农产品挥发性风味品质研究现状与展望

2019-10-10庞雪莉孙钰清孔凡玉邱军张继光

中国农业科学 2019年18期

庞雪莉，孙钰清，孔凡玉，邱军，张继光

农产品挥发性风味品质研究现状与展望

庞雪莉，孙钰清，孔凡玉，邱军，张继光

（中国农业科学院烟草研究所/农业农村部烟草和香薰植物产品质量安全风险评估实验室，山东青岛 266101）

随着经济社会的发展和物质生活水平的提高，人们的饮食观念已从“吃得饱”向“吃得好”转变，消费者比以往更加关注农产品品质。在影响农产品品质的众多因素中，挥发性风味品质是农产品内在品质的重要评价指标之一，也是决定农产品可接受性和产品价值的首要条件。因此，围绕农产品风味品质开展其物质基础、形成机理、鉴定评价新技术开发与应用等相关研究意义重大。本文通过梳理近年来国内、外农产品风味品质的研究现状和发展趋势，重点介绍特征风味鉴定研究的新方法和新技术，概述基于分子感官组学的特征风味解析与鉴定，风味品质的生物调控技术研究，风味特征识别技术在农产品等级区分与真伪鉴别中的应用，智能嗅觉检测技术与风味评价，基质-风味及风味组分间相互作用机理等方面的最新研究进展，总结了我国现有风味研究存在的问题和不足，同时对新形势下农产品风味品质研究的发展趋势和研究重点进行了展望，以期为今后相关领域人员开展农产品风味品质研究与评价，推动优质特色风味农产品挖掘、培育、高值化开发利用和消费升级提供思路与参考。

农产品；风味品质；分子感官科学；生物技术；指纹图谱

随着我国社会经济发展和消费结构升级，人们的饮食观念已从“吃得饱”向“吃得好”转变，消费者比以往更加关注农产品的品质问题。农产品品质是指农产品的优质程度，不仅包括风味、外观和营养成分，还包括加工品质、卫生品质及商业品质。在影响农产品品质的众多因素中，挥发性风味品质，作为农产品内在品质的重要评价指标之一，是直接决定农产品品质好坏和产品价值的首要条件，也是影响消费者购买行为的最重要评判指标[1]。因此，开展农产品风味品质方面的研究与开发，不仅有助于农产品风味品质特色的精准定位、优质风味品质农产品的资源挖掘和品种培育，而且对特色风味农产品的生产指导和消费引导等方面也具有重要的借鉴和指导意义。本文通过系统总结近年来国内外农产品风味品质研究的重要技术方法和各研究分支的最新进展，梳理了我国在农产品风味品质方面的研究现状及存在问题，展望了未来农产品风味品质研究的重要领域和发展方向。

1 农产品挥发性风味品质研究新方法

1.1 分子感官科学技术

食用农产品中的挥发性组分有成百上千种，但仅很少一部分化合物在风味特征的呈现中有贡献作用[2]，具有这样性质的挥发性组分，被称为风味活性组分（odor-active compound）[3]。因此，如何从众多无贡献及低贡献化合物中筛选并鉴定出关键挥发性风味组分，一直是风味品质研究工作的重点和难点。经过多年的发展，分子感官科学（molecular sensory science），也称感官组学（sensomics），已成为当今农产品风味分析中最顶级的系统应用技术。该技术由德国慕尼黑技术大学的风味化学家Peter Schieberle教授于2007年提出[4]，它是一种从分子水平上研究食品感官质量的多学科交叉技术，可以为系统解析农产品风味品质内涵，揭示风味形成机理，构建评价理论与技术，优化加工工艺和满足消费嗜好等食品科学与消费方面的问题提供数据基础与技术支撑。在农产品风味品质分析中，应用感官组学的核心是在分子水平上定性、定量和描述香气特征，从而对特征风味的化学本质进行全面深入解析[5]。以香气特征研究为例，在气味物质提取、分离、分析的每一步骤中，感官组学始终将仪器分析与人类对气味的感觉相结合，最终得到已确定成分的气味重组物，即气味化合物与人类气味接收器（smell receptor，如嗅觉上皮细胞）作用，在人类大脑中形成气味的总体印象。概括起来，利用感官组学对风味品质方面的研究流程主要包括4步[5]：（1）利用组合提取技术对可能的风味贡献组分进行全面准确捕获；（2）在人机结合基础上对风味贡献组分的筛选鉴定；（3）在风味组分贡献定量评价下进行关键风味组分识别；（4）基于模拟重组体系进行关键风味贡献的组分验证。

