基于GC-IMS技术分析不同品种沙棘真空冷冻干燥果粉挥发性成分

2023-09-12连雅丽孟新涛杨永兴杨海燕车凤斌

新疆农业科学 2023年8期

连雅丽,孟新涛,杨永兴,杨海燕,张婷,车凤斌,马燕

(1.新疆农业大学食品科学与药学学院,乌鲁木齐 830052;2.新疆农业科学院农产品贮藏加工研究所/新疆主要农副产品精深加工工程技术研究中心,乌鲁木齐 830091;3.新疆沙棘工程技术研究中心,新疆哈巴河 830000)

0 引言

【研究意义】沙棘果粉是一种新型营养健康的产品,风味独特、易贮运、方便冲调、加工用途广泛[1,2]。风味是评价产品品质的重要指标,尤其是风味浓郁的沙棘果粉,挥发性香气物质是构成产品特征风味的物质要素,不同品种沙棘果粉的挥发性香气物质不同,对产品品质影响也不同。分析不同品种沙棘果粉的挥发性香气物质,对提升产品品质具有重要意义[3]。【前人研究进展】食品挥发性物质的检测、分析常使用色谱技术、质谱技术、电子鼻等[4,5]。前期采用气相色谱-质谱技术、顶空固相微萃取联合气相色谱-质谱技术对沙棘果、沙棘果油、沙棘籽油测定挥发性成分,研究沙棘油中各类成分,了解不同地区沙棘挥发性成分的差异[6,8]。气相离子迁移谱技术近年来逐渐应用在食品风味的研究中[9],将气相色谱技术的高分离度优势与离子迁移谱的高灵敏度优势相结合,响应快、稳定性好、灵敏度高,同时也不需要对样品进行特殊的前处理,适合食品中挥发性成分痕量物质的检测[10,11]。目前已经运用鉴定食品的品质、品种、肉制品、真伪等[12-14]。【本研究切入点】不同品种沙棘果粉挥发性香气成分不同,其特征风味物质也不同,直接影响产品品质。需采用高效检测技术研究不同沙棘果粉的挥发性成分,以及运用GC-IMS技术能快速检测分析果粉挥发性香气成分。【拟解决的关键问题】利用GC-IMS技术采集不同品种沙棘果粉的挥发性物质,分析指纹图谱分析各样本之间的相似与差异,研究不同品种沙棘果粉的挥发性香气成分的种类、数量,为提升不同品种沙棘果粉的品质和资源综合利用提供科学依据和参考。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 沙棘果粉

以6个不同品种沙棘(黄色果、状元黄、红色大果、黄色袋果、红色小果、深秋红)为原料,采用真空冷冻干燥技术冻干后破碎制成沙棘果粉。真空冷冻干燥工艺参数:-42℃低温预冻5 h,物料温度控制在-50℃以下,设置真空度为0.2 mbar、冷阱温度-42℃,物料厚度6 mm,干燥时间24 h。

1.1.2 主要试剂及仪器设备

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)等所有分离用有机溶剂均为国产分析纯。仪器为气相离子迁移谱联用仪。

1.2 方法

顶空孵化温度为35℃、孵化时间10 min。色谱柱温度35℃、检测分析时间20 min,载气的流速梯度设置:0～2 min,为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。顶空进样针温度40℃、进样量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)作为标准品建立标准曲线。

1.3 数据处理

使用设备自带的LAV(Laboratory Analytical Viewer)分析软件,通过GC-IMS Library Search检索2014NIST数据库和IMS数据库对特征风味物质定性分析,使用LAV中Reporter和Gallery程序构建挥发性有机物的差异图谱和指纹图谱;使用dynamic PCA plug-ins程序完成PCA分析。

2 结果与分析

2.1 不同品种沙棘果粉挥发性成分的三维图谱

研究表明,制作不同品种沙棘果粉挥发性成分的三维图谱显示,RIP右侧的每1个点代表1种挥发性有机物,颜色的变化体现的是挥发性化合物浓度,离子峰浓度越高颜色越红,浅蓝色代表离子峰浓度低。黄色果、状元黄、红色大果、黄色袋果、红色小果、深秋红6个品种沙棘果粉的挥发性物质存在一定的差异。图1

