不同温度下旋转锥体柱提取的菠萝皮挥发性成分差异性分析

杨鹏飞1,刘龑章1,孙正光2,吴薇1,尚紫博1,孔令棋1,孙海峰3*,毛多斌1*

1(郑州轻工业大学 烟草科学与工程学院,河南 郑州,450001)

2(江西中烟工业有限责任公司技术中心,江西 南昌,330096)

3(深圳烟草工业有限责任公司技术中心,广东 深圳,518100)

摘 要 采用GC-MS结合化学计量学和相对气味活度值(relative odor activity value,ROAV)分析旋转锥体柱(spinning cone column,SCC)不同温度下提取的菠萝皮挥发性成分,探究温度对SCC提取菠萝皮挥发性成分的影响。结果表明,60、80、100 ℃条件下SCC从菠萝皮中分别提取出58、95、85种挥发性成分;主成分分析(principal component analysis,PCA)证明SCC不同温度提取的菠萝皮挥发性成分种类及相对含量存在显著差异,正交偏最小二乘法判别分析(orthogonal partial least squares-discriminant analysis,OPLS-DA)结合变量投影重要性值(variable importance in projection,VIP)以及ROAV确定了17种关键差异香味成分,分别为橙花叔醇、香叶醇、丙位庚内酯、菠萝酸甲酯、菠萝酸乙酯、异戊醇、乙酸苯乙酯、苯乙醇、4-辛烯酸甲酯、2-甲基丁酸甲酯、2-甲基丁酸乙酯、香茅醇、芳樟醇、己酸甲酯、4-萜烯醇、(+)-柠檬烯和α-松油醇,Pearson相关性分析表明其中大多与果香成正相关,与香草-焦糖香和豆香呈负相关。该研究结果为SCC在菠萝特征风味香料的开发和应用提供了参考,为其他水果香料的开发提供了新的思路。

关键词 旋转锥体柱;菠萝皮;挥发性成分;温度;差异

菠萝(pineapple),凤梨科凤梨属植物,去皮后以水果或加工为果汁、罐头、蜜饯等形式食用[1],由于具有新鲜诱人的独特风味深受消费者喜爱。据统计,菠萝生产消费过程中每年约产生30亿t的废弃物[2],这些废弃物常通过填埋形式处理,会造成环境污染和资源的浪费[3]。占废弃物30%~40%的菠萝果皮是提取蛋白酶、黄酮、半纤维素多糖,酿制果酒果醋和生产甲烷等的原料[4-9];此外有研究表明,菠萝皮中也含有大量的挥发性成分,魏长宾等[10]研究发现金菠萝果皮含有丰富的萜烯类、酯类和醇类化合物;郑华等[11]发现菠萝果皮中含有丰富的酯类化合物,其中己酸甲酯含量最高。因此研究菠萝果皮挥发性成分可丰富菠萝果皮的利用和菠萝香气的研究。目前菠萝挥发性成分的提取大多采用固相微萃取技术[10,12],但存在纤维涂层吸附容量小、易过载且重复性较差等问题[13];水蒸汽蒸馏等传统方法因长时间高温加热造成热敏挥发性成分发生变化,具有提取率低、产物香气失真等缺点[14]。因此,亟需开发低温提取菠萝皮挥发性成分且能够工业应用的新技术。

旋转锥体柱(spinning cone column,SCC)是一种液-气接触萃取技术[15],通过高速旋转增大蒸汽与原料的接触面积,提高热质传递效率,进而有效缩短提取时间,且温控范围较大,具有提取效率高、用时短、产物香气逼真等优点[16-17],SCC已在食品、饮料和香水等行业取得应用[18-21]

基于此,本研究通过SCC提取菠萝皮中的挥发性成分,并设置不同提取温度(60、80和100 ℃),利用GC-MS分析不同温度提取的挥发性成分,通过化学计量学筛选差异挥发性成分,进一步结合相对气味活度值(relative odor activity value,ROAV)明确不同温度的关键差异香味成分,旨在探究温度对SCC提取菠萝皮挥发性成分的影响,为SCC在菠萝特征风味香料开发和应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

