基于主成分分析的臭氧與紫外復(fù)合處理枸杞揮發(fā)性成分綜合評價

龔　媛，王　旭，廖若宇，徐夢霞，劉敦華（寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏銀川750021）

基于主成分分析的臭氧與紫外復(fù)合處理枸杞揮發(fā)性成分綜合評價

龔媛，王旭，廖若宇，徐夢霞，劉敦華*
（寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏銀川750021）

研究臭氧與紫外復(fù)合處理對枸杞揮發(fā)性成分的影響，采用頂空固相微萃取結(jié)合氣相質(zhì)譜法檢測不同處理方式樣品中的揮發(fā)性成分，并利用主成分分析法和聚類分析法對揮發(fā)性成分進(jìn)行分析評價。結(jié)果表明，從不同處理方式下的枸杞中共檢測出78種揮發(fā)性成分，酯類14種，醇類21種，烷烴類16種，酮類15種，醛類5種，酸類3種，醚類及雜環(huán)類4種，其中10種物質(zhì)為4個枸杞樣品所共有；主成分分析共分析出42種主要的揮發(fā)性成分，結(jié)合聚類分析綜合評價不同處理方式下枸杞揮發(fā)性成分風(fēng)味由高到低依次是：臭氧與紫外復(fù)合處理后烘干的枸杞干果＞臭氧與紫外復(fù)合處理后真空干燥的枸杞干果＞未處理的枸杞干果＞鮮果。

枸杞，臭氧-紫外復(fù)合處理，揮發(fā)性成分，主成分分析法，聚類分析法

枸杞（Lycium barbarum）屬茄科（Solanaceae）植物，含有豐富的蛋白質(zhì)、多糖、類胡蘿卜素、黃酮以及多種氨基酸、維生素和礦質(zhì)元素等活性物質(zhì)。枸杞鮮果容易褐變不能長時間儲存，需要用曬干、烘干、真空干燥等方式制成干果存儲［1］。枸杞干果是枸杞常見的一種低水分形態(tài)，微生物污染是枸杞制干過程中最突出的問題。臭氧、紫外單獨殺菌在低水分的產(chǎn)品中沒有明顯的優(yōu)勢，但將臭氧、紫外復(fù)合處理蔬菜、水中細(xì)菌卻有明顯效果［2-3］，大大提高難氧化物質(zhì)的氧化速率和效率，廣泛應(yīng)用于污水處理等，同時也被用于對食品揮發(fā)性成分的影響研究［4］。

固相微萃取具有需要樣品量少、容易操作、萃取時間短、靈敏度高、重復(fù)性好等優(yōu)點；氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)具有方便、精確、快速的優(yōu)點，結(jié)合固相微萃取已在水果及其制品香氣成分分析方面得到廣泛應(yīng)用［5］。

本實驗采用固相微萃取與氣質(zhì)聯(lián)用測定了枸杞鮮果、枸杞干果、臭氧與紫外復(fù)合處理后烘干的枸杞干果、臭氧與紫外復(fù)合處理后真空干燥的枸杞干果4種樣品揮發(fā)性成分的種類和相對含量并作出比較，利用SPSS軟件對揮發(fā)性成分進(jìn)行主成分分析和聚類分析進(jìn)行綜合評價，以期為枸杞品質(zhì)評價提供參考。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

枸杞干果購于寧夏銀川同心路市場寧杞1號，水分含量為11.5874%；枸杞鮮果于枸杞干果的銀川軍馬場枸杞基地采摘；丙酮分析純，天津東方化工廠；石油醚分析純，天津市瑞金特化學(xué)品有限公司；無水乙醇分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠。

