木枣别名吕梁木枣、绥德木枣,俗称滩枣,是鼠李科枣属植物的成熟果实[1],主要分布于中国山西、陕西交界的黄河沿岸地区[2]。《本草纲目》曾记载:枣味甘、性温[3],能补中益气、养血生津[4]。现代医学研究表明,红枣具有提高人体免疫力[5]、预防心血管疾病[6]、保肝脏、延衰老、抗肿瘤等多种功效[7]。此外木枣在成熟过程中通过合成、积累和释放挥发性物质,形成深受欢迎的特征风味[8],同时果皮颜色由绿色变为黄色,再从半红变为红色。
木枣中含有诸多挥发性风味物质,其香气是各种挥发性成分以不同比例共同作用的结果,也是衡量水果风味和产品品质的重要指标之一[9-10]。王丽娜等[11]采用顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用(headspace solid-phase microextraction-gas chromatography-mass spectrometry,HS-SPME-GC-MS)分析技术对不同成熟期壶瓶枣、板枣和赞皇枣中的挥发性化合物进行分析,共鉴定出46种香气成分,其中己醛、(E)-2-己烯醛、(Z)-2-庚烯醛、(E)-2-壬烯醛等对鲜枣香气有较大贡献。SONG等[12]研究了红枣成熟的4个不同时期,表明醇类(2-乙基-1-己醇)、酸类(己酸、辛酸和正癸酸)和醛类[己醛、(E)-2-己烯醛、苯甲醛和壬醛]是最常见的香气化合物。
木枣是枣主产区山西栽培最广泛的品种。成熟期木枣兼有果香风味和甜爽口感特性,但与当地秋季阴连雨季重叠造成裂果现象,损失30%~60%。研究木枣生长期挥发性物质和口感变化规律,可为避开雨季提前采收拓展其深加工利用价值提供依据,并利于当地优质资源转变为经济优势。本研究以6种不同时期的木枣为样品,采用HS-SPME-GC-MS检测和感官评价相结合的方法研究挥发性物质,通过热图聚类分析、主成分分析(principal component analysis,PCA)、正交偏最小二乘法判别分析(orthogonal partial least squares-discriminant analysis,OPLS-DA)建立模型多元统计方法分析挥发性物质,并对感官描述与挥发性物质进行相关性分析,表明木枣果实香气形成机理,为木枣风味品质评价、食品加工利用提供理论支撑。
木枣采自山西省吕梁市临县碛口的枣园基地,采摘于2022年7月-9月份,包含了木枣的6个不同时期幼果期(S1)、膨大期(S2)、绿熟期(S3)、白熟期(S4)、半红期(S5)和全红期(S6),选取长势一致、生长发育良好的植株,随机采样并混匀。鲜枣大小均匀、果形正常、无病虫害及机械损伤。当日冷藏保鲜运回实验室,去核切碎置于-40 ℃冰箱保存。
SCIENTZ-10YD/A真空冷冻干燥机,宁波新芝生物科技股份有限公司;FA-1004B电子天平,上海佑科仪器仪表有限公司;FW100型粉碎机,天津市泰斯特仪器有限公司;EXPEC 5231气相色谱-质谱联用仪、EXPEC 216ASH自动进样器,杭州谱育科技发展有限公司;J&W DB-17 ms型毛细管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm),美国Agilent公司;PDMS/DVB/CAR萃取头(75 μm),上海新拓分析仪器科技公司。
1.3.1 样品的制备
将不同时期木枣进行冷冻干燥处理,粉碎机粉碎过80目筛,置于-40 ℃冰箱保存备用。
1.3.2 HS-SPME条件
精确称量不同时期的枣粉2 g,放入20 mL顶空瓶中密封,编号待检,每个样品平行测定3次。样品在60 ℃条件下插入萃取头,萃取40 min,将进样针插入GC-MS进样口,250 ℃解析180 s[13]。
1.3.3 GC-MS条件
气相条件:进样口温度250 ℃;升温程序:起始温度40 ℃保持3 min,以5 ℃/min升至120 ℃,以10 ℃/min升至200 ℃保留5 min。载气为氦气,流速1 mL/min,分流比10∶1[13]。
质谱条件:电子轰击离子源,电子轰击能量为70 eV,离子源温度230 ℃;全扫描模式;质量扫描范围45~550 m/z。
