利用电子鼻评价树莓果实香气

李大龙，郭潇雨,2，李铁梅，王泽珉，宇航，张鹏,2，王佳明，杨国慧*

（1.农业农村部东北地区园艺作物生物学与种质创制重点实验室，东北农业大学园艺园林学院，哈尔滨 150030；2.青岛黄海学院，山东 青岛 266555；3.黑龙江工商学院，哈尔滨 150016）

树莓（Raspberry）是蔷薇科（Rosaceae）悬钩子属（RubusL.）空心莓亚属（Idaeobatus），为多年生落叶性灌木型果树，别称托盘、悬钩子、马林果、覆盆子等[1]。树莓果实为聚合小浆果，香气怡人，口感多为酸甜，含有丰富营养成分，如氨基酸、维生素、糖、有机酸、矿物元素等，药用价值高，富含黄酮类化合物、鞣花酸、花青素等多种生理活性成分[2]。树莓果实颜色较多，其中红色最为常见，还有紫色、黑色和黄色等；按照结果习性，可分为夏果型和秋果型两种。

果实品质由多种因素组成，颜色、香气、营养、甜度等是重要指标。果品香气是决定果实品质主要因素，直接影响消费者购买意向。国内外学者已在树莓中鉴定出200多种香气成分，主要为酯类、醛类、萜烯类、醇类、酮类及其他挥发性物质[3-4]。气相色谱法（GC）和气相色谱-质谱联用技术（GC-MS）是挥发性物质主要测定手段[5]。Aprea等利用固相微萃取法提取树莓果实香气物质，检测到36种香气物质，其中酮类物质、萜烯类物质、酯类物质等含量相对较高[6]；Honkanen等在树莓果实中分离出75种挥发性物质[7]。20世纪末，电子鼻技术出现，可无损快速检测果实香气，重复性良好，应用价值较高[8-9]。

目前，使用电子鼻检测果实成熟度和果实腐烂情况相关报道较多[10-11]。罗枫等分析得出，电子鼻法可用于区分不同货架期樱桃[12]；Defilippi等研究表明，电子鼻法可分析杏果实挥发性物质在不同成熟度和贮存期差异[13]；严娟等利用电子鼻法评价桃果实香气种质资源[14]。目前，采用电子鼻研究树莓，仅有对其果实发酵产品和籽油挥发性物质分析。师艳秋等研究红树莓发酵酒香气成分，鉴定出54种化合物[15]；刘丽娜等采用电子鼻从红树莓籽精油中检测出40种挥发性成分[16]。利用电子鼻法评价树莓种质资源香气成分研究尚未见报道。

本研究利用电子鼻技术，测定树莓不同品种及同一品种不同发育时期果实香气成分，以期为树莓果实香气成分提供快速、便捷的检测方法，为提高树莓栽培技术措施提供指导，为培育香气浓郁的树莓品种选育提供数据资源。

1 材料与方法

1.1 材料

供试材料来自东北农业大学向阳农场树莓种质资源圃，共计36个品种，品种特性见表1，采集成熟期果实用于试验。此外，选取品种‘卡罗琳’不同发育时期果实测定香气成分。不同发育时期果实采摘标准参考文献[17]：将同一天开花树莓果实作标记，共标记60朵，每7 d对标记果实进行采样，分别为绿果期1、绿果期2、白果期、转色期、成熟期、过熟期。

表1 树莓品种资源简要特性Table 1 Brief characteristics of raspberry varieties

1.2 电子鼻检测

试验采用PEN 3.5型金属氧化物传感器型电子鼻，具有10个金属氧化物气体传感器阵列，结果见表2。

表2 PEN 3.5电子鼻传感器敏感物质Table 2 Substances sensitive to electronic nose PEN 3.5 sensors

