构建原位集气袋气相色谱质谱测定苹果香气并预测其品质变化

曹晓蒙1,杜国荣2,赵鹏涛1,3,刘慧1,赵擎豪1,成晨亚琼1,王晓宇1,3*

1(陕西师范大学 食品工程与营养科学学院,陕西 西安,710119)

2(西安文理学院 生物与环境工程学院,陕西 西安,710065)

3(西部果品资源高值利用教育部工程研究中心,陕西 西安,710119)

摘 要 为建立新的苹果品质评价标准和寻找苹果标志性香气化合物,该文利用集气袋收集苹果逸散香气,同时结合顶空固相微萃取-气相色谱质谱联用和电子鼻分析技术,对苹果香气组分进行分析。结果发现,利用原位集气袋收集到苹果逸散香气47种,果体自留香气有30种,峰面积值较高的包括2-甲基丁酸己酯、己酸己酯、乙酸己酯、乙酸2-甲基丁酯和2-甲基丁酸丁酯。气味活度值分析发现,随着货架期延长,苹果主要呈香物质数量减少。热图聚类分析与偏最小二乘-判别分析可根据特征香气变化区分其品质,通过变量重要性因子分析寻找出1-丁醇、2-甲基-1-丁醇、乙酸2-甲基丁酯为潜在标志性香气。电子鼻结果显示不同货架期在LDA2可被显著区分。该实验为苹果采后贮藏和流通过程中香气品质变化提供了可行的检测方法。

关键词 货架期;多元组学分析;果体自留香气;苹果逸散香气;电子鼻分析

香气是衡量苹果品质的重要指标,有效监测苹果香气品质变化对研发风味调控技术尤为重要。苹果中可检测到香气物质主要包括酯类、醇类、醛类、酸类、酮类和萜烯类等[1]。当前,国内外对苹果品质变化的评价主要以硬度、糖、酸和乙烯等指标变化为依据[2]。滋味和香气是苹果感官品质中的2个主要特性,也是影响消费者接受度的重要因素。苹果挥发性化合物作为影响其品质关键性因素之一,在采用常规品质指标评价时并未被体现出来。CAO等[3]建立了一种通过检测可溶性固形物和乙烯的方法来间接反映果实品质优劣的方法。匡立学等[2]得出单果重、去皮硬度、固酸比、可滴定酸和果糖含量为富士苹果核心品质指标。近些年,苹果香气物质被广大研究者们广泛关注,因而采用风味评价苹果品质也被认为是可行的研究方法。然而,通过关键活性香气物质指示苹果品质变化的研究少有报道。例如,WAGHMODE等[4]发现检测到的α-法尼烯浓度与苹果贮藏寿命有良好的相关性,且对香气化合物估算将有助于无损预测水果最佳货架期。目前,苹果香气测定主要采用破坏性的前处理方法[5],之后再通过GC-MS分析其香气化合物。然而,以上研究并未实现对苹果香气化合物的无损和实时在线检测,因而本实验利用气袋收集的方法研究苹果逸散香气品质的变化。相比于GC-MS,电子鼻技术虽无法得到详尽的香气数据,但其对香气检测有迅速、灵敏的特点,为果实货架期品质速检提供了可能[6]。马蒙蒙等[7]研究了富士系不同品种苹果的货架期品质,电子鼻结果表明不同品种香气成分差异显著且区分效果好。近些年,偏最小二乘回归(partial least squares regression discriminant analysis,PLS-DA)分析用于代谢组学和风味组学数据的聚类研究,可得到果品品质变化与香气的相关性模型[8-9]。任晓俊[10]基于电子鼻分析建立了“金冠”和“华富”苹果货架期的PLS-DA预测模型,但将该方法模型应用于寻找晚熟富士苹果差异性香气的研究鲜见。

本实验以陕西洛川富士苹果为研究对象,采用顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用和电子鼻分析技术进行香气成分表征,利用多元组学分析包括热图聚类分析和PLS-DA建模,寻找货架期苹果自留及逸散的差异性香气,以期为苹果采后的贮藏技术开发研究和风味物质无损实时监测提供可行测定方法和理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

挑选采摘健康无伤的洛川苹果(2021年10月),运回陕西师范大学食品工程实验室,用于后期实验。香气标品[3-辛醇(内标)、2-甲基丁酸甲酯、乙酸乙酯、1-己醇、6-甲基-5-庚烯-2-酮、苯甲醛、2-甲基丁酸、α-法尼烯、E-2-己烯醛、己醛、甲醇等],上海阿拉丁生化科技股份有限公司和TCI公司,纯度均大于97%;NaOH(分析纯),天津市天力化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

8890-5977B气相色谱-质谱联用仪,美国安捷伦科技有限公司;DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器,郑州杜甫仪器厂;SC-80C全自动色差仪,北京康光仪器有限公司;BS 224S天平,北京赛多利斯科学仪器公司;DVB/CAR/PDMS 固相微萃取纤维柱57348-U、固相微萃取手动进样器,美国Supelco公司;质构仪TA.XT.Plus,英国Stable Micro Systems公司;直读式呼吸仪HX-100CG21,杭州屹石科技有限公司;食用级果蔬集气袋,购置于网上;电子鼻Supernose,美国Sensor公司;雷磁PHS-3E型pH计,上海仪电科学仪器有限公司;GC-MS-FID QP2010 SE,日本岛津公司。

