基于氣相離子遷移譜技術分析太和香椿的揮發性成分

楊松,郭家剛,伍玉菡,朱倩,杜京京,江艦*,丁之恩

1(安徽省農業科學院農產品加工研究所, 安徽 合肥, 230031)2(安徽農業大學 林學與園林學院, 安徽 合肥, 230036)3(亳州學院 生物與食品工程系, 安徽 亳州, 236800)

香椿[Toonasinensis(A.Juss.) Roem]為楝科香椿屬(Toona)樹種，是我國特有的珍貴多功能樹種。香椿在我國分布非常廣泛，從北到南均有其蹤跡，其種植中心區域為黃河流域和長江流域之間。香椿樹本身具有綠化功能，嫩芽可以作為蔬菜食用，樹皮、根皮、種子可入藥，具有較高的經濟價值[1-2]。安徽省太和縣種植香椿的歷史非常悠久，唐代時即被作為貢品，故太和縣生產的香椿又被稱為“貢椿”，2019年獲批國家農產品地理標志產品。目前，太和縣主要種植的香椿主要依據芽葉的顏色不同來區分，當地習慣將芽葉顏色偏紫的稱為黑油椿[Toonasinensis(A.Juss.)Roem‘Heiyouchun’]、偏紅的稱為紅油椿[Toonasinensis(A.Juss.) Roem ‘Hongyouchun’]，偏綠的稱為青油椿[Toonasinensis(A.Juss.) Roem ‘Qingyouchun’]，其中以黑油椿風味、口感最佳[3-4]。

近年來，隨著香椿產業規模的不斷擴大，研究學者對香椿的研究也逐漸深入，主要集中在種質資源分類、功能性成分提取、營養特性和加工過程中特征風味變化規律等方面。ZHAN等[5]采用SSR標記技術對29個中國香椿居群的遺傳多樣性和親緣關系進行分析，并將29個居群劃分為2個遺傳譜系，為香椿的種質資源保護和人工育種奠定了基礎。XU等[6]從香椿芽乙酸乙酯提取物中分離鑒定了8種黃酮類化合物，并考察了其抗氧化和抑制α-葡萄糖苷酶活性的能力，結果表明，香椿芽中的黃酮類化合物均具有顯著的抗氧化作用和α-葡萄糖苷酶抑制活性。ZHAI等[7]采用氣相色譜-嗅聞(gas chromatograph-olfactometry，GC-O) 技術和氣相色譜-質譜聯用(gas chromatograph-mass spectrometry，GC-MS)技術相結合的分析方法鑒定了香椿主要風味物質，并研究了不同干燥方式對不同顏色香椿風味物質的影響，結果表明，熱風干燥的香椿的平均氣味活性值最低，真空冷凍干燥的平均氣味活性值最高，而太陽能干燥居中。然而，現有報道中對安徽特色香椿資源的品質分析研究非常少見。因此，本研究分析安徽省太和縣主栽的3種香椿揮發性成分差異，以期為安徽特色香椿的快速鑒定、加工利用和品種定向選育提供理論依據。

氣相色譜離子遷移譜(gas chromatography-ion mobility spectrometry, GC-IMS)技術是一種新的食品揮發性成分分析手段，它將離子遷移譜技術和氣相色譜技術結合，相比GC-MS、GC-O等食品揮發性成分檢測技術，具備了高靈敏度和高分離度的雙重特性[8-9]。近幾年，隨著GC-IMS技術的日益成熟，研究學者將其應用在食品揮發性成分分析方面的研究報道越來越多，主要有食品揮發性組成分析[10-11]、食品參偽檢測[12-14]、加工工藝對食品風味的影響[15]等方面。目前，關于香椿中揮發性成分分析的研究主要采用GC-MS、GC-O等檢測技術[16-18]，而應用GC-IMS技術對香椿揮發性成分進行分析的研究尚未見報道。

本研究以太和縣主栽的3種香椿為研究對象，采用GC-IMS技術分析鑒定香椿樣品的揮發性物質組成，對比3種香椿的揮發性成分差異，建立特征揮發性組分指紋圖譜，可為安徽特色香椿資源的開發利用和品種快速分類鑒定提供理論數據和有效手段。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

試驗用香椿原料采自太和縣苗圃場。3種香椿原料均按照代表性原則于4月初在香椿嫩芽剛萌發時采樣。采集后當天，液氮速凍，并迅速轉移到-80 ℃ 冰箱保存備用。具體樣品編號信息見表1。

表1 香椿樣品編號信息表Table 1 Information of Toona sinensis samples

1.2 儀器與設備

ME204電子顯示天平，梅特勒-托利多(上海)儀器有限公司；Flavour Spec?氣相色譜-離子遷移譜聯用儀配CTC PAL RSI自動頂空進樣器，德國G.A.S公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 樣品處理

