加工方式对山苍子精油挥发性有机化合物与风味轮廓的影响：基于电子鼻、电子舌与GC-IMS（气相色谱-离子迁移谱）分析的研究

《Food Chemistry: X》：Processing methods shape the volatile organic compounds and flavor profile of Litsea cubeba essential oil: evidence from E-nose, E-tongue, and GC-IMS analyses

　　

研究人员采用电子鼻（E-nose）、电子舌（E-tongue）与气相色谱-离子迁移谱（GC-IMS）技术，结合多元统计分析，比较了冷压（LC-01）、微波辅助冷压（LC-02）、焙烤辅助冷压（LC-03）与水蒸气蒸馏（SD，LC-04）四种加工方式制得的山苍子（Litsea cubeba）精油的挥发性风味成分与感官特性。共鉴定出82种挥发性有机化合物（VOCs），筛选出31种关键差异化合物（VIP > 1.0）；其中2,3-二甲基-5-乙基吡嗪（2,3-dimethyl-5-ethylpyrazine）、3-戊烯-2-酮（3-penten-2-one）、2-丙醇（2-propanol）、1-丙醇-2-甲基（1-propanol, 2-methyl）与丙酸丙酯（propyl propanoate）的VIP > 1.5，为区分不同加工方式的关键标志物。相对气味活度值（ROAV）分析表明，2,3-丁二酮（2,3-butanedione）、2-戊基吡啶（2-pentylpyridine）、芳樟醇（linalool）与柠檬烯（limonene）为关键香气活性化合物（ROAV ≥ 1），2-庚酮（2-heptanone）、3-戊烯-2-酮与1-己醛（1-hexanal）为修饰性香气化合物。LC-01保留原始清新辛香，酸咸适中、涩感轻微；LC-02与LC-03呈较强奶油与坚果香气，并具酸、咸、苦味；LC-04香气最强且最复杂，以花香与柑橘香为主，苦味最强，涩、酸、咸味最弱。研究表明，加工方式可显著改变山苍子精油的VOCs与风味特征，并可根据目标风味特性选择相应工艺。

一、研究背景与问题

山苍子（Litsea cubeba (Lour.) Pers.）是重要的药用与食用油料作物，主要分布于中国南方及东南亚邻国，其果实提取的山苍子精油是主要价值所在。中国是全球山苍子精油最大的生产国与出口国。该精油主要成分为柠檬醛（citral）、柠檬烯（limonene）、芳樟醇（linalool）等，赋予其类似鲜柠檬的香气与独特辛辣味，并具显著抗菌、抗氧化活性，可调节肠道菌群，在胃肠道疾病辅助治疗中具潜力，亦广泛用于食品保鲜，是食品工业中前景广阔的天然香料。在植物油生产中，适宜加工方式可提高出油率与品质并影响挥发性风味轮廓。山苍子精油常用提取方法包括水蒸气蒸馏（SD）、微波辅助水蒸气蒸馏（MASD）、超临界CO₂萃取、冷压、微波辅助冷压与焙烤辅助冷压。SD因设备简单、操作方便而长期广泛采用，但存在提取时间长、能耗高及高温下不饱和化合物或酯类可能降解等局限；冷压较温和，可在较低温度回收挥发油，减少热敏成分损失并保留天然香气与生物活性成分，受消费者青睐；微波辅助冷压利用微波预处理快速穿透原料、汽化胞内水分并破坏细胞结构以加速挥发油释放，在提取速度与出油率上具优势；焙烤辅助冷压对原料进行焙烤预处理，可显著改善油脂风味并促进VOCs释放。迄今关于冷压及联合预处理工艺对山苍子精油VOCs影响的研究相对有限，在一定程度上制约了工艺优化与产品品质提升，因此阐明不同加工方式对山苍子精油挥发性成分的影响具有重要意义。

二、研究开展与结论

研究人员采用电子鼻、电子舌与GC-IMS技术，考察冷压（LC-01）、微波辅助冷压（LC-02）、焙烤辅助冷压（LC-03）与水蒸气蒸馏（LC-04）四种加工方式制得山苍子精油的挥发性风味化合物，并结合多元统计分析深入剖析其感官属性；采用主成分分析（PCA）与偏最小二乘判别分析（PLS-DA）评价不同加工方式所得样品，以PLS-DA模型的变量投影重要性（VIP）得分识别导致风味差异的关键挥发性标志物，并计算ROAV以确定主要气味活性化合物。研究旨在为山苍子精油工业化生产及其在食品领域的进一步开发提供科学参考。

