基于气相离子迁移色谱分析不同贮藏时期蓝莓的挥发性化合物变化

田芸1,孙海燕1,2,3,4,5*,朱旋1,郝丹青1,秦公伟1,党娅1

(1.陕西理工大学生物科学与工程学院,陕西 汉中 723000;2.陕西理工大学陕西省资源生物重点实验室,陕西 汉中 723000;3.国家农产品保鲜工程技术研究中心秦巴地区保鲜工作站,陕西 汉中 723000;4.陕南秦巴山区生物资源综合开发协同创新中心,陕西 汉中 723000;5.陕西理工大学秦巴生物资源与生态环境省部共建国家重点实验室(培育),陕西 汉中 723000)

摘 要:以蓝莓为研究对象,通过气相离子迁移色谱(gas chromatography-ion mobility spectrometry,GC-IMS)技术采集蓝莓贮藏过程中挥发性化合物(volatile compounds,VOCs)的变化,探究不同贮藏时期蓝莓的关键气味化合物。该研究采用壳聚糖涂膜+紫外灯照射处理蓝莓并分别在蓝莓新鲜、萎蔫、腐败时测定其VOCs,分析其指纹谱图,对蓝莓VOCs 进行主成分分析(principal components analysis,PCA)及正交偏最小二乘判别分析(orthogonal partial least squares discriminant analysis,OPLS-DA)。结果表明,蓝莓中的挥发性化合物主要有酯类、醇类、醛类、酸类、酮类及萜烯类化合物;(E)-2-己烯-1-醇、丁醛等物质在新鲜蓝莓中含量较高,丁酸、异戊酸主要存在于蓝莓萎蔫阶段,腐败时乙酸乙酯、3-戊酮等物质浓度上升,反映了蓝莓贮藏期间VOCs 的变化情况。使用GC-IMS 检测得到的数据进行主成分分析和正交偏最小二乘法判别分析,由此可知,不同时期蓝莓的挥发性气味具有明显区别。

关键词:蓝莓;气相离子迁移色谱(GC-IMS);化学计量法;贮藏;挥发性化合物

蓝莓(Vaccinium spp.)属于杜鹃花科越橘属,是一种高经济价值的特色小浆果,被联合国粮农组织列为人类五大健康食品之一[1]。蓝莓被称为“浆果之王”,原产于北美气候温良、阳光充足的地区,营养价值高,富含花青素[2]、黄酮类及熊果苷等营养物质,具有抗氧化、清除自由基、提高记忆力[3]、免疫力及保护视力[4]等多种生理功能。截至2020 年底,我国蓝莓栽培面积已达6.64 万hm2,总产量34.72 万t,其中鲜果的产量为23.47 万t,地域分布由吉林、黑龙江扩展到山东、辽宁、云南、贵州、陕西、江苏、安徽和浙江等地区,蓝莓栽培面积与产量均已跃居全球第一[5]。蓝莓不耐贮藏,采收后极易失水萎蔫,严重则出现腐败变质,从而产生不良风味,使其品质快速下降,因此在采后保鲜中,蓝莓风味的变化也是评价其新鲜度的重要指标之一。

近年来,可食性涂膜保鲜技术开始运用于水果。可食性涂膜是以天然可食性物质(如多糖、蛋白质、脂类等)为原料,通过不同分子间相互作用,并以包裹、涂布、微胶囊等形式覆盖于果蔬表面,以阻隔水汽、氧气或各种溶质的渗透,起保护作用的薄层,进而达到抑制果蔬褐变的效果[6-7]。壳聚糖可以防腐,作为抗真菌的涂层[8],壳聚糖已应用于生姜的保水防腐,有较好的效果[9]。壳聚糖作为果蔬护色剂已广泛应用于日常水果的护色,而且性能稳定,安全无毒,得到了行业的高度认可[10-11]。与此同时,水果在贮藏期间成分和气味发生改变,不同阶段有其代表性气味物质。

