HP-SPME-GC-MS结合ROAV分析新疆不同小麦品种面粉主要挥发性成分

毛红艳,于 明,祖力皮牙·买买提,岳 丽

(新疆农业科学院粮食作物研究所,新疆乌鲁木齐 830091)

小麦是仅次于玉米的第二大粮食作物,全球年总产约7 490×108kg。2020 年我国小麦种植面积2 338×104hm2,产量1 340×108kg,我国已成为世界最大的小麦生产国[1-2]。新疆是我国西北重要的小麦优势产区,小麦是新疆第一大粮食作物,2020年种植面积为106.9 ×104hm2,产量58.21×108kg,新疆小麦生产在新疆粮食生产和粮食安全中占有重要地位[3-4]。

顶空固相微萃取-气质联用技术主要用于样品中挥发性组分的检测,方便快捷且十分灵敏,并能对含量较低、挥发性低的物质进行富集,因此在挥发性物质的检测研究中运用最多[5]。目前,国内外关于利用顶空固相微萃取气质联用技术分析小麦[6]、玉米[7]、大米[8-9]、水果[10]等挥发性成分的研究较多,且已把挥发物作为谷物储藏品质检测的重要指标之一。

在小麦挥发性风味物质检测方面,早在1972年,Lorenz[11]和Youngs[12]研究发现,小麦粉中主要含有低分子醛类,而烃类化合物在小麦粉中含量很少。近年来,国内学者也对小麦中挥发性成分进行了研究,袁 建等[4]分析了不同储藏条件下小麦粉挥发性成分变化;燕 雯等[13]利用固相微萃取-气质联用技术定性定量分析了黄淮地区3种不同筋力小麦品种面粉和麸皮中的香气成分;任国宝等[14]分析了小麦粉、全麦粉和挤压膨化全麦粉及其馒头制品的挥发性物质;王才才等[15]研究了不同出粉率小麦粉挥发性物质。

本研究选取新疆12个小麦品种,以固相微萃取法提取小麦面粉挥发性成分,利用气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)对小麦面粉中挥发性成分与相对含量进行分析,以探讨新疆不同小麦品种面粉挥发性成分和含量差异,以期为提高和改善小麦制品的风味提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材 料

以新春26(XC26)、新春37(XC37)、新春43(XC43)、新春48(XC48)、粮春1201(LC1201)、粮春1354(LC1354)、新冬18号(XD18)、新冬20(XD20)、新冬22(种植在两个不同环境,XD22A,XD22B)、新冬53(XD53)、新冬57(XD57)、新冬60(XD60)为研究材料,于2021年收获成熟籽粒备用。

1.2 方 法

1.2.1 制粉

用德国布拉本德公司小型实验磨粉机按AACC26-21A方法制得小麦面粉。

1.2.2 挥发性成分检测

采用固相微萃取方式对样品中的挥发性成分进行提取。称取5 g 小麦面粉,置于20 mL带有硅胶垫帽的萃取瓶中,密封,于65 ℃水浴静置10 min;50/30 μm DVB/CAR/PDMS纤维头萃取50 min后插入GC进样口,在进样口解吸附 5 min,采用GC-MS-TQ8040 NX三重四极杆型气质联用仪检测分析。

GC条件:HP-5色谱柱 (30 m×0.25 mm, 0.25 um);起始温度 30 ℃,保持 5 min,以5 ℃·min-1升至230 ℃,保持5 min;进样口温度230 ℃;载气为高纯氮气,流速为1.0 mL·min-1。

MS条件:EI源,电离能量70 eV,离子源温度230 ℃,四级杆温度150 ℃,扫描范围20～600 amu,全扫描;无溶剂延迟;标准调谐。

1.2.3 相对气味活度值测定

根据ROAV定义,对样品风味贡献最大的挥发性风味物质的气味活度值(ROAVmax)为100,其他挥发性成分的ROAV按下式计算[16]:

公式中,TA为各组分感觉阈值 (μg·kg-1),Tstan为贡献最大组分感觉阈值 (μg·kg-1);CA为各组分相对含量(%),Cstan为贡献最大组分相对含量(%)。感觉阈值通过查阅相关书籍[17-18]获得,相对含量为GC-MS检测分析获得。

1.3 数据分析

挥发性成分根据标准谱图NIST17检索结果并结合相对保留时间进行鉴定,采用峰值面积归一法统计分析各化合物相对含量。用Excel 2007 和SPSS Statistics 23.0 进行数据整理、分析和作图。