化合物定性以检索NIST 2011谱库进行对比,保留匹配度大于85%的化合物,样品均重复测定3次。
在感官实验室,约取5 g样品被随机放在白色的陶瓷杯中,随机呈现给由10位品评员组成的品评小组。试验前对品评员进行实验流程及感官评价等基本知识培训。参考国家标准GB/T 10221—2021《感官分析 术语》,感官评价的描述如表1所示。品评人员通过对木枣的气味和滋味的感官强度(青香、果香、脂香、甜香、苦味、涩味、酸味和甜味)进行评定[14]。要求品评人员根据1(低强度)~9(高强度)的点数对每个感觉描述进行量化和判断,闻香和品尝各3次并进行打分,每个木枣样品的感官数据取平均值[15]。
表1 感官评价的描述
Table 1 Description of sensory evaluation
感官评价指标描述感觉描述量化青香带有青草或青叶气息果香浓郁的果实成熟香气脂香浓郁的奶香气,有油脂类的香气甜香香气有甜感苦味咖啡因的稀水溶液产生的味道,有苦味涩味单宁酸的稀水溶液,有口腔或黏膜表面收缩,拉紧起皱的感觉酸味柠檬酸等的稀水溶液产生的味道甜味蔗糖的稀水溶液产生的味道,有甜味1-可识别2-有气味3-气味弱4-气味中等5-气味稍强6-气味强7-气味纯、浓厚8-气味浓郁9-气味极浓且丰富
使用Excel 2021进行数值计算;使用SPSS 21软件进行统计分析;使用Metabo Analyst (www.metaboanalyst.ca)进行PCA图绘制、进行OPLS-DA建立模型,变量重要性投影(variable importance in projection,VIP)与单变量分析的差异倍数(fold change,FC)结合分析并绘制VIP-FC图;使用chipolt(www.chiplot.online)绘制热图层次聚类分析;使用Origin 2022制作柱状图、色谱图和相关性图。
依照上述GC-MS条件对木枣挥发性成分进行检测,得出总离子流图如图1所示,经质谱解析,从木枣6个不同时期中共分离鉴定出121种挥发性成分。S1、S2、S3、S4、S5、S6样品中分别检测出49、54、56、59、60、73种挥发性物质,详见电子版增强出版附表1(https://doi.org/10.13995/j.cnki.11-1802/ts.038327)。
图1 S1~S6木枣挥发性物质的离子色谱图
Fig.1 Ion chromatograms of volatile substances in Muzao during S1-S6 periods
将附表1中物质进行分类及相对含量分析如图2所示。根据附表1与图2所示,木枣的不同时期挥发性物质中酯类40种、烷烃类20种、醛类19种、醇类18种、酚酮类14种和酸类11种。醛类、酯类和醇类是构成木枣香气的主要成分。S1和S2中醛类相对含量较高,分别为44%和49%,随着木枣成熟,醛类呈现逐渐下降的趋势。木枣中的醛类物质主要为己醛、己烯醛、庚醛、苯乙醛、4-乙基-2-己炔醛和壬醛。木枣中含有烯醛和炔醛,醛类的香气强度还与不饱和键有关,双键或三键可以增强香气[16]。随着成熟度的增加,酯类逐渐积累,S6中酯类相对含量最高为52%。己酸甲酯、3-己烯酸甲酯、己酸乙酯、辛酸甲酯、月桂酸甲酯和月桂酸乙酯,这些物质在酯类香气中贡献较大,形成木枣的果香[17]。酯类的香气与脂氧合酶有很大关系,随着果实的成熟,酶活性相应增加,从而促进果肉中挥发性酯类物质的合成[18]。S4中醇类相对含量最高为51%,木枣生长阶段醇类呈现先增加后减少的趋势。醇类香气成分主要来源于氨基酸的转化、脂肪酸氧化,是由醛进一步分解形成,大多具有令人愉快和圆润的香气特征[19]。在木枣成熟阶段变少可能是醇类物质参与酯的生成反应。
图2 S1~S6木枣挥发性物质含量的变化趋势
Fig.2 The change trend of volatile substance content in Muzao during S1-S6 periods
