螺杆挤压膨化处理香菇柄的挥发性成分的变化。结果表明，实验共检测并定性了醇、酯、醛、酮、呋喃类、含硫化合物 6 大类共 35 种挥发性物质。香菇柄在 120 ℃加 20% 水的条件下经双螺杆挤压处理后，主要特征风味成分含硫化合物二甲基二硫醚相对百分含量从 2.67% 增加至 3.62% 。增加含水量至 50% 进行双螺挤压，二甲基二硫醚含量进一步增至 6.66% ; 但对于 1-辛烯-3-醇影响不显著。利用 ROAV 及主成分得分分析确定了 1-辛烯-3-醇、芳樟醇、正己酸乙酯、丙酸乙酯、正辛醛、3-甲基丁醛、庚醛-M、异丁醛、丁醛、2-正戊基呋喃、二甲基二硫共 11 种物质为主要香味贡献成分，且感官评价与主成分得分分析显示在 120 ℃加水 20% 条件下进行双螺杆挤压得分更高，可以增加挥发性风味成分的释放，改善风味。

　　关键词: 气相离子色谱( GC-IMS) ，双螺杆挤压，香菇柄，挥发性成分

　　香菇( Lentinus edodes) 为侧耳科( Pleurotaceae) 植物香蕈的子实体[1]，具有丰富的营养价值，且因其独特浓郁的香气受到消费者的喜爱。在生产中，多采用香菇伞为加工对象，香菇柄弃之不用，造成资源浪费。用 GC-MS 分析香菇伞、柄的挥发性成分，发现都含有主要的香味贡献成分含硫类化合物和八碳化合物，但是含量比菌伞少，菌柄的挥发性成分种类更丰富甚至有部分研究表明，菌柄挥发性成分含量高于菌伞，倾向表现出花香和甜味[2-3]。

　　香菇柄含丰富的纤维，干物质中粗纤维含量最高达 466.27 mg /g，会对挥发性物质的释出造成阻碍[4]。本文通过螺杆挤压可以提高纤维膨胀力，使因粗纤维包裹而难释放的物质释放。朱慧[5] 研究挤压喷雾对香菇的风味影响，发现经过喷雾后的香菇粉末主要风味贡献挥发成分的含量上升。林雅丽等[6]以籼糙米为原料，采用双螺杆挤压技术制备糙米重组米，其风味质量提高。

　　气相色谱-离子迁移色谱( gas chromatography- ion mobility spectrometry，GC-IMS) 相比传统 GC-MS，易分离、灵敏度高，进样不需复杂的前处理[7]。已用 GC-IMS 技术分析得到了不同香菇干样挥发性组分的指纹图谱，验证了 GC- IMS 检测香菇挥发性成分的可靠性[8-9]。本文基于 GC-IMS 技术研究香菇柄在不同加水量( 20% 、50% ) 条件下经双螺杆挤压膨化处理的挥发性成分的变化情况，以期为充分利用香菇加工废弃物香菇柄开发调味基料提供基础资料。表 1 感官评价标准 Table 1 Sensory evaluation criteria 得分( 分) 香菇味 杏仁味 洋葱味 炒香味 焦糊味 坚果味 0～2 不适异味 不适异味 不适异味 不适异味 焦糊味重 不适异味 3～5 稍微较淡 稍微较淡 稍微较淡 稍微较淡 焦糊味稍重 稍微较淡 6～8 中度适中 中度适中 中度适中 中度适中 焦糊味轻 中度适中 9～10 浓烈香味 浓烈香味 浓烈香味 浓烈香味 焦糊味宜人 浓烈香味

　　1 材料与方法

　　1.1 材料与仪器

　　香菇柄 浙江品菌食品有限公司。 FlavourSpec ? Laboratory Analytical Viewer 配有 GC × IMS Library Search Software，德国 G.A.S 公司; SET-60 螺杆挤压造粒机 江阴市祥达机械制造有限公司; DFY500C 粉碎机 大德药机有 限 公司; PCHB- C6000 烘 箱 上海品致测控技术有限公司。

