葡萄风信子花香的电子鼻分析

孙俊明，田可新，娄倩，张杰，陈红武

（西北农林科技大学 园艺学院，陕西 杨凌 712100）

葡萄风信子（Muscarispp.）属于天门冬科葡萄风信子属，也叫葡萄麝香、蓝壶花等，属名源自希腊语muschos，意为麝香，是以香气著称的春季观赏球根花卉［10-11］。其花香浓郁，香型多样，香味丰富，有草香、甜香、酒香等，常被用于地被植物、花境、花坛、盆栽，或者岩石园的点缀［12］，但其香气成分尚不清楚。王江勇等、何敬等采用气相色谱-质谱联用（GC-MS）研究了与葡萄风信子亲缘关系较近的风信子，鉴定出萜烯类、酯类和醇类是风信子花香中最多的物质［13-14］。前人对天门冬科其他植物的研究表明，黄精中的挥发性成分共有37 种，包括芳烃、烷烃、烯烃、醇、酯、醛、酸7 类［15］；小花龙血树中主要包含芳香族化合物（41.93%）、脂肪族化合物（13.38%）、酯类及羰基类化合物（10.3%）［16］；铃兰属植物的花香中含有23 种成分，包括9 种醇类、6 种酯类、4 种烷烃和4种其它成分［17］。

电子鼻模拟人的嗅觉，通过模式识别技术对传感器阵列响应信息进行识别，测定过程不破坏样本的整体结构，相比其他方法具有前期处理简单、检测过程快、可重复性好、成本低的优点，测定结果也最接近人的嗅觉感受［18-20］。Huang 等［21］研究表明电子鼻可以有效测定不同花期的兰花香气，Fukai等［22］验证了电子鼻对百合不同类群的区分效果，认为电子鼻具有鉴定观赏植物香气的巨大潜力。

本试验以不同颜色的15 种葡萄风信子为材料，利用电子鼻探究同一品种不同花期和不同品种的花香成分，以及花香成分与亲缘关系、花色的相关性，以期为葡萄风信子花香检测提供快速、便捷的方法，为进一步解析葡萄风信子香气成分和成香原因提供参考。

1 材料和方法

1.1 试验材料

植物材料为国内常用的15 个葡萄风信子品种（表1），除‘乔伊斯精神’（M.‘Joyce Spirit’）所属种未知外，其余品种来源于4 个种，分别为Muscari botryoides（1 个品种）、Muscari azureum（2 个品种）、Muscari aucheri（3 个品种）、Muscari armeniacum（8个品种），具体信息见表1。Muscari armeniacum是葡萄风信子最常见的种之一［23］，选择其中不同花色的‘西伯利亚虎’和‘大笑’作为探究不同花期花香成分的材料，所有植物材料露天栽植于陕西省杨陵区西北农林科技大学曹新庄农场。

表 1 供试葡萄风信子品种Table 1 List of the tested grape hyacinths varieties

采样方法：2022 年3-4 月在葡萄风信子开花期间，于上午8：00-10：00 采样。按花发育过程将葡萄风信子单花分为4 个时期，绿蕾期（S1）：花蕾小，无色或绿色；转色期（S2）：花被基部着色，花未开放；盛开期（S3）：花被全部着色，且完全开放；衰败期（S4）：花朵皱缩萎蔫（图1）［24］。‘西伯利亚虎’和‘大笑’每个时期取0.1 g 鲜样，每份鲜样检测1 次，进行3次重复。

图 1 ‘大笑’4 个时期Fig.1 Four growth period of ‘Big Smile’

1.2 试验方法

室温下，将样品放入15 mL 样品瓶中密封静置30 min，使用德国AIRSENSE 公司PEN3 型电子鼻测定香气成分（表2）。电子鼻参数设置为：气体流量400 mL·min-1，清洗时间60 s，调零时间5 s，准备时间5 s，测定时间120 s，取115～117 s 电子鼻响应值的平均值进行数据分析。

表 2 传感器阵列及性能描述Table 2 Sensor array and performance description

1.3 统计分析

使用Origin 2022b 绘制柱形图、雷达图、聚类热图，SIMCA 14.1 进行正交偏最小二乘判别分析（orthogonal partial least squares discriminant analysis，OPLS-DA）、主成分分析（principal component analysis，PCA），并结合SPSS 27 进行Duncan 多重比较（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 ‘西伯利亚虎’和‘大笑’不同花期花香成分

