基于頂空氣相色譜-離子遷移譜對不同品種獼猴桃果汁的香氣指紋表征

田真，張萌，王銀，劉永萍，岳田利*，霍羽佳

1(西北大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安，710069)2(山東海能科學(xué)儀器有限公司，濟(jì)南 山東，251500)

獼猴桃(ActinidiachinensisPlanch)，又名奇異果，因其富含維生素C、糖類、單寧、有機(jī)酸、氨基酸等營養(yǎng)成分廣受消費(fèi)者歡迎[1-3]。我國獼猴桃年產(chǎn)量約為243萬t[4]，深加工產(chǎn)品以果汁、果酒、果醋、果干為主，研究果汁的香氣成分有助于調(diào)控果酒、果醋等在加工和儲藏過程中的香氣品質(zhì)[5]。

品種是影響果實(shí)品質(zhì)的重要因素，更是生產(chǎn)制備獼猴桃果汁的關(guān)鍵影響因子。品種選擇不當(dāng)，會導(dǎo)致獼猴桃汁口味偏酸、維生素C含量低、香氣不豐富[6]。目前對不同品種獼猴桃風(fēng)味成分的研究多采用GC-MS、嗅辨法、電子鼻法等。耿彤暉等[7]通過GC-MS對國產(chǎn)新優(yōu)獼猴桃品種瑞玉、璞玉的果實(shí)香氣特征進(jìn)行分析，指出不同獼猴桃品種的香氣特征差異顯著，醛類化合物在所有獼猴桃品種中占比最高；朱云琦等[8]采用GC-MS從6種美味獼猴桃中鑒定出50種揮發(fā)性成分，其中丁酸丁酯、芳樟醇為共有香氣物質(zhì)；趙玉等[9]結(jié)合氣相色譜-嗅聞法(gas chromatography-olfactometry, GC-O)和香氣重組法成功鑒定出翠香、徐香、秦美及華優(yōu)4種獼猴桃中的關(guān)鍵香氣物質(zhì)。頂空氣相色譜-離子遷移譜聯(lián)用技術(shù)(headspace-gas chromatography-ion migration spectroscopy, HS-GC-IMS)與GC-MS、GC-O、電子鼻法相比，具有耗時短、靈敏度高、痕量分析等優(yōu)點(diǎn)[10-11]。因此，本研究以陜西、四川、遼寧3個地區(qū)3大種系8個品種獼猴桃為原料，通過測定理化指標(biāo)，結(jié)合HS-GC-IMS與描述性感官分析(descriptive sensory analysis, DSA)表征不同品種獼猴桃汁的香氣特性。研究結(jié)果可為獼猴桃品種鑒別、獼猴桃果汁、果酒的優(yōu)質(zhì)加工專用原料品種選育、加工選擇提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持，促進(jìn)HS-GC-IMS技術(shù)在獼猴桃果汁風(fēng)味研究領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

獼猴桃：共8種，采收自2021年8月至10月，采樣情況見表1。每個品種采集10 kg，并從中隨機(jī)選取30個大小一致、無機(jī)械損傷的獼猴桃進(jìn)行分析。

表1 不同獼猴桃品種的采集情況Table 1 Collection of different kiwifruit varieties

正丁酮、正戊酮、正己酮、正庚酮、正辛酮、正壬酮(色譜純),百靈威科技有限公司；偏重亞硫酸鉀、2,6-二氯靛酚鈉、抗壞血酸、草酸、葡萄糖、3,5-二硝基水楊酸(均為分析純),西安永屹生物技術(shù)有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

Flavour Spec?氣相離子遷移譜聯(lián)用儀，德國G.S.A公司；MM-DC0617榨汁機(jī)，美菱電器有限公司；UV-2600型紫外可見分光光度計(jì)，蘇州島津儀器有限公司；Z326K臺式高速冷凍離心機(jī)，北京五洲新橋貿(mào)易有限公司；WZS手持式折射儀，上海儀電物理光學(xué)儀器有限公司；PB-10酸度計(jì)，賽多利斯科學(xué)儀器有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 獼猴桃汁制備