　　1.2 实验方法

　　1.2.1 香菇柄样品双螺杆挤压及进样 将新鲜香菇柄于60 ℃烘箱中烘干至恒重、粉碎，过100 目筛。于 120 ℃并参考刘巧红[10] 的实验参数分别加入 20% 、 30% 、40% 、50% 含水量和香菇柄粉末进行双螺杆挤压预实验，选取感官较佳的 20% 和 50% 进行 GC- IMS 分析。双螺杆挤压处理出料后再次烘干至恒重后粉碎过 100 目筛。各称取 5 g 样品于 20 mL 顶空进样瓶中，60 ℃ 孵化 20 min，顶空进样，用气相离子迁移谱仪 FlavourSpec ?进行 GC- IMS 分析，设置样品 1( 120 ℃，20% 水) 、样品 2( 120 ℃，50% 水) ，样品 3( 没有经过双螺杆挤压处理的香菇柄粉空白样) ，每份样品 3 个平行。

　　1.2.2 GC-IMS 条件

　　1.2.2.1 系统条件 色谱柱 FS-SE-54-CB-1，15 m， ID: 0.53 mm，柱温 40 ℃，载气/漂移气 N2，IMS 温度 45 ℃，孵育时间 20 min，孵育温度 60 ℃，进样针温度 65 ℃，进样量 500 μL，分析时间 20 min;

　　1.2.2.2 气相色谱条件 E1( 漂移气流速) 150 mL/min; E2( 气象载气流速) 0 ～2 min，2 mL /min; 2 ～20 min， 2～150 mL /min; 20～25 min，150 mL /min。

　　1.4 感官评定

　　对相对百分含量作 ROAV 分析后，得到其贡献较大的挥发性成分: 1-辛烯-3-醇( 香菇味) 、芳樟醇 ( 木香、花香、柑橘香) 、正己酸乙酯、丙酸乙酯( 果香味) 、3-甲基丁醛( 坚果味) 、正辛醛、庚醛- M( 油脂炒香味) 、异丁醛、丁醛、2-正戊基呋喃( 杏仁味) 、二甲基二硫醚( 洋葱味) [12-14]，结合 ROAV > 1 成分所代表的香型和实验过程中较常感应到的香型得出感官评价词如表 1，评定小组由 10 人组成，在评定前经过闻嗅训练和标度方法培训，训练时间大于 20 h，参比样为 1- 辛烯- 3 - 醇( 香菇味) 、3 - 甲基丁醛( 坚果味) 、正辛醛( 油脂炒香味) 、2-正戊基呋喃( 杏仁味) 标准品 按 照 表 1 的评分标准对香味作感官评定分析。

　　1.5 数据处理

　　使用 G.A.S.开发的 GCxIMS Library Search 软件，通过 内 置 的 NIST 2014 气相保留指数数据库与 G.A.S.的 IMS 迁移时间数据库二维定性，利用 LAV 软件的 Gallery Plot 插件选取图中所有的待分析区域，生成指纹图谱。用 IBM SPSS 25.0、Excel 软件和 Origin2018 64Bit 进行数据处理及作图。

　　2 结果与分析

　　2.1 主成分分析

　　对香菇柄粉末样品的挥发性化合物的信号峰强度信息进行主成分分析，检测各样品间挥发性物质是否有显著性差异，结果如图 1 所示。

　　对各个样品所得到的挥发性成分的峰强大小作主成分分析，从图 1 可知，各组样品间主成分得分相差较远，有较好的组外差异，分组效果较好。同组样品得分相近，组内差异小，样品间平行性好。图 2 气相离子迁移谱图中选取的挥发性有机物的 Gallery Plot 图 Fig.2 Gallery plot diagram of volatile organic compounds selected from GC-IMS spectrum 注: 每一列为同一保留时间及漂移时间下的有机物( 不同样品中相同的物质) 的信号峰; 其色块颜色越白，峰强越强，含量越高。XG1、XG2、XG3 分别是加水量 20% 、50% 样品及对照样品。

　　2.2 香菇柄挥发性成分

　　差异分析使用 G.A.S.开发的 GCxIMS Library Search 软件，通过 内 置 的 NIST 2014 气 相 保 留 指 数 数 据 库 与 G.A.S.的 IMS 迁移时间数据库二维定性和定量分析，得到 Gallery Plot 图，如图 2。

