基于GC-IMS比較不同干燥方式對柴達木枸杞中揮發性物質的影響

高以丹，胡 娜，王洪倫*

1中國科學院西北高原生物研究所 青海省藏藥重點研究實驗室，西寧 810008；2中國科學院大學，北京 100049

枸杞(LyciumbarbaumL.)，為茄科(Solanaceae)枸杞屬(LyciumL.)的一種落葉小灌木，廣泛分布于我國西北地區，是寶貴的“藥食同源”型植物資源。枸杞果實顆粒飽滿，汁水豐富，微甜，富含甜菜堿、黃酮、枸杞多糖、胡蘿卜素、核黃素、抗壞血酸等多種活性成分[1,2]。枸杞果實作為中藥材被稱為“枸杞子”，據《本草綱目》記載，枸杞具有明目清肝，滋陰補腎、壯陽、降血糖、抗衰老和抗疲勞等作用；藏醫用枸杞子可治療由“心熱”引起的頭痛、健忘、失眠、情緒反常及婦科病等；現代醫學證明其具有增強免疫、降低血糖、抗氧化、延緩衰老、促進腫瘤細胞凋亡、降血脂等作用[3-8]。由于枸杞藥用價值高，但其鮮果易受微生物的侵染很難長期保存，目前枸杞都以干果的形式入藥，較常見的枸杞干果制作工藝主要包括曬干、熱風烘干、微波干燥和真空冷凍干燥等[9]。

氣味依然是目前判斷藥材優劣的重要手段之一，藥材中所含揮發性成分使藥材具有特有的氣味[10]，因此揮發性有機物質可作為評價藥材質量的重要指標。研究發現不同的干燥方式會對枸杞子中的某些化學成分產生不同程度的影響，進而導致枸杞子中揮發性有機物質發生顯著變化[9,11]。柴達木枸杞是青藏高原特有的中藥材之一，主要產出于柴達木盆地，因高原獨特的環境，受海拔氣候等地理因素的影響，柴達木枸杞的形狀、大小、色澤以及營養成分種類與含量上與其他枸杞有著顯著差異。先前Qu等[11]利用氣相色譜-質譜法(GC-MS)分別檢測了寧夏枸杞鮮果、曬干、烘干、凍干后的枸杞中的揮發性風味物質，并對各種風味成分進行主成分分析。從4種樣品中檢測到醇類、雜環類、烴類、酯類、醚類、酸類、醛類、酚類和酮類等9種揮發性成分，它們共同賦予了枸杞獨特的風味，枸杞經干燥后揮發性風味物質明顯增多。盡管研究已證實不同干燥方式對寧夏枸杞中揮發性成分具有影響，但不同干燥方式對柴達木枸杞中揮發性物質影響卻鮮有報道。同時由于GC-MS技術具有操作耗時較長，樣品前處理復雜等缺點，因此為更好地開展對枸杞揮發性成分的研究，亟需要建立一種適宜快速的現代檢測方法。

氣相色譜-離子遷移譜聯用技術(gas chromatography-ion mobility spectrometry，GC-IMS)是近年來新興的一種揮發性物質分析檢測技術[12-14]，它將氣相色譜與離子遷移譜相結合對樣品中揮發性成分進行快速檢測，與GC-MS技術相比，該技術具有更加快速靈敏、操作簡單，分析結果更加穩定等優點，同時無需任何特殊的樣品前處理，即可快速檢測痕量揮發性有機化合物[15-17]。GC-IMS技術目前可被應用于中藥材中揮發性有機物質鑒定，從而為藥材的質量評價和生產提供一定的理論參考。如Shi等[18]基于GC-IMS技術對側柏葉和不同炒制程度側柏炭的氣味進行檢測；Wang等[10]利用GC-IMS技術比較了不同干燥方式對太子參揮發性成分的影響；Lin等[19]利用GC-IMS技術監測加速破壞條件下苦杏仁揮發性物質變化；Liang等[20]基于GC-IMS技術鑒別了不同年份新會陳皮中的揮發性風味物質。因此本研究利用GC-IMS技術，對柴達木枸杞鮮果、自然陰干、熱風烘干、冷凍干燥以及微波干燥后的枸杞干果中的揮發性物質以及主要成分進行檢測分析，對比不同干燥方式對枸杞品質的影響，以期為后續柴達木枸杞子的質量評價和加工提供一定的參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