參考LIU等[12]的方法，選擇充分成熟的獼猴桃進(jìn)行清洗、去皮、壓榨，榨汁后添加60 mg/L的偏重亞硫酸鉀，4 ℃、5 000 r/min離心10 min，取獼猴桃清汁于-40 ℃冰柜儲存。

1.3.2 理化指標(biāo)分析

出汁率：果汁質(zhì)量與全果質(zhì)量之比；可溶性固形物含量：手持折射儀測定；可滴定酸含量：參照GB/T 12456—2008《食品中總酸的測定》；糖酸比：可溶性固形物含量/可滴定酸含量；pH值：酸度計(jì)測定；還原糖：3, 5-二硝基水楊酸法[13]；維生素C含量：2,6-二氯靛酚鈉法[14]。

1.3.3 HS-GC-IMS分析

自動進(jìn)樣條件：采用頂空進(jìn)樣方式，取1 mL獼猴桃果汁置于頂空瓶密封。孵化溫度60 ℃，孵化時間15 min，孵化轉(zhuǎn)速500 r/min，進(jìn)樣針溫度85 ℃，進(jìn)樣量100 μL，清洗時間30 s。

GC條件：色譜柱(FS-SE-54毛細(xì)管柱)，色譜柱溫度40 ℃，載氣為高純N2(純度≥99.999%)，運(yùn)行時間30 min。程序流速，初始2 mL/min，保持5 min，在5 min內(nèi)線性增至10 mL/min，在10 min內(nèi)線性增至100 mL/min，并保持10 min。

IMS條件：漂移管溫度45 ℃，漂移氣為N2(純度≥99.999%)，漂移氣流速150 mL/min。

1.3.4 DSA

參考文獻(xiàn)[15]，分析研究了8種獼猴桃汁的香氣差異。首先，通過“Le Nez du Vin”香氣套件的培訓(xùn)篩選出了對香氣較敏感的8名感官評價人員。在分析過程中，每位小組成員都使用了與獼猴桃果汁有關(guān)的香氣術(shù)語來描述其香氣特征，經(jīng)過討論，確定了9種香氣屬性詞(甜味、酸味、辛辣味、青草香、水果香、堅(jiān)果香、柑橘香、焦糖香和煙熏味)來評估獼猴桃汁樣品(表2)。最后，采用9點(diǎn)區(qū)間量表進(jìn)行樣本評估(0表示無此種香氣，9表示此種香氣非常強(qiáng)烈)。

表2 獼猴桃果汁感官分析標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Sensory analysis standard of kiwifruit juices

1.3.5 數(shù)據(jù)處理

理化指標(biāo)及感官評價數(shù)據(jù)分析：采用SPSS 19.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，Graphpad 8.0及Origin 2019軟件繪圖。

GC-IMS數(shù)據(jù)分析：利用Reporter插件對比樣品間的譜圖差異，Gallery Plot插件構(gòu)建指紋圖譜，Dynamic PCA插件進(jìn)行主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同品種獼猴桃果汁理化指標(biāo)分析

出汁率反映了獼猴桃果實(shí)的加工特性，如圖1-a所示,不同品種獼猴桃出汁率均在70%以上，其中亞特的出汁率最高，與紅陽獼猴桃間存在顯著差異。可溶性固形物含量、酸度、糖酸比等指標(biāo)對獼猴桃汁的口感具有重要影響，糖酸比越高說明果汁甜味更強(qiáng)烈，亞特和翠香的糖酸比分別為12.43、12.17，顯著高于其他品種獼猴桃，紅陽獼猴桃汁的糖酸比僅為5.89(圖1-d)，這表明其酸度過高，不利于良好風(fēng)味的形成。有文獻(xiàn)指出，還原糖占水果中總糖含量的90%，主要以葡萄糖、果糖、山梨糖醇等形式存在，對果汁優(yōu)良風(fēng)味的產(chǎn)生具有重要作用[13]。美味獼猴桃汁的還原糖含量與中華獼猴桃和軟棗獼猴桃間存在極顯著差異，其中海沃德的還原糖含量最高，為104.93 g/L(圖1-f)。不同品種間維生素C含量差異顯著，其中翠香含量最高(126.92 mg/100 mL)，亞特次之，LD133含量最低，僅為11.40 mg/100 mL(圖1-g)。

a-出汁率；b-可溶性固形物含量；c-可滴定酸；d-糖酸比；e-pH值；f-還原糖；g-維生素C含量圖1 不同品種獼猴桃果汁理化指標(biāo)Fig.1 Physical and chemical indexes of different kiwifruit juices注：****：P<0.000 1；***：P<0.001；**：P<0.01；*：P<0.05