表1 不同品种沙棘果粉挥发性物质定性信息

注:图中X轴代表IMS迁移时间,Y轴代表保留时间,Z轴代表反应离子峰(Reaction ion peak,RIP)

2.2 不同品种沙棘果粉挥发性成分的二维差异动态

研究表明,6个不同品种沙棘果粉挥发性物质的二维差异呈现出在同一漂移时间和保留时间的定位中,不同品种的沙棘果粉鉴定出的挥发性物质种类和浓度都存在差异。图2

图2 不同品种沙棘果粉挥发性成分的二维差异动态

2.3 不同品种沙棘果粉挥发性物质成分定性

研究表明,从6个沙棘果粉品种中共鉴定出38个挥发性物质。38个挥发性物质中共有5对物质是其单体二聚体或聚合物。共鉴定出11个酯类物质、8个醇类物质、5个醛类物质、5个酮类物质、3个稀类物质、1个呋喃类物质、1个吡嗪类、2个酸类、1个噻唑类、1个环类物质,鉴定出的挥发性物质主要包括呈菠萝、成熟李子皮、苹果等清新水果香的酯类,呈淡青嫩枝气息、酒香、柑橘类物质香气的醇类物质,呈牛奶香气、焦糖香气、奶油香气、坚果底香、辛辣香甜味的酮类物质,呈脂蜡香气、草香味、甜橙香气、茉莉香气的醛类。此外,还识别出18种未能在数据库中定性的挥发性物质。共有5个C6醇化合物,分别是: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 不同品种沙棘果粉挥发性物质指纹图谱的差异

研究表明,黄色果沙棘果粉挥发性化合物峰强度较高的是正丁醛、2-丁酮、2-甲基吡嗪、乙酸己酯、异戊酸异戊酯和正辛醛等,呈现菠萝、柑橘、茉莉等香气。状元黄沙棘果粉中罗勒烯、正己酸乙酯、庚醛、反式-3-己烯-1-醇和苯乙烯等的峰值强度较高,呈现果香、草香、茉莉香等香气。红色大果沙棘果粉中的罗勒烯、正己酸乙酯、3-羟基-2-丁酮等化合物峰值强度相对较高,呈现出水果香、奶香、坚果底香等香气。黄色袋果沙棘果粉中的异戊酸异戊酯、丁酸丙酯、正丁醛、正己醇和正辛醛等化合物峰值强度较高,呈果香、脂蜡香、茉莉香、甜橙香气等香气。红色小果沙棘果粉中的1,4-二氧六环、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-醇等化合物峰值强度较高,主要呈奶油香气、焦糖香气、坚果底香、甜橙等水果的香气。深秋红沙棘果粉挥发性化合物峰值强度较高的是2-甲基丁酸乙酯、正己酸乙酯、1,4-二氧六环、丁酸丙酯等,主要呈类似菠萝、柠檬、李子等清新水果的香气。图3

图3 不同品种沙棘果粉挥发性成分指纹图谱

不同品种沙棘果粉的挥发性成分存在差异,各自有特征挥发性成分区域,也有共同挥发性成分区域。图中A区域是6个品种沙棘果粉共有的挥发性物质,分别是正己酸乙酯、庚醛、3-羟基-2-丁酮、苯乙烯、反式-3-己烯-1-醇、正己醇、丁酸丙酯、松油烯、异戊酸异戊酯、E-2-庚烯醛,这些物质可呈现出清新水果香、淡青嫩枝香、酒香,及坚果底香、脂蜡香气等。图中B区域为黄色果沙棘果粉和黄色袋果沙棘果粉与其它品种沙棘果粉的差异性物质,分别是仲辛醇、异戊酸异戊酯、正辛醛、乙酸乙酯,这也许是因为黄色果与黄色袋果基因近缘所产生的现象。图中C区域是红色小果沙棘果粉特征挥发性物质区域,主要包括2,3-戊二酮(信号峰强度为345/mV)、3-羟基-2-丁酮(信号峰强度为311/mV)、3-甲基-1-戊醇(信号峰强度为136.7/mV)、2-甲基丁酸乙酯(信号峰强度为423/mV)。图中D区域是深秋红沙棘果粉的特征挥发性物质区域,主要包括3-甲基-2-丁醇(信号峰强度为138/mV)、正己酸乙酯(信号峰强度为1 736.67/mV)、1,4-二氧六环(信号峰强度为1 563/mV)、2-甲基丁酸乙酯(信号峰强度为1 969.67/mV),这些挥发性化合物具有的柑橘、柠檬、菠萝、李子、白兰地等果实的香气,其化合物峰强度高于其他5个品种的沙棘果粉。图4

