基于非靶向代谢组学的不同陈酿年份山西老陈醋风味物质比较

武雨伦1,焦 剑2,任晓荣2,吉晋波2,张慧如2,郭鑫磊2,曹学丽1,*

(1.北京工商大学轻工科学与工程学院,北京 100048;2.山西福源昌老陈醋有限公司,山西 晋中 030600)

摘 要:以不同陈酿年份的山西老陈醋为研究对象,解析其风味物质组成及变化规律。采用顶空固相微萃取-气相色谱-质谱技术与超高效液相色谱-串联四极杆-飞行时间质谱技术分别对样品中的挥发性与非挥发性成分进行分析,并通过多元统计分析方法解析不同陈酿年份之间化合物差异。结果表明,无论从挥发性还是非挥发性成分的角度分析,新醋与1年醋样品相对接近,而与3、5、10 年陈酿样品存在较大差异。随着陈酿时间延长,糠醛、三甲基吡嗪、四甲基吡嗪及乙酸乙酯、乙酸苯乙酯等挥发性成分逐渐积累,而糠醇和3-甲基丁酸呈下降趋势。结合香气活度值筛选到愈创木酚、乙酸苯乙酯、乙酸乙酯、三甲基吡嗪等7种关键差异香气活性物质,样品香气由陈酿初期的发酵香、烟熏香,逐步演变为后期焦香、烘焙香与花果香混合的复合香气。非挥发性成分在陈酿初期以磷酸腺苷、L-苯丙氨酸等为主,可赋予山西老陈醋一定的鲜味与苦味,而陈酿后期香草酸、小分子肽等含量升高,有助于增强山西老陈醋鲜味和醇厚感。陈酿过程中挥发性、非挥发性风味物质协同变化,可能与“夏伏晒、冬捞冰”带来的浓缩效应与缓慢的非酶促反应有关,共同促进山西老陈醋风味品质的形成与提升。

关键词:山西老陈醋;陈酿年份;挥发性香气成分;非挥发性滋味成分;非靶向代谢组学

山西老陈醋是中国传统固态发酵谷物醋的典型代表。根据GB/T 19777—2013《地理标志产品 山西老陈醋》规定,山西老陈醋以高粱、麸皮为主要原料,大曲为糖化发酵剂,经乙醇发酵、高温固态醋酸发酵,再经熏醅、淋醋、陈酿工艺酿制而成。整个酿造过程可以简要概括为“蒸、酵、熏、淋、陈”5个关键环节[1],山西老陈醋风味来源于挥发性与非挥发性成分的协同作用。其中,挥发性成分主要包括酸类、酯类、醇类、呋喃类及吡嗪类等[2],是构成山西老陈醋的复杂香气的物质基础[3-4]。在熏醅及长期陈酿过程中形成的呋喃类、吡嗪类化合物是其典型焦香、坚果香和烟熏香的来源,使山西老陈醋具有区别于其他类型食醋的典型熏香和陈香特征[5-6]。非挥发性成分主要包括有机酸、氨基酸、小分子肽、核苷类及维生素等多种化合物[7],主要决定山西老陈醋滋味品质及口感特征,还与抗氧化活性等功能特性相关[8-9]。

“夏伏晒、冬捞冰”是山西老陈醋特有的陈酿工艺,主要是通过水分蒸发导致的浓缩效应以及美拉德反应、氧化反应等理化反应增强食醋风味,是山西老陈醋品质提升的关键环节[10-11]。多项研究表明,随着陈酿时间的延长,食醋中化合物种类和含量发生显著变化[12-14]。挥发性成分中部分刺激性酸味物质逐渐减少,而酯类、酚类及含氮杂环化合物相对含量则有所增加。梁楷等[15]对不同陈酿年份山西老陈醋的基础理化指标、风味及功能活性物质进行测定,发现陈酿年份越高,总酸、总酯及总多酚等功能活性物质含量越高;范梦蝶等[16]对山西老陈醋挥发性成分组成进行分析,发现晒制前后香气物质之间的相对比例发生变化,使得总体香气趋于和谐。同时,非挥发性成分如氨基酸、肽类、多酚和有机酸逐步积累并发生缓慢转化[7],使老陈醋呈现出“酸、绵、甜、鲜、香”协调统一的感官特征。已有研究在一定程度上揭示了陈酿时间对食醋品质的影响,但现有研究多单独针对挥发性或非挥发性组分开展分析,针对不同陈酿年份下两类物质对整体风味品质的综合影响相关研究仍较为匮乏。

