基于電子鼻與氣質聯用法分析牛蒡的揮發性成分

任漢書，鄭媛媛，趙瑞璇，魏祥玉，董紅敬*，劉峰，段文娟，鄭振佳

(1. 廣饒縣中醫院，山東 東營 370523；2.山東省中藥質量控制技術重點實驗室，山東省分析測試中心，山東 濟南 250014)

基于電子鼻與氣質聯用法分析牛蒡的揮發性成分

任漢書1，鄭媛媛1，趙瑞璇2，魏祥玉2，董紅敬2*，劉峰2，段文娟2，鄭振佳2

(1. 廣饒縣中醫院，山東 東營 370523；2.山東省中藥質量控制技術重點實驗室，山東省分析測試中心，山東 濟南 250014)

牛蒡具有特異性風味，生鮮牛蒡容易引起不適癥狀，蒸制是古籍記載的重要處理方式。研究采用電子鼻(FOX 4000)與氣質聯用(GC-MS)對蒸制前后的牛蒡進行了揮發性成分分析，結合特征響應點分析、主成分分析(PCA)和定性差異分析對蒸制前后的牛蒡進行區分。結果表明，FOX 4000可以準確區分兩種樣品，區分指數DI為100%；通過GC-MS從生鮮和蒸制牛蒡中分別檢測出22和25種揮發性成分，主要為有機酸、酯、醛、烯、醇、酮、酚、烷烴等，共有成分有8種，分別為丁醛、戊醛、己醛、2-正戊基呋喃、正戊醇、1-己醇、二氫呋喃-2-酮、環己烯。該研究為食品整體風味評價和香氣成分檢測提供了一種有效的方法。

牛蒡；揮發性成分；電子鼻；氣相色譜-質譜

牛蒡(ArctiumlappaL.)為菊科兩年生草本植物，其根富含菊糖、蛋白質、維生素和膳食纖維等[1-3]，是一種營養豐富的高檔蔬菜，在我國江蘇的豐縣、沛縣和山東省的蒼山等地區大量種植[4-5]。《本草綱目》記載其“通十二經脈，除五臟惡氣”、“久服輕身耐老”[6]。現代醫學研究證明，牛蒡有健脾胃、清熱解毒和保護血管等功效，尤其對糖尿病、性機能減退、肥胖癥等病癥具有明顯療效[7-12]。牛蒡具有特異性風味，會引起部分人群的不愉悅感覺。《本草綱目》等古籍記載“根須蒸熟曝干用，不爾，令人欲吐”。王曉等[13-14]通過GC-MS技術分析其揮發性成分主要為有機酸、酯、醛、醇、酮、烯、烷烴等化合物，但引起“令人欲吐”感覺的相關風味成分分析未見報道。另外，從生鮮和熟制角度出發對牛蒡進行揮發性成分的差異分析研究也尚未開展。

電子鼻是能夠感知和識別氣味的電子仿生系統，能對各樣品的整體香氣特征進行比較[15-16]，GC-MS能對樣品中風味物質的種類和含量進行檢測[17-18]，二者聯用可以從宏觀和微觀對食品風味進行綜合評價，目前已在花椒、南瓜、茶葉和魚肉等食品的風味分析中得到很好地運用[19-23]。本文采用電子鼻與GC-MS聯用，分別對生鮮和蒸制后牛蒡的揮發性成分進行模糊比較識別及差異分析，針對古籍記載的“令人欲吐”這一說法進行相關成分的初步探尋，同時為牛蒡的深加工和其他食品中揮發性成分的分析提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

牛蒡購于江蘇沛縣軼偉食品有限公司，品種為柳川理想。

1.2 儀器與設備

FOX 4000電子鼻系統(法國 Alpha MOS)；AL 104-1C型電子天平(瑞士Mettler Toledo)；7890-5795C GC-MS聯用儀(美國Agilent)，SPME萃取頭為50/30 μm DVB/CAR/PDMS (2 cm)。

