基于GC-IMS比较不同干燥方式对柴达木枸杞中挥发性物质的影响

高以丹，胡 娜，王洪伦*

1中国科学院西北高原生物研究所 青海省藏药重点研究实验室，西宁 810008；2中国科学院大学，北京 100049

枸杞(LyciumbarbaumL.)，为茄科(Solanaceae)枸杞属(LyciumL.)的一种落叶小灌木，广泛分布于我国西北地区，是宝贵的“药食同源”型植物资源。枸杞果实颗粒饱满，汁水丰富，微甜，富含甜菜碱、黄酮、枸杞多糖、胡萝卜素、核黄素、抗坏血酸等多种活性成分[1,2]。枸杞果实作为中药材被称为“枸杞子”，据《本草纲目》记载，枸杞具有明目清肝，滋阴补肾、壮阳、降血糖、抗衰老和抗疲劳等作用；藏医用枸杞子可治疗由“心热”引起的头痛、健忘、失眠、情绪反常及妇科病等；现代医学证明其具有增强免疫、降低血糖、抗氧化、延缓衰老、促进肿瘤细胞凋亡、降血脂等作用[3-8]。由于枸杞药用价值高，但其鲜果易受微生物的侵染很难长期保存，目前枸杞都以干果的形式入药，较常见的枸杞干果制作工艺主要包括晒干、热风烘干、微波干燥和真空冷冻干燥等[9]。

气味依然是目前判断药材优劣的重要手段之一，药材中所含挥发性成分使药材具有特有的气味[10]，因此挥发性有机物质可作为评价药材质量的重要指标。研究发现不同的干燥方式会对枸杞子中的某些化学成分产生不同程度的影响，进而导致枸杞子中挥发性有机物质发生显著变化[9,11]。柴达木枸杞是青藏高原特有的中药材之一，主要产出于柴达木盆地，因高原独特的环境，受海拔气候等地理因素的影响，柴达木枸杞的形状、大小、色泽以及营养成分种类与含量上与其他枸杞有着显著差异。先前Qu等[11]利用气相色谱-质谱法(GC-MS)分别检测了宁夏枸杞鲜果、晒干、烘干、冻干后的枸杞中的挥发性风味物质，并对各种风味成分进行主成分分析。从4种样品中检测到醇类、杂环类、烃类、酯类、醚类、酸类、醛类、酚类和酮类等9种挥发性成分，它们共同赋予了枸杞独特的风味，枸杞经干燥后挥发性风味物质明显增多。尽管研究已证实不同干燥方式对宁夏枸杞中挥发性成分具有影响，但不同干燥方式对柴达木枸杞中挥发性物质影响却鲜有报道。同时由于GC-MS技术具有操作耗时较长，样品前处理复杂等缺点，因此为更好地开展对枸杞挥发性成分的研究，亟需要建立一种适宜快速的现代检测方法。

气相色谱-离子迁移谱联用技术(gas chromatography-ion mobility spectrometry，GC-IMS)是近年来新兴的一种挥发性物质分析检测技术[12-14]，它将气相色谱与离子迁移谱相结合对样品中挥发性成分进行快速检测，与GC-MS技术相比，该技术具有更加快速灵敏、操作简单，分析结果更加稳定等优点，同时无需任何特殊的样品前处理，即可快速检测痕量挥发性有机化合物[15-17]。GC-IMS技术目前可被应用于中药材中挥发性有机物质鉴定，从而为药材的质量评价和生产提供一定的理论参考。如Shi等[18]基于GC-IMS技术对侧柏叶和不同炒制程度侧柏炭的气味进行检测；Wang等[10]利用GC-IMS技术比较了不同干燥方式对太子参挥发性成分的影响；Lin等[19]利用GC-IMS技术监测加速破坏条件下苦杏仁挥发性物质变化；Liang等[20]基于GC-IMS技术鉴别了不同年份新会陈皮中的挥发性风味物质。因此本研究利用GC-IMS技术，对柴达木枸杞鲜果、自然阴干、热风烘干、冷冻干燥以及微波干燥后的枸杞干果中的挥发性物质以及主要成分进行检测分析，对比不同干燥方式对枸杞品质的影响，以期为后续柴达木枸杞子的质量评价和加工提供一定的参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