图4 不同品种沙棘果粉特征挥发性物质含量差异变化

2.5 不同品种沙棘果粉挥发性物质主成分分析

研究表明,主成分图横、纵坐标分别是第1主成分(PC1)、第2主成分(PC2),图中显示PC1与PC2的贡献率之和为70%(PC1为44%,PC2为26%),能代表原始数据的绝大部分信息,且这6个品种的点分布在图中的不同区域,彼此距离不同,距离大小分别代表特征香气成分的差异大小。其中黄色果和黄色袋果、状元黄和红色大果相对较为集中,与指纹图谱中特征物质分析结果相对应。不同品种果粉之间的挥发性物质存在一定的差异,各品种间辨识度较高,可以很好的区分辨别,与指纹图谱结果一致。图5

图5 不同品种沙棘果粉挥发性物质PCA

3 讨论

酯类物质在氢过氧化物的分解以及氨基酸降解的条件下形成二级氧化物[15],如:醛类、酮类、醇类等,酮类和醛类物质在形成的过程中,由于特异性不同会产生C6(含有6个碳原子的醇和醛)和C9(含有9个碳原子的醇和醛)化合物[16,17]。研究通过GC-IMS技术定性得出6个不同品种沙棘果粉的挥发性物质共38个,对比不同干燥方式,真空冷果燥后的果粉基本能够较好的保持果实原有的风味[18,19],不同品种沙棘果粉的香气物质与不同品种的果实香气物质基本一致,主要是酯类、醇类、醛类及烯萜类,且不同品种沙棘果粉的挥发性物质浓度存在一定差异,与刘书景[6]、余竞光等[20]的研究结果一致。Tiitinen等[7]采用顶空固相微萃取(Solid phase microextraction,SPME)联合GC-MS测定了不同年份采摘的7个沙棘冻果,发现沙棘果的挥发性物质主要是酯类、醇类,其中鉴定出挥发性成分中己酸乙酯、异戊酸异戊酯、乙酸乙酯相对含量较高,与研究结果相符。研究发现不同品种沙棘果粉挥发性成分出现正己酸乙酯、丁酸乙酯、正己醇、3-羟基-2-丁酮、异戊酸异戊酯的单体和二聚体,这可能与同一种化合物的浓度和性质差异有关[21]。

黄色果与黄色袋果沙棘果粉在PCA分析图中距离近,二者特征风味物质相似,主要有仲辛醇、异戊酸异戊酯、正辛醛、乙酸乙酯,这些物质呈现出类似菠萝、甜橙、李子的水果清香。状元黄和红色大果沙棘果粉在PCA分析图中距离近,主要有罗勒烯、正己酸乙酯等物质,呈现出果香、青草香、奶油香、坚果底香、脂蜡等的香气,也许是原料品种近缘所致。胡兰等[22]用GC-MS技术对两地(新疆麦盖提县、尼勒克县)生产的中国沙棘挥发性物质进行分离鉴定,发现两地沙棘挥发性物质种类相似但其浓度存在显著差异,这可能与气候、地理、地质不同有关。

采用GC-IMS技术不仅对沙棘果粉挥发性香气成分进行了定性,后期还可根据对特征香气的选择进行定量分析,对于无法定性的挥发性香气物质,可结合电子鼻等技术进一步探讨,对沙棘的重要香气物质,应结合香气阈值进行更深入的讨论与分析。