本研究基于非靶向代谢组学,采用顶空固相微萃取-气相色谱-质谱(headspace solid-phase microextraction-gaschromatography-mass spectrometry,HS-SPME-GC-MS)和超高效液相色谱-串联四极杆-飞行时间质谱(ultrahigh performance liquid chromatography-quadrupole timeof-flight mass spectrometry,UPLC-Q-TOF/MS)分别对不同陈酿年份山西老陈醋中挥发性和非挥发性成分进行分析,结合多元统计学手段对挥发性和非挥发性关键差异成分及其对山西老陈醋香气和滋味等风味品质的影响进行研究,旨在综合探讨山西老陈醋风味物质在陈酿过程中的变化特征,为山西老陈醋品质评价及生产过程的陈酿调控提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

山西老陈醋不同陈酿年份(0、1、3、5、10年)样品由山西福源昌老陈醋有限公司提供,该企业生产工艺符合GB/T 19777—2013要求,样品为同一生产工艺、同一陈酿环境下生产,仅陈酿年份不同。每个陈酿年份采集3个批次,共计15个样品;其中0年醋(新醋)指完成整个生产环节,陈酿时间不足1年的成品醋。

2-甲基-3-庚酮标准品 上海麦克林生化科技股份有限公司;亮氨酸脑啡肽(质谱级) 美国Sigma公司;甲酸、乙腈、甲醇、异丙醇(均为质谱纯) 美国Thermo Fisher Scientific公司。

1.2 仪器与设备

TP114电子分析天平 美国丹佛仪器公司;50/30 μm DVB/CAR/PDMS萃取头 美国Supelco公司;7890B-7000C GC-MS仪 美国Agilent公司;ACQUITYUPLC I-Class/Xevo G2-XS Qtof UPLC-Q-TOF/MS仪美国Waters公司;SB-4010DTD超声波清洗器 宁波新芝生物科技股份有限公司。

1.3 方法

1.3.1 挥发性化合物分析

采用HS-SPME-GC-MS分析醋中的挥发性成分,将4 mL样品加入15 mL SPME小瓶中,并加入1 g NaCl以及10 μL 2-甲基-3-庚酮(内标)的甲醇溶液(2.045 g/L)。 拧紧配有聚四氟乙烯/硅胶隔垫的瓶盖,将小瓶置于SPME萃取平台上,80 ℃、300 r/min平衡15 min,插入50/30 μm DVB/CAR/PDMS 萃取头,于相同温度下萃取65 min后立即将萃取头插入GC进样口,热脱附5 min。

仪器条件:HP-INNOWax色谱柱(30 m×0.25 mm,0.5 μm),进样口温度250 ℃,采用不分流进样,以高纯氦气(99.999%)作为载气,流速1 mL/min。柱温箱升温程序:起始温度40 ℃保持5 min;以4 ℃/min升至120 ℃,保持25 min;以5 ℃/min升至220 ℃,保持5 min;总分析时间75 min。采用电子电离源,电离能量70 eV,传输线温度及离子源温度均为230 ℃,质量扫描范围为m/z 35~500,扫描时间600 ms。

经GC-MS分析得到总离子流色谱图,利用Agilent MassHunter定性软件进行谱图核验;解卷积处理、峰筛选及质谱谱库比对借助Agilent MassHunter未知物分析软件与NIST 11数据库完成;采用内标法开展半定量分析。

