19个苹果品种果实香气成分的GCMS分析

万 鹏,梁国平,马丽娟,陈佰鸿,毛 娟

(甘肃农业大学园艺学院,甘肃兰州 730070)

苹果产业是我国最大的果品产业,也是带动我国经济发展的优势果品产业之一[1]。我国现栽培的苹果品种较多,但能够作为商品果大规模种植的品种较少。消费者对苹果品质的要求不在只局限于外观品质,更注重果实的内在品质和风味营养,因此选育优质的苹果品种对于果品产业的发展具有重要意义[2]。

香气的成分及含量是决定果实风味的关键因素,研究苹果香气物质对提高苹果品质以及选育优质品种具有重要意义。果实的香味来自于一些挥发性的香气成分,目前苹果香气中已经检测出350多种成分,但对果实风味影响较大的只有含量超过其味感阈值的香气成分[3-4]。近几年通过香气成分对果实品质评价的研究较多[5-8]。但针对苹果香气的研究正处于初步检测阶段,大多数关于苹果香气成分的研究都是单个品种经过某种处理后检测其香气成分的变化或者少数品种之间香气成分的比较。刘珩等[9]讨论了套袋对‘早富1号’苹果果实香气成分的影响,结果发现套袋和未套袋的香气成分基本一致,但相对含量存在较大的差异。樊丽等[10]分析了‘蜜脆’苹果在采后20 ℃贮藏期间挥发性芳香成分的变化,结果发现在贮藏第28 d时果实香气成分含量达到最大,香气品质最佳。许宝峰等[11]研究了低温贮藏对‘王林’苹果香气成分的影响,结果表明低温贮藏可明显抑制醛类、醇类及酯类的生成。Seppä等[12]研究发现贮藏时间是影响苹果香气成分变化的关键因素。Varela等[13]对富士苹果在货架期内香气的变化规律进行了探讨并确定醇、酯、醛、酮是主要的香气成分。Moyaleon等[14]对气调贮藏条件下‘皇家嘎啦’的香气变化进行了讨论,发现气调贮藏可以抑制香气中酯类物质的生成。以上实验都是对单一品种香气成分的分析或者少量品种之间香气成分的比较,关于多品种苹果香气成分分析的研究较少。

本试验对19个苹果品种香气成分的种类与含量进行测定,通过聚类分析与特征香气含量的高低对它们进行分类,旨在明确不同品种苹果的主要香气成分,比较不同品种苹果间香气成分的差异,确定影响苹果风味的主要香气物质和香气较浓的品种,为今后的育种工作提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

本研究中19个苹果品种 于2017年采自甘肃省平凉市静宁县良种苗木繁育基地(威戎镇梁马村),地处黄土高原丘陵沟壑区,地势平坦,土壤肥沃,平均海拔1600 m。本地属暖温带半湿润半干旱气候,四季分明,气候温和,光照充足,年均气温7.1 ℃,无霜期159 d,年均日照时数2238 h。降水夏季较多,冬春季节较少,年均降水量为450.8 mm,年蒸发量为1469 mm。在苹果可采成熟期(九成熟即全树约有75%的果实表现出该品种固有的性状、种子变褐)采摘果实,每个品种随机抽取20个苹果待测,采后24 h内进行挥发性物质的采集和测定。19个品种的编号、名称、成熟期以及采收时间见表1。

表1 不同成熟期苹果品种的采收期(2017)Table 1 Harvest time of apple varieties at different maturity(2017)

75 μm CAR/PDMS手动SPME进样手柄、萃取头 上海安谱科学仪器有限公司;TRACE 1310型气相色谱-质谱联用仪 美国Thermo Scientific公司;HH-S型恒温水浴锅 金坛市恒丰仪器厂。

1.2 实验方法

挥发性物质测定参照叶萌祺[15]的方法,稍有改进。每个品种取10个果实,洗净,晾干表面水分,切碎混匀,用小型榨汁机打碎。取5 g 样品置于15 mL样品瓶中,加入1 g氯化钠,盖上盖子。将老化好的萃取头通过密封垫插入到样品瓶中,推出纤维头,于40 ℃恒温水浴吸附25 min,随后抽回纤维头,从样品瓶上拔出萃取头。再将萃取头插入设置好条件的GC-MS进样口,推出纤维头。于220 ℃解析5 min。抽回纤维头后拔出萃取头,同时启动仪器采集数据,每个品种三个平行试验。色谱条件:色谱柱OV-1701(60 m×0.25 mm×0.5 μm);进样口温度250 ℃;柱温:初始柱温33 ℃保持5 min,先以10 ℃/min升至60 ℃,保持5 min,再以4 ℃/min升至140 ℃,保持10 min,最后以15 ℃/min升至220 ℃,保持10 min。质谱条件:载气为He;流速0.8 mL/min;电离方式EI;电子能量70 eV;分流比12∶1;离子源温度230 ℃。