2.2 不同品種獼猴桃果汁的氣相離子遷移色譜分析

2.2.1 不同品種獼猴桃果汁揮發(fā)性香氣的HS-GC-IMS譜圖對比分析

不同品種獼猴桃果汁的三維地形圖如圖2所示，X軸、Y軸和Z軸分別表示遷移時間、保留時間和離子強(qiáng)度，不同種系間獼猴桃汁揮發(fā)性物質(zhì)種類及含量上的差異，同種系內(nèi)，雖然揮發(fā)性物質(zhì)種類比較相似，但離子強(qiáng)度存在明顯差異。

a-美味獼猴桃；b-軟棗獼猴桃；c-中華獼猴桃圖2 不同品種獼猴桃果汁的HS-GC-IMS三維譜圖Fig.2 Three-dimensional HS-GC-IMS spectra of different kiwifruit juices

圖3是三維譜圖投影到二維平面上的俯視圖，有助于更直觀地對比獼猴桃果汁間的揮發(fā)性組分，圖中的每個點(diǎn)代表一種揮發(fā)性物質(zhì)(顏色越深，濃度越高)。對比可知，美味獼猴桃果汁中(圖3-a)亞特的揮發(fā)性香氣物質(zhì)較其他3種更加豐富，軟棗獼猴桃中(圖3-b)，龍成二號和LD133的風(fēng)味組分差別不大，而中華獼猴桃中(圖3-c)，金艷和紅陽之間揮發(fā)性風(fēng)味組分有較大差異。圖中方形標(biāo)注位置為美味獼猴桃果汁差異揮發(fā)性組分，圓圈標(biāo)注位置為中華獼猴桃果汁差異揮發(fā)性組分。

a-美味獼猴桃；b-軟棗獼猴桃；c-中華獼猴桃圖3 不同品種獼猴桃果汁的HS-GC-IMS二維譜圖Fig.3 Two-dimensional HS-GC-IMS spectra of different kiwifruit juices

2.2.2 基于HS-GC-IMS的不同品種獼猴桃果汁揮發(fā)性香氣定性分析

利用GC-IMS數(shù)據(jù)庫對比揮發(fā)性組分的保留時間和遷移時間進(jìn)行定性分析，基于正酮C4～C9作外標(biāo)計(jì)算保留指數(shù)(retention index, RI)。如表3所示，從8種獼猴桃果汁中共定性出64種揮發(fā)性組分(單體及部分物質(zhì)的二聚體)，主要以酯類、醛酮類物質(zhì)為主。其中乙酸乙酯、丁酸乙酯、(E)-2-己烯醛、(E)-2-戊烯醛、己醛、正己醇等物質(zhì)在所有樣品中均被檢出，這與ZHAO等[15]研究結(jié)果一致。

表3 不同品種獼猴桃汁揮發(fā)性組分的定性分析Table 3 Qualitative analysis of volatile components in different kiwifruit juices

續(xù)表3

不同種系獼猴桃果汁在揮發(fā)性物質(zhì)的種類上存在較大差異(圖4)。由圖4可知，美味獼猴桃果汁中亞特的酯類物質(zhì)最為豐富，有21種，其次為海沃德(20種)，相比之下，中華獼猴桃果汁中紅陽的酯類化合物則略為單薄，僅有7種。有研究報(bào)道，美味獼猴桃中亞油酸、亞麻酸在脂氧合酶和乙醇脫氫酶的作用下形成醇類物質(zhì)后，可經(jīng)酰基轉(zhuǎn)移酶催化最終生成酯類物質(zhì)[16]，本研究中乙酸乙酯、乙酸甲酯、丁酸甲酯、丁酸乙酯為所有樣品中的共有酯類，對于獼猴桃果汁的水果香及甜味具有重要貢獻(xiàn)。

