頂空氣相離子遷移譜結(jié)合化學(xué)計(jì)量法快速鑒定紅棗片品質(zhì)和加工方式

閆新煥，劉雪梅，潘少香，譚夢(mèng)男，孟曉萌，宋 燁

（中華全國(guó)供銷合作總社濟(jì)南果品研究院，山東濟(jì)南 250014）

紅棗（Zizyphus jujubecv.Hongzao）營(yíng)養(yǎng)豐富，含蛋白質(zhì)2.92%，粗脂肪0.96%，多糖55%～80%，粗纖維2.41%，還含有多種維生素、礦物質(zhì)等，是重要的滋補(bǔ)食品和藥用食品，又是食品工業(yè)的重要原料，用途廣泛[1-3]。紅棗自古以來(lái)就是養(yǎng)生佳品，中醫(yī)界認(rèn)為紅棗具有健脾、養(yǎng)胃、補(bǔ)血、護(hù)肝、益氣、安神等功效。近年來(lái)，除少量品種鮮食和加工成副產(chǎn)品外，大部分的紅棗被制成干制品進(jìn)行銷售[4-5]。其中紅棗片因其口感酥脆，色香味俱全，已成為家庭必備養(yǎng)生果品，消費(fèi)量連年增大，紅棗片加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢(shì)頭迅猛。目前常見(jiàn)的加工方式為熱風(fēng)干燥、真空冷凍干燥、微波干燥和油炸等。研究表明，不同的加工方式對(duì)紅棗片品質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)成分、揮發(fā)性成分的種類及含量等均有較大的影響[6-10]，且在加工過(guò)程中香氣成分極易損失[11]，導(dǎo)致產(chǎn)品無(wú)棗香味或棗香味不突出，或產(chǎn)生明顯的焦糊味甚至苦味，品質(zhì)極大降低[12-14]。

目前，現(xiàn)有的紅棗片品質(zhì)鑒別方法主要是對(duì)營(yíng)養(yǎng)成分、質(zhì)構(gòu)特性、微觀結(jié)構(gòu)、香氣成分等進(jìn)行分析[15-17]，這些鑒別方法對(duì)樣品均具有一定的破壞性，耗時(shí)長(zhǎng)，涉及的檢測(cè)儀器復(fù)雜。氣相色譜-離子遷移譜方法（gas chromatography-ion mobility spectrometry，GC-IMS）具有無(wú)需任何樣品前處理（無(wú)損）、簡(jiǎn)便、快速、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于復(fù)雜體系構(gòu)成的食品與農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)分析，特別是食品特征風(fēng)味有機(jī)揮發(fā)組分的快速檢測(cè)、識(shí)別等[18-19]。主成分分析（principal component analysis，PCA），是將多個(gè)變量通過(guò)線性變換以選出較少個(gè)數(shù)重要變量的一種多元統(tǒng)計(jì)分析方法[20]，已廣泛應(yīng)用于食品中香味成分的分析。目前還沒(méi)有利用氣相色譜-離子遷移譜結(jié)合感官品評(píng)和主成分分析方法，快速鑒定紅棗片品質(zhì)及其加工方式的相關(guān)研究報(bào)道。因此，本研究針對(duì)上述問(wèn)題，利用GC-IMS 結(jié)合PCA 和最小偏二乘法（PLS）監(jiān)控紅棗片樣品在加工過(guò)程中揮發(fā)性有機(jī)物質(zhì)的變化，以實(shí)現(xiàn)對(duì)紅棗片的加工方式和品質(zhì)的快速判定，同時(shí)為優(yōu)化紅棗片的加工工藝提供參考，提高加工品質(zhì)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紅棗原料為新疆阿拉爾地區(qū)市售灰棗，含水量25%，總糖含量69.91%。市售商品紅棗片W，購(gòu)于大潤(rùn)發(fā)超市（濟(jì)南）。

1.2 儀器與設(shè)備

FlavourSpec 1H1-00053 型氣相色譜-離子遷移譜，德國(guó)G.A.S 公司，配備CTC CombiPAL 自動(dòng)頂空進(jìn)樣裝置；DB-5 毛細(xì)管柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm），美國(guó)Agilent 公司；20 mL 頂空進(jìn)樣瓶、密封磁帽，美國(guó)Agilent公司；AL204 電子天平（0.01 g），梅特勒-托利多儀器有限公司；DHG9140A 型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海恒科儀器有限公司；WZD4S-01 型真空微波設(shè)備，南京三樂(lè)微波技術(shù)發(fā)展有限公司；DZF-6020 型真空干燥機(jī)，上?？粕齼x器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 紅棗的預(yù)處理