香椿自然解凍后，切碎，待測。

1.3.2 GC-IMS條件

頂空進樣條件：孵育溫度40 ℃；孵育時間10 min；孵化轉速500 r/min；進樣針溫度85 ℃；進樣量500 μL。

GC條件：色譜柱FS-SE-54-CB-1柱(15 m×0.53 mm,1 μm)；柱溫60 ℃；分析時間35 min；載氣：高純氮氣(純度≥99.999%)；流速：初始為2 mL/min，保持2 min，2～20 min線性增加至100 mL/min后，保持20 min。

IMS條件：漂移管溫度45 ℃；漂移氣：高純氮氣(純度≥99.999%)；漂移氣體流速150 mL/min；IMS檢測器溫度45 ℃。

1.4 數據處理

運用儀器配套的分析軟件(laboratory analytical viewer，LAV)和3款插件(Reporter、Gallery Plot、Dynamic PCA)對樣品數據進行分析。運用LAV分析軟件查看分析樣品譜圖；運用Reporter和Gallery Plot插件對比不同樣品譜圖差異和構建指紋圖譜；運用Dynamic PCA插件進行主成分分析(principal component analysis,PCA)，獲得樣品分類圖。

運用GC-IMS Library Search軟件內置的NIST數據庫和IMS數據庫對樣品中檢測到的揮發性物質進行定性分析。

2 結果與分析

2.1 三種香椿中揮發性成分氣相離子遷移譜圖對比

采用GC-IMS分析方法對3種不同類型的太和香椿中的揮發性物質進行檢測分析，結果見圖1和圖2。圖1為運用LAV軟件和Reporter插件分析獲得的香椿揮發性成分三維譜圖。圖1中，橫坐標代表離子漂移時間，縱坐標代表氣相色譜的保留時間。圖1中的垂直線高度代表揮發性物質峰值的強度，離子峰兩側的每個點代表一種物質。峰的顏色代表每種揮發性物質相對含量，顏色越深代表此種物質在香椿中所有揮發性成分中的相對含量越高，反之則相對含量越低[19]。

圖2是將GC-IMS三維譜圖投影到二維平面的俯視圖，能夠直觀看出3種不同種類的太和香椿揮發性物質的差異。由圖2可以看出，香椿中的揮發性物質可以通過GC-IMS技術實現很好的分離，3種不同的太和香椿在GC-IMS特征譜信息上呈現了一定的差異(圖2中紅色框所示)，且同一種物質的相對含量也出現了較明顯差異(圖2中黃色框所示)?？子畹萚16]采用氣相色譜-嗅聞-質譜聯用法分析比較了不同種源色型香椿的揮發性物質差異，發現不同色型的香椿中揮發性成分具有明顯差異。由此可以推測，本研究中的3種香椿在揮發性成分上存在差異可能是由于研究樣本屬于不同品種的香椿，其遺傳信息、代謝物合成途徑等內在因素略有不同，導致3種香椿的揮發性物質含量存在一定差異。

2.2 三種太和香椿中揮發性物質定性分析

運用GC-IMS Library Search軟件，根據氣相色譜保留時間和離子漂移時間，對香椿中檢測出的揮發性物質進行鑒定。使用6種正酮C4-C9作為外標物質，計算每種物質的保留指數，再與軟件內置NIST數據庫和IMS數據庫進行比對匹配，從而鑒定出樣品中揮發性物質組成。在香椿樣品中共計檢測出揮發性物質74種，經數據庫比對，鑒定出47種(單體和二聚體僅統計1次)，詳細物質信息見表2。由表2可以看出，被鑒定出的揮發性物質包括醛類7種、酯類5種、酮類5種、醇類11種、酸類4種、雜環類10種，呋喃類2種，醚類2種，萜烯類化合物1種。3種香椿的揮發性物質中醇類化合物的相對含量最高，其次是雜環類和酯類。2-己烯醇在3種香椿中的相對含量均超過30%。2-己烯醇在自然界的植物中廣泛存在，具有濃郁的果香、蔬菜香和青草香。由此可以推測，3種太和香椿在風味上更多表現為1種青香、酯香。這與張杰[20]結果基本一致。此外，3個香椿品種中共鑒定出7種含硫化合物，其相對含量分別為：黑油椿(11.9%)、紅油椿(13.22%)、青油椿(12.74%)。根據文獻報道[21]，這些化合物具有較低的氣味閾值，是香椿特殊風味的重要貢獻者。

圖1 三種香椿揮發性物質三維氣相離子遷移譜圖Fig.1 GC-IMS 3D topographic of volatile compounds in three types of Toona sinensis

圖2 三種香椿揮發性物質氣相離子遷移二維譜圖Fig.2 GC-IMS 2D topographic of volatile compounds in three types of Toona sinensis

