頂空氣相離子遷移譜技術(shù)對不同產(chǎn)地水蜜桃的氣味指紋分析

于懷智，姜濱，孫傳虎，陳東杰，王忠強，張玉華*，郭風軍,張長峰

1(國家農(nóng)產(chǎn)品現(xiàn)代物流工程技術(shù)研究中心，山東 濟南， 250103)2(山東省農(nóng)產(chǎn)品貯運保鮮技術(shù)重點實驗室，山東 濟南， 250103)

水蜜桃屬薔薇科屬植物，因味道鮮美、香氣宜人且富含VC、胡蘿卜素、果膠以及鋅、硒等多種微量元素，深受消費者的喜愛[1]，是重要的經(jīng)濟果蔬作物[2]。香味是評價采后水蜜桃品質(zhì)的重要指標之一[3-4]。香氣成分的種類及其含量影響感官品質(zhì)[5-6]，影響消費者對果品接受程度，影響商業(yè)價值。研究探討水蜜桃果實香氣，可為改善水蜜桃深加工工藝及水蜜桃品質(zhì)提供理論參考。目前對水蜜桃揮發(fā)性有機物的研究多集中于單一品種，且對香氣成分處的研究在初步階段[7-9]。目前用于水果揮發(fā)性有機物質(zhì)香氣檢測技術(shù)手段主要由電子鼻、頂空固相微萃取氣相色譜質(zhì)譜和氣相色譜嗅聞分析等技術(shù)[10-13]，這些檢測手段存在前處理復(fù)雜，原始樣品被破壞，易受外界干擾等問題。頂空氣相離子遷移譜技術(shù)(headspace- gas chromatography-ion mobility spectrometry，HS-GC-IMS)是將氣相色譜和了離子遷移譜兩者結(jié)合的檢測技術(shù)，此檢測技術(shù)克服離子在遷移譜技術(shù)分離度差的局限性，使得離子遷移譜信號響應(yīng)經(jīng)氣相預(yù)分離后質(zhì)量上得到顯著改善，而離子遷移譜通過漂移時間信息又使得氣相色譜分離后得到的化學信息更加豐富；兩者技術(shù)優(yōu)勢結(jié)合使得HS-GC-IMS具有快速、高靈敏、無需前處理、操作簡單的優(yōu)點，在食品風味分析、品質(zhì)檢測等多個領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[14-20]。目前HS-GC-IMS技術(shù)在水蜜桃氣味成分分析方面還未見報道。

本文以5個產(chǎn)地的水蜜桃為實驗材料，利用GC-IMS技術(shù)采集其氣味指紋，采用PCA和匹配矩陣對不同產(chǎn)地的水蜜桃進行區(qū)分，以可視化的形式展示不同產(chǎn)地水蜜桃特征揮發(fā)性有機物成分，旨在為水蜜桃香氣研究及快速判別提供參考數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗用的水蜜桃分別來自于我國5個主產(chǎn)區(qū)，采摘時間為2019年6月至7月，采摘成熟度相似，采摘后預(yù)冷，由冷藏車運回實驗室，0～2 ℃貯藏，其產(chǎn)地和品種見表1。

表1 水蜜桃樣品

1.2 GC-IMS測定條件

1.2.1 頂空進樣條件

頂空孵化溫度40 ℃；孵化時間15 min；加熱方式振蕩加熱；頂空進樣針溫度85 ℃；進樣量500.0 μL，不分流模式；載氣為高純氮氣(純度≥99.999 %)；清洗時間0.50 min。

1.2.2 GC條件

色譜柱溫度40 ℃；運行時間20 min；載氣高純N2(純度≥99.999%)；初始流速5.0 mL/min,保持10 min后在5 min內(nèi)線性增至150 mL/min。漂移管長度5 cm；管內(nèi)線性電壓400 V/cm；

1.2.3 IMS條件

漂移管溫度40 ℃；漂移氣(高純N2，純度≥99.999%)；流速150 mL/min；IMS 探測器溫度45 ℃。

每個品種取10個水蜜桃，后水蜜桃去皮去核，勻漿，取5.0 g樣品，放入20.0 mL頂空進樣瓶中，40 ℃孵化15.0 min，經(jīng)頂空進樣用FlavourSpec?風味分析儀進行測試，每個品種做2個平行樣品，經(jīng)分析可得到樣品中揮發(fā)性有機物的差異譜圖；軟件內(nèi)置的NIST數(shù)據(jù)庫和IMS數(shù)據(jù)庫可對物質(zhì)進行定性分析。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用LAV(laboratory analytical viewer)和Reporter、Gallery Plot、Dynamic PCA 3個插件進行樣品分析，內(nèi)置GC×IMS Library Search NIST數(shù)據(jù)庫和IMS數(shù)據(jù)庫對物質(zhì)進行定性分析，利用Origin 8.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同產(chǎn)地水蜜桃揮發(fā)性有機物質(zhì)差異對比