1.3 实验方法

1.3.1 样品处理

将10个苹果置于集气袋中,将萃取针插入封口处,收集苹果逸散香气置于常温(23±1) ℃条件下。按照图1在0~25 d收集苹果逸散香气;取苹果赤道部分用液氮研磨后分析果体自留香气组分。

图1 原位集气袋收集苹果逸散香气示意图
Fig.1 Schematic diagram of in situ air bag collecting apple aroma

1.3.2 理化指标测定

果皮穿刺强度、果皮韧性使用质构仪测定,具体参数设定参照杨绍兰等[11]的方法,选用P/2探头;触发阈值5 g;探头下降速率1 mm/s;探头返回速率1.5 mm/s;可溶性固形物:使用PAL-1型手持数字糖度仪测定;可滴定酸:采用酸碱滴定法测定;呼吸速率:直读式呼吸仪测定;乙烯产生速率:测定条件参考QI等[12]方法;果皮色差:参照林莎莎等[13]方法测定果皮色差L*a*b*值,根据以上数据按公式(1)计算色度值:

色度值

(1)

1.3.3 香气化合物测定

苹果逸散香气测定:利用萃取针吸附苹果逸散香气组分1 h,将萃取后的固相萃取纤维柱插入气相色谱-质谱进样口。GC条件:进样口温度230 ℃;色谱柱为DB-WAX(30 m×250 μm,0.5 μm);色谱柱升温程序:初始温度40 ℃保持3 min,以5 ℃/min升至160 ℃,保持5 min,再以10 ℃/min升至240 ℃,保持15 min;载气为He,纯度>99.99%;柱流量1 mL/min;不分流进样。MS条件:电离方式EI;电子能量70 eV;质量扫描范围:30~350 amu;进样口温度为240 ℃;离子源温度230 ℃;四极杆温度150 ℃;接口温度250 ℃;采用全扫描模式(scan);果体自留香气化合物分析:称取样品3 g于20 mL顶空瓶中,加入7 mL 0.2 mol/L柠檬酸盐缓冲液,再加入饱和NaCl溶液至饱和,加入内标10 μL,50 ℃水浴平衡30 min,将固相微萃取纤维头插入到顶空瓶中,在50 ℃水浴顶空吸附30 min。

1.3.4 挥发性化合物分析

定性分析:与路翔等[5]对香气化合物定性方法一致,根据NIST 17.0数据库保留时间和质谱对比;通过RI值与标准品对比定性。定量分析:以3-辛醇为内标,根据各种化合物的峰面积和3-辛醇的浓度进行定量,香气各成分的含量(μg/kg)根据在模拟果汁中加入香气标品,采用内标法得到。

1.3.5 电子鼻分析

准确称取5.0 g液氮处理苹果赤道附近苹果丁于20 mL顶空瓶中,用双层封口膜密封,23 ℃放置30 min后进行分析。电子鼻参数:样品测定间隔时间60 s,传感器冲洗持续150 s,样品测试时间120 s。

1.3.6 关键挥发性化合物的确定

香气活度值(odor active value,OAV)按公式(2)计算:

(2)

式中:ρ,某挥发性风味物质的质量浓度,μg/L;OT,苹果中挥发性风味物质在水中气味阈值,μg/L。

1.3.7 数据分析

所有分析均重复3次,并以平均值±标准偏差表示。数据采用单因素方差分析;使用Origin Pro 9.0生成图表数据。多元组学分析采用Origin Pro 9.0和SIMCA p13软件进行热图聚类和PLS-DA法建模分析。

2 结果与分析

2.1 苹果逸散和自留香气GC-MS分析

2.1.1 总香气

采用GC-MS对货架期苹果的逸散和自留香气测定并分析。苹果逸散香气和苹果自留香气的挥发体系不同,苹果逸散香气由于气袋收集无法添加内标物质,故通过峰面积值进行相对定量,苹果自留香气通过内标法准确定量。苹果逸散香气共检测到47种香气,果体自留香气检测到30种。推测逸散香气种类更多的原因是液氮处理样品之后,取样过程中果皮相较于果肉占比偏低,而有研究证实果皮香气种类比果肉更多[14]。图2-a表明,随着货架期延长,逸散的酯类香气峰面积持续增加,萜烯类香气先增加到15 d再降低,25 d醇类香气与0 d的相比显著增加(P<0.05),对于醛类和酸类则无显著变化;由图2-b可知,随着货架期的延长,果体自留酯类和醛类浓度下降;此结果表明苹果自留香气酯类物质越来越少,其花香和果香味越淡,苹果香气品质越差。随着货架期延长,苹果自留酯类香气含量降低的原因可能是羧酸酯酶水解形成酸和醇类香气,致其在空气中的逸散[1]。两者均证实苹果的香气品质随着货架期延长持续下降。

a-苹果逸散香气峰面积;b-果体自留香气含量

图2 苹果总香气分析
Fig.2 Total aroma of apple

2.1.2 直链脂肪酸酯

表1大部分苹果逸散的乙酯、丁酯和己酯类香气峰面积增加,代表其苹果整体大部分逸散直链香气(直链脂肪酸酯)含量增多;表2显示大部分直链香气含量无显著变化,但丁酸乙酯、乙酸己酯、己酸丁酯和己酸己酯含量随着货架期的延长而降低,表明苹果的果香、花香及甜香味减弱。2个结果都表明随着货架期延长,苹果香气品质变差的可能性越大。

