襄阳大头菜又名“孔明菜”，是国家地理标志产品，为中国四大腌菜之一[1]，属于芥菜（Brassica juncea（L.）Czern.et Coss.）的一种，是十字花科芸薹属植物。襄阳大头菜采用初腌-转缸-二腌-转缸-三腌-转缸-晒-初卤-二晒-复卤-三晒-三卤-四晒-四卤-五晒-五卤-六晒-拌料入缸的“三腌五卤六晒”的制作方法，口感脆嫩，味道鲜美，深受广大人民群众的喜爱。在制作时大头菜带皮清洗干净，放入缸中进行“三腌”。腌制结束后进行“五卤六晒”，第一次晾晒后放入调整盐水浓度并加入酱色、香料、五卤老卤水的初卤水中进行卤制。五卤中反复使用老卤并依次提高盐浓度，最后卤透菜心并进行最后一次晾晒得到大头菜的成品。
目前对于襄阳大头菜的研究主要集中在微生物群落结构解析[2-5]、微生物新种发现[6-7]、理化性质测定[8-9]、大头菜的挥发性物质比较[10-12]等。襄阳大头菜在“三腌”后放入调制好的新卤水中进行“五卤”。新卤水的制作讲究用老卤，即在新卤水中需要添加一定量的老卤水才能使襄阳大头菜的品质保持均一。
电子舌、电子鼻是一种新兴的仿生设备，可以避免生理味觉和嗅觉的主观影响和缺陷，无偏的测量食品的滋味和风味[13-14]，被广泛应用到蒸海鲈鱼[15]、腌制鱿鱼[16]、糙米[17]、橄榄油[18]等各种食品的滋味品质和风味品质的检测中。气相色谱-质谱联用法（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）可在较短时间内完成多组分混合物的定性和定量分析，具有灵敏度高、定性能力强的优点。在电子鼻对挥发性物质进行有效区分的基础上，采用GC-MS对挥发性成分进行鉴定，目前这种研究方法在食品上应用非常广泛，如葡萄酒[19]、杏鲍菇[20]、黄酒[21]、橄榄油[22]等风味物质分析中。
本实验通过对襄阳大头菜新、老卤水理化性质、电子舌、电子鼻、GC-MS的测定全面分析了新、老卤水的理化性质、滋味品质、气味和挥发性物质，以期解析老卤水对襄阳大头菜品质形成的影响。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
大头菜卤水：湖北省襄阳孔明菜食品有限公司提供。在每年新大头菜秋季收获后进行腌制，采取的样品为初卤新卤水（N-1～N-6）和五卤后老卤水（O-1～O-6）。
电子舌内部溶液、参比溶液、阴离子溶液和阳离子溶液：日本Insent公司。
1.2 仪器与设备
UltraScan Pro色度仪：美国Hunterlab公司；SA 402B电子舌：日本Insent公司；FOX4000电子鼻：法国Alpha M.O.S公司；GC-MS-QP2020气相色谱-质谱联用仪：岛津企业管理（中国）有限公司。
1.3 试验方法
1.3.1 可溶性固形物、pH值和色度的测定
可溶性固形物：将大头菜卤水滴5滴于全自动折光仪的镜面，测定大头菜卤水的可溶性固形物，取3个平行的平均值为最后测量值。
pH值：用pH计测定大头菜卤水的pH值，取3个平行的平均值为最后测量值。
色度：将大头菜卤水样品装入石英比色皿（50 mm×10 mm）后，采用色度仪对其色度进行测定，测试模式为透射，读数以CIE1976色度空间值L*、a*和b*表示，其中L*值为明亮度，a*值为红绿度，b*值为黄蓝度。
1.3.2 大头菜卤水样品滋味品质检测
将大头菜卤水样品用离心机3 000×g离心10 min，取上清。将上清液按照参考文献[13]中的方法进行测定，即经阳离子或阴离子溶液洗涤后的CA0、CT0、C00、AE1、AAE和GL1共6个传感器分别于参比溶液和待测大头菜卤水样品中浸泡30 s，两者的电势差即为酸味、咸味、苦味、涩味、鲜味和甜味的强度值；为减小系统误差，每次测定时均以标号为O-1的老卤水作为对照，并将其各滋味指标相对强度值定义为0，因而纳入本研究数据分析的各滋味指标的强度均为相对强度值。每个样品重复测定4次，取后3次测定值作为实验的原始数据。
1.3.3 大头菜卤水样品的电子鼻及GC-MS分析测试条件
参照参考文献[11]的方法进行。
1.3.4 数据处理
