基于HS-SPME-GC-MS法分析3 種金橘的香氣揮發性成分

胡梓妍，劉 偉，何 雙，胡小琴，張菊華,,*，單 楊,3,*

（1.湖南大學研究生院隆平分院，湖南 長沙 410125；2.湖南省農業科學院農產品加工研究所，湖南 長沙 410125；3.湖南省農業科學院，湖南 長沙 410125）

金橘是柑橘屬中體型較小，并且能連皮食用的水果，現代醫學證明它具有軟化血管、治療高血壓、調節生理功能紊亂的功效[1-2]，主要分布在江西遂川、浙江寧波、湖南瀏陽、廣西融安及陽朔、福建尤溪等地[3]。同時，金橘是許多營養物質的來源，富含維生素、胡蘿卜素、果膠、鈣、磷、鐵和類黃酮[4-5]。

水果的香氣能反映不同水果的特性，并直接影響新鮮水果和加工過的水果產品的感官品質[6]，是評價果品食用價值和商品價值的重要指標。它由多種揮發性化合物（volatile organic compounds，VOC）組成的復雜混合物構成，在植物生長過程中不斷變化，并且通過多種生化途徑（如新陳代謝轉化為分解代謝），由大量非揮發性植物前體形成揮發性化合物[7-8]。柑橘果實中的VOC達到一百多種，主要包括萜類化合物、醇、醛和酸[9]，其中萜類化合物是柑橘果實中最重要的揮發性成分[10]。VOC的組成與含量不僅影響水果的香氣和感官特性，還有許多其他用途。例如Zhang Haipeng等[9]通過主成分分析（principal component analysis，PCA）證明不同種類的柑橘可以通過鑒別VOC完全區分，有30 種VOC可作為區分寬皮柑橘、甜橙、柚子和檸檬的潛在生物標記物。芳香活性化合物還可以用于區分水果生產區域[7]。Simeone等[11]檢測了4 種檸檬不同成熟階段的理化性質及生物活性化合物，結果表明，不同品種和不同成熟階段的檸檬，其VOC均有不同表現。其中，單萜的變化主要發生在果實發育早期，而檸檬烯可能在成熟階段發生酶促降解。在酸橙的揮發性成分中，α-萜品醇、α-萜品烯和γ-萜品烯對心血管活性具有恢復抗氧化酶活性的能力，而檸檬烯、芳樟醇和4-萜品醇在預防心血管疾病和和高血壓方面是有益的[12]。Wang Yongwei等[13]分析了從金橘中分離的VOC成分，并對其抗菌性能進行了檢測，發現金橘的VOC成分對細菌（革蘭氏陰性和革蘭氏陽性）和真菌（白色念珠菌）均顯示出廣泛的抗菌活性。重要的是，其對食源性病原菌尤其是蠟狀芽孢桿菌具有抑制作用。

與柑橘類其他水果不同的是金橘可以連皮食用，因此VOC的組成和含量是影響其質地、風味和味道的重要因素[14]。在金橘的VOC中，萜烯是最主要的化合物，其中(d)-檸檬烯是最豐富的化合物，其比例高于其他柑橘類水果，例如柚子（78%）、檸檬（65%）、青檸（52%）、寬皮柑橘（86%～90%）、橙子（88%～90%）和夏橙（80%～82%）[15]。早期對于金橘的研究，主要集中在金橘提取物的抗氧化性和抗菌性能[13,16-18]，近年來，頂空固相微萃取-氣相色譜-質譜（headspace solid phase microextraction-gas chromatography-mass spectrometry，HS-SPME-GC-MS）廣泛應用于檢測水果的VOC，具有方便快捷、靈敏度高、選擇性與重復性好的特點，能較真實地反映水果樣品揮發性物質的基本組成[19]。因此，本實驗通過優化HSSPME-GC-MS條件，對不同產地的3 種金橘樣品進行檢測，通過PCA和層次聚類分析，旨在為進一步研究金橘的風味和品質提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

瀏陽金彈由湖南省瀏陽市金橘合作社提供；融安油皮金橘和陽朔脆皮金橘由湖南省長沙市大鮮果園提供。將樣品洗凈晾干后，去核并粉碎，存于-80 ℃冰箱備用。

環己酮、氯化鈉（均為分析純） 生工生物工程（上海）股份有限公司。

1.2 儀器與設備

7890A-5975C型GC-MS聯用儀、DB-5石英毛細管柱（30 m×0.25 mm，0.25 μm） 美國Agilent公司；SPME裝置、50/30 μm二乙烯基苯/碳分子篩/聚二甲基硅氧烷（divinylbenzene/carboxen/polydimethylsiloxane，DVB/CAR/PDMS）萃取頭、65 μm DVB/PDMS萃取頭、85 μm CAR/PDMS萃取頭 美國Supelco公司。

