基于電子鼻和GC-MS評價嘎拉蘋果采后芳香品質(zhì)

樊 麗，任小林*，向春燕，亢 鍵

（西北農(nóng)林科技大學園藝學院，陜西 楊凌 712100）

基于電子鼻和GC-MS評價嘎拉蘋果采后芳香品質(zhì)

樊 麗，任小林*，向春燕，亢 鍵

（西北農(nóng)林科技大學園藝學院，陜西 楊凌 712100）

以嘎拉蘋果為試材，使用電子鼻和氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)研究其在20 ℃貯藏期間芳香品質(zhì)的變化。電子鼻檢測結(jié)果表明，通過線性判別分析，可以將不同貯藏期的蘋果區(qū)分開。氣相色譜-質(zhì)譜檢測結(jié)果表明，嘎拉蘋果在采后貯藏期間的主要揮發(fā)性成分為己醛、（E）-2-己烯醛、乙酸丁酯、乙酸-2-甲基丁酯、乙酸己酯、2-甲基丁酸己酯、1-丁醇、2-甲基-1-丁醇、1-己醇、草蒿腦和α-法尼烯。將檢測到的主要揮發(fā)性芳香物質(zhì)進行主成分分析和線性判別分析，結(jié)果表明，通過氣相色譜-質(zhì)譜分析可以區(qū)分不同貯藏期的蘋果果實。

電子鼻；氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用；蘋果；芳香品質(zhì)

果實的品質(zhì)不僅取決于其形狀、大小、顏色和質(zhì)地，同時也和香氣有關(guān)。蘋果的香氣成分在貯藏期間大量產(chǎn)生，并隨貯藏時間的延長而發(fā)生變化，影響果實的感官品質(zhì)。傳統(tǒng)研究果實香氣的方法是感官評價小組和氣相色譜-質(zhì)譜（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）分析，前者的主觀性強、重復性差，容易出現(xiàn)嗅覺疲勞從而影響分析結(jié)果[1]，后者雖然可以對果實的香氣成分進行定性定量分析，但這種方法樣品前處理復雜、測定時間長、價格昂貴，并且需要專業(yè)人員操作[2]。而電子鼻作為20世紀90年代發(fā)展起來的果實無損檢測技術(shù)，可以快速、無損的檢測果實產(chǎn)生的揮發(fā)性物質(zhì)，并獲得樣品的“指紋數(shù)據(jù)”[3-5]，從而實現(xiàn)對果品內(nèi)在質(zhì)量的快速有效檢測。

目前對于電子鼻的研究主要集中在開發(fā)商業(yè)化的電子鼻設(shè)備和利用電子鼻對果實質(zhì)量的無損檢測等方面。鄒小波等[6-7]利用自制的電子鼻系統(tǒng)可以區(qū)分不同品種以及不同質(zhì)量的蘋果；張曉華等[8]利用電子鼻結(jié)合主成分分析預測蘋果采后貨架期，通過和傳統(tǒng)理化指標的比較，證明電子鼻預測結(jié)果的準確性；Young等[9]利用電子鼻和GC-MS均可以區(qū)分不同采收期的皇家嘎拉蘋果。由于蘋果的香氣受到品種、栽培條件、采收期、貯藏條件以及貯藏時期等因素的影響，電子鼻在蘋果香氣品質(zhì)評價中的應(yīng)用仍需進一步探索和研究。本實驗基于電子鼻檢測嘎拉蘋果在采后貯藏期間揮發(fā)性物質(zhì)的變化，并結(jié)合傳統(tǒng)的GC-MS分析，旨在評價嘎拉蘋果在采后貯藏期間的芳香品質(zhì)，以及利用電子鼻技術(shù)區(qū)分不同貯藏期蘋果的準確性和可行性，為電子鼻在采后貯藏中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

嘎拉蘋果于2013年8月10日采自陜西省乾縣姜村管理良好的一農(nóng)家果園，樹齡為13年生。蘋果采收后立即運回西北農(nóng)林科技大學園藝學院采后實驗室，選擇大小一致、著色均勻、無機械損傷、無病蟲傷害的果實，用0.03 mm厚的PVC保鮮袋包裝后放入紙箱內(nèi)，于（20±1）℃條件下貯藏。

