基于氣相色譜-離子遷移譜分析不同產(chǎn)地秋月梨品質(zhì)差異

何婉琳，施 露，林夢(mèng)樺，李亞輝，梁 穎,*，張志勇,*

（1.江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇省食品質(zhì)量安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全與營養(yǎng)研究所，江蘇 南京 210014）

梨屬于薔薇科（Rosaceae）梨屬（PyrusL.）多年生果樹，是中國僅次于蘋果和柑橘的第三大水果，栽培面積和產(chǎn)量均居世界首位。梨主要有白梨、砂梨、秋子梨和新疆梨4 個(gè)種[1]，其中秋月梨（Pyrus pyrifolia‘Akizuki’）是砂梨的一個(gè)重要品種，2002年引入中國，其果形美觀、酥脆多汁、香氣濃郁，深受消費(fèi)者喜愛[2]。

多項(xiàng)研究表明，果實(shí)品質(zhì)和其揮發(fā)性香氣的組成和濃度均存在品種和地域上的差異[3-5]。Chen Tong等[6]對(duì)12 種西洋梨果實(shí)揮發(fā)性香氣鑒定，共鑒定出335 種揮發(fā)性香氣成分，主要由酯類、醇類、烷烴類組成，不同品種揮發(fā)性香氣成分差異較大。蒙秋霞等[7]發(fā)現(xiàn)不同產(chǎn)地玉露香梨主要香氣成分乙酸丁酯和乙酸乙酯含量差異較大。目前不同產(chǎn)地秋月梨揮發(fā)性香氣成分是否具有地域差異尚鮮見報(bào)道。

揮發(fā)性香氣成分測定的常用方法有電子鼻、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)以及氣相色譜-離子遷移譜（gas chromatography-ion mobility spectrometry，GC-IMS）。GC-IMS作為新興揮發(fā)性成分檢測技術(shù)，克服了電子鼻對(duì)復(fù)雜氣味或低濃度氣味辨識(shí)度低的缺陷，充分結(jié)合了GC技術(shù)高分離能力和IMS技術(shù)高辨識(shí)能力，具有靈敏性高、檢測速度快、樣品無需前處理、成本低等特點(diǎn)，近年在食品產(chǎn)地區(qū)分、食品摻假、食品新鮮度評(píng)估等方面應(yīng)用方興未艾[8-10]。

本研究以消費(fèi)者認(rèn)可度高、種植面積持續(xù)上升的秋月梨為對(duì)象，分別從不同產(chǎn)區(qū)包括河北魏縣、河北趙縣、河南虞城縣、河南寧陵縣、山東墾利區(qū)及江蘇濱?？h采集樣品，測定秋月梨果實(shí)品質(zhì)指標(biāo)，并利用GC-IMS測定其揮發(fā)性香氣成分，采用差異圖譜、定性分析、指紋圖譜以及相似度分析研究其揮發(fā)性香氣成分組成及產(chǎn)地差異，確定不同產(chǎn)地秋月梨特征揮發(fā)性香氣成分，以期為秋月梨的產(chǎn)地區(qū)分、產(chǎn)地溯源及品質(zhì)評(píng)價(jià)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

秋月梨（‘Akizuki’Pyrus pyrifolia）分別采自河北魏縣（WX）、河北趙縣（ZX）、河南虞城縣（YC）、河南寧陵縣（NL）、山東墾利區(qū)（KL）和江蘇濱?？h（BH）標(biāo)準(zhǔn)化管理的梨園，每個(gè)梨園采集24 個(gè)成熟度和品相均一的梨果實(shí)，24 h內(nèi)冷鏈運(yùn)輸至實(shí)驗(yàn)室。

亞硝酸鈉、氯化鋁、氫氧化鈉、福林-酚試劑、碳酸鈉、甲醇（均為分析純）上海國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