柴达木枸杞：采自青海省海西蒙古族藏族自治州都兰县诺木洪农场，选择成熟度一致，大小和颜色均匀，无病害以及无机械损伤的鲜果，鲜果采后立即放入装有冰袋的泡沫箱，一天内运抵实验室进行后期处理。

1.2 仪器与设备

DGH-9140A电热鼓风干燥箱(上海一恒科学仪器公司)；LGJ-10B真空冷冻干燥机(北京四环科学仪器厂)；ORW08S-2Z-1T微波干燥机(南京奥润微波科技)；FlavourSpec®风味分析仪(GAS公司)。

1.3 实验方法

1.3.1 样品制备

样品1(N-5)：随机称取无处理的，大小颜色均一的枸杞鲜果2 g，每组重复测定三次取平均值。

样品2(5Z-1)：随机称取颜色大小均一的枸杞鲜果，将枸杞平铺于干燥清洁的过滤网中，分为3组，在同一条件下放置于通风处自然阴干，10 d后待枸杞果实中水分不发生变化后，称取制成的枸杞干果2 g，每组重复测定三次取平均值。

样品3(5H-1)：随机选择颜色大小均一的枸杞鲜果，将枸杞平铺于干燥清洁的过滤网中，分为3组，在同一条件下放置于烘箱中45 ℃温度下烘干24 h，再在55 ℃温度下烘48 h，最后在65 ℃温度下烘36 h，待枸杞果实中水分不发生变化后随机称取枸杞干果2 g，每组重复测定三次取平均值。

样品4(5W-1)：随机选择颜色大小均一的枸杞鲜果，将枸杞平铺于干燥清洁的托盘中，分为3组，在同一条件下置于微波干燥机中，温度设定为55 ℃，功率为550 W，干燥30 min待枸杞果实中水分不发生变化后，随机称取得到的枸杞干果后2 g，每组重复测定三次取平均值。

样品5(5L-1)：随机选择颜色大小均一的枸杞鲜果，将枸杞平铺于干燥清洁的托盘中，分为3组，在同一条件下置于真空冷冻干燥机中，温度为-40 ℃，干燥6 d后待枸杞果实中水分不发生变化后取出，随机称取得到的冻干后的枸杞干果2 g，每组重复测定三次取平均值。

1.3.2 样品前处理

直接称取2 g枸杞置于20 mL顶空瓶中，60 ℃孵化15 min后进样测试。

1.3.3 GC-IMS色谱条件

顶空进样条件：自动取样器的孵育温度60 ℃，孵育时间15 min。自动顶空进样加热方式为振荡加热，振荡速率500 r/min，注射针温度85 ℃，进样量500 μL。

GC条件：色谱柱：MXT-5型，柱长 15 m，内径：0.53 mm，厚度：1 μm；色谱柱温度设定为 60 ℃，载气为N2(纯度≥99.999%)，载气流速设定为：初始流速为2.0 mL/min，保持2 min；在10 min 内增加到10.0 mL/min，接着在第20 min 时增加到100.0 mL/min。IMS条件：载气为N2(纯度≥99.99%)；流速150 mL/min；IMS 温度45 ℃。

1.3.4 软件分析

采用GC-IMS配套的软件，将检测出的挥发性有机物质的迁移时间和保留时间，通过与系统内置的气相保留指数数据库(NIST)和离子迁移谱数据库(IMS)进行匹配，对挥发性成分进行定性分析。通过 laboratory analytical viewer(LAV)软件获得GC-IMS谱图，对枸杞中挥发性有机物质进行分析。

2 结果与分析

2.1 不同干燥方式处理枸杞干果

枸杞鲜果和不同干燥方式处理后获得的枸杞干果样品如图1所示，从处理条件上看，烘干和微波干燥条件下处理温度较高，但耗时较短，微波干燥仅需30 min即可得到枸杞干果，而冷冻干燥法和自然则通过低温或环境获得枸杞干果，但缺点是耗时较长，除此之外，与其他条件相比，自然阴干法能够大批量处理样品。从感官上看，冷冻干燥后的枸杞颗粒较为饱满，色泽鲜艳；而自然阴干和热风烘干后的枸杞果实发生失水皱缩，颜色变为深红色；微波干燥后的枸杞品质较差，失水较为严重，果皮颜色变为深红色，部分出现微焦黄。