1.3.2 香气活度值(odor activity value,OAV)计算

OAV是表征食品中挥发性香气成分对整体风味贡献度的核心量化指标,广泛应用于发酵食品的风味解析,为化合物质量浓度与其嗅觉阈值的比值。通常认为OAV≥1时,该化合物能被人体嗅觉系统感知,OAV越大,其对样品整体香气的贡献度越高。本研究所用嗅觉阈值来自Odour Thresholds,香气描述来自Perflavory Information System(www.perflavory.com)。

1.3.3 非挥发性化合物分析

将乙腈和老陈醋样品按2∶1(V/V)混合,并在室温下超声处理30 min,确保充分混合,超声后于-40 ℃下冷藏过夜。在4 ℃、12 000 r/min离心15 min,取上清液,采用0.22 μm聚四氟乙烯膜过滤。将每份样品取等体积混合均匀作为质控样品(quality control,QC)样品,以相同方法进行处理。

仪器条件:ACQUITY HSS T3色谱柱(100 mm×2.1 mm,1.8 μm),流动相为0.1%甲酸(A)和0.1%甲酸-乙腈(B),流速0.4 mL/min,梯度洗脱条件:0~2 min,0% B;2~7 min,0%~5% B;7~19 min,5%~21% B;19~24 min,21%~25% B;24~29 min,25%~40% B;29~34 min,40%~65% B;34~37 min,65%~95% B;37~39 min,95% B;39~40 min,95%~5% B;40~41 min,5%~0% B;41~42 min, 0% B。柱温保持在40 ℃。对比正、负离子电离模式发现,正离子模式下色谱峰数量丰富、响应信号强;负离子模式色谱峰数量少,检出效果较差。因此采用正离子模式开展非靶向代谢组学分析。采用电喷雾电离源,正离子模式,MSE采集模式,在m/z 50~1 200范围内采集数据,扫描时间0.2 s;采样锥电压40 V,毛细管喷雾电压3 kV,离子源温度120 ℃,脱溶剂气温度350 ℃,锥孔气流速50 L/h,脱溶剂气流速800 L/h,低能碰撞能量6 eV,高能碰撞能量10~40 eV。数据采集过程中持续引入LockSpray参考离子用于在线质量校准,保障质谱质量精度。

首先收集大量醋相关文献,构建立山西老陈醋化合物质谱自建数据库。原始数据由MassLynx软件获取后,导入Progenesis QI软件进行峰对齐、归一化、峰提取与解卷积处理,实现化合物初步定性。峰值提取阈值设为1 000,加和离子形式为[M+H]+、[M+H-H2O]+、[M+FA]+、[2M+H]+。借助Progenesis QI软件,将谱图信息与自建数据库中化合物的精确质量数和二级质谱碎片进行匹配,得到匹配分数(40以上)与质量误差。对样本中匹配成功的化合物进行人工分析复核,去除低强度干扰碎片离子,将属于同一个化合物的碎片离子信息合并,并结合保留时间及文献中的出峰顺序,完成化合物初步鉴定。最终确证仍需对照标准品进一步验证。

1.4 数据处理

将Progenesis QI处理后的数据导入EZinfo 3.0软件,获得包含离子片段和离子丰度的数据集。将该数据集导入SIMCA 14.1软件进行多元统计分析,采用Pareto标度化处理,开展偏最小二乘判别分析(partial least squaresdiscriminant analysis,PLS-DA)。采用R2与Q2评估模型的拟合效果和预测能力,其值越接近1,模型的拟合度和可预测性越好。变量投影重要性(variable importance in projection,VIP)反映自变量X对模型因变量Y的解释贡献,通常以VIP>1作为阈值,筛选对分组判别贡献较大的变量。依据多重筛选条件获得差异化合物,将差异化合物信息上传至生信平台(https://www.bioinformatics.com.cn/)进行热图分析和层级聚类分析。

2 结果与分析

2.1 HS-SPME-GC-MS分析山西老陈醋中挥发性成分

采用HS-SPME-GC-MS对不同陈酿年份山西老陈醋样品进行检测,GC-MS总离子流色谱图如图1所示。共鉴定出63种挥发性化合物,包括吡嗪类(9种)、酚类(9种)、酸类(9种)、酯类(10种)、醛类(7种)、醇类(6种)、酮类(4种)、呋喃类(4种)及其他类化合物(5种)。