JA2003分析天平 上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司；FreeZone?LABCONCO凍干機(jī) 北京照生行儀器設(shè)備有限公司；FDE60086FV-ULTS超低溫冰箱 賽默飛世爾儀器有限公司；Type GT300 POWTEQ Micro Ball Mill北京格瑞德曼儀器有限公司；H1805離心機(jī) 湖南湘儀實(shí)驗(yàn)室儀器開發(fā)有限公司；FlavourSpec?8100 GC-IMS聯(lián)用儀 德國G.A.S.公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品處理

隨機(jī)選擇9 個(gè)完好無損傷的果實(shí)，按照3 個(gè)為一組分為3 組，分別取梨皮和梨肉，用削皮器取果胴部位為梨皮組織（皮厚為0.5～1.0 mm），向果心方向切取10～15 mm為梨肉組織，裝入盛有液氮的保鮮袋中冷凍，置于-80 ℃的冰箱中保存。測樣前取出，在液氮速凍研磨罐中研磨后檢測。

1.3.2 基礎(chǔ)果實(shí)品質(zhì)指標(biāo)測定

果實(shí)橫徑、縱徑采用數(shù)顯游標(biāo)卡尺（0.01 mm）測量，果形指數(shù)為果實(shí)縱徑與果實(shí)橫徑的比值?？扇苄怨绦挝锊捎檬殖质秸酃鈨x測定。果實(shí)pH值采用數(shù)顯臺(tái)式酸度計(jì)測定?？傻味ㄋ岷繀⒄誈B 12456—2021《食品中總酸的測定》中的酸堿滴定法測定?？傸S酮測定采用亞硝酸鈉-硝酸鋁法[11]，總黃酮含量以兒茶素含量表示，單位為mg/g?？偡訙y定采用Folin-ciocalteu法[11]，總酚含量以沒食子酸含量表示，單位為mg/g。

1.3.3 GC-IMS測定

頂空進(jìn)樣條件：分別稱取2 g梨皮與梨肉組織，各自加入0.8 mL飽和氯化鈉溶液，分別置于20 mL頂空進(jìn)樣瓶中，孵育溫度45 ℃，孵育時(shí)間15 min，孵育轉(zhuǎn)速500 r/min；頂空進(jìn)樣針溫度85 ℃；進(jìn)樣量500 μL。

GC條件：MXT-5色譜柱（15 m×0.53 mm，1 μm）；柱溫60 ℃；分析時(shí)間15 min；載氣為高純氮?dú)猓兌取?9.999%）；初始流速為2 mL/min，保持2 min，2～15 min流速線性增加至100 mL/min。

IMS條件：漂移氣為高純氮?dú)猓兌取?9.999%）；漂移氣體流速150 mL/min；檢測器溫度45 ℃；漂移管長度9.8 cm；管內(nèi)線性電壓500 V/cm。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用儀器配套的分析軟件LAV和GC×IMS Library Search（內(nèi)置NIST2014、IMS數(shù)據(jù)庫）對(duì)揮發(fā)性香氣成分進(jìn)行定性。采用Reporter和Gallery Plot插件程序構(gòu)建揮發(fā)性香氣成分的差異圖譜、指紋圖譜和歐氏距離圖。利用Origin 8.5繪制不同產(chǎn)地秋月梨揮發(fā)性香氣成分的主成分散點(diǎn)圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 秋月梨果實(shí)基礎(chǔ)品質(zhì)指標(biāo)分析

分別對(duì)不同產(chǎn)地秋月梨果實(shí)基礎(chǔ)品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行測定，結(jié)果見表1。6 個(gè)產(chǎn)地的秋月梨果形指數(shù)在0.77～0.82之間，pH值位于4.59～4.80之間，均無顯著差異（P＞0.05）?？扇苄怨绦挝锖康母叩蜎Q定果實(shí)的風(fēng)味，是評(píng)價(jià)果實(shí)品質(zhì)的重要指標(biāo)之一[12]，6 個(gè)產(chǎn)地的秋月梨可溶性固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)在11.62%～14.03%之間，河北魏縣和河南虞城縣秋月梨顯著高于其他產(chǎn)地秋月梨（P＜0.05）。果實(shí)中可滴定酸含量也是評(píng)價(jià)果實(shí)品質(zhì)的重要指標(biāo)之一，6 個(gè)產(chǎn)地的秋月梨可滴定酸含量在2.22～5.48 g/kg之間，河南寧陵縣秋月梨顯著高于其他5 個(gè)產(chǎn)地的秋月梨（P＜0.05）。