圖1中縱坐標代表氣相色譜的保留時間，橫坐標代表離子遷移時間，整個圖背景為藍色，橫坐標1.0處紅色豎線為RIP峰(反應(yīng)離子峰，經(jīng)歸一化處理)，RIP峰兩側(cè)的每一個點代表一種揮發(fā)性有機物。顏色代表物質(zhì)的濃度，白色表示濃度較低，紅色表示濃度較高，顏色越深表示濃度越大。由圖1可知，5種水蜜桃中的揮發(fā)性有機物種類基本一致，但有些揮發(fā)性有機物含量在5種水蜜桃中有較大差異，如圖1中標注的黃色區(qū)域內(nèi)揮發(fā)性有機物在運城、都江堰和陽山水蜜桃中含量較多，而在北京和杭州水蜜桃中含量相對少；紅色區(qū)域內(nèi)的揮發(fā)性有機物在運城和陽山水蜜桃含量相對較高，而在其他產(chǎn)地水蜜桃中含量很低甚至不含。

為了更好地比較不同樣品間的差異，采用差異對比模式：選取其中1個樣品杭州水蜜桃氣味指紋譜圖作為參比，其他樣品的譜圖扣除參比。若二者揮發(fā)性有機物一致，則扣減后的背景為白色，紅色代表該物質(zhì)的濃度高于參比，藍色代表該物質(zhì)的濃度低于參比。如圖2所示差異圖中更容易看出不同桃子中揮發(fā)性有機物的差異，運城水蜜桃和都江堰水蜜桃揮發(fā)性有機物質(zhì)明顯高于其他3個產(chǎn)地水蜜桃。

2.2 不同產(chǎn)地水蜜桃揮發(fā)性物質(zhì)氣味指紋圖譜

圖3為不同水蜜桃的揮發(fā)性物質(zhì)(volatile organic compounds，VOCs)指紋圖譜，圖中每一行代表一個桃子樣品中選取的全部信號峰，每一列代表同一揮發(fā)性有機物在不同桃子樣品中的信號峰，由圖3可以看出每種樣品完整揮發(fā)性有機物信息以及樣品之間揮發(fā)性有機物的差異。將5種水蜜桃中采集的揮發(fā)性有機物指紋圖譜大致劃分成3個不同顏色區(qū)域，紅色區(qū)域內(nèi)表示該區(qū)域內(nèi)揮發(fā)性有機物在某種水蜜桃中獨有或含量遠高于其他，黃色區(qū)域表示該區(qū)域內(nèi)揮發(fā)性有機物在不同水蜜桃中含量差異較大，橙色區(qū)域表示該區(qū)域內(nèi)在5種水蜜桃中大量共有。由圖3可知，運城水蜜桃相比其他4種水蜜桃的特異性揮發(fā)性有機物最多，己醛、1-己醇和1-丙醇等在運城水蜜桃中含量明顯高于其他4種水蜜桃。乙酸丙酯、乙酸異戊酯、3-甲基-1-丁醇乙酸酯等為陽山水蜜桃特異性揮發(fā)性有機物；乙酸戊酯等在杭州水蜜桃中含量高于其他4種水蜜桃，而乙酸乙酯、乙酸丁酯、乙酸戊酯和乙酸異戊酯等酯類成分在5種水蜜桃含量均較高。

圖3 不同水蜜桃VOCs指紋圖譜

由圖3可知，通過GC-IMS技術(shù)可很好地區(qū)分5個不同產(chǎn)地水蜜桃，且可直觀地看出5個不同產(chǎn)地不同品種水蜜桃VOCs差異，根據(jù)揮發(fā)性有機物氣相色譜保留時間和離子遷移時間對其進行定性分析。經(jīng)GC-IMS分析，共計檢測出74種揮發(fā)性有機物，通過內(nèi)置的NIST 2014氣相保留指數(shù)數(shù)據(jù)庫與IMS遷移時間數(shù)據(jù)庫進行二維定性，確定了15種具體揮發(fā)性有機物，以及15種揮發(fā)性有機物在5種蜜桃中的相對含量(表2)。由表2可知，北京水蜜桃及運城水蜜桃含有酯類最少，陽山水蜜桃酯類含量最高，醇類物質(zhì)在運城水蜜桃含量最高，杭州水蜜桃最低；北京水蜜桃中醛類含量最低，運城水蜜桃量最高。