1.3 方法

1.3.1 單因素試驗

選擇對金橘揮發性成分影響較大的不同涂層SPME纖維萃取頭、萃取溫度、萃取時間、樣品質量以及解吸時間進行優化分析，以總峰面積作為考察指標進行單因素試驗。

萃取頭：準確稱取3.0 g金彈樣品于20 mL頂空進樣瓶中，加入3 mL飽和氯化鈉溶液和2 μL環己酮（內標物），用聚四氟乙烯隔墊密封瓶蓋旋緊，上機檢測。在保持萃取溫度50 ℃、萃取時間50 min、解吸時間5 min及其他條件不變的情況下，對50/30 μm DVB/CAR/PDMS、65 μm DVB/PDMS、85 μm CAR/PDMS 3 種萃取頭進行篩選。

萃取時間：保持萃取溫度50 ℃、樣品質量3.0 g、解吸時間5 min及其他條件不變的情況下，分別對萃取時間30、40、50、60、70 min進行考察，確定最優萃取時間。

萃取溫度：在保持萃取時間50 min、樣品質量3.0 g、解吸時間5 min及其他條件不變的情況下，分別對萃取溫度30、40、50、60、70 ℃進行考察，確定最優萃取溫度。

樣品質量：在保持萃取溫度50 ℃、萃取時間50 min、解吸時間5 min及其他條件不變的情況下，分別對樣品質量2、2.5、3、3.5 g進行考察，確定最優樣品質量。

解吸時間：在保持萃取溫度50 ℃、萃取時間50 min、樣品質量3.0 g及其他條件不變的情況下，分別對解吸時間3、4、5、6 min進行考察，確定最優解吸時間。

1.3.2 響應面優化試驗

在單因素試驗基礎上，進一步對萃取溫度、萃取時間和樣品質量進行響應面分析。應用Box-Behnken試驗設計原理，以總峰面積為響應值，進行3因素3水平響應面試驗（表1），確定HS-SPME-GC-MS分析金橘香氣成分的最佳條件。

表1 響應面試驗因素與水平Table 1 Factors and levels used for Box-Behnken design

1.3.3 GC-MS條件

GC條件：DB-5色譜柱（30 m×0.25 mm，0.25 μm）；升溫程序：35 ℃保持5 min，以3 ℃/min升至180 ℃，保持2 min，再以5 ℃/min升至240 ℃，保持2 min；進樣口溫度250 ℃；不分流進樣；載氣為氦氣（純度＞99.999%）；載氣流速1 mL/min。

MS條件：電子電離源；電子能量70 eV；傳輸線溫度280 ℃；離子源溫度230 ℃；四極桿溫度150 ℃；質量掃描范圍m/z35～400。

1.3.4 揮發性化合物定性和半定量分析

GC-MS實驗數據由系統自帶軟件處理，金橘樣品的揮發性成分通過與計算機商業譜庫NIST 2011比對，僅保留匹配值在80以上的揮發性成分。

本實驗中鑒定分析并非絕對含量，而是相對于內標物的相對含量，主要通過總離子流圖各峰的峰面積定量分析，每個樣品重復3 次，含量以μg/g表示。

1.3.5 氣味活度值（odor active value，OAV）計算

按下式計算OAV，OAV不小于1的化合物被確定為金橘中的活性香氣化合物。

式中：Ci為金橘揮發性成分的含量/（μg/g）；OTi為揮發性成分i在水中的香氣閾值/（μg/g）。

1.4 數據處理

SPSS 22.0軟件用于樣本間的顯著性差異分析和PCA，Origin 2017軟件作圖。聚類分析使用R語言。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 萃取頭對萃取效果的影響

不同種類目標萃取物，需要不同類型的吸附質涂層萃取[20]。由圖1可知，DVB/CAR/PDMS萃取頭得到的總峰面積最大（是其他2 種萃取頭的2 倍）且誤差相對較小，萃取效果最佳，而CAR/PDMS萃取頭和DVB/PDMS萃取頭得到的總峰面積一樣。因此，選取DVB/CAR/PDMS型號萃取頭。

圖1 萃取頭對VOC萃取效果的影響Fig. 1 Effect of extraction fiber on the extraction efficiency of VOCs