表1 苹果逸散香气峰面积
Table 1 Peak area of apple escaping aroma

香气物质货架期峰面积/(×106)0d5d10d15d20d25d直链脂肪酸酯乙酸乙酯0±02.44±0.50b2.76±0.05ab2.86±0.15ab5.96±0.88a5.54±0.01ab丙酸乙酯0±02.43±0.15ab2.11±0.08b1.15±0.16b4.64±0.47ab8.37±1.94a丁酸乙酯1.41±0.20d13.96±0.85c31.95±0.59c48.31±2.53b82.22±1.63a88.10±1.25a辛酸乙酯0.31±1.39E-4c2.05±0.49b4.07±0.13ab6.25±0.13ab10.66±1.78ab15.29±0.22a庚酸乙酯--0.74±0.0c1.77±0.40bc2.25±0.37ab2.95±0.19a乙酸丁酯45.14±5.98a29.05±2.97ab24.51±5.08ab22.34±0.23b38.99±0.56a25.80±0.33ab己酸丁酯75.09±20.21ab82.32±19.84ab97.85±6.77ab151.4±21.50ab177.06±28.37ab225.84±3.45a丁酸丁酯36.96±3.35ab32.80±3.20ab24.99±5.73b28.54±4.20ab50.84±11.16a43.87±2.83ab庚酸丁酯9.85±2.28b15.28±4.40a----乙酸己酯78.23±2.72a86.07±14.65a74.35±3.20a74.03±4.48a122.04±18.56a113.70±14.20a丙酸己酯18.64±3.25b17.01±3.94ab13.52±0.38ab14.70±2.73ab23.23±4.93ab26.68±1.88a己酸己酯36.86±6.73a46.90±16.60a61.34±11.30a60.03±9.87a81.00±5.51a94.64±10.34a辛酸己酯0.15±0.127c0.61±0.22b0.81±0.03a0.72±0.05ab0.74±0.03ab0.79±0.05a丁酸己酯29.27±2.60a53.24±4.49a46.83±4.01a40.88±14.07a69.27±11.10a66.33±6.48a乙酸庚酯0.55±0.05a1.19±0.26a0.66±0.01a0.91±0.04a1.00±0.26a0.90±0.08a丁酸庚酯0.07±0.01a-----己酸戊酯--11.34±1.48ab11.07±2.77ab18.26±2.27ab23.79±0.90a乙酸戊酯7.99±0.70ab6.88±1.00b6.73±0.20ab8.99±4.14a--丙酸戊酯0.46±0.29a-----

