韓秀梅,吳亞維,馮建文,宋莎,楊華,李順雨
(1貴州省農業(yè)科學院果樹科學研究所,貴州貴陽550006;2威寧縣現代高效農業(yè)產業(yè)示范園區(qū)管理委員會,貴州畢節(jié)553100;3威寧縣特色經果林產業(yè)發(fā)展中心,貴州畢節(jié)553100)
【研究意義】貴州高海拔區(qū)屬于我國南方蘋果優(yōu)生區(qū),低緯度、高海拔,日照充足,溫度年較差小,夏季氣候冷涼,果實成熟期晝夜溫差大,果實品質和風味佳。香氣是評價果實風味品質的重要指標(Kulkarni et al.,2012),不同蘋果品種間香氣成分種類和含量均存在差異,香氣成分可作為蘋果品種選育的評價指標之一,選擇香味濃郁的品種作為親本是改善果實香氣形成的主要途徑(王怡玢等,2018;劉俊靈等,2019)。因此,開展西南高海拔區(qū)域蘋果香氣成分和相對含量特征研究,可為該區(qū)域品種評價、品質調控和培育特殊香氣的蘋果種質提供依據。【前人研究進展】水果中揮發(fā)性成分的種類和含量是評價果實風味品質的重要指標,能客觀反映不同水果的風味特點,酯類、醇類和醛類是蘋果中主要的香氣成分(王怡玢等,2018)。根據消費者對不同化學結構香氣成分的感官效果,水果香氣可分為果香型、甜香型、青香型、辛香型、木香型和醛香型(程煥等,2016)。根據蘋果香氣物質成分的構成,分為水果甜香型和青香型兩大類;其中,酯類物質作為蘋果香味最重要的貢獻者,主要表現為甜香型,是成熟果實中果香氣味的主要來源,而醛類、烯烴類及醇類主要表現 為 青 香 型(Bayramo?lu et al.,2011;程 煥 等,2016)。海拔高度會影響蘋果香氣成分,隨著海拔的升高,揮發(fā)性物質總量呈先升后降的變化趨勢(劉瀟然等,2018)。閻振立等(2007)研究發(fā)現同一地區(qū)高海拔果園有利于華冠蘋果果實酯類和醛類的積累與釋放,低海拔果園有利于果實醇類、烷類和酮類香氣物質的積累。何義等(2014)報道在河北省海拔較高的承德、石家莊和邢臺,富士蘋果果實酯類和醛類含量較高,而在海拔較低的秦皇島和保定,醇類含量較高。不同品種果實的香氣存在明顯差異,富士蘋果由國光×元帥雜交選育,屬于酯香型(Echeverr?ˊa et al.,2004a),王林蘋果是從金冠×印度的雜交實生苗中選出,果實品質表現為果肉硬而脆、多汁、味甜,有香味且耐貯運,香氣成分以低分子的醛類、醇類和酯類為主,3類物質的相對含量占總揮發(fā)物質的90%左右(許寶峰等,2014);維納斯黃金是金冠自然雜交后代中選育的優(yōu)良品種,果實具有濃郁清新的芳香味,也是典型的酯香型蘋果(王樹波等,2015)。【本研究切入點】西南冷涼高地是我國南方唯一的蘋果優(yōu)生區(qū),低緯度、高海拔,夏季氣候冷涼,年溫差小,晝夜溫差大,使得該區(qū)域蘋果形成獨特的品質特征。目前,有關西南高海拔區(qū)蘋果揮發(fā)性物質特征的研究鮮見報道。【擬解決的關鍵問題】富士是威寧主栽蘋果品種,王林和維納斯黃金有一定栽培面積,且這2個品種果實香氣濃郁,本研究采用頂空固相微萃取(HS-SPME)結合氣相色譜—質譜聯(lián)用技術(GCMS),對威寧高海拔區(qū)3個蘋果品種果肉的揮發(fā)性物質進行類別鑒定和含量測定,分析揮發(fā)性物質組分特征,旨在為該區(qū)域品種篩選及品種選育親本選擇提供參考信息,同時為解析我國高海拔區(qū)域蘋果品質形成機制提供理論依據。
