佘 僧,李 熠,宋洪波,陳蘭珍,*
(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蜜蜂研究所,北京 100093;2.福建農(nóng)林大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院,福建 福州 350002;3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部蜂產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險評估實驗室(北京),北京 100093)
油菜屬于十字花科中的一種草本植物,環(huán)境適應(yīng)能力強、花期長、種植范圍廣。由2016年國家統(tǒng)計局公布的數(shù)據(jù)顯示:我國油料產(chǎn)量為3 400.05萬 t,油菜籽產(chǎn)量為1 312.80萬 t,油菜籽播種面積達6 622.80千 公頃[1]。油菜種植在湖北、江蘇、青海、四川等23 個省份基本全部覆蓋,其中湖北屬于我國最大的油菜籽生產(chǎn)區(qū),江蘇屬于我國傳統(tǒng)油菜籽主產(chǎn)區(qū),青海隨著新農(nóng)業(yè)經(jīng)濟和旅游資源的開發(fā),油菜的種植面積也在不斷的擴增[2]。我國主導(dǎo)的蜂蜜采集仍屬于傳統(tǒng)的“追花奪蜜”模式,油菜不僅是我國重要的油料資源,也是優(yōu)質(zhì)的蜜源植物之一。我國油菜花開花時間從三月份的云貴高原、四川盆地至湖北、安徽等長江沿岸,四月份江蘇沿海直至七、八月份青海、內(nèi)蒙古草原,一直有大面積油菜花盛開。廣闊的油菜種植面積和跨越半年的油菜花期,提供了龐大的油菜蜜源,油菜蜜也成為了我國目前產(chǎn)量最高和出口量最大的單花蜜品種。自2007年中國農(nóng)產(chǎn)品地理標(biāo)志管理條令正式發(fā)布后,具有名優(yōu)產(chǎn)地標(biāo)識的產(chǎn)品被偽冒產(chǎn)品銷售給消費者的現(xiàn)象愈演愈烈,嚴(yán)重?fù)p害了優(yōu)質(zhì)品牌的信譽和消費者的信任,使得蜂蜜的產(chǎn)地溯源研究也變得更加迫切和需要[3-4]。油菜蜜作為我國單花蜜品種中蜜源植株分布最廣,氣候、地理環(huán)境最豐富的單花蜜品種,對研究蜂蜜的產(chǎn)地溯源具有重要的借鑒和參考價值。
蜂蜜的產(chǎn)地溯源技術(shù)主要包括穩(wěn)定同位素技術(shù)、核磁共振技術(shù)、高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)、氣相色譜-質(zhì)譜技術(shù)等[5-6]。色譜技術(shù)可定性分析樣品中營養(yǎng)物質(zhì)成分,結(jié)合質(zhì)譜后可獲得營養(yǎng)成分的定量結(jié)果,對于分析樣本的特定物質(zhì)含量具有優(yōu)勢性。本實驗采用高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)測定油菜蜜中的18 種多酚類物質(zhì),氣相色譜-質(zhì)譜測定油菜蜜中的6 種低聚糖結(jié)合偏最小二乘判別分析(partial least square-discrimination analysis,PLS-DA)實現(xiàn)3 個油菜蜜產(chǎn)區(qū)的地理鑒別。低聚糖是通過2~4 個糖苷鍵將單糖連接而成小分子聚合物[7]。低聚糖含量占蜂蜜營養(yǎng)物質(zhì)的60%~80%,屬于蜂蜜中最主要的成分[8]。蜂蜜中的功能性低聚糖甜度低,耐熱耐酸強,不經(jīng)過胃腸消化便可直接被人體吸收利用,不增加血糖、血脂且改善腸胃吸收消化,提高免疫力等功效[9]。