基于電子鼻與氣質(zhì)聯(lián)用法分析牛蒡的揮發(fā)性成分

任漢書，鄭媛媛，趙瑞璇，魏祥玉，董紅敬*，劉峰，段文娟，鄭振佳

(1. 廣饒縣中醫(yī)院，山東 東營(yíng) 370523；2.山東省中藥質(zhì)量控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東省分析測(cè)試中心，山東 濟(jì)南 250014)

基于電子鼻與氣質(zhì)聯(lián)用法分析牛蒡的揮發(fā)性成分

任漢書1，鄭媛媛1，趙瑞璇2，魏祥玉2，董紅敬2*，劉峰2，段文娟2，鄭振佳2

(1. 廣饒縣中醫(yī)院，山東 東營(yíng) 370523；2.山東省中藥質(zhì)量控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東省分析測(cè)試中心，山東 濟(jì)南 250014)

牛蒡具有特異性風(fēng)味，生鮮牛蒡容易引起不適癥狀，蒸制是古籍記載的重要處理方式。研究采用電子鼻(FOX 4000)與氣質(zhì)聯(lián)用(GC-MS)對(duì)蒸制前后的牛蒡進(jìn)行了揮發(fā)性成分分析，結(jié)合特征響應(yīng)點(diǎn)分析、主成分分析(PCA)和定性差異分析對(duì)蒸制前后的牛蒡進(jìn)行區(qū)分。結(jié)果表明，F(xiàn)OX 4000可以準(zhǔn)確區(qū)分兩種樣品，區(qū)分指數(shù)DI為100%；通過(guò)GC-MS從生鮮和蒸制牛蒡中分別檢測(cè)出22和25種揮發(fā)性成分，主要為有機(jī)酸、酯、醛、烯、醇、酮、酚、烷烴等，共有成分有8種，分別為丁醛、戊醛、己醛、2-正戊基呋喃、正戊醇、1-己醇、二氫呋喃-2-酮、環(huán)己烯。該研究為食品整體風(fēng)味評(píng)價(jià)和香氣成分檢測(cè)提供了一種有效的方法。

牛蒡；揮發(fā)性成分；電子鼻；氣相色譜-質(zhì)譜

牛蒡(ArctiumlappaL.)為菊科兩年生草本植物，其根富含菊糖、蛋白質(zhì)、維生素和膳食纖維等[1-3]，是一種營(yíng)養(yǎng)豐富的高檔蔬菜，在我國(guó)江蘇的豐縣、沛縣和山東省的蒼山等地區(qū)大量種植[4-5]。《本草綱目》記載其“通十二經(jīng)脈，除五臟惡氣”、“久服輕身耐老”[6]?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究證明，牛蒡有健脾胃、清熱解毒和保護(hù)血管等功效，尤其對(duì)糖尿病、性機(jī)能減退、肥胖癥等病癥具有明顯療效[7-12]。牛蒡具有特異性風(fēng)味，會(huì)引起部分人群的不愉悅感覺(jué)?！侗静菥V目》等古籍記載“根須蒸熟曝干用，不爾，令人欲吐”。王曉等[13-14]通過(guò)GC-MS技術(shù)分析其揮發(fā)性成分主要為有機(jī)酸、酯、醛、醇、酮、烯、烷烴等化合物，但引起“令人欲吐”感覺(jué)的相關(guān)風(fēng)味成分分析未見(jiàn)報(bào)道。另外，從生鮮和熟制角度出發(fā)對(duì)牛蒡進(jìn)行揮發(fā)性成分的差異分析研究也尚未開(kāi)展。

電子鼻是能夠感知和識(shí)別氣味的電子仿生系統(tǒng)，能對(duì)各樣品的整體香氣特征進(jìn)行比較[15-16]，GC-MS能對(duì)樣品中風(fēng)味物質(zhì)的種類和含量進(jìn)行檢測(cè)[17-18]，二者聯(lián)用可以從宏觀和微觀對(duì)食品風(fēng)味進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，目前已在花椒、南瓜、茶葉和魚肉等食品的風(fēng)味分析中得到很好地運(yùn)用[19-23]。本文采用電子鼻與GC-MS聯(lián)用，分別對(duì)生鮮和蒸制后牛蒡的揮發(fā)性成分進(jìn)行模糊比較識(shí)別及差異分析，針對(duì)古籍記載的“令人欲吐”這一說(shuō)法進(jìn)行相關(guān)成分的初步探尋，同時(shí)為牛蒡的深加工和其他食品中揮發(fā)性成分的分析提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