果實樣品采自貴州省威寧縣牛棚鎮(zhèn)3年生的煙富3、王林和維納斯黃金矮化中間砧植株,基砧為麗江山荊子,中間砧為SH,果園株行距2 m×4 m,樹形為細長紡錘形,果實未套袋。2019年,每個品種選6株立地栽培條件和生長勢基本一致的植株,采取相同的管理技術,10月份于果實成熟期,每株樹從不同部位均勻采摘6個果實帶回貴州省果樹科學研究所實驗室處理,同一品種每株樹采集的果實為1個重復,分別從每個果實的縱剖面和橫剖面取0.5 cm厚薄片,切成0.5 cm小塊,液氮冷凍處理,冷凍干燥后于-80℃儲藏待測。
1.2.1 提取方法從-80℃冰箱中取出樣品,在液氮中研磨成粉末,每個樣本稱取約1 g研磨樣品置于15 mL頂空瓶中,分別加入2 mL飽和NaCl溶液和10μL 61μmol/L內標乙酸苯乙酯溶液,加蓋密封,在60℃恒溫條件下振蕩10 min。采用全自動HSSPME(SPME Allow Cond CTC Analytics AG)進行樣本萃取,將萃取頭(50/30μm DVB/CAR/PDMS,Sigma)插入樣品頂空瓶,頂空萃取20 min,于250℃下 解 析5 min,然 后 進 行GC-MS(Agilent 8890-5977B)分離鑒定。采樣前后萃取頭分別在老化裝置(Fiber Conditioning Station CTC Analytics AG)中加熱老化5 min。
1.2.2 色譜條件DB-5MS毛細管柱(30 mm×0.25 mm×0.25μm,Agilent J&W Scientific,Folsom,CA,USA),載氣為高純氮氣(純度≥99.999%),恒流流速1.0 mL/min,進樣口溫度250℃,不分流進樣,溶劑延遲3 min。程序升溫:40℃保持5 min,以6℃/min升至280 °C,保持5 min。
1.2.3 質譜條件電子轟擊離子源(EI),離子源溫度230℃,四級桿溫度150℃,質譜接口溫度280℃,電子能量70 eV,掃描方式為全掃描模式(SCAN),質量掃描范圍:質荷比50~500 aum。
1.2.4 定性與定量GC-MS分析獲得的原始數據文件,首先由MassHunter軟件(Agileng)進行提取,根據質荷比及保留時間等信息,質譜圖經計算機檢索同時與NIST 14質譜庫相匹配,保留匹配率60%以上的數據,確認各種揮發(fā)性成分;定量方法按峰面積歸一化法求得各成分相對含量,并參照內標進行歸一化處理。
利用Excel 2007處理試驗數據,各成分相對含量采用Z-Score歸一化處理后,利用SIMCA-P 11.5進行主成分分析(Principal component analysis,PCA),MeV 4.8.1對物質在不同樣本間的積累模式繪制熱圖并進行聚類分析,以SPSS 20.0對數據進行單因素方差分析和多重比較分析。