2.1.1 基于OPLS-DA 的不同花期花香差异性分析

本统计结果表明，鲁迅小说中，名词、动词和形容词三类占总词频数的接近48%，但是数量在前三位的依次是动词(25.23%)，名词(17.54%)和副词(13.00%)，三者覆盖全部语料的55.77%。若按照一般语法分类，把方位词(2.23%),时间词(1.26%)和处所词(0.59%)归为名词，顺次未出现变动，而覆盖率则接近60%(59.85%)。排在这三者之后的是助词(9.54%)和代词(8.78%)，其后是，形容词(5.23%)。

进行OPLS-DA 以考察葡萄风信子不同花期的花香差异（图2）。本次分析中的自变量拟合指数（R2X）为1，因变量拟合指数（R2Y）为0.958，模型预测指数（Q2）为0.91（图2A），经过200 次置换检验，Q2回归线与纵轴的相交点小于零（图2B），说明模型拟合结果优秀。‘西伯利亚虎’和‘大笑’的4 个时期被分为3 组，绿蕾期和转色期、盛花期、衰败期，其中盛花期与其它花期间的距离最远，表明盛花期的花香最为特殊。OPLS-DA 的分组结果表明不同花期的花香差异比品种间的差异大。

VIP（variable importance in projection）展示每个变量对于样品区分的贡献大小（图2C），根据VIP＞1且P＜0.05的条件筛选出3个传感器［25］，分别是W2W、W1S、W1W，这3 个传感器是区分不同花期的主要传感器，芳香成分、有机硫化物、甲基类、硫化物是不同花期的差异性花香成分。

图 2 ‘西伯利亚虎’和‘大笑’不同花期的正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）Fig.2 OPLS-DA of 'Siberian Tiger' and 'Big Smile' at different flowering stages

2.1.2 不同花期的花香成分变化

‘西伯利亚虎’和‘大笑’在不同传感器上的变化趋势基本一致，盛花期在W2W、W1W、W5S 上显著高于其它时期（图3），结合OPLS-DA 分析可知芳香成分、有机硫化物、硫化物、氮氧化合物的显著升高是盛花期区别于其它时期的主要原因。W1S、W2S 在前3 个时期没有显著性差异，进入衰败期之后显著上升，表明甲基类、醇类、醛酮类是衰败期的特征香气成分。传感器W1C（芳香成分、苯类）、W3C（芳香成分、氨类）、W6S（氢化物）、W5C（短链烷烃芳香成分）、W3S（长链烷烃）在不同花期无显著性差异。

图 3 ‘西伯利亚虎’（A）和‘大笑’（B）不同花期的花香成分变化Fig.3 Changes in floral fragrance composition of 'Siberian Tiger' （A） and 'Big Smile' （B） at different flowering stages

图 4 不同品种葡萄风信子花香雷达图Fig.4 Radar plot of different varieties of grape hyacinth

2.2 不同品种葡萄风信子的花香分析

2.2.1 不同品种葡萄风信子的花香“指纹图谱”分析基于电子鼻对15 个品种葡萄风信子的响应值构建花香“指纹图谱”（图4），响应值分布在0.9～3.5 之间，不同雷达图的形状和面积存在差异，表明供试葡萄风信子的花香物质构成有差异。W2W（芳香成分、有机硫化物）在所有品种中的响应值均最高，其次为W1W（硫化物）、W5S（氮氧化合物），W1S（甲基类）也有一定的响应，其他传感器响应值较小，表明葡萄风信子的主要花香物质是芳香成分、有机硫化物、硫化物，其次是氮氧化合物、甲基类。

2.2.2 主成分分析（PCA）筛选特异香气葡萄风信子对不同品种的葡萄风信子进行PCA 分析（图5），在置信区间95%情况下，第1 主成分和第2 主成分的贡献率分别为77.5%和15.1%，总贡献率为92.6%，这2 个主成分已经代表了供试葡萄风信子的主要信息特征。PCA 结果表明15 个品种被分成3 组‘，蔚蓝’（2）香气最为特殊，单独组成第1 组，第2组包括‘黑眼睛’（5）、‘阿莉达’（7）、‘粉日出’（10）、‘乔伊斯精神’（15）4 个品种，第3 组包括‘触雪’（9）、‘白色丽人’（4）等9个品种。