2.3 不同產(chǎn)地水蜜桃相似度分析

由圖4可知，根據(jù)MeV插件的3D-PCA分析樣品相關(guān)性可知，不同產(chǎn)地的5種水蜜桃中，運城水蜜桃距離其他4種水蜜桃比較遠，為5種水蜜桃中最為特別的一種水蜜桃，而都江堰、北京、杭州距離相近，風味有些類似，但仍有差距。陽山與都江堰水蜜桃雖都為白鳳，但受地理環(huán)境影響，兩者風味差異明顯。

匹配矩陣圖可更為直接地觀察不同產(chǎn)地水蜜桃揮發(fā)性有機物之間差異和區(qū)分度，藍色、黑色越深匹配度高，表示相似程度越高，區(qū)分度越低；黃色越深表示程度越低，區(qū)分度越高。由圖5可知，5個產(chǎn)地水蜜桃除與自身匹配度超過90%，與其他幾種匹配度最高不超過75%，都江堰白鳳水蜜桃和陽山白鳳水蜜桃匹配度低于40%，說明頂空氣相離子遷移譜可較好地區(qū)分不同產(chǎn)地不同品種水蜜桃揮發(fā)性有機物。

圖5 水蜜桃匹配矩陣

3 討論

本文基于HS-GC-IMS技術(shù)，收集了5個不同產(chǎn)地不同品種的水蜜桃揮發(fā)性有機物氣味指紋圖譜，在無需真空且無需樣品前處理前提下，經(jīng)頂空進樣后可快速檢測水蜜桃中的揮發(fā)性有機物。從收集的揮發(fā)性有機物氣味指紋圖譜可見，5種水蜜桃中都含有乙酸乙酯、乙酸丁酯、乙酸戊酯和乙酸異戊酯等大量酯類物質(zhì)。而5個產(chǎn)地品種水蜜桃中的多數(shù)揮發(fā)性有機物種類相同，但濃度存在較大差異；少量物質(zhì)在一種水蜜桃中獨有或含量遠高于其他，己醛、1-己醇和1-丙醇等在運城桃子中含量比其他高很多，且運城水蜜桃中的特異性揮發(fā)有機物最多。乙酸丙酯和乙酸異戊酯等在陽山水蜜桃中含量比其他水蜜桃高，乙酸戊酯在杭州水蜜桃中含量比其他水蜜桃高，這些揮發(fā)性有機物含量差異導(dǎo)致了不同產(chǎn)地水蜜桃的風味不同。不同產(chǎn)地不同品種水蜜桃在酯類、醇類、酮類、醛類存在一定差異。水蜜桃因不同的香氣成分及含量多少而表現(xiàn)出不同氣味，可根據(jù)具體香氣成分差異將其進行區(qū)分。

不同產(chǎn)地的水蜜桃在PCA圖中各自聚為一類，其中運城水蜜桃的風味最為特殊，與指紋圖譜分析結(jié)果一致。如果用較多品種的水蜜桃建立模型，則可以通過PCA對未知樣品做出分類。HS-GC-IMS定性依據(jù)是基于HS-GC-MS數(shù)據(jù)庫，即使用氣相保留指數(shù)和離子遷移時間進行二維定性。但由于目前IMS數(shù)據(jù)庫在水蜜桃領(lǐng)域的數(shù)據(jù)庫還不完善，通過HS-GC-IMS技術(shù)檢測揮發(fā)性有機物74種，已確定15種遷移時間，故二維定性只能給出15種物質(zhì)的定性結(jié)果，定性剩余59種揮發(fā)性有機物，需要其他技術(shù)進一步進行定性分析。采用頂空氣相離子遷移譜能快速準確對不同產(chǎn)地水蜜桃樣品進行定性分析，闡明水蜜桃指紋圖譜與產(chǎn)地的關(guān)系，為水蜜桃的資源鑒別提供理論參考。