Da Costa Leite等[10]通過測定70 個巴西不同植物蜜源蜂蜜品種的10 種低聚糖物質(zhì),研究發(fā)現(xiàn)松二糖、麥芽三糖、麥芽糖具有顯著的品種鑒別能力。多酚廣泛存在于植物的根、葉、果實當(dāng)中,是植物次生代謝產(chǎn)物。蜂蜜中的多酚全部來源于蜜源植物。多酚類化合物是指分子結(jié)構(gòu)中有若干個酚羥基,主要包括苯酚、酚酸和黃酮類化合物[11-13],具有清除自由基的抗氧化活性功效,對心血管病、動脈硬化等疾病具有預(yù)防作用[14-17]。Ku?等[18]通過高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用分析6 種單花蜜中多酚含量及其抗氧化活性差異,該研究表明石楠蜜和蕎麥蜜在6 種蜂蜜中抗氧化活性最高,且不同品種間的多酚含量具有顯著性差異。Baltrusaityte等[19]通過對35 份蜂蜜樣本中多酚提取物清除自由基能力進行實驗,研究發(fā)現(xiàn)蜂蜜中多酚清除自由基能力平均在43%~95.7%之間,且抗氧化物質(zhì)的含量與酚類化合物的含量呈顯著相關(guān)。
目前,蜂蜜中低聚糖和多酚的研究,主要在于其營養(yǎng)醫(yī)藥價值、品種鑒別等方面,鮮見有關(guān)于兩者相結(jié)合對于產(chǎn)地鑒別效果的研究報道。因此本實驗采集湖北鐘祥市、江蘇鹽城市、青海剛察縣3 個不同地理環(huán)境的油菜蜜樣本,通過定量分析3 個產(chǎn)地油菜蜜中低聚糖和多酚兩個重要營養(yǎng)指標(biāo)的含量差異,并結(jié)合PLS-DA進行產(chǎn)地溯源研究,為蜂蜜的產(chǎn)地溯源研究提供方法參考和理論依據(jù)。
油菜蜜樣本采自湖北鐘祥市(ZX)、江蘇鹽城市(YC)、青海剛察縣(GC)3 個不同地理來源的油菜主產(chǎn)區(qū)(表1)。3 個采樣地點的選擇具有顯著代表性,ZX(n=12)屬于內(nèi)陸地區(qū),位于我國第2階梯高度,屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū);YC(n=13)地處黃海入海口,位于我國第1階梯高度,屬于溫帶海洋性氣候區(qū);GC(n=26)地處青藏高原,位于我國第3階梯高度,屬于高原大陸性氣候區(qū)。油菜植株均屬于甘藍型油菜,蜜蜂種類屬于意大利蜂;所有樣本均采自于油菜花盛花期,蜂場現(xiàn)場采集的樣本。油菜蜜樣本收集于250 mL玻璃瓶,封口膜密封,待測前貯存在4 ℃。
表1 樣本來源信息Table 1 Information about different geographical origins of rapes honey samples
去離子水(電阻率18.2 MΩ·cm) 美國Agilent公司;乙腈、甲醇、甲酸、氨水、鹽酸羥胺均為國產(chǎn)分析純;吡啶、β-苯基葡萄糖苷 北京百靈威科技有限公司;HMDS+TMS+吡啶、麥芽酮糖(純度≥98.0%)、松二糖(純度≥98%)、蔗果三糖(純度≥97.0%)、帕拉金糖(純度≥95.0%)、異麥芽糖(純度≥97%)、吡喃基葡蔗糖(純度≥97%)、沒食子酸(純度≥98.0%)、原兒茶酸(純度≥98.0%)、對羥基苯甲酸(純度≥98.0%)、咖啡酸(純度≥98.0%)、對香豆酸(純度≥98.0%)、阿魏酸(純度≥98.0%)、蘆丁(純度≥98.0%)、苯甲酸(純度≥98.0%)、楊梅酮(純度≥98.0%)、桑色素(純度≥98.0%)、槲皮素(純度≥98.0%)、柚皮苷(純度≥98.0%)、芹菜素(純度≥98.0%)、山柰素(純度≥98.0%)、柯因(純度≥98.0%)、松屬素(純度≥98.0%)、咖啡酸苯乙酯(純度≥98.0%)、高良姜素(純度≥98.0%) 美國Sigma-Aldrich公司。