先將灰棗去核、切成約0.5 cm 厚的薄片，經(jīng)不同加工工藝處理至紅棗片干基含水率≤5%。加工工藝如表1所示。

表1 不同加工工藝處理的17 種紅棗片樣品Table 1 17 kinds of jujube slices with different processing technologies

1.3.2 GC-IMS 檢測(cè)

分別稱取不同加工方式的紅棗片樣品2.0 g 于20 mL 頂空進(jìn)樣瓶中，通過(guò)預(yù)試驗(yàn)確定GC-IMS 檢測(cè)條件的主要參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 GC-IMS 檢測(cè)參數(shù)Table 2 Detection parameters of GC-IMS

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用SIMCA 13.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析評(píng)價(jià)紅棗香氣質(zhì)量，用非監(jiān)督的PCA 及載荷圖（loading splot）直觀地判斷不同干制方式紅棗片的香味物質(zhì)是否存在差異；利用有監(jiān)督的正交偏最小二乘法判別分析（OPLS-DA）建立紅棗片的不同干制工藝之間的區(qū)分模型，并篩選造成不同干制工藝間差異性物質(zhì)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同加工方式紅棗片品質(zhì)感官評(píng)價(jià)方法的建立

邀請(qǐng)20 位評(píng)審員組建評(píng)價(jià)小組，針對(duì)感官評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)的目的、感官評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)和要求對(duì)評(píng)價(jià)小組進(jìn)行培訓(xùn)，對(duì)樣品進(jìn)行隨機(jī)編號(hào)；要求感官評(píng)價(jià)小組人員客觀、獨(dú)立的進(jìn)行評(píng)分，相互之間不交流討論。

采用定量評(píng)分法：9～10 分為紅棗香味特別濃郁，7～8 分為紅棗香味較為濃郁，5～6 分為紅棗香味一般，3～4 分為紅棗香味較平淡，0～2 分為幾乎沒(méi)有紅棗香味。

由表3 可以看出，真空干燥工藝處理的紅棗片感官評(píng)分整體高于其他加工工藝處理的紅棗片，具有明顯的棗香味；而油炸處理的紅棗片感官評(píng)分較低，有明顯的焦糊味及油膩感，推測(cè)其加工過(guò)程中可能有新物質(zhì)產(chǎn)生，棗香味逸散。

表3 16 個(gè)紅棗樣品的感官評(píng)分情況Table 3 Sensory scores of 16 kinds of dried jujube slices

2.2 不同加工方式紅棗片揮發(fā)性有機(jī)物數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

通過(guò)熱風(fēng)干燥、微波干燥、真空干燥、油炸等四種加工方式制得的紅棗片樣品，采用FlavourSpec⑧氣相色譜-離子遷移聯(lián)用儀檢測(cè)，得到不同加工方式紅棗片樣品的氣相離子遷移譜圖和指紋圖譜。四種加工方式的紅棗片樣品的氣相離子色譜圖如圖1 所示。從圖1 中可以看出不同加工方式的揮發(fā)性有機(jī)物存在明顯的差異。對(duì)圖1 中所選分析區(qū)域進(jìn)行比對(duì)，并利用LAV 軟件的Gallery Plot 插件，自動(dòng)生成指紋圖譜，結(jié)果如圖2（見(jiàn)第58 頁(yè)）所示。根據(jù)目前已經(jīng)定性出的揮發(fā)性有機(jī)物數(shù)據(jù)庫(kù)，四種加工方式處理的16 種紅棗片中均含有乙酸及3-羥基-2-丁酮，但含量有所差別。熱風(fēng)干燥工藝處理的紅棗片中含有較多的苯甲醛、1-辛烯-3-醇等物質(zhì)；微波干燥處理的樣品中含有較多丙酸等酸類物質(zhì)及少量γ-丁內(nèi)酯等物質(zhì)；真空干燥處理的樣品含有較多的γ-己內(nèi)酯、苯甲醇等物質(zhì)；油炸紅棗片中明顯含有糠醛、糠醇及5-甲基呋喃醛等物質(zhì)。結(jié)果顯示紅棗片經(jīng)過(guò)四種不同加工處理方式后某些揮發(fā)性有機(jī)物隨加工溫度、真空度的增加而減少，而有些揮發(fā)性有機(jī)物隨加工溫度、真空度的增加而增加。此外，還有很多物質(zhì)因數(shù)據(jù)庫(kù)限制，暫時(shí)未鑒別出，根據(jù)RI（retention index）值可結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)及氣質(zhì)的方式對(duì)未定性出的物質(zhì)進(jìn)行判斷。

圖1 四種加工方式紅棗片樣品的氣相離子遷移譜圖Fig.1 Gas ion migration chromatograms of jujube slices processed by four methods

