基于GC-IMS技術鑒別不同年份新會陳皮中的揮發性風味物質

梁天一，楊娟，董浩，于立梅，韓冰，曾曉房*

(1.哈爾濱商業大學 食品工程學院，哈爾濱 150028；2.仲愷農業工程學院 輕工食品學院，廣州 510225)

一種基于氣相色譜(gas chromatography，GC)和離子遷移譜(ion mobility spectrometry，IMS)的聯用技術逐漸應用于食品研究，該項技術通過整合二者在分離和檢測方面的優勢，形成具有高分辨率、高靈敏度、分析高效、操作簡便等特點的氣體快檢技術[1]。近年來，離子遷移光譜法已成為最成功和最廣泛使用的技術，用于檢測手提袋上的痕量硝基有機炸藥[2]。離子遷移譜中的基本問題一般對分析應用具有實際意義，特別是在三個方面具有組學意義。了解離子遷移率和碰撞截面值如何取決于碰撞氣體，電場和溫度對于確定它們在儀器平臺上的可轉移性至關重要。為了在工作流程中充分發揮離子遷移的潛力，必須預測新分析物的碰撞截面值。最后，理解氣相中離子結構的命運對于推斷基于氣相離子遷移率測量的溶液結構的有意義信息是必不可少的[3]。目前最新研究中，離子遷移率-質譜和低溫紅外光譜在單個儀器中組合，從而可以獲得由m/z、碰撞截面和IR指紋組成的數據集[4]。隨著儀器的進步、對IMS測量原理的理解以及發展、導致近年來其在各個領域的應用增加。

陳皮是蕓香科植物橘類或者由橘類變性栽種植物果皮干制而成的，是一種具有理氣和中、化痰止咳功效，適用于胸腹脹痛和嘔吐噦逆等病癥的中藥材[5]。但因其培育品種的不同，新會陳皮最為著名、昂貴。隨著陳化時間的增加，其品質和收藏價值也越高。這與其隨著陳化時間的增加而形成的特征性風味物質有很大關系。雖然裴亞萍[6]、陳榮榮[7]都通過GC-MS分析了不同陳化年份陳皮揮發性風味物質。但是國內應用GC-IMS技術分析不同陳化年份陳皮的揮發性風味物質的研究卻很少、GC-IMS 分析具有操作時間短、樣品用量少、操作快速、分離能力高、鑒定準確度高[8]，結果受主觀因素影響小。可信度和重復性高的優點[9]。并綜合了色譜法的分離能力和質譜的定性長處，可在較短時間內完成多組分混合物的定性和定量分析[10]，與電子鼻相反，可以檢測單一物質含量。所以，本研究通過GC-IMS技術研究不同陳化年份對陳皮風味物質形成的影響有一定的科研價值。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新會陳皮：廣東省江門麗宮國際食品股份有限公司。樣品處理：每個樣品做兩個平行，每個平行樣分別取0.5 g(精確到0.01 g)，直接置于20 mL頂空進樣瓶中，75 ℃孵育20 min后進樣。

1.2 儀器與設備

Flavour Spec 1H1-00053 型氣相離子遷移譜 德國 G.A.S.公司；CTC-PAL 自動進樣裝置 瑞士CTC Analytics AG公司；CLOT毛細管柱(30 m×0.25 mm×0.50 μm) 德國 CS Chromatographic Service GmbH 公司。

1.3 試驗條件

1.3.1 頂空進樣條件

頂空孵化溫度：75 ℃；孵化時間：20 min；進樣體積：500 μL，不分流模式；進樣針溫度：85 ℃；載氣：高純 N2(純度≥99.999%)， 孵化轉速：500 r/min。

1.3.2 氣相色譜條件

色譜柱類型：FS-SE-54-CB-1；色譜柱溫：75 ℃；運行時間：40 min；載氣：高純 N2(純度≥99.999%)；載氣流速：起始流速2 mL/min，2～15 min 線性上升至 15 mL/min，15～25 min 線性上升至100 mL/min。

1.4 數據處理

儀器配套的分析軟件包括LAV(Laboratory Analytical Viewer)和 Dynamic PCA插件、Gallery Plot插件、Reporter插件以及GC×IMS Library Search，可以分別從不同角度進行樣品分析。

2 結果與分析

2.1 12年陳皮樣品中的風味物質定性分析

揮發性風味物質的相對含量與風味特征之間無直接關系，其對總體風味的貢獻是由揮發性組分在風味體系中的濃度和感覺閾值共同決定的[11]。對12年陳皮的揮發性風味物質進行定性分析，其風味物質的分布情況見圖1。