图1 不同陈酿年份山西老陈醋样品挥发性成分的 GC-MS总离子流色谱图
Fig.1 Total ion chromatograms of volatile components in Shanxi aged vinegar samples with different aging years by GC-MS

2.2 不同陈酿年份山西老陈醋挥发性成分差异

2.2.1 挥发性成分含量差异

运用多元统计方法对检测数据开展解析,将15份不同陈酿年份山西老陈醋样品对应的30组数据峰面积矩阵导入SIMCA软件,经Pareto标度化处理后,构建PLS-DA模型,解析不同陈酿年份样品挥发性化合物的差异特征。由图2A可知,不同陈酿年份样品在得分图中呈现明显分离,表明其化合物组成随陈酿时间延长发生显著变化。模型前2个主成分分别解释34.9%和21.4%的变量信息;Q2分别为0.950、0.984和0.947,说明模型拟合良好且预测能力较强。200次置换检验(图2B)表明,模型无过拟合现象,且所有样品均位于Hotelling’s T 2 95%置信范围内,模型稳定可靠。从分布情况看,各年份样品形成相对清晰的聚类。新醋与1年样本点较为接近,但已出现分离趋势,即两者挥发性成分已产生差异;3、5年 及10年样品逐渐远离新醋样本点,其中10年样品差异最为显著,表明陈酿过程对挥发性风味物质组成具有持续影响。

图2 不同陈酿年份山西老陈醋样品中挥发性化合物差异分析
Fig.2 Differential analysis of volatile compounds in Shanxi aged vinegar samples with different aging years

基于VIP>1、P<0.05共筛选出16种差异化合物,主要包括苯甲醛、桧木醇、2-乙基-6-甲基吡嗪、2-(呋喃-2-基甲基)呋喃、糠醇、3-甲基丁酸、四甲基吡嗪、2,6-二乙基吡嗪、苯甲醛、乙酸、乙酸苯乙酯、苯乙醇、2,3-丁二醇、乙酸乙酯、三甲基吡嗪、糠醛。采用Z-score标准化对上述物质相对含量进行归一化处理,选用Ward.D2算法开展双向层次聚类并绘制热图,以直观呈现不同陈酿年份山西老陈醋风味物质的含量差异与聚类规律。由图2C可知,不同陈酿年份山西老陈醋样品在挥发性化合物组成上存在明显差异,新醋和1年醋与陈酿年份较长的山西老陈醋在聚类上表现出明显分离,与PLS-DA得分图中的分离趋势一致。其中,2,3-丁二醇、四甲基吡嗪、糠醛、苯乙醇也是镇江香醋短期和长期陈酿差异贡献最大的特征化合物[17]。

吡嗪类化合物的生成主要与美拉德反应有关。氨基酸与还原糖先发生Amadori重排,再经Strecker降解、缩合、环化形成含氮杂环化合物[18]。三甲基吡嗪、四甲基吡嗪等多数吡嗪类化合物对不同陈酿年份样品的风味差异贡献较大,其含量随陈酿时间延长显著上升。该现象可能源于陈酿体系内残留氨基酸与糖类降解产物持续发生缓慢美拉德反应,促使吡嗪类物质不断累积,有助于强化老陈醋的焦香与坚果香,该规律在其他传统发酵食品相关研究[19]中亦有报道。2-乙基-6-甲基吡嗪在陈酿过程中呈现一定的下降趋势,这可能与其在长期陈酿过程中前体物耗尽并进一步反应转化或代谢终止有关。