1.2 挥发性风味品质研究的技术难点与对策

1.2.1 挥发组分的全面准确提取农产品中风味组分的非破坏性、准确全面提取是后续风味物质筛选及关键风味物质鉴定的前提和保障，它直接决定风味特征解析的准确性。由于农产品的基质复杂，风味组分构成数量众多，性质多样，且具有低含量甚至痕量的特点，这给其分离纯化和分析鉴定带来很大挑战。因此，应依据各类农产品的本身特性，衡量不同提取手段的优缺点和适用性，尽量采用非破坏性且优势互补的两种或两种以上的组合提取技术，从源头来保障风味组分分析的完整性和真实性。目前，普遍应用于大米、特色果蔬、茶叶、蜂蜜、坚果、香辛料等农产品风味品质评价中的提取方法主要有，同时蒸馏提取（simultaneous distillation extraction，SDE）[6]、水蒸气蒸馏（steam distillation，SD）[7]、溶剂直接提取（solvent extraction，SE）、液液微萃取（liquid-liquid microextraction）[8]、固相萃取（solid phase extraction）、固相微萃取（solid phase micro-extraction，SPME）[9]、搅拌棒吸附萃取（stir bar sorptive extraction，SBSE）[10]、溶剂辅助风味蒸发（solvent-assisted flavor evaporation，SAFE）[11]、超临界CO2萃取（supercritical CO2fluid extraction）[12]、亚临界萃取（subcritical fluid extraction）[13]、顶空萃取技术（headspace）[14]和吹扫捕集（purge & trap）[15]等。

1.2.2 挥发性风味组分的高效分离鉴于农产品挥发物质种类各异、数量繁多，一次进样分析可能会导致后续质谱分析中组分共流出的问题，容易造成挥发性风味分析中关键风味化合物的丢失，从而影响后续组分鉴定的准确性。因此，如何保证挥发性混合物良好分离度和精确定性是风味研究中的又一技术难点。目前微流路控制Deans Switch中心切割技术[16]、全二维（GC*GC）[17]等新发展的多维色谱分离技术为复杂混合物的分离提供了很好的解决方案，它具有分辨率高、峰容量大、灵敏度高等优点，已在农产品和食品等复杂样品挥发性组分的分离中得到广泛应用。

1.2.3 挥发性风味贡献组分的准确筛选鉴定如何从众多非活性组分中筛选关键风味贡献组分是风味分析的另一大难点，人-机结合典型分析仪器—气相色谱-嗅闻（GC-O）技术是解决该难题的一大利器，GC-O技术的发明，是风味化合物感官介入直接鉴定技术的里程碑。该技术在1964年首次由Fuller等[18]发明，随后Acree等[19]对该技术进行了改进优化。GC-O系列技术，包括香效分析（combined hedonic aroma response method，CHARM) 、稀释分析（aroma extract dilution analysis，AEDA）、时间-强度法（OSME，Greece word，smell）和频率检测法（detection frequency，DF），该技术能够在色谱分离的基础上准确提供化合物的风味属性及强度信息，进而对风味组分贡献进行量化评估排序，最终实现风味贡献组分的筛分。此外，在挥发全组分提取和混合物组分良好分离基础上的精确定性是农产品风味品质解析的一大关键。红外、质谱（串联质谱、飞行时间质谱、离子迁移谱、离子阱质谱）、核磁共振及质谱联用技术等光谱、质谱结构鉴定手段，为农产品风味物质准确定性提供了强有力保证[20-23]。