圖1 GC-IMS定性分析Fig.1 Qualitative analysis of GC-IMS

其主要的風味物質有乙醇(Ethanol)、丙酮(Acetone)、己醛(Hexanal)、糠醛(Furfurol)、順-2-己烯-1-醇(cis-hex-2-en-1-ol)、正己醇(n-Hexanol)、環己酮(Cyclohexanone)、庚醛(Heptanal)、α-蒎烯(α-Pinene)、苯甲醛(Benzaldehyde)、辛醛(Octanal)、芳樟醇(Linalool)、正壬醛(n-Nonanal)、吡喃(Pyran)、苯乙酮(Acetophenone)、癸醛(Decanal)、反式-2-十一烯醛(trans-2-Undecenal)、正丁醇(n-Butanol)、雙戊烯(Limonene)、戊醇(Pentanol)、松油醇(Terpineol)、戊醛(Pentanal)、β-蒎烯(β-Pinene)、2-庚酮(2-Heptanone)為陳皮的主要揮發性風味物質。

表1 GC-IMS定性分析主要揮發性風味物質Table 1 Qualitative analysis of main volatile flavor substances by GC-IMS

續 表

由表1可知，反式-2-十一烯醛、癸醛、松油醇等是保留時間較長的一種風味物質，乙醇、丙酮等是遷移時間比較短的風味物質。

2.2 直接對比不同年份的陳皮樣品中的風味差異

圖2 直接對比不同年份的陳皮樣品中的風味差異Fig.2 Directly comparison of the flavor differences in tangerine peel samples with different years

由圖2可知，從不同年份陳皮的GC-IMS圖譜中得知，縱坐標代表氣相色譜的保留時間，橫坐標代表離子遷移時間。橫坐標1.0處豎線為RIP峰(反應離子峰，經歸一化處理)，RIP峰兩側的每一個點代表一種揮發性有機物，顏色越深表示濃度越大。

由圖3可知，為了更加明顯比較不同年份陳皮樣品的揮發性風味物質的差異，選取7年陳皮樣品的譜圖(C-2)作為參比，其他樣品的譜圖扣減參比。如果二者揮發性有機物一致，則扣減后的背景為白色，而黑色代表該物質的濃度高于參比，藍色代表該物質的濃度低于參比，整個譜圖代表了樣品的全部頂空成分。

由圖4可知，陳皮揮發性組分可以通過GC-IMS技術很好的分離，且可直觀看出樣品間的差異[12]。其中12年陳皮的揮發性風味物質明顯與其他3個年份不同，紅色部分較多，藍色部分較少。說明12年陳皮中的大部分揮發性風味物質的含量明顯高于其他3個年份，少部分的風味物質含量較低；1年陳皮中的萜烯類風味物質的含量明顯較低，其他一些物質的含量則比較高；3年陳皮中的風味物質與7年陳皮中的較為相似，在圖4中看不出明顯差別。

圖3 以C-2做參比的二維圖譜Fig.3 Two-dimensional graph with C-2 as a reference

注：因黑白印刷原因，無法辨別顏色，如有需要可向編輯部聯系索取，下同。

圖4 不同年份的陳皮樣品中的風味物質三維譜圖Fig.4 Three-dimensional graph of flavor substances in tangerine peel samples with different years

2.3 不同年份陳皮樣品風味物質指紋圖譜對比

由圖5可知，不同陳化時間揮發性組分可通過 GC-IMS 技術很好地分離，且可直觀看出不同陳化時間的揮發性物質差異，根據揮發性物質氣相色譜保留時間和離子遷移時間對揮發性組分進行定性分析。陳皮在陳化過程中，共計檢測出 53種揮發性物質，通過內置數據庫進行二維定性，確定了24種具體揮發性物質組成。為了更好地比較樣品之間風味物質的變化情況，框選這些風味物質的峰，形成樣品指紋圖譜進行對比[13]。

圖5中每一行代表一個陳皮樣品中選取的全部信號峰，每一列代表同一風味物質在不同年份的陳皮樣品中的信號峰。由圖5可知每種樣品的完整揮發物信息以及樣品之間風味物質的差異。整個指紋譜圖中，從上到下依次是1年陳皮-1、1年陳皮-2、3年陳皮-1、3年陳皮-2、7年陳皮-1、7年陳皮-2、12年陳皮-1、12年陳皮-2樣品，其中1年陳皮和12年陳皮中的風味物質相對于3年陳皮和7年陳皮樣品中的風味物質較為特別。由于上圖太小，而且峰太多不好分析，因此選取在這幾種樣品中存在明顯差異的揮發性有機物進行進一步分析。

由圖6可知，紅色框中A樣品的風味物質分別是這4個陳皮樣品相對于其他3個樣品中含量較高的物質；隨著陳化年份的升高，樣品紅色框中的風味物質越來越少。紅色框區域1中的物質，如：左旋玫瑰醚(cis-Rose oxide)、2-庚酮(2-Heptanone)、己醛(Hexanal)、苯甲醛(Benzaldehyde)、環己酮(Cyclohexanone)、戊醛(Pentanal)、正戊醇(n-Pentanol)等在1年陳皮中的含量比其他3個年份的高。紅色框區域2中的物質,如：1-己醇(1-Hexanol)、2-己醇(2-Hexanol)、辛醛(Octanal)、2-十一碳烯醛(2-Undecenal)、苯乙酮(Acetophenone)、2-丙醇(2-Propanol)等物質在12年陳皮樣品中含量相對比較高，在其他3個陳皮樣品中含量則相對較低。紅色框區域3中的物質庚醛(Heptanal)等物質在7年陳皮中含量相對較高，在其他3個陳皮樣品中含量較低。

