基于GC-IMS技術(shù)分析不同品種沙棘真空冷凍干燥果粉揮發(fā)性成分

連雅麗,孟新濤,楊永興,楊海燕,張 婷,車?guó)P斌,馬 燕

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與藥學(xué)學(xué)院,烏魯木齊 830052;2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品貯藏加工研究所/新疆主要農(nóng)副產(chǎn)品精深加工工程技術(shù)研究中心,烏魯木齊 830091;3.新疆沙棘工程技術(shù)研究中心,新疆哈巴河 830000)

0 引 言

【研究意義】沙棘果粉是一種新型營(yíng)養(yǎng)健康的產(chǎn)品,風(fēng)味獨(dú)特、易貯運(yùn)、方便沖調(diào)、加工用途廣泛[1,2]。風(fēng)味是評(píng)價(jià)產(chǎn)品品質(zhì)的重要指標(biāo),尤其是風(fēng)味濃郁的沙棘果粉,揮發(fā)性香氣物質(zhì)是構(gòu)成產(chǎn)品特征風(fēng)味的物質(zhì)要素,不同品種沙棘果粉的揮發(fā)性香氣物質(zhì)不同,對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)影響也不同。分析不同品種沙棘果粉的揮發(fā)性香氣物質(zhì),對(duì)提升產(chǎn)品品質(zhì)具有重要意義[3]。【前人研究進(jìn)展】食品揮發(fā)性物質(zhì)的檢測(cè)、分析常使用色譜技術(shù)、質(zhì)譜技術(shù)、電子鼻等[4,5]。前期采用氣相色譜-質(zhì)譜技術(shù)、頂空固相微萃取聯(lián)合氣相色譜-質(zhì)譜技術(shù)對(duì)沙棘果、沙棘果油、沙棘籽油測(cè)定揮發(fā)性成分,研究沙棘油中各類成分,了解不同地區(qū)沙棘揮發(fā)性成分的差異[6,8]。氣相離子遷移譜技術(shù)近年來逐漸應(yīng)用在食品風(fēng)味的研究中[9],將氣相色譜技術(shù)的高分離度優(yōu)勢(shì)與離子遷移譜的高靈敏度優(yōu)勢(shì)相結(jié)合,響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、靈敏度高,同時(shí)也不需要對(duì)樣品進(jìn)行特殊的前處理,適合食品中揮發(fā)性成分痕量物質(zhì)的檢測(cè)[10,11]。目前已經(jīng)運(yùn)用鑒定食品的品質(zhì)、品種、肉制品、真?zhèn)蔚萚12-14]。【本研究切入點(diǎn)】不同品種沙棘果粉揮發(fā)性香氣成分不同,其特征風(fēng)味物質(zhì)也不同,直接影響產(chǎn)品品質(zhì)。需采用高效檢測(cè)技術(shù)研究不同沙棘果粉的揮發(fā)性成分,以及運(yùn)用GC-IMS技術(shù)能快速檢測(cè)分析果粉揮發(fā)性香氣成分。【擬解決的關(guān)鍵問題】利用GC-IMS技術(shù)采集不同品種沙棘果粉的揮發(fā)性物質(zhì),分析指紋圖譜分析各樣本之間的相似與差異,研究不同品種沙棘果粉的揮發(fā)性香氣成分的種類、數(shù)量,為提升不同品種沙棘果粉的品質(zhì)和資源綜合利用提供科學(xué)依據(jù)和參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.1.1 沙棘果粉

以6個(gè)不同品種沙棘(黃色果、狀元黃、紅色大果、黃色袋果、紅色小果、深秋紅)為原料,采用真空冷凍干燥技術(shù)凍干后破碎制成沙棘果粉。真空冷凍干燥工藝參數(shù):-42℃低溫預(yù)凍5 h,物料溫度控制在-50℃以下,設(shè)置真空度為0.2 mbar、冷阱溫度-42℃,物料厚度6 mm,干燥時(shí)間24 h。

1.1.2 主要試劑及儀器設(shè)備

2-戊酮(2-Pentanone)、2-己酮(2-Hexanone)、2-庚酮(2-heptanone)、2-辛酮(2-Octanone)、2-壬酮(2-nonanone)等所有分離用有機(jī)溶劑均為國(guó)產(chǎn)分析純。儀器為氣相離子遷移譜聯(lián)用儀。