菠萝(香水,海南产),市售,取其果皮,洗净;二氯甲烷,色谱纯,山东禹王和天下新材料有限公司;C6~C30正构烷烃标准品(≥99.6%),北京百灵威科技有限公司。

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;DLSB-5-20低温冷却液循环泵,郑州长城科工贸有限公司;HH-S2数显恒温水浴锅,江苏金怡仪器科技有限公司;PL203电子天平,梅特勒-托利多公司;YL-1000L旋转锥体柱蒸馏装置,山东潍坊梨园食品机械有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 SCC提取

60/80/100 ℃提取:将40 kg菠萝皮粉碎,加入80 kg软水,均匀搅拌后打入SCC设备的储料罐中,经原料系统预热(55/75/95 ℃)后,从锥体顶部进入蒸馏塔内,设定锥体内提取温度为60/80/100 ℃,主塔内效率保持7%,原料供给流量500 kg/h,挥发性成分经塔顶部冷凝系统冷凝后收集,残渣从主塔底部排除。

1.3.2 感官评价

参考马宁原等[22]的感官评价方法结合《香精制备技术》[23]中菠萝香精香韵评价样品中果香、香草-焦糖香、豆香、酒香、酸香和蔬菜香的强度。由11名研究生(6男5女)提前培训,并通过嗅觉测试后进行感官评价。将提取得到的3种菠萝皮提取液经无序编号后进行感官评价,香气强弱采用十分制,0~9代表从没有到极强,最终用11人的平均分数代表样品中各香气属性的强度。

1.3.3 GC-MS分析

分别取SCC在不同温度下提取得到的精油1 mL,加入50 μL 2,6-二氯甲苯内标溶液(0.645 4 mg/mL)后通过GC-MS进行挥发性成分分析,每个样品平行测定3次,以“平均值±标准差”表示。

色谱条件:Agilent 122-7062 DB-5MS毛细管柱(60 m×250 μm×0.25 μm);进样口温度:280 ℃;载气:99.999%高纯度氦气,流速:1.0 mL/min;分流比为1∶1,进样量1.0 μL。升温程序:初始温度为40 ℃,保持0 min,以1.5 ℃/min的升温速度升至140 ℃,保持5 min,以3 ℃/min升至200 ℃,保持0 min;以4 ℃/min升至250 ℃,保持0 min结束。

质谱条件:采用SCAN模式,传输线温度280 ℃;离子源温度为230 ℃;四极杆温度为150 ℃;离子源为XTR-EI源,电子能量为70 eV;溶剂延迟时间为8 min;扫描范围:35~700 amu。

1.3.4 定性分析

NIST 20谱库检索结合保留指数(retention index,RI)定性。基于正构烷烃的保留时间,计算各化合物的保留指数,与文献中的保留指数进行比较[NIST网站(National Institute of Standards and Technology)(webbook.nist.gov)查询]。保留指数计算如公式(1)所示:

(1)

式中:n为正构烷烃碳原子数;tnt(n+1)分别为对应正构烷烃的保留时间;t为各挥发性化合物的保留时间(tn<t<t(n+1))。

1.3.5 定量分析

以2, 6-二氯甲苯为内标,采用内标半定量法计算各组分的相对含量。

1.3.6 ROAV分析

参考牛云蔚等[24]方法计算菠萝皮挥发性成分的ROAV。对样品风味贡献最大的组分定义为ROAVmax=100,其余各化合物ROAV计算如公式(2)所示:

(2)

式中:Ci为各挥发性化合物的相对含量,μg/kg;Ti为各挥发性化合物的阈值,μg/kg;Cmax为对菠萝皮香气贡献值最大的挥发性化合物所对应的相对含量,μg/kg;Tmax为对菠萝皮香气贡献值最大的挥发性化合物所对应的阈值,μg/kg。

1.4 数据分析

差异显著性分析和Pearson相关性计算通过SPSS 22.0统计软件完成;感官评价雷达图、主成分分析(principal component analysis,PCA)和Pearson相关性热图通过Origin 2022软件绘制;正交偏最小二乘判别分析(orthogonal partial least squares discriminant analysis,OPLS-DA)采用SIMCA 14.1软件完成;R语言绘制聚类热图。

2 结果与分析

2.1 不同温度下SCC提取的菠萝皮挥发油感官评价

图1为3个温度下SCC提取的菠萝皮挥发性成分的香气轮廓图,包括6个属性(果香、香草-焦糖香、豆香、酒香、酸香和蔬菜香)。由图1可知,不同温度下制备的样品香气属性不同,说明其所含的挥发性成分种类和含量有较大差异。果香、酒香和蔬菜香随着温度升高呈现先升高再降低的趋势,80 ℃表现最强。豆香随着温度升高而逐渐增强,在100 ℃时表现最强。

