不同品種桑椹香氣成分的主成分分析

于懷龍,馬永昆,*,張　榮,劉　利,李俊芳,李　希

(1.江蘇大學食品與生物工程學院,江蘇鎮江 212013；2.中國農業科學院蠶業研究所,江蘇鎮江 212018)

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不同品種桑椹香氣成分的主成分分析

于懷龍1,馬永昆1,*,張榮1,劉利2,李俊芳1,李希1

(1.江蘇大學食品與生物工程學院,江蘇鎮江 212013；2.中國農業科學院蠶業研究所,江蘇鎮江 212018)

采用頂空固相微萃取結合氣相色譜-質譜聯用(HS-SPME-GC-MS)技術測定來自國家種質鎮江桑樹圃中6種桑椹的香氣成分,用主成分分析法對桑椹香氣成分進行分析,并建立桑椹香氣強度評價模型。結果表明:6種桑椹檢測出48種香氣成分,主要為醛類15種、醇類14種、酯類11種和酮類4種。經主成分分析,對前三個主成分進行可視化處理,6種桑椹根據香氣成分差異歸為6類,說明不同品種桑椹能夠通過氣質聯用技術測定的香氣成分進行區分;通過桑椹香氣強度評價模型得出,桑椹香氣強度綜合得分由高到低依次為:鎮椹1號、大十、鎮9106、紫芽湖桑、淮場20號、鎮8603,這與通過感官評價法得到的結果一致,表明所建立的桑椹香氣強度評價模型是可靠的。

桑椹,香氣,氣相色譜-質譜聯用,主成分分析法

桑椹(FructusMori),又名桑果、桑棗,為桑科植物桑(Morusalbal)的果實,富含花青素、活性多糖等功能成分,具有清除自由基和增強免疫力等功能[1-2],是國家衛生部1988年首批公布的藥食同源植物品種之一[3],自古享有“中華果圣”之美稱。我國桑樹種質資源極其豐富,迄今我國保留的桑樹種質資源約3000余份,其中可作為果桑用的資源超過70余份[4]。但是目前針對桑椹品種加工特性的基礎數據和信息缺乏,桑椹產品如桑椹果酒和桑椹果醋的生產還沒有專用的加工品種,因此篩選出優良的桑椹加工品種對桑椹產業的發展具有重要意義。香氣是構成和影響桑椹質量的重要因素,利用香氣成分對桑椹進行分類和篩選是桑椹加工專用品種篩選的重要組成部分。

主成分分析法(PCA)是一種通過降維把多個指標轉化為少數幾個綜合指標的多元統計分析方法,其目的是簡化數據和揭示變量間的關系,已廣泛用于農作物品種及產品類型的判別等方面[5-7],如Victoria M等[6]通過主成分分析法根據香氣差異區分了18種不同國家商標的馬黛茶;Huan Cheng[7]等利用主成分分析法根據香氣差異將五種楊梅栽培品種歸為三類。

表1　桑椹香氣強度感官評價標準

本研究采用頂空固相微萃取結合氣相色譜-質譜聯用技術(HS-SPME-GC-MS)對不同品種桑椹香氣成分進行分析測定,通過對香氣成分的主成分分析區分不同桑椹品種,同時分析差異性來源,并建立桑椹香氣強度評價模型,再通過感官評價檢驗模型的可靠性,旨在為不同品種桑椹的區分與識別提供一種新的思路,為桑椹加工專用品種的篩選提供理論依據。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

桑椹紫芽湖桑、鎮9106、鎮8603、大十、鎮椹1號、淮場20號,均于2015年5月20日采自位于鎮江江心洲的國家種質鎮江桑樹圃,各品種桑椹充分成熟、大小均一、無腐敗變質,采摘后冷藏運輸(4 ℃),取回立即測定;1-丙醇(色譜純)梯希愛(上海)工業發展有限公司;NaCl(分析純)國藥集團化學試劑有限公司;C7-C30正構烷烴(色譜純)北京化學試劑有限公司。

