陳姣，徐繼林＊，李艷，周成旭，嚴小軍

（1.寧波大學 應用海洋生物技術教育部重點實驗室，浙江 寧波315211）

1 引言

海洋微藻是海洋中最主要的光合生物，硅藻是海洋有機物的主要生產(chǎn)者之一，提供了約40%的海洋初級生產(chǎn)力［1］，其在培養(yǎng)過程中的變化對海洋生態(tài)環(huán)境、海區(qū)生產(chǎn)力、全球碳循環(huán)等方面起著重要的作用［2—3］。研究表明，藻類代謝物直接影響著貝類對微藻的濾食速率和攝食選擇性，而這些代謝物相當部分為藻類揮發(fā)性組分［4］。另外，藻類培養(yǎng)過程中產(chǎn)生的某些短鏈醛與其自身防御及誘導橈足類的繁殖失敗密切相關［5］，因此對硅藻中不同培養(yǎng)階段揮發(fā)性成分的分析顯得尤為重要。

揮發(fā)性物質(zhì)是嗅覺感知的一類化合物組分，包括香氣物質(zhì)和香味物質(zhì)，其特點是易揮發(fā)，含量極低，對食品揮發(fā)性風味物質(zhì)的研究較多涉及茶葉、肉制品、酒類、乳制品［6—9］，目前已有涉及一些如魚肉制品等海產(chǎn)品風味成分研究［10—11］，對一些大型藻的揮發(fā)性成分也有一些報道［5，12］，也有一些對海洋微藻揮發(fā)性成分的研究報道［13］，但是目前對硅藻處于不同生長階段的揮發(fā)性成分對作為很多魚蝦貝蟹餌料化學成分的組成及生態(tài)作用的研究還未被報道過。

威氏海鏈藻Thal assiosir aweissf logii、小新月菱形藻Nitzschiaclosterium、角毛藻Chaetoceroscalcitrons是最常見的餌料硅藻，本文借助頂空固相微萃?。瓪庀嗌V－質(zhì)譜聯(lián)用技術（HS－SPME－GC／MS），對處于不用培養(yǎng)階段3種硅藻揮發(fā)性成分進行測定，并利用SIMCA－P分析軟件對其變化和差異進行詳細分析，為實際海洋生物養(yǎng)殖過程中餌料微藻投喂種類、投喂時機的選擇提供參考數(shù)據(jù)，并為海洋硅藻繁殖對海洋生態(tài)的影響以及對海洋硅藻的進一步開發(fā)利用提供重要參考依據(jù)。

2 材料和方法

2.1 儀器和試劑

QP2010氣相色譜－質(zhì)譜分析儀，帶AOC－20自動進樣器（日本SHIMADZU公司），vocol色譜柱（60 m×0.32 mm×0.18μm，美國Supelco公司），冷凍干燥機（美國LABCONCO公司），固相微萃取（SPME）系統(tǒng)和75μm DVB／CAR／PDMS萃取頭（美國Supelco公司），顆粒粒度計數(shù)分析儀（德國Casy公司），試劑均為國產(chǎn)分析純。

2.2 樣品處理

3株海洋硅藻藻種由寧波大學海洋生物實驗室藻種室提供，分別為：威氏海鏈藻、小新月菱形藻、角毛藻。培養(yǎng)海水（鹽度25）經(jīng)0.45μm醋酸纖維濾膜過濾后煮沸冷卻，培養(yǎng)液采用“NML3號”配方（100 mg／L KNO3，10 mg／L KH2PO4，20 mg／L Na2Si O3，0.25 mg／L MnSO4.H2O，2.50 mg／L Fe－SO4.7 H2O，10 mg／L EDTA－Na2，6μg／L VB1，0.05 μg／L VB12）。藻種在5 000 mL錐形瓶中于日光燈光照下培養(yǎng)，每個樣品平行培養(yǎng)5瓶，光照強度45～55μmol／（m2·s），光暗周期12∶12（h／h），培養(yǎng)溫度為（20±2）℃，每兩天用顆粒粒度計數(shù)分析儀［14—15］測量硅藻密度，當微藻培養(yǎng)到達指數(shù)生長期、平臺期、衰敗期時在4℃，4 000 r／min下分別對3種硅藻離心收集。分析前，藻粉冷凍干燥后置于－80℃超低溫冰箱收藏。