牛蒡購(gòu)于江蘇沛縣軼偉食品有限公司，品種為柳川理想。

1.2 儀器與設(shè)備

FOX 4000電子鼻系統(tǒng)(法國(guó) Alpha MOS)；AL 104-1C型電子天平(瑞士Mettler Toledo)；7890-5795C GC-MS聯(lián)用儀(美國(guó)Agilent)，SPME萃取頭為50/30 μm DVB/CAR/PDMS (2 cm)。

1.3 方法

1.3.1 樣品制備

準(zhǔn)確稱量3.0 g生鮮牛蒡和蒸制牛蒡，分別用研缽研碎后裝至20 mL頂空瓶中，壓蓋密封，備用。每個(gè)樣品制備6個(gè)平行樣。

1.3.2 電子鼻測(cè)定條件

檢測(cè)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 電子鼻檢測(cè)參數(shù)表

1.3.3 GC-MS測(cè)定條件

SPME條件：樣品量3 g，萃取溫度40 ℃，萃取時(shí)間20 min，解吸時(shí)間20 min。

GC條件： HP-5MS毛細(xì)管色譜柱(30 m×0.25 mm，0.25 μm)；載氣(He)；流速1.5 mL/min，不分流進(jìn)樣，進(jìn)樣口溫度250 ℃；柱溫50 ℃，保持2 min，3 ℃/min至220 ℃，保持1 min。

MS條件：接口溫度280 ℃；離子源溫度230 ℃；電子電離源；電子能量70 eV；質(zhì)量掃描范圍35～500 u。

1.4 數(shù)據(jù)分析

1.4.1 電子鼻數(shù)據(jù)分析

考察18根傳感器的重復(fù)性，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提取特征響應(yīng)點(diǎn)并進(jìn)行主成分分析。

1.4.2 GC-MS數(shù)據(jù)分析

對(duì)電子鼻PCA結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)合GC-MS定性結(jié)果對(duì)生鮮牛蒡和蒸制牛蒡揮發(fā)性成分進(jìn)行定性和相對(duì)含量分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 電子鼻測(cè)試結(jié)果

2.1.1 傳感器響應(yīng)重復(fù)性測(cè)試

FOX 4000電子鼻傳感器分為P&T型和LY型兩種，P、T、LY型傳感器分別有6根傳感器，18根傳感器自上而下分布分別為：LY2/LG、LY2/G、LY2/AA、LY2/GH、LY2/gCTL、LY2/gCT、T30/1、P10/1、P10/2、P40/1、T70/2、PA2、P30/1、P40/2、P30/2、T40/2、T40/1、TA2。在進(jìn)行差異分析之前，需要對(duì)傳感器響應(yīng)樣品信號(hào)的重復(fù)性進(jìn)行驗(yàn)證，要求每根傳感器經(jīng)過(guò)6次重復(fù)測(cè)試的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差在20%以內(nèi)。重復(fù)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2，根據(jù)所得數(shù)據(jù)可知18根傳感器的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均在20%以內(nèi)，表明所有傳感器數(shù)據(jù)均可用于后續(xù)分析。

表2 電子鼻傳感器重復(fù)測(cè)試的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差

2.1.2 特征響應(yīng)點(diǎn)分析

傳感器陣列特征響應(yīng)圖的差異在一定程度上反映了樣品香氣差別，不同樣品在各傳感器波峰或波谷處的響應(yīng)器信號(hào)圖差異見(jiàn)圖1。從圖1中可看出，不同傳感器對(duì)牛蒡揮發(fā)性成分的響應(yīng)差異明顯，LY型傳感器對(duì)該樣品的揮發(fā)性成分幾乎無(wú)響應(yīng)，而T型和P型的響應(yīng)曲線幅度有明顯的波動(dòng)，區(qū)分比較明顯。