Agilent 6890/5973型氣質聯用儀美國Agilent公司;手動SPME進樣器、雙極性50/30 μm DVB/CAR/PDMS萃取纖維頭、15 mL帶膠墊的樣品瓶美國SupeLco公司;PC-420磁力加熱攪拌器美國Corning公司;TGL-20M高速臺式冷凍離心機湘儀離心機儀器有限公司;JYZ-E8榨汁機九陽股份有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1桑椹香氣HS-SPME方法取100 g桑椹于榨汁機中榨汁,取其中10 g桑椹汁在4 ℃,5000 r/min的條件下離心10 min,取上清液5 mL加入15 mL頂空瓶中,同時添加1.0 g NaCl和0.1 μL的內標物1-丙醇,放入圓柱型磁力攪拌子(5 mm×2 mm),蓋緊樣品瓶蓋,于40 ℃下加熱平衡10 min,然后將萃取針頭插入頂空瓶中,使之與液面保持1 cm距離,萃取30 min,磁力攪拌速度600 r/min,此時頂空固相微萃取達到最佳萃取條件。

1.2.2GC-MS參數條件色譜條件:色譜柱DB-WAX柱(60 m×0.25 mm×0.25 μm),250 ℃老化1 h后使用;進樣口溫度250 ℃,載氣(He)流量1.0 mL/min,不分流進樣。程序升溫:45 ℃保持3 min,以5 ℃/min升至120 ℃,保持2 min,以4 ℃/min升至160 ℃,保持2 min,以10 ℃/min升至220 ℃,保持2 min。

質譜條件:5973型四極桿質譜儀,接口溫度 250 ℃,電子轟擊(EI)離子源,電子能量70 eV,電子倍增器電壓1353 V,離子源溫度230 ℃,四極桿溫度150 ℃,質量掃描范圍33～450 u。

1.2.3定性定量方法定性方法:a.質譜鑒定:對檢測出的揮發性成分通過NIST05譜庫進行檢索,僅當正反匹配度均大于800的物質予以確認。b.采取相同的程序升溫,以C7～C30正構烷烴為標準,根據Kovats保留指數公式[8]計算出保留指數(RI),并與相關文獻[9-12]進行比較予以進一步確認。

定量方法:采用內標法定量(假設校正因子為1),以1-丙醇為內標,通過計算各香氣成分的峰面積與內標峰面積比值求得其濃度,每個樣品重復三次。

1.3桑椹香氣強度感官評價方法

以GB/T 10220-2012感官分析總論和GB/T 31121-2014果蔬汁類及其飲料國家標準為依據,制定桑椹香氣強度感官評定標準如表1[13],由25名經過感官培訓的品評專業人員對隨機編號的桑椹香氣強度進行評價,根據評價數值的平均值對6種桑椹樣品香氣強度進行排序。

1.4數據處理與分析

采用SPSS17.0進行主成分分析,Origin 9.0進行圖像處理。

2　結果與分析

2.1桑椹香氣成分分析

不同品種桑椹香氣物質總離子圖及分析結果見圖1和表2。由表2可知,6種桑椹檢出48種香氣成分,主要分為醛類15種,醇類14種,酯類11種和酮類4種。不同品種桑椹中各類化合物的含量不同,其中大十所含醛類化合物含量顯著高于其它品種桑椹(p<0.05);鎮椹1號所含醇類和酯類化合物含量均顯著高于其它品種桑椹(p<0.05);大十和鎮椹1號所含酮類化合物含量無顯著性差別(p>0.05),均顯著高于其它品種桑椹(p<0.05)。

2.2不同品種桑椹香氣成分的主成分分析

本研究以不同品種桑椹香氣成分為研究對象,對48種香氣成分進行主成分分析,得到主成分的特征值及貢獻率見表3。以不同桑椹品種前三個主成分得分作圖,結果如圖2所示,6種桑椹根據距離遠近分為6類:a紫芽湖桑,b鎮9106,c鎮8603,d大十,e鎮椹1號,f淮場20號。說明六種桑椹所含香氣成分具有明顯差異,可以通過對香氣成分的主成分分析區分不同的桑椹品種。