2 国内外农产品风味品质研究进展

通过对近5年来国内、外相关研究文献的梳理与归纳，发现农产品风味品质的研究热点主要集中在以下5个方面：（1）基于分子感官组学的风味特征解析；（2）农产品及其加工制品风味品质的改良调控；（3）基于风味指纹图谱的农产品等级、产地区分与鉴伪；（4）基质组分及风味物质间的相互作用；（5）仿生传感智能嗅觉检测技术研发与应用。

2.1 基于分子感官组学的风味特征解析

风味特征化学本质的准确揭示是农产品风味研究的重点。近年来，许多研究者应用感官组学手段，从分子层面成功解析了多种农产品挥发性风味特征的化学本质。Choi等[24]利用顶空固相微萃取技术（HS-SPME）和真空蒸馏技术（HVD）组合分离提取技术、GC-O技术及稀释分析技术对柑橘果肉及果皮中的香气特征进行解析，并分析了两者香气组分的构成差异。Zhang等[25]利用SAFE提取并结合AEDA香气筛选技术和GC-MS定性定量分析技术，以风味活性值（OAV）为评价指标，揭示了牛肝菌香气的化学本质。Kesen等[26]利用吹扫捕集结合稀释分析方法，以稀释因子为评判标准，鉴定出了黑孜然的关键风味物质。陈光静等[27]通过采用顶空-固相微萃取-气质联用法（HS-SPME-GC-MS）、气相色谱-质谱联用结合嗅闻（GC-O-MS）和风味活性值结合强度值对比分析了新鲜薏米、弱异味薏米和强异味薏米的挥发性成分，并鉴定出薏米中存在的12种关键异味贡献成分。Lindinger等[28]综合利用非目标化学计量学结合感官评价手段，在明确风味物质与感官分属性对应关系的基础上，鉴定出了咖啡“发酵”异味的贡献组分。Sghaier等[29]综合利用多种顶空气捕集组合方法结合风味物质筛选和鉴定手段，解析了菜籽油热处理后“鱼腥味”的物质基础。这些研究不仅有助于解析农产品风味特征的形成机理，而且能为生产环节高香气品种精准培育和加工储运环节农产品风味品质的定向调控等工作提供参考借鉴和方法指导。

2.2 农产品及其加工制品风味品质的改良调控

基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程等生物技术因高效、低成本、高选择性、生产周期短和产物质量稳定等优点，越来越多地应用于农产品及其加工制品风味品质的精确设计、改良和高效调控中。刘莹等[30]通过生物质谱结合香菇基因组信息克隆了编码香菇特征风味合成酶（半胱氨酰亚砜裂解酶，C-S lyase）的关键基因，并构建了该基因超量表达的香菇工程菌株，显著增加了香菇特征风味物质含量。针对“海带中藻胶物质影响海带风味物质提取”这一问题，陈朋等[31]研究者建立了定向降解海带的高效微生物酶催化体系，筛选了食品级微生物菌株，在有效利用褐藻单细胞发酵产生风味的同时，成功实现了发酵产品的脱腥。在生物转化法催化天然前体物质产香方面，甄达文等[32]利用酶制剂和微生物处理废弃烟叶制备天然烟用香料，并发现酶处理的烟用香料在香气和口感上比非酶处理的有明显提高。现代生物工程技术为农产品风味品质的定向调控、保香、增香及特色风味品种资源的开发、转化和利用提供了新的途径和方法，具有巨大发展潜力和广阔的应用前景。

