德州扒鸡是德州地方名产,其历史悠久,味道鲜美,具有“中华第一鸡”的美誉,特点是形色兼优,五香脱骨、肉嫩味纯、清淡高雅、味透骨髓、鲜奇滋补,造型独特^[1]。

固相微萃取(solid phase micro-extraction,SPME)是一种集萃取、浓缩进样于一体的分析方法^[2],具有操作简便、快速、安全、无溶剂萃取、灵敏度高、重复性好等优点^[3]。SPME通过使用一根细的熔融石英纤维丝或在细的熔融石英纤维丝上涂上一层具有选择性的聚合物薄膜,从分析基质中萃取待测物,待萃取结束以后,直接将萃取头插入进样口进行检测,可明显提高检测效率^[4]。影响SPME结果的因素有很多,如萃取头、萃取温度、萃取时间、进样量以及色谱柱等均会产生不同程度的影响。

相倩^[5]利用HP-5MS柱通过SPME-GC-MS方法对德州扒鸡的风味成分进行分析,共检测出25种成分。田毅峰等^[6]利用HP-5柱通过SPME-GC-MS方法对德州扒鸡的风味成分进行分析,共检测出24种成分,包括烷烃、醇、酚、醛、酮、醚类及含硫化合物。张文静^[7]利用AB-5MS柱通过加速溶剂萃取-溶剂辅助蒸发法(ASE-SAFE)鉴定出73种成分,并通过气相-嗅闻仪(GC-O)鉴别出30种特征香气,且鉴别出其中9种成分。上述研究分别通过SPME和ASE-SAFE对德州扒鸡的风味成分进行分析,均选择的是非极性色谱柱,不能全面有效地分析德州扒鸡的风味成分,也不能确定各风味成分对德州扒鸡风味的作用。李鑫等^[8]用TG-WAX柱设定萃取温度55 ℃、萃取时间55 min、样品质量4.5 g,对金华火腿的风味物质进行分析得到55种成分;田怀香等^[9]用DB-5柱和75 μm CAR/PDMS萃取头在萃取温度60 ℃、萃取时间40 min的条件下进行萃取,得到76种风味成分。由此可见不同色谱柱对风味成分分析结果具有一定影响。段艳等^[10]利用ASE-SAFE法结合气-质联用仪器,并根据保留指数对德州扒鸡挥发性成分进行双柱(RTX-5柱和DB-Wax柱)定性分析,其中RTX-5柱鉴定出40种成分,而DB-Wax柱检测出60种成分,其中相同成分有30种,也可以证明不同的色谱柱对德州扒鸡的风味分析具有较大影响。

本研究以德州扒鸡为材料,利用固相微萃取技术结合GC-MS对萃取头、进样量、萃取温度和萃取时间等因素进行优化,采用TR-5MS和TR-WAX两种不同极性的毛细管柱分析德州扒鸡的挥发性风味成分,并根据定性结果对各风味成分的风味强度(OAV)进行分析,探明德州扒鸡的主要挥发性风味成分,为德州扒鸡的产业化生产和工艺优化奠定基础。

供试材料为德州扒鸡6只,600 g真空包装,产品标准为SB/T10611,均为同一批次生产,购于山东德州扒鸡集团。

气-质联用仪Trace Ultra GC和DSQⅡ MS,SPME Triplus自动进样器,购于Thermo Scientific公司;100 μm聚二甲基硅氧烷(PDMS)萃取头、50/30 μm 碳分子筛/聚二甲基硅氧烷/二乙烯苯(CAR/PDMS/DVB)萃取头、75 μm碳分子筛/聚二甲基硅氧烷(CAR/PDMS)萃取头,购于美国Supelco公司;2-辛醇(色谱纯)购于Sigma公司。

取适量德州扒鸡鸡胸肉,迅速切成约1 cm³方块,置于液氮中迅速冷却,然后研磨成粉末状,取适量加入20 mL顶空进样瓶,加入0.01 mL 82.5 μg•mL^-1 2-辛醇,加盖^[11]。利用自动进样器完成进样操作。萃取前先在相应的萃取温度下预热10 min,然后将老化后的萃取头插入顶空瓶中开始吸附,待吸附完成后将萃取头插入气-质联用仪进样口,在250 ℃下解吸4 min。每个样品3次重复。

1)TR-5MS毛细管柱(30 m×0.25 mm,0.25 μm);升温程序:40 ℃保持10 min,以4 ℃•min^-1升至120 ℃,保持10 min,以12 ℃ •min^-1升温到 250 ℃,保持10 min;载气(He),纯度99.999%,流速1.8 mL•min^-1,不分流。2)DB-WAX毛细管柱(30 m×0.25 mm,0.25 μm);升温程序:40 ℃保持4 min,然后以5 ℃•min^-1升温至100 ℃,再以8 ℃•min^-1升温至230 ℃保持7 min;载气(He),纯度99.999%,流速1.8 mL•min^-1,不分流。