柴達木枸杞：采自青海省海西蒙古族藏族自治州都蘭縣諾木洪農場，選擇成熟度一致，大小和顏色均勻，無病害以及無機械損傷的鮮果，鮮果采后立即放入裝有冰袋的泡沫箱，一天內運抵實驗室進行后期處理。

1.2 儀器與設備

DGH-9140A電熱鼓風干燥箱(上海一恒科學儀器公司)；LGJ-10B真空冷凍干燥機(北京四環科學儀器廠)；ORW08S-2Z-1T微波干燥機(南京奧潤微波科技)；FlavourSpec?風味分析儀(GAS公司)。

1.3 實驗方法

1.3.1 樣品制備

樣品1(N-5)：隨機稱取無處理的，大小顏色均一的枸杞鮮果2 g，每組重復測定三次取平均值。

樣品2(5Z-1)：隨機稱取顏色大小均一的枸杞鮮果，將枸杞平鋪于干燥清潔的過濾網中，分為3組，在同一條件下放置于通風處自然陰干，10 d后待枸杞果實中水分不發生變化后，稱取制成的枸杞干果2 g，每組重復測定三次取平均值。

樣品3(5H-1)：隨機選擇顏色大小均一的枸杞鮮果，將枸杞平鋪于干燥清潔的過濾網中，分為3組，在同一條件下放置于烘箱中45 ℃溫度下烘干24 h，再在55 ℃溫度下烘48 h，最后在65 ℃溫度下烘36 h，待枸杞果實中水分不發生變化后隨機稱取枸杞干果2 g，每組重復測定三次取平均值。

樣品4(5W-1)：隨機選擇顏色大小均一的枸杞鮮果，將枸杞平鋪于干燥清潔的托盤中，分為3組，在同一條件下置于微波干燥機中，溫度設定為55 ℃，功率為550 W，干燥30 min待枸杞果實中水分不發生變化后，隨機稱取得到的枸杞干果后2 g，每組重復測定三次取平均值。

樣品5(5L-1)：隨機選擇顏色大小均一的枸杞鮮果，將枸杞平鋪于干燥清潔的托盤中，分為3組，在同一條件下置于真空冷凍干燥機中，溫度為-40 ℃，干燥6 d后待枸杞果實中水分不發生變化后取出，隨機稱取得到的凍干后的枸杞干果2 g，每組重復測定三次取平均值。

1.3.2 樣品前處理

直接稱取2 g枸杞置于20 mL頂空瓶中，60 ℃孵化15 min后進樣測試。

1.3.3 GC-IMS色譜條件

頂空進樣條件：自動取樣器的孵育溫度60 ℃，孵育時間15 min。自動頂空進樣加熱方式為振蕩加熱，振蕩速率500 r/min，注射針溫度85 ℃，進樣量500 μL。

GC條件：色譜柱：MXT-5型，柱長 15 m，內徑：0.53 mm，厚度：1 μm；色譜柱溫度設定為 60 ℃，載氣為N2(純度≥99.999%)，載氣流速設定為：初始流速為2.0 mL/min，保持2 min；在10 min 內增加到10.0 mL/min，接著在第20 min 時增加到100.0 mL/min。IMS條件：載氣為N2(純度≥99.99%)；流速150 mL/min；IMS 溫度45 ℃。

