3 種不同品種玫瑰精油揮發(fā)性成分基于GC-IMS 的指紋圖譜分析

鄭小嘎，吳愛東，李繼峰，韋緒倫，劉建軍，陳慶彩，王迎新，閻長勇

（1.山東省食品發(fā)酵工業(yè)研究設(shè)計(jì)院，山東 濟(jì)南 250013；2.頤中（青島） 實(shí)業(yè)有限公司，山東 青島 266021；3.濟(jì)南九州富得香料有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250102）

玫瑰原產(chǎn)于我國，在全世界范圍內(nèi)種植較廣，因其花色、香、形俱美，有極高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會價(jià)值[1]。用玫瑰花提取制備的玫瑰精油是一種重要的香料，因其香氣優(yōu)雅飄逸、芬芳四溢[2-4]，而被廣泛應(yīng)用于美容護(hù)膚、高檔化妝品及食品、煙草中[5]，其價(jià)格昂貴，有“液體黃金”之美譽(yù)[6]。

玫瑰精油香氣是決定玫瑰精油品質(zhì)的重要因子之一，是由精油中所含有揮發(fā)性成分綜合作用而成的，是形成精油香氣特征、影響其內(nèi)在品質(zhì)的重要因子，是決定其價(jià)值的重要指標(biāo)。迄今為止，玫瑰精油中已發(fā)現(xiàn)的揮發(fā)性成分達(dá)有300 多種，各種玫瑰精油所含揮發(fā)性成分的組成、含量與玫瑰品種、栽培區(qū)域環(huán)境及海拔高度、加工工藝、儲存時(shí)間等緊密相關(guān)。因此，每種精油都有其獨(dú)特的揮發(fā)性香成分指紋圖譜。風(fēng)味物質(zhì)指紋圖譜的構(gòu)建方法主要包括色譜法、光譜法、電子鼻、電子舌和氣相色譜-嗅味計(jì)（Gas chromatography olfactometry，GC-O） 等技術(shù)[7-13]。目前，常見的構(gòu)建的方法主要是氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（GC-MS），該方法能對香氣組成物質(zhì)進(jìn)行比較準(zhǔn)確和全面的分析，但樣品的前處理較為復(fù)雜且耗費(fèi)時(shí)間較長[14]。

氣相離子遷移色譜（Gas chromatography-ion mobility spectroscopy，GC-IMS） 技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一種對樣品揮發(fā)性成分進(jìn)行定性定量分析的檢測技術(shù)，可通過其配套的功能軟件根據(jù)檢測樣品中各組成成分的有無及信號峰的強(qiáng)度進(jìn)行歸類分析，并繪制直觀方便的指紋圖譜，據(jù)此可較直觀地對樣品的產(chǎn)地、存儲年限、質(zhì)量等級、真?zhèn)舞b別等進(jìn)行歸類對比分析。目前，該技術(shù)在食物摻假[15-17]、檢測空氣質(zhì)量[18]和鑒定食品品質(zhì)[19-21]、中草藥指紋圖譜構(gòu)建[22]、風(fēng)味物質(zhì)鑒別[23-25]等領(lǐng)域已有研究報(bào)道。但是，將GC-IMS 用于玫瑰精油品質(zhì)區(qū)分方面的研究還未見報(bào)道。

山東平陰作為我國玫瑰主要產(chǎn)地之一，主栽品種為重瓣玫瑰，近幾年隨著玫瑰新品種的引進(jìn)，已對大馬士革玫瑰、格拉斯玫瑰等品種進(jìn)行了引種，并獲得花農(nóng)及客戶的認(rèn)可。但如何鑒別3 種玫瑰精油除通過專家感官評價(jià)外，除王彥淳[26]通過超高效液相色譜建立苦水玫瑰花水的指紋圖譜外，未見有通過成分分析手段研究玫瑰精油特征指紋圖譜來進(jìn)行鑒別的文獻(xiàn)報(bào)道。通過GC-IMS 分析技術(shù)對3 種玫瑰精油揮發(fā)性成分進(jìn)行分析，識別各精油樣品的特征成分指紋圖譜，以期為不同玫瑰精油品質(zhì)識別及開發(fā)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

重瓣玫瑰花精油（CBⅡ）、大馬士革玫瑰花精油（DMSGⅠ）、格拉斯玫瑰花精油（GLSⅡ），濟(jì)南惠農(nóng)玫瑰精油有限公司提供，采用濟(jì)南惠農(nóng)玫瑰精油有限公司玫瑰基地2018 年產(chǎn)玫瑰花，經(jīng)傳統(tǒng)水蒸氣蒸餾法制備；

