基于HS-GC-IMS和HS-SPME-GC-MS技术对电水动力（EHD）干燥大蒜产品的挥发性气味特征进行分析

《Food Research International》：Volatile odor characterization of electrohydrodynamically (EHD) dried garlic products based on HS-GC-IMS and HS-SPME-GC-MS

大蒜干燥过程中，电hydrodynamic（EHD）干燥、热风干燥（HAD）和空气干燥（AD）对挥发性有机物（VOCs）、生物活性成分及结构特性的影响被系统研究。结果表明，EHD因非热机制显著提升硫化合物（如DADS、DATS）4.97–12.37倍（p<0.05），并保留8–20%更高的蛋白质有序构象，优于HAD/AD的醇类积累；17kV优化生物活性，21kV实现高效干燥（Deff=3.24±0.17×10^-10 m2/s，6.5h）但导致膜破坏及VOC损失。

　　

彭关|左伟|宋志清|车传强|陈浩|贾云|秦春旭|卢静莉|丁长江

内蒙古工业大学电力学院，中国呼和浩特010051

摘要

本研究系统地探讨了电水动力（EHD）干燥、热风干燥（HAD）和空气干燥（AD）对大蒜片中的挥发性有机化合物（VOCs）、生物活性成分及结构特性的影响。通过使用HS-SPME-GC-MS和HS-GC-IMS进行互补分析，分别鉴定出了56种和109种VOCs。结果表明，EHD在保留硫化物、脂质衍生物、酮类和萜烯方面表现优异，而HAD和AD则更有利于醇类的积累。定量HPLC分析显示，EHD显著提高了二烯丙基二硫化物（DADS）和三硫化物（DATS）的含量（比AD高4.97–12.37倍，p<0.05），这归因于其非热处理机制。结构分析表明，EHD处理后的大蒜蛋白质二级结构保持得更好（有序构象增加了8–20%）。优化实验确定17 kV为最佳电场强度，此时干燥效率最高（Deff=3.24±0.17×10^-10 m^2/s，6.5小时），但该电场强度会导致膜破坏和VOCs的等离子体介导损失。这些发现揭示了电水动力干燥过程中大蒜的干燥特性和风味形成机制。

引言

大蒜（Allium sativum L.）因其独特的风味和丰富的生物活性成分（如大蒜素、硫醚类）而在食品和医药领域具有重要应用（Xu等人，2024年）。其挥发性风味物质主要由含硫化合物组成（如二烯丙基二硫化物等），这些化合物不仅赋予大蒜辛辣香气，还与其抗氧化、抑菌和免疫调节功能密切相关（Cardinali等人，2024年）。然而，新鲜大蒜的水分含量较高（约65%），且组织易受损，导致其保质期较短，因此干燥和加工成为提高稳定性和拓展应用范围的关键环节。传统干燥技术（如热风、红外线）能有效降低水分活性，但高温或长时间处理常导致热敏性生物活性成分（如大蒜素）降解或挥发性有机化合物（VOCs）流失，难以兼顾质量和效率（Catanzaro等人，2022年）。

近年来，电水动力（EHD）干燥作为一种新型非热处理技术受到了广泛关注。其原理是利用高压电场使气体离子化，加速水分迁移，具有低温（接近室温）、能耗低、不会对材料表面造成热损伤等优点，特别适合用于干燥热敏性农产品（Wang等人，2024a）。研究表明，EHD能有效保留水果和蔬菜干燥过程中的颜色、质地及部分营养成分，但其对大蒜挥发性风味物质的影响机制尚不明确（Onwude等人，2021年）。由于大蒜风味化合物对温度、氧化和酶反应非常敏感，EHD的低温特性可能为减少硫化物转化或挥发提供新途径，但电场作用是否会导致特定挥发性成分的方向性变化仍需系统研究。

目前，大多数关于干燥过程中VOC检测的研究依赖于单一分析技术。气相色谱-质谱（GC–MS）因其强大的分离能力和丰富的光谱库而被公认为风味分析的金标准，但在检测微量成分和区分异构体方面存在局限性（Chen等人，2025a）。相比之下，气相色谱-离子迁移谱（GC-IMS）具有高灵敏度（ng/L）和二维分离机制（保留时间×漂移时间），能够有效区分结构相似的物质（如硫化物醚类异构体），无需复杂预处理，从而弥补了GC–MS在捕捉微量和动态挥发物方面的不足（Xie等人，2023年）。目前，尚未有研究结合GC–MS和GC-IMS方法对电水动力干燥过程中大蒜气味的进行全面分析。

本研究利用GC–MS和GC-IMS系统地分析了电水动力（EHD）干燥处理后大蒜片中挥发性风味化合物的变化，并通过HPLC定量测定了大蒜素含量。通过比较不同电场强度下关键挥发性有机化合物（VOCs）的保留率（特别是硫化物、醛类和酮类），阐明了EHD对大蒜风味的影响机制。此外，本研究还旨在识别差异性标志物，并评估EHD与传统热风干燥之间的风味差异。这些发现为优化EHD工艺参数和将非热处理技术应用于风味敏感型农产品提供了理论依据。

实验材料

实验材料

大蒜来自呼和浩特当地农场，坐标为50°N, 37°E。选取的大蒜瓣完整无病，大小均匀。手动去皮后，用去离子水冲洗三次以去除表面灰尘。使用工业切片设备（SS-250，广州，中国）将大蒜切成直径6 mm、厚度2 mm的圆柱形切片。所有样品存放在4°C条件下，并在3天内使用（图S10）。

干燥方法

表1

电场建模

...

放电特性

EHD的放电模式如图1a-c所示，d-f展示了伏安特性。针尖下区域的放电强度反映了电离区的大小和光发射强度，随着电压的增加，放电区域和强度也随之增大。EHD系统采用正弦波电压波形和丝状放电电流波形。一方面，会发生正流式电晕放电

结论

总结来说，本文利用HS-SPME-GC–MS和HS-GC-IMS比较分析了三种干燥方法（电水动力（EHD）干燥、热风干燥（HAD）和空气干燥（AD）处理后大蒜片中的VOCs。通过HS-SPME-GC–MS鉴定出56种VOCs。分析结果表明，EHD干燥在保留硫化物和脂质衍生物方面更有效，而HAD和AD干燥则使醇类含量升高。HS-GC-IMS分析进一步证实了这一结果

作者贡献声明

彭关：撰写初稿、软件开发、方法设计、数据整理、概念构思。左伟：验证结果、数据分析、数据整理。宋志清：方法设计、概念构思。车传强：项目监督、资源提供。陈浩：项目监督、资源提供。贾云：项目监督、资源提供。秦春旭：撰写、审稿与编辑、实验设计、数据分析。卢静莉：项目管理、实验设计、数据分析。丁长江：撰写、审稿与编辑、资源提供，

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（项目编号12365023、52567018和12265021）、内蒙古自治区高校青年科技人才计划（项目编号NJYT23020）以及内蒙古自治区自然科学基金（项目编号2023LHMS05019和2024LHMS05010）的支持。同时，作者特别感谢韩秉阳博士在实验准备阶段提供的宝贵帮助