图1 枸杞鲜果和不同干燥方式处理后获得的枸杞干果Fig.1 Fresh L.barbarum fruits and dried L.barbarum fruits treated with different drying methods注：a：枸杞鲜果；b：自然阴干后的枸杞干果；c：热风烘干后的枸杞干果；d：微波干燥后的枸杞干果；e：真空冷冻干燥后的枸杞干果。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 不同干燥方式处理枸杞干果中挥发性有机物的气相离子迁移谱分析

利用GS-IMS技术对其挥发性有机风味物质进行鉴定分析，采用差异对比模式得到枸杞鲜果以及不同干燥方式处理后的枸杞中挥发性有机物质的气相离子迁移谱如图2所示，水平方向表示离子迁移时间、竖直方向表示气相色谱保留时间，左侧为处理后的反应离子峰(RIP)，每个RIP峰两侧的每一个点代表一种挥发性有机物。颜色代表物质的浓度，白色表示浓度较低，红色表示浓度较高，颜色越深表示浓度越大[21-24]。结果中可以看出枸杞中的主要挥发性有机物质在迁移时间0.8～1.8 ms和保留时间100～800 ms之间，每个样品含有多个反应离子峰，说明不同干燥方式处理的枸杞中含有多种挥发性风味物质，但每种挥发性有机物质的浓度不同，图中区域A和区域C中的挥发性有机物质的种类和含量在干燥后的枸杞中明显减少，区域B中的挥发性有机物质的种类和含量增加，从图中可以直观地看出区域A和区域B中挥发性成分在冷冻干燥后的样品中含量和种类均比其余干燥方式多，区域C中的挥发性成分在自然阴干的枸杞样品中保留较多。

图2 不同干燥方式处理后的枸杞干果中挥发性有机物的GC-IMS谱图Fig.2 GC-IMS spectra of volatile organic compounds in dried L.barbarum fruits treated with different drying methods

2.3 不同干燥方式处理枸杞干果中挥发性有机物定性分析

尽管GC-IMS二维谱图能够直观地显示出不同干燥方式处理后获得的枸杞干果中所含挥发性有机物主成分含量及差异，但无法对样品中的单个物质做出准确的判断，采用软件内置的NIST和IMS数据库通过气相色谱的保留指数和迁移谱的相对迁移时间对不同干燥方式处理后的枸杞样品中挥发性有机风味物质进行二维定性。不同干燥方式处理后的枸杞样品中挥发性有机风味物质的定性结果如图3和表1所示，根据每种物质特征峰的保留指数与迁移时间不同，共定性检测出52种挥发性有机物质，其中醛类化合物17种，占比约为51.9%，酮类化合物8种，占比约为19.2%，醇类化合物6种，占比约为17.3%，除此之外还包括呋喃和酯类化合物等，在枸杞样品中，醛类化合物、酮类化合物以及醇类化合物为其挥发性物质的主要组成成分。检测过程中发现部分化合物在离子迁移谱中出现多个信号，这是由于部分成分同时检测出其二聚体和单体，单体和二聚体为一种物质，但由于该类化合物浓度较高，促进电离区质子化分子与中性分子结合生成二聚体，同时由于化合物质子亲和力高于水的质子亲和力，从而导致反应物的质子向这类高质子亲和力化合物转移，进而生成二聚体或多聚体[18]。由于二聚体质量大于单体，因此同一物质保留时间相同，但在迁移管上的迁移时间不同。

表1 不同干燥方式处理后的枸杞干果中挥发性成分定性结果表Table 1 Qualitative results of volatile components in dried L.barbarum fruits treated with different drying methods

续表1(Continued Tab.1)

续表1(Continued Tab.1)

图3 不同干燥方式处理后的枸杞干果中挥发性有机物定性分析Fig.3 Qualitative analysis of volatile organic compounds in dried L.barbarum fruits of treated with different drying methods

2.4 不同干燥方式处理枸杞干果中挥发性有机物的指纹图谱对比

为了进一步研究不同干燥方式对枸杞中挥发性成分的影响，采用指纹图谱进行分析。指纹图谱能够显示不同样品中所含挥发性有机物质的斑点强度从而进行分析比较，从而确定样品中不同单个物质的变化[25,26]。不同干燥方式处理后枸杞中挥发性有机物的指纹图谱如图4所示，指纹图谱中每一行代表一个枸杞样品中选取的全部信号峰，每一列代表同一挥发性有机物在不同枸杞样品中的信号峰，每个单元代表不同时间物质的含量，颜色代表挥发性化合物的含量，颜色越亮，含量越高[27]。

图4 不同干燥方式处理后的枸杞干果中挥发性有机物的指纹图谱Fig.4 Gallery plot of volatile organic compounds from dried L.barbarum fruits treated with different drying methods注：图中化合物序号与表1一致；黄色标注的化合物为数据库中没有的物质，无法被定性。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.