圖1 不同樣品在傳感器特征響應(yīng)點(diǎn)的信號(hào)圖 Fig.1 The signal of different samples under characteristic response point from all sensors

2.1.3 主成分分析

主成分分析后的主成分得分能夠反映樣本間的相似性和獨(dú)特性，每個(gè)樣本對(duì)應(yīng)不同主成分有不同得分值。由圖2可知，第一主成分(PC1)的區(qū)分指數(shù)為99.79%接近100%，說(shuō)明可以根據(jù)第一主成分推斷樣品是否存在差異及差異大??；同一處理方式的樣品電子鼻數(shù)據(jù)在主成分分析圖上較為集中，說(shuō)明通過(guò)本研究設(shè)定的牛蒡香氣采集條件使數(shù)據(jù)重復(fù)性較高，代表性較強(qiáng)；同時(shí)，由第一主成分分析結(jié)果可知，牛蒡根在蒸制處理前后，揮發(fā)性成分的構(gòu)成或含量差別較大，具體差異情況可以通過(guò)GC-MS手段進(jìn)行驗(yàn)證。

蒸制牛蒡NBZ-x, x=1,2,3,4,5,6; 生鮮牛蒡NBX-x, x=1,2,3,4,5,6。第一主成分 PC1的區(qū)分指數(shù)為99.79%；第二主成分PC2的區(qū)分指數(shù)為0.169%。圖2 蒸制牛蒡與生鮮牛蒡主成分分析結(jié)果Fig.2 The PCA results of steamed and fresh Arctium lappa L.

2.2 GC-MS結(jié)果

2.2.1 定性分析

由圖3可知，生鮮牛蒡和蒸制牛蒡揮發(fā)性成分差異較大，與電子鼻PCA分析結(jié)果一致。從出峰時(shí)間來(lái)看，生鮮牛蒡揮發(fā)性成分的出峰時(shí)間主要集中在前30 min，而蒸制牛蒡揮發(fā)性成分的出峰時(shí)間主要集中在40 min以后；從出峰數(shù)量來(lái)看，生鮮牛蒡?yàn)?2種，蒸制牛蒡?yàn)?5種。

圖3 GC-MS總離子流圖 Fig.3 The TIC results of GC-MS

2.2.2 揮發(fā)性成分相對(duì)含量分析

將生鮮牛蒡和蒸制牛蒡質(zhì)譜TIC圖經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)檢索與人工推測(cè)相結(jié)合分別鑒定出22、25個(gè)成分，用峰面積歸一化法測(cè)定各成分相對(duì)含量，見(jiàn)表3、表4。由表3～4可知，生鮮牛蒡和蒸制牛蒡均含有多種揮發(fā)性有機(jī)酸、酯、醛、烯、醇、酮、酚、烷烴等，與文獻(xiàn)中報(bào)道較為一致[13-14]。由圖4的分析可知，兩者共有成分有8種，分別為丁醛、戊醛、己醛、2-正戊基呋喃、正戊醇、1-己醇、二氫呋喃-2-酮、環(huán)己烯。