變異系數(shù)可衡量同一指標(biāo)不同樣本之間的變異程度，變異系數(shù)越大，表示變異程度越大。不同產(chǎn)地秋月梨的基礎(chǔ)品質(zhì)指標(biāo)變異系數(shù)分布在2.55%～42.05%，其中，可溶性固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變異系數(shù)最小，為2.55%，可滴定酸含量變異系數(shù)最大，達(dá)42.05%。根據(jù)變異系數(shù)值可將變異類型劃分為質(zhì)量分?jǐn)?shù)高、中、低3 類變異類型。綜合分析發(fā)現(xiàn)，不同產(chǎn)地秋月梨的可滴定酸含量為高度變異（變異系數(shù)＞36%），表明其受產(chǎn)地影響最大；可溶性固形物含量、pH值以及果形指數(shù)變異程度低（變異系數(shù)為0%～15%），表明其受產(chǎn)地影響小[7,12]。

2.2 秋月梨總黃酮與總酚含量分析

不同產(chǎn)地秋月梨梨皮和梨肉中總黃酮含量如圖1所示。梨皮中總黃酮含量較梨肉中高1～2 個(gè)數(shù)量級(jí)，與前人研究結(jié)果[13]一致，這種差異在歐李、蘋果、柚子等水果中均有體現(xiàn)[14-15]。由圖1A可以看出，河北魏縣和河南寧陵縣的秋月梨梨皮中總黃酮含量顯著高于其他產(chǎn)地（P＜0.05），其中河南寧陵縣秋月梨梨皮中總黃酮含量最高，達(dá)2.338 mg/g。其他產(chǎn)地秋月梨梨皮中總黃酮含量由多到少依次為河北趙縣、河南虞城縣、山東墾利區(qū)以及江蘇濱?？h。圖1B顯示，河南寧陵縣秋月梨梨肉中總黃酮含量顯著高于其他產(chǎn)地（P＜0.05），達(dá)0.065 mg/g。其他產(chǎn)地秋月梨梨肉中總黃酮含量由多到少依次為河南虞城縣、江蘇濱海縣、河北趙縣、山東墾利區(qū)以及河北魏縣。

圖1 不同產(chǎn)地秋月梨總黃酮含量Fig.1 Contents of total flavonoids in ‘Akizuki’ pear fruit from different regions

不同產(chǎn)地秋月梨中總黃酮含量差異可能與秋月梨的生長環(huán)境、地理位置等因素有關(guān)。土壤中有機(jī)質(zhì)含量和黏粒含量增加有利于增強(qiáng)沙土的固氮作用[16]，植物中黃酮類物質(zhì)的合成與積累與土壤中氮元素呈現(xiàn)正相關(guān)。土壤科學(xué)數(shù)據(jù)庫記載河南寧陵縣臨黃河故道，土質(zhì)為河流淤積物形成的具有中上等肥力的黏質(zhì)沙土，比沙土中黏粒更為豐富，固氮效果更佳，推測可能是河南寧陵縣秋月梨梨皮和梨肉中總黃酮含量高于其他產(chǎn)地的原因[17]。