糠醛和糠醇均属于呋喃类化合物,糠醛在陈酿过程中整体呈上升趋势,其在陈酿后期(5~10年)含量明显高于陈酿前期。糠醛主要通过两条路径生成:一是原料中半纤维素降解产生的戊糖类物质在高温与酸性条件下发生脱水环化生成,二是美拉德反应中间产物进一步转化生成[20]。在山西老陈醋传统生产过程中,熏醅过程为糠醛的产生奠定了重要基础[21],在后续陈酿阶段,再经过“夏伏晒、冬捞冰”过程,水分逐步蒸发使体系产生一定的浓缩效应,体系中残留的糖类及半纤维素降解产物可在长期贮存过程中发生缓慢转化。尤其是“夏伏晒”期间较高的环境温度有利于戊糖发生脱水反应[22],致使糠醛在陈酿过程中持续生成并逐渐积累。与之对应,糠醇在陈酿过程中则呈现逐渐下降的趋势,推测与在长期贮存条件中糠醇重新被氧化脱氢生成糠醛有关,这也导致糠醛含量进一步升高。糠醛和糠醇具有典型的焦糖香和烘焙香气特征,对山西老陈醋独特的焦香风味形成具有重要作用。

乙酸乙酯与乙酸苯乙酯是山西老陈醋中酯类特征香气物质,二者含量均随陈酿时间延长呈上升趋势,在陈酿后期达到较高水平。从生成机制来看,两类酯类物质均经酯化反应生成:乙酸乙酯由乙醇与乙酸缩合而成,乙酸苯乙酯则来自苯乙醇与乙酸的酯化反应。在陈酿过程中水分持续蒸发,体系中乙酸、苯乙醇及乙醇等前体物质相对含量逐渐升高,有利于促进酯化反应的正向进行。随着陈酿时间延长,体系水分活度逐渐降低,不仅在一定程度上有利于酯化反应的进行,而且抑制酯类物质的水解反应,这也促使酯类化合物含量在陈酿后期增加[23]。在风味层面,酯类化合物具有明显的果香和花香特征,能够在一定程度上调节老陈醋以焦香和酸香为主的风味结构,使其香气更加丰富和协调。

3-甲基丁酸主要由亮氨酸等支链氨基酸经Ehrlich途径降解生成,该物质大多在发酵阶段通过微生物代谢产生,赋予山西老陈醋酸香与奶酪样香气[24]。随着陈酿时间延长,部分脂肪酸可能参与酯化反应生成相应酯类化合物,导致其含量下降。2,3-丁二醇在陈酿后期(3、5年和10年)含量相对较高,该物质是微生物糖代谢的重要产物,通常由丙酮酸通过乙酰乳酸途径生成乙偶姻,随后在还原酶作用下转化为2,3-丁二醇[25]。发酵阶段,乳酸菌、芽孢杆菌等微生物均可通过该代谢途径生成乙偶姻和2,3-丁二醇,随着陈酿过程的进行,部分乙偶姻仍可被逐渐还原为2,3-丁二醇,使其在陈酿中后期出现一定程度的积累。2,3-丁二醇具有轻微的甜味和柔和的醇香特征,能够在一定程度上调节老陈醋的口感,使酸味更加柔和,在陈酿后期含量升高,有助于形成山西老陈醋柔和、协调的口感特征。

2.2.2 关键香气成分差异分析

物质对香气的实际贡献不仅取决于自身含量,还与嗅觉阈值密切相关。为明确陈酿时间对山西老陈醋香气特征的影响,结合OAV对样品关键香气活性化合物进行分析,揭示其陈酿过程中的香气演变规律。对可获得嗅觉阈值的挥发性化合物进行OAV计算,基于OAV建立PLS-DA模型。由图3A可知,不同陈酿年份样品呈现较为明显的分离趋势,表明各年份样品的关键香气活性化合物组成存在差异,该分布特征与基于挥发性化合物峰面积构建的PLS-DA结果基本吻合。由图3B可知,经200次置换检验,模型未出现过拟合现象,稳定性与可靠性良好。

图3 不同陈酿年份山西老陈醋样品关键香气化合物差异分析
Fig.3 Differential analysis of key aroma compounds in Shanxi aged vinegar samples with different aging years