利用电子鼻自带软件Alphasoft V11进行传感器信号强度处理，基于数据矩阵进行主成分分析（principal component analysis，PCA）和方差分析。利用Kruskal-wallis检测各传感器对不同地区大头菜响应值的差异性分析。除雷达图使用Excel 2016软件绘制外，其他图均使用Origin 8.5软件绘制。
2 结果与分析
2.1 大头菜卤水可溶性固形物、pH值和色度分析
对大头菜新、老卤水的可溶性固形物、pH值、L*值、a*值和b*值进行了检测，结果见表1。由表1可以看出，新、老卤水的可溶性固形物、pH值、L*值、a*值和b*值等指标均有极显著差异（P＜0.01）。其中老卤水的可溶性固形物含量高于新卤水，但是pH值低于新卤水。从三个色度指标可以看出，老卤水的明亮度高于新卤水，老卤水偏红、偏黄，即偏橙色，新卤水偏蓝色。新卤水的颜色主要来源于酱色，老卤水的颜色是新卤水经过多年的氧化、微生物发酵、环境影响和大头菜可溶性固形物溶出的共同结果。
表1 襄阳大头菜新、老卤水理化性质比较
Table 1 Comparison of physicochemical properties between new and old brines of Xiangyang mustard root
注：“a*”正值表示红色，负值表示绿色；“b*”正值表示黄色，负值表示蓝色。P＜0.01表示差异极显著，P＜0.05表示差异显著。下同。
2.2 大头菜卤水滋味品质评价
利用电子舌对新、老卤水的滋味品质进行了测定，其中把编号为O-1的老卤水设为对照，并将其各滋味指标相对强度值定义为0，因而纳入本研究数据分析的各滋味指标均为相对强度，结果见图1、表2和图2。
从图1的雷达图可以看出，大头菜新、老卤水在苦味、鲜味、后味A、后味B、涩味上的各个点基本汇于一处，说明新、老卤水在这几个滋味品质上差异不大，而在咸味、酸味和丰度上新、老卤水的各点分布较为分散，且新卤水与老卤水各汇于一处，说明新、老卤水在在咸味、酸味和丰度上差异较大。
图1 襄阳大头菜新、老卤水基于电子舌数据的雷达分析图
Fig.1 Radar analysis map based on electronic tongue data between new and old brines of Xiangyang mustard root
为了进一步研究大头菜新、老卤水滋味品质的差异，对其进行了t检验，结果见表2。从表2可以看出，襄阳大头菜新、老卤水的滋味除苦味差异为显著外（P＜0.05），其余均达到了极显著的差异（P＜0.01）。虽然各个滋味品质的数据在统计学上差异显著或极显著，但与对照值＜1的差异在实际生活中品尝不出来，没有意义。因此滋味指标中，襄阳大头菜新卤水与老卤水的酸味、丰度和咸味的区别较大。在襄阳大头菜在腌制的过程中，微生物发酵产生的各种有机酸以及大头菜内容物的渗出造成了酸味和丰度的增加，根据腌制盐分要求，新卤水的盐分含量要低于老卤水。
表2 襄阳大头菜新、老卤水滋味品质的T检验结果
Table 2 Results of T-test of taste quality of new and old brines of Xiangyang mustard root
滋味是一种味蕾的复合感觉，因此孤立的研究某一味道进行评价是片面的，因此对襄阳大头菜新、老卤水的滋味数据进行了PCA分析（图2）。从图2可以看到，第一主成分和第二主成分的方差贡献率和为95.6%，能够反映原始数据的全部信息。从因子荷载图中可以看出，第一主成分主要包括咸味、丰度、后味A、酸味和涩味，方差贡献率为73.7%，第二主成分包括苦味、后味B和鲜味，方差贡献率为21.9%。基于电子舌技术的PCA因子得分图可以看出，新卤水分布在第一、第三象限，老卤水分布在第二、第四象限，说明襄阳大头菜新、老卤水滋味品质差异较大。与新卤水相比，老卤水的酸味、丰度增加，咸味减少。结合图1中两图可以看出，不同的新、老卤水间也有差异，其中O-2、O-3与其他老卤水相比，酸味、涩味和后味-A更大一些，N-5、N-6与其他新卤水相比，苦味更小一些。
图2 襄阳大头菜新、老卤水的滋味品质主成分分析结果