AL204型電子天平梅勒-勒托利多儀器（上海）有限公司；AB-K-Y-10型移動式臭氧發(fā)生器南京奧坂干燥設(shè)備廠；DZF/型系列真空干燥箱上海鴻都電子有限公司；DHG-9101-0S電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱上海鴻都電子有限公司；GJWS-A2型溫濕度表天津市津南區(qū)工藝美術(shù)陶瓷廠；7230G可見分光光度計上海精密科技有限公司；EST-10-03型臭氧濃度檢測儀深圳市源恒通科技有限公司；JHSCA型超凈工作臺上海鴻都科技有限公司；20W雙端雙針石英紫外線殺菌消毒燈東?？h創(chuàng)新燈具廠；PW103型空氣加濕器上海奔騰企業(yè)有限公司；WK-600A型高速中藥粉碎機(jī)上海新諾儀器設(shè)備有限公司；手動SPME進(jìn)樣器，50/30 μm PDMS/DVB萃取頭美國Supelco公司；GC-MS-QP2010plus，氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀日本島津公司制造；HH.SY21-Ni6-C型恒溫水浴鍋北京長源實驗設(shè)備廠。

1.2實驗方法

1.2.1樣品預(yù)處理樣品1為未作任何處理的枸杞鮮果；樣品2為市場購買的枸杞干果，不做任何處理；樣品3：臭氧與紫外復(fù)合處理枸杞干果的殺菌條件為在相對濕度90%±5%的環(huán)境中，將適量的樣品2置于帶孔的篩子中，打開臭氧發(fā)生器待臭氧濃度為31 mg/m3，打開紫外燈，輻射距離31 cm，處理時間32 min后，50℃烘干至恒重待測；樣品4：臭氧與紫外復(fù)合處理枸杞干果的殺菌條件為在相對濕度90%±5%的環(huán)境中，將適量的樣品2置于帶孔的篩子中，打開臭氧發(fā)生器待臭氧濃度為31 mg/m3，打開紫外燈，輻射距離31 cm，處理時間32 min后，-0.1 MPa，50℃真空干燥至恒重待測。將樣品1放入榨汁機(jī)中制成果漿；將樣品2、樣品3、樣品4分別用粉碎機(jī)粉碎，待用。

1.2.2枸杞干果揮發(fā)性物質(zhì)的提取和測定

1.2.2.1固相微萃取法參考文獻(xiàn)［6］的方法，稍作修改，稱取3 g樣品置于20 mL的頂空瓶中，插入已老化好的SPME針頭，在50℃恒溫水浴鍋中頂空萃取30 min，取出萃取頭，并立即插入GC/MS進(jìn)樣口中，進(jìn)樣口溫度為250℃，熱解吸3 min進(jìn)樣，拔出萃取頭。

1.2.2.2揮發(fā)性物質(zhì)檢測條件氣譜條件：色譜柱為DB-5MS毛細(xì)管柱（30 m×0.25 mm×0.5 um），載氣為He，流速為3.7 mL/min，進(jìn)樣口溫度250℃，不分流；FID檢測器溫度為250℃，起始柱溫為40℃，保持2 min，以15℃/min升溫到100℃，然后再以5℃/min升溫到220℃，保持10 min，最后以5℃/min升溫到250℃。

質(zhì)譜條件：色譜-質(zhì)譜接口溫度250℃，譜庫NIST05a.L，質(zhì)譜質(zhì)量掃描范圍為30～450 amu。揮發(fā)性化物質(zhì)的確定：對總離子流圖中的各峰經(jīng)質(zhì)譜計算機(jī)數(shù)據(jù)系統(tǒng)檢索及核對NIST05a.L譜庫，對枸杞干果揮發(fā)風(fēng)味成分進(jìn)行解析，確定枸杞干果的揮發(fā)性化學(xué)成分，并根據(jù)面積歸一法求出各成分的相對含量。

1.2.3數(shù)據(jù)處理采用SPSS 19.0與Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析［7］。