1.3 方法

1.3.1 樣品制備

準確稱量3.0 g生鮮牛蒡和蒸制牛蒡，分別用研缽研碎后裝至20 mL頂空瓶中，壓蓋密封，備用。每個樣品制備6個平行樣。

1.3.2 電子鼻測定條件

檢測參數見表1。

表1 電子鼻檢測參數表

1.3.3 GC-MS測定條件

SPME條件：樣品量3 g，萃取溫度40 ℃，萃取時間20 min，解吸時間20 min。

GC條件： HP-5MS毛細管色譜柱(30 m×0.25 mm，0.25 μm)；載氣(He)；流速1.5 mL/min，不分流進樣，進樣口溫度250 ℃；柱溫50 ℃，保持2 min，3 ℃/min至220 ℃，保持1 min。

MS條件：接口溫度280 ℃；離子源溫度230 ℃；電子電離源；電子能量70 eV；質量掃描范圍35～500 u。

1.4 數據分析

1.4.1 電子鼻數據分析

考察18根傳感器的重復性，在此基礎上進一步提取特征響應點并進行主成分分析。

1.4.2 GC-MS數據分析

對電子鼻PCA結果進行驗證，結合GC-MS定性結果對生鮮牛蒡和蒸制牛蒡揮發性成分進行定性和相對含量分析。

2 結果與分析

2.1 電子鼻測試結果

2.1.1 傳感器響應重復性測試

FOX 4000電子鼻傳感器分為P&T型和LY型兩種，P、T、LY型傳感器分別有6根傳感器，18根傳感器自上而下分布分別為：LY2/LG、LY2/G、LY2/AA、LY2/GH、LY2/gCTL、LY2/gCT、T30/1、P10/1、P10/2、P40/1、T70/2、PA2、P30/1、P40/2、P30/2、T40/2、T40/1、TA2。在進行差異分析之前，需要對傳感器響應樣品信號的重復性進行驗證，要求每根傳感器經過6次重復測試的相對標準偏差在20%以內。重復測試結果見表2，根據所得數據可知18根傳感器的相對標準偏差均在20%以內，表明所有傳感器數據均可用于后續分析。

表2 電子鼻傳感器重復測試的相對標準偏差

2.1.2 特征響應點分析

傳感器陣列特征響應圖的差異在一定程度上反映了樣品香氣差別，不同樣品在各傳感器波峰或波谷處的響應器信號圖差異見圖1。從圖1中可看出，不同傳感器對牛蒡揮發性成分的響應差異明顯，LY型傳感器對該樣品的揮發性成分幾乎無響應，而T型和P型的響應曲線幅度有明顯的波動，區分比較明顯。

圖1 不同樣品在傳感器特征響應點的信號圖 Fig.1 The signal of different samples under characteristic response point from all sensors

2.1.3 主成分分析

主成分分析后的主成分得分能夠反映樣本間的相似性和獨特性，每個樣本對應不同主成分有不同得分值。由圖2可知，第一主成分(PC1)的區分指數為99.79%接近100%，說明可以根據第一主成分推斷樣品是否存在差異及差異大小；同一處理方式的樣品電子鼻數據在主成分分析圖上較為集中，說明通過本研究設定的牛蒡香氣采集條件使數據重復性較高，代表性較強；同時，由第一主成分分析結果可知，牛蒡根在蒸制處理前后，揮發性成分的構成或含量差別較大，具體差異情況可以通過GC-MS手段進行驗證。

蒸制牛蒡NBZ-x, x=1,2,3,4,5,6; 生鮮牛蒡NBX-x, x=1,2,3,4,5,6。第一主成分 PC1的區分指數為99.79%；第二主成分PC2的區分指數為0.169%。圖2 蒸制牛蒡與生鮮牛蒡主成分分析結果Fig.2 The PCA results of steamed and fresh Arctium lappa L.

2.2 GC-MS結果

2.2.1 定性分析

由圖3可知，生鮮牛蒡和蒸制牛蒡揮發性成分差異較大，與電子鼻PCA分析結果一致。從出峰時間來看，生鮮牛蒡揮發性成分的出峰時間主要集中在前30 min，而蒸制牛蒡揮發性成分的出峰時間主要集中在40 min以后；從出峰數量來看，生鮮牛蒡為22種，蒸制牛蒡為25種。

圖3 GC-MS總離子流圖 Fig.3 The TIC results of GC-MS

2.2.2 揮發性成分相對含量分析

將生鮮牛蒡和蒸制牛蒡質譜TIC圖經標準數據庫檢索與人工推測相結合分別鑒定出22、25個成分，用峰面積歸一化法測定各成分相對含量，見表3、表4。由表3～4可知，生鮮牛蒡和蒸制牛蒡均含有多種揮發性有機酸、酯、醛、烯、醇、酮、酚、烷烴等，與文獻中報道較為一致[13-14]。由圖4的分析可知，兩者共有成分有8種，分別為丁醛、戊醛、己醛、2-正戊基呋喃、正戊醇、1-己醇、二氫呋喃-2-酮、環己烯。