樣品預處理：稱取微藻樣品200 mg于15 mL SPME頂空瓶中，頂空瓶放置于30℃恒溫水浴中。75 μm DVB／CAR／PDMS萃取頭于氣相進樣口（210℃）老化30 min，用SPME裝置的針頭刺穿瓶蓋內(nèi)聚四氟乙烯密封墊，推出萃取頭暴露于頂空中，固定深度3 cm，萃取40 min，20℃室溫下平衡20 min，取出萃取頭立即插入210℃氣相色譜儀進樣口，脫吸附5 min，進行GC／MS分析，所有樣品結(jié)果取均值。

2.3 色譜質(zhì)譜條件

GC條件：采用不分流進樣模式，進樣口溫度210℃，載氣為高純氦氣，柱流速1.99 mL／min，柱前壓83.5 k Pa，柱起始溫度35℃，保持3.5 min，以3℃／min升至40℃，保持1 min，再以5℃／min，升至100℃后以10℃／min升至210℃，保持25 min。

MS條件：用電子轟擊（electron impact，EI）源分析，電子能量為70 e V，離子源溫度200℃，接口溫度210℃，選取全程離子碎片掃描（SCAN）模式，質(zhì)量掃描范圍為45～1 000，溶劑延遲0.6 min。

2.4 數(shù)據(jù)處理

原始數(shù)據(jù)根據(jù)GC－MS總離子流圖中各組分的離子碎片質(zhì)量圖譜，通過對NIST庫和WILEY庫檢索結(jié)合有關文獻［16—17］進行化合物定性，用面積歸一法計算出各揮發(fā)性成分的百分含量，對5個平行組的樣品建立一個包含樣品種類名稱、每一樣品的峰數(shù)量（基于保留時間和對應質(zhì)荷比）和歸一化后的峰面積數(shù)據(jù)庫，并將此數(shù)據(jù)庫導入SI MCA－P＋11.5軟件（瑞典Umetrics AB公司）進行主成分分析（PCA）和正交偏最小二乘法辨別分析（OPLS－DA）。

3 結(jié)果與討論

以威氏海鏈藻為例，從微藻3個培養(yǎng)階段藻粉樣品揮發(fā)性成分GC－MS總離子流圖可見（見圖1），本方法能得到微藻樣品豐富的揮發(fā)性成分信息，并可直觀該微藻不同繁殖階段揮發(fā)性成分的顯著差異。

通過GC分析，從威氏海鏈藻的指數(shù)生長期、平臺期、衰敗期分別分離出122、92、107種物質(zhì)，對分離出的組分進行MS分析，分別鑒定出84、60、65種物質(zhì)，占有效峰面積的90.23%、94.86%、88.04%；小新月菱形藻在3個培養(yǎng)階段分別分離出130、88、76個信號峰，分別鑒定出77、62、58種物質(zhì)，占有效峰面積的88.92%、94.39%、89.93%。角毛藻在3個培養(yǎng)階段分別分離出133、96、68種物質(zhì)，分別鑒定出78、60、46種 物 質(zhì)，占 有 效 峰 面 積 的 87.62%、93.10%、86.16%。對不同硅藻不同培養(yǎng)階段進行峰面積積分，將相關數(shù)據(jù)導入SI MCA－P進行PCA分析，可得到各樣品在第一主成分和第二主成分構(gòu)成的平面上的投影得分圖（見圖2），每一標注點代表每一種硅藻的一個樣品。PCA得分圖可以在二維空間上顯示物質(zhì)聚類，從而可直觀顯示樣品間的相似或非相似性［18］。

以威氏海鏈藻PCA分析為例，從其得分圖可見（見圖2），處于不同時期的平行組樣品明顯分成了3組，表明在不同培養(yǎng)階段威氏海鏈藻的揮發(fā)性成分顯著不同。為了了解哪些成分發(fā)生了顯著變化，繼續(xù)對其3個階段分別進行OPLS－DA分析，從其S載荷圖（見圖3）中可鑒定出在指數(shù)生長期與平臺期（見表1）、平臺期與衰敗期顯著變化的物質(zhì)，取權(quán)重前20種化合物（VIP值前20）進行分析討論。利用同樣的方法，小新月菱形藻和角毛藻在培養(yǎng)過程中變化顯著的物質(zhì)進行鑒定，鑒定結(jié)果見表1～表6。