表3 生鮮牛蒡定性與定量分析結(jié)果

表4 蒸制牛蒡定性與定量分析結(jié)果

3 結(jié)論

本研究以牛蒡的生鮮和蒸制樣品為研究對(duì)象，采用FOX4000電子鼻及GC-MS對(duì)其揮發(fā)性成分進(jìn)行區(qū)別分析。研究發(fā)現(xiàn),FOX4000可以準(zhǔn)確區(qū)分兩類樣品；通過(guò)GC-MS進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)蒸制前后牛蒡的揮發(fā)性成分主要為有機(jī)酸、酯、醛、烯、醇、酮、酚、烷烴等。生鮮和蒸制牛蒡的共有成分8種，差異性成分40種，其中差異成分根據(jù)相對(duì)含量的高低主要為烯、酮、酯、醛等化合物，生鮮樣品中主要揮發(fā)性成分的相對(duì)含量為1-已醇(81.93%)、丁醛(4.47%)和環(huán)丁酮(3.14%)，蒸制后主要揮發(fā)性成分為環(huán)己烯(32.29%)、1,3-環(huán)辛二烯(26.69%)、二氫呋喃-2-酮(13.88%)、2-庚烯(7.24%)、十二碳二烯丙酸酯(3.54%)和環(huán)丙基甲醛(1.95%)、己醛(1.88%)，主成分之間的差異很可能是“令人欲吐”的主要原因，次要成分的差異則影響香氣的整體柔和度。電子鼻結(jié)合氣質(zhì)聯(lián)用的方法一方面可以快速確定并闡明牛蒡樣品香氣間是否具有差異及其引起差異的具體原因，另一方面，在牛蒡及其制品的香氣檢測(cè)、品質(zhì)鑒定、產(chǎn)地判別、質(zhì)量控制等方面具有重要意義。此外，后續(xù)研究將通過(guò)GC-MS-O等進(jìn)一步分析、確定牛蒡中的香氣成分，為牛蒡香氣比對(duì)分析、活性香氣指紋圖譜建立提供更完整的科學(xué)數(shù)據(jù)，同時(shí)也為其他食品整體風(fēng)味分析提供思路。

[1]楊玲, 王小龍. 牛蒡保健食品開(kāi)發(fā)的研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)食物與營(yíng)養(yǎng), 2015, 21(11): 23-26.

[2]陳垚, 楊溢, 趙長(zhǎng)峰. 牛蒡茶降血脂作用的人體試驗(yàn)研究[J]. 營(yíng)養(yǎng)學(xué)報(bào), 2013, 35(4):338-341.

[3]馬維紅, 趙娜, 蘇贏, 等. 牛蒡根水提物對(duì)高血壓大鼠血管重塑的影響[J]. 中草藥, 2015, 46(13): 1954-1957.

[4] 李保華, 劉志國(guó), 王冰林, 等. 2015年牛蒡產(chǎn)業(yè)形勢(shì)分析與對(duì)策研究[J]. 農(nóng)業(yè)科技通訊, 2015(7): 31-34.

[5]王海東, 吳文華, 王印, 等. 牛蒡成分提取、活性研究及加工利用概述[J]. 食品工業(yè), 2014, 35(4):164-167.

[6]婁在祥. 牛蒡功能性成分及其抗氧化、抗菌活性研究[D]. 無(wú)錫: 江南大學(xué), 2010.

[7] KUO D H, HUNG M C, HUNG C M, et al. Body weight management effect of burdock (ArctiumlappaL.) root is associated with the activation of AMP-activated protein kinase in human HepG2 cells[J]. Food Chemistry, 2012, 134(3): 1320-1326.

[8] FERRACANE R, GRAZIANI G, GALLO M, et al. Metabolic profile of the bioactive compounds of burdock (Arctiumlappa) seeds, roots and leaves[J]. Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis, 2010, 51(2): 399-404.

[9]蔣曉文, 白俊鵬, 田星, 等. 牛蒡根中黃酮苷類化學(xué)成分及其抗氧化活性構(gòu)效關(guān)系的研究[J]. 中草藥, 2016, 47(5):726V731.

[10] CHEN F A, WU A B, CHEN C Y. The influence of different treatments on the free radical scavenging activity of burdock and variations of its active components[J]. Food Chemistry, 2004, 86(4): 479-484.

[11] JAISWAL R, KUHNERT N. Identification and characterization of five new classes of chlorogenic acids in burdock (ArctiumlappaL.) roots by liquid chromatography/tandem mass spectrometry[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2011, 2(1): 63-71.

[13]陳世雄, 陳靠山. 牛蒡根化學(xué)成分及活性研究進(jìn)展[J]. 食品與藥品, 2010, 12(7): 281-285.

[14]王曉, 程傳格, 楊予濤, 等. 牛蒡揮發(fā)油化學(xué)成分分析[J]. 天然產(chǎn)物研究與開(kāi)發(fā), 2004, 16(1): 33-35.

[15] CHENG H, QIN Z H, GUO X F, et al. Geographical origin identification of propolis using GC-MS and electronic nose combined with principal component analysis [J]. Food Research International, 2013, 51(2): 813-822.