1.3.4 軟件分析

采用GC-IMS配套的軟件，將檢測出的揮發性有機物質的遷移時間和保留時間，通過與系統內置的氣相保留指數數據庫(NIST)和離子遷移譜數據庫(IMS)進行匹配，對揮發性成分進行定性分析。通過 laboratory analytical viewer(LAV)軟件獲得GC-IMS譜圖，對枸杞中揮發性有機物質進行分析。

2 結果與分析

2.1 不同干燥方式處理枸杞干果

枸杞鮮果和不同干燥方式處理后獲得的枸杞干果樣品如圖1所示，從處理條件上看，烘干和微波干燥條件下處理溫度較高，但耗時較短，微波干燥僅需30 min即可得到枸杞干果，而冷凍干燥法和自然則通過低溫或環境獲得枸杞干果，但缺點是耗時較長，除此之外，與其他條件相比，自然陰干法能夠大批量處理樣品。從感官上看，冷凍干燥后的枸杞顆粒較為飽滿，色澤鮮艷；而自然陰干和熱風烘干后的枸杞果實發生失水皺縮，顏色變為深紅色；微波干燥后的枸杞品質較差，失水較為嚴重，果皮顏色變為深紅色，部分出現微焦黃。

圖1 枸杞鮮果和不同干燥方式處理后獲得的枸杞干果Fig.1 Fresh L.barbarum fruits and dried L.barbarum fruits treated with different drying methods注：a：枸杞鮮果；b：自然陰干后的枸杞干果；c：熱風烘干后的枸杞干果；d：微波干燥后的枸杞干果；e：真空冷凍干燥后的枸杞干果。Note:a:Fresh L.barbarum fruits;b:Dry L.barbarum fruits after natural shade drying;c:Dry L.barbarum fruits after hot air drying;d:Dry L.barbarum fruits after microwave drying;e:Dry L.barbarum fruits after vacuum freeze drying.

2.2 不同干燥方式處理枸杞干果中揮發性有機物的氣相離子遷移譜分析

利用GS-IMS技術對其揮發性有機風味物質進行鑒定分析，采用差異對比模式得到枸杞鮮果以及不同干燥方式處理后的枸杞中揮發性有機物質的氣相離子遷移譜如圖2所示，水平方向表示離子遷移時間、豎直方向表示氣相色譜保留時間，左側為處理后的反應離子峰(RIP)，每個RIP峰兩側的每一個點代表一種揮發性有機物。顏色代表物質的濃度，白色表示濃度較低，紅色表示濃度較高，顏色越深表示濃度越大[21-24]。結果中可以看出枸杞中的主要揮發性有機物質在遷移時間0.8～1.8 ms和保留時間100～800 ms之間，每個樣品含有多個反應離子峰，說明不同干燥方式處理的枸杞中含有多種揮發性風味物質，但每種揮發性有機物質的濃度不同，圖中區域A和區域C中的揮發性有機物質的種類和含量在干燥后的枸杞中明顯減少，區域B中的揮發性有機物質的種類和含量增加，從圖中可以直觀地看出區域A和區域B中揮發性成分在冷凍干燥后的樣品中含量和種類均比其余干燥方式多，區域C中的揮發性成分在自然陰干的枸杞樣品中保留較多。

圖2 不同干燥方式處理后的枸杞干果中揮發性有機物的GC-IMS譜圖Fig.2 GC-IMS spectra of volatile organic compounds in dried L.barbarum fruits treated with different drying methods