2- 丁酮(2-butanone)、2- 戊酮(2-pentanone)、2-己 酮(2-hexanone)、2- 庚 酮(2-heptanone)、2- 辛 酮(2-octanone)、2- 壬酮(2-nonanone) 等為外標(biāo)物，分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司提供。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 樣品處理

量取10 μL 樣品，置于20 mL 頂空瓶中，于60 ℃下孵育5 min 后進(jìn)樣。

1.2.2 色譜條件

氣相離子遷移譜單元：色譜柱類型FS-SE-54-CB-1；15 m ID：0.53 mm，分析時(shí)間30 min，柱溫60 ℃，載氣/漂移氣為N2，IMS 溫度45 ℃；自動頂空進(jìn)樣單元：采用自動頂空進(jìn)樣，進(jìn)樣體積100 μL，孵育時(shí)間5 min，孵育溫度60 ℃，進(jìn)樣針溫度45 ℃，孵化轉(zhuǎn)速500 r/min。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用儀器配套的分析軟件包括LAV（Laboratory Analytical Viewer） 和三款插件，以及GC×IMS Library Search，分別從不同角度進(jìn)行樣品分析。LAV軟件用于查看分析譜圖，圖中每一個點(diǎn)代表一種揮發(fā)性有機(jī)物；對其建立標(biāo)準(zhǔn)曲線后可進(jìn)行定量分析；Reporter 插件可直接對比樣品之間的譜圖差異（二維俯視圖和三維譜圖）；Gallery Plot 插件可進(jìn)行指紋譜圖對比，直觀且定量地比較不同樣品之間的揮發(fā)性有機(jī)物差異；Dynamic PCA 插件可進(jìn)行動態(tài)主成分分析，用于將樣品聚類分析，以及快速確定未知樣品的種類；GC×IMS Library Search 應(yīng)用軟件內(nèi)置的NIST 數(shù)據(jù)庫和IMS 數(shù)據(jù)庫可對物質(zhì)進(jìn)行定性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同玫瑰精油揮發(fā)性香氣成分的GC-IMS 譜圖對比分析

由LAV 分析軟件中Reporter 插件程序制作的不同玫瑰精油揮發(fā)性成分的GC-IMS 三維對比譜圖，及二維平面俯視圖。

3 種不同玫瑰精油揮發(fā)性成分的三維GC-IMS 譜圖見圖1，3 種不同玫瑰精油揮發(fā)性成分的二維GC-IMS 譜圖見圖2。

圖1 和圖2 中顏色深淺代表物質(zhì)的濃度，白色表示含量較低，紅色表示含量較高，顏色越深表示含量越高。可根據(jù)各種揮發(fā)性成分對應(yīng)位點(diǎn)顏色的有無及深淺，更直觀地比較不同玫瑰精油揮發(fā)性香成分差異。

2.2 3 種不同玫瑰精油樣品揮發(fā)性成分的GC-IMS定性分析

根據(jù)揮發(fā)性成分的氣相色譜保留時(shí)間和IMS 遷移時(shí)間，使用C4～C9 正酮作為外標(biāo)參考計(jì)算每種化合物的保留指數(shù)，通過GC-IMS Library Search 軟件，對照GC-IMS 庫進(jìn)行匹配，從而對揮發(fā)性成分進(jìn)行定性分析。

揮發(fā)性成分的定性結(jié)果見圖3。

對照NIST 氣相保留指數(shù)數(shù)據(jù)庫與IMS 遷移時(shí)間數(shù)據(jù)庫二維定性數(shù)據(jù)庫，可明確定性的揮發(fā)性成分單體及部分物質(zhì)的二聚體共有54 種，橫坐標(biāo)代表遷移時(shí)間，縱坐標(biāo)代表保留時(shí)間，每一個用數(shù)字標(biāo)記出的點(diǎn)代表定性出的一種物質(zhì)，且圖3 中編號與表1中物質(zhì)一一對應(yīng)。

指紋圖譜中部分揮發(fā)性物質(zhì)定性結(jié)果見表1。

由圖3 和表1 中的定性分析可以發(fā)現(xiàn)，3 種不同玫瑰精油樣品可識別出的共有揮發(fā)性物質(zhì)中醇類14種，酯類5 種，酮類6 種，醛類7 種，烯烴類3 種，酸類1 種，醚類2 種。體現(xiàn)玫瑰精油特征香氣的芳樟醇、氧化芳樟醇、香茅醇、香葉醇、苯乙醇、玫瑰醚、橙花醇的揮發(fā)性香氣成分都有檢測到。結(jié)合圖2，可根據(jù)每種成分對應(yīng)位點(diǎn)顏色的深淺確定成分的含量。