图1 不同温度下SCC提取的菠萝皮挥发性成分感官评价雷达图
Fig.1 Radar chart of sensory evaluation of volatile compounds in pineapple peel extracted by SCC with different temperatures

2.2 不同温度下SCC提取的菠萝皮挥发性成分分析

利用GC-MS对不同温度下SCC提取的菠萝皮挥发性成分进行定性、定量分析,结果如表1和表2所示。3个样品共鉴定出105种化合物,其中醇类30种、醛类8种、酮类6种、酸类7种、酯类27种、萜烯类14种和烷烃类13种。不同提取温度下菠萝皮挥发性成分种类有所不同,主要为酯类和萜烯类化合物,60 ℃下提取的挥发性物质数目最少,共58种,80 ℃下提取的挥发性物质数目最多,共95种,100 ℃下共检测出85种。

表1 不同温度下SCC提取的菠萝皮挥发性物质分析
Table 1 Analysis of volatile compounds in pineapple peel extracted by SCC with different temperatures

化合物RI文献RI阈值/(μg/kg)相对含量/(μg/kg)ROAV60 ℃80 ℃100 ℃60 ℃80 ℃100 ℃P值VIP值异戊醇729729807.385±1.20430.256±1.0789.958±0.5665.59913.1726.3220.0002.1952-庚醇903900650.702±0.0782.058±0.203—0.6551.1030.0000.0000.654桉叶油醇1 0321 03230.790±0.013—2.678±0.13815.96145.3390.0000.7592,2-二甲基辛醇1 0460.908±0.0200.747±0.1290.683±0.1410.1940.164芳樟醇1 0981 095100.924±0.021—9.433±0.1325.60547.9110.0001.462苯乙醇1 1161 11245—5.184±0.1221.397±0.1024.0121.5770.0001.000E-对薄荷-2,8-二烯醇1 139——2.368±0.1480.0000.7463,6-亚壬基-1-醇1 1501 1563—0.957±0.0880.258±0.04311.1104.3680.0000.426壬醇1 1761 17486—0.459±0.035—0.1860.0000.3224-萜烯醇1 1831 1895902.733±0.5121.689±0.00912.648±0.7770.2810.1001.0890.0001.5792-壬烯-1-醇1 188—0.043±0.002—0.0000.098α-松油醇1 1971 1903302.472±0.0250.813±0.01511.476±0.6240.4540.0861.7660.0001.541

