基于感官评价、理化分析、电子鼻与HS-GC-IMS的Pugionium cornutum (L.) Gaertn.自然腌制品质与风味动态演变

《Foods》：Quality and Flavor Evolution of Pugionium cornutum (L.) Gaertn. During Natural Pickling: Insights from Sensory and Physicochemical Characterizations

　　

Pugionium cornutum (L.) Gaertn. 是一种未充分利用的十字花科（Brassicaceae）蔬菜，其强烈辛辣味限制其更广泛的食品工业应用。自然腌制可减轻辛辣味并改善风味，但自然腌制全过程中风味品质、理化变化、挥发性成分谱和感官成熟的动态演变仍知之甚少。为此，研究人员采用感官评价、理化测定、电子鼻（E-nose）、顶空-气相色谱-离子迁移谱（HS-GC-IMS）和多元分析，表征其在28天自然腌制过程中的品质和风味变化。前7天是主要理化转变期，表现为NaCl快速吸收、pH下降、可滴定酸（TA）和氨基酸态氮（amino-N）增加、还原糖消耗以及亚硝酸盐瞬时峰值。加权感官评分从42.75（D0）升高至81.84–83.98（D21-D28）。尽管色泽评分下降，香气、滋味和质地均有增强，且D21与D28总体可接受性无显著差异。电子鼻主成分分析（PCA）解释了91.78%的总方差，并显示D21–D28重叠。HS-GC-IMS检测到84个信号峰，初步鉴定出75种挥发性有机化合物（VOCs）。醛类和含硫相关挥发性物质总体下降，而酯类、酮类和有机酸相关化合物积累。共区分出33种变量投影重要性（VIP）>1的差异VOCs。相关性分析揭示了理化变量、电子鼻响应和VOC模式之间的关联。结果表明，自然腌制逐步优化感官属性，并在第21天达到相对稳定的香气状态。本研究为腌制终点判断提供参考，并支持这种未充分利用蔬菜资源的加工开发。

研究背景与意义：Pugionium cornutum (L.) Gaertn. 为十字花科（Brassicaceae）沙芥属草本植物，广泛分布于中国西北干旱和半干旱地区，耐干旱、盐碱、风蚀和贫瘠沙土。其嫩茎叶富含蛋白质、膳食纤维、游离氨基酸、维生素、矿物质和生物活性物质，并在传统蒙古医药中用于止痛、止咳和促进消化。然而，作为传统季节性野生蔬菜，其采收期短，嫩组织易失水、衰老和微生物腐败；新鲜材料具强烈辛辣气味，虽被部分传统膳食接受，却限制更广泛消费者接受。浓缩采收期、差储性和独特风味给鲜销带来挑战，因此加工对延长货架期和改善适口性十分必要，但其加工特性和感官质量系统研究仍少。腌制作为历史悠久的蔬菜保藏技术，可通过微生物代谢、内源酶反应、渗透转移和理化环境变化重塑色泽、质地、滋味和香气。对 P. cornutum 而言，腌制不仅延长保质期，也可能通过发酵或风味掩蔽减弱不良气味。现有研究多关注鲜样和脱水材料挥发性化合物，对腌制过程中挥发性组成和风味演变信息不足。因此，研究人员开展本研究，以表征自然腌制过程中感官、理化、挥发性风味谱和气味指纹变化，采用多元统计区分不同腌制阶段并筛选关键差异挥发物，分析电子鼻响应、风味物质和理化指标关系，旨在阐明风味形成机制，为加工优化和质量控制提供理论支持。

关键技术方法：新鲜 P. cornutum 和食品级粗盐购自中国陕西省榆林市当地市场。研究人员采用传统自然腌制流程，在10 L陶罐中于20 ± 2 °C发酵28天，于D0、D7、D14、D21和D28取样，设三个平行罐。主要方法包括：感官评价（8名培训评价员，色泽、香气、滋味、质地和总体可接受性，加权评分）；常规理化指标（pH、可滴定酸、NaCl、亚硝酸盐、还原糖、氨基酸态氮、维生素C和水分）；电子鼻（E-nose）分析；顶空-气相色谱-离子迁移谱（HS-GC-IMS）；多元统计（PCA、偏最小二乘判别分析PLS-DA、log₂FC和Spearman相关）。

3.1 感官评价结果：通过感官评价发现，腌制显著改变感官轮廓。加权感官评分从D0的42.75升至D21的81.84和D28的83.98。香气、滋味、质地和总体可接受性随时间增加，色泽评分下降。D21和D28在香气、滋味、质地和总体可接受性上无显著差异（p > 0.05），表明后期感官质量接近平台。外观由D0亮绿色变为D7–D14黄绿/橄榄绿，D21–D28深橄榄绿/黄褐绿；色泽评分从9.25降至6.23，可能与酸性环境触发叶绿素降解为脱镁叶绿素衍生物、类胡萝卜素相对稳定并逐渐占主导有关。D0主要保留原始辛辣和辛香风味，随后被酸、咸、鲜和典型 P. cornutum 风味的平衡组合取代，21–28天形成成熟复杂平衡的腌制风味。质地随腌制软化，D21和D28嫩、可咀嚼且保持结构完整性，质地评分分别为8.62和8.74。总体可接受性在21–28天稳定，最佳感官成熟为21–28天。