续表1

香气物质货架期峰面积/(×106)0d5d10d15d20d25d直链脂肪酸酯己酸丙酯15.49±5.10c24.35±2.29bc33.89±1.55bc48.00±23.60ab91.19±21.791ab113.39±9.66a辛酸丙酯1.58±0.53c2.79±0.49bc2.79±0.99bc3.41±0.10bc5.171±1.45ab7.83±1.06a支链脂肪酸酯2-甲基-丁酸甲酯----2.08±0.08a2.08±1.33a异丁酸乙酯0.92±0.06ab1.21±0.04a0.80±0.56ab---2-甲基丁酸乙酯1.67±0.67d12.92±2.33d35.91±2.34c78.98±1.53bc163.41±6.66a184.62±0.38a乙酸-2甲基丁酯174.23±12.48bc122.60±5.06c104.90±19.59c120.66±0.59c185.22±24.78a172.63±29.50ab2-甲基丁酸丙酯27.72±3.11d31.65±2.30d40.96±6.44d69.63±1.04c139.79±23.68b156.12±18.82a丙酸-2-甲基-1-丁酯8.48±0.30a4.46±0.12b2.16±0.12bc-4.47±0.37b6.55±0.05b2-甲基丙酸-2-甲基丁酯--0.68±0.16b--1.43±0.02a2甲基-丁酸丁酯50.23±1.04c82.02±3.38c79.73±12.79bc119.17±6.91bc235.93±24.41ab246.65±8.13a丁酸-2-甲基丁酯11.88±1.25ab8.84±0.58ab7.81±2.53ab11.96±0.88ab24.73±3.55ab28.49±0.60a2-甲基丁酸-2甲基丁酯15.37±3.66c17.80±1.44c19.71±8.86c30.65±1.19bc71.78±6.80ab99.14±6.60a2-甲基-丁酸戊酯3.27±10.88d5.38±1.41c6.94±0.81c9.99±4.59bc16.31±0.46ab26.87±1.23a己酸-2-甲基丙酯1.36±0.12c1.00±0.01b1.68±0.27b2.02±1.17ab4.16±0.03ab5.78±0.58a戊酸-2甲基-丁酯0.49±0.03b-0.50±0.01b0.65±0.26b1.07±0.13ab1.56±0.13a2-甲基丁酸己酯138.23±21.60b144.31±49.22b177.76±20.13b222.48±10.17ab318.38±36.80ab410.44±5.01a己酸-2-甲基丁酯15.09±1.80b11.87±2.37b17.89±1.75b28.23±2.99ab39.78±5.72ab57.95±0.62a2-甲基-丁酸庚酯-1.24±0.34ab1.13±0.31ab1.43±1.88ab1.92±0.28a1.15±1.31ab庚酸-2-甲基-丁酯1.05±0.27b-0.94±0.18b1.40±0.08ab2.09±0.34ab2.76±0.18a辛酸-2-甲基丁酯1.65±1.00b3.26±0.58ab3.68±0.65ab2.87±0.36b4.52±1.02ab5.81±0.07a其他乙醇---0.76±0.24ab1.58±0.20a1.09±0.72ab1-丁醇7.65±0.04b6.67±0.43b6.25±0.04b7.59±0.47b12.78±1.04a12.81±1.07a2甲基-1-丁醇26.71±0.47b15.89±1.40b15.99±0.69b30.64±5.43b36.88±4.34a45.22±5.95a1-戊醇0.79±0.01cd0.43±0.01d0.44±0.05d0.82±0.05cd1.65±0.04a1.19±0.03ab1-己醇18.09±0.12c18.30±1.56c17.36±1.62c31.44±0.96b37.61±2.26a36.37±0.64a丁酸3.93±0.05bc1.66±0.05c2.10±0.56c3.25±1.13bc6.44±0.06a5.29±1.73ab2甲基-丁酸2.25±0.01d3.85±0.05bc3.78±0.13c5.52±2.28bc8.22±0.72b8.95±0.85a6-甲基-5庚烯-2-酮0.43±0.08c0.37±0.14c0.32±0.01c0.42±0.01c0.93±0.08b1.50±1.85aα-法尼烯47.02±3.91d447.69±47.19c639.20±117.01c822.48±1.49a723.78±141.02b796.38±34.91b

注:-表示未检测到;不同小写字母表示不同处理之间差异显著(P<0.05)(下同)。

表2 果体自留香气浓度
Table 2 Retention aroma concentration of fruit itself

香气物质货架期香气浓度/(μg/kg)0d5d10d15d25d直链脂肪酸酯乙酸乙酯--38.66±3.81a--丁酸乙酯--139.00±7.07b489.01±64.50a72.75±2.72bc乙酸丁酯133.77±14.71b172.53±39.69a49.83±35.47bc-12.52±5.27c乙酸戊酯12.26±3.41a9.28±0.63a14.56±5.91a13.34±4.95a6.96±0.84a己酸乙酯23.46±5.12bc14.87±1.15c14.56±0.23c28.71±.0.28a20.83±2.68bc乙酸己酯118.65±42.04a68.03±5.93b70.71±18.15b34.17±9.64b32.15±8.82b己酸丙酯15.13±1.57b15.54±0.22b15.10±2.77b28.85±3.19a19.14±1.50b己酸丁酯22.81±4.69ab22.40±0.93ab20.33±0.90ab26.50±6.31a21.32±0.62b丁酸己酯22.17±3.28ab22.61±0.49ab20.33±0.90c23.68±4.84a20.49±0.52c辛酸乙酯16.58±0.20a16.58±0.06a13.64±0.04a16.69±0.27a16.62±0.08a辛酸丙酯21.06±0.27a21.02±0.21a20.87±0.01a21.18±0.07a20.95±0.04a己酸己酯31.66±7.57a41.94±14.98a29.88±2.90a33.37±2.68a29.57±0.30a辛酸己酯25.60±1.94a28.10±4.20a24.61±0.43a23.98±0.27a23.91±0.22a

续表2

香气物质货架期香气浓度/(μg/kg)0d5d10d15d25d支链脂肪酸酯2-甲基丁酸乙酯7.04±1.27b2.51±0.39b114.67±39.63b691.75±116.72a148.56±28.68b乙酸-2-甲基-1-丁酯184.30±51.35ab197.54±69.76ab143.75±38.22bc113.44±16.45a71.42±24.72c2甲基丁酸丙酯0.59±0.00e13.69±3.79d26.89±0.00cd229.66±19.34a55.87±15.26b2-甲基丁酸丁酯38.94±8.86a29.55±2.17ab-31.93±0.15ab-丁酸-2-甲基丁酯5.99±2.01a6.81±0.54a4.10±1.23a7.94±0.43a9.75±1.07a2-甲基丁酸-2-甲基丁酯20.49±1.81ab18.09±1.91b18.71±3.52b31.58±13.54ab42.15±1.54a2-甲基丁酸甲酯--3.61±0.91b39.97±14.75a5.44±1.08b其他6-甲基-庚烯-2-酮50.18±7.57d56.27±7.03cd123.24±32.00bc246.21±6.42a174.94±22.33b1-丁醇389.62±56.33b1589.87±339.85a388.63±50.33b0.00±0.00b315.60±25.47b1-己醇455.10±87.83b372.69±103.65b472.82±70.62b739.59±145.18a267.80±45.18b己醛362.84±21.97a214.11±15.66b296.55±104.23ab132.53±126.64c-苯甲醛35.17±8.30b42.54±0.47b16.52±3.65bc63.86±17.46a40.61±1.53bα-法尼烯274.62±11.62b158.91±45.81b344.03±24.33b238.11±72.81b631.45±149.88aβ-法尼烯8.08±3.53ab4.33±0.23b7.99±0.33ab4.56±1.84b30.74±7.11a2-甲基丁酸483.10±148.69c144.91±71.37d1631.74±303.03b3309.36±495.00a695.60±120.02c2-甲基-1-丁醇2502.21±9.36b2462.64±600.90b2953.21±688.51b11387.47±359.78a3166.74±445.69bE-2-己烯醛744.51±458.39a359.67±9.69b434.85±46.20ab320.48±118.87b110.94±35.66b