由總樣本的PCA分析圖(圖1)可知,3個蘋果品種果實的6個檢測樣本均相對集中,主成分1和主成分2的得分分別為28.69%和24.47%,維納斯黃金6個樣本主要聚集在圖左上方,煙富3的6個樣本主要分布在圖右下方,王林6個樣本主要分布在圖右上方。從總樣本聚類熱圖(圖2)可看出,煙富3、王林和維納斯黃金3個品種各自的6個樣本均分別聚在一起,PCA和聚類分析結果均未發(fā)現離散樣本,說明樣本數據可信。同時,從聚類熱圖可看出,煙富3與王林的代謝譜特征更相似,維納斯黃金單獨聚為一類。乙酸丁酯、乙酸戊酯、乙酸己酯、環(huán)己醇、環(huán)己烷、正己烷、(Z)-2-庚醛、2-庚酮和2,6-二甲基-4-庚酮等揮發(fā)性物質聚在一起,這些物質相對含量在維納斯黃金果肉中最高。丁酸丙酯、丙酸丁酯、2-甲基-1-丁醇、乙酸2-甲基丁酯、2-甲基丁酸丙酯、庚酸乙酯、辛酸甲酯和辛酸乙酯等物質聚在一起,這些物質相對含量在煙富3中最高。丁酸己酯、己酸己酯、1-己醇、2-甲基丁酸丁酯和2-甲基丁酸己酯等揮發(fā)性物質聚在一起,這些物質相對含量在王林果肉中最高。
3個蘋果品種果實共鑒定出揮發(fā)性物質93種,其中,酯類19種、醛類11種、酮類11種、醇類5種、烯烴類5種、烷烴類28種、胺類5種、其他類9種。3個蘋果品種共有揮發(fā)性物質90種,煙富3的烯烴類揮發(fā)性物質較王林和維納斯黃金多2種,王林果肉中檢測到其他類揮發(fā)性物質8種,較煙富3和維納斯黃金果肉中檢測到的其他類揮發(fā)性物質少1種(表1)。
3個蘋果品種果實樣品中,揮發(fā)性物質主要為酯類、酮類、醇類和醛類。19種酯類揮發(fā)性物質中,有16種相對含量在3個品種果實之間存在顯著差異(<0.05,下同);11種醛類揮發(fā)性物質中,有8種相對含量在3個品種果實之間存在顯著差異;11種酮類揮發(fā)性物質中,有6種相對含量在3個品種果實之間存在顯著差異;5種醇類揮發(fā)性物質中,有4種相對含量在3個品種果實之間存在顯著差異(表2)。從不同種類揮發(fā)性物質峰面積占比來看,酯類揮發(fā)性物質峰面積占比最高,達54.73%~58.06%,其次為酮類揮發(fā)性物質,峰面積占比為18.58%~20.13%,3個品種果實的揮發(fā)性物質均以酯類代謝物為主。酯類、醛類、酮類和醇類是水果主要的揮發(fā)性物質,從這4類揮發(fā)性物質在3個蘋果品種果肉中相對含量來看,煙富3果肉中酯類揮發(fā)性物質相對含量高于王林和維納斯黃金,而醛類物質相對含量最低;王林果肉中醇類揮發(fā)性物質相對含量高于煙富3和維納斯黃金,而酮類揮發(fā)性物質相對含量最低;維納斯黃金果肉中酮類和醛類揮發(fā)性物質相對含量高于煙富3和王林,而酯類揮發(fā)性物質相對含量較另外2個品種低。
2.3.1 酯類揮發(fā)性物質分析 酯類物質中,辛酸乙酯相對含量最高(30.96%~33.76%),其次為庚酸乙酯,相對含量占總含量的17.53%~18.48%,第三是乙酸2-甲基丁酯,其相對含量占總含量的1.15%~3.32%,這3種酯類揮發(fā)性物質均表現為煙富3果肉顯著高于王林和維納斯黃金,而后兩者間無顯著差異(>0.05,下同),尤其是乙酸2-甲基丁酯,煙富3果肉中相對含量分別是王林和維納斯黃金的2.59和2.89倍。2-甲基丁酸己酯相對含量占總含量的0.31%~2.18%,丁酸己酯相對含量占總含量的0.20%~0.98%,2-甲基丁酸丁酯相對含量占總含量的0.09%~0.32%,王林果肉中這3種酯類揮發(fā)性物質含量顯著高于煙富3和維納斯黃金,其中,王林果肉中2-甲基丁酸己酯相對含量分別是煙富3和維納斯黃金的2.91和7.03倍,丁酸己酯相對含量分別是煙富3和維納斯黃金的4.90和2.65倍,2-甲基丁酸丁酯相對含量分別是煙富3和維納斯黃金的2.13和3.56倍。