圖4 不同品種獼猴桃果汁中揮發(fā)性組分的種類Fig.4 Types of volatile components in different kiwifruit juices

美味獼猴桃海沃德和翠香果汁中的醛類化合物種類最多，均為16種，包括苯甲醛、己醛、(E)-2-己烯醛、(E)-2-戊烯醛、辛醛、庚醛等(表3)。以C6和C9的醛類物質(zhì)代表著綠色植物的青香味[17]。醛類多以不飽和脂肪酸氧化或Strecker降解途徑產(chǎn)生，閾值較低，對香氣具有突出貢獻(xiàn)[18]。苯甲醛由苯丙氨酸降解形成[19]，具有豐富的堅(jiān)果香；己醛和庚醛分別是亞油酸和花生四烯酸的氧化產(chǎn)物[20]，具有油脂、青草香、蘋果香；糠醛具有烤面包、焦糖香氣，其中糠醛僅在海沃德果汁中檢測到。鄧紅等[21]分析發(fā)現(xiàn)海沃德獼猴桃非濃縮還原汁主要的醛類香氣物質(zhì)為戊醛、己醛、壬醛、辛醛、正庚醛、(E)-2-己烯醛、2-庚烯醛、(E)-2-辛烯醛、(Z)-2-庚烯醛，這與本研究結(jié)果基本相似。3-甲基丁醛具有類似蘋果、桃子等果香味，其二聚體僅在軟棗獼猴桃汁中檢測到，賦予了該種系獨(dú)特的水果香氣。軟棗獼猴桃果汁中的酮類物質(zhì)更加豐富(龍成二號和LD133均為8種)，其中具有甜香、奶油味的乙偶姻單體及二聚體是其區(qū)分于美味獼猴桃汁和金艷的特征性物質(zhì)。2,3-戊二酮具有奶油香、甜香、焦糖氣味，僅在海沃德獼猴桃汁中檢測到。

中華獼猴桃紅陽果汁中的醇類物質(zhì)種類最少，僅為5種。醇類化合物多來源于氨基酸的還原和脂肪的氧化，呈現(xiàn)果香及花香香氣[22]。不同品種獼猴桃果汁共有的醇類物質(zhì)包括正己醇(單體)、1-丁醇、1-戊醇、2-己醇，這些物質(zhì)為獼猴桃汁提供了青草香氣、水果香和辛辣味。2-甲基丁醇、3-甲基丁醇(二聚體)僅在軟棗獼猴桃果汁中檢測到，這2種醇類均為雜醇油，具有蘋果、白蘭地、辛辣味。孫陽等[23]通過氣相質(zhì)譜從4種軟棗獼猴桃果實(shí)中共檢測出6種醇類，包括1,5-己二烯-3-醇、3-辛醇、1-辛烯-3-醇、桉樹醇、2-乙基己醇、α-松油醇，與本研究結(jié)果有較大差異，分析可能是獼猴桃產(chǎn)地、品種及檢測方式的不同導(dǎo)致。

萜烯類化合物閾值普遍較低，賦香作用明顯[24]。孫陽等[23]發(fā)現(xiàn)‘龍成二號’軟棗獼猴桃中特有香氣化合物為乙酸乙酯、桉樹醇、4-蒈烯。辛廣等[25]從軟棗獼猴桃果實(shí)中共檢測鑒定出21種化學(xué)成分, 其中主要的萜烯類物質(zhì)為β-月桂烯、D-檸檬烯、β-蒎烯。本試驗(yàn)的檢測結(jié)果與上述結(jié)果略有不同，僅定性出1種萜烯類化合物檸檬烯，可能與遺傳差異、檢測儀器、色譜柱極性有關(guān)[26]。其他類物質(zhì)主要有2-乙基呋喃和2-乙基-3,5-二甲基吡嗪，2-乙基呋喃具有面包香、焦香、甜香、咖啡香味，2-乙基-3,5-二甲基吡嗪具有巧克力、咖啡、烤堅(jiān)果香，兩者均存在于所有樣品中，對獼猴桃果汁中的堅(jiān)果香氣及焦糖香氣起到了正向作用。