由圖7可知，綠色框中的物質，如：α-蒎烯(α-Pinene)、檸檬烯(Limonene)、β-蒎烯(β-Pinene)、乙醇(Ethanol)等物質則是在3年、7年、12年陳皮樣品中含量較高，而1年陳皮中這些萜烯類物質的含量相對較少；并隨著年份的升高而升高。

黃色色框中的物質，如：松油醇(α-Terpineol)、癸醛(Decanal)、丙酮(Acetone)、芳樟醇(Linalool)等物質在3年、7年、12年陳皮樣品中含量較高，而1年陳皮中則很少有這些風味物質；且12年陳皮中的松油醇(Terpineol)和芳樟醇(Linalool)的含量要比3年和7年陳皮中的高一些；其他物質，如：糠醛(Furfurol)、環己酮(Cyclohexanone)、庚醛(Heptanal)、1-丁醇(1-Butanol)、己醛(Hexanal)、2-己醇(2-Hexanol)等物質則是在這4個陳皮樣品中都存在一些，只是在含量上有差異。其中醇類物質、醛類物質、烯烴類物質對陳化年份的揮發性有機物影響比較大。烴類化合物分子量大且閾值高，香氣不突出。烯烴中的萜類化合物閾值不高[14]。酚類是微生物通過復雜的作用機理，通過自然發酵方式形成的化合物，檢測結果顯示陳皮中含量很少[15]。酯類是主要的香氣貢獻物，大多具有花香或者果香，在檢測結果中并沒有體現[16]。陳皮最主要的風味物質還是醇、酮、醛三類。

圖5 不同年份陳皮的揮發性風味物質的指紋圖譜Fig.5 Fingerprint spectra of volatile flavor substances in tangerine peels with different years

圖6 局部指紋圖Fig.6 Local fingerprint spectra

圖7 局部指紋圖Fig.7 Local fingerprint spectra

2.4 不同年份的陳皮樣品的聚類分析

主成分分析是非監督類模式識別中的一種重要的分類方法，它是通過降維技術，根據貢獻率的大小，用少數幾個具有代表性的綜合指標代替多個原始變量的多元統計分析方法，如今該方法已廣泛應用于中藥指紋圖譜研究[17]。根據GC-IMS的二維和三維數據圖形化表達對陳化時間研究仍受到觀測者主觀認知的影響。通過對以VOCs種類為變量的高維數組進行維度壓縮，去除冗余信息和空間噪聲，用少量線性無關的綜合變量替代原有變量，并投影至較低維度的平面上，可便于對不同陳化時間的陳皮進行特征差異的可視化分析[18]。主成分分析法被許多研究者作為主要的分析工具，目的是簡化數據和揭示變量間的關系[19]。

圖8 主成分分析Fig.8 Principal component analysis

由圖8可知，選取所有峰進行PCA分析，其中：紅色圓點為1年陳皮樣品，綠色圓點為3年陳皮樣品，藍色圓點為7年陳皮樣品，黃色圓點為12年陳皮樣品。

由圖8可知，1年和12年的陳皮區分非常明顯，說明這兩個樣品的風味比較獨特，這與指紋譜圖中的樣品信號峰信息基本一致；而3年樣品和7年樣品聚類較為相近，說明這兩個樣品的風味比較相似。

3 結論

采用氣相色譜-離子遷移譜聯用系統，建立了不同年份的陳皮樣品風味物質的分析測試方法，并對所得的指紋圖譜進行了比較，得出結論：1年陳皮樣品和12年陳皮樣品中的風味物質相對于3年和7年陳皮樣品中的風味物質較為特別；而3年和7年樣品中的風味物質較為相似；且1年陳皮樣品中的萜烯類物質的含量相對較少，沒有其他3個陳皮樣品中的多，其中的左旋玫瑰醚、2-庚酮、己醛含量較其他3種陳皮高。而12年陳皮的特征性風味物質松油醇和芳樟醇明顯高于其他3個年份。采用 PCA可視化的統計學數據處理，選取所有的信號峰，根據不同陳化年份的陳皮揮發性風味物質的指紋圖譜，更直觀形象地呈現了不同陳化年份陳皮揮發性風味物質的區分情況。其中1年和12年陳皮的差異較大，3年和7年的陳皮聚類相似。通過分析不同陳化年份陳皮的揮發性風味物質可對陳皮的選材提供科學數據，為下一步的研究提供數據支撐。還可以進一步對不同產地的陳皮做風味物質研究，對未來陳皮的風味研究提供參考依據。