3.2 常规理化演变：通过理化测定发现，pH先下降后稳定；水分逐渐下降；NaCl从D0的0.085 ± 0.004 g/100 g快速升至D7的3.91 ± 0.05 g/100 g，后接近4.37 ± 0.08 g/100 g，符合盐分快速渗透和溶质交换。维生素C在整个腌制中下降。亚硝酸盐在D7达6.53 mg NaNO₂/kg鲜重，D14降至0.44 mg NaNO₂/kg，D28降至0.075 mg NaNO₂/kg。还原糖下降，TA增加，amino-N逐渐上升且D14后变化较慢。阶段变化速率表明前7天理化变化最大：还原糖变化?0.012 g/100 g/day，TA积累速率+0.014 g/100 g/day，amino-N最快增加；之后变化速率下降，提示底物可利用性降低并逐渐接近理化平衡。理化指标随腌制阶段显著不同，其变化趋势与感官变化对应，说明理化转变是感官质量形成的内在基础。

3.3 阶段依赖性电子鼻响应：通过E-nose分析，雷达图显示传感器响应呈阶段依赖性，W2W和W1W响应相对较高，指示硫和芳香相关挥发物。PCA前两个主成分解释91.78%总方差（PC1=75.47%，PC2=16.31%），D0、D7和D14形成分离簇，D21和D28重叠，表明后期全局模式更相似。相邻阶段log₂FC分析显示前7天传感器响应变化最显著，尤其W1S、W1W、W2S、W5S和W2W，表明挥发性响应模式快速重塑；D7至D21变化变小，D21至D28仅小幅波动（|log₂FC|<0.1），整体E-nose响应相对稳定。E-nose可区分不同腌制阶段，早期和中期的显著风味演化与后期稳定与感官和理化结果一致。

3.4 HS-GC-IMS揭示的动态VOCs重塑：通过HS-GC-IMS检测到84个特征信号峰，初步鉴定75种VOCs：19种醛、14种酯、11种酮、9种醇、4种有机酸、5种含硫化合物、4种含氮化合物和9种其他化合物；24种化合物以单体和二聚体形式检测。归一化比较显示醛、含硫和含氮信号随腌制总体下降，酯、酮和有机酸趋于增加。醛相对含量从D0的23.33%降至D7的11.59%，酮信号比例从12.21%升至17.23%，随后接近平台。指纹图谱将VOCs分为三组：持续下降组如allyl isothiocyanate和2-hexanol，其中allyl isothiocyanate下降与香气可接受性升高和辛辣感官减弱时间一致；相对稳定组如butyl butanoate和4-methylphenol；积累组包括ethyl acetate、isobutyl propionate、2-furanmethanol、1-penten-3-one、methyl anthranilate、diethyl sulfide、1-hexanol和2,3-pentanedione，这些化合物贡献果香、甜香和花香。PCA中PC1和PC2解释73.93%和10.79%方差，不同腌制期明显分离，D21和D28重叠；PLS-DA也分离阶段，200次置换检验R²和Q²截距分别为0.215和?1.0108。以VIP>1.0筛选出33种关键差异VOCs，包括allyl isothiocyanate、2-heptanone、propyl sulfide和propyl butanoate，视为区分腌制阶段的核心特征物质。热图呈两个时间簇：allyl isothiocyanate、propyl sulfide、alpha-phellandrene、hexyl acetate和n-hexadecanal在D0较高并随腌制下降，与早期辛辣/青绿感官轮廓衰减一致；acetic acid和3-methyl-2-butenaldehyde等信号向后期增加。这些变化可能反映脂质氧化、氨基酸代谢、羰基还原、硫苷相关反应和可能的微生物代谢。

3.5 相关性分析：通过Spearman相关分析，TA和amino-N与酯类和醇类相对含量正相关（p < 0.01），还原糖与这些化合物负相关（p < 0.05），NaCl与含硫挥发物负相关。E-nose响应方面，TA和amino-N与W3S正相关，与W1C、W1W和W2W负相关；水分与W1C、W3C、W1W和W2W正相关，与W3S负相关；NaCl一般呈相反模式。allyl isothiocyanate和propyl disulfide与W1W和W2W传感器显著正相关（p < 0.01），醛类如1-hexanal和n-pentanal (M)与W3C和W5C相关，acetic acid和ethyl acetate与W1S和W5S正相关。相关分析显示筛选的关键挥发物、E-nose响应和常规理化指标显著相关，许多特征风味物质与香气和总体可接受性密切关联，表明挥发性成分动态积累是驱动腌制 P. cornutum 品质变化的关键因素。