续表1

化合物RI文献RI阈值/(μg/kg)相对含量/(μg/kg)ROAV60 ℃80 ℃100 ℃60 ℃80 ℃100 ℃P值VIP值香茅醇1 2251 227502.442±0.1549.360±0.3397.582±0.2182.9626.5207.7020.0001.1131,2-辛二醇1 230——2.641±0.1570.0000.785香叶醇1 2521 2497.512.366±0.5310.780±0.1100.367±0.090100.0003.6222.4850.0001.535柠檬烯二醇1 350——10.748±0.2590.0001.588十四醇1 493—1.236±0.0481.138±0.1250.0000.484橙花叔醇1 5651 558106.756±0.4310.975±0.0061.537±0.09440.9753.3967.8060.0001.045桉油烯醇1 5791 5900.690±0.1032.406±0.096—0.0000.7123,7,11-三甲基十二醇1 5961.563±0.3360.546±0.0120.257±0.0270.0010.474绿花白千层醇1 6231 6120.762±0.1241.113±0.1271.108±0.1860.0910.226红没药醇1 6921 6911.020±0.0391.773±0.0441.235±0.0580.0000.377金合欢醇1 719—0.435±0.0862.738±0.0350.0000.765棕榈醇1 8781 88011.430±0.9912.258±0.3993.064±0.5310.0001.3122-甲基十六醇1 8902.238±0.5340.513±0.160—0.0010.627硬脂醇2 0362 0394.935±0.3061.086±0.1601.436±0.0640.0000.854香紫苏醇2 071—0.069±0.013—0.0000.123二十醇2 079—1.752±0.0331.661±0.0370.0000.583二十一醇2 0899.330±0.4202.301±0.0292.674±0.3190.0001.166二十二醇2 0955.094±0.7322.088±0.0781.134±0.1650.0000.843壬醛1 1071 107230—0.372±0.0900.482±0.0620.0560.1060.0010.290(Z)-6-壬烯醛1 1603.6—0.249±0.015—2.4090.0000.2372-癸烯醛1 2381 234—0.006±0.002—0.0030.036(Z)-柠檬醛1 2451 23930—1.068±0.0770.595±0.0291.2401.0070.0000.433香叶醛1 2701 27140—0.931±0.062—0.8110.0000.459(E)-2-十一烯醛1 3641 361320—0.852±0.193—0.0930.0000.430月桂醛1 4131 414330.735±0.0690.252±0.0120.683±0.0641.3510.2661.0510.0000.313桃醛1 5471 5561100.723±0.0540.570±0.0492.599±0.1930.3990.1801.2000.0000.6803-羟基-2-丁酮70871314—2.655±0.040—6.6050.0000.7754-甲氧基-2,5-二甲基-3(2H)-呋喃酮1 0581 056161.083±0.0241.680±0.0361.017±0.0154.1053.6573.2280.0000.380菠萝酮1 0901 096300.012±0.0030.009±0.0010.008±0.0010.0240.0100.0140.1680.022二氢-4-羟基-2(3H)-呋喃酮1 1631 15345.212±1.01215.459±0.5268.833±0.1240.0002.601α-香附酮1 8085.034±0.2251.374±0.0910.841±0.1240.0000.890圆柚酮1 8151 8021 0001.950±0.2950.294±0.0910.341±0.0530.1180.0100.0170.0000.561丁酸8198221702.421±0.3022.901±0.0390.433±0.0510.8640.5940.1290.0000.734辛酸1 1801 18650—3.396±0.2100.415±0.0322.3650.4220.0000.8422-酮丁酸1 3034 590 00038.120±1.4420.285±0.015—0.001<0.0010.0002.752香叶酸1 3542.952±0.105——0.0000.766正癸酸1 3731 371130—3.393±0.295—0.9090.0000.8732-乙基丁酸1 43093—0.507±0.0850.326±0.0680.1900.1780.0010.293棕榈酸1 9651 9584.644±0.2953.324±0.3251.054±0.1170.0000.826丁酸甲酯685685901.119±0.1801.614±0.0391.847±0.0360.7540.6251.0420.0010.356异丁酸乙酯75275657—0.252±0.042—0.1540.0000.236乙酸异丁酯766764—0.156±0.0030.102±0.0050.0000.1662-甲基丁酸甲酯7797704.44.446±0.14712.634±0.1157.128±0.31561.284100.00082.2810.0001.239丁酸乙酯80380318—0.358±0.0560.677±0.0710.6931.9100.0000.3502-甲基丁酸乙酯84684518—7.840±0.1821.637±0.06215.1694.6190.0001.249乙酸异戊酯87687694—0.825±0.1661.253±0.0220.3060.6770.0000.473甲硫基乙酸甲酯909—7.459±0.1502.155±0.1220.0001.194己酸甲酯924925700.825±0.0152.002±0.0525.875±0.1030.7150.9964.2630.0001.019甲硫基乙酸乙酯98425—2.902±0.2051.831±0.0774.0433.7200.0000.715己酸乙酯1 0009981—1.927±0.1371.122±0.01567.11156.9870.0000.582菠萝酸甲酯1 0251503.624±0.21735.928±1.53416.670±1.1011.4658.3425.6440.0002.428乙酰乙酸甲酯1 038—0.307±0.0612.743±0.2980.0000.7763-羟基己酸甲酯1 0521 049—4.776±0.1493.651±0.1540.0000.928