三、主要关键技术方法

以广西产山苍子果实为样本（晒干至含水量5%，4 °C贮藏），制备四组样品：LC-01冷压（160 kN，40–60 °C）后离心过滤（6000 rpm，5 min）；LC-02经微波加热（700 W，4 min）后同法冷压；LC-03经焙烤（160 °C，20 min）后同法冷压；LC-04水蒸气蒸馏5 h。采用PEN3电子鼻（10个金属氧化物传感器，顶空直接进样）与TS-5000Z电子舌（味觉传感系统）分析感官特性；采用FlavourSpec? GC-IMS系统进行挥发性成分定性与指纹图谱分析；结合PCA、PLS-DA（含200次置换检验）、聚类分析（CA）、Pearson相关分析及ROAV计算。

四、研究结果

3.1 电子鼻分析：雷达图显示全部传感器均有响应，W1C、W5S、W3C、W2S、W1S、W1W、W2W信号较强；Kruskal?Wallis H检验表明造成风味差异的主要挥发性类别为苯系物、氮氧化物、醇类、醚类、醛类、酮类、短链烷烃、无机硫化物与有机硫化物；LC-04对各上述类别的响应最高，LC-01、LC-02、LC-03响应较低但相近，说明SD更能促进VOCs释放。PCA中PC1与PC2分别解释92.37%与7.32%，累计99.69%；LC-02与LC-03位置接近，LC-04聚于右侧而其余三组位于左侧，分离明显。结论：不同加工方式所得精油整体香气轮廓差异明显，SD香气强度最高，焙烤辅助冷压与微波辅助冷压香气特征最相似；电子鼻可有效区分不同加工方式的精油，但其结果主要反映整体香气轮廓，需GC-IMS进一步解析具体差异。

3.2 电子舌分析：鲜味与丰富度差异不超过0.5个标度单位，差异极小；甜味与苦味回味值低于零但样品间存在可辨数值差异；酸、咸、苦、涩及回味均高于零且差异显著，其中酸味响应最高，其次为咸味与涩味。LC-04酸、咸显著较低而甜度较高，风味独特；LC-01与LC-02酸度相近，LC-01与LC-03甜咸相近；LC-03偏酸，LC-04在负值范围内甜味相对突出，LC-02咸味明显，LC-01各维度居中等水平。涩味与涩味回味上LC-02、LC-03最高且相近，LC-04最低，LC-01居中；苦味上LC-01最低、LC-04最高。PCA中PC1与PC2分别解释60.92%与27.41%，累计88.33%；LC-04位于右侧，其余三组位于左侧，LC-02与LC-03部分重叠。结论：SD所得精油滋味与其他三种方式显著不同，微波辅助冷压与焙烤辅助冷压滋味有一定相似性。

3.2.1 GC-IMS图谱分析：三维图谱显示LC-01、LC-02、LC-03谱图彼此相似而与LC-04不同；二维图谱以保留时间为纵坐标、相对漂移时间为横坐标，归一化反应离子峰（RIP）位于横坐标1.0处，颜色由蓝至红表示峰强由低到高；以SD样品谱图为参考的差谱显示，与LC-04相比LC-01、LC-02、LC-03出现新的高强度信号簇，部分VOC信号点消失或强度降低。结论：不同加工方式可显著影响挥发性组成，可能形成或富集特征成分。