2.3 不同干燥方式處理枸杞干果中揮發性有機物定性分析

盡管GC-IMS二維譜圖能夠直觀地顯示出不同干燥方式處理后獲得的枸杞干果中所含揮發性有機物主成分含量及差異，但無法對樣品中的單個物質做出準確的判斷，采用軟件內置的NIST和IMS數據庫通過氣相色譜的保留指數和遷移譜的相對遷移時間對不同干燥方式處理后的枸杞樣品中揮發性有機風味物質進行二維定性。不同干燥方式處理后的枸杞樣品中揮發性有機風味物質的定性結果如圖3和表1所示，根據每種物質特征峰的保留指數與遷移時間不同，共定性檢測出52種揮發性有機物質，其中醛類化合物17種，占比約為51.9%，酮類化合物8種，占比約為19.2%，醇類化合物6種，占比約為17.3%，除此之外還包括呋喃和酯類化合物等，在枸杞樣品中，醛類化合物、酮類化合物以及醇類化合物為其揮發性物質的主要組成成分。檢測過程中發現部分化合物在離子遷移譜中出現多個信號，這是由于部分成分同時檢測出其二聚體和單體，單體和二聚體為一種物質，但由于該類化合物濃度較高，促進電離區質子化分子與中性分子結合生成二聚體，同時由于化合物質子親和力高于水的質子親和力，從而導致反應物的質子向這類高質子親和力化合物轉移，進而生成二聚體或多聚體[18]。由于二聚體質量大于單體，因此同一物質保留時間相同，但在遷移管上的遷移時間不同。

表1 不同干燥方式處理后的枸杞干果中揮發性成分定性結果表Table 1 Qualitative results of volatile components in dried L.barbarum fruits treated with different drying methods

續表1(Continued Tab.1)

續表1(Continued Tab.1)

圖3 不同干燥方式處理后的枸杞干果中揮發性有機物定性分析Fig.3 Qualitative analysis of volatile organic compounds in dried L.barbarum fruits of treated with different drying methods

2.4 不同干燥方式處理枸杞干果中揮發性有機物的指紋圖譜對比

為了進一步研究不同干燥方式對枸杞中揮發性成分的影響，采用指紋圖譜進行分析。指紋圖譜能夠顯示不同樣品中所含揮發性有機物質的斑點強度從而進行分析比較，從而確定樣品中不同單個物質的變化[25,26]。不同干燥方式處理后枸杞中揮發性有機物的指紋圖譜如圖4所示，指紋圖譜中每一行代表一個枸杞樣品中選取的全部信號峰，每一列代表同一揮發性有機物在不同枸杞樣品中的信號峰，每個單元代表不同時間物質的含量，顏色代表揮發性化合物的含量，顏色越亮，含量越高[27]。

圖4 不同干燥方式處理后的枸杞干果中揮發性有機物的指紋圖譜Fig.4 Gallery plot of volatile organic compounds from dried L.barbarum fruits treated with different drying methods注：圖中化合物序號與表1一致；黃色標注的化合物為數據庫中沒有的物質，無法被定性。Note:The compound numbers in the figure are consistent with those in Table 1;Substances marked in yellow are substances not in the database and cannot be characterized.

將指紋圖譜中不同樣品的特征揮發性物質被分為A、B、C、D四個不同的區域，區域A中的物質包括反-2-壬烯醛、2,4-庚二烯醛、1-己醇、(E,E)-2,4-壬二烯醛、1-戊醇、異戊醇、3-羥基己酸乙酯、3-戊酮、1-辛烯-3-酮和庚醛等，與鮮果相比，這些物質在枸杞干燥后含量大幅下降，但不同干燥方式下含量差異不大。區域B中的部分物質在枸杞干燥后含量上升，其中乙酸乙酯在自然陰干后的枸杞中含量上升；糠醛在烘干和微波干燥后的枸杞中含量上升；癸醛、3-羥基-2-丁酮和壬醛在自然陰干、烘干和微波干燥后的枸杞中含量上升；丁酮和丁醛在自然陰干、烘干和真空冷凍干燥后的枸杞中含量上升。區域C中的物質在枸杞干燥后含量下降，其中2-庚酮在烘干、微波干燥和真空冷凍干燥后的枸杞中含量下降；順-4-庚烯醛、反-2-戊烯醛和己酸乙酯在自然陰干、烘干和微波干燥后的枸杞中含量下降；辛醛在真空冷凍干燥后的枸杞中含量下降。區域D中的物質在枸杞干燥后含量大幅下降，且在不同干燥方式下含量存在差異，其中反-2-庚烯醛、(E,E)-2,4-庚二烯醛、反-2-辛烯醛、2-正戊基呋喃、6-甲基5-庚烯2-酮、2-己烯醛、己酸甲酯、1-戊烯-3-酮、1-戊烯-3-醇和己醛等在真空冷凍干燥后的枸杞中的含量高于其他干燥枸杞；2-甲基丁醛和3-甲基丁醛在烘干和微波干燥后的枸杞中的含量高于其他干燥枸杞。