将10 g树莓果实置于20 mL螺口顶空瓶中，于25℃静置30 min测定数据，重复3次。电子鼻测定参数参考文献[18]稍作修改。当电子鼻传感器接触到树莓果实香气物质后，电导率G发生改变，相对电导率（G/G0或G0/G）也随之变化。如果G/G0或G0/G接近1或等于1，表示果实中传感器相对应香气种类含量较低，反之，相对电导率值越偏离1，说明传感器所对应香气物质含量越高。响应值一般在55~60 s趋于平缓，检测数值较为准确，选择此时段响应值进行统计分析[14]。

1.3 数据处理与分析

利用PEN 3.5自带软件WinMuster和IBM SPSS Statistics 22分析数据。分析方法为主成分分析（Principal components analysis，PCA）、线性判别分析（Linear discriminant Analysis，LDA）和传感器区分贡献率分析（Loadings，LO）。

2 结果与分析

2.1 树莓果实芳香特征电子鼻响应图

对树莓果实香气物质作电子鼻检测分析，获得10个传感器响应图（见图1）。图中曲线代表树莓果实中香气成分通过传感器时，G/G0或G0/G随检测时间变化情况。由图1可看出，检测物质还未进入传感器时，相对电导率数值均在1附近，当香气物质进入电子鼻，随被检测气体在传感器表面积累，相对电导率数值不断变化，最后达到平缓状态。电子鼻中每一个传感器均对树莓香气物质成分响应明显，但响应值有差异。对比36个树莓品种果实香气物质响应图可看出，W1S（烷类）、W2S（检测醇，部分芳香族化合物）、W3C（氨，芳香分子）、W6S（氢化物）相对电导率值较其他传感器响应值更高。

图1 传感器对树莓品种‘卡罗琳’香气响应Fig.1 Graph of sensor response to the aroma of raspberry variety‘Caroline’

2.2 树莓品种资源香气物质PCA分析

图2中每个圆形区域代表一种树莓果实数据采集点。在PCA分析中，第一和第二主成分贡献率分别为97.46%和1.34%，总贡献率为98.80%。在电子鼻PCA分析中，重叠区域越大说明品种间香气物质越相似，从图2可看出，除‘卡罗琳’和‘黑树莓’两品种重叠，‘菲尔杜德’和‘Метеор’区域间重叠较大外，其余品种间或重叠较小，或完全分开。

图2 树莓各个品种PCA分析Fig.2 PCA analysis for various varieties of raspberry

进一步分析得到每个品种与其他供试品种平均区分度值均在98%以上（见表3），说明不同品种在香气物质含量及组成之间存在较大差异。

表3 不同树莓品种间香气物质平均区分度Table 3 Average discrimination of aroma substances among different raspberry varieties

2.3 不同类型品种、不同果实发育期树莓香气物质LDA分析

LDA分析是在PCA分析基础上对传感器响应树莓果实香气成分的优化，通过扩大差异更直观表现不同类型品种、不同果实发育期树莓香气物质区别。

图3为不同颜色树莓果实香气物质LDA分析图，可看出第一和第二主成分贡献率分别为33.35%和17.05%，总贡献率为50.40%，仅解释50%以上变异。根据第一和第二主成分贡献率可看出，LDA可根据香气物质区分树莓不同果实颜色。果实颜色与第一主成分贡献率相关趋势较好，随第一主成分贡献率延伸至远端，集中分布于紫树莓、黄树莓、红树莓、黑树莓4种果实颜色树莓品种资源。

图3 不同果实颜色树莓品种LDA分析Fig.3 LDA analysis for raspberry with different colors'fruit

根据PCA分析，黑树莓与紫树莓香气区分度在70%以上，黑树莓与黄树莓区分度在50%~60%，红树莓与紫树莓、红树莓与黑树莓区分度在40%~50%，黄树莓与紫树莓、黄树莓与红树莓区分度在30%~40%，表明电子鼻可区分树莓果实香气。