讨论部分总结：讨论指出，发酵腌制蔬菜最终感官质量来自理化转变、底物消耗和挥发性风味化合物动态积累的相互作用。本研究中，渐进酸化重塑组织基质和挥发代谢组，感官可接受性持续改善后稳定。基于理化、HS-GC-IMS、E-nose和感官证据，整个腌制过程分为早期快速转变期（0–7 d）、中期成熟期（7–21 d）和后期稳定期（21–28 d）。前7天pH、TA、还原糖、amino-N和亚硝酸盐急剧变化，伴随E-nose显著漂移和大规模VOCs重塑，加权感官可接受性明显增加但未完全成熟。D7亚硝酸盐瞬态峰与早期硝酸盐还原活性有关，其下降归因于渐进酸化。色泽评分下降而总体可接受性提高，表明成熟质量依赖综合感官表现而非仅保持鲜绿外观，部分可由酸性腌制条件下叶绿素降解解释。硫苷降解是腌制 P. cornutum 辛辣演变核心事件：微生物驱动酸化促进芥子酶催化和非酶水解内源硫苷；异硫氰酸酯作为硫苷主要辛辣分解产物，在低pH发酵环境中化学不稳定，经进一步转化、挥发和降解为低辛辣含硫衍生物。本研究中allyl isothiocyanate下降与香气评分增加和辛辣感官减弱平行，表明含硫挥发物构成早期腌制阶段 P. cornutum 辛辣风味的关键物质基础。酸化改变蔬菜底物代谢途径并重塑挥发指纹。前7天还原糖作为局部微生物碳源被快速消耗，糖、游离氨基酸和脂质来源前体进一步分解为有机酸、酮和香气活性酯。积累的有机酸不仅构建典型酸味，还作为酯合成关键前体。脂质氧化和Strecker降解产生的醛在腌制中下降，可能由酸促进的还原-缩合反应生成醇并进一步酯化解释。酯和酮逐步积累丰富腌制和果香。E-nose和HS-GC-IMS提供互补气味信息：E-nose捕捉腌制阶段全局气味差异，GC-IMS鉴定75种VOCs，构成腌制 P. cornutum 基本风味框架。PCA清楚分离腌制样品，PLS-DA筛选33种VIP>1的VOCs作为核心差异标志物，可作为反映风味成熟度的候选生物标志物。这些标志物与香气和总体可接受性正相关，与若干原生植物挥发物负相关，说明动态VOC转化是感官质量变化内在原因。实际意义方面，21–28 d主要理化指标、感官评分和总体E-nose信号达平台，但D21和D28细微VOC差异提示仍存在轻微重塑，提示不能以单一分析平台判断腌制完成。推荐第21天作为可行 P. cornutum 腌制终点：进一步延长几乎不改善综合质量，反而增加过酸、组织软化和异味形成风险。因此提出阶段特异监测策略：早期监测安全相关理化指标（pH/TA、盐、还原糖、亚硝酸盐），成熟期结合感官评价、E-nose筛选和目标VOC检测。当前条件下，21–28 d代表自然腌制 P. cornutum 的风味成熟窗口。该工作系统表征感官-理化-挥发演变并筛选代表性风味标志物，为腌制 P. cornutum 质量控制和工业生产提供理论基础。局限在于未分析微生物群落动态，因此不能建立特定类群与风味代谢物转化之间的直接因果联系，也不能确定关键风味化合物的精确途径。未来可筛选和验证阶段特异挥发标志物，系统阐明其与感官属性关系，并整合高通量微生物测序与靶向代谢组学解析微生物驱动风味形成机制。

研究结论翻译：本研究整合感官评价、理化指标、E-nose、HS-GC-IMS和多元分析，表征28天自然 P. cornutum 腌制过程。前7天是主要理化和整体香气转变期，伴随快速盐吸收、pH降低/TA升高、还原糖消耗、amino-N增加、亚硝酸盐瞬态峰、E-nose最大变化以及醛、酮和硫相关信号显著变化。感官质量在此早期转变后继续改善：加权感官评分从D0的42.75升至D21和D28的81.84–83.98，而D21和D28总体可接受性无显著差异。E-nose图谱也在D21和D28趋同，但HS-GC-IMS显示选定VOC相关信号继续变化。HS-GC-IMS检测84个信号峰，初步鉴定75种VOCs，33种差异VOCs贡献阶段区分。相关分析识别理化变量、E-nose响应和差异VOCs之间的关联。总体，结果描述早期基质转变、中期感官和挥发持续发展以及后期感官/整体香气平台。在自然腌制 P. cornutum 过程中，潜在成熟窗口可定义为21至28天。总之，这些发现为腌制 P. cornutum 产品加工优化和质量调控提供坚实理论基础。