1.2 方 法

頂空孵化溫度為35℃、孵化時(shí)間10 min。色譜柱溫度35℃、檢測(cè)分析時(shí)間20 min,載氣的流速梯度設(shè)置:0～2 min,為2.00 mL/min,2～5 min由2.00 mL/min升高至50.00 mL/min,5～10 min增至100.00 mL/min,之后10～15 min保持100.00 mL/min。頂空進(jìn)樣針溫度40℃、進(jìn)樣量1 000 μL。

2-戊酮(2-Pentanone)、2-己酮(2-Hexanone)、2-庚酮(2-heptanone)、2-辛酮(2-Octanone)、2-壬酮(2-nonanone)作為標(biāo)準(zhǔn)品建立標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用設(shè)備自帶的LAV(Laboratory Analytical Viewer)分析軟件,通過GC-IMS Library Search檢索2014NIST數(shù)據(jù)庫和IMS數(shù)據(jù)庫對(duì)特征風(fēng)味物質(zhì)定性分析,使用LAV中Reporter和Gallery程序構(gòu)建揮發(fā)性有機(jī)物的差異圖譜和指紋圖譜;使用dynamic PCA plug-ins程序完成PCA分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同品種沙棘果粉揮發(fā)性成分的三維圖譜

研究表明,制作不同品種沙棘果粉揮發(fā)性成分的三維圖譜顯示,RIP右側(cè)的每1個(gè)點(diǎn)代表1種揮發(fā)性有機(jī)物,顏色的變化體現(xiàn)的是揮發(fā)性化合物濃度,離子峰濃度越高顏色越紅,淺藍(lán)色代表離子峰濃度低。黃色果、狀元黃、紅色大果、黃色袋果、紅色小果、深秋紅6個(gè)品種沙棘果粉的揮發(fā)性物質(zhì)存在一定的差異。圖1

表1 不同品種沙棘果粉揮發(fā)性物質(zhì)定性信息

注:圖中X軸代表IMS遷移時(shí)間,Y軸代表保留時(shí)間,Z軸代表反應(yīng)離子峰(Reaction ion peak,RIP)

2.2 不同品種沙棘果粉揮發(fā)性成分的二維差異動(dòng)態(tài)

研究表明,6個(gè)不同品種沙棘果粉揮發(fā)性物質(zhì)的二維差異呈現(xiàn)出在同一漂移時(shí)間和保留時(shí)間的定位中,不同品種的沙棘果粉鑒定出的揮發(fā)性物質(zhì)種類和濃度都存在差異。圖2

圖2 不同品種沙棘果粉揮發(fā)性成分的二維差異動(dòng)態(tài)

2.3 不同品種沙棘果粉揮發(fā)性物質(zhì)成分定性

研究表明,從6個(gè)沙棘果粉品種中共鑒定出38個(gè)揮發(fā)性物質(zhì)。38個(gè)揮發(fā)性物質(zhì)中共有5對(duì)物質(zhì)是其單體二聚體或聚合物。共鑒定出11個(gè)酯類物質(zhì)、8個(gè)醇類物質(zhì)、5個(gè)醛類物質(zhì)、5個(gè)酮類物質(zhì)、3個(gè)稀類物質(zhì)、1個(gè)呋喃類物質(zhì)、1個(gè)吡嗪類、2個(gè)酸類、1個(gè)噻唑類、1個(gè)環(huán)類物質(zhì),鑒定出的揮發(fā)性物質(zhì)主要包括呈菠蘿、成熟李子皮、蘋果等清新水果香的酯類,呈淡青嫩枝氣息、酒香、柑橘類物質(zhì)香氣的醇類物質(zhì),呈牛奶香氣、焦糖香氣、奶油香氣、堅(jiān)果底香、辛辣香甜味的酮類物質(zhì),呈脂蠟香氣、草香味、甜橙香氣、茉莉香氣的醛類。此外,還識(shí)別出18種未能在數(shù)據(jù)庫中定性的揮發(fā)性物質(zhì)。共有5個(gè)C6醇化合物,分別是:反式-3-己烯-1-醇、正己醇、3-甲基-1-戊醇、反式-2-己烯醇、4-甲基-1-戊醇。表1