图4为夏果型和秋果型树莓品种LDA分析，可看出第一和第二主成分贡献率分别为79.17%和2.60%，总贡献率为81.77%，可解释80%以上变异，根据第一和第二主成分贡献率可区分出不同结果类型树莓果实。

图4 不同结果类型树莓品种LDA分析Fig.4 LDA analysis for raspberry of different fruiting types

基于树莓品种‘卡罗琳’果实不同发育时期香气成分LDA判别分析见图5。

由图5可看出第一和第二主成分贡献率分别为64.16%和25.19%，总贡献率为89.35%，可解释80%以上变异，虽然白果期和转色期、成熟期和过熟期区域有部分交叉，但LDA分析可区分出树莓果实各发育时期香气成分的差异。对不同发育时期果实传感器响应值分析可看出，随果实发育成熟，硫化合物（W1W）、芳烃化合物及硫有机化合物（W2W）变化小，氮氧化合物（W5S）表现逐渐减少趋势；芳烃化合物（W1C）、氨及芳香分子（W3C）、氢化物（W6S）、烷类（W1S）、检测醇及部分芳香族化合物（W2S）、烷类和脂肪族（W3S）表现为先降后升，其中W3C和W3S从绿果期1到白果期表现为下降，W1C、W6S、W1S、W2S从绿果期1到转色期表现为下降，之后到成熟期表现为上升；烯烃及芳族和极性分子（W5C）从绿果期到过熟期逐渐升高（见表4）。

图5 不同发育时期果实香气物质LDA分析Fig.5 LDA analysis for aroma substances in raspberry fruits at different development stages

表4 不同发育时期果实各传感器响应值Table 4 Sensor response values of raspberry fruits at different development stages

2.4 LO分析传感器贡献率

LO分析反映各传感器在区分树莓果实香气中贡献大小，一般通过图中各传感器位置判断。在坐标原点（0，0）附近传感器对树莓果实香气分析发挥作用较小，反之表示作用越大。由图6可看出，W1S传感器（烷类）对第一主成分贡献率最大，W5S传感器（氮氧化物）对第二主成分贡献率较大，W2S传感器（检测醇，部分芳香族化合物）对第一和第二主成分贡献率均较大；W3C传感器（氨，芳香分子）和W6S传感器（氢化物）对第一主成分贡献率作用次之，但因第一主成分贡献率（97.46%）远高于第二主成分（1.34%），因此认为传感器贡献率高低依次为传感器W1S（烷类化合物）、W2S（检测醇和部分芳香族化合物）、W3C（烷类和脂肪族）和W6S（氢化物），与36个品种传感器响应结果相符合，因此可利用以上4个传感器结果评价树莓果实香气。而传感器W1W（硫化合物）、W1C（芳烃化合物）、W5C（烯烃，芳族，极性分子）、W3S（烷类和脂肪族）和W2W（芳烃化合物，硫的有机化合物）响应值在（0，0）附近，因此对香气物质贡献率最小，对PCA、LDA分析发挥作用也较小。

图6 不同品种树莓LO分析Fig.6 Loadings analysis of different raspberry varieties

3 讨论

3.1 电子鼻法评价树莓果实香气

电子鼻技术方便便捷，对香气物质品鉴重复性较好。目前，电子鼻技术在果实检测应用主要集中在果实成熟度和采后贮藏品质变化评估，例如，蒋鑫妹利用电子鼻有效识别欧李果实是否需要催熟[19]；马蒙蒙等试验表明，利用电子鼻可对货架期苹果果实香气物质变化情况进行分析，且对不同品种区分效果较好[20]；严娟等将其应用于桃果实香气资源评价，结果表明桃果实生育期对香气物质影响显著，不同肉质颜色桃果实之间香气物质差异不显著[14]。本研究利用电子鼻法评价不同树莓品种果实香气物质，LDA分析可区分夏果型和秋果型不同结果类型树莓品种资源以及不同发育时期果实香气，可区分红树莓、黄树莓、紫树莓、黑树莓不同颜色树莓果实香气，说明电子鼻法可用于判别不同成熟度树莓果实香气，也可初步评价树莓种质资源香气成分。