2　結(jié)果與分析

2.1揮發(fā)性成分的種類分析

不同樣品中揮發(fā)性成分的種類和相對含量列于表1，由表1可知4種不同枸杞樣品中共檢測出78種揮發(fā)性成分，包括酯類14種，醇類21種，烷烴類16種，酮類15種，醛類5種，酸類3種，醚類及雜環(huán)類4種，其中10種物質(zhì)為4個枸杞樣品所共有，分別是正辛醇、正十五烷、正十八烷、β-紫羅蘭酮、壬醛、反式-2-壬烯醛、癸醛、β-環(huán)檸檬醛、辛醚、萘。樣品1中相對含量較高的成分是二十八烷醇（6.90%）、壬醛（4.89%）、己酸甲酯（4.32%）、6-甲基-5-庚烯-2-酮（3.86%）等，其中醇類19.04%、酯類10.38%、酮類8.8%、醛類7.88%；樣品2中相對含量較高的成分是二十八烷醇（7.70%）、壬醛（5.45%）、2-十一酮（4.58%）等，其中烷烴類17.28%、醇類16.46%、酮類14.21%、醛類8.41%；樣品3中相對含量較高的成分是壬醛（7.97%）、2-十一酮（4.60%）、2，3-丁二醇（3.58%）等，其中酮類20.68%、烷烴類16.27%、醇類13.95%、醛類10.62%；樣品4相對含量較高的成分是鄰苯二甲酸二甲酯（9.84%）、對叔丁基環(huán)己醇（7.12%）、壬醛（6.53%），其中酯類21.63%、醇類19.43%、酮類14.42%、醛類8.94%；以揮發(fā)性成分總相對含量而言：樣品4＞樣品3＞樣品2＞樣品1，說明臭氧與紫外復(fù)合處理對枸杞揮發(fā)性成分含量有一定的影響。

2.2不同枸杞樣品中揮發(fā)性成分的主成分分析

不同枸杞樣品中的揮發(fā)性成分的數(shù)據(jù)比較分散，單一利用種類與相對含量不能全面的說明其對枸杞風(fēng)味的貢獻(xiàn)，因此對表1中不同枸杞樣品的78種揮發(fā)性成分進(jìn)行主成分分析，結(jié)果見表2、圖1。

由表2、圖1可知，主成分1、主成分2的貢獻(xiàn)率分別是52.221%、34.312%，前兩個主成分累積貢獻(xiàn)率達(dá)到86.533%，根據(jù)文獻(xiàn)［8］主成分貢獻(xiàn)率累計超過85%時，可以用主成分代表原始數(shù)據(jù)。因此這兩個主成分可以客觀反映臭氧與紫外復(fù)合處理方式下枸杞揮發(fā)性成分的變化，因此選前兩個主成分代替原78個揮發(fā)性成分進(jìn)行分析，這也證明了選用主成分分析達(dá)到降維的目的［9］。

主成分載荷矩陣的里的成分載荷系數(shù)反映了枸杞中個揮發(fā)性成分對各主成分的影響程度，成分載荷系數(shù)越大，說明主成分對此變量的代表性越強，成分載荷系數(shù)的正負(fù)號表示化學(xué)成分對主成分的正負(fù)效應(yīng)［10］。從表3可以看出，L（-）-乳酸乙酯、異辛醇、正辛醇、β-環(huán)檸檬醛、2-（乙酰氨基）-3-（4-羥基-3，5-二碘苯基）丙酸、與主成分1高度正相關(guān)，鄰苯二甲酸二甲酯、鄰苯二甲酸二異壬酯、乙基丁酸丁酯、鄰苯二甲酸二異丁酯、2-正丁基乙酰乙酸乙酯、鄰苯二甲酸二丁酯、對叔丁基環(huán)己醇、膽甾烷-3，5，6-三醇、2-乙基-3-羥基-4-吡喃酮、β-紫羅蘭酮與主成分1呈高度負(fù)相關(guān)；丙酮香葉酯、惕各酸烯丙酯、癸醛、壬醛、與主成分2呈高度正相關(guān)，二十八烷醇、辛醚、正十八烷與主成分2呈高度負(fù)相關(guān)。

表1　不同樣品中揮發(fā)性成分的含量Table 1　The contents of volatile components in different samples