以不同桑椹品種前三個主成分載荷作圖,結果如圖3所示。由圖2可知,紫芽湖桑(a)位于第一主成分的正半軸與第二、第三主成分的負半軸所圍成的區域,與其它品種桑椹明顯區分,結合圖3中各香氣成分所在區域可知,A2、B2、B7和C3與紫芽湖桑(a)品種群相關,因此最能反映紫芽湖桑與其它五種桑椹差異的香氣成分為:2-甲基丙醛(A2)、異丁醇(B2)、1-辛烯-3-醇(B7)、乙酸丙酯(C3);同理，由圖2結合圖3可知,B8化合物與鎮9106(b)品種群相關,因此最能反映鎮9106與其它五種桑椹差異的香氣成分為2-乙基己醇(B8);A6、A15、B6化合物與鎮8603(c)品種群相關,因此最能反映鎮8603與其它五種桑椹差異的香氣成分為庚醛(A6)、苯乙醛(A15)、3-辛醇(B6);A5、C6、D1、D3化合物與大十(d)品種群相關,因此最能反映大十與其它五種桑椹差異的香氣成分為己醛(A5)、丙酸丙酯(C6)、2-甲基-3-戊酮(D1)、3-羥基-2-丁酮(D3);A7、B1、B5、B9、B12、C1、C8、C10、D2、D4化合物與鎮椹1號(e)品種群相關,因此最能反映鎮椹1號與其它五種桑椹差異的香氣成分為(E)-2-己烯醛(A7)、乙醇(B1)、正己醇(B5)、1-辛醇(B9)、1-壬醇(B12)、乙酸乙酯(C1)、乙酸異戊酯(C8)、正己酸乙酯(C10)、2-庚酮(D2)、6-甲基-5-庚烯-2-酮(D4)。A8、A10、A12、A13、B11、C4化合物與淮場20號(f)品種群相關,因此最能反映淮場20號與其它五種桑椹差異的香氣成分為正辛醛(A8)、癸醛(A10)、(E)-2-壬烯醛(A12)、(E,Z)-2,6-壬二烯醛(A13)、(-)-4-萜品醇(B11)、丁酸甲酯(C4)。

圖1　不同品種桑椹香氣物質總離子圖Fig.1　GC-MS total ion current chromatogram of aroma components in mulberry from different varieties 注:a:紫芽湖桑,b:鎮9106,c:鎮8603,d:大十,e:鎮椹1號,f:淮場20號。

時間(min)編碼化合物名稱RI含量(μg/L)紫芽湖桑鎮9106鎮8603大十鎮椹1號淮場20號醛類(15種)5.98A1乙醛6981.52±0.042.95±0.083.62±0.115.00±0.163.25±0.274.84±0.177.11A22-甲基丙醛8140.71±0.011.53±0.04--2.52±0.10-8.83A32-甲基丁醛9070.98±0.021.74±0.06-2.62±0.071.91±0.061.05±0.028.90A43-甲基丁醛9102.28±0.062.87±0.061.23±0.026.47±0.244.28±0.142.47±0.0713.17A5己醛105818.94±0.6914.67±0.5616.93±0.5729.89±2.937.96±0.2810.31±0.3216.14A6庚醛1160-3.09±0.123.05±0.12--2.42±0.0717.38A7(E)-2-己烯醛121243.25±1.375.26±0.2416.09±0.3023.00±1.8949.28±3.5113.30±0.4619.33A8正辛醛1270--0.61±0.01--1.82±0.0622.70A9壬醛1397-2.34±0.075.81±0.192.12±0.07-3.10±0.1126.01A10癸醛1471--0.84±0.01--0.85±0.0127.27A11苯甲醛14891.96±0.064.59±0.175.66±0.1910.60±0.32-2.37±0.0827.52A12(E)-2-壬烯醛15273.40±0.126.02±0.2411.22±0.394.62±0.173.68±0.1514.61±0.5329.08A13(E,Z)-2,6-壬二烯醛1571--2.55±0.07--3.47±0.1830.34A14β-環檸檬醛1598---6.99±0.244.62±0.17-31.02A15苯乙醛1602-1.76±0.093.82±0.05--1.26±0.0373.05±2.37a46.81±1.71b71.40±2.05a91.31±6.08c77.49±4.67a61.89±2.11d醇類(14種)9.31B1乙醇92210.62±0.3745.47±1.4518.56±0.9936.02±3.5365.87±7.0528.95±3.02