圖1 威氏海鏈藻3個培養(yǎng)時期（Thalassiosira weissf logii，NMBguh021）揮發(fā)性成分的GC－MS總離子流圖Fig.1 GC－MS total ion chromatogram of volatile components in Thalassiosir a weissf logii of three different growth phases

圖2 處于3個不同時期的威氏海鏈藻揮發(fā)性成分的PCA得分圖Fig.2 PCA score plot of Thalassiosir a weissf logii for the analysis of volatile components in three different growth phases

圖3 指數(shù)生長期和平臺期（A）、平臺期和衰敗期（B）威氏海鏈藻樣品進行OPLS－DA的分析結(jié)果Fig.3 Orthogonal projection to latent structures discriminant anaylsis（OPLS－DA）to the exponential phase and stationary phase（A），stationary phase and declining phase（B）of Thalassiosira weissf logii

圖4 指數(shù)生長期和平臺期（A）、平臺期和衰敗期（B）威氏海鏈藻樣品進行OPLS－DA分析對應的S載荷圖Fig.4 OPLS loadings S－plot of Thalassiosira weissf logii comparing the exponential phase versus stationary phase（A），stationary phase versus declining phase（B）

3.1 硅藻培養(yǎng)的指數(shù)生長期至平臺期揮發(fā)性成分的變化

從變化差異權(quán)重前20的揮發(fā)性物質(zhì)中可以看出（見表1、2、3），威氏海鏈藻、小新月菱形藻、角毛藻在指數(shù)生長期與平臺期相比變化較大的主要為烷烯烴類、醛類、醇類和酮類物質(zhì)，表中相關性系數(shù)為正的物質(zhì)表示在平臺期該物質(zhì)的含量增加，系數(shù)為負表示在平臺期該物質(zhì)的含量降低。

在變化差異權(quán)重前20的揮發(fā)性物質(zhì)中，醛類物質(zhì)在威氏海鏈藻、小新月菱形藻、角毛藻中分別占據(jù)3種、5種、4種。威氏海鏈藻、小新月菱形藻、角毛藻在指數(shù)生長期時，所有醛類物質(zhì)占總揮發(fā)性物質(zhì)百分比分別為28.95%、14.62%、10.35%（見表7），鑒定出的醛類物質(zhì)分別有：23種、19種、17種；當3種硅藻培養(yǎng)到達平臺期時，所有醛類物質(zhì)占總揮發(fā)性物質(zhì)百分比分別為32.33%、21.66%、29.20%，鑒定出的醛類物質(zhì)分別有14種、12種、18種，醛類物質(zhì)相對含量有明顯增加。

飽和直鏈醛如己醛、庚醛、辛醛、壬醛、癸醛等通常呈現(xiàn)出一些令人不愉快的草味和辛辣的刺激性氣味，低級飽和脂肪醛一般具有強烈的刺鼻氣味，隨著鏈長的增加其刺激性氣味逐漸減弱［19］，而這些飽和直鏈醛的感覺閾值很低（感覺閾值是評價氣味常用的最重要的參數(shù)，濃度一定時，感覺閾值越低的化合物越容易被感知［20］），因此對硅藻特定風味的產(chǎn)生起著重要作用。有研究表明［21］，壬醛對魚肉的風味形成起著重要的作用，在3種硅藻由生長指數(shù)期進入平臺期時所鑒定出的標志物中，變化最大的醛類物質(zhì)均為壬醛，且均呈升高的趨勢。威氏海鏈藻、小新月菱形藻、角毛藻中壬醛的相對百分含量分別由3.16%、1.86%、0.68% 升 高 至 9.01%、8.01%、5.48%。因此，硅藻在培養(yǎng)過程中感覺閾值低的醛類物質(zhì)在不斷升高，其整體氣味會受醛類物質(zhì)的影響愈來愈明顯。