2.1.2 萃取時間對萃取效果的影響

待測物在萃取頭涂層與氣相之間的平衡需要時間[21]。如圖2所示，隨著萃取時間的延長，總峰面積呈現先升后降的趨勢，在60 min達到最高。在其他條件不變的前提下，SPME纖維頭在頂空瓶內達到吸附與解吸的動態平衡時有最大吸附量[22]，說明在60 min時，金橘VOC的吸附與解吸已達到動態平衡，而隨著時間延長，VOC解吸導致了總峰面積的下降，因此確定最佳萃取時間為60 min。

圖2 萃取時間對VOC萃取效果的影響Fig. 2 Effect of extraction time on the extraction efficiency of VOCs

2.1.3 萃取溫度對萃取效果的影響

萃取溫度對萃取效果的影響主要是通過影響樣品在三相間的分配系數和擴散系數實現[23]。由圖3可知，溫度升高，樣品的擴散系數增大，擴散速度隨之增大，而高溫容易降低纖維頭吸附揮發物質的能力，不利于對樣品的吸附。由圖3可知，隨著萃取溫度的升高，總峰面積不斷增加，在50 ℃時達到最高，隨著溫度的繼續升高，總峰面積開始顯著下降，因此將50 ℃確定為最佳萃取溫度。

美國國立衛生研究院基金要求遵守的相關要求和條款包括立項通知書中規定的相關條款和特別條款、聯邦基金相關法案的條款、《美國國立衛生研究院資助政策聲明》的相關要求和條款。

圖3 萃取溫度對VOC萃取效果的影響Fig. 3 Effect of extraction temperature on the extraction efficiency of VOCs

2.1.4 樣品質量對萃取效果的影響

萃取瓶的容量固定，樣品質量太少則揮發性物質太少而不易分析，樣品質量太多，則容易造成擠壓導致氣體不易揮發出來[20]。由圖4可知，隨著樣品質量的增加，總峰面積先呈現上升的趨勢，當樣品質量達到3.0 g時，總峰面積達到最高，之后開始顯著降低。原因是樣品質量影響樣品瓶中氣相和液相的體積比，影響香氣物質在兩相的分配比[24]。同時，當樣品質量過多，會導致預熱時受熱不均勻，影響萃取效果[25]。因此最佳樣品質量確定為3.0 g。

圖4 樣品質量對VOC萃取效果的影響Fig. 4 Effect of sample mass on the extraction efficiency of VOCs

2.1.5 解吸時間對萃取效果的影響

解吸時間越長，萃取的物質越多，但也可能會導致萃取頭上的物質分解，影響萃取結果[26]。由圖5可知，隨著解吸時間的延長，總峰面積先呈現上升趨勢，在5 min時達到最高值，之后隨著解吸時間繼續延長，總峰面積呈現下降趨勢。原因可能是時間太短，解吸附不夠，時間過長，進樣口溫度高導致部分VOC分解。因此，確定最佳解吸時間為5 min。

圖5 解吸時間對VOC萃取效果的影響Fig. 5 Effect of desorption time on the extraction efficiency of VOCs

2.2 響應面試驗優化分析

表2Box-Behnken試驗設計與結果Table 2 Box-Behnken design in terms of coded data with total peak area as response variable

試驗設計及結果見表2。利用Design-Expert對試驗數據進行多元回歸分析，得到回歸擬合方程如下：Z＝4.39-0.56A+0.25B+0.26C-0.28AB+0.13AC-0.10BC+0.024A2-0.14B2-0.066C2。

對上述二次回歸方程進行方差分析，由表3可以看出，萃取溫度對結果影響極顯著（P＜0.01），模型顯著（P＜0.05），失擬項不顯著（P＞0.05），表明所建立的模型可用于金橘中VOC總峰面積的分析。根據F值大小，各因素對金橘VOC總峰面積的影響程度為萃取溫度＞樣品質量＞萃取時間。

表3 回歸模型方差分析Table 3 Analysis of variance of regression model

圖6 各因素交互作用對金橘VOC總峰面積影響的響應面Fig. 6 Response surface and contour plots showing the interactive effect of various factors on total peak area of VOCs in Kumquats

為了確定響應面法所得結果的可靠性，利用Design-Expert軟件進行分析，得到最佳金橘VOC檢測條件為萃取溫度40 ℃、萃取時間70 min、樣品質量3.0 g，預測金橘揮發性物質峰面積為5.4×1010。以此條件重復3 次實驗，得金橘揮發性物質峰面積為5.1×1010，與理論預測值相差較小，表明該響應面回歸模型具有可行性。