續表

注:“-”為未檢測到該香氣成分。

表4　不同品種桑椹香氣強度評價

注:F1、F2、F3、F4為前四個主成分的得分平均值,F為桑椹香氣強度綜合得分。

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由此可知,不同香氣成分對不同品種桑椹整體香氣的貢獻程度不同,進而賦予其特有的香氣特征,使其與其它桑椹品種得以區分。

表3　主成分的特征值及貢獻率

圖2　主成分分析對桑椹香氣成分得分散點圖Fig.2　Scores scatter plots of aroma components in mulberry by PCA

圖3　主成分分析對桑椹香氣成分載荷散點圖Fig.3　Loading scatter plots of aroma components in mulberry by PCA

2.3不同品種桑椹香氣評價模型建立及香氣強度分析

3　結論

6種桑椹檢出48種香氣成分,主要為醛類(15種)、醇類(14種)、酯類(11種)和酮類(4種)。通過主成分分析,由前三個主成分的散點圖可以得出,6種桑椹可以根據香氣成分的差異得到區分,主要是由于不同的香氣成分對不同品種桑椹整體香氣的貢獻程度不同;建立了桑椹香氣強度綜合評價模型F=0.46F1+0.25F2+0.19F3+0.10F4,得到各品種桑椹香氣強度綜合得分,由高到低依次為鎮椹1號、大十、鎮9106、紫芽湖桑、淮場20號、鎮8603,與感官評價結果相一致,說明該香氣評價模型是可靠的。因此,可以通過主成分分析法對氣相色譜-質譜法測得的桑椹香氣成分進行分析,以區分不同的桑椹品種以及對桑椹香氣強度進行評價。

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Principal component analysis of aroma components in mulberry from different varieties

YU Huai-long1,MA Yong-kun1,*,ZHANG Rong1,LIU Li2,LI Jun-fang1,LI Xi1

(1.School of Food and Biological Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China；2.Sericultural Research Institute,Chinese Academy of Agricultural Sciences,Zhenjiang 212018,China)

Headspace solid-phase micro-extraction(HS-SPME)coupled with gas chromatography-mass spectrometry(GC-MS)techniques were used to analyze aroma components in six varieties of mulberry from national mulberry Genebank in Zhenjiang(NMGB). Then principal component analysis(PCA)was adopted to investigate the aroma compounds in mulberry and the evaluation model of aroma intensity was established. From the results,forty-eight aroma components:aldehydes(15),alcohols(14),esters(11),ketones(4)were identified in the six mulberry cultivars. The first three principal components were subjected to graphical analysis and six clusters were obtained from aroma components,which revealed that different mulberry cultivars could be clearly distinguished by HS-SPME-GC-MS measurements. The evaluation model showed that the ranking of aroma intensity integrative scores were Zhenshen1(1st),Dashi(2nd),Zhen 9106(3rd),Ziyahusang(4th),Huaichang 20(5th),Zhen 8603(6th). The evaluation model results were similar to those obtained from the sensory evaluations,which indicated the feasibility of the developed model.

mulberry;aroma components;gas chromatography-mass spectrometry;principal component analysis

2015-11-09

于懷龍(1989-),男,碩士研究生,主要從事桑椹果醋加工、食品風味化學方面的研究,E-mail:longbangong@126.com。

馬永昆(1963-),男,教授,主要從事食品風味化學、食品發酵工程及食品非熱力加工方面的研究,E-mail:mayongkun@ujs.edu.cn。

江蘇高校優勢學科建設工程資助項目(PAPD);江蘇省高校科技成果產業化推進項目(JHB2011-40)。

TS255

A

1002-0306(2016)10-0062-06

10.13386/j.issn1002-0306.2016.10.003