HS-SPME-GC-MS测定西瓜植株不同部位中挥发性成分

2023-09-27张馨予杜甫佑刘京宏

中国瓜菜 2023年9期

张馨予杜甫佑刘京宏

摘要：试验采用顶空固相微萃取法结合气相色谱-质谱联用技术，对西瓜早佳植株的不同部位（花、根、叶、茎）的冷冻干燥样品的挥发性成分分别进行测定。结果表明，西瓜早佳4个部位共鉴定出130种挥发性成分，其中花中52种，根中70种，叶中43种，茎中32种；2-己烯醛为花、叶、茎部位的最主要挥发性物质，苯甲醇为根部位的最主要挥发性物质，不同的挥发性成分赋予了西瓜不同部位特定的香气，该结论为后续西瓜各部位挥发性成分的开发与加工利用提供了有力的理论依据。

关键词：西瓜；挥发性成分；顶空固相微萃取；气相色谱-质谱联用

中图分类号：S651 文献标识码：A 文章编号：1673-2871（2023）09-022-08

Analysis of volatile components of different parts in watermelon by HS-SPME-GC-MS

ZHANG Xinyu， DU Fuyou， LIU Jinghong

（Department of Bioengineering and Chemical Science， Changsha University， Changsha 410022， Hunan， China）

Abstract： To identify the volatile components in different parts of watermelon （Citrullus lanatus） cv..Zaojia， the freeze-dried samples of different parts （flower， root， leaf and stem） in watermelon were used by headspace solid-phase microextraction combined with gas chromatography-mass spectrometry. The results showed that 130 compounds were identified from four parts of watermelon， among which 52 volatile compounds were identified in the flower part， 70 volatile compounds were identified in the root part， 43 volatile compounds were identified in the leaf part， 32 volatile compounds were identified in the stem part. Among them， 2-hexenal is the essential volatile components in the flower， leaf and stem parts， and benzyl alcohol is the essential volatile components in the root part. The different volatile components impart a specific aroma to the four parts. In this experiment， the volatile components in different parts of watermelon were identified for the first time， providing a theoretical basis for the subsequent development， processing and utilization of volatile components in watermelon.

Key words：Watermelon; Volatile composition; HS-SPME; GC-MS

西瓜（Citrullus lanatus）別名夏瓜、水瓜、月明瓜等，为葫芦科西瓜属一年生蔓生藤本植物，我国栽培西瓜品种繁多，主要以新疆、甘肃、山东、江苏等地最为有名[1]。西瓜果肉味甜多汁，且含有大量的葡萄糖、果糖、氨基酸、苹果酸、番茄红素及维生素C等营养物质[2]，是一种富有营养价值且食用安全的水果，深受消费者的喜爱。西瓜种子含油，可用作食品，有清肺润肺、和中止渴功效，因此中医学称西瓜为“天然白虎汤”，果皮和花、根、茎、叶均可用药，具清热、利尿、降血压、治疗便秘等功能[3-7]。目前，国内外学者对西瓜不同部位（西瓜汁、果肉、果皮等）中的挥发性成分已报道共有70余种[8-19]，其中西瓜汁中主要挥发性成分为壬醛、反-2-壬烯醛、反，顺-2，6-壬二烯醛等，果肉中主要挥发性成分为雪松烯、十六烷酸、顺丁烯二酸二丁酯等，果皮中主要挥发性成分为环己烷、十六烷酸、油酸等。前人对西瓜挥发性成分的研究主要集中在果实方面，还未有西瓜花、根、茎、叶部位中挥发性成分的相关报道，缺乏相应部位挥发性成分的研究。顶空固相微萃取法结合气相色谱-质谱（HS-SPME-GC-MS）技术通过吸附/脱吸附技术富集样品中的挥发性和半挥发性成分，克服了传统样品处理技术的一些缺点，已广泛应用于食品、环境以及生物样品分析中[20-21]。笔者的试验首次采用顶空固相微萃取法结合气相色谱-质谱技术，系统对西瓜植株不同部位（花、根、叶、茎）的挥发性成分进行测定，为合理开发西瓜相关部位挥发性成分提供有力依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验材料为早佳，由湖南农业大学中药材产业基地提供，编号20220420。开花期采集各部位（花、根、叶、茎）样品，液氮速冻后分类保存于长沙学院生物与化学工程学院力行楼S521室-80 ℃冰箱中，于2022年4月底在湖南农业大学分析测试中心测定挥发性成分。