续表1

化合物RI文献RI阈值/(μg/kg)相对含量/(μg/kg)ROAV60 ℃80 ℃100 ℃60 ℃80 ℃100 ℃P值VIP值2,3-丁二醇二乙酸酯1 068—0.047±0.0050.233±0.0120.0000.221甲酸辛酯1 0730.687±0.0300.619±0.1520.266±0.0320.0080.2852-甲基戊酸甲酯1 0880.717±0.0150.889±0.0816.103±0.2310.0001.115菠萝酸乙酯1 101300—15.565±0.680—1.8070.0001.8754-辛烯酸甲酯1 1251 120200—30.704±1.0936.644±0.1355.3471.6870.0002.468丙位庚内酯1 19352010.468±1.2244.135±0.3422.803±0.1741.2210.2770.2740.0001.182乙酸苯乙酯1 2561 26020—7.929±0.3480.601±0.03813.8071.5260.0001.306癸酸甲酯1 3254.3—0.544±0.0471.234±0.0354.40614.5760.0000.482乙酸橙花酯1 3591 35842—0.537±0.0540.307±0.0660.4450.3710.0000.304乙酸香叶酯1 3791 377150—0.283±0.0430.220±0.0240.0660.0740.0000.224癸酸乙酯1 3961 39620—0.421±0.018—0.7330.0000.308γ-癸内酯1 4701 4651—0.225±0.006—7.8360.0000.226异戊酸香叶酯1 836—0.283±0.044—0.0000.251苯乙烯893903507.995±0.50111.725±0.3049.143±0.2219.6988.1679.2880.0000.829α-蒎烯93293135—0.574±0.0370.631±0.0350.5710.9160.0000.347β-蒎烯97797736 100—0.267±0.0121.274±0.133<0.0010.0020.0000.514月桂烯99098816.61.578±0.0300.430±0.0230.622±0.0375.7650.9021.9030.0000.4591,3,8-对薄荷三烯1 00639.3——0.466±0.0110.6020.0000.331(+)-柠檬烯1 0291 028342.433±0.1323.466±0.17466.942±3.4764.3403.550100.0000.0003.878樟脑1 1721 178140——0.706±0.0550.2560.0000.405十三烯1 2901 289—0.279±0.0180.503±0.0920.0000.299α-古巴烯1 3761 385——0.320±0.0140.0000.274二氧化萜二烯1 4490.870±0.0720.025±0.0080.690±0.0640.0000.407十五烯1 4861 4881.167±0.1531.094±0.0530.574±0.0140.0010.350石竹素1 5881 5945 5002.844±0.3672.455±0.0120.233±0.0090.0310.0160.0020.0000.745十七烯1 6504.932±0.2561.390±0.0131.579±0.0320.0000.828十九烯1 9386.936±0.5560.493±0.0240.478±0.0410.0001.133十二烷1 2051 2000.960±0.1552.950±0.1754.658±0.0530.0000.8232,6,11-三甲基十二烷1 2821 2751.926±0.1730.374±0.0701.438±0.0620.0000.5372-甲基十一烷1 2880.738±0.095——0.0000.380十四烷1 4011 4001.254±0.2790.431±0.0200.641±0.0330.0060.363十五烷1 4981 5007.560±0.1883.473±0.3024.850±0.2570.0000.845十六烷1 6031 6003.222±0.1081.055±0.1542.355±0.1880.0000.627十七烷1 7021 7002.121±0.2750.601±0.0220.894±0.0230.0000.5213-甲基十七烷1 7722.481±0.3410.325±0.0150.855±0.0370.0000.613十八烷1 7971 8005.550±0.6941.844±0.1311.684±0.0410.0000.862十九烷1 9031 9004.308±0.5121.228±0.1571.577±0.1470.0000.750二十烷1 9962 0005.703±0.3991.804±0.1522.336±0.0250.0000.8493-甲基二十烷2 0631.995±0.5730.473±0.007—0.0020.588二十一烷2 1032 1005.829±0.7411.831±0.1373.126±0.1580.0000.830

注:(1)嗅觉阈值查询于《化合物香味阈值汇编》及https://www.vcf-online.nl/OFTVCompoundSearchResult.cfm,空白表示未查出;(2)RI为DB-5 ms色谱柱通过正构烷烃(C6~C30)测定计算得到的保留指数;(3)文献RI为NIST网站(National Institute of Standards and Technology)(webbook.nist.gov)查询得到的保留指数,空白表示未查出;(4)3组不同温度提取试验所测定物质的平均含量±标准偏差,“—”表示未检出;(5)空白表示无法计算ROAV值;(6)VIP值(variable importance projection value,变量投影重要性值)。

表2 不同温度下SCC提取的菠萝皮挥发性成分数量及含量
Table 2 The number and contents of volatile compounds in pineapple peel extracted by SCC with different temperatures