2.3 3 種金橘中揮發性化合物分析

在HS-SPME-GC-MS最優條件下，分別對瀏陽金彈、融安油皮金橘和陽朔脆皮金橘進行檢測，結果見表4。共得到76 種揮發性成分，主要有6大類，分別為49 種萜烯、11 種醇類、5 種醛類、4 種酯類、3 種酮類、4 種烷烴類。其中，瀏陽金彈檢測出62 種VOC，陽朔脆皮金橘58 種，融安油皮金橘48 種。在3 種金橘樣品中含量較高的揮發性化合物有(d)-檸檬烯（1 188.56～3 952.03 μg/g），其次是月桂烯（67.08～380.77 μg/g）、D-大根香葉烯（18.08～103.53 μg/g）、β-欖香烯（12.70～53.98 μg/g）、芳樟醇（21.55～39.67 μg/g）和乙酸香葉酯（85.14～119.66 μg/g）。除了乙酸香葉酯在融安油皮金橘中未檢測到之外，其余5 種揮發性成分是他們的共有成分。(d)-檸檬烯、月桂烯和D-大根香葉烯在3 種金橘中相對含量差異顯著，在陽朔脆皮金橘中相對含量最高，其次是瀏陽金彈，在融安油皮金橘中相對含量最小。β-欖香烯在陽朔脆皮金橘和瀏陽金彈中相對含量差異不顯著。芳樟醇在瀏陽金彈中相對含量顯著高于陽朔脆皮金橘。研究結果與相關文獻報道基本一致[14,27-28]，但并不完全符合，這可能是因為品種、成熟度及產地差異所致。

3 種金橘共有的VOC有35 種，不同產地金橘都具有獨特的VOC成分。瀏陽金彈所特有的VOC有香樹烯、4-異丙基-1,6-二甲基-1,2,3,7,8,8a-六氫萘、4-蒈烯、α-芹子烯、(-)-馬兜鈴烯、(E)-(+)-異檸檬烯、香芹醇和(+)-二氫香芹酮。陽朔脆皮金橘特有的VOC有2-蒈烯、(E)-菖蒲萜烯、十二醛、十一烷和8-異亞丙基雙環[5.1.0]辛烷。融安油皮金橘特有的VOC有(2E,4E,6E)-3,4-二甲基-2,4,6-辛三烯、氧化檸檬烯、佛術烯、β-愈創木烯、β-萜品烯、β-羅勒烯和二氫香芹酮。

表4 HS-SPME-GC-MS鑒定的3 種金橘成分及其含量Table 4 Contents of aroma compounds in three kumquat varieties identified by HS-SPME-GC-MS

續表4

與其他柑橘類水果相同，萜烯類化合物是金橘中最豐富的成分。通過VOC濃度除以感官閾值計算每種化合物的OAV。當OAV大于1時，OAV與香氣化合物對整體香氣的貢獻呈正相關。當OAV小于1時，香氣化合物起負作用[7]。由表5得出，所測金橘中共有23 種風味化合物OAV大于1。值得注意的是，萜烯類化合物種類減少，反而包含了許多醇類、醛類和酯類，這與已報道的研究相符[25]。(d)-檸檬烯雖然是柑橘類水果揮發性成分中最豐富的化合物，但對它們香氣的影響并不大[29]。反而低濃度的化合物，特別是醛和酯，對柑橘類水果的風味影響更大[30]。OAV大于1 000的有月桂烯（天竺葵味）、(d)-檸檬烯（柑橘，檸檬，薄荷味）、芳樟醇（花香，果香，甜味）、癸醛（柑橘，青草味，脂肪味）和紫蘇醛（青草味，油脂味）。OAV大于100的有(Z)-β-羅勒烯（植物的味道）、α-蒎烯（松木香）、己醛（青草香，肥皂味）、葉醛（青草香）、乙酸香葉酯（檸檬，玫瑰和薰衣草香）和(d)-香芹酮（薄荷香）。

表5 金橘中VOC的OAVTable 5 OAVs of VOCs detected in kumquats

在瀏陽金彈中，芳樟醇和紫蘇醛的OAV明顯大于其他2 種金橘，這2 種化合物表達出花香，果香和油脂的味道。表5顯示，對瀏陽金彈香氣貢獻最大的是月桂烯、(d)-檸檬烯、芳樟醇和癸醛，表達出柑橘、薄荷的香氣。而總體來說，大部分香氣活性成分在陽朔脆皮金橘中的OAV相比另外2 種金橘更大，有月桂烯、(d)-檸檬烯和癸醛等。陽朔脆皮金橘中獨特的香氣活性成分有月桂醛，這種化合物表達出柑橘油脂香和松葉油脂香。相比前2 種金橘，融安油皮金橘突出的香氣活性物質為月桂烯、(d)-檸檬烯、芳樟醇和己醛，其含有的獨特成分是氧化檸檬烯，表達出花香和甜香。