2.2.3 基于HS-GC-IMS不同品種獼猴桃汁揮發(fā)性香氣指紋圖譜分析

為直觀對比不同品種之間揮發(fā)性成分相對豐度的差異，構(gòu)建8種獼猴桃汁樣品的指紋圖譜。圖中每一行代表一種樣品的指紋圖譜，每一列代表定性出的揮發(fā)性組分，指紋圖譜中顏色的深淺表示揮發(fā)性組分含量的高低。由圖5可知，不同品種獼猴桃汁的風(fēng)味物質(zhì)的種類和相對豐度存在較大差異。

美味獼猴桃汁中優(yōu)勢揮發(fā)性組分主要為酯類及醛類(圖5)，其中己酸甲酯、丙酸乙酯、丁酸乙酯、乙酸丁酯、2-甲基丙酸乙酯、2-甲基丁酸乙酯、正丁醇等物質(zhì)在亞特獼猴桃汁中的相對豐度要明顯高于其他品種，豐富的酯類物質(zhì)賦予了亞特獼猴桃汁較高的甜味及果香味，有研究表明，高的揮發(fā)酯含量與果實(shí)軟化、可溶性固形物含量及高的糖酸比具有相關(guān)性[27]。海沃德與徐香的香氣成分比較相似，但也存在特征峰區(qū)域，如乙酸戊酯在海沃德果汁中的濃度更高。徐香獼猴桃汁中正己醇、正戊醇的含量高于其他品種，貢獻(xiàn)了較濃郁的青草香氣。翠香獼猴桃汁中優(yōu)勢揮發(fā)性組分主要為醛類及吡嗪類，包括苯甲醛、庚醛、2-乙基-3,5-二甲基吡嗪，這些物質(zhì)具有杏味、果仁味、烤堅(jiān)果味，有助于堅(jiān)果香氣的形成。

圖5 基于HS-GC-IMS不同品種獼猴桃汁揮發(fā)性香氣指紋圖譜Fig.5 Fingerprints of volatile aroma of different kiwifruit juices based on HS-GC-IMS注：HWD-海沃德；UX-徐香；CX-翠香；YT-亞特；JY-金艷；HY-紅陽；LC2H-龍成2號；LD133-LD133(下同)

中華獼猴桃中金艷和紅陽揮發(fā)性組分存在較大差異，其中金艷獼猴桃果汁中己酸乙酯、丁酸丙酯、(E)-2-戊烯醛、戊醛相對豐度均高于紅陽，這對其呈現(xiàn)的果香、青草香起重要作用。紅陽獼猴桃汁中檸檬烯的離子強(qiáng)度最高，檸檬烯具有白檸檬、柑橘、橙子、果香味，為紅陽樣品提供了較高的柑橘香氣。軟棗獼猴桃汁中龍成二號與LD133的揮發(fā)性組分差異不大，LD133中相對豐度偏高的1-戊烯-3-酮具有強(qiáng)刺激性，為LD133果汁貢獻(xiàn)出了較強(qiáng)的辛辣味，而龍成二號果汁中強(qiáng)度較高的2-乙基呋喃具有豆香、烤面包香、甜香，使其香氣相對柔和。

2.2.4 基于HS-GC-IMS不同品種獼猴桃汁揮發(fā)性香氣主成分分析

主成分分析可更直觀地對不同品種獼猴桃果汁進(jìn)行區(qū)分。如圖6所示，主成分1和主成分2的貢獻(xiàn)率之和達(dá)72%，表明這2個主成分能表征揮發(fā)性物質(zhì)中的大部分信息。

