基于氣相離子遷移譜的不同產地生姜揮發(fā)性有機物指紋圖譜分析

郭家剛，楊 松，丁思年，伍玉菡，朱 倩，杜京京，江 艦,

（1.安徽省農業(yè)科學院農產品加工研究所，安徽 合肥 230031；2.安徽谷瑞農業(yè)科技開發(fā)有限公司，安徽 六安 231380）

生姜（Zingiber officinaleRoscoe）為姜科多年生草本植物根莖，具有獨特的辛辣味，是傳統(tǒng)的藥食兩用經濟作物[1-3]。生姜中不僅含有蛋白質、維生素、膳食纖維等人體必需營養(yǎng)物質，而且富含揮發(fā)油、姜辣素、黃酮和多糖等多種生物活性成分[4]，具有消炎[5]、抑菌[6-8]、抗氧化[9-10]、抗癌[11]和預防肥胖[12]等作用，在食品、醫(yī)藥和化妝品等領域均有較高的應用價值[13-14]。我國生姜種質資源豐富，分布廣泛，生姜栽培面積和出口量均位居世界第一[15]，且優(yōu)質品種繁多，有云南小黃姜、銅陵白姜、萊蕪片姜、舒城黃姜、遵義白姜等地方特色品種[16]。不同產地生姜品種，受地域差異、氣候環(huán)境和生產條件的影響，生姜的品質和風味具有一定的差異。生姜的特征揮發(fā)性風味物質不僅是指導消費者采購的重要感官指標之一，而且是影響生姜品質和加工特性的重要因素，其成分及含量對生姜精深加工和綜合利用起十分關鍵的作用[17]。因此，建立一種能夠快速反映生姜風味品質并對其特征風味物質進行鑒別的分析方法，是目前生姜品質評價亟待解決的問題。

電子鼻、氣相色譜-質譜聯用、氣相色譜-嗅聞技術是目前常用的揮發(fā)性物質分析方法，國內外學者運用這些技術手段在生姜揮發(fā)性成分研究方面取得了重要進展[18-22]。隨著現代儀器分析技術的發(fā)展，新的技術手段被應用到揮發(fā)性物質分析，氣相離子遷移譜（gas chromatography-ion mobility spectrometry，GC-IMS）是近年發(fā)展起來的一項分析技術，該技術將GC的高分離度與IMS的高靈敏度相結合，通過頂空進樣分析固體或液體的頂空成分，可對目標化合物進行無損定性分析，因其具有操作簡單、分析周期短、靈敏度高等優(yōu)點，已經廣泛應用于果蔬、肉類、乳品飲料等的產地溯源、品質評價、食品摻假[23-28]等領域，而將GC-IMS用于生姜揮發(fā)性風味物質的分析研究鮮見報道。

本研究以安徽銅陵、臨泉和舒城的3 個不同主產地生姜品種為研究對象，采用GC-IMS技術結合相關性分析和主成分分析（principal component analysis，PCA）法對其特征風味進行測定與分析，構建安徽不同產地生姜特征風味物質GC-IMS庫，以期確定不同產地、不同品種生姜特征風味物質，為生姜品質評價、產地溯源與加工品種的選育提供理論依據和參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

生姜分別采自安徽省3 個主產地，均為管理水平良好的基地，具體信息見表1，采收生姜成熟度一致，每個品種生姜樣品采集后，由塑料包裝袋包裝并立即送至實驗室，用去離子水洗去表面污濁物，在室溫下風干，制漿后，置于－18 ℃冰箱密封貯藏，備用。

表1 不同產地生姜樣品采集信息Table 1 Information about ginger samples from different regions

丁酮、2-戊酮、2-己酮、2-庚酮、2-辛酮、2-壬酮（均為分析純） 北京國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

JYL-Y92高速破壁料理機 九陽股份有限公司；ME204電子顯示天平 梅特勒-托利多（上海）儀器有限公司；Milli-Q去離子水發(fā)生器 美國Millipore公司；20 mL頂空進樣瓶 上海安譜實驗科技股份有限公司；Flavour Spec?GC-IMS聯用儀（配有CTC PAL RSI自動頂空進樣器） 德國G.A.S.mbH公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品處理

每個品種生姜樣品經解凍、勻漿后，分別稱取待測樣各1.00 g置于20 mL頂空進樣瓶中，密封后備用，每個生姜樣品做3 個平行，用于GC-IMS分析。

1.3.2 GC-IMS測定條件

采用自動頂空進樣方式；頂空孵化溫度40 ℃；孵化時間15 min；孵化轉速500 r/min；頂空進樣針溫度85 ℃；進樣量500 μL，不分流模式；色譜柱FS-SE-54-CB-1柱（15 m×0.53 mm，1 μm）；柱溫70 ℃；分析時間30 min；載氣為高純氮氣（純度≥99.999%）；柱流速初始為2 mL/min，保持2 min，2～10 min柱流速線性增加至10 mL/min，10～20 min柱流速線性增加至100 mL/min，20～30 min柱流速線性增加至130 mL/min；漂移管溫度45 ℃；飄逸氣為高純氮氣（純度≥99.999%）；飄逸氣體流速150 mL/min；IMS檢測器溫度45 ℃。