不同產(chǎn)地秋月梨梨皮和梨肉中總酚含量見圖2。梨皮中總酚含量較梨肉中高1～2 個(gè)數(shù)量級(jí)，與總黃酮含量分布類似，前人研究表明梨皮比梨肉積累更多的酚類物質(zhì)[13,18]，與本研究結(jié)果一致。圖2A中為不同產(chǎn)地秋月梨梨皮中總酚含量，河北魏縣秋月梨梨皮中總酚含量最高，達(dá)9.527 mg/g，其他依次為河南寧陵縣、河北趙縣、江蘇濱?？h，河南虞城縣和山東墾利區(qū)顯著最低（P＜0.05）。圖2B顯示，河南寧陵縣秋月梨梨肉中總酚含量顯著高于其他產(chǎn)地（P＜0.05），達(dá)0.390 mg/g。其他產(chǎn)地秋月梨總酚含量由多到少依次為江蘇濱?？h、河南虞城縣、河北魏縣、河北趙縣及山東墾利區(qū)。已有研究證實(shí)葡萄中酚類物質(zhì)受地理位置和氣候條件影響顯著[19]，蒙秋霞等[7]研究亦表明不同產(chǎn)地玉露香梨的總酚含量存在差異。河南寧陵縣秋月梨梨皮與梨肉中總酚含量均高推測與其黏質(zhì)沙土土壤有緊密關(guān)系。

圖2 不同產(chǎn)地秋月梨總酚含量Fig.2 Contents of total phenols in ‘Akizuki’ pear fruit from different regions

2.3 秋月梨揮發(fā)性香氣成分分析

2.3.1 秋月梨揮發(fā)性香氣成分差異圖譜分析

為直觀比較不同產(chǎn)地秋月梨梨皮和梨肉中揮發(fā)性香氣成分的差異，采用Reporter和Gallery Plot插件程序構(gòu)建揮發(fā)性香氣成分差異圖譜，結(jié)果如圖3所示。差異圖譜以河北魏縣秋月梨圖譜作為參照，橫坐標(biāo)1.0處紅色豎線為反應(yīng)離子峰，反應(yīng)離子峰右側(cè)的每一個(gè)點(diǎn)代表一種揮發(fā)性香氣成分，不同顏色代表物質(zhì)的濃度，紅色表示濃度高，紅色越深表示濃度越大，白色表示濃度低。其余樣品圖譜扣除與河北魏縣相同的響應(yīng)信號(hào)，得到二者的差異圖譜，紅色表示該成分在此樣品中較河北魏縣多，藍(lán)色表示該成分在此樣品中較河北魏縣低，顏色越深，說明差異越大。從圖3可以看出，不同產(chǎn)地秋月梨揮發(fā)香氣成分組成差異小，但含量差異較大。這與前人研究結(jié)果類似，向思敏等[20]發(fā)現(xiàn)新疆地區(qū)新梨七號(hào)中萜烯類、烷烴和芳烴類物質(zhì)含量顯著高于河北地區(qū)的新梨七號(hào)，Li Guopeng等[21]的研究表明遼寧鞍山南果梨中α-法呢烯含量高于吉林遼源南果梨，不同產(chǎn)地梨中揮發(fā)香氣成分含量差異大可能是由氣候條件及土壤因素造成的[22-23]。

圖3 不同產(chǎn)地秋月梨果實(shí)揮發(fā)性香氣成分GC-IMS差異圖譜Fig.3 Differential GC-IMS spectra of volatile organic compounds in‘Akizuki’ pear fruit from different regions

2.3.2 秋月梨GC-IMS揮發(fā)性香氣成分定性分析

采用GC×IMS Library Search對(duì)不同產(chǎn)地秋月梨梨皮和梨肉中揮發(fā)性香氣成分進(jìn)行分析，共鑒定出76 種揮發(fā)性香氣成分及其二聚體（M-表示單體、D-表示二聚體，下同），具體信息見表2，其中包括酯類23 種、醛類20 種、醇類11 種、酮類4 種、烯烴類1 種、酸類3 種、其他類14 種。梨皮和梨肉中揮發(fā)性香氣成分存在一定的差異。梨皮和梨肉共有揮發(fā)性香氣成分有34 種，僅在梨皮中鑒定出的揮發(fā)性香氣成分共33 種，主要包含酯類11 種、醛類8 種、醇類4 種、酮類2 種、烯烴類1 種、其他類7 種，僅在梨肉中鑒定出的揮發(fā)性香氣成分共9 種，主要包含酯類1 種、醛類2 種、醇類1 種、酸類2 種、其他類3 種。酯類物質(zhì)主要是由酸類和醇類酯化形成，呈現(xiàn)為水果香、蘋果香及甜香，支鏈脂肪族醛類物質(zhì)主要來自于脂肪酸合成途徑[24]，呈現(xiàn)出花香、甜香及水果香[25-27]，Makkumrai等[28]研究發(fā)現(xiàn)酯類物質(zhì)乙酸己酯、乙酸丁酯的含量與水果香呈正相關(guān)，含量越高香氣越濃郁。本研究中秋月梨果實(shí)主要揮發(fā)性香氣成分為丁酸乙酯、甲酸丁酯、2-己烯醛、異丁酸乙酯，賦予秋月梨豐富的果香與甜香，河北魏縣檢出特有的揮發(fā)性香氣成分且相對(duì)含量較高的乙酸異丁酯、丁酸甲酯和異戊醛，賦予魏縣秋月梨果實(shí)果香的同時(shí)還有一點(diǎn)木質(zhì)香與酒香[29]。