2.1.3 支链脂肪酸酯

研究发现支链香气化合物是由其前体支链氨基酸(缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸)形成[15],且含有支链部分的酯类化合物的气味阈值明显低于相应的直链化合物,被认为是“水果味”嗅觉的更有力的刺激剂。在该富士苹果中检测到含量较高的支链脂肪酸酯类:2-甲基丁酸乙酯、乙酸2-甲基丁酯、2-甲基丁酸丙酯和2-甲基丁酸己酯,多为苹果味和甜味。这与EL等[16]报道富士苹果的特征香气主要为2-甲基丁酸乙酯、乙酸2-甲基丁酯和乙酸己酯相一致。同上,随着货架期延长,苹果逸散的大部分支链脂肪酸酯峰面积增加,而自留的支链香气浓度降低;2-甲基丁酸乙酯和2-甲基丁酸-2-甲基丁酯在2组之间均增加可能是亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸代谢酶的活性增加和前体物质醇类的变化造成[17],如2-甲基-1-丁醇浓度增加。

2.1.4 其他香气

本研究检测到香气物质除酯类以外,醛类、醇类较少且主要为C6醛和C6醇等。C6醛是氢过氧化物通过氢过氧化物裂解酶裂解形成,而C6醛被醇脱氢酶催化脱氢生成C6醇[17]。由表1、2得到两个处理组都检测到1-丁醇(果味、生青味)、1-己醇(生青味、辛辣味)、2-甲基-1-丁醇(酸味、刺激味)、6-甲基-5庚烯-2-酮(生青味、霉味、香蕉味)和α-法尼烯(油脂味、生青味)。在货架期15 d苹果逸散香气检测到乙醇,而在果体自留香气未检测到,这是由于乙醇易挥发到空气中,以致其浓度低于仪器最低检测限;β-法尼烯、E-2-己烯醛(鲜果味、生青味)、己醛(生青味、苹果味、柑橘清新味)和苯甲醛(坚果味、水果味)仅在果体自留香气检测到,可能是由于研磨过程中会破坏细胞导致酶促反应发生,从而生成醛和醇类化合物。ESPINO-DAZ等[1]测定苹果汁香气,发现己醛和E-2-己烯醛含量较高,与本实验结果一致。丁醇在苹果逸散和自留香气峰面积都较高,推测是由于亚油酸的C13氧化形成的酯分解为醇类。1-丁醇由脂肪酸的β-氧化合成,因此1-丁醇含量的增加也代表苹果香气合成底物脂肪酸的变化[17]。随着苹果货架期的延长,果体自留6-甲基-5-庚烯-2-酮峰面积持续增加,而E-2-己烯醛、己醛和苯甲醛的浓度下降。果体自留香气的α-法尼烯浓度在25 d与0 d相比有显著差异(P<0.05),表明25 d苹果香气质量较低。研究证实,苹果中α-法尼烯被氧化为共轭三烯,导致虎皮病的发生[18],而本实验苹果果体自留的α-法尼烯含量在25 d与0 d相比显著增加,表明25 d苹果香气质量较低。

2.1.5 电子鼻分析

电子鼻结合线性判别分析(linear discriminant analysis,LDA)能够对各贮藏期不同损伤程度苹果进行清晰地区分[19]。根据图3-a雷达图的结果,贮藏5 d时,WS1、WS2、WS4、WS5、WS8(主要对香气挥发性香气化合物较敏感)响应值较高,在15 d左右WS12和WS13(不好的气味主要包括油脂味、酒精味等劣质味物质的生成)最大,然后再下降。从电子鼻分析得到,不同货架期在LDA2上被区分,DI=91.42,证明该分析可靠,0、5 d LDA2<0,而10、20 d LDA2>0(图3-b)。因此,推断从10 d后苹果品质下降可能性增大。