1.2 仪器与设备

试验用到的仪器与设备主要包括：GC/MS-QP2010型气相色谱-质谱联用仪、GC/MS Solution色谱工作站和NIST.17质谱数据库（日本岛津公司）；恒温水浴锅（山东博科生物产业有限公司）、Stableflex固相微萃取纤维头，类型为PDMS[黑色（膜厚100 μm）、蓝色（膜厚30 μm）、灰色（膜厚7 μm）、粉色（膜厚75 μm）]、顶空萃取瓶（上海安谱实验科技股份有限公司）、Scientz冷冻干燥机（宁波新芝生物科技股份有限公司）、PL203电子天平[梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司]。

1.3 样品制备

将西瓜的花、根、茎、叶共4部分样品分别加入适量液氮后磨碎，置于-80 ℃冰箱中，24 h后取出，再放入冷冻干燥机中48 h后制得干燥样品，磨碎成粉后过60目筛，得到的干燥粉末样品密封保存于避光阴凉处。西瓜花、根、叶、茎的4部分样品均设3个重复，共12组。精准称取4部位样品各0.60 g置于10 mL顶空萃取瓶中，尽量避免样品残留在瓶壁上，并使样品均匀分布在瓶底。

1.4 萃取

将气化室温度设定为240 ℃，萃取纤维头缓慢插入气相色谱仪气化室中，老化40 min。将水浴锅装置温度设定为70 ℃，用铁夹将萃取瓶置于铁架台上固定，萃取瓶1/3处放入水浴锅中预热40 min，将萃取进样手柄插入顶空样品瓶中，推出萃取纤维头萃取40 min后，缩回萃取纤维头，取出萃取手柄。

1.5 GC-MS条件

HP-88色谱柱[100.0 m×0.25 mm×0.20 μm，安捷伦科技（中国）有限公司]；柱内温度60 ℃；进样口温度240 ℃；进样方式：分流；分流比例：0.5；载气高纯He（纯度99.99%）；载气气体体积流速1.37 mL·min-1；程序升温条件为初始温度60 ℃，维持5 min；以3 ℃·min-1升至140 ℃，保持5 min；再以5 ℃·min-1升至210 ℃，保持10 min；最后以5 ℃·min-1升至240 ℃，保持10 min。分析检测时间共76 min，于10 min后开始采集数据。

离子源：EI源；离子源温度：200 ℃，接口温度：220 ℃；电子能量：70 eV；质荷比扫描范围：45～500 m·z-1；质谱图采用NIST.17谱库进行检索比对。

1.6 数据分析

采用SPSS16.0 进行数据统计分析。生物学重复3次，技术性重复2次，所有数值取平均值计算分析。

2 结果与分析

2.1 萃取纤维头选择

固相微萃取纤维头因吸附膜材料不同，吸附样品中的挥发性成分的种类和丰度也有区别，因此试验先取用西瓜冷冻干燥花样品0.20 g，分别选取4种不同颜色萃取纤维头（黑色、蓝色、灰色、粉色）对样品的挥发性成分进行测定，筛选出适合测定西瓜挥发性成分的最佳萃取纤维头（图1）。对吸附峰面积高含有量的挥发性成分种类的萃取头比较结果表明，黑色（16）＞蓝色（12）＞灰色（11）＞粉色（5）。因此选取吸附挥發性成分数量相对较多、色谱峰丰度高、分离效果较好的黑色萃取纤维头进行试验研究。同时，通过萃取纤维头优化试验，发现西瓜花部位测定出的挥发性成分数量较少，还需进行柱温条件和取样量条件的优化，以达到最佳的检测效果。

2.2 柱温条件的优化选择

柱温是气相色谱柱检测挥发性物质的重要条件，最佳柱温一般为被分析物质中的平均沸点或稍低于平均沸点。试验选择2种柱温（50和60 ℃）条件和黑色萃取纤维头对西瓜冷冻干燥花部位样品0.20 g分别进行挥发性成分测定。结果表明，柱温条件在50和60 ℃时高含有量挥发性成分的种类、丰度并无明显差异，选择60 ℃为试验的柱温。

2.3 取样量的优化

取西瓜混合冷冻干燥花部位样品以称样递增方式进行取样量的优化，分别取0.20 g和0.60 g样品进行挥发性成分测定。结果表明，取样量为0.20和0.60 g的挥发性成分种类存在极为明显的差异（图2），取样量0.60 g测定出的高含有量挥发性成分种类较多，达52种，而取样量0.20 g仅检测到20种挥发性成分，因此选择0.60 g作为试验的取样量。