类别60 ℃80 ℃100 ℃数量相对含量/(μg/kg)数量相对含量/(μg/kg)数量相对含量/(μg/kg)醇类1974.5402570.8972490.220醛类21.45884.344.359酮类553.291621.471511.04酸类448.137613.80642.228酯类721.88627141.1612265.102萜烯类828.7551122.1981484.161烷烃1343.6471216.3891224.414总计589585

不同温度下SCC提取的挥发性成分含量也存在差异,80 ℃下提取的挥发性物质总量明显高于另外2个温度,在提取过程中有效保留了菠萝皮的挥发性成分。如表2所示,醇类物质的相对含量为70.897~90.220 μg/kg,3个样品间该类物质含量差异不明显。其中,80 ℃样品中相对含量较高的醇类物质有异戊醇、苯乙醇和香茅醇,可赋予样品酒香和花香,但该类成分由于阈值较高,对风味的贡献较小[25-26];醛类物质的相对含量为1.458~4.359 μg/kg,随着提取温度的提高该类成分呈现先增高后持平的趋势,80 ℃样品中该类物质的种类和含量都得到有效提取,尽管该类物质的含量较少,但可增加样品的果香、甜香[27];酮类物质的相对含量为11.040~53.291 μg/kg,呈现减少的趋势,3-羟基-2-丁酮能够增加80 ℃样品甜的香草气息,菠萝酮是菠萝最基本的香气成分,构成了菠萝果香、甜香和焦糖香[23],在高浓度时是强烈的焦糖香,低浓度是令人愉快的菠萝香,4-甲氧基-2,5-二甲基-3(2H)-呋喃酮有类似雪利酒的香气[23];酸类物质的变化趋势与酮类成分一致,2-酮丁酸具有焦糖样香味;酯类物质的相对含量为21.886~141.161 μg/kg,随提取温度的升高呈现先增高后减小的趋势,酯类物质作为菠萝香气的主要香气成分,其中80 ℃样品中2-甲基丁酸甲酯、2-甲基丁酸乙酯、甲硫基乙酸甲酯、己酸甲酯、己酸乙酯、菠萝酸甲酯和菠萝酸乙酯多呈现甜香和果香[28],赋予菠萝果实“菠萝味”特征,对菠萝香气有重要影响,具有热带水果香气的2-甲基丁酸甲酯在不同温度品中含量虽较低,但由于其阈值较低,对菠萝香气形成贡献较大,是菠萝的关键风味物质[10];萜烯类和烷烃类物质随提取温度的升高呈现先减小后增加的趋势。

2.3 不同提取方式挥发性化合物的差异分析

为分析不同温度下SCC提取的菠萝皮中挥发性成分的差异性,明确不同温度下提取的关键差异香味成分,本研究采用PCA、OPLS-DA和ROAV对3种菠萝皮挥发性成分进行差异性分析。

PCA结果如图2所示,PC1的贡献率分别为58.9%,PC2为36.9%,累计贡献率为95.8%,能有效反映样品的整体信息。3个温度下提取的挥发性成分距离较远,具有明显的区域分布特征,而同一温度下的样品有重叠或距离较近,重现性较好,说明不同温度下SCC提取的菠萝皮中挥发性成分之间存在明显差异,温度能影响SCC提取菠萝皮中挥发性成分的组成。

图2 不同温度下SCC提取的菠萝皮挥发性化合物的PCA图
Fig.2 PCA plot of volatile compounds of pineapple peel extracted by SCC with different temperatures

为明确不同温度下提取的样品中差异挥发性成分,以105种挥发性化合物为自变量,不同提取温度为因变量,进行OPLS-DA。如图3-a所示,3个温度提取样品差异明显,为0.999,Q2为0.998,因自变量R2和预测指数Q2均大于0.5,说明该模型对不同温度提取的菠萝皮挥发性化合物具有较好的鉴别能力[29]。图3-b为该模型200次质量交叉验证检验结果,模型的预测指数Q2Y轴相交于负半轴,其截距为-0.604,说明该模型拟合有效,不存在模型过拟合[30],可用来鉴别不同提取温度下的菠萝皮挥发性化合物差异。

a-不同提取温度下挥发性化合物的OPLS-DA得分图;b-模型置换检验图

图3 不同提取温度下挥发性化合物的OPLS-DA得分图与模型置换检验图
Fig.3 OPLS-DA score plot and permutation test of volatile compounds in pineapple peel extracted by SCC with different temperatures