　　从图 2 可知，此次共检测出醇、酯、醛、酮、呋喃类化合物、含硫化合物 6 大类共 35 种挥发性物质，还有 31 种未知挥发性物质。根据双螺杆挤压后的香菇柄挥发性风味化合物的检测结果，将这些挥发性风味化合物归类为醇类化合物、酯类化合物、醛类化合物、酮类化合物、呋喃类化合物、含硫类化合物，再利用面积归一法[15]计算各挥发性成分的百分含量并统计如表 2～表 3。

　　从表 2 可知，共检测到 10 种醇类、5 种酯类、12 种醛类、5 种酮类、2 种呋喃类、1 种含硫类化合物，其中，含量最高的是醇类，占总体挥发性成分的 15.65% ～23.01% ，其 次 是 酯 类 ( 12.19% ～ 26.93% ) 和 醛 类 ( 9.49% ～15.48% ) ，种类最丰富的是醛类，达 12 种挥发性成分。含量较高的挥发性成分有乙醇、2-甲基- 1-丙醇、1-丙醇、乙酸乙酯、己醛、3-甲基丁醛、丁醛、丙酮、二甲基二硫醚等。经过双螺杆挤压处理后，醇类、呋喃类、含硫化合物含量增加，酯类减少。

　　在香菇中起到主要风味作用的是含硫和八碳化合物，其余的醛、酮、酯、呋喃类化合物起着调和香菇香味的作用[16]。新鲜香菇中主要的特征含硫化合物有 1，2，3，5，6-五硫环庚烷( 香菇精) 、1，2，4-三硫杂环戊 烷、二 甲 基 二 硫 醚 ( DMDS ) 、二 甲 基 三 硫 醚 DMDS) ，4 - 甲 基 - 甲硫基甲基二硫醚 ( SDMDS) 等[17-18]。香菇中的谷氨酸和胱氨酸经过系列反应形成结合物 1，2，3，5，6-五硫环庚烷( 香菇精) ，前体物质香菇酸在谷氨酸转氨酶的作用下生成中间体二硫杂环丙烷，再聚合形成 1，2，4-三硫杂环戊烷，但它们受热不稳定，在高温干制过程中，容易分裂形成二甲基二硫醚( DMDS) 和二甲基三硫醚( DMDS) [19-22]。经过高温干制后的香菇伞 1，2，3，5，6- 五硫环庚烷 ( 香菇精) 含量降低，在柄中几乎检测不到。香菇柄中香菇精含量低且在干制过程中被严重破坏。但是含硫化合物含量百分比增加约 20%[23]，是香味的主要来源。实验结果与其一致，显示二甲基二硫醚 ( DMDS) 经过双螺杆挤压处理后，相对百分含量增加。增加加水量进行双螺杆挤压，二甲基二硫醚百分比进一步增加。

　　根据文献[24]，香菇中主要的特征风味成分八碳化合物有 1-辛烯-3-醇，3-辛醇，2-辛烯-1-醇， 1-辛醇，2-辛烯醛，3 - 辛酮等。这一类物质阈值较低，可以提供浓郁的香菇风味，微小含量变化对香菇风味影响甚大。实验检测出的八碳化合物为 1 - 辛烯-3-醇。1-辛烯-3-醇是由亚油酸经过脂肪氧合酶作用生成 10-HPOD，再经过氢过氧化物裂解酶作用生成的，也被称为香菇醇，是香菇的主要特征风味成分[25]。Pei 等[26]利用 HS-SPME-GC-MS 检测香菇高温处理过程中八碳化合物的变化，1-辛烯-3-醇的含量显著下降。与其结果一致，经过双螺杆挤压高温处理后，1-辛烯-3-醇相对百分含量变化不明显，增加水量处理，1-辛烯-3-醇含量下降。经过螺杆挤压处理后 1-辛烯-3-醇性质不稳定，在加热过程中被破坏。