烷烃类、酸类和酚酮类在木枣中相对含量不高。木枣生长时期烷烃类相对含量是逐渐下降的趋势,其一般是无味的,对木枣的香气贡献不大[20];酸类物质呈现逐渐积累趋势,己酸、癸酸和辛酸呈现脂肪、奶酪味、柑橘味和酸味[21];酚酮类呈现降低的趋势,丁位十四内酯具有脂香味。脂肪酸在脂氧化酶作用下降解,氧化过程中生成酸类、酮类和其他中间体,易被枣中的其他酶转变为醇类和酯类等香味挥发物,所以其含量不高。
枣的成熟是复杂的过程,在成熟过程中内部化合物之间进行了转化合成,衍生出了各类挥发性物质。枣在生长成熟过程中,以脂肪酸、氨基酸、碳水化合物等作为前体物质经过一系列酶的转化形成醛类、酸类、酯类、酮类、醇类以及萜烯类化合物等[17]。乙烯的代谢与枣香气物质的形成有很大的关系,通过其合成代谢途径,生成呈果香型、酯香型和辛辣型的香气物质[22]。
2.1.1 不同时期木枣挥发性物质的热图、层次聚类分析和PCA
为了更直观地了解不同生长时期木枣挥发性物质的异同,对木枣检测出的121种挥发性成分的相对含量进行热图和层次聚类分析,如图3所示。热图中由蓝到红代表挥发性成分相对含量由低到高。由图3可知,S1、S2和S6分为一组,S3、S5和S4为另一组。其中S1和S2被分到同一支上、S3和S5被分到同一支上,这表示S1和S2、S3和S5的挥发性成分显著性差异不大,这可能与其有相近的醛类和醇类物质有关。S4、S6没有与其他的在相同的分支上,这可能是因为S4中醇类的含量高,S6中酯类含量高且种类多。
图3 S1~S6木枣挥发性物质的热图和层次聚类分析
Fig.3 Heatmap and hierarchical cluster analysis of volatile substances in Muzao during S1-S6 periods
为了更直观地分辨6个样品间的差异,对不同时期的挥发性成分进行PCA,PCA是一种常用的降维方法,可提供数据可视化[23]。如图4所示,PC1的贡献率为43.68%,PC2的贡献率为22.84%,累计贡献率为66.52%,远大于可信值60%,各样品组别相互离散、无交叉,足以反应不同时期的木枣的差异。图4中同一样品的数据点聚集程度相对较好,表明同一样品的重复性和稳定性相对较高。在PCA图中,样品之间距离近则代表差异小,距离远则代表差异明显。S1、S2和S3与S4、S5和S6在第一主成分上区分开,表示木枣在生长期与成熟期的差异明显。在第二主成分上,S1、S2、S6在负轴,S3、S4、S5在正轴,这与层次聚类分组具有一致性。
图4 S1~S6木枣挥发性物质的PCA
Fig.4 PCA of volatile substances in Muzao during S1-S6 periods
2.1.2 不同时期木枣的差异香气物质对比分析
通过OPLS-DA建立模型,为进一步了解不同生长时期的差异物质,基于OPLS-DA结果,将获得的多变量分析OPLS-DA模型的VIP与FC结合,筛选出不同生长阶段差异物质[24]。OPLS-DA建立模型解释变异数R2Y=0.991(P<0.005)、预测能力Q2=0.983(P<0.005),均>0.5,结果显示模型稳定可靠、预测能力好。
可变预测影响(VIP>1.0)已被应用于识别负责区分水果和蔬菜的主要香气差异物质,对S1与S2、S2与S3、S3与S4、S4与S5、S5与S6分别进行OPLS-DA,通过VIP值>1,P值<0.05筛选差异香气成分。再通过FC值计算,绘制代谢物含量差异动态分布图,标注其中上调和下调代谢物如图5所示。通过比较发现主要的差异物质有14种,为己酸乙酯、辛酸甲酯、月桂酸甲酯、月桂酸乙酯、癸酸甲酯、辛酸乙酯、壬醛、辛醛、苯乙醛、2-乙基己醛、己酸、乙基己醇、十一烷和2-戊基呋喃。木枣在生长初期的时候主要是醛类的积累,在S3、S4与S5转化过程中差异代谢物质最多,主要是酯类物质月桂酸甲酯、月桂酸乙酯、癸酸甲酯和己酸乙酯等的上调,乙基己醇和2-乙基己醛的下调。
a-S1 vs S2;b-S2 vs S3;c-S3 vs S4;d-S4 vs S5;e-S5 vs S6
图5 S1~S6木枣代谢物含量差异动态分布VIP-FC图
Fig.5 VIP-FC diagram of dynamic distribution of metabolite content difference of Muzao between S1-S6 periods