1.2 儀器與設(shè)備

GS-15型水果質(zhì)地分析儀 南非Guss Manufacturer公司；PAL-1型數(shù)顯糖度計 日本Atago公司；GMK-835F型蘋果酸度計 韓國G-WON Hitech公司；CR-400型色度計 日本柯尼卡美能達公司；Telaire-7001型CO2分析儀 美國Telaire公司；GC-14A型氣相色譜儀日本島津公司；HR1858型榨汁機 荷蘭Philips公司；ISQ氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀 美國Thermo Fisher Scientific公司；固相微萃取攪拌加熱平臺、萃取手柄和50/30 μm DVB/CAR/PDMS萃取頭 美國Supelco公司；DB-WAX（60 m×0.25 mm，0.25 μm）彈性石英毛細管柱 美國Agilent公司。

PEN3型電子鼻 德國Airsense公司；該型號電子鼻傳感器陣列包含10 個傳感器，分別為W1C（對芳香型化合物敏感）、W5S（對氮氧化物敏感）、W3C（對氨類、芳香型化合物敏感）、W6S（對氫氣敏感）、W5C（對烷烴、芳香型化合物敏感）、W1S（對甲烷敏感）、W1W（對硫化氫、萜烯類敏感）、W2S（對乙醇、部分芳香型化合物敏感）、W2W（對有機硫化物敏感）、W3S（對烷烴敏感）[10]，測定時樣品揮發(fā)性物質(zhì)與傳感器接觸后發(fā)生反應(yīng)，傳感器電導率G發(fā)生改變，其與初始電導率G0的比值為相對電導率（G/G0）也隨之變化。響應(yīng)氣體濃度越大，G/G0的值越偏離1（大于或者小于1）；如果濃度低于檢測限或者沒有感應(yīng)氣體，G/G0的值則接近甚至等于1。每次測量前后，傳感器都進行清洗和標準化，以有效地消除漂移現(xiàn)象，并保證電子鼻測量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和精確度。結(jié)合電子鼻自帶Winmuster軟件對數(shù)據(jù)進行采集和計算。

1.3 方法

1.3.1 果實取樣

在果實采后18 d內(nèi)，每隔3 d隨機選取15 個果實，測定生理指標，重復3 次。電子鼻檢測在采后第0、6、12、15、18天進行，每次測定15 個果實，測定完后使用同一批果實測定生理指標，并將果實每5 個作為一組，去果皮后榨汁，放入-40 ℃冰箱中保存，用于GC-MS香氣成分測定，共3 次重復。

1.3.2 果實品質(zhì)與生理指標測定

果肉硬度：用水果質(zhì)地分析儀測定（探頭直徑11 mm；參數(shù)設(shè)定為：觸發(fā)閾值0.10 kg；探頭下降速率10 mm/s；探頭返回速率10 mm/s；測量速率5 mm/s；測量距離10.0 mm）；可溶性固形物含量：用數(shù)顯糖度計測定；可滴定酸含量：用蘋果酸度計測定；果面色度：用色差計測定；呼吸速率：用CO2分析儀測定；乙烯釋放速率：用GC儀測定。

1.3.3 電子鼻無損檢測

將單個嘎拉蘋果果實放置于500 mL燒杯中，用保鮮膜封口，靜置30 min后使用電子鼻進行無損檢測，每次檢測后進行清零和標準化。

電子鼻測定參數(shù)：樣品測定間隔時間1 s；樣品準備時間5 s；樣品測試時間45 s；測量計數(shù)1 s；傳感器清洗時間300 s；自動調(diào)零時間5 s；內(nèi)部流量300 mL/min；進樣流量：300 mL/min。將42 s處的信號作為傳感器信號分析的時間點。

1.3.4 固相微萃取樣品前處理

在40 mL的頂空瓶中加入15 g蘋果汁，1 g氯化鈉，10 μL 3-壬酮（0.04 mg/mL，溶劑為正己烷），迅速封口，在50 ℃恒溫條件下平衡10 min后，將在250 ℃老化好的萃取頭插入頂空瓶，50 ℃[11]條件下吸附30 min，拔出萃取頭，插入GC進樣口250 ℃高溫解吸2 min。