定性方法:未知化合物质谱图经计算机检索同时与NIST library和Wiley library 2个质谱库相匹配,并结合人工图谱解析及资料分析。试验仅报道正反匹配度均大于800(最大值1000)的鉴定结果,定量方法:选择2-辛醇为内标,其浓度为88.2 ppm,体积为50 μL,采用SIM(选择离子检测)方式定量。

计算香味各组分的含量(μg/g)=[各组分的峰面积/内标的峰面积×内标浓度(ppm)×50 μL]/样品量(g);香气值(U0)=某香气成分的含量/香气阈值。

1.3 数据处理

每个品种三个平行试验,测定结果用“平均值±标准差”表示,采用Excel软件对数据进行统计处理。采用SPSS 19.0软件进行聚类分析,聚类分析是指按照某种选定的方法(距离或者相似系数)计算每两类之间的关系,将关系最为密切的两类合为一类。

2 结果与分析

2.1 19个苹果品种果实香气成分

采用顶空固相微萃取和气相色谱-质谱联用技术对苹果样品的香气物质进行检测,结果见图1。所有样品中检测到主要的香气成分(如表1),其中包括酯类物质8种、醇类物质2种、醛类物质2种、酸类物质2种、酚类物质2种、其他类3种。依据成分分析来看,19个品种中香气总量相对较高的是:‘宫崎短枝(P5)’、‘烟富3号(P8)’、‘无锈金矮生(P11)’和‘皮诺娃(P17)’,‘柱状苹果(P19)’和‘艾斯达(P15)’的香气成分较少,而且各类香气化合物的含量都较低。其他品种各类香气化合物总含量都处于中等水平。这19个品种检索出的香味物质中,绝大部分品种共有组分有13种,它们分别是:(E)-乙酸-2-己烯-1-醇酯、2-甲基丁酸丁酯、乙酸己酯、乙酸叶醇酯、己酸己酯、乙酸丁酯、2-甲基丁基乙酸酯、乙酸戊酯、正己醇、1-丁醇、2-甲基丁酸、己醛、反式-2-己烯醛,这些物质在绝大多数样品中的含量都较高,可作为品种的主要香味物质。

表2 19个苹果品种主要香气成分质量分数(μg/g)Table 2 Quality fraction of the main aroma components of 19 apple varieties(μg/g)

续表

图1 烟富3号(P8)香味物质的GC/MS离子图谱Fig.1 GC/MS total ion chromatograms of flavor compositions of Yanfu No.3(P8)

在一些品种中还检测到其特有的相对含量较高的组分:‘288(P3)’中2-甲基丁酸乙酯的含量是6.48 μg/g,其他品种都未检测出,‘无锈金矮生(P11)’中异戊酸己酯的含量高达6.15 μg/g,‘寒富(P9)’中2-甲基丁酸高达4.23 μg/g,‘宫崎短枝(P5)’、‘烟富3号(P8)’和‘皮诺娃(P17)’中乙酸己酯的含量都高达10 μg/g以上。

2.2 19个苹果品种的聚类分析

如图2通过各类香气化合物的总含量对19个苹果品种进行聚类分析,把19个苹果品种分为5组,第一组包括1个品种:‘无锈金矮生(P11)’,醛类和醇类含量较高,香气的主要成分有:2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇二异丁酸酯,异戊酸己酯,2-甲基丁基乙酸酯,正己醇,己醛和反式-2-己烯醛。第二组包括3个品种:‘宫崎短枝(P5)’,‘皮诺娃(P17)’和‘烟富3号(P8)’,这三个品种的酯类较高,香气的主要成分有:(E)-乙酸-2-己烯-1-醇酯和2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇二异丁酸酯。第三组包括1个品种:‘寒富(P9)’,它的酯类非常低,醇类和酸类较高,香气的主要成分有正己醇,2-甲基-1-丁醇,2-甲基丁酸和2-己烯醛。第四组包括9个品种:‘成纪一号(P16)’,‘嘎啦(P1)’,‘艾达红(P18)’,‘乔纳金(P7)’,‘2001/M26(P10)’,‘黄色27(P6)’,‘黄色40(P2)’,‘柱状苹果(P19)’,‘艾斯达(P15)’,这9个品种的酯类偏低,其它香气含量处于平均水平。第五组包括5个品种:‘288(P3)’,‘烟富1号(P12)’,‘红盖露(P4)’,‘富士美满(P13)’和‘静宁1号(P14)’,这5个品种的各类香气成分都处于中等水平。第四类和第五类香气的主要成分和基本共有成分有:(E)-乙酸-2-己烯-1-醇酯,2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇二异丁酸酯,乙酸己酯,乙酸叶醇酯,己酸己酯,2-甲基丁基乙酸酯,乙酸戊酯,正己醇,己醛和反式-2-己烯醛等。