2.4 不同品種沙棘果粉揮發(fā)性物質(zhì)指紋圖譜的差異

研究表明,黃色果沙棘果粉揮發(fā)性化合物峰強(qiáng)度較高的是正丁醛、2-丁酮、2-甲基吡嗪、乙酸己酯、異戊酸異戊酯和正辛醛等,呈現(xiàn)菠蘿、柑橘、茉莉等香氣。狀元黃沙棘果粉中羅勒烯、正己酸乙酯、庚醛、反式-3-己烯-1-醇和苯乙烯等的峰值強(qiáng)度較高,呈現(xiàn)果香、草香、茉莉香等香氣。紅色大果沙棘果粉中的羅勒烯、正己酸乙酯、3-羥基-2-丁酮等化合物峰值強(qiáng)度相對(duì)較高,呈現(xiàn)出水果香、奶香、堅(jiān)果底香等香氣。黃色袋果沙棘果粉中的異戊酸異戊酯、丁酸丙酯、正丁醛、正己醇和正辛醛等化合物峰值強(qiáng)度較高,呈果香、脂蠟香、茉莉香、甜橙香氣等香氣。紅色小果沙棘果粉中的1,4-二氧六環(huán)、6-甲基-5-庚烯-2-酮、正己酸乙酯、2-甲基-3-甲硫基呋喃、反式-3-己烯-1-醇等化合物峰值強(qiáng)度較高,主要呈奶油香氣、焦糖香氣、堅(jiān)果底香、甜橙等水果的香氣。深秋紅沙棘果粉揮發(fā)性化合物峰值強(qiáng)度較高的是2-甲基丁酸乙酯、正己酸乙酯、1,4-二氧六環(huán)、丁酸丙酯等,主要呈類似菠蘿、檸檬、李子等清新水果的香氣。圖3

圖3 不同品種沙棘果粉揮發(fā)性成分指紋圖譜

不同品種沙棘果粉的揮發(fā)性成分存在差異,各自有特征揮發(fā)性成分區(qū)域,也有共同揮發(fā)性成分區(qū)域。圖中A區(qū)域是6個(gè)品種沙棘果粉共有的揮發(fā)性物質(zhì),分別是正己酸乙酯、庚醛、3-羥基-2-丁酮、苯乙烯、反式-3-己烯-1-醇、正己醇、丁酸丙酯、松油烯、異戊酸異戊酯、E-2-庚烯醛,這些物質(zhì)可呈現(xiàn)出清新水果香、淡青嫩枝香、酒香,及堅(jiān)果底香、脂蠟香氣等。圖中B區(qū)域?yàn)辄S色果沙棘果粉和黃色袋果沙棘果粉與其它品種沙棘果粉的差異性物質(zhì),分別是仲辛醇、異戊酸異戊酯、正辛醛、乙酸乙酯,這也許是因?yàn)辄S色果與黃色袋果基因近緣所產(chǎn)生的現(xiàn)象。圖中C區(qū)域是紅色小果沙棘果粉特征揮發(fā)性物質(zhì)區(qū)域,主要包括2,3-戊二酮(信號(hào)峰強(qiáng)度為345/mV)、3-羥基-2-丁酮(信號(hào)峰強(qiáng)度為311/mV)、3-甲基-1-戊醇(信號(hào)峰強(qiáng)度為136.7/mV)、2-甲基丁酸乙酯(信號(hào)峰強(qiáng)度為423/mV)。圖中D區(qū)域是深秋紅沙棘果粉的特征揮發(fā)性物質(zhì)區(qū)域,主要包括3-甲基-2-丁醇(信號(hào)峰強(qiáng)度為138/mV)、正己酸乙酯(信號(hào)峰強(qiáng)度為1 736.67/mV)、1,4-二氧六環(huán)(信號(hào)峰強(qiáng)度為1 563/mV)、2-甲基丁酸乙酯(信號(hào)峰強(qiáng)度為1 969.67/mV),這些揮發(fā)性化合物具有的柑橘、檸檬、菠蘿、李子、白蘭地等果實(shí)的香氣,其化合物峰強(qiáng)度高于其他5個(gè)品種的沙棘果粉。圖4

圖4 不同品種沙棘果粉特征揮發(fā)性物質(zhì)含量差異變化

2.5 不同品種沙棘果粉揮發(fā)性物質(zhì)主成分分析

研究表明,主成分圖橫、縱坐標(biāo)分別是第1主成分(PC1)、第2主成分(PC2),圖中顯示PC1與PC2的貢獻(xiàn)率之和為70%(PC1為44%,PC2為26%),能代表原始數(shù)據(jù)的絕大部分信息,且這6個(gè)品種的點(diǎn)分布在圖中的不同區(qū)域,彼此距離不同,距離大小分別代表特征香氣成分的差異大小。其中黃色果和黃色袋果、狀元黃和紅色大果相對(duì)較為集中,與指紋圖譜中特征物質(zhì)分析結(jié)果相對(duì)應(yīng)。不同品種果粉之間的揮發(fā)性物質(zhì)存在一定的差異,各品種間辨識(shí)度較高,可以很好的區(qū)分辨別,與指紋圖譜結(jié)果一致。圖5