3.2 关于不同类型树莓品种资源香气评价

夏果型树莓品种约在2年生枝条上结果，黑龙江省结果时间一般在7月上中旬至8月上旬，秋果型品种约在1年生枝条上结果，结果时间一般为8月下旬至10月初。LDA分析可区分两种结果类型品种资源香气成分，可能与亲缘关系有关，同种类型品种在杂交中可能利用相同或相近亲本；也可能与果实发育时环境条件有关，由于生长环境有差异，两种果实在不同季节成熟，奚昕琰等研究表明，葡萄成熟期受温度影响较大，果实中香气物质变化规律存在明显差异，说明温度影响果实中香气物质形成[21]；席万鹏等通过对桃果实进行套袋处理，发现不同处理后桃果实香气物质差异明显，说明光照也可影响果实中香气物质形成[22]。LDA分析可区分不同颜色树莓果实香气，检测发现黑树莓和紫树莓香气成分区分度最大，达70%，红树莓和黄树莓香气物质有部分交叉，区分度为30%~40%。红树莓品种主要来自于欧洲红树莓（R.idaeusL.），黄树莓是其变种；黑树莓来自于北美洲R.occidentalisL.，紫树莓则来自于R.neglectusPeck.。红树莓、紫树莓和黑树莓分属于不同种类，亲缘关系较远，香气物质差异较大，而黄树莓是红树莓变种，二者果实香气物质相似度更高。

3.3 关于树莓果实特征香气物质

果实中芳香物质成分复杂，主要为酯类、醛类、萜类等，其次是醇类、酮类及其他挥发性物质。树莓果实中现已鉴定芳香成分有200多种，关于香气种类有不同观点。Sakai等和Lou等研究认为树莓酮为决定树莓香气的主要成分[23-24]，窦泓喆则认为树莓主要香气成分为β-紫罗酮，占树莓香气成分80%~90%[25]。Ravid等认为树莓果实中特征香气物质为α-紫罗酮和质癸内酯[26]；陈乐天则认为芳樟醇、α-紫罗酮、β-紫罗兰酮3种物质相对含量较高，可占总含量20%[27]。

树莓果实发育期一般30~40 d，可分为绿果期、白果期、转色期、成熟期和过熟期，从转色期至成熟期变化明显，果实迅速软化着红，表现出品种特有香气。本研究结果表明，在转色期到成熟期，树莓果实香气物质相对含量显著增加，其中芳烃化合物、氨及芳香分子、烷类、检测醇及部分芳香族化合物、烯烃及芳族和极性分子尤为明显，推测成熟前增加这些香气物质对树莓芳香特征具有更大决定作用。因此，在栽培管理方面，应加强对成熟期前树莓管理，例如喷施叶面肥等，有利于促进果实生长发育，提高树莓果实品质，增加树莓果实香气程度。

电子鼻优点简单实用，但一般无法对物质进行定性定量分析，需结合其他方法分析果实中香气物质，例如气相色谱-质谱联用技术（GC-MS）等手段测定树莓果实特征香气物质，明确不同类型树莓品种香气成分及果实香型，为树莓栽培和加工产业中品种选择提供依据，也为树莓香气育种提供数据资源。

4 结论

电子鼻对供试树莓品种香气成分均有响应，传感器贡献率高低为W1S（烷类化合物）、W2S（检测醇和部分芳香族化合物）、W3C（氨，芳香分子）和W6S（氢化物）；PCA分析表明不同树莓品种在香气物质含量及组成之间存在较大差异；LDA分析可区分不同结果类型树莓品种、不同发育时期果实香气，区分不同颜色树莓果实香气；果实成熟期前相对含量显著增加，其中芳烃化合物、氨及芳香分子、烷类、检测醇及部分芳香族化合物、烯烃及芳族和极性分子尤为明显。