　　除八碳化合物和含硫化合物以外的醛酸酮酯类等物质是由高温引起的美拉德反应生成[27]，能够调和香菇含硫化合物和八碳化合物的浓郁香味。乙醇 ( 药味[28]) 、芳樟醇( 荔枝果实芳香[29]) 、γ-丁内酯-M ( 牛奶、奶油香[30]) 、γ-丁内酯-D( 牛奶、奶油香[30]) 、正己酸乙酯( 果香[31]) 、乙酸乙酯( 菠萝、水果香[31]) 、丙酸乙酯( 苹果香[32]) 、壬醛( 腐败异味[33]) 、正辛醛 ( 柑橘类[34]) 、3-甲基丁醛( 坚果味、麦芽味( 刺鼻的辛辣味) [35] ) 、戊醛( 果香、面包[30] ) 、丙酮( 苦 杏 仁味[36]) 等物质于 120 ℃ 加 20% 水分经过双螺杆挤压后相对百分含量下降，增加水分至 50% ，相对百分含量进一步下降。其中乙醇和 3-甲基丁醛在高浓度时有不良风味，低浓度会有宜人风味[35]。壬醛是油脂氧化的产物，有腐败异味。这三类物质经过双螺杆挤压后浓度下降或许会带来好的风味。

　　糠醇( 甜香[27]) 、苯乙酮( 山楂香[37]) 、2-乙基呋喃( 豆香、麦芽香[38]) 经过 120 ℃ 加 20% 水分双螺杆挤压处理后相对百分含量增加，增加水分，相对百分含量进 一 步 增 加。2 - 乙 基 己 醇 ( 鱼 腥、泥 土[39] ) 、 2-己烯-1-醇( 清香[40]) 、1-戊醇( 酒香[41]) 、2 甲基- 1- 丙 醇、3 - 甲 基 丁 醇 ( 发 霉 味[42] ) 、1 - 丙 醇 ( 清爽[43]) 、苯甲醛( 杏仁香、坚果香和水果香[33]) 、5-甲基呋喃醛( 焦糖甜香[44] ) 、庚醛- M( 脂肪香[36] ) 、庚醛-D( 油脂、金属[39]) 、E-2-辛烯醛( 油脂味[45]) 、甲基丙醛、丁醛、2-庚酮-M( 梨香[46]) 、2-庚酮-D( 梨香[46]) 、2-己酮、2-正戊基呋喃( 面包味[45]) 等物质挥发性风味成分在 120 ℃加 20% 水分进行双螺杆挤压后含量增加，但加水量增加，相对百分含量下降。说明在合适加水量范围内，用双螺杆挤压处理香菇柄能够增加调和香味的风味成分。

　　2.3 挥发性风味成分的主要香味贡献成分

　　对检测结果中香菇风味成分的香味阈值进行查询并计算。本研究中检测到二甲基二硫醚物质，虽然含量较低，但根据香菇挥发性风味的相关文献[47-48]报道，1-辛烯-3-醇等八碳化合物和二甲基二硫醚等含硫化合物作为香菇香气的特征风味成分是香菇香味的重要来源，这类物质的风味阈值低，香菇气味强烈。故定义二甲基二硫的 ROAV 为 100，其他风味成分的 ROAV 由式( 1) 计算得出。选择其中ROAV > 0.1 的成分列出如表 4。

　　由表 4 可知，ROAV > 0.1 有 11 种挥发性成分，对香菇柄的香味贡献较大。在未处理前，关键香味成分为正己酸乙酯、丙酸乙酯、正辛醛、3-甲基丁醛、庚醛-M、异丁醛、丁醛、二甲基二硫醚，经加水 20% 螺杆挤压处理后，关键香味成分为正辛醛、3-甲基丁醛、异丁醛、丁醛、二甲基二硫醚。经加水 50% 螺杆挤压处理后，关键香味成分为正辛醛、3-甲基丁醛、异丁醛、二甲基二硫醚。在这些关键风味成分中，ROAV > 1 且共有的成分有正辛醛、3-甲基丁醛、异丁醛、二甲基二硫醚，可以知道，这几个成分是香菇柄的重要香味成分。与前人研究一致，除八碳化合物和含硫化合物，醛类对香菇风味贡献程度较大[50]。

　　2.4 感官评定

　　进行感官评定闻嗅实验，得出关于香味的感官评分，如表 5 所示:

　　香菇味、炒香味和坚果味的感官得分在 120 ℃ 加 20% 双螺杆挤压处理后的样品中呈现最高分值，进一步增加水量处理，得分下降。原因或许是120 ℃ 加 20% 水分进行双螺杆挤压处理，代表香菇味和炒香味的 1-辛烯-3-醇及庚醛-M 相对百分含量上升，因此与没有经过双螺杆挤压处理样品的香菇味、炒香味得分相比上升。但在 120 ℃加 50% 水分双螺杆挤压处理后 1-辛烯-3-醇及庚醛-M 相对百分含量下降，香菇味和炒香味得分下降，其次高温和低水分活度会导致香菇内酶活降低、大分子物质断裂和美拉德反应加剧，逐渐形成干香菇特有的炒香味[51-52]。代表坚果味的物质 3-甲基丁醛在一定浓度时呈现较好的坚果风味，但高浓度时则风味不佳[35]。杏仁味和洋葱味的得分也与其代表香型的 2- 正戊基呋喃 ( 杏仁味) 、二甲基二硫醚( 洋葱味) 的相对百分含量变化保持一致。

　　从总体感官评价看，20% 水分双螺杆挤压样品得分最高，其次是 50% 水分双螺杆挤压样品。相比对照组，经过双螺杆挤压处理后，感官分值上升，但是加水量为 50% 时感官分值较 20% 加水量时低。

　　2.5 挥发性成分的主成分得分分析

　　选取对香味贡献较大的 11 种挥发性成分作主成分分析，结果见表 6。

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　　选取特征值 > 1 的成分作为主成分，共提取了 2 个主成分，累计方差贡献率达 100% ，可充分解释原始数据。作风味品质分析得到风味品质函数，结果如表 7 和表 8。

　　由表 8 可知，得分最高的是 20% 含水量样品，为0.457。其次是原始样品为 0.395。最低是 50% 含水量样品。双螺杆挤压有利于香菇柄的挥发性风味的释放，但是不同加水量对其影响不同，需要适量加水，双螺挤压才能促进香菇柄的挥发性物质释放。

　　3 结论与讨论

　　利用 GC- IMS 对香菇柄在不同加水量( 20% ， 50% ) 条件下经双螺杆挤压膨化处理的挥发性成分的变化情况进行分析，共检测出醇、酯、醛、酮、呋喃类化合物、含硫化合物 6 大类共 35 种挥发性物质，但目前 G.A.S.公司软件内置数据库还不够完善，有 31 种物质未被定性。研究表明[51]，其中二甲基二硫醚 ( DMDS) 和 1-辛烯-3-醇是螺杆挤压处理后对香味贡献最大的物质。其余醇类、酯类、醛类、呋喃类物质起调和作用。经过螺杆挤压处理后，二甲基二硫醚( DMDS) 百分含量增加，增加含水量进行双螺杆挤压处理可以进一步增加二甲基二硫醚( DMDS) 百分含量。但对于 1-辛烯-3-醇影响不大。综合考虑了挥发性成分和阈值对挥发性风味的影响，采 用 了ROAV 和主成分得分分析双螺杆挤压处理前后不同挥发性风味物质对香菇的风味贡献程度和得分情况，最终确定了 1-辛烯-3-醇、芳樟醇、正己酸乙酯、丙酸乙酯、正辛醛、3-甲基丁醛、庚醛-M、异丁醛、丁醛、2-正戊基呋喃、二甲基二硫醚共 11 种挥发性物质为主要香味贡献成分。经感官评价得出加水量在 20% 时候进行双螺杆挤压处理得分最高，主成分得分分析与感官评分一致，在 120 ℃ 下加 20% 水分经过双螺杆挤压的得分最高，但次得分样品主成分得分与感官评分不一致，原因可能是主成分分析过程没有考虑不同挥发性成分的对感官的权重比例。

　　双螺杆挤压处理后的香菇柄粉末可作为增加挥发性风味调味基料，降低生产成本，是香菇加工废弃物香菇柄高值化利用的发展方向。——论文作者：林良静1 ，古汶玉1 ，甘忠宏3 ，方 田1 ，冯培琳1 ，高向阳1，2，*

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