3.2.2 GC-IMS定性分析：共鉴定82种VOCs，包括17种酯类、16种醇类、14种萜类、13种酮类、12种醛类、5种吡嗪类、2种吡啶类、1种酸类、1种芳香烃与1种醚类。

3.2.3 VOCs指纹图谱：LC-01中Dec-9-en-1-ol、3-甲基-1-丁醇（3-Methyl-1-butanol）、β-香茅醛（β-Citronellal）、龙脑（Borneol）、丁二酸二乙酯（Butanedioic acid, diethyl ester）、2-戊酮（2-Pentanone）、2-庚酮、γ-松油烯（γ-Terpinene）、1-戊烯-3-醇（1-Penten-3-ol）与2,6-二甲基吡啶（2,6-Dimethylpyridine）含量较高；LC-02中2-丁酮（2-Butanone）、3-羟基-2-丁酮（2-Butanone, 3-hydroxy）、环己酮（Cyclohexanone）、3-戊烯-2-酮、莰烯（Camphene）、丁酸香叶酯（Geranyl butanoate）、2-甲基丁酸-3-甲基丁酯（3-methylbutyl 2-methylbutanoate）、γ-丁内酯（γ-Butyrolactone）、α-松油烯（α-Terpinolene）与2-甲基吡嗪（2-Methylpyrazine）较高；LC-03中乙酸乙酯（acetic acid ethyl ester）、2-壬酮（2-Nonanone）、苯甲醚（Anisole）、环戊酮（Cyclopentanone）、2,6-二甲基-3-乙基吡嗪与2-糠基丙酸酯（2-furfuryl propanoate）升高；LC-04中异丁酸丁酯（butyl isobutyrate）、丙酸己酯（Hexyl propanoate）、(E,E)-2,4-己二烯醛（(E, E)-2,4-Hexadienal）、1-戊烯-3-酮（1-Penten-3-one）、3-庚醇（3-Heptanol）、(Z)-3-己烯-1-醇（(Z)-3-Hexen-1-ol）、苯甲醛（Benzaldehyde）、壬醛（Nonanal）、乙酸乙酯、2,5-二甲基吡嗪、芳樟醇氧化物（Linalool oxide）与3-甲基-1-戊醇（3-Methyl-1-pentanol）丰度较高；LC-04挥发性化合物数量最多，与电子鼻显示其整体香气强度最高一致。四组中均高含量的有2-甲基-2-庚烯-6-酮（2-methyl-2-hepten-6-one）、柠檬醛、α-蒎烯（α-Pinene）、对伞花烃（p-Cymene）、Dec-9-en-1-ol与龙脑；柠檬醛在LC-01、LC-02、LC-03中高于LC-04；β-月桂烯（β-myrcene）、β-蒎烯（β-Pinene）、3-甲基-3-丁烯-1-醇（3-Methyl-3-buten-1-ol）、1,8-桉叶素（1,8-Cineole）、β-石竹烯（β-Caryophyllene）与d-樟脑（d-Camphor）在LC-01、LC-02、LC-03中显著高于LC-04。羧酸类在LC-01、LC-02、LC-03中存在而LC-04几乎检测不到，羧酸通常与强烈刺激性气味相关，提示冷压、微波辅助冷压与焙烤辅助冷压所得精油均具一定辛辣风味。

3.3.1 PCA：PC1与PC2分别解释69.66%与19.89%，累计89.55%；LC-04位于右侧，与其他三组明显分离；LC-01、LC-02、LC-03互不重叠且彼此保持一定距离，说明不同加工方式所得精油VOCs存在差异，与前述谱图分析一致。

3.3.2 PLS-DA：LC-01、LC-02、LC-03位于坐标轴右侧，与左侧LC-04明显分离，与PCA一致；模型R²X、R²Y、Q²分别为0.958、0.981、0.967，解释与预测能力良好；200次置换检验得R²与Q²分别为0.135与?0.452，均低于横坐标1.0处的原始值，Q²回归线在纵轴负截距相交，确认模型无过拟合。VIP > 1.0的31种差异VOCs包括环戊酮、2-甲基吡嗪、吡嗪（Pyrazine）、丁醛（Butanal）、2-壬酮、2-甲基-2-丙烯醛（2-Methyl-2-propenal）、乙酸芳樟酯（Linalyl acetate）、2,3-丁二酮、柠檬烯、2-戊基吡啶、异薄荷酮（Isomenthone）、2-甲基丁酸-3-甲基丁酯、γ-丁内酯、1-丙醇-2-甲基、丁酸香叶酯、α-松油烯、Dec-9-en-1-ol、2-丁酮、莰烯、龙脑、苯甲醚、2-甲基-2-丙醇（2-Methyl-2-propanol）、芳樟醇、丁二酸二乙酯、1-己醛、3-羟基-2-丁酮、2-庚酮、3-戊烯-2-酮、2-丙醇、丙酸丙酯与2,3-二甲基-5-乙基吡嗪；其中2,3-二甲基-5-乙基吡嗪VIP > 2.0，3-戊烯-2-酮、2-丙醇、1-丙醇-2-甲基与丙酸丙酯VIP > 1.5，为最关键差异化合物。

3.3.3 聚类分析：醇类主要由脂氧合酶与过氧化物酶等酶降解不饱和脂肪酸生成；LC-01富含龙脑，赋予强烈清新樟脑气息；LC-04富含芳樟醇，贡献柔和甜润花香。酯类由脂质热降解产生的酸与醇结合形成；LC-02富含丁酸香叶酯、2-甲基丁酸-3-甲基丁酯与γ-丁内酯，酯类通常赋予精油香气与甜味。酮类源自氨基酸代谢与多不饱和脂肪酸热氧化降解，常与花香、奶油香与果香相关；LC-02富含异薄荷酮、2,3-丁二酮、2-丁酮与3-羟基-2-丁酮，其中2,3-丁二酮与3-羟基-2-丁酮可贡献奶油与甜香；LC-03含2-壬酮，呈坚果与焙烤香气。杂环化合物主要源自美拉德反应与热解反应，美拉德反应是羰基与氨基化合物间的非酶褐变反应；LC-02富含2,3-二甲基-5-乙基吡嗪与2-甲基吡嗪，可赋予爆米花与坚果焙烤香，提示微波辅助冷压可促进吡嗪形成，从而增强坚果与焦甜感官特征。萜类为广泛分布的次级代谢产物，按碳骨架分为单萜、二萜、三萜与多萜，一般具芳香气味，单萜是花香特征的主要贡献者；LC-02含高水平莰烯与α-松油烯，后者赋予花香、草本与甜香；LC-04含高浓度柠檬烯，具强烈柑橘气味，提示SD是提取柠檬烯的有效方法。