将指纹图谱中不同样品的特征挥发性物质被分为A、B、C、D四个不同的区域，区域A中的物质包括反-2-壬烯醛、2,4-庚二烯醛、1-己醇、(E,E)-2,4-壬二烯醛、1-戊醇、异戊醇、3-羟基己酸乙酯、3-戊酮、1-辛烯-3-酮和庚醛等，与鲜果相比，这些物质在枸杞干燥后含量大幅下降，但不同干燥方式下含量差异不大。区域B中的部分物质在枸杞干燥后含量上升，其中乙酸乙酯在自然阴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-羟基-2-丁酮和壬醛在自然阴干、烘干和微波干燥后的枸杞中含量上升；丁酮和丁醛在自然阴干、烘干和真空冷冻干燥后的枸杞中含量上升。区域C中的物质在枸杞干燥后含量下降，其中2-庚酮在烘干、微波干燥和真空冷冻干燥后的枸杞中含量下降；顺-4-庚烯醛、反-2-戊烯醛和己酸乙酯在自然阴干、烘干和微波干燥后的枸杞中含量下降；辛醛在真空冷冻干燥后的枸杞中含量下降。区域D中的物质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异，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冻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。

指纹图谱不仅能够准确显示出枸杞中单个挥发性有机风味物质，并通过其图谱上的光斑强度判断不同挥发性有机物质在枸杞中的含量，图中结果说明枸杞鲜果干燥后其内部会挥发性有机风味物质发生了显著变化，同时不同干燥方式对枸杞种挥发性有机风味物质影响不同。

2.5 不同干燥方式处理枸杞干果样品相似度分析

主成分分析(principal component analysis,PCA)是一种用于检验多个变量之间相关性的多元统计方法，其主要通过测试物中挥发性物质的信号强度来突出各样品间的差异。不同干燥方式处理后枸杞干果样品的主成分分析图如图5所示，以PC-1和PC-2分别为横坐标与纵坐标作图，PAC图可以直观显示不同样品间的差异，样品之间距离近则代表差异小，距离远则代表差异明显。本研究结果显示主成分累计贡献率85%，其中第一主成分(PC1)贡献率为71%，第二主成分贡献率为14%。从图中可以直观地看出与鲜果相比，4种枸杞干果中，真空冷冻干燥后的枸杞中挥发性有机物的含量与枸杞鲜果较为接近，但与其他枸杞干果差异较大，而烘干和微波干燥后的枸杞干果的距离极为接近，说明二者中挥发性有机物含量非常相似。

图5 不同干燥方式处理后的枸杞干果样品的主成分分析图Fig.5 PCA diagrams of dried L.barbarum fruits samples treated with different drying methods

同时，利用“最邻近”指纹图谱分析判断样本间的差异，该方法是一种基于距离判别的聚类分析方法，它指的是空间中两点之间的真实距离，或向量的自然长度(即点到原点的距离)，反映了研究对象之间的亲密程度[28]。不同干燥方式处理后枸杞干果样品的“最近邻”指纹分析如图6所示，可以看出5L-1和N-5的距离相对接近，5W-1与N-5距离最远，说明冷冻干燥后枸杞干果中挥发性成分与枸杞鲜果最为接近，而微波干燥后的枸杞干果中挥发性物质流失较多，与枸杞鲜果差异较大。这与指纹图谱结果一致，进一步说明微波干燥法并不适用于枸杞干燥加工，而冷冻干燥法能够最大程度保留枸杞中挥发性物质，使枸杞保持较高的品质。

图6 不同干燥方式处理后的枸杞干果样品的“最近邻”指纹分析Fig.6 "Nearest neighbor" fingerprint analysis of dried L.barbarum fruits samples treated with different drying methods