EI离子源,电子能量70 eV,传输线温度250 ℃,离子源温度230 ℃,质量扫描范围(m/z) 45~500。

定性分析:利用Xcalibur(Thermo Scientific)软件进行鉴定,检测到的质谱信息与MAINLIB、REPLIB、NISTDEMO和WILLEY这4个标准数据库进行对比,正相匹配指数(SI)和反相匹配指数(RSI)均大于800(最大为999)或有1个大于900的成分作为定性结果^[8]。

定量分析:按照各组分峰面积归一化法计算各组分相对含量,并根据内标物2-辛醇的峰面积大小确定各成分的准确含量。

主要风味化合物的确定:根据风味强度(OAV)来进行确认,计算方法为:OAV=C_i/T_i。其中:C_i为成分i的含量;T_i为i阈值。

通过分析选择萃取头(100 μm PDMS、50/30 μm CAR/PDMS/DVB、75 μm PDMS/DVB)、萃取温度(40、50、60、70 ℃)、进样量(1、2、3、4 g)、萃取时间(30、45、60 min),分别对其进行单因素试验。以定性物质的总峰面积为主要指标,以可鉴定出的物种种类数为辅助指标,对各因素进行优化,选择最适合的试验条件。

影响SPME效果的因素有很多,其中萃取头是影响最大的因素。SPME的核心部位是萃取头,而萃取头的关键在于涂层。不同材料、厚度的萃取头由于其纤维头的极性存在差异,所以会产生明显不同的结果,需要根据待测样品的性质,考虑在各相中的极性、沸点和分配系数等来确定适当的萃取头^[12]。由表 1可知:通过3种萃取头萃取,GC-MS分析德州扒鸡挥发性成分,75 μm PDMS/DVB萃取头可定性物质总峰面积是50/30 μm CAR/PDMS/DVB萃取头的2.2倍,是100 μm PDMS萃取头的4.5倍,并且75 μm PDMS/DVB萃取头在此条件下检测到的成分种类也最多。由此可见,选择75 μm PDMS/DVB萃取头用于德州扒鸡挥发性风味的萃取效果要明显优于另外2种。

由表 2可知:当萃取温度为40 ℃时,总离子流图峰面积远小于其他温度,这是由于温度过低,不利用挥发性成分的挥发,萃取效果不佳。当温度升高时,总峰面积也明显增加,可以定性的成分种类也逐渐增多。60 ℃时萃取的总峰面积大于其他温度组,可以鉴定的成分为35种,而50 ℃下仅为28种。根据以上结果,60 ℃为最佳萃取温度。

由表 3可见:随着进样量逐渐增加,总峰面积逐渐增加,且可检测的成分种类数也在增加。当进样量为4 g时,样品瓶中顶空体积过小,影响香气成分从样品中充分挥发,且萃取效果与进样量为3 g时并无显著差别。因此,样品进样量确定为3 g。

由表 4可知:萃取时间为30 min时,样品萃取未达到平衡;当萃取时间为45 min时,基本达到平衡,此时总离子流图的峰面积明显大于其他两组,且此时可鉴定的风味成分种类数也最多;当萃取时间为60 min时,总离子流图的峰面积反而明显下降,物质种类数也少于45 min组。所以,45 min为本试验最佳萃取时间。

分别使用DB-WAX柱和TR-5MS柱对德州扒鸡挥发性风味成分进行SPME-GC-MS分析,各种成分的定性和定量结果如表 5所示。

由表 5可以看出:使用TR-5MS柱和DB-WAX柱共可检测出57种成分,其中包括12种烷烃、11种芳香烃、11种醇类、9种醛类、2种酸类、3种酚类、3种酮类、5种杂环类,2种色谱柱均可检测出的成分仅占15种。

总体来看2种色谱柱均可检出的物质在总体组成上差异不大,但不同种类物质的阈值差距很大,所以对风味的贡献程度存在明显差别。2种色谱柱均可检出大量烷烃类化合物,其中TR-5MS检测的烷烃和芳香烃共计14种,占所有成分的41.72%,DB-WAX检测出12种烷烃类和芳香烃,占39.63%。另外,DB-WAX柱检出10种醇类、6种醛类和4种杂环类化合物,分别占16.69%、32.79%和5.42%,远高于TR-5MS所检出的含量。一般醇类、醛类和杂环类化合物的阈值会远远低于烷烃类,对食品的风味贡献远大于含量更高的烷烃类。TR-5MS柱虽然检测出的成分种类多于DB-WAX柱,但大多是对风味贡献不大的烷烃类,而DB-WAX柱对主要风味成分如醇类、醛类和杂环化合物的检测效果更好。综上所述,在分析德州扒鸡的挥发性风味成分时,应将2种色谱柱检测结果相互补充和验证,使分析结果更加完整。