图2 不同品种苹果的聚类分析Fig.2 Cluster analysis of different cultivars of apple

2.3 19个苹果品种特征香气成分分析

不同的香气化合物由于阈值不同,所以对果实香气的贡献也不同,仅凭某种香气成分含量的高低不能准确判断其对样品整体香气贡献的大小。香气值(Uo)为某种化合物的浓度与该化合物香气阈值的比值,香气值大于1(Uo>1)的香气成分称为该果实的特征香气成分,特征香气对果实香味起主要作用。根据已发表的各香气成分的香气阈值,19个参试苹果品种共检测到13种特征香气,从香气值可以看出,19个参试苹果品种特征香气成分及其香气值均存在一定差异。1-己醇、乙酸己酯和反式-2-己烯醛是19个参试苹果品种共有的特征香气成分,其中己醇含量均较低,但乙酸己酯的含量相对其他香气成分均较高。通过特征香气总量把19个苹果品种分为了五类,第一类包括3个品种:‘宫崎短枝(P5)’,‘皮诺娃(P17)’和‘烟富3号(P8)’,它们的特征香气总量较高,都在5000以上。第二类包括5个品种:‘288(P3)’,‘烟富1号(P12)’,‘红盖露(P4)’,‘富士美满(P13)’和‘静宁1号(P14)’,它们的特征香气总量在2000-3100之间。第三类包括9个品种:‘成纪一号(P16)’,‘嘎啦(P1)’,‘艾达红(P18)’,‘乔纳金(P7)’,‘2001/M26(P10)’,‘黄色27(P6)’,‘黄色40(P2)’,‘柱状苹果(P19)’,‘艾斯达(P15)’,它们的特征香气总量较低,在700-2000之间。第四类包括1个品种:‘寒富(P9)’它的特征香气总量极低,为241.4,乙酸己酯的含量最低。第五类包括1个品种:‘无锈金矮生(P11)’,它的特征香气总量较高,为3830.2,而且醛类的香气值最高(表3)。

表3 19个苹果品种特征香气成分及其阈值、香气值Table 3 Characteristic aroma components of 19 apple varieties,their thresholds and aroma values

3 讨论

香味育种是今后我国苹果育种的重要目标之一[21-22],利用聚类分析和特征香气成分的含量选择香味浓郁的品种作为亲本是实现这一目标的重要途径。研究发现,苹果中香气成分有酯类、醛类、醇类和烃类等[23-25],目前已检测出的350余种挥发性香气成分[26],大部分是酯类,少部分是醇类与醛类,其中仅有约20种特征性香气成分可以决定果实的气味,大多数研究发现2-己烯醛、2-甲基丁酸乙酯、丁酸乙酯、2-己烯醇、乙酸己酯等对果实风味的影响很大[27-29],虽然成分含量非常少,但由于其具有较低的阈值,所以能够影响果实的整体香味[30-31]。本试验对所有样品中检测到的挥发物进行统计发现共有82种香气成分,主要特征香气成分有:乙酸丁酯、2-甲基丁酸丁酯、乙酸己酯、乙酸戊酯、1-己醇、己醛、反式-2-己烯醛等,这9种特征香气化合物中含量较高的是:乙酸己酯、乙酸丁酯、己醛、反式-2-己烯醛,所以这四种香气化合物是影响苹果风味的主要成分,乙酸己酯和乙酸丁酯被描述为‘果香型’,己醛被描述为‘青草味型’,反式-2-己烯醛被描述为‘绿苹果味型’。

19个苹果品种中‘宫崎短枝(P5)’、‘皮诺娃(P17)’和‘烟富3号(P8)’的特征香气总量较高,都在5000以上。主要由于这三个品种中乙酸己酯的含量较高,而且乙酸己酯的香气阈值比较低,所以这三个品种是典型的‘果香型’品种,‘无锈金矮生(P11)’作为一个黄色品种,它的香气成分在各方面都表现的比较突出,特征香气总含量较高,为3830.2,而且除特征香气化合物外其余的各类香气化合物的含量在19个品种中都较高,所以‘无锈金矮生’香气浓郁,为适宜本地栽培的品种之一。通过各类香气化合物总含量对19个苹果品种进行聚类分析可得:‘宫崎短枝(P5)’、‘皮诺娃(P17)’和‘烟富3号(P8)’这三个品种的酯类较高,‘无锈金矮生(P11)’各类化合物的总含量都比较高,这个结果与特征香气值的分析结果基本一致,所以‘宫崎短枝(P5)’、‘皮诺娃(P17)’、‘无锈金矮生(P11)’和‘烟富3号(P8)’为静宁本地栽培的香气较浓的品种。

4 结论

研究分析了甘肃静宁地区19个苹果品种香气物质含量,对寻找具有特异香气的苹果品种以及对在静宁地区苹果品种的引种提供了有效的研究方法。在静宁地区独特的地理气候条件下,19 个苹果品种中共检测出有82种香气成分,通过检测与分析得出:乙酸己酯、乙酸丁酯、己醛、反式-2-己烯醛是主要影响甘肃静宁苹果风味的香气物质。香气总量相对较高的是:宫崎短枝、‘皮诺娃’、‘无锈金矮生’和‘烟富3号’,这四个品种具有浓郁的‘酯类型’香气成分,这将为今后育种者选择亲本提供参考。