乙酸己酯相對含量占總含量的0.42%~2.38%,乙酸丁酯相對含量占總含量的0.13%~0.69%,乙酸戊酯相對含量占總含量的0.05%~0.19%,反式-2-己烯基乙酸酯相對含量占總含量的0.03%~0.17%,維納斯黃金果肉中這4種酯類揮發(fā)性物質相對含量均顯著高于煙富3和王林。乙酸己酯相對含量分別是煙富3和王林的5.67和1.98倍,乙酸丁酯相對含量分別是煙富3和王林的5.31和2.30倍,乙酸戊酯相對含量分別是煙富3和王林的3.80和2.11倍,反式-2-己烯基乙酸酯相對含量是煙富3和王林的5.67倍。
2.3.2 醛類揮發(fā)性物質分析從醛類揮發(fā)性物質相對含量來看,反-2-己烯醛的相對含量最高,占總含量的1.13%~1.35%,其次為己醛,占總含量的0.11%~0.22%,第三是(E,E)-2,4-己烯醛,占總含量的0.08%~0.15%,第四是3-己醛,占總含量的0.03%~0.12%。煙富3果肉中的反-2-己烯醛和反-2-辛烯醛相對含量顯著低于王林和維納斯黃金,而(E,E)-2,4-己烯醛和3-己醛相對含量顯著高于王林和維納斯黃金;維納斯黃金果肉中己醛相對含量顯著高于煙富3和王林,分別是二者的2.00和1.69倍;王林果肉中苯甲醛含量分別是煙富3和維納斯黃金的1.83和1.57倍。
2.3.3 酮類揮發(fā)性物質分析酮類揮發(fā)性物質中,2,6-二甲基-4-庚酮的相對含量最高,占總含量的8.50%~8.95%,其次為3-甲基-2-丁酮,占總含量的5.97%~6.94%,第三是2-庚酮,占總含量的3.22%~3.58%,第四是4,6-二甲基-2-庚酮,占總含量的0.24%~0.26%,這4種酮類揮發(fā)性物質均是在維納斯黃金果肉中相對含量最高。維納斯黃金果肉中3-甲基-2-丁酮的相對含量顯著高于王林,但與煙富3無顯著差異,2,6-二甲基-4-庚酮、2-庚酮和4,6-二甲基-2-庚酮均表現為維納斯黃金果肉顯著高于煙富3和王林。
2.3.4 醇類揮發(fā)性物質分析從醇類揮發(fā)性物質相對含量來看,1-辛醇相對含量最高,占總含量的4.34%~4.73%,其次為1-己醇、4,4-二甲基-2,5-二氧-1-咪唑烷甲醇、2-甲基-1-丁醇和環(huán)己醇相對含量較高,分別占總含量的0.30%~1.01%、0.73%~0.80%、0.03%~0.42%和0.03%~0.16%。維納斯黃金果肉中1-辛醇和環(huán)己醇相對含量顯著高于煙富3和王林,其中1-辛醇是煙富3和王林的1.05和1.09倍,環(huán)己醇是煙富3和王林的5.33倍;王林果肉中1-己醇的相對含量顯著高于煙富3和維納斯黃金,分別是二者的3.37和2.24倍;煙富3果肉中2-甲基-1-丁醇相對含量顯著高于王林和維納斯黃金,分別是二者的3.23和14.00倍。
2.3.5 烷烴類及其他揮發(fā)性物質分析烷烴類物質主要是環(huán)己烷和正己烷,其相對含量分別占總含量的1.56%~1.88%和1.56%~1.87%。5種烯烴類揮發(fā)性物質中,煙富3果肉中D-檸檬烯相對含量顯著高于王林和維納斯黃金,(-)-γ-卡丁烯和長葉烯是煙富3