2.3 主成分分析和偏最小二乘回歸分析

利用SIMCA 13.0 軟件對(duì)不同加工方式紅棗片樣品中的揮發(fā)性有機(jī)物數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)不同加工方式紅棗樣品的快速分類。通過(guò)SIMCA 13.0 軟件可以進(jìn)行不同加工工藝的PCA，結(jié)果如圖3（見(jiàn)下頁(yè)）所示。從圖3 可以看出，四種不同加工工藝處理的紅棗樣品分別聚成一類，完全分離，說(shuō)明不同加工工藝處理的紅棗樣品的揮發(fā)性有機(jī)物存在明顯差異，且該模型穩(wěn)定性的累積Q2X 值達(dá)到0.903，預(yù)測(cè)能力的累積Q2Y 值達(dá)到0.987，表明所建的模型具有高度的穩(wěn)定性和預(yù)測(cè)能力，因此可對(duì)紅棗片進(jìn)行不同加工工藝的判定。

圖3 四種不同加工方式紅棗片樣品揮發(fā)性有機(jī)物主成分分析圖Fig.3 PCA of volatile organic compounds in jujube slices processed by four methods

將市售商品紅棗片W 進(jìn)行揮發(fā)性有機(jī)物檢測(cè)，在相同的檢測(cè)條件下進(jìn)行操作，檢測(cè)得到紅棗片W 揮發(fā)性有機(jī)物的氣相離子遷移譜圖，如圖4（見(jiàn)下頁(yè)）所示；結(jié)果與2.1 建立的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，并利用OPLS-DA 進(jìn)行加工方式的預(yù)測(cè)，確定待測(cè)紅棗片的加工方式。紅棗片W 中揮發(fā)性有機(jī)物與不同加工方式紅棗片揮發(fā)性有機(jī)物數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)OPLS-DA 進(jìn)行預(yù)測(cè)，如圖5（見(jiàn)下頁(yè)）所示，發(fā)現(xiàn)與熱風(fēng)干燥工藝方式的紅棗片落在同一區(qū)間且能與其他加工工藝區(qū)分開(kāi)，可確定商品紅棗片W 的加工方式為熱風(fēng)干燥，與產(chǎn)品包裝所注的加工方式一致。

圖4 紅棗片W 揮發(fā)性有機(jī)物的氣相離子遷移譜圖Fig.4 Gas ion migration chromatogram of volatile organic component in jujube silices W

圖5 紅棗片樣品W 揮發(fā)性有機(jī)物主成分分析圖Fig.5 PCA of volatile organic compounds in jujube slice sample W

3 結(jié)論

FlavourSpec⑧氣相色譜-離子遷移聯(lián)用儀將氣相色譜（GC）的高分離度與離子遷移譜（IMS）的高靈敏度完美結(jié)合，能夠在固體和液體樣本的頂部空間檢測(cè)揮發(fā)性有機(jī)化合物，利用GC 突出的分離特點(diǎn)，對(duì)復(fù)雜混合物進(jìn)行預(yù)先分離，以單個(gè)組分的形式進(jìn)入到IMS 反應(yīng)區(qū)與電離區(qū)電離產(chǎn)生的試劑離子反應(yīng)生成產(chǎn)物離子，產(chǎn)物離子在離子門脈沖作用進(jìn)入遷移區(qū)進(jìn)行二維的分離，分離后離子最終被檢測(cè)[21]。本文認(rèn)識(shí)到FlavourSpec⑧氣相色譜-離子遷移聯(lián)用在風(fēng)味物質(zhì)分析上的優(yōu)勢(shì)[22]，并應(yīng)用于紅棗片品質(zhì)與加工方式的鑒別，通過(guò)分析GC-IMS 譜圖可以方便直觀地對(duì)比不同樣品間揮發(fā)性有機(jī)物的差異，四種不同干燥方式的紅棗片樣品有共同的揮發(fā)性成分區(qū)域，也有各自的特征峰區(qū)域。真空干燥樣品因反應(yīng)劇烈，化合物種類明顯多于熱風(fēng)干燥和冷凍干燥的紅棗樣品。真空干燥方式在熱風(fēng)干燥的基礎(chǔ)上增加了真空度，反應(yīng)較熱風(fēng)干燥劇烈，產(chǎn)生的物質(zhì)種類多于熱風(fēng)干燥。但還有很多物質(zhì)因數(shù)據(jù)庫(kù)限制，暫時(shí)未鑒別出，根據(jù)RI 值可結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)及氣質(zhì)的方式對(duì)未定性出的物質(zhì)進(jìn)行判斷。方法無(wú)需復(fù)雜的樣品前處理，簡(jiǎn)單快捷，靈敏度高，一個(gè)樣品耗時(shí)為25 min，結(jié)合數(shù)據(jù)處理軟件可實(shí)現(xiàn)紅棗片品質(zhì)的快速鑒別，節(jié)省人力物力。