續(xù)表

表2　主成分的特征值及貢獻(xiàn)率Table 2　The eigenvalues and contribution rates of principal component

圖1　主成分碎石圖Fig.1　Scree plot of principal components

主要揮發(fā)性成分中酯類和醇類分別有11種，醇類通常賦予產(chǎn)品新鮮的氣味，它們的閾值較低，對枸杞揮發(fā)性成分風(fēng)味的生成有一定的貢獻(xiàn)，其中苯乙醇具有玫瑰的香氣［11］，月桂醇、異辛醇具有淡淡的花香［12］；酯類揮發(fā)性成分是枸杞揮發(fā)性成分的重要組成部分，主要是有酸和醇酯化而成，其中L（-）-乳酸乙酯具有較強的酒香氣味［13］，惕各酸烯丙酯具柔和生漿果清香，鄰苯二甲酸二丁酯具有芳香氣味［12］，鄰苯二甲酸二異壬酯具有輕微酯味，丙酮香葉酯具青葉氣息、醛香、果香［14］。酮類是典型的風(fēng)味物質(zhì)，其閾值高于同分異構(gòu)體的醛類，在枸杞主要揮發(fā)性成分中占有8種，其中2-乙基-3-羥基-4-吡喃酮具有香草香氣，乙位紫羅蘭酮有強烈的花香［15］，4-羥基-4-甲基-2-戊酮具有芳香味，6-甲基-5-庚烯-2-酮具有水果香氣［16］。醛類閾值較低，對枸杞風(fēng)味的整體貢獻(xiàn)較大，其中壬醛有強烈的油脂氣味和甜橙氣息、癸醛有新鮮的果味香［17］，萘有樟腦丸氣味［18］；這些物質(zhì)是不同枸杞樣品中重要的揮發(fā)性成分。

表3　主成分載荷矩陣及特征向量Table 3　Loading matrix and eigenvectors of principal components

2.3不同處理方式的枸杞綜合評價

通過SPSS 19.0對表2特征值及表3載荷量進(jìn)行轉(zhuǎn)換-計算變量提取特征向量，以特征向量為權(quán)重系數(shù)建立前兩個主成分的線性表達(dá)式：

PC1=-0.219X1-0.219X2-0.218X3-0.214X4+ 0.214X5-0.204X6-0.202X7-0.188X8+0.006X9+0.099X10+ 0.05X11+0.219X12-0.207X13+0.205X14-0.202X15-0.183X16-0.140X17+0.107X18+0.042X19+0.105X20+0.125X21+0.126X22-0.208X23-0.203X24+0.105X25+0.082X26+0.126X27+0.126X28+ 0.125X29+0.001X30+0.187X31-0.153X32+0.994X33-0.004X34+ 0.100X35+0.215X36+0.105X37+0.171X38+0.066X39+0.029X40-0.043X41+0.179X42；

PC2=0.01X1+0.01X2+0.023X3+0.003X4+0.064X5-0.006X6-0.006X7+0.132X8+0.233X9+0.229X10-0.072X11-0.014X12-0.004X13-0.045X14-0.006X15-0.136X16-0.031X17+ 0.097X18-0.254X19-0.229X20+0.211X21+0.197X22-0.002X23+ 0.07X24-0.228X25-0.207X26+0.202X27+0.189X28+0.169X29+ 0.168X30-0.141X31+0.127X32+0.239X33+0.233X34-0.205X35-0.049X36-0.231X37-0.071X38+0.038X39-0.263X40-0.260X41+ 0.117X42。

以主成分1、主成分2相對應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率作為權(quán)重系數(shù)，建立枸杞綜合得分評價函數(shù)式F=0.49PC1+ 0.333PC2，由表達(dá)式PC1、PC2、F計算出的各主成分的得分見表4，以不同枸杞樣品的揮發(fā)性成分進(jìn)行聚類分析，結(jié)果見圖2所示。

表4　不同處理方式的樣品主成分得分Table 4　Comprehensive scores of principal components from different processing methods