2.3 三種太和香椿中揮發性物質指紋圖譜構建

為了能夠直觀地比較樣品間揮發性化合物差異，利用設備自帶的LAV軟件中的GalleryPlot插件，生成3種太和香椿的揮發性化合物指紋圖譜(圖3)。圖中，橫軸為樣品中檢測出的揮發性物質，其中數字表示化合物未被鑒定出；縱軸為香椿樣品(每行為1個樣品的指紋圖譜，每個樣品做2個重復)；每個圓點代表一種揮發性物質，點顏色的深淺和點面積代表物質的相對含量，顏色越深、面積越大表示該物質的含量越高[22]。

圖中B區紅色框標注出的為黑油椿樣品中特征揮發性物質，主要有1,2-丙二醇、2-乙基苯酚、1-辛烯-3-醇、苯甲酸甲酯、2-乙基呋喃、2-正戊基呋喃、3-羥基-2-丁酮、α-側柏烯等，這些物質在黑油椿中的相對含量明顯高于其他2種香椿，尤其是α-側柏烯，其相對含量明顯高于青油椿和紅油椿樣品。圖中R區紅色框中標出的是紅油椿樣品中特征揮發性成分，主要有丙烯醛、2-己烯醇、丙酸、己酸、2,5-二甲基噻吩、甲基乙基硫醚、糠基硫醇、四氫噻吩等，這些物質在紅油椿中的相對含量明顯高于其他2種香椿。圖中G區紅色框標出的是青油椿樣品中特征揮發性成分，主要有5-甲基糠醛、乙酸乙酯、γ-壬內酯、1-辛烯-3-酮、5-甲基-2-呋喃甲醇、苯甲醇、乙酸、2-甲基噻吩、苯酚、4-乙基愈創木酚、二乙二醇二甲醚等，這些物質在青油椿中的相對含量明顯高于其他2種香椿。由圖3可以看出，3種香椿的揮發性組分相似度較高，其揮發性成分從物質種類上看并無差異，但是某些組分在樣品中的相對含量存在較明顯的差異。這可能是由于3種香椿的遺傳背景、生長條件和種植方式均存在較大的相似度造成的。趙麗麗等[23]發現，產地相同的香椿在風味物質組成上具有較高的相似度。

圖3 三種香椿揮發性物質指紋圖譜Fig.3 Fingerprint of volatile organic compounds in three types of Toona sinensis

表2 三種香椿特征風味物質定性分析信息Table 2 Qualitative analysis of characteristic flavors in three types of Toona sinensis

2.4 三種香椿中揮發性物質主成分分析PCA

PCA是一種降維數學統計方法，通過對變量的高維數組進行降維處理，在根據主成分因子在各樣品中的貢獻率來評價樣本之間的規律性和差異性，能夠更加直觀地看出樣品之間的差異[24]。本研究以3種香椿樣品的氣相離子遷移譜數據為變量，采用儀器自帶的Dynamic PCA插件對數據進行主成分分析，結果見圖4。圖4中，不同顏色的點代表不同種類的香椿樣品，顏色相同的點代表同一種香椿樣品。由圖4可以看出，第一主成分(PC1)貢獻率為58%，第二主成分(PC2)貢獻率為36%，PC1和PC2累計貢獻率為94%，說明主成分分析的降維處理保留了各樣品揮發性物質中的主要信息，分析結果有效[25]。由圖4還可以看出，相同種類的香椿樣品聚在一起，表示試驗的重復性較好，而不同種類的香椿樣品間隔較遠，且沒有重疊區域，說明采用GC-IMS技術結合主成分分析法能夠很好地從揮發性物質組成上判別和區分3種太和香椿。

圖4 三種香椿主成分分析結果圖Fig.4 Principal component analysis results of three types of Toona sinensis

2.5 相似度分析

采用儀器自帶的LAV軟件對3種香椿樣品進行相似度分析，結果見表3。由表3可知，同種香椿的重復樣品之間揮發性組分信息的相似度均在90%以上，3種不同種類的香椿其揮發性組分相似度也在70%以上。相似度最高的樣品是青油椿和紅油椿樣品，其平均相似度接近80%，相似度最低的樣品是青油椿和黑油椿，其平均相似度為72.75%。

表3 三種香椿揮發性成分的相似度評價Table 3 Similarity of volatile components in the three types of Toona sinensis

3 結論

本文采用GC-IMS技術分析了安徽省太和縣主栽的3種香椿中揮發性成分的差異，并且構建了不同香椿特征風味物質的指紋圖譜。結果表明，采用GC-IMS技術分析香椿中揮發性成分，共計檢測出74種化合物，與數據庫匹配后鑒定出化合物47種，主要包括醛類、酯類、酮類、醇類、酸類、雜環類、呋喃類、醚類、萜烯類化合物，其中醇類物質最多。通過儀器自帶的GalleryPlot和Dynamic PCA插件構建3種香椿揮發性成分特征指紋圖譜，并對數據進行PCA分析，可以直觀看出不同香椿揮發性成分的差異。本研究可為安徽特色香椿的品質評價、種類區分和摻假鑒別提供一種快速、有效的手段，對香椿資源利用和定向育種具有較高的理論參考意義。