目前,分析食品中挥发性风味成分的技术主要有气相色谱技术、电子鼻技术、气质联用技术、顶空固相微萃取-气质联用技术、气相嗅辨仪和气相离子迁移色谱(gas chromatography-ion mobility spectrometry,GCIMS)等[12]。GC-IMS 技术作为一种新的联用技术,将气相色谱检测技术与离子迁移色谱技术结合,从而进行样品的测定,因其具有高灵敏度、高分离性、成本低、操作简单、快速等优点,在食品行业中应用越来越广泛[13]。GC-IMS 已用于研究在不同储藏条件下番荔枝挥发性风味变化[14]、鉴定羊肉风味[15]、对比不同年份的普洱茶中挥发性化合物[16]、结合相对气味活性研究石榴籽风味形成的机制[17]等,在气味鉴定方面有非常重要的贡献,因此GC-IMS 在食品风味物质分析方面具有一定的优势。

离子迁移谱图通过离子漂移时间,使检测后的数据信息更丰富,同时提高了离子迁移谱信号的响应质量,使测得的数据可以进行更高级的数理统计分析[18]

偏最小二乘关联分析,全称为基于偏最小二乘投影的潜在结构关联分析(partial least squares,PLS),是一种有监督的统计分析方法[19]。有监督的统计分析方法是指在分析数据时,通过已知的分类模型来分析已有的数据,可以发现有明显异常的样品。对于差异不明显的样品,主成分分析(principal components analysis,PCA)法常常无法区分样品组间差异,结合正交偏最小二乘判别分析(orthogonal partial least squares discriminant analysis,OPLS-DA)模型会更加有效。如利用OPLS-DA 模型可区别胡萝卜的产地[20]、分析猪肉是否腐败变质以及包装条件[21]、确定何种化合物造成不同地理来源酸枣之间的风味差异[22]。在实际使用OPLS-DA 模型时,由于数据过于复杂可能会出现过拟合现象,造成模型失真的情况,因此在数据分析时尤其要注意验证模型的有效性和可靠性。

目前,关于蓝莓气味的研究更多集中于蓝莓加工后的气味物质,而对蓝莓贮藏期气味物质的变化情况研究较少,随着蓝莓销售区域扩大,蓝莓保鲜贮藏的问题亟待解决。本研究采用GC-IMS 建立蓝莓随贮藏时间而变化的挥发性化合物指纹谱图,利用PCA、OPLSDA 等化学计量学方法对挥发性化合物的数据进行处理,筛选蓝莓潜在的标志性挥发性化合物,探究经壳聚糖涂膜和紫外灯照射处理后的蓝莓在贮藏期间风味特征的变化情况,以期在预测蓝莓的货架期,减少贮藏保鲜损失方面提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

蓝莓:采摘自陕西省汉中市城固县蓝莓基地,品种为“绿宝石”。挑选八分熟,外观蓝色,被白粉,大小、成熟度一致,无机械损伤、无病害的蓝莓,采后立即装入保温箱,于当天运回实验室处理。

壳聚糖(脱乙酰度90%):上海源叶生物科技有限公司;吐温80:广州润华化工有限公司;明胶:河南万邦化工科技有限公司。以上试剂均为食品级。甘油、乙酸(均为分析纯):天津市天力化学试剂有限公司;氢氧化钠(分析纯):西陇科学股份有限公司。

1.2 仪器与设备

维生素D 转化箱:陕西理工大学生物科学与工程学院及国家农产品保鲜工程技术研究中心秦巴地区保鲜工作站自主研发;风味分析仪(FlavourSpec®):德国GAS 公司;超声波清洗机(SB-5200):宁波新芝生物科技股份有限公司;紫外灯(ZXY-Ⅱ):江阴市健仕福器械有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 贮藏模式设计

1.3.1.1 壳聚糖涂膜液的制备

称取9 g 壳聚糖溶于1% 的乙酸溶液中,55 ℃水浴25 min,加入10.0 g 明胶,继续水浴加热至完全溶解,加入甘油(30%壳聚糖),超声辅助至完全溶解;用1%乙酸定容至1 000 mL 待用。