2 结果与分析

2.1 不同小麦品种面粉中挥发性成分种类分析

由表1可见,12个小麦品种面粉中,共鉴定出143种挥发性化合物,其中包括烷烃类50种,烯烃类8种,醛类13种,醇类28种,酮类16种,酯类7种,酸类4种,苯类9种,其他化合物8种。由图1可以看出,XD18鉴定出57种挥发性化合物,XD22A鉴定出66种,XD53鉴定出67种,XD22B鉴定出60种,XD20鉴定出65种,XD57鉴定出75种,XD60鉴定出66种,XC26鉴定出43种,XC37鉴定出50种,XC43鉴定出61种,XC48鉴定出56种,LC1201鉴定出45种,LC1354鉴定出58种。12个品种中,含烷烃类成分最多的是XD57,含醛类和醇类成分最多的是XD18,XD57和XD20则酮类成分含量较多。

表1 不同小麦品种面粉中挥发性成分及其相对含量Table 1 Volatile components from different wheat flours and their relative content %

(续表1 Continued table 1)

(续表1 Continued table 1)

图1 不同小麦品种面粉中挥发性成分种类堆积图Fig.1 Accumulation diagram of volatile components in different wheat flours

2.2 不同小麦品种关键挥发性成分分析

挥发性物质对样品整体风味的贡献程度与其相对含量和感觉阈值有关,当其相对含量一定时,感觉阈值越低的化合物越容易被嗅觉器官感知。12个小麦品种面粉中发现已报道感觉阈值的挥发性物质34种[17-18],本研究只对这些物质进行分析。ROAV值越大,挥发性物质对样品风味的贡献越大,ROAV≥1的挥发性物质是样品的主体风味化合物,0.1≤ROAV

由表2可见,ROAV大于0.1的挥发性物质有12种。其中,己醛、壬醛、反-2-辛烯醛、癸醛、(E,E)-2,4-壬二烯醛、1-辛烯-3-醇、2-正戊基呋喃共7种化合物的ROAV≥1,为关键性挥发性化合物;正己醇、1-壬醇、6-甲基-5-庚烯-2-酮、3-辛烯-2-酮、γ-壬内脂5种化合物对小麦面粉挥发性气味有重要的修饰作用(0.1

2.3 不同小麦品种关键挥发性成分主成分分析

采用主成分分析法对不同小麦品种面粉中挥发性物质的ROAV进行分析,发现PC1方差贡献率为57.6%,PC2方差贡献率为29.5%,二者合计达87.1%(>85%),可以较好地反映原始数据的绝大部分信息。由图2可以看出,春小麦品种距离较近,说明春小麦品种的挥发性具有相似性;冬小麦品种则较分散,其中XD60、XD53、XD20、XD18、XD22A距离较近,说明这5个品种挥发性成分具有相似性,XD22B、XD57距离较近,说明这两个品种挥发性成分具有相似性。

图2 不同小麦面粉主要挥发性成分PCA分析Fig.2 PCA analysis of the volatile components in different wheat flours

12个品种风味物质的ROAV相关性分析结果(表3)表明,春小麦品种之间具有极显著相关性,冬麦品种XD60、XD53、XD20之间具有极显著相关性,XD22B与XD57具有极显著相关性。冬小麦、春小麦之间相关性系数较低。XD22A与XD22B间相关性不显著,说明栽培环境对风味物质影响较大。相关性分析与PCA分析高度一致。

表3 品种间挥发性风味组分的相关性分析Table 3 Correlation analysis of volatile flavor components of different varieties

2.4 不同小麦品种关键挥发性成分聚类分析

通过聚类结果(图3)可知,在欧氏距离10.0处将不同小麦品种聚为4类,第一类为XC37、XC43、XC48、LC1201、LC1354,第二类为XD22A、XD20、XD18、XD60,第三类为XD53、XD57,第四类为XD22B。总体趋势为春小麦聚为一类,冬麦聚为一类,表明冬小麦、春小麦之间挥发性物质存在一定差异。与主成分分析和相关性分析结果基本一致。

图3 不同小麦面粉主要挥发性成分聚类分析Fig.3 Dendrogram of the volatile compounds for different wheat flour samples