表3 生鮮牛蒡定性與定量分析結果

表4 蒸制牛蒡定性與定量分析結果

3 結論

本研究以牛蒡的生鮮和蒸制樣品為研究對象，采用FOX4000電子鼻及GC-MS對其揮發性成分進行區別分析。研究發現,FOX4000可以準確區分兩類樣品；通過GC-MS進一步分析發現蒸制前后牛蒡的揮發性成分主要為有機酸、酯、醛、烯、醇、酮、酚、烷烴等。生鮮和蒸制牛蒡的共有成分8種，差異性成分40種，其中差異成分根據相對含量的高低主要為烯、酮、酯、醛等化合物，生鮮樣品中主要揮發性成分的相對含量為1-已醇(81.93%)、丁醛(4.47%)和環丁酮(3.14%)，蒸制后主要揮發性成分為環己烯(32.29%)、1,3-環辛二烯(26.69%)、二氫呋喃-2-酮(13.88%)、2-庚烯(7.24%)、十二碳二烯丙酸酯(3.54%)和環丙基甲醛(1.95%)、己醛(1.88%)，主成分之間的差異很可能是“令人欲吐”的主要原因，次要成分的差異則影響香氣的整體柔和度。電子鼻結合氣質聯用的方法一方面可以快速確定并闡明牛蒡樣品香氣間是否具有差異及其引起差異的具體原因，另一方面，在牛蒡及其制品的香氣檢測、品質鑒定、產地判別、質量控制等方面具有重要意義。此外，后續研究將通過GC-MS-O等進一步分析、確定牛蒡中的香氣成分，為牛蒡香氣比對分析、活性香氣指紋圖譜建立提供更完整的科學數據，同時也為其他食品整體風味分析提供思路。

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The volatile components analysis ofArctiumlappaL. based on electronic nose and gas chromatography-mass spectrometry

REN Han-shu1, ZHENG Yuan-yuan1, ZHAO Rui-xuan2, WEI Xiang-yu2,DONG Hong-jing2*, LIU Feng2, DUAN Wen-juan2, ZHENG Zhen-jia2

(1.Guangrao Traditional Chinese Medicine Hospital, Dongying 370523, China; 2. Shandong Provincial Key Laboratory of TCM Quality Control Technology, Shandong Analysis and Test Center, Jinan 250014, China)

∶ArctiumlappaL. has a specific flavor, the fresh one is easy to cause unpleasant symptoms, and steaming is an important way to deal with it in ancient books. FOX 4000-electronic nose and gas chromatography-mass spectrometry were used to analyze the volatile components inArctiumlappaL.before and after steaming.Based on the characteristic response point analysis, principal component analysis (PCA) and qualitative difference analysis,ArctiumlappaL. before and after steaming was distinguished. The results indicated that the fresh and steamedArctiumlappaL. could be successfully identified after being analyzed by FOX 4000-electronic nose, and the index DI is 100%. Furthermore, 22 and 25 volatile components were detected from fresh and steamedArctiumlappaL., respectively, containing organic acid, ester, aldehyde, alkene, alcohol, ketone, phenol and alkane. Among the above compounds, butyraldehyde, valeraldehyde, hexanal,2-hydroxy-pentyl tetrahydrofuran, 1-pentanol, 1-hexanol, 2-furanone and cyclohexene are the 8 common constituents of those two ingredients. The study provided an effective method for the overall flavor evaluation and aroma components detection of food.

∶ArctiumlappaL.; volatile components; electronic nose; gas chromatography-mass spectrometry

10.3976/j.issn.1002-4026.2017.04.002

2017-05-05

山東省自然科學基金(ZR2014YL005，ZR2013HM075)

任漢書(1988—)，男，碩士，研究方向為中藥炮制。

*通信作者，董紅敬，博士，助理研究員，研究方向為天然產物化學。Tel：0531-82605319,E-mail：donghongjing_2006@163.com

R284.1；TS207.3

A

1002-4026(2017)04-0006-07