表2 不同產(chǎn)地秋月梨揮發(fā)性香氣成分組成Table 2 Volatile aroma composition of ‘Akizuki’ pear fruit from different regions

2.3.3 秋月梨揮發(fā)性香氣成分GC-IMS指紋圖譜分析

為更直觀地分析不同產(chǎn)地秋月梨揮發(fā)性香氣成分差異，選取不同產(chǎn)地秋月梨揮發(fā)性香氣成分具有差異的信號(hào)峰，采用Gallery Plot插件構(gòu)建不同產(chǎn)地梨特征揮發(fā)性香氣成分的指紋圖譜，具體見圖4。圖中每一行代表一個(gè)樣品的信號(hào)峰，每一列代表同一揮發(fā)性香氣成分的信號(hào)峰，未鑒定出的未知物信號(hào)峰用數(shù)字編號(hào)。由圖4分析可知，6 個(gè)產(chǎn)地的秋月梨揮發(fā)性香氣成分存在明顯差異。

圖4 不同產(chǎn)地秋月梨果實(shí)揮發(fā)性香氣成分GC-IMS指紋圖譜Fig.4 GC-IMS fingerprints of volatile organic compounds in ‘Akizuki’ pear fruit from different regions

秋月梨梨皮中揮發(fā)性香氣成分含量較高的包括丁酸乙酯、甲酸丁酯、2-己烯醛、1-戊烯-3-酮、4-庚烯醛、反式-2-庚烯醛-M、庚醛、乙酸丁酯-M、反式-2-己烯醇，其中河北魏縣秋月梨梨皮中己酸甲酯、丁酸甲酯、異戊醛和乙酸異丁酯等含量相對(duì)較高，河北趙縣苯乙醛和丙酸乙酯等含量相對(duì)較高；河南虞城縣異丁酸乙酯二聚體含量相對(duì)較高，其他產(chǎn)地1-戊醇和異丁醛等含量相對(duì)較高。

梨肉中揮發(fā)性香氣成分含量較高的包括二甲胺、甲酸丁酯、丁酸乙酯、異丁酸乙酯、正庚醛-M、4-庚烯醇、2-己烯醛，其中河北魏縣秋月梨梨肉中乙酸丙酯、丁酸甲酯和異戊酸等含量相對(duì)較高，河北趙縣秋月梨丙酸乙酯和3-甲基-3-丁烯-1-醇等含量相對(duì)較高，其他產(chǎn)地異丁醛、1-戊醇和丙酸等含量相對(duì)較高。

2.3.4 秋月梨揮發(fā)性香氣成分相似度分析

在明確不同產(chǎn)地秋月梨果實(shí)揮發(fā)性香氣成分組成的基礎(chǔ)上，運(yùn)用主成分分析（principal component analysis，PCA）和歐氏距離分析，以期更直觀地區(qū)分不同產(chǎn)地秋月梨，具體見圖5。

圖5 不同產(chǎn)地秋月梨揮發(fā)性香氣成分PCA圖和歐氏距離圖Fig.5 Principal component analysis plots and Euclidean distance plots of volatile aroma components in ‘Akizuki’ pear fruit from different geographical origins