Milli-Q型純水器 美國Millipore公司;PHS-3E pH計上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司;微量移液槍 德國Eppendorf公司;Vortex-Genie 2渦旋儀 美國Scientific Industry公司;PL203電子天平 美國Mettler-Toledo公司;QP2010-PIUS氣相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜 日本Shimadzu公司;6460高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜 美國Agilent公司。
1.3.1 低聚糖測定
油菜蜜中6 種低聚糖含量的測定方法參考文獻[20-21]方法。稱取油菜蜜樣本0.5 g于25 mL離心管中,置于40 ℃水浴鍋中溶解完全。隨后在溶解液中加入25 mL 80%乙醇溶液,攪拌至溶解完全,10 000 r/min離心10 min。取上清液100 μL,50 ℃氮氣吹干,置于60 ℃烘箱烘干,加入20 μL β-苯基葡萄糖苷(0.25 mg/mL,溶于吡啶)。加入200 μL 2.0%鹽酸羥氨溶液,70 ℃反應(yīng)30 min,然后加入衍生劑HMDS+TMS+吡啶300 μL,70 ℃反應(yīng)40 min,以4 ℃、10 000 r/min離心5 min,取上清液待測。
1.3.2 多酚測定
油菜蜜中18 種多酚含量的測定參考文獻[19,22-23]方法。稱取蜂蜜樣本5.0 g,置于50 mL離心管中,加入30 mL鹽酸溶液。將離心管置于渦旋儀上徹底溶解后,10 000 r/min離心10 min,取上清液等待固相微萃取。首先用甲醇和鹽酸溶液活化Oasis HLB固相萃取柱,然后將樣本上清液倒入已經(jīng)活化后的Oasis HLB固相萃取柱,隨后以純水清洗萃取柱。清洗結(jié)束后以10 mL甲醇洗脫多酚類物質(zhì)。洗脫液在40 ℃氮吹干,用1.0 mL甲酸-乙腈(7∶3,V/V)混合液溶解。將復(fù)溶液0.22 μm濾膜過濾后放入1.5 mL進樣瓶中,上機前待測。
每個實驗樣本都預(yù)備3 個平行,3 次測定值差值不超過0.02,以均值作為最后分析數(shù)據(jù)。利用SPSS v.17.0軟件進行數(shù)據(jù)分析和主成分分析(principal component analysis,PCA)[24]。數(shù)據(jù)服從于正態(tài)分布且齊次,單因素方差分析被用于研究不同產(chǎn)地油菜蜜低聚糖和多酚含量的顯著性差異,在α=0.05的置信區(qū)間服從Duncan檢測,數(shù)據(jù)分析的結(jié)果以 ±s的形式表示。利用PCA不同參數(shù)的載荷因子得分率,并利用Origin v.8.5軟件繪制柱形圖。利用SIMCA v.17.0軟件進行PLS-DA[25]。
油菜蜜中含有多種低聚糖物質(zhì),對ZX、YC、GC 3 個產(chǎn)地油菜蜜中含量較高的麥芽酮糖、松二糖、帕拉金糖、異麥芽糖、蔗果三糖、吡喃基葡蔗糖6 種低聚糖進行研究。由表2可知,ZX、YC、GC 3 個產(chǎn)地的油菜蜜樣本中6 種低聚糖含量均顯示:松二糖>麥芽酮糖>異麥芽糖>帕拉金糖>蔗果三糖>吡喃基葡蔗糖。本實驗研究結(jié)果顯示油菜蜜中6 種功能性低聚糖,松二糖的含量最高,ZX、YC、 GC 3 個產(chǎn)地樣本中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為(1.251±0.05)%、(1.344±0.03)%、(2.505±0.07)%、(0.027±0)%、(0.026±0.01)%、(0.128±0)%;吡喃基葡蔗糖的含量相對偏低,分別為(0.027±0)%、(0.026±0.01)%、(0.128±0)%。其次,3 個地區(qū)油菜蜜中的低聚糖含量存在一定差異,吡喃基葡蔗糖的含量為GC>ZX>YC;麥芽酮糖、松二糖、帕拉金糖、異麥芽糖、蔗果三糖5 種低聚糖的含量為GC>YC>ZX。單因素方差分析的結(jié)果顯示:麥芽酮糖、帕拉金糖、異麥芽糖、蔗果三糖、吡喃基葡蔗糖5 種低聚糖,GC與ZX、YC差異顯著,ZX與YC差異不顯著;ZX、YC、GC的松二糖含量差異顯著。