1.3.5 色譜條件

色譜柱：彈性石英毛細管柱DB-WAX（60 m× 0.25 mm，0.25 μm）；升溫程序：初溫40 ℃保持2.5 min，以5 ℃/min升至150 ℃，以10 ℃/min升至230 ℃，保持5 min；進樣口溫度250 ℃；載氣：99.999%高純度氦氣；不分流進樣。

1.3.6 質(zhì)譜條件

電子電離源；電子能量70 eV；傳輸線溫度230 ℃；離子源溫度230 ℃；激活電壓1.5 V；質(zhì)量掃描范圍m/z 35～500。

1.3.7 定性定量分析

定性分析：未知化合物質(zhì)譜圖經(jīng)計算機檢索同時與NIST 2011質(zhì)譜庫相匹配，結(jié)合人工圖譜解析及有關(guān)文獻資料[12-18]，確認果實在貯藏期間產(chǎn)生的主要揮發(fā)性成分（1-丁醇、2-甲基-1-丁醇、己醇、草蒿腦、己醛、（E）-2-己烯醛、乙酸丁酯、乙酸-2-甲基丁酯、乙酸己酯、2-甲基丁酸己酯、α-法尼烯）。

定量分析：采用峰面積歸一化法求得各化合物相對含量，并以3-壬酮為內(nèi)標進行相對定量。通過計算lg（香氣值）確定特征香氣成分，香氣值=某種化合物含量/該化合物香氣閾值，lg（香氣值）大于0的成分為特征香氣成分[19]。

1.3.8 GC條件

果實密閉1 h后抽取氣體，進樣量1 mL。GDX-502色譜柱（2 m×3.2 mm）；載氣為N2；柱溫90 ℃；進樣口溫度110 ℃；氫氣0.7 kg/cm2；空氣0.7 kg/cm2；氮氣1.0 kg/cm2；氫火焰離子化檢測器檢測；檢測室溫度150 ℃。

1.3.9 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010對數(shù)據(jù)進行整理和作圖。電子鼻所測得的數(shù)據(jù)使用其自帶的Winmuster軟件進行線性判別分析（linear discrimination analysis，LDA）。使用SPSS 18.0軟件進行單因素方差分析（Tukey法，P≤0.05）、主成分分析（principal components analysis，PCA）、載荷分析和LDA。

PCA是通過將多指標的信息進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和降維，并對降維后的特征向量進行線性分類，最后在PCA的散點圖上顯示主要的二維散點圖，PC1和PC2是散點圖中的2 個坐標軸，包含了在PCA轉(zhuǎn)換中得到的第1主成分和第2主成分的貢獻率，一般總貢獻率超過85%，此方法即可使用。

載荷分析是主成分與相應(yīng)的原始指標變量的相關(guān)系數(shù)，用于反映不同主成分和各個變量間的密切程度。位點坐標表示分別所在主成分上的比例大小，相關(guān)系數(shù)（絕對值）越大，主成分對該變量的代表性也越大[20]。

LDA也叫做Fishier線性判別（Fisher linear discriminant，F(xiàn)LD），是一種常規(guī)的模式識別和樣品分類方法。它的基本思想是通過投影將原始數(shù)據(jù)映射到另一個更低維的方向，使得投影后組與組之間盡可能地分開，而同一組內(nèi)的關(guān)系更加密切，該分析注重類別的差異以及各組之間的距離分析，其中LD1和LD2為判別函數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 嘎拉蘋果果實采后品質(zhì)及生理指標的變化

品質(zhì)指標第0天第3天第6天第9天第12天第15天第18天

表1 嘎拉蘋果20 ℃貯藏期間品質(zhì)和生理指標的變化Table 1 Quality and physiological parameters of Gala apple during storage at 200 ℃