Fig.2 Principal component analysis result on taste quality of new and old brines of Xiangyang mustard root
A：因子载荷图；B：因子得分图。
2.3 电子鼻测定挥发性物质
每个传感器每秒产生的响应值均有不同，选择各传感器最大响应值进行数据处理与分析，各传感器对不同地区大头菜响应值的差异性分析见表3。由表3可以看出，襄阳大头菜新卤水与老卤水的各个传感器的响应值差异均达到了极显著的水平，其中新卤水中W5S、W6S、W1S、W1W、W2S、W2W、W3S的响应值均高于老卤水，W1C、W3C、W5C响应值均低于老卤水，由此可见，老卤水刺激性气味减少，芳香性气味更浓郁。
表3 传感器对不同地区大头菜响应值的差异性分析
Table 3 Significance analysis of each sensor response in mustard roots from different regions
2.4 GC-MS测定襄阳大头菜新卤水、老卤水中的挥发性物质
为了进一步研究襄阳大头菜新卤水与老卤水中挥发性物质的差异，利用GC-MS对挥发性物质进行了进一步的分析，结果见图3。从图3可以看出，襄阳大头菜老卤水样品中各挥发性物质相对峰面积变化较小，大部分在15%以内，新卤水样品中各挥发性物质相对峰面积均有一较大异常值，在60%左右，其余挥发性物质含量相对均一，在10%以内。
图3 襄阳大头菜新、老卤水各挥发性物质相对强度值的箱形图
Fig.3 Box chart of relative intensity values of volatile compounds in new and old brines of Xiangyang mustard root
从卤水中共检测出24种挥发性物质，其中新卤水中检测出16种，老卤水中检测出22种，其中新、老卤水共同的且含量相对高的挥发性物质有丙酮、2-甲基-正丁醛、硼烷二甲硫醚络合物、二硫化碳、二甲基二硫醚。新卤水中独特的挥发性物质有异硫氰酸仲丁醇、异硫氰酸烯丙酯、苯乙基异硫氰酸酯、2-丁烯腈等，老卤水中独特的挥发性物质有3-甲基-1-正丁醛、苯乙醛、2-甲基丙醛、二甲基三硫醚、右旋柠檬烯等。
对新、老卤水中的酯类、醇类和醛类化学物相对含量（图4）进行比较发现，在新卤水中酯类物质含量极其丰富，主要为异硫氰酸烯丙酯；其次为醇类，主要为乙醇和异硫氰酸仲丁醇。在老卤水中，醛类含量比较稳定，主要为2-甲基-正丁醛、3-甲基-正丁醛、2-甲基-丙醛等；醇类主要为正丁醇。酯类物质几乎为0，原因是在发酵过程中异硫氰酸烯丙酯降解成其他的成分，主要为各种含硫化合物。
图4 襄阳大头菜新、老卤水主要挥发性物质类别及相对含量
Fig.4 Types and relative contents of main volatile compounds in new and old brines of Xiangyang mustard root
2.4.1 襄阳大头菜新、老卤水中酯类物质的比较
从表4可以看出，新卤水中主要挥发性物质为异硫氰酸烯丙酯，在60%左右，异硫氰酸烯丙酯是十字花科植物特有的物质硫代葡萄糖苷经芥子酶分解的产物，除了异硫氰酸烯丙酯外，硫代葡萄糖苷的分解产物还包括异硫氰酸丁酯、异硫氰酸异丁酯、异硫氰酸丁烯酯、2-苯乙基异硫氰酸酯、各种腈类化合物等[19]。
老卤水中除O-1样品中检测到少量的异硫氰酸烯丙酯，其余样品中都没有检测到。这是因为在大头菜“五卤”的腌制过程中，绝大部分异硫氰酸烯丙酯被分解了。
2.4.2 襄阳大头菜新、老卤水中含硫类物质的比较
从表4可以看出，新卤水中硼烷二甲硫醚络合物、二硫化碳、二甲基二硫醚含量是除异硫氰酸烯丙酯外含量最高的，但是这些含硫化合物是老卤水中主要挥发性物质。老卤水中，除硼烷二甲硫醚络合物、二硫化碳、二甲基二硫醚外，还包括二甲基三硫醚，这些硫化物都是异硫氰酸烯丙酯分解后的产物，是大头菜特有的风味物质，具有葱、肉等特殊香味，也有较强的防腐和杀菌作用[23]。