3.3.4 ROAV分析与关键香气化合物相关性分析：以2,6-二甲基-3-乙基吡嗪为参考化合物（C_max/T_max，ROAV = 100），其在所有处理组中香气贡献最大；需注意VOC定量与文献来源气味阈值的不确定性会传递至ROAV计算，GC-IMS浓度受仪器误差影响，气味阈值因感官评价条件与评估设置差异而在不同研究间不同，这些累积不确定性对基于ROAV的香气贡献定量解释构成内在限制。共鉴定7种ROAV > 0.1的主要香气化合物，包括3种酮、1种吡啶、2种萜与1种醛，涵盖果香、草本、奶油、焙烤与辛辣等香气维度；其中2,3-丁二酮、2-戊基吡啶、芳樟醇与柠檬烯ROAV ≥ 1，为关键香气活性化合物，对整体风味轮廓起决定作用；2-庚酮、3-戊烯-2-酮与1-己醛为修饰性香气化合物。Pearson相关分析显示1-己醛与柠檬烯强正相关（P < 0.01），1-己醛与芳樟醇、2-戊基吡啶强正相关（P < 0.05），柠檬烯与2-戊基吡啶、柠檬烯与芳樟醇、芳樟醇与2-戊基吡啶亦呈正相关（P < 0.05），提示这些化合物可能具有共同来源或在风味形成中呈显著协同变化。Sankey图显示2,3-丁二酮与2-戊基吡啶在四组中浓度均较高，2,3-丁二酮最突出，具明显奶油香，其浓度在热处理中升高，可能作为副产物强化香气，是精油宜人甜香与焦糖味的主要来源并对整体香气贡献重大；2-戊基吡啶赋予焙烤与坚果香，是风味轮廓的重要贡献者，其ROAV在LC-04与LC-01较高、LC-02与LC-03相近，说明其含量与香气活性受加工条件显著影响，是影响不同加工方式精油风味分化的关键因素。芳樟醇主要呈花香与甜香并带柔和草本香，显著贡献精油清新香气，可能成为新鲜调味品的重要成分；柠檬烯具清新柑橘香，在所考察各加工条件下ROAV均较高，与芳樟醇一样对保持精油清新爽口风味起关键作用；芳樟醇与柠檬烯在LC-04中为关键香气活性化合物，对风味轮廓起决定性影响，而在其余三组中为修饰性香气化合物，说明LC-04的花香与柑橘香较其他三组更突出。3-戊烯-2-酮在LC-02与LC-04中ROAV > 0.1，在LC-01与LC-03中较低，说明LC-01与LC-03的辛辣气息弱于LC-02与LC-04。

五、讨论与结论

本研究考察了冷压（LC-01）、微波辅助冷压（LC-02）、焙烤辅助冷压（LC-03）与水蒸气蒸馏（LC-04）四种加工方式对山苍子精油挥发性风味特征与整体滋味轮廓的影响，采用电子鼻、电子舌与GC-IMS技术结合多元统计分析进行研究。电子鼻与电子舌分析表明，不同加工方式所得精油具有不同的挥发性风味特征与整体滋味轮廓。GC-IMS分析进一步鉴定出82种VOCs，包括醇类、酯类、醛类、萜类、酮类及其他类别；其中31种化合物VIP > 1.0，被确定为主要差异成分；值得注意的是，2,3-二甲基-5-乙基吡嗪、3-戊烯-2-酮、2-丙醇、1-丙醇-2-甲基与丙酸丙酯VIP > 1.5，是区分不同加工方式的关键标志化合物。ROAV分析显示2,3-丁二酮、2-戊基吡啶、芳樟醇与柠檬烯为精油中ROAV ≥ 1的关键香气活性化合物；ROAV ≥ 0.1的2-庚酮、3-戊烯-2-酮与1-己醛为修饰性香气化合物。LC-01保持原始清新辛辣香气，酸咸适中，仅轻微涩感；LC-02与LC-03呈强烈奶油与坚果香气，并具酸、咸、苦味；LC-04香气最强且最复杂，以突出花香与柑橘香为主，同时苦味最强，涩、酸、咸味最温和。本研究从香气、滋味与挥发性组成等维度全面考察了不同加工方式对山苍子精油风味特性的影响，结果为加工方式选择及风味导向型山苍子精油产品开发提供了理论基础与实践指导。