PCA通過確定兩個(gè)PC因子在不同產(chǎn)地秋月梨揮發(fā)性香氣成分中的貢獻(xiàn)率評(píng)價(jià)其規(guī)律性和變異性[30]，由圖5A可以看出，PC1在不同產(chǎn)地秋月梨梨皮揮發(fā)性香氣成分的貢獻(xiàn)率為39.5%，PC2貢獻(xiàn)率為21.9%，總貢獻(xiàn)率為61.4%。由圖5B可以看出，PC1在不同產(chǎn)地秋月梨梨肉揮發(fā)性香氣成分的貢獻(xiàn)率為45.3%，PC2貢獻(xiàn)率為12.8%，總貢獻(xiàn)率為58.1%。結(jié)果表明，兩個(gè)PC可分別體現(xiàn)秋月梨梨皮及梨肉樣品揮發(fā)性成分的主要信息。梨皮揮發(fā)性香氣成分PCA可分別將河北魏縣和河北趙縣秋月梨與其他產(chǎn)地明顯區(qū)分，河南虞城縣和山東墾利區(qū)秋月梨與其他產(chǎn)地有距離，可以區(qū)分，而河南寧陵縣和江蘇濱海縣秋月梨重疊多，難以區(qū)分。梨肉揮發(fā)性香氣成分PCA可將河北魏縣秋月梨與其他產(chǎn)地明顯區(qū)分，河北趙縣、河南寧陵縣、江蘇濱?？h秋月梨距離較近，可以區(qū)分，而河南虞城縣及山東墾利區(qū)秋月梨部分重疊，難以區(qū)分。

歐氏距離通過衡量兩向量之間距離來比較樣品間的相似度，距離越小則相似度越大，常用來反映樣品之間的差異程度[31]。歐氏距離圖可以將PCA未有效區(qū)分產(chǎn)地的秋月梨進(jìn)一步區(qū)分。從圖5C可以看出，梨皮揮發(fā)性香氣成分PCA難以區(qū)分的河南寧陵縣與江蘇濱海縣秋月梨以及河北趙縣和河北魏縣秋月梨之間存在較大的距離，可以有效區(qū)分；從圖5D可知，河南寧陵縣、河南虞城縣、河北魏縣梨肉揮發(fā)性香氣成分可以有效區(qū)分。

綜合梨皮和梨肉揮發(fā)性香氣成分的PCA以及歐氏距離分析，可以實(shí)現(xiàn)6 個(gè)產(chǎn)地秋月梨的有效區(qū)分。可以認(rèn)為PCA與歐氏距離分析結(jié)合具有區(qū)分產(chǎn)品不同產(chǎn)地的應(yīng)用潛力[32-33]。

3 結(jié)論

本研究對(duì)6 個(gè)不同產(chǎn)地秋月梨的品質(zhì)指標(biāo)以及揮發(fā)性香氣成分進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)河南寧陵縣秋月梨可滴定酸含量顯著高于其他產(chǎn)地（P＜0.05），部分產(chǎn)地秋月梨之間可溶性固形物含量、總黃酮與總酚存在顯著差異。不同產(chǎn)地秋月梨梨皮與梨肉中共鑒定出76 種揮發(fā)性香氣成分，其中包括酯類23 種、醛類20 種、醇類11 種、酮類4 種、烯烴類1 種、酸類3 種、其他類14 種，梨皮中揮發(fā)性香氣成分比梨肉中多24 種。通過構(gòu)建秋月梨果實(shí)揮發(fā)性香氣成分指紋圖譜，明確了不同產(chǎn)地秋月梨特征揮發(fā)性香氣成分。采用PCA和歐氏距離結(jié)合進(jìn)行相似度分析，不同產(chǎn)地秋月梨得到了有效區(qū)分。GC-IMS分析技術(shù)具有簡單、快速、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，可為秋月梨香氣鑒別、產(chǎn)地區(qū)分和品質(zhì)評(píng)價(jià)提供技術(shù)支持。