a-雷达图;b-LDA结果

图3 电子鼻分析
Fig.3 Analysis of electronic nose

2.2 热图聚类分析

热图聚类分析进一步佐证了货架期对苹果逸散和自留香气影响。图4-a显示随着货架期延长,苹果逸散香气己酸丁酯、乙酸己酯、己酸己酯、丁酸己酯、己酸丙酯、丁酸乙酯峰面积增加,苹果花香和果香味大部分逸散到空气中,而丁酸丁酯和乙酸丁酯峰面积变化不明显;图4-b果体自留较多的直链酯乙酸己酯、乙酸丁酯和丁酸乙酯随着货架期延长不断下降。图4-a苹果中含量较多的支链脂肪酸酯有2-甲基丁酸乙酯、2-甲基丁酸己酯、乙酸2-甲基丁酯和2-甲基丁酸丙酯,这与图4-b结果相同。对于其他类香气,由图4-a可知,2-甲基-1-丁醇、1-己醇和1-丁醇在整个货架期期含量较高,且在10~15 d其香气峰面积达到最大;由图4-b可知,2-甲基-1-丁醇、1-己醇、己醛、E-2-己烯醛含量最高,且随着货架期的延长,其香气化合物总浓度不断增加。综上,热图聚类分析更直观地展示了苹果货架期逸散香气峰面积及自留香气浓度的变化规律,且与2.5结论一致。

a-苹果逸散香气;b-果体自留香气

图4 聚类分析热图
Fig.4 Heat map of cluster analysis

2.3 香气活度值分析

挥发性化合物对样品的贡献不仅取决于化合物的含量,还取决于其气味阈值。根据前人的研究,OAV>1被认为是样品的关键香气,而OAV>10则是最活跃的香气成分。表3表明苹果不同货架期OAV>1分别有11、11、13、14、11个香气组分,10、15 d苹果特征香气数量最多,25 d特征香气种类最少,间接反映10 d后苹果香气品质下降的可能性较大。己酸乙酯、2-甲基丁酸乙酯、乙酸2-甲基丁酯、丙酸乙酯、E-2-己烯醛、2-甲基-1-丁醇和α-法尼烯对香气贡献较大,在货架期间始终为特征性香气组分。张雅[20]得出富士苹果主要的呈香物质有乙酸丁酯、乙酸己酯、2-甲基-1-丁醇、己醇和己醛等。

表3 货架期苹果香气OAV
Table 3 OAV of apple aroma during shelf life

香气物质香气描述香气阈值/(μg/kg)OAVC1C2C3C4C5酯类丁酸乙酯苹果香,果香0.9(Giri,2010)--154.46543.3380.83乙酸丁酯水果香,苹果香58(Giri,2010)2.312.970.86-1.25乙酸戊酯油脂香,香蕉香43(Takeoka,1996)0.280.220.220.310.29己酸乙酯果香,菠萝香2.2(Giri,2010)10.666.766.6233.953.16乙酸己酯果香115(Takeoka,1996)1.030.590.610.300.18己酸丙酯果香,菠萝香------己酸丁酯果香,甜香700(Takeoka,1996)0.030.030.030.040.03丁酸己酯果香203(Pino&Mesa,2006)0.110.110.100.120.11辛酸乙酯果香,菠萝香19.3(Giri,2010)0.860.860.860.861.06辛酸丙酯果香,生青香------己酸己酯果香,酒香6400(Sugisawa,1991)-0.01-0.01-辛酸己酯果香,蜡质香------2甲基丁酸乙酯果香,苹果香0.063(Czerny,2008)111.5939.681820.1610980.162358.10乙酸-2-甲基-1-丁酯香蕉香,坚果香5(Takeoka,1996)36.8639.5128.7522.6914.282-甲基丁酸丙酯果香,甜香190.720.371.4212.092.942-甲基丁酸丁酯苹果香------2-甲基丁酸-2-甲基丁酯果香,菠萝香,油脂香75(Giri,2010)0.270.240.250.420.562-甲基丁酸甲酯甜香,果香0.25(Pino&Mesa,2006)--14.44159.8821.762-甲基丁酸己酯果香,甜香22(Takeoka,1990a)-----丙酸乙酯果香,菠萝香10(Pino&Mesa,2006)1.351.531.451.391.30醛类己醛生青香,苹果香5(Giri,2010)72.5742.8259.31307.30-苯甲醛果香,杏仁香3500.100.120.050.180.12E-2-己烯醛生青香,鲜果香8.2(Arena,2001)90.7943.8653.0387.8613.53醇类2-甲基-1-丁醇酸味,辛辣味140(Hellman&Small1973,1974)17.8717.5921.0981.3422.621-丁醇酒精味,辛辣味384(Dollnick,1988)1.014.141.01-0.821-己醇生青香,果香500(Giri,2010)0.910.750.951.480.54其他6-甲基-5-庚烯-2-酮油脂香,生青香18.89(Benzo,2007)2.662.986.5213.039.262-甲基丁酸奶酪香2200(Czerny,2008)0.220.070.741.500.32α-法尼烯生青香,油脂香87(Tamura,1999)3.161.833.952.747.26