1.4 數據處理

采用儀器配置的LAV（Laboratory Analytical Viewer）分析軟件，根據保留時間和遷移時間，與GCIMS Library Search軟件內置的NIST數據庫和IMS數據庫比對進行特征風味物質定性分析，并使用正酮C4～C9（2-丁酮、2-戊酮、2-己酮、2-庚酮、2-辛酮、2-壬酮）計算保留指數（retention index，RI），作為外標對鑒定結果進行驗證，RI按下式計算：

式中：tx為化合物x的保留時間/s；tn和tn＋1分別為正酮n和正酮n＋1的保留時間/s（tn＜tx＜tn＋1）。

Reporter和Gallery插件程序構建揮發(fā)性有機物的差異圖譜和指紋圖譜；Dynamic PCA plug-ins插件程序進行相似度分析與PCA。采用軟件Excel對數據進行處理，化合物含量為歸一化后的相對峰體積，采用Origin 9.0軟件進行統(tǒng)計分析與作圖。

2 結果與分析

2.1 不同產地生姜揮發(fā)性物質差異對比

采用GC-IMS儀器LAV分析軟件中的Reporter插件程序對不同產地生姜揮發(fā)性成分進行三維對比，結果見圖1。紅色垂直線表示反應離子峰。反應離子峰兩側的每一個點代表一種揮發(fā)性成分，以點的顏色和面積表示揮發(fā)性成分含量大小，點的顏色越深、面積越大表示該物質含量越高，紅色點表示物質含量較高，而白色點表示含量較低，圖1可以直觀比較不同產品生姜的揮發(fā)性成分差異。

圖1 不同產地生姜揮發(fā)性成分三維GC-IMS分析譜圖Fig.1 Three-dimensional GC-IMS spectra of characteristic flavor compounds in ginger samples from different regions

如圖2所示，3 個不同產地生姜揮發(fā)性成分可以通過GC-IMS技術得到較好分離檢測，不同產地生姜之間揮發(fā)性物質的組成差別不大，對于具有相同保留時間和遷移時間的揮發(fā)性物質（同一化合物），不同產地生姜的含量存在較大差異，具有各自不同的特征譜信息。圖中方框區(qū)域的揮發(fā)性成分在不同產地生姜中含量差異較大，其中紅色區(qū)域內揮發(fā)性成分在銅陵生姜中含量較高，在舒城生姜中含量相對較低；而黃色區(qū)域內的揮發(fā)性成分在舒城生姜中含量相對較高，在其他產地生姜中含量較低。

圖2 不同產地生姜揮發(fā)性成分二維GC-IMS分析譜圖Fig.2 Two-dimensional GC-IMS spectra of characteristic flavor compounds in ginger samples from different regions

2.2 生姜揮發(fā)性風味成分GC-IMS定性分析

通過比較不同產地生姜揮發(fā)性風味成分的保留時間和遷移時間，使用外標正酮C4～C9作為參考，計算揮發(fā)性物質的RI，并利用GC-IMS中Library Search內置的NIST 2014數據庫和IMS遷移時間數據庫進行匹配，從而對揮發(fā)性風味物質進行定性分析。3 個產地生姜樣品共檢出揮發(fā)性物質96種，根據數據庫定性分析后，可以定性檢出60種揮發(fā)性風味物質，如表2所示，主要包括萜烯類14種、醛類16種、醇類9種、酯類8種、酮類6種、酸類4種、醚類2種、吡嗪類1種，其中有些化合物同時檢測出了單體和二聚體，甚至三聚體和多聚體。

表2 不同產地生姜特征風味物質定性分析Table 2 Qualitative analysis of characteristic flavor compounds in ginger samples from different regions

續(xù)表2

3 個產地生姜中揮發(fā)性風味物質種類基本一致，但不同種類化合物所占比例略有區(qū)別。通過峰體積歸一化法測得銅陵生姜中萜烯類占34.95%，酸類占26.07%，酯類占15.24%，醛類占11.62%，醇類占5.17%，酮類占2.87%，醚類占4.00%，吡嗪類占0.07%；臨泉生姜中萜烯類占34.76%，酸類占24.47%，酯類占14.39%，醛類占12.14%，醇類占5.21%，酮類占3.96%，醚類占5.01%，吡嗪類占0.07%；舒城生姜中萜烯類占34.86%，酸類占27.26%，酯類占9.45%，醛類占14.91%，醇類占5.42%，酮類占4.61%，醚類占3.38%，吡嗪類占0.11%。金合歡烯是生姜中重要的萜烯類風味物質，有花香并伴有香脂香氣[29-30]，約占萜烯類化合物的50%以上，其在3 個產地生姜中的含量無顯著性差異，其中銅陵生姜中相對含量為14.28%，臨泉生姜為14.94%，舒城生姜為14.57%。