果肉中特有的烯烴類揮發(fā)性物質,3個品種果肉中的苯乙烯和(1R)-2,6,6-三甲基雙環(huán)[3.1.1]庚-2-烯相對含量無顯著差異。5種胺類揮發(fā)性物質中,N,N-二甲基-3-甲氧基-4-甲基苯乙胺相對含量最高,占總含量的1.24%~1.33%,煙富3果肉中相對含量顯著高于王林和維納斯黃金;其次為N,N-雙(1-甲基乙基)-1,2-乙二胺,占總含量的0.39%~0.43%,維納斯黃金果肉中相對含量顯著高于煙富3和王林,其余3種胺類揮發(fā)性物質在3個品種果肉中無顯著差異。其他揮發(fā)性物質中,1,3-雙(1,1-二甲基乙基)-苯、3,4-二羥基-5-氨基噠嗪和羥基乙腈相對含量較高,分別占總含量的2.56%~2.66%、2.11%~2.32%和1.56%~1.83%。
蘋果現已測定出300多種揮發(fā)性物質,主要是酯、醇和醛類物質(王海波等,2007;曾輝,2016;王怡玢等,2018)。蘋果主要香氣成分有水果甜香型和青香型(青草味),其中,酯類化合物主要表現出甜香特征,而醛類、醇類、酮類和烯烴類主要表現出青香特征(Buettner and Schieberle,2001)。醛類、酯類、醇類、萜類和酮類等化合物以一定比例存在于果實周圍或內部,構成了各個品種獨特的典型香味(劉俊靈等,2019)。
酯類是蘋果的主要揮發(fā)性物質,紅富士蘋果香氣屬于酯香型(Echeverr?ˊa et al.,2004a),而酯香型又可分為乙酸酯型、丙酸酯型、丁酸酯型和乙醇酯型(盧明艷等,2017),富士蘋果為乙酸酯型(Echeverria et al.,2004b;厲恩茂等,2018)。孫燕霞等(2020)報道維納斯黃金成熟果實中酯類揮發(fā)性物質相對含量達74.15%,其中,乙酸乙酯相對含量最高(20.06%)。關于王林蘋果果實香氣成分的研究報道存在一定差異,乜蘭春等(2006)報道,乙酸乙酯、丁酸乙酯和乙醇是王林成熟果實中主要揮發(fā)性物質,乙酸乙酯相對含量最高(46.34%)。許寶峰等(2014)報道王林蘋果成熟果實中醛類物質占80%左右。劉俊靈等(2019)發(fā)現王林蘋果成熟果實酯類揮發(fā)性物質相對含量達61.92%,2-甲基丁酸己酯相對含量最高(14.25%),其次為乙酸己酯(13.29%)。王林蘋果果實主要揮發(fā)性物質研究報道方面的差異,可能由于檢測方法或果實產地差異所致(李曉磊等,2008)。本研究結果顯示,煙富3、王林和維納斯黃金3個品種果實揮發(fā)性物質均以酯類為主,果肉香氣屬于酯香型,與前人研究結果(乜蘭春等,2006;厲恩茂等,2018;劉俊靈等,2019;孫燕霞等,2020)一致,而3個品種果實相對含量最高的2種酯類揮發(fā)性物質均為辛酸乙酯和庚酸乙酯,這2種酯類揮發(fā)性物質相對含量占總揮發(fā)性物質的48.56%~52.24%,與前人研究結果(乜蘭春等,2006;厲恩茂等,2018;劉俊靈等,2019;孫燕霞等,2020)存在一定差異。
已有研究結果表明,王林成熟果實中醇類揮發(fā)性物質主要是E-2-辛烯醇(劉俊靈等,2019)或2-甲基丁醇(乜蘭春等,2006),醛類揮發(fā)性物質主要是己醛、2-己烯醛和反式-2-己烯醛(乜蘭春等,2006;許寶峰等,2014;劉瀟然等,2018;劉俊靈等,2019);富士成熟果實中醇類揮發(fā)性物質主要是1-丁醇和2-甲基丁醇(乜蘭春等,2006);維納斯黃金成熟果實中醇類揮發(fā)性物質主要是正己醇和正丁醇(孫燕霞等,2020),醛類揮發(fā)性物質主要是正己醛和(E)-2-己烯醛(孫燕霞等,2020)。