注:香气气味阈值(以μg/L为单位)取自参考文献,在水中测定;同表内“-”表示无法计算或未查找到;C1~C5分别代表不同货架期(5~25 d)苹果香气OAV。

2.4 PLS-DA结果

为进一步分析货架期对苹果香气品质的影响,运用SIMCA p13软件,应用PLS-DA方法寻找货架期苹果逸散和自留香气的标志性香气物质。R2代表累计方差值,表示有多少原始数据被用来建立PLS-DA模型,数值越大则表示模型的解释能力越强,Q2代表累计交叉预测能力,数值与模型预测能力成正比关系,对苹果挥发香气建模发现R2X=0.885,R2Y=0.92,Q2=0.635,R2X-R2Y<0.3,代表该模型较可靠[21]。图5-a、图5-b显示不同货架期可被明显区分,其中0、5、10 d在图的右侧聚类,20、25 d在图的左侧聚类,且图5-b 15、20、25 d苹果中香气载荷图聚集紧密,认为10 d后苹果损失的香气物质增多,因此认为最佳货架期不超过10 d,这与理化和热图聚类分析一致。对果体自留香气建模得到R2X=0.966,R2Y=0.994,Q2=0.907,代表该模型可靠。由图5-c、图5-d得出苹果自留香气在不同货架期可被明显区分,0、5、10 d聚在右上侧和15、25 d聚在左下侧,香气载荷图分布也较为分散且均匀。

a~b苹果逸散香气PLS-DA得分及载荷图;c~d果体自留香气PLS-DA得分及载荷图;e~f VIP得分图

图5 PLS-DA结果
Fig.5 Results of PLS-DA

为获得PLS-DA模型下区分苹果货架期的关键差异性香气化合物以变量投影重要性(variable importance in projection,VIP)为标准,VIP>1为重要化合物,苹果逸散香气VIP>1的有2-甲基丁酸丙酯、乙酸丁酯、乙酸2-甲基丁酯、辛酸己酯、1-丁醇、丁酸乙酯、2-甲基-1-丁醇、2-甲基丁酸乙酯和-2-甲基丁酸;果体自留香气VIP>1的香气物质有1-丁醇、辛酸乙酯、E-2-己烯醛、辛酸己酯、α-法尼烯、苯甲醛、乙酸2-甲基丁酯。由OAV分析1-丁醇、E-2-己烯醛、α-法尼烯、乙酸2-甲基丁酯也认为是富士苹果的特征香气。苹果逸散和自留香气寻找的共有香气化合物1-丁醇(生青味、苹果味)、2-甲基-1-丁醇(辛辣、生青味)、乙酸2-甲基丁酯(苹果味、甜味),也被认为是区分不同货架期的潜在标志物。

2.5 理化指标测定

由图6-a所示,苹果失重率随着货架期延长持续增加,表明苹果水分损失,在25 d时苹果失重率达到最大且与0 d相比有显著差异(P<0.05)。当果实成熟时,果实的香气含量和乙烯释放量都达到最大[22],研究报道乙烯浓度对富士挥发性化合物释放有影响,两者呈线性正相关,相关系数为0.79(P<0.05)。图6-b乙烯释放速率在10 d后发生明显提高,可推测苹果香气释放量在10 d的变化是乙烯含量变化引起的。图6-c苹果可溶性固形物含量总体呈现先增加后降低的变化规律,这是因为果实为补充呼吸作用所消耗的能量,使果实淀粉转化成可溶性糖。在淀粉转化成糖不足以补充呼吸的消耗时,TSS便会逐渐下降[23]。PAN等[24]研究了蔗糖、葡萄糖和果糖对新鲜芒果汁中活性香气组分释放的影响,通过傅立叶变换红外和等温滴定热分析表明:随着糖含量增加,新鲜果汁中的香气释放会改变。图6-d苹果可滴定酸含量持续降低,这与张薇薇[25]研究报道一致。图6-e苹果呼吸速率在10和20 d时分别出现呼吸高峰和呼吸低峰,这与张雅[20]认为果实在21 d后的新陈代谢基本很弱的报道相一致。气调贮藏下苹果香气组分减少的原因是苹果的低呼吸速率导致能量代谢物如ATP和NADPH的降低,这些物质是脂肪酸途径合成香气化合物所必需的。图6-f表明货架期苹果果皮黄偏蓝b*和色差ΔE值无显著变化,果皮亮度L*和红偏绿a*值与0 d相比分别呈增加和降低的趋势。果皮的颜色变化可能是因为果皮蜡质组分损失造成的,而蜡质组分受苹果乙烯调节,因此乙烯的改变进一步影响了香气释放。货架期苹果基础理化指标也间接反映了苹果香气品质,为寻找苹果关键指示性香气提供基础数据信息。

a-失重率;b-乙烯释放速率;c-可溶性固形物;d-可滴定酸;e-呼吸速率;f-果皮色差值

图6 不同货架期苹果理化指标变化
Fig.6 Changes in physical and chemical indicators of apples at different shelf life

表4表明富士苹果硬度随着货架期延长持续降低,且15 d后的硬度与0、5、10 d有显著差异(P<0.05),而0、5、10 d之间无显著差异。果肉韧性随着货架期的延长呈先增加后降低的变化规律,且各个时期均有显著差异。25 d的果皮穿刺强度与5、10、15 d相比有显著差异。总之,质构特性变化表明10 d后苹果品质下降的可能性增大。