2.4.3 襄阳大头菜新、老卤水中醛类物质的比较
从表4可以看出，襄阳大头菜新卤水中醛类种类和数量较少，2-甲基-正丁醛存在于所有的样品中，壬醛和己醛只在N-1和N-2样品中存在。老卤水中的醛类很丰富，包括2-甲基-正丁醛、异戊醛、苯乙醛、壬醛、2-甲基-丙醛和己醛。C6-C12饱和脂肪族醛在稀释条件下具有令人愉快的香气，在香精配方中往往起头香剂的作用。
2.4.4 襄阳大头菜新、老卤水中醇类物质的比较
从表4可以看出，襄阳大头菜新卤水中的醇类主要为乙醇和异硫氰酸仲丁醇，乙醇来自淀粉物质的发酵，异硫氰酸仲丁醇为硫代葡萄糖苷分解后的产物[24]。老卤水中的醇类主要为正丁醇，具有酒香味。
2.4.5 襄阳大头菜新、老卤水中其他物质的比较
从表4可以看出，2-丁烯腈和苯代丙腈是硫代葡萄糖苷在芥子酶作用下水解的产物。2-丁烯腈又称巴豆腈，具有葱香味[25]，在襄阳大头菜新卤水中含量丰富，在襄阳大头菜老卤水中没有检测到，苯代丙腈的含量也有所降低，可能在反复的晾晒过程中有所挥发。
表4 襄阳大头菜新、老卤水中挥发性物质及其相对含量
Table 4 Main volatile compounds and contents of new and old brines of Xiangyang mustard root %
2.5 襄阳大头菜新、老卤水电子舌、电子鼻和GC-MS的PCA分析
为了研究大头菜新、老卤水的区别，对电子舌、电子鼻及GC-MS结果综合进行了PCA分析，结果见图5。
图5 襄阳大头菜新、老卤水中挥发性物质电子舌、电子鼻和GC-MS分析的主成分分析结果
Fig.5 Principal component analysis results of volatile compounds in new and old brines of Xiangyang mustard root analysis by electronic tongue,electronic nose and GC-MS
A：因子载荷图；B：因子得分图。
从图5可以看出，第一主成分和第二主成分的方差贡献率和为89.19%，能够反映原始数据的全部信息。从因子荷载图中可以看出，第一主成分主要包括W1S、W2S、W3S、W1W、W2W、W6S、W1C、W3C、W5C、酯类、醛类、丰度和后味A，方差贡献率为80.67%，所以主要通过第一主分成来反映大头菜新、老卤水的区别。第二主成分包括醇类、酸味、苦味、后味B、鲜味、咸味和涩味，方差贡献率为8.52%。基于PCA因子得分图可以看出，新卤水分布在第一、第三象限，老卤水分布在第二、第四象限，说明襄阳大头菜新、老卤水滋味品质差异较大。结合图1可以看出，大头菜新新卤水中W1S、W2S、W3S、W1W、W2W、W6S和酯类含量较高，反映出了襄阳大头菜新卤水中异硫氰酸烯丙酯含量高；而大头菜老卤水中WIC、W3C、W5C、醛类、酸味、丰度、后味A占据优势，说明襄阳大头菜老卤水中硫醚类物质含量丰富，醛类物质较多，酸味、丰度和后味A突出。
3 结论
本研究通过电子舌、电子鼻和GC-MS对襄阳大头菜新、老卤水中的理化性质、滋味品质和挥发性物质进行分析，结果发现襄阳大头菜新、老卤水间可溶性固形物含量、pH和色度之间差异极显著（P＜0.01）。电子舌数据分析显示，襄阳大头菜新卤水与老卤水相比，酸味、丰度和咸味均低于老卤水。电子鼻的数据分析显示，与新卤水相比，老卤水刺激性气味减少，芳香性气味更浓郁。GC-MS分析显示，新卤水中最主要的挥发性物质为异硫氰酸烯丙酯，随着发酵时间的增加，逐渐降解为各类含硫化合物，即老卤水中的主要挥发性物质硼烷二甲硫醚络合物和二甲基二硫醚等。对电子舌、电子鼻和GC-MS数据的主成分分析结果显示，大头菜新卤水中W1S、W2S、W3S、W1W、W2W、W6S和酯类含量较高，反映襄阳大头菜新卤水中异硫氰酸烯丙酯含量高；而大头菜老卤水中WIC、W3C、W5C、醛类、酸味、丰度、后味A占据优势，说明襄阳大头菜老卤水中硫醚类物质含量丰富，醛类物质较多，酸味、丰度和后味A突出。
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