指紋圖譜不僅能夠準確顯示出枸杞中單個揮發性有機風味物質，并通過其圖譜上的光斑強度判斷不同揮發性有機物質在枸杞中的含量，圖中結果說明枸杞鮮果干燥后其內部會揮發性有機風味物質發生了顯著變化，同時不同干燥方式對枸杞種揮發性有機風味物質影響不同。

2.5 不同干燥方式處理枸杞干果樣品相似度分析

主成分分析(principal component analysis,PCA)是一種用于檢驗多個變量之間相關性的多元統計方法，其主要通過測試物中揮發性物質的信號強度來突出各樣品間的差異。不同干燥方式處理后枸杞干果樣品的主成分分析圖如圖5所示，以PC-1和PC-2分別為橫坐標與縱坐標作圖，PAC圖可以直觀顯示不同樣品間的差異，樣品之間距離近則代表差異小，距離遠則代表差異明顯。本研究結果顯示主成分累計貢獻率85%，其中第一主成分(PC1)貢獻率為71%，第二主成分貢獻率為14%。從圖中可以直觀地看出與鮮果相比，4種枸杞干果中，真空冷凍干燥后的枸杞中揮發性有機物的含量與枸杞鮮果較為接近，但與其他枸杞干果差異較大，而烘干和微波干燥后的枸杞干果的距離極為接近，說明二者中揮發性有機物含量非常相似。

圖5 不同干燥方式處理后的枸杞干果樣品的主成分分析圖Fig.5 PCA diagrams of dried L.barbarum fruits samples treated with different drying methods

同時，利用“最鄰近”指紋圖譜分析判斷樣本間的差異，該方法是一種基于距離判別的聚類分析方法，它指的是空間中兩點之間的真實距離，或向量的自然長度(即點到原點的距離)，反映了研究對象之間的親密程度[28]。不同干燥方式處理后枸杞干果樣品的“最近鄰”指紋分析如圖6所示，可以看出5L-1和N-5的距離相對接近，5W-1與N-5距離最遠，說明冷凍干燥后枸杞干果中揮發性成分與枸杞鮮果最為接近，而微波干燥后的枸杞干果中揮發性物質流失較多，與枸杞鮮果差異較大。這與指紋圖譜結果一致，進一步說明微波干燥法并不適用于枸杞干燥加工，而冷凍干燥法能夠最大程度保留枸杞中揮發性物質，使枸杞保持較高的品質。

圖6 不同干燥方式處理后的枸杞干果樣品的“最近鄰”指紋分析Fig.6 "Nearest neighbor" fingerprint analysis of dried L.barbarum fruits samples treated with different drying methods