表2 不同產(chǎn)地油菜蜜中低聚糖的方差分析Table 2 ANOVA of oligosaccharide contents of rape honey from different geographical origins%
本研究通過對油菜蜜中含量較高的18 種多酚類物質(zhì)進行產(chǎn)地差異性研究分析。酚酸物質(zhì)分別包括:沒食子酸、原兒茶酸、羥甲基苯甲酸、咖啡酸、對香豆酸、阿魏酸、蘆丁、苯甲酸、楊梅酮、桑色素、槲皮素、柚皮苷、芹菜素、山柰酚、柯因、松屬素、高良姜素、咖啡酸苯乙酯。由表3可知,不同的多酚物質(zhì)其含量在油菜蜜中差異較大,3 個產(chǎn)地油菜蜜中18 種多酚類物質(zhì)含量的測定結(jié)果顯示:對羥基苯甲酸>苯甲酸>咖啡酸>松屬素>柯因>山柰酚>原兒茶酸>槲皮素>蘆丁>柚皮苷>咖啡酸苯乙酯>高良姜素>阿魏酸>桑色素>芹菜素>沒食子酸>楊梅酮。ZX、YC和GC 3 個產(chǎn)地的油菜蜜樣本中對羥基苯甲酸的含量最高,分別可達到(68.172±2.76)、(46.22±1.7)、(55.701±0.83)μg/100 g;其次是苯甲酸的含量,分別可達到(55.658±0.91)、(40.283±1.78)、(31.137±1.2)μg/100 g;此外,油菜蜜的18 種多酚類物質(zhì)含量最低的有芹菜素、沒食子酸、楊梅酮等。3 個地區(qū)油菜蜜樣本中芹菜素含量分別為(0.161±0.01)、(0.019±0)、(0.113±0.01)μg/100 g;沒食子酸含量分別為(0.14±0.01)、(0.117±0.01)、(0.108±0)μg/100 g;楊梅酮含量分別為(0.034±0)、(0.013±0.01)、(0.024±0)μg/100 g。
ZX、YC和GC 3 個地區(qū)油菜蜜中多酚的單因素方差分析結(jié)果顯示:油菜蜜中原兒茶酸、對羥基苯甲酸、對香豆酸、阿魏酸、苯甲酸、楊梅酮、槲皮素、柚皮苷、芹菜素、山柰酚、柯因、松屬素的多酚含量,不同產(chǎn)地間存在顯著差異性;沒食子酸和蘆丁的含量,青海與湖北、江蘇存在顯著性差異,ZX與YC無顯著性差異;咖啡酸含量,YC與ZX、GC存在顯著性差異,ZX與GC無顯著性差異;桑色素、高良姜素,ZX與YC、GC存在顯著性差異,YC與GC無顯著性差異。綜合而言,本研究中ZX的多酚類物質(zhì)含量略高于YC、GC。
圖1 PCA的載荷因子得分圖Fig. 1 Loading plots of principal component analysis
PCA是一種無監(jiān)督分析模式,目前廣泛應(yīng)用于食品、化學(xué)、生物、數(shù)理統(tǒng)計分析等研究領(lǐng)域[26]。本實驗利用SPSS軟件對湖北、江蘇、青海3 個產(chǎn)地油菜蜜中6 種低聚糖和18 種多酚類物質(zhì)進行PCA研究。PCA中累積貢獻率越高則,說明其對于不同產(chǎn)地油菜蜜的鑒別程度越高[27]。本研究中前兩個主成分特征根值大于1,PC1、PC2、PC3貢獻率分別為55.51%、21.80%、3.99%,前3 個主成分的累積貢獻率達到81.3%。圖1顯示,PC1中多酚類物質(zhì)全部都為正值,其中原兒茶酸、松屬素、桑色素、槲皮素、柚皮苷、柯因最具有地理判別特征性。PC2中咖啡酸、咖啡酸苯乙酯、芹菜素、吡喃基葡蔗糖、阿魏酸、麥芽酮糖、松二糖、蔗果三糖的地理特征性最為顯著,其中沒食子酸、對香豆酸、苯甲酸、柚皮苷4 種酚酸類物質(zhì)均為負(fù)相關(guān)性。低聚糖對于PC1無貢獻率,在PC2中低聚糖的貢獻率較高。綜合而言,在產(chǎn)地判別率中,多酚類物質(zhì)的產(chǎn)地判別能力較為顯著。同時,低聚糖也是一個重要的輔助參數(shù)。