2.4 3 種金橘中揮發性化合物的PCA

對表5化學物質按各自類別進行編號后（Z1～Z23），采用SPSS 22.0軟件進行PCA。共提取3 個主成分，累計貢獻率為97.1%，其中PC1貢獻率62.5%，PC2貢獻率30.2%，累計貢獻率92.7%，前2 個PC已經包含金橘香氣的絕大部分信息量（表6）。如圖7所示，3 種金橘具有明顯的區域分布。陽朔脆皮金橘在PC1上得分最高，這表明在PC1上有較高載荷的VOC如Z1、Z2、Z3、Z7、Z8和Z20等，在陽朔脆皮金橘中含量較高。瀏陽金彈在PC2上得分最高，而在PC1上的分很低，因此在PC2上載荷較高的VOC如Z7、Z11、Z15、Z19、Z23，在瀏陽金彈中含量較高，而在PC1上載荷較高的VOC在瀏陽金彈中含量較低。而融安油皮金橘在PC1和PC2上的得分都很低，位于第3象限，分布在第3象限的揮發性成分Z9、Z14、Z16在融安油皮金橘中含量較高。

圖7 不同品種金橘的揮發性成分的PCAFig. 7 PCA score scatter and loading plots of volatile components in different varieties of kumquat

表6 5 個PC的特征值及其貢獻率Table 6 Eigenvalues, contribution rates and cumulative contribution rates of first five principal components

2.5 3 種金橘中揮發性化合物的聚類分析

為了進一步確認金橘樣本之間的差異，對表5中的化學物質（Z1～Z23）進行聚類分析。如圖8所示，可以更加明顯區分3 種金橘。結果表明，瀏陽金彈和陽朔脆皮金橘中VOC有部分高度相似，例如α-石竹烯、(Z)-β-羅勒烯、癸醛和乙酸香葉酯等。α-蒎烯、芳樟醇、α-松油醇和(d)-香芹酮等對瀏陽金彈有更好的辨別能力，可作為瀏陽金彈的特征性組分。而異松油烯、月桂醛、葉醛、月桂烯和乙酸橙花酯等在瀏陽金彈和融安油皮金橘中得分低甚至不存在，但在陽朔脆皮金橘中得分高，可作為區別其他2 個品種的目標物質。融安油皮金橘的香氣與氧化檸檬烯、橙花醇和己醛等顯著相關，能作為目標物質區分融安油皮金橘與其他2 個品種。結果證明，通過聚類分析能將3 個品種完全區分。上述結果與PCA結果一致。

圖8 不同品種金橘的揮發性成分聚類分析熱圖Fig. 8 Heat map from cluster analysis of volatile components in different varieties of kumquat

3 結 論

本研究采用HS-SPME-GC-MS分析3 種金橘的香氣成分，共鑒定出6 類物質共計76 種香氣成分。結果表明，(d)-檸檬烯、月桂烯、D-大根香葉烯、β-欖香烯、芳樟醇和乙酸香葉酯等是含量較豐富的香氣成分。其中香樹烯、4-蒈烯、α-芹子烯、(-)-馬兜鈴烯、(E)-(+)-異檸檬烯、香芹醇和(+)-二氫香芹酮等是瀏陽金彈中的特有香氣成分。陽朔脆皮金橘特有的香氣成分有2-蒈烯、(E)-菖蒲萜烯、十二醛和十一烷等。融安油皮金橘中特有的香氣成分有氧化檸檬烯、佛術烯、β-愈創木烯、β-萜品烯和β-羅勒烯等。

采用OAV法對3 種金橘的香氣成分進行分析，有23 種香氣成分的OAV大于1，其中OAV得分較高的是月桂烯、(d)-檸檬烯、芳樟醇、癸醛、紫蘇醛、(Z)-β-羅勒烯、α-蒎烯和己醛等，這些物質對金橘的直接風味貢獻較大。

總體來看，3 種金橘香氣成分的含量、組成和特征香氣均有一定的差異。通過PCA和聚類分析，3 種金橘的香氣成分因產地和品種不同有所區別。研究結果可為金橘香氣品質的科學評價以及通過香氣成分追溯金橘產地和品種等提供重要科學依據，對于其中具體香氣成分形成和轉化的機理還有待進一步研究。