圖6 不同品種獼猴桃汁主成分分析Fig.6 Principal component analysis of different kiwifruit juices

由圖6可知，不同品種的獼猴桃汁分別處于不同的區(qū)域，得到了很好的區(qū)分。軟棗獼猴桃與中華獼猴桃和美味獼猴桃相距較遠(yuǎn)，說明主成分1能有效的將軟棗獼猴桃與其他2類進(jìn)行區(qū)分，而中華獼猴桃和美味獼猴桃距離較近，說明兩者之間的揮發(fā)性組分比較相似，其中金艷香氣特征極貼近美味獼猴桃。美味獼猴桃果汁中，亞特的揮發(fā)性組分與其他3個品種間差異較大，主成分2很好地將亞特與其他品種進(jìn)行了區(qū)分。

2.3 不同品種獼猴桃果汁DSA

對8名品評員的感官數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，繪制感官分析蜘蛛網(wǎng)圖。如圖7所示，獼猴桃汁樣品中青草香、水果香、酸味的得分偏高，說明這3種香氣屬性代表了獼猴桃汁中的主要?dú)馕?，與ZHAO等[15]研究結(jié)果相似。

圖7 不同品種獼猴桃汁感官分析蜘蛛網(wǎng)圖Fig.7 Spider web map of sensory analysis for different kiwifruit juices

不同種系的獼猴桃汁的感官結(jié)果有明顯差異。美味獼猴桃汁的甜味、水果香氣較高，其中亞特的果香味最高，這可能與HS-GC-IMS中定性出的豐富的揮發(fā)性酯類存在相關(guān)性。青草香是獼猴桃汁中的一類主要香氣，相比于其他3種美味獼猴桃，徐香的青草香更加濃郁，這可能歸因于徐香獼猴桃汁中相對豐度較高的正己醇。堅(jiān)果香、焦糖香氣的感官得分都偏低，這2類香氣的強(qiáng)度在翠香獼猴桃汁中最高，推測可能與翠香中的醛類物質(zhì)和吡嗪類物質(zhì)含量較高有關(guān)。

中華獼猴桃汁中，金艷和紅陽的感官結(jié)果差異較大，主要體現(xiàn)在甜味、辛辣味、水果香及柑橘香氣上，金艷的甜味、水果香氣強(qiáng)度均明顯高于紅陽獼猴桃汁，與美味獼猴桃汁的香氣特征比較接近，這與主成分分析結(jié)果相符。紅陽獼猴桃汁的柑橘香氣最為突出，推測可能是紅陽中的檸檬烯含量較高所引起的。令人意外的是，評價人員在軟棗獼猴桃汁中均嗅出了不同強(qiáng)度的煙熏香味，其中龍成二號的煙熏味最濃，但目前還無法推斷出產(chǎn)生這類香氣的具體揮發(fā)性組分，有待后續(xù)研究中與GC-MS相結(jié)合進(jìn)一步分析。

3 結(jié)論

本研究對不同地區(qū)8個品種獼猴桃汁的理化指標(biāo)和香氣物質(zhì)進(jìn)行了測定和分析，其中美味獼猴桃汁的可溶性固形物含量、糖酸比、還原糖含量均明顯高于其他種系，甜味、水果香突出，中華獼猴桃紅陽的感官結(jié)果與其他品種差異較大，酸度、辛辣度、青草香突出，軟棗獼猴桃煙熏味明顯。通過HS-GC-IMS在獼猴桃汁中共定性出64種香氣成分，主要為酯類及醛酮類，乙酸乙酯、丁酸甲酯、乙酸甲酯、丙酸乙酯、己醛在美味獼猴桃汁中的相對豐度更高，中華獼猴桃果汁金艷和紅陽的風(fēng)味組分存在較大差異，金艷的香氣特征與美味獼猴桃汁類似，紅陽的特征風(fēng)味物質(zhì)為檸檬烯，2-甲基丁醇、3-甲基丁醇(二聚體)、乙偶姻是軟棗獼猴桃果汁區(qū)分于其他品種的關(guān)鍵香氣物質(zhì)。主成分分析結(jié)果表明，不同品種獼猴桃汁有明顯的差異。研究建立了8種獼猴桃果汁的揮發(fā)性氣味指紋圖譜，為優(yōu)質(zhì)獼猴桃果汁加工專用品種的育種、加工原料選用提供了數(shù)據(jù)支持。