《LWT》：Flavor evolution analysis of sugarcane water at critical processing stages based on sensor fingerprints and volatile compound profiles
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为阐明工业甘蔗水(SW)生产过程中风味体系的动态演化，研究通过采集活性炭(AC)、反渗透(RO)和臭氧(O3)处理等关键工艺段样品，结合E-Nose、E-Tongue和HS-SPME-GC-MS分析，系统解析了SW风味轮廓的演变路径，筛选出8个标志性挥发性有机物(VOCs)和6个关键香气活性化合物(OAV>1)，明确了关键工艺对SW感官品质的决定性作用，为SW风味调控与工艺优化提供了科学依据。
在全球非酒精饮料市场向健康和功能化转型的浪潮中，源于甘蔗的植物水作为一种天然、低糖、富含植物风味和功能成分的“新兴水”，正日益受到关注。在传统制糖工业中，甘蔗汁浓缩过程中会产生大量甘蔗水，常被当作废水处理，这造成了优质水资源的巨大浪费。广西大学的研究团队成功开发了基于陶瓷膜澄清技术的甘蔗水生产技术，并已实现工业化生产，为甘蔗资源的高值化利用开辟了新途径。然而，工业甘蔗水的独特风味是如何形成的？在生产过程的不同关键工艺阶段，其风味轮廓又是如何动态演化的？这些问题尚无系统研究，而这一知识空白对保障工业化生产中甘蔗水风味的稳定性构成了重大挑战。
为了全面阐明甘蔗水风味系统及其在净化与杀菌过程中的动态演变，研究人员收集了原始水、活性炭处理、一级反渗透、二级反渗透及臭氧杀菌等关键工艺段的样品，运用多种先进分析技术，对风味的“气味”和“味道”两方面进行了精细的、阶段解析的指纹图谱与化学标记物识别研究，以期从科学上理解并调控甘蔗水风味轮廓的形成。
研究主要运用了以下关键技术方法：
- 1.
电子鼻(E-Nose)：采用便携式PEN3电子鼻，利用其10个金属氧化物半导体传感器阵列获取样品的整体香气指纹谱，通过主成分分析(PCA)等方法区分不同工艺阶段的香气轮廓差异。
- 2.
电子舌(E-Tongue)：使用TS-5000Z味觉分析系统，通过多种化学传感器阵列（如GL1对应甜味，C00对应苦味等）量化样品的综合味觉特征值，分析甜、苦、鲜、涩等基本味觉及其在加工过程中的变化。
- 3.
顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用(HS-SPME-GC-MS)：采用DVB/CAR/PDMS萃取纤维，在优化的条件下富集样品中的挥发性成分，经GC-MS分离鉴定，共检出46种挥发性有机物。通过比较保留指数和质谱图与NIST.20谱库进行定性，并以环己酮为内标进行半定量分析。
- 4.
多变量统计分析：采用偏最小二乘判别分析(PLS-DA)筛选出区分不同工艺阶段的标志性挥发性化合物（VIP>1）；通过计算气味活度值(OAV)识别出对整个香气有贡献的关键香气活性化合物（OAV≥1）。
3.1. 电子鼻分析
电子鼻雷达图和PCA分析清晰地揭示了香气轮廓的演变过程。原始水的雷达图面积最大，对多种传感器响应强烈，表明其挥发性化合物浓度和多样性最高。经过活性炭和两级反渗透处理后，传感器响应值逐步降低，这与活性炭的物理吸附和反渗透膜的截留效应相符。PCA结果进一步确认了这一点，样品点沿PC1轴逐步移向负值区域。然而，臭氧处理阶段，样品点则出现在一个全新的区域（PC2正轴方向），与W1C、W3C、W5C、W6S等传感器呈现强正相关。这强有力地证明，臭氧处理并非简单去除剩余化合物，而是通过氧化反应生成了全新的挥发性副产物，从根本上重塑了最终的香气指纹谱。如图2和图3所示，电子鼻雷达图和PCA得分图直观地展示了这一显著的空间分离。