基于VIP>1共筛选出7种差异香气活性化合物,包括愈创木酚、乙酸苯乙酯、4-乙基愈创木酚、乙酸乙酯、三甲基吡嗪、2,6-二乙基吡嗪、3-甲基丁酸,这些化合物是不同酿造年份山西老陈醋香气差异的主要来源。除愈创木酚和4-乙基愈创木酚外,其余5种化合物均在基于挥发性化合物含量筛选出的16种差异物质范围内,主要是由于这2个化合物嗅觉阈值极低,即使在样品中绝对含量不高,仍具有较高的气味活性贡献。采用前述数据标准化与聚类方法绘制热图(图3C),进一步展现了不同陈酿年份样品间的关键香气成分的含量差异。

聚类结果显示,不同陈酿年份样品可分为两大类:陈酿初期(0、1年)较为相似,陈酿后期(3、5、 10年)较为相似。各化合物的OAV变化规律可分为3种类型:2,6-二乙基吡嗪、3-甲基丁酸在陈酿初期具有较高的OAV,2,6-二乙基吡嗪为典型吡嗪类化合物,可赋予样品坚果香与烘焙香气;3-甲基丁酸带来酸香与奶酪样气味,在适宜浓度下可丰富样品的发酵香气与风味复杂度;愈创木酚、4-乙基愈创木酚的OAV在陈酿初期至3年时均处于较高水平,二者均为酚类物质,可赋予山西老陈醋标志性的烟熏香、焦香与木质香气,构成老陈醋的核心熏香风味。乙酸乙酯、乙酸苯乙酯、三甲基吡嗪的OAV均随陈酿时间延长显著升高;其中乙酸乙酯与乙酸苯乙酯具有典型的果香与花香,在一定程度上调节老陈醋以焦香和酸香为主的风味结构,使整体香气更加协调;三甲基吡嗪作为特征吡嗪类物质,可赋予样品浓郁的坚果香与烘焙香气,是山西老陈醋特征香气的核心组成部分。

2.3 UPLC-Q-TOF/MS分析非挥发性化合物

进一步采用UPLC-Q-TOF/MS技术对不同陈酿年份样品中的非挥发性化合物进行检测分析,从非挥发性化合物角度分析不同陈酿年份对山西老陈醋风味形成影响。从样品中初步鉴定出102个非挥发性化合物。其中包括12种有机酸类、25种氨基酸类及其衍生物、13种肽类、13种糖类、5种维生素类、8种生物碱、14种多酚类、6种核苷酸及6种其他物质。

2.4 不同陈酿年份山西老陈醋非挥发性成分差异分析

不同陈酿年份山西老陈醋非挥发性代谢物数据经Pareto标度化处理后构建PLS-DA模型(图4A、B),模型累计方差解释率77.7%,、、Q2=0.807,经200次置换检验无过拟合,稳定性与可靠性良好。结果显示,陈酿初期(0、1年)样品非挥发性代谢物组成高度相似,陈酿后期(3、5、10年)样品间及与陈酿初期样品间均存在明显分离,表明陈酿时间对山西老陈醋非挥发性代谢物组成具有显著影响。基于非挥发性代谢物的PLS-DA模型,以VIP>1、P<0.05为筛选标准,共获得10种对不同陈酿年份山西老陈醋样品差异贡献显著的非挥发性化合物,包括磷酸腺苷、异夏佛塔苷、泛酸、L-苯丙氨酸、哈尔满、二氢奎尼定、香草酸、L-赤藓糖、亮氨酸-天冬氨酸、谷氨酸-脯氨酸。为了更加直观的看出这些差异化合物在不同陈酿年份山西老陈醋中的分布,采用前述数据标准化与聚类方法绘制热图,如图4C所示,每个陈酿年份的样品均可实现组内聚集,表明样品检测重复性良好,组内数据稳定可靠。

图4 不同陈酿年份山西老陈醋样品中非挥发性化合物差异分析
Fig.4 Differential analysis of non-volatile compounds in Shanxi aged vinegar samples with different aging periods