1.3.1.2 紫外辐照处理

紫外灯开机后稳定30 min,测定此时正对紫外灯下方辐照强度,按照公式计算出辐照时间为308 s。

式中:t 为辐照时间,s;m 为辐照剂量,3 kJ/m2n 为辐照强度,W/m2

1.3.1.3 保鲜处理

将新鲜的蓝莓随机分为A、B 两组,每组135 颗。其中A 组作为对照组,将其分为3 份,装在一次性托盘中,用保鲜膜覆盖,均置于常温20 ℃贮藏。在4、15 d 取样,每次取样8 g,分别标记为A2、A3,对照组A1为新鲜样品。B 组样品经壳聚糖涂膜后在紫外灯下照射处理,蓝莓在制备好的涂膜液中浸泡30 s,取出放在洁净纱布上,晾干后辐照处理,单面辐照154 s 后,翻面继续照射154 s,结束后将蓝莓均分为3 组,装在一次性托盘中,用保鲜膜覆盖,常温20 ℃贮藏。分别在8、24 d 取样,标记为B2、B3。刚处理好的新鲜蓝莓取样标记为B1。测定指标选取的时间以感官评价为依据,取样时间分别为新鲜蓝莓、萎蔫蓝莓和腐败后的蓝莓。每次取样随机,每个处理重复3 次。

1.3.2 GC-IMS 分析

取蓝莓样品8 g,匀浆,置于20 mL 顶空瓶中,顶空取样,条件为40 ℃孵育15 min,进样量500µL,进样温度85 ℃,孵化转速500 r/min,分析测定时间20 min,色谱柱类型:MXT-5,0.53 mm×150 mm,膜厚1µm,N2 漂移气流量150 mL/min,N2 载气流量0~2 min为2 mL/min,2~20 min 为100 mL/min,柱温60 ℃,离子迁移谱温度45 ℃。

1.4 数据分析与处理

使用Laboratory Analytical Viewer 采集和分析原始数据,通过比较保留指数(retention index,RI)和离子迁移色谱的漂移时间(离子通过漂移管到达收集器所需的时间,以ms 为单位)与真实参考化合物的值来鉴定挥发性化合物。利用仪器配套的分析软件,包括VOCAL 和Reporter、Gallery Plot 插件及“最近邻”指纹分析,可以分别从不同角度进行样品分析。

所有分析均重复3 次,数据以平均值±标准差表示。使用软件SIMCA 14.1(64-bit)对得到的数据进行数据统计分析。采用无监督的PCA 将蓝莓挥发性化合物的区别可视化,采用监督的OPLS-DA 分析确定蓝莓的挥发性化合物,并最后检验模型的可靠性。

2 结果与分析

2.1 蓝莓贮藏过程中的挥发性化合物特征

部分特征峰对应的挥发性化合物见表1。

表1 部分特征峰对应的挥发性化合物
Table 1 VOCs corresponding to some of characteristic peaks

序号12345678 9 1 0 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25分类醇类醛类酮类酯类化合物(E)-2-己烯-1-醇3-甲基-3-丁烯-1-醇1-戊烯-3-醇正己醇乙醇芳樟醇(E)-2-己烯醛己醛2-甲基丁醛丁醛戊醛苯甲醛甲基庚烯酮3-戊酮异戊酸甲酯乙酸乙酯乙酸甲酯乙酸己酯丙酸异丙酯2-甲基丁酸乙酯己酸甲酯正己酸乙酯丙酸乙酯异丁酸甲酯丙烯酸乙酯香气特征浓烈的未成熟果实气味水果甜香水果香味水果的气味(柑橘类、浆果)酒的气味和刺激性辛辣味铃兰香,香柠檬气味新鲜的绿叶香生的油脂和青草气及苹果香味辣、霉气,稀释后有可可和咖啡的香气,甜、微带水果味的风味窒息性醛味特殊香味苦杏仁味水果香气和新鲜清香香气丙酮气味药草味,菠萝、香蕉、苹果香香蕉香味芳香味梨和苹果样香气,有梨样酸甜味苦甜味强烈苹果和菠萝味菠萝香气菠萝、香蕉等水果气味有菠萝香味新鲜苹果、菠萝和杏的香味辛辣刺激气味

续表1 部分特征峰对应的挥发性化合物
Continue table 1 VOCs corresponding to some of characteristic peaks