3.2. 电子舌分析
通过电子舌量化了各工艺段样品的味觉特征值。原始水的味觉以甜味和苦味为主导，并伴有微弱的鲜味和涩味。活性炭处理显著降低了甜味和苦味，这归因于其对糖类、酚类等呈味物质的吸附。有趣的是，随后的反渗透处理并未继续降低这些味道，反而使甜味和苦味的响应值“反弹”至接近原始水的水平。研究认为，这并非甜味或苦味物质浓度的真实增加，而是一种“伪反弹”现象，主要是由于反渗透高效去除了溶液基质中的离子和小分子物质，改变了溶液的离子强度等物理化学环境，从而影响了电子舌传感器的响应灵敏度。最终，臭氧处理使甜味响应值达到整个过程中的最高峰，这可能是臭氧氧化降解了某些掩蔽甜味的物质，或产生了能增强甜味感知的新化合物。如图4的雷达图所示，各阶段味觉轮廓的动态变化一目了然。
3.3. 关键工艺段挥发性有机物分析
通过HS-SPME-GC-MS共鉴定出46种VOCs，包括醇、酮、醛、烷、芳烃、酯、醚等类别。原始水中，醇类含量最为丰富。在活性炭和反渗透阶段，醇类物质被显著去除。与此形成鲜明对比的是，臭氧处理后，醛类和醚类物质的含量急剧上升，并成为最终甘蔗水中最主要的挥发性物质类别。这表明臭氧的强氧化性导致了前体物质（如残留的醇类、不饱和脂肪酸等）的转化，生成了新的醛、酮等氧化产物，彻底改变了挥发性物质的组成。如图6所示，各阶段挥发性化合物类别含量的堆叠图和韦恩图直观地展示了这种动态演变。
3.4. 关键工艺步骤对关键香气化合物的影响
通过PLS-DA模型，从浓度数据矩阵中筛选出八个VIP值大于1的标志性化合物。基于OAV分析，在整个加工过程中识别出六个关键香气活性化合物。原始水的特征香气由王醛（柑橘/脂肪香）、2-甲基丁酸甲酯（果香）和乙醛（辛辣/青草香）共同决定。活性炭处理通过吸附作用基本去除了乙醛的贡献，但增强了王醛的气味活度，可能与去除了某些大分子对王醛的“基质抑制”有关。反渗透处理降低了王醛的OAV，但对2-甲基丁酸甲酯影响不大。最终，臭氧处理剧烈重塑了香气谱：王醛的OAV飙升至30.4，同时新产生了辛醛、庚醛和2-庚酮等OAV大于1的关键香气化合物，它们的贡献与王醛一起，将最终甘蔗水的整体香气轮廓转向了典型的青草、脂肪和柑橘类香气特征。如图8和图9所示，PLS-DA模型、VIP分析、层次聚类热图和PCA分析，从多角度印证了关键香气化合物在不同工艺阶段的分布与贡献差异。
4. 结论与讨论
本研究系统阐明了甘蔗水在关键工业生产阶段风味特性的动态演化规律。风味轮廓的演变并非简单的线性去除过程，而是物理吸附、膜分离筛选和化学氧化反应共同作用的结果。原始水的风味以甜、苦味和特定的挥发性成分为特征。活性炭和反渗透处理主要发挥“衰减”作用，削弱了原始风味指纹，但反渗透带来的溶液基质变化可能导致传感器响应发生“伪反弹”。臭氧处理则是决定最终产品风味特性的关键“重塑”步骤，它通过氧化反应生成了大量新的醛类等香气活性物质，并伴随甜味感知的显著增强。最终，工业化生产的甘蔗水呈现出以甜味为主导的味觉特征，以及以青草、脂肪和柑橘类香气为核心的独特香气轮廓。
这项研究的意义在于，首次提供了甘蔗水生产过程中风味动态演化的系统科学图景，不仅填补了该领域的知识空白，更重要的是为精准调控和优化甘蔗水的生产工艺、稳定和提升其感官品质提供了直接的理论依据和实用指导。例如，明确了臭氧处理是塑造最终风味的关键，这提示生产者可以通过精确控制臭氧处理参数（如浓度、时间）来定向调控产品的香气特征。同时，研究对反渗透后甜、苦味“反弹”现象的科学解释，也有助于正确理解工艺对产品真实味觉组成的影响，避免误判。该研究成果为推进甘蔗这一重要经济作物的高值化综合利用、开发具有中国特色的高端植物水产品奠定了坚实的科学基础。