2.3 不同產地生姜特征風味GC-IMS指紋圖譜分析

不同產地、品種生姜特征風味指紋圖譜的構建可為生姜品質評價和產地溯源提供有效手段。為進一步分析比較不同產地生姜樣品之間揮發(fā)性風味化合物之間的差異，采用LAV分析軟件中Reporter和Gallery Plot插件構建不同產地生姜特征揮發(fā)性成分的指紋圖譜，以識別不同產地生姜的特征峰區(qū)域。

由圖3可知，不同產地生姜的揮發(fā)性風味化合物分布不同，各自有特征峰區(qū)域，同時也存在共同區(qū)域。a區(qū)域為銅陵生姜的特征風味物質區(qū)域，包括乙酸異戊酯、乙酸龍腦酯、月桂烯等物質。b區(qū)域為臨泉生姜的特征風味物質區(qū)域，包括1-己醇、2-己烯醇、香茅醇、庚醛、壬醛、2-庚酮、2-壬酮、丁酸戊酯、3,4-二甲基苯甲醚等物質。c區(qū)域為舒城生姜的特征風味物質區(qū)域，包括芳樟醇、乙醇、檸檬醛、(E)-2-辛烯醛、戊醛、苯甲醛、乙酸乙酯、己酸丙酯、辛酸、2-乙酰基呋喃、甲基吡嗪、丙酮等物質。d區(qū)域為銅陵生姜、臨泉生姜和舒城生姜的共同風味物質區(qū)域，包括金合歡烯、(E)-2-癸烯酸、α-萜品醇、桉樹醇、α-甲基芐醇、2-甲基-1-丙醇、莰烯、α-蒎烯、β-蒎烯、(E)-2,4-辛二烯醛、(E)-2,4-庚二烯醛、正己醛、丁基硫醚、己酸等物質。

圖3 不同產地生姜揮發(fā)性成分指紋圖譜Fig.3 Fingerprints of volatile components of ginger from different production areas

2.4 不同產地生姜相似度與PCA

采用LAV軟件對不同產地生姜的揮發(fā)性成分進行相似度分析，結果見表3。同一產地生姜的各平行樣品之間揮發(fā)性風味物質的相似度都在94%以上。銅陵生姜和臨泉生姜樣品揮發(fā)性成分的相似度為84%～90%，銅陵生姜與舒城生姜樣品揮發(fā)性成分的相似度為70%～76%，臨泉生姜和舒城生姜樣品揮發(fā)性成分的相似度為71%～75%。由此可知，銅陵生姜和臨泉生姜樣品之間的揮發(fā)性風味物質之間的差異較小，而舒城生姜與銅陵生姜、臨泉生姜之間的揮發(fā)性風味物質均存在較大差異。

表3 不同產地生姜揮發(fā)性風味物質的相似度Table 3 Similarity of volatile flavor components in ginger from different regions%

PCA可以簡化數據并揭示變量間的相互關系，其作為一種多元統(tǒng)計分析技術已廣泛應用于果蔬品質差異分析[31]。根據不同產地生姜揮發(fā)性風味物質離子遷移指紋圖譜和特征峰圖，采用Dynamic PCA plug-ins軟件進行PCA處理，可以更直觀地判別區(qū)分不同產地生姜。由圖4可知，PC1貢獻率為62%，PC2貢獻率為25%，PC1和PC2的累計貢獻率為87%，表明PC1、PC2總貢獻率包含了生姜樣品的大部分信息，能代表生姜樣品揮發(fā)性風味的主要特征。從圖4可以看出，舒城生姜和銅陵生姜距離最遠，表明這2種生姜之間的風味存在較大差異，而銅陵生姜和臨泉生姜距離較近，表明這2種生姜之間的風味差異較小。PCA結果表明，GC-IMS分析結果能夠較好地判別和區(qū)分不同產地（銅陵、臨泉、舒城）的生姜。

圖4 不同產地生姜PCA圖Fig.4 Principal component analysis of ginger samples from different regions

3 結 論

本研究采用GC-IMS分析技術檢測銅陵生姜、臨泉生姜和舒城生姜3 個安徽不同產地生姜的揮發(fā)性風味物質，共鑒定出60種化合物，主要包括萜烯類、醛類、酸類、醇類、酯類等成分。通過構建生姜GC-IMS風味指紋圖譜，明確了安徽不同產地生姜的特征風味物質。利用相關性和PCA處理，不同產地生姜樣品得到了較好區(qū)分。GC-IMS分析技術具有簡單、快速、無損等優(yōu)點，可為生姜揮發(fā)性風味物質分析及不同產地、不同品種生姜的風味鑒別和品質評價提供理論依據和技術支持。