2.3 基于风味指纹图谱的农产品等级、产地区分与鉴伪

我国农产品种植地域分布广，不同产地和等级规格的农产品质量差别较大。市场上的许多优质特色农产品往往存在以次充好、以假乱真的现象，亟需开发快速、精确的农产品品质鉴别方法和技术，以保证优质农产品的持续健康发展。风味指纹图谱结合化学计量学为复杂体系的多组分分析提供了强有力的手段，已成功应用于农产品等级鉴定、真伪鉴别和产地溯源中。Qin等[33]利用GC-MS、定量描述分析感官评价、智能电子鼻分析及偏最小二乘回归分析对不同等级红茶和绿茶的香气品质进行了研究区分，建立了茶叶香气物质与感官属性的关联，成功实现了不同等级及品种茶叶的快速鉴别。Musharraf等[34]利用气相色谱-串联质谱结合定量分析建立了9个品种芒果的香气指纹图谱。魏泉增等[35]采用3种组合提取方法结合GC-MS和主成分分析（PCA）和聚类分析研究了5个不同产地的小茴香香气品质，发现-松油烯和柠檬烯可作为潜在特征标记物用于区分不同产地的小茴香。Kiani等[36]综合利用计算机视觉系统和智能电子鼻检测技术建立了藏红花掺假鉴别方法，并利用主成分分析、分层聚类分析和支持向量机对该鉴别方法的鉴别能力进行了评价。这些研究表明，利用现代仪器分析联用组合技术可以获取农产品风味指纹图谱，同时借助化学计量学方法对“海量”数据进行快速有效地识别和分析，能够准确高效地实现对优质农产品产地、等级及品种的区分和鉴别。

2.4 基质组分及风味物质间的相互作用

农产品体系中的重要非挥发组分，如蛋白质、多糖、脂类物质等与风味化合物之间存在相互作用，因此，系统了解这些组分的风味结合特性对于准确理解农产品的风味感觉本质，改进农产品保鲜加工方式，加强风味品质调控，实现高值化利用方面均具有重要指导意义。芦曦[37]针对“大豆分离蛋白（SPI）自带‘豆腥味’且易吸附风味物质，从而限制了其在食品工业中的应用”这一科学问题，在系统分析蛋白质/风味物质相互作用的结合参数，以及不同风味物质与SPI结合相互影响的基础上，明确了SPI体系风味调节与补偿的方法体系。Boutboul等[38]利用反向色谱技术并结合吸附自由能和吸附热焓参数测定，研究了高质量玉米淀粉和特定风味组分之间相互作用机理，发现了玉米淀粉和风味组分之间存在相互作用，具体作用方式有氢键结合、偶极相互作用等形式。Pichler等[39]利用SPME-GC-MS研究了添加不同类型糖及改性淀粉对蓝莓果泥风味品质的影响，发现蓝莓基质中组分构成的微小改变能对其风味特征产生显著影响。因此，开展农产品基质-风味组分以及风味组分间相互作用等内容的深入系统研究，能够为农产品深加工过程中品质精准设计及风味品质调控提供切实可行的理论指导。

2.5 仿生智能嗅觉检测技术研发与应用

目前，风味品质感官评价主要靠人的嗅觉进行判断，主观性较强，一些难闻或令鉴别人员特别敏感的气味，往往由于得不到仔细的嗅闻而使结果有误；另外，嗅觉的鉴别需要人体吸入，长期工作对身体健康有一定影响。电子鼻是20世纪九十年代发展起来的分析、识别和检测复杂嗅味和挥发性成分的仪器，它模拟人和动物的嗅觉器官，可识别目标的总体气息，具有样品处理简单、检测速度快、识别效果好、实时、无损等优点，目前已成功应用于小麦、坚果、水果等农产品真伪鉴别、霉变安全预警、品质劣变监测、产地鉴别及产品工艺优化控制等方面[40-44]。此外，嗅觉可视化分析技术[45]，因其对环境中水蒸气等干扰因素具有很强的抗干扰能力，可以很好弥补现有的生物、化学或物理传感器技术的缺点，目前已在香醋醋龄识别、农产品新鲜度评价和质量分级评定等方面得到成功应用。仿生传感信息融合智能检测技术的研发及应用，能够将感官分析与计算机传感器、仪器分析技术相结合，呈现出仪器智能化和感官评价应用多元化的态势，在农产品风味品质的分析评价中，具有无损、快速、操作方便、易实现在线分析等优点，应用前景十分广阔。