表1 威氏海鏈藻指數(shù)生長期與平臺期變化差異權(quán)重前20種的揮發(fā)性物質(zhì)Tab.1 Top 20 volatile components which significantly determine differences in Thalassiosira weissf logii samples bet ween exponential phase and stationary phase

不飽和醛大多有愉快的香氣［22］，如2－己烯醛呈現(xiàn)青草氣味［23］，而2，4－庚二烯醛被認為具有魚腥味和金屬味［24］，2－辛烯醛、2－戊烯醛等不飽和醛已從有些魚肉中檢出且被認為與魚腥味的產(chǎn)生有著密切的關系［3］，這些是與生鮮魚類氣味相關的成分，對新鮮魚烹飪后的氣味產(chǎn)生重要作用，是其最終的風味化合物或風味前體。在小新月菱形藻中，2，4－庚二烯醛、2－壬烯醛在培養(yǎng)過程中含量明顯增加，而在角毛藻中，2，4－辛二烯醛也是重要的生物標志物，由指數(shù)生長期的未被檢出升高到2.09%（見表7）。在生物體內(nèi)，很多醛類物質(zhì)來自多不飽和脂肪酸的酶解反應［25］，一些多不飽和醛類物質(zhì)如2，4－辛二烯醛的產(chǎn)生量與十六碳三烯酸含量有很大的相關性［26］，事實上，研究表明，硅藻中十六碳三烯酸在微藻中含量較高［27］。這些不飽和醛類物質(zhì)在小新月菱形藻由生長對數(shù)期進入平臺期時，對小新月菱形藻的風味有著重要的影響。

在變化差異權(quán)重前20的揮發(fā)性物質(zhì)中，烷烯烴類物質(zhì)在威氏海鏈藻、小新月菱形藻、角毛藻中分別占8種、7種、10種。3種硅藻在指數(shù)生長期時，烷烯烴類物質(zhì)占總揮發(fā)性物質(zhì)相對百分含量最高，分別為39.86%、59.58%、62.32%（見表7），鑒定出的物質(zhì)種類分別有29種、31種、32種；當3種硅藻培養(yǎng)到達平臺期時烷烯烴類物質(zhì)百分含量明顯減少，所占百分比分別為26.31%、37.14%、35.84%，鑒定出的物質(zhì)種類分別有16種、18種、21種。可見，無論是種類還是相對含量，3種硅藻在兩個時期減少最大的均為烷烯烴類物質(zhì)。比如十三烷是3種硅藻中變化最大的物質(zhì)，威氏海鏈藻、小新月菱形藻、角毛藻相對百分含量在指數(shù)生長期分別達11.60%、5.12%、9.49%，而到達平臺期時，除了角毛藻含量為0.51%外，在威氏海鏈藻和小新月菱形藻中均未被檢測到。角毛藻處于指數(shù)培養(yǎng)期時，揮發(fā)性烷烯烴類物質(zhì)主要為一些飽和烴類C12－C17，而當培養(yǎng)進入平臺期時，除十五烷含量略有升高之外，十二烷和十三烷都未檢測到，作為標志物出現(xiàn)的其他長鏈烷烴類物質(zhì)含量也均呈減少的趨勢。在此時期，8－十七烯這種烯烴類物質(zhì)則出現(xiàn)在角毛藻的揮發(fā)性成分中，在小新月菱形藻和威氏海鏈藻中未被檢測到。

表2 小新月菱形藻指數(shù)生長期與平臺期變化差異權(quán)重前20種的揮發(fā)性物質(zhì)Tab.2 Top 20 volatile components which significantly determine differences in Nitzschia closterium samples bet ween exponential phase and stationary phase

與大型藻相比，海洋微藻中硅藻的揮發(fā)性烷烯烴類物質(zhì)是以飽和烴類為主，雖然角毛藻在平臺期檢測到8－十七烯，但是飽和烴類的相對百分含量遠高于烯烴類，而壇紫菜、條斑紫菜的研究中8－十七碳烯的含量分別高達65.82%、50.64%［12］。烷烯烴類主要來源于脂肪酸烷氧自由基的均裂［28］，有些烷烯烴類是在一定條件下裂解之后產(chǎn)生腥味的潛在物質(zhì)［20］。這些飽和或不飽和脂肪酸的感覺閾值較醛類高，一般對香氣影響不大，所以，雖然烷烯烴類在硅藻培養(yǎng)的指數(shù)生長期到穩(wěn)定期時變化顯著，但是對硅藻整體風味影響并不如醛類物質(zhì)影響大。