如表1所示，果實在采收時的硬度為8.712 kg/cm2，可溶性固形物和可滴定酸含量分別為12.4%和0.4%，隨著貯藏時間的延長，果實的硬度和可滴定酸含量均逐漸降低，可溶性固形物含量先升高后降低，這是由于果實在貯藏后期呼吸作用增強、底物消耗增加，可溶性固形物含量隨之下降[21]。果實的明亮度L*值總體變化較小，在整個貯藏期間無顯著差異，色飽和度C*值逐漸增加，說明果實在貯藏過程中鮮艷程度增加，色調(diào)角H*值先升高后降低，總體呈下降趨勢，表明果實在貯藏過程中顏色由綠色向黃綠色轉(zhuǎn)變。果實的呼吸速率和乙烯釋放速率在貯藏期間逐漸升高，在第15天時達到峰值后下降，說明果實在貯藏第15天時發(fā)生乙烯和呼吸躍變。

2.2 嘎拉蘋果果實采后電子鼻無損檢測

圖1 嘎拉蘋果20 ℃貯藏期間10 個傳感器的響應(yīng)值Fig.1 Response values of ten sensors to Gala apple during storage at 20 ℃

2.2.1 嘎拉蘋果果實不同貯藏期電子鼻傳感器響應(yīng)值的變化如圖1所示，果實在剛采收時，傳感器響應(yīng)值很低，這是由于果實在剛采收時，揮發(fā)性物質(zhì)種類少、含量較低。隨著貯藏時間的延長，果實在后熟過程中揮發(fā)性成分逐漸增加，不同傳感器對不同貯藏時期的嘎拉蘋果響應(yīng)值也有明顯的差異。其中，W5S（對氮氧化合物敏感）和W1W（對硫化氫、萜烯類敏感）響應(yīng)值變化最大，W5S傳感器響應(yīng)值在第15天達到最大，W1W傳感器響應(yīng)值在第12天達到最大值，這和呼吸速率以及乙烯釋放速率的變化是一致的。

2.2.2 電子鼻對不同貯藏期嘎拉蘋果揮發(fā)性成分的LDA

圖2 嘎拉蘋果20 ℃貯藏期間LDA圖Fig.2 LDA score plot of Gala apple during storage at 20 ℃

如圖2所示，判別式LD1和LD2的貢獻率分別為86.76%和7.50%，二者的總貢獻率達到了94.26%，不同貯藏期的嘎拉蘋果可以相互區(qū)分開。

LDA方法注重所采集的嘎拉蘋果揮發(fā)性物質(zhì)成分響應(yīng)值在空間中的分布狀態(tài)以及彼此之間的距離分析。由圖2可以看出，嘎拉蘋果在采后0～6 d的揮發(fā)性成分在LD1和LD2上均變化較大，這是由于蘋果在采收后貯藏初期發(fā)生后熟，揮發(fā)性物質(zhì)變化較大。貯藏6～12 d的果實揮發(fā)性成分在LD1上和LD2上變化較小，說明果實在貯藏中期香氣成分變化不大。第12～15天果實在LD1上變化較小，沿LD2下降，第15～18天揮發(fā)性成分沿LD1增加，在LD2上變化不大，說明在貯藏末期嘎拉蘋果芳香物質(zhì)發(fā)生了變化。

2.3 GC-MS對嘎拉蘋果果實揮發(fā)性芳香成分的測定

2.3.1 嘎拉蘋果貯藏期間主要揮發(fā)性芳香成分含量的變化果實的香氣取決于其產(chǎn)生的揮發(fā)性物質(zhì)的種類和含量，只有l(wèi)g（香氣值）大于0的物質(zhì)可以作為果實的特征香氣。由表2可知，果實在采收時的特征香氣成分為己醛、（E）-2-己烯醛和乙酸己酯，其中，己醛、（E）-2-己烯醛的嗅感描述分別為青草味和綠蘋果味[19]，它們通常用于描述未成熟果實的芳香特點，隨著貯藏時間的延長，己醛和（E）-2-己烯醛的含量逐漸降低，乙酸己酯、乙酸丁酯、乙酸-2-甲基丁酯、2-甲基丁酸己酯的含量先升高后降低，酯類物質(zhì)成為嘎拉果實在貯藏期間的主要特征香氣成分，這與Plotto等[17]的研究結(jié)果相一致。乙酸己酯、乙酸丁酯、乙酸-2-甲基丁酯、1-己醇的含量在貯藏第12天含量達到最大值，2-甲基丁酸己酯、丁醇、2-甲基-1-丁醇、草蒿腦和α-法尼烯的含量在貯藏第15天達到最大。