[16]曹煌, 張鐵軍, 張靜雅,等. 基于電子鼻和電子舌技術(shù)的辛味中藥氣-味的表征研究[J]. 中草藥, 2016, 47(11):1962-1967.

[17]李寶麗, 鄧建玲, 蔡欣,等. 頂空固相微萃取-氣質(zhì)聯(lián)用結(jié)合主成分分析研究純葡萄汁的香氣成分[J]. 中國(guó)食品學(xué)報(bào)，2016,16(4):258-278.

[18]唐會(huì)周，明建. 5 種市售臍橙果實(shí)香氣成分的主成分分析[J]. 食品科學(xué), 2011, 32(20): 175-180.

[19]楊靜, 趙鐳, 史波林, 等. 青花椒香氣快速氣相電子鼻響應(yīng)特征及GC-MS物質(zhì)基礎(chǔ)分析[J]. 食品科學(xué),2015, 36(22):69-74.

[20] 周春麗, 劉偉, 陳冬, 等. 基于電子鼻與SPME-GC-MS 法分析不同南瓜品種中的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)[J]. 現(xiàn)代食品科技, 2015, 31(7):293-301.

[21] 史波林, 趙鐳, 支瑞聰, 等. 應(yīng)用電子鼻判別西湖龍井茶香氣品質(zhì)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2011, 27(14): 302-306.

[22]榮建華, 熊詩(shī), 張亮子, 等. 基于電子鼻和SPME-GC-MS聯(lián)用分析脆肉鯇魚肉的揮發(fā)性風(fēng)味成分[J]. 食品科學(xué), 2015,36(10):124-128.

[23]王當(dāng)豐, 李婷婷, 劉楠, 等. 頂空固相微萃取-氣質(zhì)聯(lián)用法結(jié)合電子鼻分析魚精蛋白對(duì)草魚片揮發(fā)性氣味的影響[J]. 食品與發(fā)酵工業(yè), 2016,42(10):163-170.

The volatile components analysis ofArctiumlappaL. based on electronic nose and gas chromatography-mass spectrometry

REN Han-shu1, ZHENG Yuan-yuan1, ZHAO Rui-xuan2, WEI Xiang-yu2,DONG Hong-jing2*, LIU Feng2, DUAN Wen-juan2, ZHENG Zhen-jia2

(1.Guangrao Traditional Chinese Medicine Hospital, Dongying 370523, China; 2. Shandong Provincial Key Laboratory of TCM Quality Control Technology, Shandong Analysis and Test Center, Jinan 250014, China)

∶ArctiumlappaL. has a specific flavor, the fresh one is easy to cause unpleasant symptoms, and steaming is an important way to deal with it in ancient books. FOX 4000-electronic nose and gas chromatography-mass spectrometry were used to analyze the volatile components inArctiumlappaL.before and after steaming.Based on the characteristic response point analysis, principal component analysis (PCA) and qualitative difference analysis,ArctiumlappaL. before and after steaming was distinguished. The results indicated that the fresh and steamedArctiumlappaL. could be successfully identified after being analyzed by FOX 4000-electronic nose, and the index DI is 100%. Furthermore, 22 and 25 volatile components were detected from fresh and steamedArctiumlappaL., respectively, containing organic acid, ester, aldehyde, alkene, alcohol, ketone, phenol and alkane. Among the above compounds, butyraldehyde, valeraldehyde, hexanal,2-hydroxy-pentyl tetrahydrofuran, 1-pentanol, 1-hexanol, 2-furanone and cyclohexene are the 8 common constituents of those two ingredients. The study provided an effective method for the overall flavor evaluation and aroma components detection of food.

∶ArctiumlappaL.; volatile components; electronic nose; gas chromatography-mass spectrometry

10.3976/j.issn.1002-4026.2017.04.002

2017-05-05

山東省自然科學(xué)基金(ZR2014YL005，ZR2013HM075)

任漢書(1988—)，男，碩士，研究方向?yàn)橹兴幣谥啤?/p>

*通信作者，董紅敬，博士，助理研究員，研究方向?yàn)樘烊划a(chǎn)物化學(xué)。Tel：0531-82605319,E-mail：donghongjing_2006@163.com

R284.1；TS207.3

A

1002-4026(2017)04-0006-07