蘋果中酮類物質主要有6-甲基-5-庚烯-2-酮(劉俊靈等,2019)和甲基庚烯酮(孫燕霞等,2020),且酮類揮發(fā)性物質的相對含量均小于0.5%(劉俊靈等,2019;孫燕霞等,2020)。本研究發(fā)現,產自威寧的3個蘋果品種果實中醇類揮發(fā)性物質主要是1-辛醇、1-己醇和2-甲基-1-丁醇,醛類揮發(fā)性物質主要是反-2-己烯醛,酮類揮發(fā)性物質主要是2,6-二甲基-4-庚酮、3-甲基-2-丁酮和2-庚酮,酮類物質相對含量達18.58%~20.13%,酮類揮發(fā)性物質與已有報道不同,且相對含量遠高于已有報道(劉俊靈等,2019;孫燕霞等,2020)。辛酸乙酯有水果香氣,并有菠蘿、蘋果樣的香韻和白蘭地的酒香味(郭清云等,2021),庚酸乙酯具有菠蘿香氣味,1-辛醇具有檸檬氣味,1-己醇具有水果芬芳香氣,2-甲基-1-丁醇有令人愉悅的氣味,高濃度反-2-己烯醛具有強烈青草氣味,濃度為0.1%以下時呈新鮮水果型清香(劉瀟然等,2018;萬鵬等,2019),2,6-二甲基-4-庚酮有薄荷味,2-庚酮有類似梨的水果香味,3-甲基-2-丁酮具有芳香氣味。這些揮發(fā)性物質種類和相對含量的差異及其特殊香氣,可能是形成該區(qū)域蘋果獨特風味的關鍵因素之一,而我國西南低緯度高海拔地區(qū)獨特的環(huán)境條件可能是導致蘋果果實中揮發(fā)性物質成分差異的主要原因。
盡管3個蘋果品種果實的主要揮發(fā)性物質一致,但品種之間揮發(fā)性物質仍存在明顯差異。煙富3果實中乙酸2-甲基丁酯、(E,E)-2,4-己烯醛、3-己醛、2-甲基-1-丁醇、D-檸檬烯顯著高于王林和維納斯黃金,(-)-γ-卡丁烯和長葉烯是煙富3果實中特有的揮發(fā)性物質。乙酸2-甲基丁酯呈現甜的果香似香蕉氣息,3-己醛為青草味型,(E,E)-2,4-己烯醛為綠蘋果味型(萬鵬等,2019),D-檸檬烯具有新鮮橙子香氣及檸檬香氣。王林果實中2-甲基丁酸己酯、丁酸己酯、丁酸丁酯和1-己醇相對含量顯著高于煙富3和維納斯黃金,其中2-甲基丁酸己酯具有強烈的水果青香香氣,丁酸己酯呈青香、果香、酯香、蔬菜香及強烈的混合水果香氣和菠蘿香昧,丁酸丁酯具有蘋果香味,1-己醇具有青草味香氣(王海波等,2010;劉瀟然等,2018;萬鵬等,2019)。維納斯黃金果實的乙酸己酯、乙酸丁酯、乙酸戊酯、反式-2-己烯基乙酸酯、己醛、反式-2-壬烯醛、2,6-二甲基-4-庚酮、3-甲基-2-丁酮和2-庚酮相對含量顯著高于煙富3和王林,其中乙酸己酯具有令人愉快的水果香氣和梨似的酸甜味道,乙酸丁酯具有強烈的水果香氣,乙酸戊酯有果子香味(王海波等,2010),反式-2-己烯基乙酸酯和己醛具有青草氣及蘋果香味,反式-2-壬烯醛呈雞和烤豬肉香氣,稀釋至1 mg/kg時呈黃瓜香味(劉瀟然等,2018;萬鵬等,2019)。果實香氣成分的種類和比例構成了不同香型,形成不同濃郁程度的香氣(郭清云等,2021),3個蘋果品種成熟果實中揮發(fā)性物質種類和含量的差異,導致其呈現不同的香氣特征,而特征揮發(fā)性物質的發(fā)掘,也為培育具有不同香氣蘋果新品種親本的選擇提供參考依據。
在西南冷涼高地威寧高海拔區(qū)域,酯類是煙富3、王林和維納斯黃金3個蘋果品種成熟果實的主要揮發(fā)性物質,辛酸乙酯、庚酸乙酯、2,6-二甲基-4-庚酮、3-甲基-2-丁酮、乙酸2-甲基丁酯和1-辛醇是影響該區(qū)域蘋果風味的主要香氣物質。