VIP值能筛选出不同温度下SCC提取的菠萝皮差异挥发性化合物,通常认为VIP>1可作为解释区分不同样本中物质的差异性化合物[31]。ROAV具有量化挥发性成分对总体香味贡献程度的功能,进而确定关键香味化合物,若某化合物ROAV>1表明其对样品整体风味有贡献,为样品关键香味化合物[32],ROAV越大其对总体香味的贡献度越大。因此,以P<0.05,VIP>1和ROAV>1为标准[31],筛选不同温度下SCC提取的菠萝皮关键差异香味成分。由表1可知,共筛选出17种关键差异香味成分,分别为香叶醇、橙花叔醇、菠萝酸甲酯、菠萝酸乙酯、异戊醇、乙酸苯乙酯、苯乙醇、4-辛烯酸甲酯、2-甲基丁酸甲酯、2-甲基丁酸乙酯、丙位庚内酯、香茅醇、芳樟醇、己酸甲酯、4-萜烯醇、(+)-柠檬烯和α-松油醇。

为了更好地区分不同提取温度下样品间挥发性成分的差异,对以上17种成分进行聚类分析,结果如图4所示。从聚类结果可以看出,17种关键差异香味成分能够将不同温度提取的菠萝皮样品分为三类,60 ℃提取的香叶醇和橙花叔醇含量较高,具有花香和果香,丙位庚内酯能够赋予样品香草-焦糖香,对样品的整体风味具有重要贡献作用;80 ℃样品中菠萝酸甲酯、菠萝酸乙酯、4-辛烯酸甲酯、2-甲基丁酸甲酯和2-甲基丁酸乙酯含量较高,具有菠萝似香气,异戊醇、乙酸苯乙酯、苯乙醇、香茅醇可以赋予样品酒香、花香和果香;100 ℃精油样品则芳樟醇、己酸甲酯、4-萜烯醇、(+)-柠檬烯和α-松油醇含量较高,均具有花香和果香。

图4 不同温度下SCC提取的菠萝皮关键差异香味成分聚类热图
Fig.4 Cluster heatmap of key differential aroma compounds in pineapple peel extracted by SCC with different temperatures

2.4 不同温度下提取的样品香气属性与关键差异香味成分的相关性分析

为探究不同温度下制备的样品感官评价结果与关键差异香味成分之间的关系,对17种关键差异香味成分的相对含量结合感官评价结果进行Pearson相关性分析(图5)。Pearson相关性分析结果表明,果香与(+)-柠檬烯、2-甲基丁酸甲酯、2-甲基丁酸乙酯、4-辛烯酸甲酯、菠萝酸甲酯和菠萝酸乙酯呈极显著正相关,与己酸甲酯呈显著正相关;香草-焦糖香与多数香气化合物呈负相关,但与丙位庚内酯呈极显著正相关;豆香与多数化合物呈负相关,与丙位庚内酯呈显著正相关;酒香与异戊醇呈极显著正相关,与2-甲基丁酸甲酯和2-甲基丁酸乙酯显著正相关;酸香与多数香气化合物呈负相关,与苯乙醇和乙酸苯乙酯呈显著负相关;蔬菜香与菠萝酸甲酯和菠萝酸乙酯呈极显著正相关。这17种挥发性成分相互协同或拮抗共同影响了菠萝挥发油的香气特征,大多数挥发性成分与果香呈正相关,与香草-焦糖香和豆香负相关,其中酯类和萜类化合物是影响菠萝皮果香强度最主要的挥发性成分。

图5 感官评价和关键差异香味成分Pearson相关性热图
Fig.5 Pearson correlation heatmap of sensory evaluation and key differential aroma components

注:*代表差异显著(P<0.05);**代表差异极显著(P<0.05)