3 讨 论

食品的挥发性成分是其风味的主要来源,含量占比极低,但其是决定食品风味品质的重要因素之一[20]。小麦粉特有的风味是醛类、醇类、酯类、烯烃类、烷烃类和杂环类物质等相互作用产生的综合气味[21]。本研究表明,供试小麦品种面粉中挥发性化合物以烃类、醇类种类最多,这与胡贵喜等[22]研究结论一致。燕 雯等[13]发现黄淮地区3种不同筋力小麦面粉香气成分主要以烃类、醇类、酯类和羧酸类为主。小麦粉挥发性成分中烃类、醛类、醇类主要是由脂类的氧化或分解而形成的;酮类主要是糖类或蛋白质的降解,也可能是微生物引起上述挥发性成分的变化[6]。通常烃类、醇类化合物具有较高的芳香阈值,对风味贡献较小,但可以作为风味形成的底物[23-24]。酮类大部分具特殊香气,低碳原子醛具有刺激性风味,中等分子质量醛则具有清香、脂肪香风味[25,14]。研究发现,小麦粉中羟基化合物含量较多且阈值较低,可能是小麦粉中主体呈香物质[26]。ROAV分析结果表明,己醛、壬醛、1-辛烯-3-醇为新疆小麦面粉共有主体挥发性物质,己醛具有苹果、青草香,壬醛具有玫瑰、柑橘香,1-辛烯-3醇具有谷物的泥土气味。正己醇、1-壬醇、3-辛烯-2-酮为新疆小麦面粉重要辅助性风味物质,正己醇微带酒香、果香和脂肪气息,1-壬醇具有类似桔子、甜橙气息,3-辛烯-2-酮具有泥土样水果香气。这6种化合物构成了新疆小麦面粉的整体风味。

不同小麦品种有其特征风味,不同的水土、气候、栽培措施、储藏时间等条件下,即使相同品种其风味也会不同[13]。从成分及含量差异可以区分出来不同的产地,这为作物的产地区分提供了一种较为简便的方法[27]。Starr[28]研究表明,英国、澳大利亚、法国和丹麦等国家小麦粉挥发性物质存在显著差异,地方品种中峰面积较高的是醇类、酯类和呋喃类。胡喜贵[22]研究发现,不同来源小麦之间的香气成分存在一定差异,小麦储存时间、自身遗传特性、产区气候生态因子以及是否存在控制香气合成关键基因等可能造成挥发性成分差异。本研究发现,春小麦与冬小麦品种挥发性物质存在一定差异,部分挥发性物质只在冬麦样品中检测到,如2-丁基-2-辛烯醛、1-戊醇、6-甲基-3,5-戊二烯-2-酮等;部分挥发性物质只在春麦样品中检测到,主要有β-松油醇、2,4-二乙基庚烷-1-醇、1,3,5-苯三醇、四氢薰衣草醇、2-乙基-1-己醇、1-碘癸烷、2,6,10-三甲基十三烷、十八烷、8-甲基十七(碳)烷、碘代十六烷 、4-甲基十四烷、正三十烷、二十烷等;但由于这些物质感觉阈值较高,含量较低,因此对整体风味贡献不大。

在供试小麦面粉中,检测到十一烷、十二烷、十三烷、十四烷、三氯甲烷、甲苯、邻二甲苯、均三甲苯等有害物质。燕 雯等[13]研究表明,在小麦粉中存在对人体有一定的毒副作用的化学物质,如三氯甲烷、对苯二酚、甲苯、十二烷、十三烷、十四烷、辛酸和苯酚等物质;胡喜贵等[27]发现,小麦粉中存在少量十一烷、十二烷、十三烷、环己醇等物质。王才才等[15]研究发现,小麦粉中存在相对含量较多的苯环类物质,如二甲苯、三甲苯、萘等,这些物质均存在毒性且越接近皮层相对含量越高,这可能是在种植过程中使用杀虫、除草剂以及施肥造 成的。

4 结 论

采用固相微萃取-气相色谱-质谱质联用分析新疆12个小麦品种面粉,共鉴定出143种挥发性化合物,其中烷烃类50种,烯烃类8种,醛类13种,醇类28种,酮类16种,酯类7种,酸类4种,苯类9种以及8种其他化合物;通过ROAV法确定小麦面粉中主要挥发性物质有12种:己醛、壬醛、反-2-辛烯醛、癸醛、(E,E)-2,4-壬二烯醛、1-辛烯-3-醇、2-正戊基呋喃、正己醇、1-壬醇、6-甲基-5-庚烯-2-酮、3-辛烯-2-酮、γ-壬内脂;不同新疆小麦品种面粉样品挥发性物质构成不同,冬小麦、春小麦面粉挥发性物质存在明显差异。