2.3 3 種不同玫瑰精油揮發(fā)性特征成分的GC-IMS指紋圖譜分析

為了更加全面地對比3 種不同玫瑰精油樣品揮發(fā)性成分的差異性，識別每種玫瑰精油的特征成分，應(yīng)用LAV 軟件中的Gallery Plot 插件，選取3 種不同玫瑰精油樣品進(jìn)行試驗(yàn)，每個樣品重復(fù)2 次，以樣品編號為縱坐標(biāo)，揮發(fā)性香氣成分定性結(jié)果為橫坐標(biāo)，以顏色深淺將所有特征峰強(qiáng)度值進(jìn)行分類表示各揮發(fā)性成分的差異性，所得GC-IMS 二維圖譜中所有的待分析峰自動生成指紋圖譜。

3 種不同玫瑰精油樣品揮發(fā)性成分的指紋譜圖見圖4。

由圖4 可見，不同樣品的揮發(fā)性物質(zhì)的變化在Gallery Plot 指紋譜圖更加明顯，每一列是不同樣品中的一種揮發(fā)性物質(zhì)，顏色深淺代表濃度高低，通過縱向的比較，不同物質(zhì)濃度呈現(xiàn)一定的規(guī)律。圖4可見，左半部分揮發(fā)性物質(zhì)在各樣品中都能檢測出，且具有一定濃度，只是在不同樣品中的濃度有差異，有的物質(zhì)在DMSGI 中濃度較高，如1,8-桉葉素；有的在GLSII 中濃度高，如β -羅勒烯、芳樟醇等；有的在CBII 中濃度高，如乙酸乙酯。右半部分是各品種精油中特征性的組分，這可能是使不同精油具有不同揮發(fā)性成分，尤其是紅框中所示物質(zhì)，只在特定玫瑰精油中存在，在其他精油中基本沒有或者濃度非常低。

最左側(cè)黃框區(qū)為玫瑰精油樣品DMSGⅠ的特征峰區(qū)域，主要包括2-甲基戊酸、丙酸、乙醛縮二乙醇等8 種特征成分；圖4 中中間黃框區(qū)為玫瑰精油樣品GLSⅡ的特征峰區(qū)域，主要包括苯甲醇、乙酸苯乙酯、橙花醇等5 種特征成分；圖4 中最右側(cè)黃框區(qū)為玫瑰精油樣品CBⅡ的特征峰區(qū)域，主要包括反-2-庚烯醛、香茅醇等11 種特征物質(zhì)。

2.4 3 種不同玫瑰精油樣品的聚類分析（動態(tài)主成分PCA 分析）

表1 指紋圖譜中部分揮發(fā)性物質(zhì)定性結(jié)果

為快速確定未知樣品的種類，更直觀地分析不 同玫瑰精油樣品的差異，應(yīng)用Dynamic PCA 插件進(jìn)行樣品聚類分析。

3 種不同玫瑰精油樣品揮發(fā)性主成分的PCA 分析見圖5。

由圖5 可以看出，對比的3 組樣品彼此之間距離很遠(yuǎn)，說明不同品種的玫瑰精油之間揮發(fā)性成分差異較大，通過PCA 分析可以對不同玫瑰精油樣品進(jìn)行清楚區(qū)分。

3 結(jié)論

利用氣相離子遷移譜( GC-IMS) 技術(shù)分析了不同品種玫瑰精油揮發(fā)性香成分間的差異，通過構(gòu)建特征成分指紋圖譜，分別確定出其主要特征風(fēng)味和特征峰。結(jié)果表明，玫瑰精油DMSGⅠ的特征峰主要包括2-甲基戊酸、丙酸、二乙醇縮乙醛等8 種特征成分；玫瑰精油GLSⅡ的特征峰主要包括苯甲醇、乙酸苯乙酯、橙花醇等5 種特征成分；玫瑰精油CBⅡ的特征峰主要包括反-2-庚烯醛、香茅醇等11 種特征物質(zhì)。通過建立玫瑰精油的PCA 模型，可以快速鑒別玫瑰精油的類別及品質(zhì)。通過研究3 種玫瑰精油特征揮發(fā)性成分進(jìn)行GC-IMS 分析，旨在為不同玫瑰精油品質(zhì)識別提供理論依據(jù)。