非挥发性化合物是决定食醋滋味品质的核心物质,与前文挥发性香气成分的OAV评价体系类似,理论上可通过滋味活度值量化其呈味贡献度,但由于各化合物在水相体系中的滋味阈值数据难以全面获取,因此未基于滋味活度值展开讨论,仅结合化合物的呈味属性、含量变化规律,解析其对山西老陈醋陈酿过程中滋味品质演变的影响。

从化合物的含量变化规律来看,磷酸腺苷、异夏佛塔苷、泛酸、L-苯丙氨酸在陈酿初期(0~1年)及5年样品中相对含量较高。其中,磷酸腺苷是核苷类物质的重要中间体,可由原料及微生物细胞中核酸逐步降解产生,在陈酿初期相对富集。磷酸腺苷的代谢产物还可能与氨基酸等共同作用,影响鲜味及整体滋味[26]。因此,陈酿早期磷酸腺苷的积累与转化为后续风味物质的生成提供了前体基础。异夏佛塔苷属于黄酮类化合物,具有一定的轻微苦味和涩感,同时还具有抗氧化作用[27],其存在有助于丰富老陈醋的滋味结构并可能参与陈酿过程中多酚类物质的转化。泛酸作为一种水溶性维生 素(VB5),是辅酶A的重要组成部分[28],相关代谢过程可能在一定程度上影响有机酸及酯类等风味前体物质的形成,并为后续风味物质的转化与积累提供基础。 L-苯丙氨酸属于芳香族氨基酸,通常表现出一定的苦味特征,是芳香族挥发性化合物的重要前体。在后续陈酿过程中可能参与美拉德反应或其他转化反应,间接影响山西老陈醋的风味形成[29]。

相比之下香草酸、L-赤藓糖、亮氨酸-天冬氨酸、谷氨酸-脯氨酸在陈酿后期(5、10年)样品中表现出较高水平。香草酸属于酚酸类化合物,通常表现出轻微的酸味和涩感,同时还具有抗氧化作用[30],在陈酿过程中可能来源于原料中酚类物质的降解或转化,其存在有助于增加老陈醋滋味的复杂度。L-赤藓糖作为还原性糖类衍生物,可参与美拉德反应,在一定程度上参与陈酿过程中风味物质的生成。在肽类物质方面,亮氨酸-天冬氨酸与谷氨酸-脯氨酸在陈酿后期含量较高。小分子肽类是食品中重要的呈味物质,其中含有谷氨酸残基的肽类通常具有明显的鲜味或鲜味增强作用,能够在一定程度上提升山西老陈醋的醇厚感和鲜味特征[31]。同时,含有疏水性氨基酸(如亮氨酸)的肽类能带来轻微的苦味,丰富产品的味觉层次。

3 结 论

本研究从挥发性、非挥发性化合物两个维度,借助HS-SPME-GC-MS与UPLC-Q-TOF/MS技术,结合多元统计分析手段,对不同陈酿年份山西老陈醋的风味物质组成特征及其差异开展系统研究。结果表明,无论从挥发性成分还是非挥发性成分的角度分析,新醋与1年醋样品的风味组分轮廓相对接近,而与3、5、10 年陈酿样品存在较大差异,说明陈酿过程对山西老陈醋风味体系有持续调控作用。

在挥发性成分方面,共筛选出16种显著差异化合物,以呋喃类、吡嗪类、酯类为主;随着陈酿年份增加,糠醛、吡嗪与酯类物质富集,风味物质更加丰富。基于OAV筛选出7种关键香气活性物质,样品香气由陈酿初期的发酵香、烟熏香,逐步演变为后期焦香、烘焙香与花果香协同的复合香气,在非挥发性成分方面,筛选出差异成分共10种,陈酿前期磷酸腺苷、L-苯丙氨酸等鲜味、苦味相关物质相对含量较高,后期香草酸、小分子肽类等物质积累,可有效增强醋体鲜味与醇厚感。上述风味物质组成的动态变化对食醋感官品质的影响,有待通过感官评价实验进一步验证。山西老陈醋中挥发性与非挥发性风味物质的协同演变,可能与在陈酿过程中水分变化与温度周期性波动促进浓缩效应及非酶促反应发生有关,是山西老陈醋风味形成的关键。