圖2 油菜蜜中PLS-DA產(chǎn)地溯源模型得分圖Fig. 2 PLS-DA score plot for geographical traceability of rape honey
本實驗采用油菜蜜中低聚糖和多酚總計24 個參數(shù)結(jié)合PLS-DA對ZX、YC和GC 3 個不同地理來源的油菜蜜樣本進行產(chǎn)地鑒別研究。由圖2可知,湖北、江蘇、青海3 個地區(qū)的油菜蜜樣本完全分離,分類效果非常好;且樣本分布集中,鑒別率均為100%。PLS-DA模型潛變量1的R2X(自變量擬合指數(shù))、R2Y(因變量擬合指數(shù))、Q2(模型預(yù)測精度)以及特征根值分別為0.553、0.497、0.493、13.3;潛變量2的R2X、R2Y、Q2以及特征根值分別為0.773、0.975、0.97、5.29;潛變量3的R2X、R2Y、Q2以及特征根值分別為0.798、0.981、0.967、0.603。根據(jù)R2X、R2Y、Q2以及特征根值的分析,建立PLS-DA溯源模型的潛變量個數(shù)為2,該模型的產(chǎn)地識別預(yù)測精度可達到最高97%且內(nèi)部交叉驗證均方差為0.08,PLS-DA溯源模型的判別結(jié)果非常準(zhǔn)確且穩(wěn)定。
圖3 油菜蜜中PLS-DA產(chǎn)地溯源模型VIP圖Fig. 3 PLS-DA VIP plot for geographical traceability of rape honey
本研究的PLS-DA模型選定的潛變量個數(shù)為2,一般而言潛變量1對于整個模型的貢獻率最高,但為更加詳細(xì)的顯示各參數(shù)的重要性[28],因此圖3將3 個潛變量的變量投影重要度(variable importance in the project,VIP)值全部展示出(3 個潛變量中VIP值均小于1的參數(shù)則不展示)。VIP值大于1則表示該參數(shù)屬于產(chǎn)地鑒定中重要的標(biāo)記指標(biāo),而VIP值小于0.5則表示該參數(shù)對于鑒定結(jié)果不重要[29]。由此可知,在潛變量1中對于產(chǎn)地判別占據(jù)重要影響作用的指標(biāo)主要有對香豆酸、柚皮苷、原兒茶酸等16 種多酚,而低聚糖中僅松二糖、吡喃基葡蔗糖的VIP值大于1。其次,潛變量2和潛變量3的VIP圖中各參數(shù)重要性基本一致,對于產(chǎn)地判別重要性影響提供貢獻率最高的參數(shù)均是咖啡酸,最不重要的參數(shù)均為沒食子酸。低聚糖對于潛變量2、3中顯示為重要的參數(shù)與潛變量1對比,增加了麥芽酮糖與蔗果三糖。異麥芽糖與蔗果三糖,在3 個潛變量中均介于重要與不重要之間的灰色區(qū)域。
本研究對ZX、YC和GC 3 個完全不同的氣候和地理環(huán)境,油菜蜜樣本中低聚糖和多酚含量進行差異性研究分析。方差分析結(jié)果顯示6 種低聚糖和18 種多酚類物質(zhì)均存在一定的地理差異性。采用PCA對具有顯著貢獻率的參數(shù)進行分析,研究發(fā)現(xiàn)對香豆酸、柚皮苷、原兒茶酸、咖啡酸等具有顯著的地理特征性。而PLS-DA模型的研究結(jié)果顯示,3 個地方的判別正確率均為100%,無任何誤判樣本出現(xiàn)。同時,該模型留一法交叉驗證結(jié)果顯示其預(yù)測準(zhǔn)確率可達到97%,模型具有非常好的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度。綜上可知,低聚糖和多酚結(jié)合PLS-DA技術(shù)對于不同地理來源油菜蜜的鑒別具有極大的研究價值和參考意義。