木枣在果实生长阶段主要是醛类挥发物质形成的青草香,在成熟阶段是酯类形成的果香味。木枣的香气形成涉及不同的合成途径,酯类物质的形成主要是由脂氧合酶(lipoxygenases,LOX)催化亚油酸或亚麻酸转化为氢过氧化物,过氧化氢裂解酶进一步将其还原为醛,在乙醇脱氢酶(alcoholdehydrogenase,ADH)的作用下醛降解生成醇类,通过醇酰基转移酶(alcohol acyl transferase,AAT)的催化最终生成酯类[25]。有研究表明了醛类物质与LOX活性有显著相关性[11]。氨基酸的代谢也是形成酯的途径,氨基酸通过转氨作用将支链醛酸,经脱羧或脱氢形成支链醇类,进而形成支链酯类。不同时期木枣的挥发性物质除受酶作用影响外,乙烯也起重要作用,如植物特有转录因子APETALA2/ethylene responsive factor(AP2/ERF)通过次生代谢、生物/非生物胁迫应答途径调控乙烯合成、色泽变化及香味形成等[22]。
通过对6个不同时期的木枣进行感官描述分析,汇总计算品评人员的打分情况绘制为雷达图。如图6所示,S1、S2和S3主要感官描述以涩味、酸味和青香为主,S4、S5和S6主要为甜味、脂香和甜香。随着木枣的逐渐成熟其风味由青草香转为果香、脂香,味道也由涩转甜,颜色也由绿色转白又变红。
图6 S1~S6木枣感官描述评分雷达图
Fig.6 Sensory description score radar chart of Muzao in S1-S6 periods
木枣的S1和S2在“酸味和涩味”较其他时期得分高,酸涩味可能与含有2-己烯醛和2-庚烯醛等醛类物质有关。S3和S4较其他时期在“青香”得分较高,较前期“酸、涩味”有所减弱,“果香和甜香”有所增加,己醛和己烯醛是枣中主要的呈青香的成分[12],可能是醇类物质的增加,沉香醇、乙基己醇、香茅醇使其具有柑橘香和果香味。与其他时期相比S5和S6在“脂香、果香和甜味”得分较高,这可能是得益于癸酸甲酯、己二酸二甲酯、癸酸乙酯和月桂酸甲酯和月桂酸乙酯等酯类在木枣成熟期的不断积累,使其呈现甜味、枣味有关。
以OPLS-DA可知,通过VIP值>1,P值<0.05筛选出的差异挥发性物质14种与感官评价的8种不同的响应值进行Pearson相关性分析。由图7可知,酸味和涩味与十一烷、辛醛和苯乙醛呈正相关,这可能是酸涩味与烷烃类和醛类物质有关,这与S1和S2时期醛类和烷烃类含量高对应,己醛和己烯醛表现出绿色、苦味[26]、苯乙醛表现为苦杏仁味;青香与2-乙基己醛与乙基己醇呈正相关,这可能是青香与醇类物质的含量有关,这与S3和S4时期醇类含量高对应,醇类物质1-戊烯-3-醇有果香味、乙基己醇有青草香、玫瑰味;果香、脂香、甜香和甜味与辛酸甲酯、辛酸乙酯、月桂酸甲酯、月桂酸乙酯和己酸呈正相关,这可能是木枣成熟期的香气与酯类物质的积累相关,这与S5和S6时期酯类的积累对应。
图7 S1~S6木枣感官分析与HS-SPME-GC-MS相关性热图
Fig.7 Sensory analysis and HS-SPME-GC-MS correlation heatmap of Muzao in S1-S6 periods
用HS-SPME-GC-MS共检测出121种化合物,醛、醇和酯类构成木枣主要的挥发性物质,聚类分析和PCA可以直观的区分出6种不同时期的木枣,通过OPLS-DA筛选出不同时期间的主要差异挥发性物质有14种,为己酸乙酯、辛酸甲酯、月桂酸甲酯、月桂酸乙酯、癸酸甲酯、辛酸乙酯、壬醛、辛醛、苯乙醛、2-乙基己醛、己酸、乙基己醇、十一烷和2-戊基呋喃。经过挥发性物质与风味的相关性分析,青草香、酸涩味与醛类和醇类,脂香、甜香和果味与酯类正相关。通过对木枣生长过程中主要的挥发性物质进行研究,可为避开雨季提前采收拓展其深加工利用价值提供依据,为不同时期木枣关键香气成分和木枣及其副产品的开发利用提供理论依据。想更准确的了解在木枣的成熟过程中,挥发性物质的转化机理原因,需要进一步研究木枣成熟过程中酶的作用和基因的调控机理。
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