2.4 西瓜不同部位挥发性成分解析

通过气相色谱-质谱对西瓜4个部位（花、根、叶、茎）进行检测，得出各部位挥发性成分的总离子流图（图3）。通过检索NIST.17质谱数据库，根据各离子峰的相对丰度等方面进行比对，用面积归一法对各积分色谱峰占总峰面积百分比进行计算，测得各组分相对百分比含量与种类（表1和表2），共鉴定出130种不同的挥发性成分，其中花中52种，以醇类和醛类为主，让花具有浓郁而温馨的香味；根中70种，以烷烃类、醛类为主，使其具有独特的刺激性汽油味；叶中43种，以醛类、酮类为主，散发出清爽而甜美的香味；茎中32种，以醇类、醛类为主，让它赋有淡雅而清新的香味；每个部位特有的挥发性成分分别有18、51、15、10种。

西瓜4个部位中存在11种相同的挥发性成分，包括：己醛、2-己烯醛、顺-3-己烯-1-醇、壬醛、苯甲醛、苯乙醛、2，6-二叔丁基-4-甲基苯酚、苯甲醇、苯乙醇、4-氧代己-2-烯醛、3，5-二叔丁基苯酚。采用相对峰面积法进行相对含量的比较分析（图4），己醛和顺-3-己烯-1-醇在花和叶中含量均较高，而在根和茎中含量低。2-己烯醛在叶中含量最高，是西瓜叶中最主要的挥发性成分，与其他3个部位相比，呈显著差异。壬醛和苯甲醛在根中含量均较高，而在其他部位含量很低。苯甲醇在根中含量最高，与其他3个部位相比，呈显著差异。而苯乙醛、2，6-二叔丁基-4-甲基苯酚、苯乙醇、4-氧代己-2-烯醛、3，5-二叔丁基苯酚等5个挥发性成分在各个部位中含量均较低。

3 讨论与结论

目前，国内外研究已报道了西瓜果汁[11-13]、果肉[14-17]、果籽[18]和果皮[19]中的挥发性成分，结合主成分分析对西瓜各部位起主要贡献的挥发性香气成分进行鉴定，发现不同部位主要挥发性成分的种类和含量均存在明显的差异，使得西瓜不同部位散发不同的特殊香气，西瓜汁和果肉中挥发性香气成分丰富，主要成分为乙醛、壬醛等，具有浓烈的清香和香甜味；果皮中挥发性成分较少，主要成分为乙醛，具有青草香味。在笔者的试验中，未做香气的主成分分析，只对西瓜各部位中挥发性成分进行测定。今后可对西瓜各部位的挥发性成分的相对含量进行主成分分析，找出各部位主成分的特征值及其贡献率。

在笔者的试验中，西瓜花中挥发性成分相对含量最高的为2-乙基呋喃和2-己烯醛，2-乙基呋喃，呈强烈的焦香香气，可用作食品添加剂和香料[22]。2-己烯醛是花、叶和茎的主要挥发性成分，当叶片被切断接触空气时，2-己烯醛就会大量释放出浓郁的绿叶香味，其作为香料和防腐剂在工业、化妆品业都得到普遍应用[23]。异戊醇是花种特有的挥发性成分，有苹果白兰地香气，是我国规定的可允许使用的食用香料，可用作溶剂和化学分析的试剂、增塑剂[24]；西瓜根中挥发性成分含量最高的为苯甲醇和苯甲醛，苯甲醇具有微弱的芳香味，是最简单的芳香醇之一，可看作是苯基取代的甲醇，生产中可用于增塑剂、溶剂、防腐剂、肥皂、香料、染料等[25]。百里酚是根中的特有挥发性成分，杀菌作用比苯酚强而且毒性低，对口腔咽喉黏膜具有杀菌作用，对龋齿腔还有局部麻醉、防腐等功效，能促进气管纤毛运动，利于气管黏液的分泌，起化痰作用[26]；西瓜叶中挥发性成分含量最高的为2-己烯醛，该部位特有的挥发性成分是反式-2-戊烯醛，均可用作食品香料；西瓜茎中挥发性成分含量最高的为2-己烯醛和2-甲基丁烷，该部位特有的挥发性成分是2-甲基丁烷和戊醛，2-甲基丁烷有令人愉快的芳香气味，可用于有机合成，也可用作溶剂、聚苯乙烯的发泡剂，戊醛主要在工业生产上可用作香料、橡胶促进剂等[27]。这些高含量的挥发性成分赋予了西瓜各部位特殊的香气，同时还能有效地应用到工业生产中。

综上所述，笔者在试验中采用顶空固相微萃取法结合气相色谱-质谱联用技术对西瓜早佳品种的不同部位冷冻干燥样品中的挥发性成分进行测定，共鉴定出130种挥发性成分，其中花中52种，根中70种，叶中43种，茎中32种，各部位中均有特定的挥发性成分和11种相同的挥发性成分，赋予了西瓜不同部位特定的香气。该结论为后续西瓜各部位挥发性成分的开发与加工利用提供了有力的理论支撑。

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