3 讨论与结论

本研究首次将GC-IMS 技术应用于不同干燥方式下柴达木枸杞的挥发性成分分析。通过采用自然阴干、热风烘干、真空冷冻干燥以及微波干燥的方式处理柴达木枸杞鲜果，在我们处理的样品中发现，自然阴干、热风烘干以及冷冻干燥后的枸杞依然保持鲜艳的色泽，味微甜，而微波干燥后的枸杞样品果实脆而小且色泽微黄，但是由于感官评价受到个人主观性影响，因此利用GC-IMS技术对枸杞样品气味进行客观性数据化的分析，比较了不同干燥方式对枸杞中挥发性有机物质的影响。通过该技术共从枸杞样品中鉴定出52种挥发性有机物质，其中醛类化合物、酮类化合物以及醇类化合物为枸杞挥发性有机物主成分，结果Qu等[11]利用GC-MS检测结果类似，但与GC-MS分析结果相比，本研究结果检测出化合物数量更多，这可能是由于GC-IMS技术能够准确检测出低含量挥发性有机物质或柴达木枸杞与宁夏枸杞本身所含挥发性成分差异性所致。尽管GC-MS技术是挥发性有机物质分析的首选，但该技术样品前处理复杂，数据分析繁琐，对于组分相似或相近的物质分离能力存在局限性。而GC-IMS技术同时结合了GC和IMS技术的优势，对于样品无需进行前处理，分析周期短，同时还能够对低含量的挥发性有机物质进行准确分析，因此GC-IMS技术在物质挥发性物质分析方面有着极大的优势。

本研究发现，与枸杞鲜果相比，不同干燥方式处理后所得枸杞中的挥发性物质发生了显著变化，说明不同干燥方式会显著影响枸杞中挥发性有机风味物质。对4种干燥后的枸杞进行比较，发现真空冷冻干燥后的枸杞中挥发性有机风味物质的含量与枸杞鲜果较为接近，但与其他枸杞差异较大，而烘干和微波干燥后的枸杞干果中挥发性有机物含量非常相似。说明枸杞干燥过程中的环境温度可能对枸杞样品中挥发性有机物质种类和含量影响较大，枸杞作为中药材之一，其中必然含有许多稳定性较差的挥发性成分，温度升高后，这些成分遇热被分解，这可能也是导致烘干和微波干燥后的枸杞中挥发性有机物质含量较为相似的原因之一，从指纹图谱中可以看出，烘干和微波干燥后醇类化合物含量减少，可能是由于醇类化合物沸点较低，随着温度的升高而被蒸发，此外高温条件下某些醇类化合物易发生酯化或氧化生成酮和醛，这可能是干燥后的枸杞样品中某些醛类化合物和酮类化合物含量升高的原因之一。微波干燥后的枸杞中酯类化合物含量显著降低。而冷冻干燥后的枸杞中无论是醛类化合物、酮类化合物以及醇类化合物的含量均高于其他干燥方式处理后的枸杞，从结果中可以看到该方法能够将枸杞中挥发性有机风味物质种类与含量维持在最接近枸杞鲜果的水平，这可能是由于冷冻干燥处于较低的温度中，减缓了果实中化学反应的发生，因此使不够稳定的挥发性成分被保留下来。

本研究发现微波干燥和热风干燥对柴达木枸杞中挥发性有机物质影响最大，而冷冻干燥的处理方式能够将枸杞中挥发性物质最大程度保留下来，除此之外，由于微波干燥和冷冻干燥对加工设备要求较高，增加了枸杞加工成本，而自然阴干处理方式对环境要求较高，因此尽管热风干燥后的枸杞挥发性有机物质流失较大，但由于其成本低，可大批量处理，依然是目前枸杞干燥的主要方式。综上所述，本研究建立了不同干燥方式下柴达木枸杞中挥发性成分的GC-IMS快速分析方法，通过比较不同干燥方式对柴达木枸杞中外观形态、挥发性成分种类及含量的影响，确定微波干燥法并不适用于枸杞干果的加工处理，冷冻干燥法作为能够最大程度保留枸杞中挥发性有机物质的最有效方式，但如何降低其加工成本成为日后亟需解决的问题。

综上，本研究建立了一种利用GC-IMS分析柴达木枸杞中挥发性有机物质的方法，并通过比较不同干燥方式对枸杞中挥发性有机物质的影响，结果发现干燥后的枸杞种挥发性有机物质发生了显著变化，确定冷冻干燥法能够最大程度保留枸杞中挥发性有机物质，较适宜于枸杞的干燥加工。