一般來說，揮發(fā)性醇表現(xiàn)出的氣味品質(zhì)較為柔和［29—30］。飽和脂肪醇類化合物的閥值大都較高，如果含量不高，對魚肉的香氣貢獻一般較?。幌鄬Χ?，不飽和脂肪醇的閥值較低，對香氣貢獻較大，對食物風味的形成具有一定的作用［31］。醇類物質(zhì)在威氏海鏈藻、小新月菱形藻、角毛藻由指數(shù)生長期進入平臺期時其相對百分含量分別由10.72%、4.89%、6.92%變化為9.79%、10.04%、13.49%，其中，飽和脂肪醇類 化 合 物 分 別 從 1.90%、0.63%、2.66% 變 化 為3.91%、6.45%、3.89%，而不飽和脂肪醇類化和物從8.82%、4.26%、4.26% 變 化 為 5.88%、3.59%、9.60%。在角毛藻中，1－己烯－3－醇作為生物標志物存在，該醇的氣味主要為青草味［32］。當3種硅藻的生長到達平臺階段時，角毛藻醇類物質(zhì)含量最高且種類最多。

在鑒定出的酮類生物標志物中，威氏海鏈藻和角毛藻中均有1－戊烯－3－酮的存在。烯酮類化合物一般具有青葉芳香［33］，這種物質(zhì)會對威氏海鏈藻的整體風味中芳香產(chǎn)生有利的影響。此外，一種含硫化合物二甲基硫的含量在小新月菱形藻培養(yǎng)的指數(shù)生長期（0.33%）到平臺期時（6.70%）顯著增加，二甲基硫是一些海產(chǎn)品加熱后的重要風味化合物，在牡蠣肉和蛤肉中被檢測到［34］，它可能是由二甲基－β－胱氨酸的熱分解形成，而二甲基－β－胱氨酸由浮游植物合成、通過食物鏈轉(zhuǎn)移至其他生物體中。二甲基硫也是產(chǎn)生類似海濱氣味的重要物質(zhì)，在濃度較低時產(chǎn)生蟹香味［35］，同時二甲基硫?qū)τ诹虻暮饨粨Q作出了巨大的貢獻［36］。說明在小新月菱形藻培養(yǎng)過程中，相對于指數(shù)生長期來說，二甲基硫?qū)ζ湔w風味的影響也在不斷加強，而相對于威氏海鏈藻和角毛藻的二甲基硫含量來說，小新月菱形藻產(chǎn)生二甲基硫的能力更大，對硫的海氣通量作出了更大的貢獻。

通過對3種硅藻培養(yǎng)的前兩個階段研究可知，在指數(shù)生長期到平臺期過程中，因一些醛類物質(zhì)、醇類物質(zhì)等感覺閾值較低、含量較高的物質(zhì)比指數(shù)培養(yǎng)期更豐富，而由于醛類物質(zhì)相對于其他揮發(fā)性成分來說閾值較低，因此會對攝食者的攝食行為產(chǎn)生更大的影響。

表3 角毛藻指數(shù)生長期與平臺期變化差異權(quán)重前20種的揮發(fā)性物質(zhì)Tab.3 Top 20 volatile components which significantly determine differences in Chaetoceros calcitrons samples bet ween exponential phase and stationary phase

3.2 硅藻培養(yǎng)的平臺期至衰敗期揮發(fā)性成分的變化

威氏海鏈藻、小新月菱形藻和角毛藻平臺期與衰敗期的揮發(fā)性成分相比變化最大的均除烷烯烴類、醛類、醇類之外還有帶苯環(huán)的烴類化合物、乙酸乙酯等，在硅藻培養(yǎng)的衰敗期這些對環(huán)境不利的揮發(fā)性成分含量均有增加的趨勢。