3 结论

本研究采用旋转锥体柱技术在不同温度下提取菠萝皮中挥发性成分,通过感官定量描述、GC-MS、化学计量学和ROAV等分析方法研究不同温度下提取的菠萝皮样品的差别,探究温度对SCC提取菠萝皮挥发性成分的影响。结果表明:60 ℃提取的样品呈现较强的香草-焦糖香,80 ℃样品表现出较强的果香、蔬菜香和酒香。3个样品共鉴定出105种化合物,其中醇类30种、醛类8种、酮类6种、酸类7种、酯类27种、萜烯类14种和烷烃类13种。60 ℃下提取的挥发性物质数目最少,共58种,酮类和醇类物质含量较高,80 ℃下提取的挥发性物质数目最多,共95种,酯类物质的含量较高,100 ℃下共检测出85种,萜类物质占比较大。以P<0.05,VIP>1和ROAV>1为标准,共筛选出17种关键差异香味成分,分别为香叶醇、橙花叔醇、丙位庚内酯、菠萝酸甲酯、菠萝酸乙酯、异戊醇、4-辛烯酸甲酯、香茅醇、乙酸苯乙酯、2-甲基丁酸甲酯、2-甲基丁酸乙酯、苯乙醇、(+)-柠檬烯、己酸甲酯、4-萜烯醇、α-松油醇和芳樟醇。Pearson相关性分析表明,果香与大部分香气化合物呈正相关,香草-焦糖香、豆香和酸香与大部分香气化合物呈负相关。

本研究探究了温度对SCC提取菠萝皮挥发性成分的影响,对比分析了旋转锥体柱不同温度下提取菠萝皮香气成分的差异性,为SCC在菠萝特征风味香原料的开发和应用提供了参考,为后续利用工业级别SCC处理菠萝皮渣提供了数据支撑和理论依据,从而降低资源浪费,实现菠萝皮的高值化利用。后续研究将对比分析不同提取方式获取的菠萝皮香气成分,并结合GC-O-MS嗅闻以及香气重组与缺失实验等分子感官科学技术进行关键香味成分的鉴定,进一步探究各挥发性化合物间交互作用对香气属性的影响,为旋转锥体柱技术应用于菠萝深加工提供指导。

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Differential analysis of volatile components of pineapple peel extracted by spinning cone column with different temperatures

YANG Pengfei1, LIU Yanzhang1, SUN Zhengguang2, WU Wei1, SHANG Zibo1, KONG Lingqi1, SUN Haifeng3*, MAO Duobin1*

1(College of Tobacco Science and Engineering, Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou 450001, China)
2(Technology Center of Jiangxi Tobacco Industry Co.Ltd., Nanchang 330096, China)
3(Technology Center of Shenzhen Tobacco Industry Co.Ltd., Shenzhen 518100, China)

ABSTRACT To investigate the effect of the temperature of a spinning cone column (SCC) on the extraction of volatile compounds from pineapple peels, gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS), chemometrics and relative odor activity value (ROAV) were applied for the quantitative and qualitative analysis of the volatile compounds from pineapple peels.Results revealed that 58, 95, and 85 volatile compounds were extracted by SCC at 60, 80, and 100 ℃, respectively.Principal component analysis (PCA) demonstrated significant differences in the types and relative contents of volatile compounds extracted by SCC at different temperatures.Orthogonal partial least squares-discriminant analysis (OPLS-DA) combined with variable importance in projection (VIP) and ROAV determined 17 key differential aroma components, which were identified as nerolidol, geraniol, propyl heptanolactone, methyl butanoate, ethyl butanoate, isoamyl alcohol, ethyl phenylacetate, phenylethyl alcohol, methyl oct-4-enoate, methyl 2-methylbutanoate, ethyl 2-methylbutyrate, citronellol, methyl hexanoate, 4-terpineol, (+)-limonene, and α-pinene.Pearson correlation analysis indicated that most of these components were positively correlated with fruity aroma and negatively correlated with vanilla-caramel and bean aroma.The results provide references for SCC in the development and application of flavor with pineapple characteristics and offer new ideas for the development of other fruit flavors.

Key words spinning cone column;pineapple peel;volatile compounds;temperature;differences

DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.040353

引用格式:杨鹏飞,刘龑章,孙正光,等.不同温度下旋转锥体柱提取的菠萝皮挥发性成分差异性分析[J].食品与发酵工业,2025,51(10):312-320.YANG Pengfei, LIU Yanzhang, SUN Zhengguang, et al.Differential analysis of volatile components of pineapple peel extracted by spinning cone column with different temperatures[J].Food and Fermentation Industries,2025,51(10):312-320.

第一作者:博士,副教授(毛多斌教授和孙海峰高级工程师为共同通信作者,E-mail:maoduobin@zzuli.edu.cn;sunhf@haorizi.cn)

基金项目:中国烟草总公司重大科技项目(110202201053(SJ-03));国家自然科学基金青年科学基金项目(81903507)

收稿日期:2024-07-01,改回日期:2024-08-15