圖5 不同品種沙棘果粉揮發(fā)性物質(zhì)PCA

3 討 論

酯類物質(zhì)在氫過氧化物的分解以及氨基酸降解的條件下形成二級(jí)氧化物[15],如:醛類、酮類、醇類等,酮類和醛類物質(zhì)在形成的過程中,由于特異性不同會(huì)產(chǎn)生C6(含有6個(gè)碳原子的醇和醛)和C9(含有9個(gè)碳原子的醇和醛)化合物[16,17]。研究通過GC-IMS技術(shù)定性得出6個(gè)不同品種沙棘果粉的揮發(fā)性物質(zhì)共38個(gè),對(duì)比不同干燥方式,真空冷果燥后的果粉基本能夠較好的保持果實(shí)原有的風(fēng)味[18,19],不同品種沙棘果粉的香氣物質(zhì)與不同品種的果實(shí)香氣物質(zhì)基本一致,主要是酯類、醇類、醛類及烯萜類,且不同品種沙棘果粉的揮發(fā)性物質(zhì)濃度存在一定差異,與劉書景[6]、余競(jìng)光等[20]的研究結(jié)果一致。Tiitinen等[7]采用頂空固相微萃取(Solid phase microextraction,SPME)聯(lián)合GC-MS測(cè)定了不同年份采摘的7個(gè)沙棘凍果,發(fā)現(xiàn)沙棘果的揮發(fā)性物質(zhì)主要是酯類、醇類,其中鑒定出揮發(fā)性成分中己酸乙酯、異戊酸異戊酯、乙酸乙酯相對(duì)含量較高,與研究結(jié)果相符。研究發(fā)現(xiàn)不同品種沙棘果粉揮發(fā)性成分出現(xiàn)正己酸乙酯、丁酸乙酯、正己醇、3-羥基-2-丁酮、異戊酸異戊酯的單體和二聚體,這可能與同一種化合物的濃度和性質(zhì)差異有關(guān)[21]。

黃色果與黃色袋果沙棘果粉在PCA分析圖中距離近,二者特征風(fēng)味物質(zhì)相似,主要有仲辛醇、異戊酸異戊酯、正辛醛、乙酸乙酯,這些物質(zhì)呈現(xiàn)出類似菠蘿、甜橙、李子的水果清香。狀元黃和紅色大果沙棘果粉在PCA分析圖中距離近,主要有羅勒烯、正己酸乙酯等物質(zhì),呈現(xiàn)出果香、青草香、奶油香、堅(jiān)果底香、脂蠟等的香氣,也許是原料品種近緣所致。胡蘭等[22]用GC-MS技術(shù)對(duì)兩地(新疆麥蓋提縣、尼勒克縣)生產(chǎn)的中國(guó)沙棘揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行分離鑒定,發(fā)現(xiàn)兩地沙棘揮發(fā)性物質(zhì)種類相似但其濃度存在顯著差異,這可能與氣候、地理、地質(zhì)不同有關(guān)。

采用GC-IMS技術(shù)不僅對(duì)沙棘果粉揮發(fā)性香氣成分進(jìn)行了定性,后期還可根據(jù)對(duì)特征香氣的選擇進(jìn)行定量分析,對(duì)于無法定性的揮發(fā)性香氣物質(zhì),可結(jié)合電子鼻等技術(shù)進(jìn)一步探討,對(duì)沙棘的重要香氣物質(zhì),應(yīng)結(jié)合香氣閾值進(jìn)行更深入的討論與分析。

4 結(jié) 論

采用GC-IMS技術(shù)從6個(gè)品種沙棘果粉中共檢測(cè)出56個(gè)揮發(fā)性物質(zhì),定性了38個(gè)物質(zhì)。確定其揮發(fā)性物質(zhì)主要是酯類、醇類、醛類、酮類及烯類等。黃色果與黃色袋果沙棘果粉、狀元黃和紅色大果沙棘果粉具有相近的特征香氣成分,可較好區(qū)分不同品種的沙棘果粉。