序号26 27 28 29 30分类酸类萜烯类化合物异戊酸异丁酸丁酸异松油烯双戊烯香气特征刺激性酸败味,稀释后则有甜润的果香刺激性气味刺激性及难闻的气味松木香气,微甜的柑橘气味柠檬,薄荷

由GC-IMS 检测结果可知,蓝莓中可确定名称的挥发性化合物有43 种,包括13 种化合物的单体和二聚体,共列出30 种化合物(表1)。通过归一法计算,得到蓝莓采后各类挥发性化合物的百分比含量。其中酯类物质含量最高,占30.91%,如乙酸己酯、己酸甲酯、异戊酸甲酯、2-甲基丁酸乙酯等。其次是醛类和醇类,各占14.55% 和12.73%。酮类化合物是由醇类氧化生成,对果香味具有一定的贡献[23]

蓝莓中挥发性化合物成分对比差异谱图见图1。

图1 蓝莓挥发性化合物成分对比差异谱图
Fig.1 Comparative difference spectra of composition of VOCs in blueberries

从图1 可以直观看出不同样品间的挥发性化合物的浓度差异。从整体的香气物质变化情况上看,随着贮藏时间延长,蓝莓的挥发性化合物也在不断发生变化。用保鲜涂膜和紫外线照射处理过的蓝莓外观有明显的不同,表现在新鲜状态延长,腐败变质较对照组慢。由图1 可知,以A1 为参照,图中的每一个点代表一种物质,蓝色表示浓度较低,红色表示浓度较高,颜色越深表示与A1 的差距越大。从图1 可知,蓝莓的挥发性化合物能够通过GC-IMS 很好地分离。总体上,在蓝莓采后的3 个阶段中,经涂膜处理的蓝莓在腐败阶段的挥发性化合物含量最高,与另外两个时期的蓝莓差异较大。说明涂膜处理对保存蓝莓香气有积极作用,在实际生产中可以通过该方式处理蓝莓而得到更优质的产品。

2.2 不同贮藏时期蓝莓挥发性化合物的比较

为进一步研究不同贮藏时期蓝莓主要挥发性化合物的变化情况,选取已检测出的挥发性化合物信号峰,形成指纹谱图进行对比,结果见图2。

图2 蓝莓样品部分挥发性化合物的指纹谱图
Fig.2 Fingerprinting of VOCs in selected blueberry samples

由图2 可知,每一行代表一次检测样品所选取的全部信息峰,每一列代表同一挥发性化合物在不同蓝莓样品中的信号峰。己醛、正己醇、2-甲基丁醛、戊酮等在蓝莓的整个生理过程均存在,其浓度会因贮藏时间而变化,呈现出青草和水果的清香,可以作为蓝莓区别于其他水果的独特性气味物质。乙酸乙酯、3-戊酮、异戊酸甲酯等物质含量随贮藏时间延长而增加,有浓烈的热带水果气味,可能是蓝莓衰老过程中出现的标志性化合物。丁酸、异丁酸、异戊酸等物质具有刺激性难闻的气味,在蓝莓贮藏中期出现,此时蓝莓开始失水皱缩,可能是蓝莓开始萎蔫的产物。3-甲基-3-丁烯-1-醇、(E)-2-己烯-1-醇、(E)-2-己烯醛等物质随着时间延长而减少,蓝莓的水果甜香会减弱甚至消失,可作为鉴别蓝莓是否新鲜的标志性化合物。蓝莓中主要的挥发性化合物为酯类,这与蓝莓的品种有关,不同品种有其独特的气味[24]。酯类主要是由游离酸类和醇类通过酯化作用而形成,通常酯类中多数能够为水果和发酵食品提供花香味、水果味[25]

在检测到的43 种化合物中,如芳樟醇、苯甲醛是蓝莓中常见的挥发物,使蓝莓既有瓜果的甜香又有植物的绿叶清香。其中,丁酸和异戊酸2 种成分只在蓝莓浆果严重失水时期被检测出来。可能是因为蓝莓失水皱缩,香气成分得以更加集中地展现出来。利用成分对比图和指纹谱图将蓝莓的挥发性化合物用更直观的方式呈现出来,可以看出蓝莓在采后的气味变化情况。