圖2　聚類分析圖Fig.2　Dendrogram of cluster analysis

由圖2可知，樣品1和樣品2聚為一類，即未處理的枸杞干果和鮮果的揮發(fā)性成分差別不大，樣品3、樣品4各聚為一類，即經(jīng)臭氧與紫外復(fù)合處理的枸杞再分別經(jīng)烘干、真空干燥后揮發(fā)性成分差別較大。由此可推測，在四種枸杞樣品中，經(jīng)臭氧與紫外復(fù)合處理的枸杞再分別經(jīng)烘干、真空干燥可能是揮發(fā)性成分形成的重要原因，而枸杞在不同處理方式下主成分得分越高，說明該處理方式下樣品的揮發(fā)性成分越接近樣品整體的主要風(fēng)味物質(zhì)［19］。因此，由綜合評價可得不同處理方式下枸杞揮發(fā)性物質(zhì)由高到低依次是：臭氧與紫外復(fù)合處理后烘干的枸杞干果＞臭氧與紫外復(fù)合處理后真空干燥的枸杞干果＞未處理的枸杞干果＞鮮果。

3　結(jié)論

3.1采用頂空固相微萃取結(jié)合氣相質(zhì)譜法對不同枸杞樣品揮發(fā)性成分進(jìn)行提取，共檢測出78種揮發(fā)性成分物質(zhì)，各樣品中揮發(fā)性成分總相對含量臭氧與紫外復(fù)合處理后真空干燥的枸杞干果＞臭氧與紫外復(fù)合處理后烘干的枸杞干果＞未處理的枸杞干果＞鮮果，說明臭氧與紫外復(fù)合處理對枸杞揮發(fā)性成分含量有一定的影響。

3.2利用主成分分析法共分析出42種主要的揮發(fā)性成分，結(jié)合聚類分析綜合評價不同處理方式下枸杞揮發(fā)性成分風(fēng)味由高到低依次是：臭氧與紫外復(fù)合處理后烘干的枸杞干果＞臭氧與紫外復(fù)合處理后真空干燥的枸杞干果＞未處理的枸杞干果＞鮮果。

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Comprehensive evaluation on volatile components in ozone and ultraviolet combined treatment Lycium barbarum based on principal component analysis

GONG Yuan，WANG Xu，LIAO Ruo-yu，XU Meng-xia，LIU Dun-hua*
（College of Agriculture，Ningxia University，Yinchuan 750021，China）

In order to study on the effects of volatile components in ozone and ultraviolet combined treatment Lycium barbarum，the volatile components in samples with different processing methods were extracted by headspace-solid and analysis by gas chromatography mass spectrometry（GC-MS）.The analysis and evaluation on the volatile components by the principal components analysis（PCA）and cluster analysis（CA）. The results indicated that seventy-eight volatile components were identified from Lycium barbarum with different processing methods，including 14 kinds of esters，21 kinds of alcohols，16 kinds of olefins，15 kinds of ketones，5 kinds of aldehydes，3 kinds of acids，4 kinds of ethers and HCAS.Ten volatile components were common to these Lycium barbarum samples.PCA analysis identified 42 main volatile components.Combining with clustering analysis comprehensive evaluation that the flavor of volatile components descending order was after of combined treatment of Ozone and UV drying Lycium barbarum＞after of combined treatment of Ozone and UV and vacuum dried Lycium barbarum＞dried Lycium barbarum＞fresh Lycium barbarum.

Lycium barbarum；ozone and ultraviolet combined treatment；the volatile components；the principal components analysis；cluster analysis

TS201.1

A

1002-0306（2015）18-0141-07

10.13386/j.issn1002-0306.2015.18.020

2015－01－30

龔媛（1989-），女，碩士研究生，研究方向：食品質(zhì)量與安全，E-mail：GY1035848102@126.com。

劉敦華（1964-），男，博士，教授，研究方向：食品質(zhì)量與安全，E-mail：dunhualiu@126.com。