在變化差異權(quán)重前20的揮發(fā)性物質(zhì)中，威氏海鏈藻和小新月菱形藻在兩個培養(yǎng)階段揮發(fā)性成分變化種類最多的為醛類物質(zhì)（見表4、5），分別有7種和6種。威氏海鏈藻和小新月菱形藻中，所有醛類物質(zhì)占總揮發(fā)性成分的相對百分含量由平臺期的32.33%、21.66%升高至46.80%、38.14%，其中2，4－戊二烯醛和2－辛烯醛這兩種不飽和醛在威氏海鏈藻和小新月菱形藻衰敗期取代壬醛成為含量最高的醛類物質(zhì)，威氏海鏈藻中分別高達12.18%、10.20%，小新月菱形藻中分別達到9.10%和8.58%。有研究證明，不飽和醛類物質(zhì)含量過高會對橈足類的飼養(yǎng)產(chǎn)生不利的影響［11］，因此，相比較前兩個階段，處于衰敗期的威氏海鏈藻和小新月菱形藻因不飽和醛類過高并不適合橈足類的餌料。此外值得注意的是，在平臺期相對百分含量顯著的壬醛，威氏海鏈藻中由9.01%下降到1.29%，小新月菱形藻中卻從8.01%下降到2.01%。

其他揮發(fā)性物質(zhì)中，小新月菱形藻和角毛藻中1－戊烯－3－醇在衰敗期的相對百分含量也有明顯降低，從而對這兩種藻的整體風味產(chǎn)生一定不利的影響［28］。此外，到衰敗期，小新月菱形藻中二甲基硫含量繼續(xù)升高（見表5），而角毛藻中二甲基硫的含量幾乎沒有變化，說明各種硅藻產(chǎn)生二甲基硫的能力和變化并非一致。

表4 威氏海鏈藻指數(shù)平臺期與衰敗期變化差異權(quán)重前20種的揮發(fā)性物質(zhì)Tab.4 Top 20 volatile components which significantly determine differences in Thalassiosira weissf logii samples bet ween stationary phas and declining phase

表5 小新月菱形藻指數(shù)平臺期與衰敗期變化差異權(quán)重前20種的揮發(fā)性物質(zhì)Tab.5 Top 20 volatile components which significantly determine differences in Nitzschia closterium samples between stationary phas and declining phase

與威氏海鏈藻和小新月菱形藻不同的是，角毛藻在進入衰敗期時，醛類物質(zhì)的含量并沒有呈現(xiàn)升高的趨勢，壬醛仍然是含量最高的醛類物質(zhì)，但醛類物質(zhì)的總含量僅為13.06%。在此時期，角毛藻的風味受其他物質(zhì)的影響更為明顯，其中在衰敗期揮發(fā)性成分變化較大的主要是酯類、烷烯烴類和一些苯環(huán)類化合物（表6）。在變化差異權(quán)重前20的揮發(fā)性物質(zhì)中，酯類物質(zhì)占了2種，分別為2－甲基－2－丙酸甲酯和乙酸乙酯，且這兩類酯在衰敗期時含量很高。烷烯烴類物質(zhì)占了8種，隨著角毛藻的培養(yǎng)進入衰敗階段，烷烯烴類物質(zhì)的含量在不斷地降低。特別要注意的是，3種硅藻在衰敗期乙酸乙酯含量都有顯著升高，角毛藻中2－甲基－2－丙酸甲酯的相對百分含量更是高達11.16%。酯是由醇和酸在微生物作用下酯化而成［37］，所以3種硅藻在衰敗期時由于微生物的大量滋長，對硅藻的風味特性會產(chǎn)生較大的影響。

表6 角毛藻指數(shù)平臺期與衰敗期變化差異權(quán)重前20種的揮發(fā)性物質(zhì)Tab.6 Top 20 volatile components which significantly determine differences in Chaetoceros calcitrons samples bet ween stationary phas and declining phase

續(xù)表6

表7 小新月菱形藻、威氏海鏈藻、角毛藻不同培養(yǎng)階段揮發(fā)性成分的鑒定結(jié)果Tab.7 The volatile components of Nitzschia closterium，Thalassiosir a weissf logii and Chaeteros calcitrons samples in different phases

續(xù)表7

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續(xù)表7

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