目前有较多的研究都在探究壳聚糖对鱼肉贮藏保鲜的作用,比如李凯龙等[26]研究发现壳聚糖具有隔绝氧气和保水作用;余达威[27]研究发现壳聚糖具有抗氧化作用。试验组(B 组)整体酯类化合物含量高于对照组(A 组),可能是由于壳聚糖涂膜阻止了挥发性化合物散发,而在蓝莓果实内聚集,涂膜+紫外处理的蓝莓有更丰富的气味。在蓝莓的贮藏末期,浆果发生腐败,腐败后的蓝莓会由于果皮上的微生物发酵,产生丁酸、异戊酸和异丁酸等刺激性气味,表明蓝莓已腐败。以上是蓝莓在不同时期表现出的主要气味物质,与刘虹丽等[28]研究结果相似。

2.3 不同贮藏时期蓝莓的成分分析

通过PCA 分析,证明蓝莓气味物质之间有联系和区别。蓝莓挥发性化合物OPLS-DA 分析结果见图3。

图3 蓝莓挥发性化合物OPLS-DA 分析
Fig.3 OPLS-DA of VOCs in blueberries

由图3 可知,其中第一主成分(PC1)贡献率为43.7%,第二主成分(PC2)贡献率为20.9%,前两个PCA 总贡献率为64.6%,前3 个可达到80%以上。说明该分析方法可以区分不同贮藏时间的两组蓝莓。20 ℃条件下贮藏不同时间的样品之间风味差异较大,距离越近的样品化合物含量差距越小。A 组样品主要集中在右侧,B 组在中间和左侧。说明经壳聚糖涂膜+紫外灯照射处理的蓝莓挥发性化合物与对照组有明显的区别,并且涂膜处理可以从整体上改变蓝莓挥发性化合物的含量。

蓝莓挥发性化合物载荷图见图4。

图4 蓝莓挥发性化合物载荷图
Fig.4 Load of VOCs in blueberries

由图4 可知,图中的每一个点代表一种挥发性化合物,它的位置取决于该化合物在PCA 模型中的贡献度。两组化合物有明显的差异,经过处理的B 组蓝莓所含有的挥发性化合物数量远高于A 组。不同种类的香气物质是蓝莓香气特征风味形成的前提,也是产生香气差异的关键因素。在载荷图中,气味物质与样品距离越近表明其相关性越好,越能解释样品的气味特征。图中化合物的聚合情况较好,说明蓝莓的挥发性化合物有其独特性。

由于OPLS-DA 容易出现过拟合的情况,需要对OPLS-DA 模型进行置换检验,以确定试验结果可靠性。图5 为置换200 次后得到的置换检验图。

图5 挥发性化合物OPLS-DA 模型的置换检验
Fig.5 Replacement test for OPLS-DA model of VOCs

由图5 可知,R2 的回归直线与Y 轴的截距小于R2Q2 的回归直线与Y 轴的交点在负半轴,说明该模型没有过拟合,可以很好地解释蓝莓中挥发性化合物的变化情况。

Q2 代表PCA 模型的预测能力,通常Q2>0.5 为模型的预测能力可靠,当R2Y 大于0.9 时,说明该模型具有较好的可靠性和预测性[29]。该模型的参数R2X 为0.921,R2Y 为0.957,Q2 为0.748,符合对R2YQ2 的要求,说明该模型有较强的可靠性。在本试验中对蓝莓挥发性化合物的分析可以代表蓝莓在贮藏过程中的变化,在蓝莓保鲜贮藏过程有一定的参考意义。