2.2.3 聚类分析

图 5 不同品种葡萄风信子主成分分析（PCA）Fig.5 PCA of different varieties of grape hyacinth

对15 个品种的葡萄风信子进行聚类分析，可以分为3 类（图6）。‘蔚蓝’（2）与其他所有品种距离最远，为第1 类，因为‘蔚蓝’的W1W、W2W 响应值较小，芳香成分、有机硫化物、硫化物含量少，香气较淡。第2 类4 个品种，分别是‘黑眼睛’（5）、‘阿莉达’（7）、‘粉日出’（10）、‘乔伊斯精神’（15），其中除‘粉日出’是粉色花外，其他均为蓝紫色花。其余品种聚为第3 类，在W1W、W2W 上的响应值较大，香气浓郁，其中‘阿尔布’（1）、‘维纳斯’（3）、‘西伯利亚虎’（13）、‘白色丽人’（4）均为白色花，且聚类距离较近，淡蓝色的‘薄荷’（8）、‘触雪’（9）、‘瓦莱丽·芬尼斯’（12）也分布在同一类。聚类分析的分类结果与PCA 结果一致，表明供试葡萄风信子确实存在明显的香型分类。

图 6 不同品种葡萄风信子聚类分析Fig.6 Cluster analysis of different varieties of grape hyacinth

3 讨论

电子鼻凭借可重复、快速、无损检测的优势，被广泛应用于水果、蔬菜、茶和食品的检测鉴定中［26］，被证实可以100%区分番茄的成熟度［27］，在蔬菜和水果的保质期鉴定上效果良好［28］，可以对菊花茶、藏红花进行质量评价［29-30］，还被用于玫瑰花的鉴别［31］。本研究结果表明电子鼻可以很好分析葡萄风信子的花香特征，为利用电子鼻测定花香，尤其是天门冬科植物花香提供了一定的参考。

范俊俊［32］对120 份海棠种质的研究表明，电子鼻可以区分自然种和品种两大群体，烷烃类、氮氧化合物、硫化物是区分两个群体的主要成分。本研究结果与其不一致，对不同葡萄风信子品种的PCA和聚类分析发现，M. armeniacum8 个品种中的6 个被归为一类，表明葡萄风信子种内品种间的花香成分具有一定的相似性，但分别来自4 个种的‘阿尔布’、‘维纳斯’、‘蓝色魔法’、‘西伯利亚虎’香气成分也十分接近，可见并不能通过明显的花香特征来区分种间差异。

葡萄风信子不同花期的花香变化可能与授粉者有关，葡萄风信子作为虫媒花，花香物质的释放受植物发育过程的影响，随着花瓣的展开，花的香气逐渐显现［33］。花香是植物与授粉者交流的重要方式，葡萄风信子的花香释放量在盛花期达到最高，因此，芳香成分等物质在盛花期的显著增加可能是为了吸引授粉者。这与前人的研究结果一致，桂花［33］、海棠［34］等的香气成分含量均在盛花期达到顶峰。

本研究中PCA 和聚类分析证实了花色和花香具有明显的相关性，白色花和淡蓝色花相比于蓝紫色花，香气更浓。这与前人的研究结果一致，周利君等发现，蔷薇属月季组的花色和花香具有相关性，花色越黄，苯环类花香化合物含量越高［35］。花色和花香是植物与授粉昆虫的主要交流信号，葡萄风信子主要依靠蜜蜂授粉［36］，蜜蜂多在白天活动，喜好蓝紫色［37］。因此，白色花和淡蓝色花可能需要更浓的花香以弥补花色对授粉昆虫吸引力的不足。

4 结论

（1）葡萄风信子不同花期的香气差异比品种间更大，盛花期香气最为特殊，芳香成分、有机硫化物、甲基类、硫化物是不同花期的差异性花香成分，其中芳香成分、有机硫化物、硫化物是盛花期的主要花香贡献物质，甲基类是衰败期的主要特征香气成分。

（2）本研究首次揭示了葡萄风信子的花香成分，供试葡萄风信子盛花期的主要花香成分是：芳香成分和有机硫化物＞硫化物＞氮氧化合物＞甲基类。

（3）供试葡萄风信子可以分为3 类，第1 类为‘蔚蓝’，第2 类为‘黑眼睛’、‘阿莉达’、‘粉日出’、‘乔伊斯精神’，其他品种为第3 类。香气分类不完全符合亲缘关系，但与花色有明显相关性，花香成分与花色的具体关系还需要结合GC-MS 进一步探究。