表2 嘎拉蘋果20 ℃貯藏期間主要揮發(fā)性成分含量Table 2 Major volatile components of Gala apple during storage at 20 ℃

2.3.2 嘎拉蘋果貯藏期間主要揮發(fā)性成分的PCA

圖3是以表2中所列的主要揮發(fā)性成分為變量所得到的PCA結(jié)果。其中，PC1的貢獻率為77.18%，PC2的貢獻率為13.15%，二者的總貢獻率為90.33%，不同貯藏期的蘋果可以完全區(qū)分開。

圖3 嘎拉蘋果20 ℃貯藏期間主要揮發(fā)性成分PCA圖Fig.3 PCA score plot of major volatile components from Gala apple during storage at 20 ℃

圖4 嘎拉蘋果20 ℃貯藏期間主要揮發(fā)性成分載荷分析圖Fig.4 Loading analysis plot of major volatile components from Gala apple during storage at 20 ℃

由圖4可以看出，己醛和（E）-2-己烯醛在第2主成分上起主要作用，對第0天果實的分類所起作用較大，這是由于果實在剛采收時的主要揮發(fā)性成分為己醛和（E）-2-己烯醛。2-甲基-1-丁醇、乙酸-2-甲基丁酯、丁醇和乙酸丁酯對貯藏第18天果實的分類起主要作用，2-甲基丁酸己酯、己醇和乙酸己酯、草蒿腦以及α-法尼烯對貯藏第6～15天的果實的分類起主要作用。

2.3.3 嘎拉蘋果貯藏期間主要揮發(fā)性成分的LDA

圖5 嘎拉蘋果20 ℃貯藏期間主要揮發(fā)性成分LDAA圖Fig.5 LDA score plot of major volatile components from Gala apple during storage at 20 ℃

由圖5可知，LD1的貢獻率為95.3%，LD2的貢獻率為3.5%，二者的總貢獻率為98.8%，不同貯藏期的嘎拉蘋果可以完全分開，和PCA分析結(jié)果相比，LDA分析可以區(qū)分不同貯藏期的果實，并且不同貯藏期之間的果實距離更大，區(qū)分效果更好。

3 結(jié) 論

嘎拉蘋果在20℃貯藏期間產(chǎn)生的揮發(fā)性成分發(fā)生變化，導致不同貯藏期果實的香氣不同。電子鼻和GC-MS均能檢測到果實貯藏期揮發(fā)性物質(zhì)的變化，通過LDA或PCA均可以區(qū)分不同貯藏期的嘎拉蘋果。電子鼻雖然不能對揮發(fā)性成分進行定性定量檢測，但是其檢測過程方便、快捷，樣品無需前處理，分析成本比GC-MS低，可以應(yīng)用于蘋果采后貯藏期芳香品質(zhì)的快速無損檢測，但在蘋果不同品種、不同栽培條件下果實品質(zhì)評價中的應(yīng)用還需要進一步研究。

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Aroma Quality of Gala Apple during Storage Evaluated by Electronic Nose and Gas Chromatography-Mass Spectrometry

FAN Li, REN Xiao-lin*, XIANG Chun-yan, KANG Jian
(College of Horticulture, Northwest A & F University, Yangling 712100, China)

The aroma quality of Gala apple during storage at 20 ℃ was evaluated by electronic nose and gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS). The obtained data from electronic nose were analyzed using linear discriminant analysis. The results showed that linear discriminant analysis (LDA) could successfully discriminate Gala apple with different storage periods. Meanwhile, based on principal component analysis (PCA) and linear discriminant analysis, GC-MS could distinguish Gala apple from different storage periods.

electronic nose; gas chromatography-mass spectrometry; apple; aroma quality

TS255.3

A

1002-6630（2014）22-0164-05

10.7506/spkx1002-6630-201422031

2014-03-07

國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)（蘋果）產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項（MATS）

樊麗（1990—），女，碩士研究生，研究方向為園藝產(chǎn)品采后生理及貯藏保鮮技術(shù)。E-mail：fanli18@126.com

*通信作者：任小林（1964—），男，教授，博士，研究方向為園藝產(chǎn)品采后生理及貯藏保鮮技術(shù)。E-mail：renxl@nwsuaf.edu.cn