3 结论

本试验以蓝莓为原料,采用离子迁移色谱结合化学计量法,分析未处理与经涂膜+紫外照射保鲜处理后的蓝莓挥发性化合物的变化情况。结果表明,在蓝莓中共检测到43 种有机化合物,包括酯类、醇类、醛类、酮类及萜烯类化合物。其中酯类化合物含量最高,占30.91%,其次是醛类和醇类,各占14.55% 和12.73%,酸类化合物占9.1%,酮类和烯类化合物各占5.45%。蓝莓经涂膜+紫外照射处理后,在萎蔫及腐败阶段均具有更高的挥发性化合物含量,萎蔫阶段产生大量的酯类物质,乙酸乙酯、3-戊酮及异戊酸甲酯等在腐败阶段含量上升。另外,(E)-2-己烯-1-醇、3-甲基-3-丁烯-1-醇在蓝莓新鲜阶段具有较高的含量,随后下降。以上物质含量变化可作为蓝莓贮藏期间预判腐败的参考,有利于及时掌握蓝莓的生理变化情况,迅速做出应对措施,最大程度减少蓝莓腐败比例。

利用GC-IMS 进行测定,样品前处理操作简单便捷,但GC-IMS 只能定性地检测蓝莓在贮藏过程中气味物质的变化,如能与气质联用仪相结合,得到对应挥发性化合物的定量结果,可以为蓝莓贮藏提供更准确的预判果蔬腐败时间,降低果农的损失。

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Analysis of Changes in Volatile Components of Blueberries under Different Storage Periods Based on GC-IMS

TIAN Yun1,SUN Haiyan1,2,3,4,5*,ZHU Xuan1,HAO Danqing1,QIN Gongwei1,DANG Ya1
(1.School of Biological Science and Engineering,Shaanxi University of Technology,Hanzhong 723000,Shaanxi,China;2.Shaanxi Key Laboratory of Bio-Resources,Shaanxi University of Technology,Hanzhong 723000,Shaanxi,China;3.Preservation Workstation,National Engineering Research Center for Preservation of Agricultural Products in Qinba Area,Hanzhong 723000,Shaanxi,China;4.Collaborative Innovation Center for Comprehensive Development of Bio-Resources in Qinba Mountain Area of Southern Shaanxi,Hanzhong 723000,Shaanxi,China;5.State Key Laboratory of Qinba Biological Resources and Ecological Environment Jointly Built by Province and Ministry,Shaanxi University of Technology,Hanzhong 723000,Shaanxi,China)

Abstract: The changes of volatile compounds(VOCs)during blueberry storage were collected by gas chromatography-ion mobility spectrometry(GC-IMS)to explore the key odor compounds of blueberries in different storage periods. In this study,blueberries were treated with chitosan coating + ultraviolet light irradiation,and their VOCs were measured when they were fresh,wilted,and decayed. Their fingerprints were analyzed,and their VOCs were investigated by principal components analysis(PCA)and orthogonal partial least squares discriminant analysis(OPLS-DA). The results showed that the VOCs in blueberries were mainly esters,alcohols,aldehydes,acids,ketones,and terpenoids;(E)-2-hexen-1-ol and butyraldehyde were higher in fresh blueberries,and butyric acid and isovaleric acid were mainly present in the wilting stage of blueberries.The concentrations of ethyl acetate and 3-pentanone increased during decay,which reflected the changes of VOCs during blueberry storage. The data obtained by using GC-IMS were subjected to PCA and OPLS-DA,which showed that the volatile odors of blueberries in different periods were significantly different.

Key words: blueberries;gas chromatography-ion mobility spectrometry(GC-IMS);stechiometry;storage;volatile compounds

DOI: 10.12161/j.issn.1005-6521.2024.24.021

基金项目: 陕西省自然科学基础研究计划项目(2022JM-137);陕西理工大学人才启动项目(SLGRCQD2029)

作者简介: 田芸(1999—),女(汉),硕士研究生,研究方向:食品贮藏与加工。

*通信作者: 孙海燕(1979—),女(汉),副教授,博士,研究方向:食品贮藏与加工。

引文格式:

田芸,孙海燕,朱旋,等.基于气相离子迁移色谱分析不同贮藏时期蓝莓的挥发性化合物变化[J].食品研究与开发,2024,45(24):168-175.

TIAN Yun,SUN Haiyan,ZHU Xuan,et al. Analysis of Changes in Volatile Components of Blueberries under Different Storage Periods Based on GC-IMS[J].Food Research and Development,2024,45(24):168-175.

加工编辑:刘艳美

收稿日期:2023-09-17