相对风味强度是指风味成分的含量和其最低嗅感阈值的比值,可以反映出某一成分在风味形成中的作用。一般我们认为当OAV<1时,该物质对产品风味没有直接影响;当OAV≥1时,可对产品风味产生影响,且OAV值越大,所产生的影响也越明显^[14]。

德州扒鸡的主要风味成分是以醛类和醇类为主。TR-5MS柱分析结果表明,德州扒鸡中OAV值较大的有壬醛、癸醛、辛醛、己醛、糠醇、蘑菇醇、丁香酚、2-戊基呋喃等;DB-WAX柱分析结果中,德州扒鸡中OAV值较大的有壬醛、癸醛、辛醛、蘑菇醇、丁香酚、糠醇、茴香脑等,另外还有部分的OAV值略大于1的成分,如柠檬烯、乙苯、正辛醇、1-壬醇等,这些成分可能在德州扒鸡的风味成分中作用较小,可能会有一定的辅助作用。在分析过程中,部分物质(主要是烷烃和杂环化合物)的阈值未能明确,因而未进行风味强度分析。一般情况下,烷烃类特别是直链烷烃阈值很高,对风味无明显贡献,而杂环类化合物来源较为复杂,其中大部分是美拉德反应产物,一般对风味可起到辅助修饰的作用。可以通过GC-O进行进一步分析,确定其他成分的风味作用。

结合2种不同极性的色谱柱分析结果可以看出,德州扒鸡的主要风味成分是以壬醛、癸醛、辛醛、己醛、茴香脑、蘑菇醇、丁香酚、2-戊基呋喃等成分。

本研究中,通过单因素试验确定SPME-GC-MS分析德州扒鸡挥发性风味成分的最佳条件是:75 μm PDMS/DVB萃取头、萃取温度60 ℃、萃取时间45 min、进样量3 g,在此条件下用TR-5MS柱可检测出36种风味成分,用DB-WAX可检测出36种风味成分,共计57种成分,其中2种色谱柱均可检出的仅有15种,其中烷烃含量、醇类和醛类含量较高。根据OAV分析,可以确定德州扒鸡的主要风味成分为壬醛、癸醛、辛醛、己醛、茴香脑、蘑菇醇、丁香酚、2-戊基呋喃等。

烃类化合物主要来源于肉中脂肪酸烷氧自由基均裂。在本试验中通过2种色谱柱均检出大量的烷烃类物质,由于烷烃类化合物的阈值一般较大,对风味的贡献程度较低^[15],一般在风味成分的研究中较少,很难查到阈值等相关参数,但也有少量烷烃或芳香族化合物例外,如德州扒鸡中的柠檬烯和乙苯,其OAV值仍大于1,可能会在德州扒鸡的风味中起辅助作用。

醛类物质一般来源于脂肪的降解和氧化,斯特雷克尔氨基酸反应也是其重要来源之一。醛类成分一般阈值很低,是肉香味的主要物质来源,具有明显的脂肪香气。通过SPME可萃取出9种醛类成分,其中苯甲醛含量最高,但苯甲醛阈值为350 μg•kg^-1,在醛类物质中属于较高的,其风味贡献程度远低于含量更低的辛醛、己醛、壬醛和葵醛^[16]。其中,己醛是亚油酸的主要氧化产物^[17],对整体风味的形成起着重要作用。大茴香醛具有茴香、香草香气,存在于八角茴香和小茴香中,是扒鸡在加工过程中加入辛香料引入的^[18]。

醇类物质一般是由脂肪酸衍生而来或由羰基化合物还原而来,且醇类的阀值大都较高,不饱和脂肪醇的阀值相对较低^[19]。本试验中,TR-5MS仅检测出4种醇类,占总风味成分的6.99%,而DB-WAX检出10种醇类,占16.69%。其中,蘑菇醇含量较高,但其阈值仅为1 μg•kg^-1,来源于不饱和脂肪酸的氧化,表现出类似蘑菇的香气和土腥味,对扒鸡风味形成具有重要作用^{[20, 21]}。

此外本试验还检出一定含量的芳香族化合物、杂环化合物、酸类、酮类、酚类等物质,也对扒鸡的风味形成产生一定的作用,如甲苯赋予产品坚果味、杏仁味及苦涩味,呋喃酮通常也会呈现出水果味等令人愉快的风味^[22]。本试验通过相对风味强度对德州扒鸡的风味成分进行分析,确定德州扒鸡的主要风味成分,但由于部分成分的阈值未在以往文献中找到,因而未进行分析,还需通过GC-O技术对德州扒鸡的风味成分进行分析,对主要风味成分的风味特性进行研究,同时确认由于未查到阈值而未分析的成分对整体风味的贡献程度大小。