3 討論與結論

本研究首次將GC-IMS 技術應用于不同干燥方式下柴達木枸杞的揮發性成分分析。通過采用自然陰干、熱風烘干、真空冷凍干燥以及微波干燥的方式處理柴達木枸杞鮮果，在我們處理的樣品中發現，自然陰干、熱風烘干以及冷凍干燥后的枸杞依然保持鮮艷的色澤，味微甜，而微波干燥后的枸杞樣品果實脆而小且色澤微黃，但是由于感官評價受到個人主觀性影響，因此利用GC-IMS技術對枸杞樣品氣味進行客觀性數據化的分析，比較了不同干燥方式對枸杞中揮發性有機物質的影響。通過該技術共從枸杞樣品中鑒定出52種揮發性有機物質，其中醛類化合物、酮類化合物以及醇類化合物為枸杞揮發性有機物主成分，結果Qu等[11]利用GC-MS檢測結果類似，但與GC-MS分析結果相比，本研究結果檢測出化合物數量更多，這可能是由于GC-IMS技術能夠準確檢測出低含量揮發性有機物質或柴達木枸杞與寧夏枸杞本身所含揮發性成分差異性所致。盡管GC-MS技術是揮發性有機物質分析的首選，但該技術樣品前處理復雜，數據分析繁瑣，對于組分相似或相近的物質分離能力存在局限性。而GC-IMS技術同時結合了GC和IMS技術的優勢，對于樣品無需進行前處理，分析周期短，同時還能夠對低含量的揮發性有機物質進行準確分析，因此GC-IMS技術在物質揮發性物質分析方面有著極大的優勢。

本研究發現，與枸杞鮮果相比，不同干燥方式處理后所得枸杞中的揮發性物質發生了顯著變化，說明不同干燥方式會顯著影響枸杞中揮發性有機風味物質。對4種干燥后的枸杞進行比較，發現真空冷凍干燥后的枸杞中揮發性有機風味物質的含量與枸杞鮮果較為接近，但與其他枸杞差異較大，而烘干和微波干燥后的枸杞干果中揮發性有機物含量非常相似。說明枸杞干燥過程中的環境溫度可能對枸杞樣品中揮發性有機物質種類和含量影響較大，枸杞作為中藥材之一，其中必然含有許多穩定性較差的揮發性成分，溫度升高后，這些成分遇熱被分解，這可能也是導致烘干和微波干燥后的枸杞中揮發性有機物質含量較為相似的原因之一，從指紋圖譜中可以看出，烘干和微波干燥后醇類化合物含量減少，可能是由于醇類化合物沸點較低，隨著溫度的升高而被蒸發，此外高溫條件下某些醇類化合物易發生酯化或氧化生成酮和醛，這可能是干燥后的枸杞樣品中某些醛類化合物和酮類化合物含量升高的原因之一。微波干燥后的枸杞中酯類化合物含量顯著降低。而冷凍干燥后的枸杞中無論是醛類化合物、酮類化合物以及醇類化合物的含量均高于其他干燥方式處理后的枸杞，從結果中可以看到該方法能夠將枸杞中揮發性有機風味物質種類與含量維持在最接近枸杞鮮果的水平，這可能是由于冷凍干燥處于較低的溫度中，減緩了果實中化學反應的發生，因此使不夠穩定的揮發性成分被保留下來。

本研究發現微波干燥和熱風干燥對柴達木枸杞中揮發性有機物質影響最大，而冷凍干燥的處理方式能夠將枸杞中揮發性物質最大程度保留下來，除此之外，由于微波干燥和冷凍干燥對加工設備要求較高，增加了枸杞加工成本，而自然陰干處理方式對環境要求較高，因此盡管熱風干燥后的枸杞揮發性有機物質流失較大，但由于其成本低，可大批量處理，依然是目前枸杞干燥的主要方式。綜上所述，本研究建立了不同干燥方式下柴達木枸杞中揮發性成分的GC-IMS快速分析方法，通過比較不同干燥方式對柴達木枸杞中外觀形態、揮發性成分種類及含量的影響，確定微波干燥法并不適用于枸杞干果的加工處理，冷凍干燥法作為能夠最大程度保留枸杞中揮發性有機物質的最有效方式，但如何降低其加工成本成為日后亟需解決的問題。

綜上，本研究建立了一種利用GC-IMS分析柴達木枸杞中揮發性有機物質的方法，并通過比較不同干燥方式對枸杞中揮發性有機物質的影響，結果發現干燥后的枸杞種揮發性有機物質發生了顯著變化，確定冷凍干燥法能夠最大程度保留枸杞中揮發性有機物質，較適宜于枸杞的干燥加工。