表4 苹果质构特性
Table 4 Texture properties of apple

时间果皮穿刺强度/MPa果皮韧性/(g·s)果实平均坚实度/g0d1.89±0.074b293.00±45.5e239.50±27.50a5d2.19±0.61a456.00±38.74b228.00±27.70a10d2.27±0.45a443.00±49.86c221.00±37.90a15d2.27±0.45a510.87±114.38a204.39±32.73b20d2.29±0.02a528.32±25.68a198.36±25.47b25d1.71±0.53b343.61±239.08d177.67±30.63c

2.6 理化指标与香气相关性

水果品质在很大程度上依赖于营养理化指标和挥发性化合物之间的相对平衡。因而图7显示苹果理化特性、逸散香气及自留香气三者之间有相关性。果实失重率与苹果逸散香气酯类、醇类、酸类呈显著正相关,而可滴定酸、可溶性固形物则与苹果逸散香气为负相关。乙烯和可溶性固形物可对其风味品质进行表征[5]。苹果逸散和自留香气也有一定相关性,苹果自留醛类与逸散酯类、醇类、萜烯类、酸类都为负相关,而苹果自留萜烯类与逸散香气酯类、醇类、酸类都为正相关。通过相关性分析证实香气指标作为货架期预测的关键指标是合理的。

图7 理化指标及香气相关性
Fig.7 Correlation between physical and chemical indexes and aroma

3 结论

本实验研究货架期对苹果逸散香气和果体自留香气的影响,并通过多元组学分析寻找差异性香气化合物。通过集气袋收集苹果逸散香气,利用GC-MS和电子鼻技术分析货架期苹果香气品质变化。研究发现原位集气袋采集到的货架期苹果逸散香气有47种,果体自留香气30种,其中OAV>1的特征性香气化合物共有14种。同时,通过PLS-DA建模分析寻找发现苹果逸散和自留香气物质中,共同VIP>1的包括1-丁醇、2-甲基-1-丁醇、乙酸2-甲基丁酯,这些香气物质可作为反映苹果货架期特征香气质量变化的潜在标志物。此外,苹果大部分逸散香气物质峰面积与自留香气浓度呈现负相关(P<0.05)。综合基础理化分析、SPME-GC-MS分析、电子鼻技术和PLS-DA建模得出,货架期10 d后苹果风味变差可能性增大。该研究可为苹果采后货架期苹果风味控制技术的研发提供理论依据。

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Designing in situ air collecting bag to detect apple aroma and predict its quality change

CAO Xiaomeng1,DU Guorong2,ZHAO Pengtao1,3,LIU Hui1,ZHAO Qinghao1,CHENG Chenyaqiong1,WANG Xiaoyu1,3*

1(College of Food Engineering and Nutrition Science,Shaanxi Normal University,Xi’an 710119,China)

2(College of Biological and Environmental Engineering,Xi’an Academy of Arts and Sciences,Xi’an 710065,China)

3(Engineering Research Center of High-Value Utilization of Western China Fruit Resources,Ministry of Education,Xi’an 710119,China)

ABSTRACT To establish a new apple quality evaluation standard and find the apple’s iconic aroma compounds,this paper collected the apple’s escaped aroma using a gas bag,and combined headspace solid-phase microextraction gas chromatography-mass spectrometry and electronic nose analysis technology to analyze the apple’s aroma compounds.Results showed that 47 aroma species were collected by in situ airbags,and the highest peak area values were hexyl 2-methyl butyrate,hexyl hexanoate,hexyl acetate,2-methyl butyl acetate,and 2-methyl butyl butyrate,however,the retention aroma of apple are 30 kinds.Analysis of odor activity value showed that the number of aroma compounds that played a major role in apples decreased with the increase in shelf life.Thermal map clustering analysis and partial least squares regression could be used to distinguish the shelf life according to the characteristic aroma changes,and 1-butanol,2-methyl-1-butanol,and 2-methyl-butyl acetate were screened as potential signature aromas by variable importance factor analysis.Electronic nose results showed that different shelf life in LDA2 could be distinguished significantly.This study provided a feasible method for the detection of aroma quality changes in apples during storage and circulation after harvest.

Key words shelf life;multivariate omics analysis;fruit retention aroma;the escaping aroma of apple;electronic nose analysis

DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.033528

引用格式:曹晓蒙,杜国荣,赵鹏涛,等.构建原位集气袋气相色谱质谱测定苹果香气并预测其品质变化[J].食品与发酵工业,2023,49(13):239-249.CAO Xiaomeng,DU Guorong,ZHAO Pengtao,et al.Designing in situ air collecting bag to detect apple aroma and predict its quality change[J].Food and Fermentation Industries,2023,49(13):239-249.

第一作者:硕士研究生(王晓宇教授为通信作者,E-mail:wangxiaoyu@snnu.edu.cn)

基金项目:陕西省重点研发计划-重点产业创新链项目(2020ZDLNY05-08);咸阳市科技局项目(2021ZDYF-NY-0021)

收稿日期:2022-09-03,改回日期:2022-10-08