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Comparison of Flavor Compounds in Shanxi Aged Vinegar with Different Aging Years Based on Untargeted Metabolomics

WU Yulun1, JIAO Jian2, REN Xiaorong2, JI Jinbo2, ZHANG Huiru2, GUO Xinlei2, CAO Xueli1,*

(1. School of Light Industry Science and Engineering, Beijing Technology and Business University, Beijing 100048, China;2. Shanxi Fuyuanchang Aged Vinegar Co. Ltd., Jinzhong 030600, China)

Abstract: Using Shanxi aged vinegar with different aging years as the research object, the composition and variation patterns of its flavor compounds were analyzed by employing headspace solid-phase microextraction-gas chromatographymass spectrometry (HS-SPME-GC-MS) for volatile components and ultra-high performance liquid chromatographytandem quadrupole-time-of-flight mass spectrometry for non-volatile components, and the compound differences among different aging years were investigated by multivariate statistical analysis. The results showed that the fresh vinegar and one‑year‑aged vinegar were relatively similar in both volatile and non‑volatile profiles, while there were great differences between them and the 3‑, 5‑ and 10‑year‑aged samples. With the extension of aging time, volatile components including furfural, trimethylpyrazine, tetramethylpyrazine, ethyl acetate, and phenethyl acetate gradually accumulated, whereas furfuryl alcohol and 3-methylbutanoic acid showed a decreasing trend. Combined with odor activity values, seven key differential aroma-active compounds, including guaiacol, phenethyl acetate, ethyl acetate, and trimethylpyrazine, were screened out, and the sample aroma gradually evolved from fermented and smoky notes at the early aging stage to a composite aroma integrating caramel, roasted, and floral and fruity notes at the later stage. The non-volatile components were dominated by adenosine phosphate and L-phenylalanine at the early aging stage, which could impart certain umami and bitterness to Shanxi aged vinegar, whereas the contents of vanillic acid and small-molecule peptides increased at the later aging stage, contributing to enhanced umami and mellow body of the vinegar. During aging, the volatile and nonvolatile flavor compounds changed synergistically, which may be related to the concentration effect brought by t“he traditional aging process of ‘Xiafu Shai, Dong Laobing’ (sun-drying in summer and ice-removing in winter)” and the slow non-enzymatic reactions, jointly promoting the formation and improvement of the flavor quality of Shanxi aged vinegar.

Keywords: Shanxi aged vinegar; aging year; volatile aroma compound; non-volatile taste component; untargeted metabolomics

收稿日期:2026-05-06

第一作者简介:武雨伦(2001—)(ORCID: 0009-0004-2948-2100),女,硕士研究生,研究方向为生物分离工程。E-mail: m13333433543@163.com

*通信作者简介:曹学丽(1967—)(ORCID: 0000-0001-9160-1511),女,教授,博士,研究方向为生物分离工程。E-mail: caoxl@th.btbu.edu.cn

DOI: 10.11882/j.issn.0254-5071.2026.09.037

中图分类号:TS264.2

文献标志码:A

文章编号:0254-5071(2026)09-0307-08

引文格式:
武雨伦, 焦剑, 任晓荣, 等. 基于非靶向代谢组学的不同陈酿年份山西老陈醋风味物质比较[J]. 中国酿造, 2026, 45(9):307-314.DOI:10.11882/j.issn.0254-5071.2026.09.037. http://www.chinabrewing.net.cn
WU Yulun, JIAO Jian, REN Xiaorong, et al. Comparison of flavor compounds in Shanxi aged vinegar with different aging years based on untargeted metabolomics[J]. China Brewing, 2026, 45(9): 307-314. (in Chinese with English abstract)DOI:10.11882/j.issn.0254-5071.2026.09.037. http://www.chinabrewing.net.cn