3 我国农产品风味品质研究的问题与不足

总体来说，农产品的风味品质研究主要涉及3个层面：风味化学本质解析、呈味过程和呈味机理。目前国内相关研究主要停留在第一层面，即呈味物质的分离鉴定及形成机理的研究上，对神经生理物理感知层面上的呈味过程及呈味机理，如唾液-呈味物质相互作用[46]，大脑神经元、味觉受体对呈味物质感知[47]，口腔加工对呈味物质释放的影响[48]等方面的研究相对薄弱。此外，相比国外已发展成熟的风味科学研究体系，我国农产品的风味科学研究刚刚进入发展期，相关研究人员在化学、心理学、感官科学等综合学科知识储备及风味相关研究经验及技术掌握方面不足。后续应加强对分子感官组学、风味指纹图谱技术和仿生智能嗅觉检测技术等先进研究技术手段的引进和学习，加强多学科交叉融合方面的平台建立与合作研究工作。

4 展望

随着国家对优质特色农产品发展的重视，全社会对农产品营养健康和品质评价工作的迫切需求，我国农产品风味品质的相关研究工作正在不断深入。结合新时代的国家需求和国际前沿动态，还需从4个方面加强我国农产品挥发性风味品质的研究：第一，将新的分离鉴定技术应用于农产品风味分析研究，如高速逆流色谱分离技术（high-speed countercurrent chromatography，HSCCC），离子迁移谱（ion mobility spectrometry，IMS）、轨道离子阱高分辨质谱（orbitrap MS）等先进技术，以更精确全面地揭示农产品风味特征的化学本质。第二，应用微生物技术和酶工程等生物转化法推进农产品高效增香及产香研究，以缓解天然风味物质开发资源不足的压力，推动天然香料、香精的研发与应用；第三，在化学本质解析基础上，采用现代生物学手段开展高香气附加值农产品的精准设计，彰显并提升农产品的优良风味品质，以提高农产品的供给质量；第四，开展多学科交叉的味觉受体与化学物质结构关联研究，明确味觉对特征香气物质的感受机制。这些研究工作的持续深入开展，将为推进我国优质特色农产品开发培育和风味品质升级提供重要理论指导和技术支撑。

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Advances and Perspectives in Research of Volatile Flavor Quality of Agricultural Products

PANG XueLi, SUN YuQing, KONG FanYu, QIU Jun, ZHANG JiGuang

(Tobacco Research Institute of Chinese Academy of Agricultural Sciences/Laboratory of Quality & Safety Risk Assessment for Tobacco and Aromatic Plants Products, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Qingdao 266101, Shandong)

As the development of modern economics and the improvement of the living standard, the consumer demands on food have been turned from quantity to quality. Among many quality factors, volatile flavor quality is one of the most important evaluation indicators of inherent quality of agricultural products, directly determining their acceptability and commercial value. It is of great significance to conduct researches on volatile flavor quality, aiming to develop agricultural products with the high flavor quality. Herein, the current status and development trends of domestic and foreign researches on volatile flavor quality of agricultural products were detailed in this review; the new approaches and techniques used for flavor characteristic identification were expounded emphatically; the latest research progresses in characteristic flavor analysis, biological control techniques for improving flavor quality of agricultural products, application of flavor characteristic analysis in grade classification, production area discrimination, and authentic identification, utilization of intelligent odor detection techniques in flavor quality evaluation, as well as interactions between flavor compounds and matrices, were summarized. Finally, problems in current researches in volatile flavor quality in our country were discussed, and the future trends and focuses in research of volatile flavor quality were prospected. This review would provide guidance and give ideas for future studies on volatile flavor quality evaluation as well as development, utilization and consumption upgrading of high value-added agricultural products.

agricultural products; flavor quality; molecular sensory science; biotechnology; fingerprint techniques

10.3864/j.issn.0578-1752.2019.18.011