基于氣相離子遷移譜的不同產(chǎn)地生姜揮發(fā)性有機物指紋圖譜分析

郭家剛，楊 松，丁思年，伍玉菡，朱 倩，杜京京，江 艦,

（1.安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，安徽 合肥 230031；2.安徽谷瑞農(nóng)業(yè)科技開發(fā)有限公司，安徽 六安 231380）

生姜（Zingiber officinaleRoscoe）為姜科多年生草本植物根莖，具有獨特的辛辣味，是傳統(tǒng)的藥食兩用經(jīng)濟作物[1-3]。生姜中不僅含有蛋白質(zhì)、維生素、膳食纖維等人體必需營養(yǎng)物質(zhì)，而且富含揮發(fā)油、姜辣素、黃酮和多糖等多種生物活性成分[4]，具有消炎[5]、抑菌[6-8]、抗氧化[9-10]、抗癌[11]和預(yù)防肥胖[12]等作用，在食品、醫(yī)藥和化妝品等領(lǐng)域均有較高的應(yīng)用價值[13-14]。我國生姜種質(zhì)資源豐富，分布廣泛，生姜栽培面積和出口量均位居世界第一[15]，且優(yōu)質(zhì)品種繁多，有云南小黃姜、銅陵白姜、萊蕪片姜、舒城黃姜、遵義白姜等地方特色品種[16]。不同產(chǎn)地生姜品種，受地域差異、氣候環(huán)境和生產(chǎn)條件的影響，生姜的品質(zhì)和風(fēng)味具有一定的差異。生姜的特征揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)不僅是指導(dǎo)消費者采購的重要感官指標之一，而且是影響生姜品質(zhì)和加工特性的重要因素，其成分及含量對生姜精深加工和綜合利用起十分關(guān)鍵的作用[17]。因此，建立一種能夠快速反映生姜風(fēng)味品質(zhì)并對其特征風(fēng)味物質(zhì)進行鑒別的分析方法，是目前生姜品質(zhì)評價亟待解決的問題。

電子鼻、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用、氣相色譜-嗅聞技術(shù)是目前常用的揮發(fā)性物質(zhì)分析方法，國內(nèi)外學(xué)者運用這些技術(shù)手段在生姜揮發(fā)性成分研究方面取得了重要進展[18-22]。隨著現(xiàn)代儀器分析技術(shù)的發(fā)展，新的技術(shù)手段被應(yīng)用到揮發(fā)性物質(zhì)分析，氣相離子遷移譜（gas chromatography-ion mobility spectrometry，GC-IMS）是近年發(fā)展起來的一項分析技術(shù)，該技術(shù)將GC的高分離度與IMS的高靈敏度相結(jié)合，通過頂空進樣分析固體或液體的頂空成分，可對目標化合物進行無損定性分析，因其具有操作簡單、分析周期短、靈敏度高等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于果蔬、肉類、乳品飲料等的產(chǎn)地溯源、品質(zhì)評價、食品摻假[23-28]等領(lǐng)域，而將GC-IMS用于生姜揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的分析研究鮮見報道。

本研究以安徽銅陵、臨泉和舒城的3 個不同主產(chǎn)地生姜品種為研究對象，采用GC-IMS技術(shù)結(jié)合相關(guān)性分析和主成分分析（principal component analysis，PCA）法對其特征風(fēng)味進行測定與分析，構(gòu)建安徽不同產(chǎn)地生姜特征風(fēng)味物質(zhì)GC-IMS庫，以期確定不同產(chǎn)地、不同品種生姜特征風(fēng)味物質(zhì)，為生姜品質(zhì)評價、產(chǎn)地溯源與加工品種的選育提供理論依據(jù)和參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

生姜分別采自安徽省3 個主產(chǎn)地，均為管理水平良好的基地，具體信息見表1，采收生姜成熟度一致，每個品種生姜樣品采集后，由塑料包裝袋包裝并立即送至實驗室，用去離子水洗去表面污濁物，在室溫下風(fēng)干，制漿后，置于－18 ℃冰箱密封貯藏，備用。

表1 不同產(chǎn)地生姜樣品采集信息Table 1 Information about ginger samples from different regions

丁酮、2-戊酮、2-己酮、2-庚酮、2-辛酮、2-壬酮（均為分析純） 北京國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

JYL-Y92高速破壁料理機 九陽股份有限公司；ME204電子顯示天平 梅特勒-托利多（上海）儀器有限公司；Milli-Q去離子水發(fā)生器 美國Millipore公司；20 mL頂空進樣瓶 上海安譜實驗科技股份有限公司；Flavour Spec?GC-IMS聯(lián)用儀（配有CTC PAL RSI自動頂空進樣器） 德國G.A.S.mbH公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品處理

每個品種生姜樣品經(jīng)解凍、勻漿后，分別稱取待測樣各1.00 g置于20 mL頂空進樣瓶中，密封后備用，每個生姜樣品做3 個平行，用于GC-IMS分析。

1.3.2 GC-IMS測定條件

采用自動頂空進樣方式；頂空孵化溫度40 ℃；孵化時間15 min；孵化轉(zhuǎn)速500 r/min；頂空進樣針溫度85 ℃；進樣量500 μL，不分流模式；色譜柱FS-SE-54-CB-1柱（15 m×0.53 mm，1 μm）；柱溫70 ℃；分析時間30 min；載氣為高純氮氣（純度≥99.999%）；柱流速初始為2 mL/min，保持2 min，2～10 min柱流速線性增加至10 mL/min，10～20 min柱流速線性增加至100 mL/min，20～30 min柱流速線性增加至130 mL/min；漂移管溫度45 ℃；飄逸氣為高純氮氣（純度≥99.999%）；飄逸氣體流速150 mL/min；IMS檢測器溫度45 ℃。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用儀器配置的LAV（Laboratory Analytical Viewer）分析軟件，根據(jù)保留時間和遷移時間，與GCIMS Library Search軟件內(nèi)置的NIST數(shù)據(jù)庫和IMS數(shù)據(jù)庫比對進行特征風(fēng)味物質(zhì)定性分析，并使用正酮C4～C9（2-丁酮、2-戊酮、2-己酮、2-庚酮、2-辛酮、2-壬酮）計算保留指數(shù)（retention index，RI），作為外標對鑒定結(jié)果進行驗證，RI按下式計算：

式中：tx為化合物x的保留時間/s；tn和tn＋1分別為正酮n和正酮n＋1的保留時間/s（tn＜tx＜tn＋1）。

Reporter和Gallery插件程序構(gòu)建揮發(fā)性有機物的差異圖譜和指紋圖譜；Dynamic PCA plug-ins插件程序進行相似度分析與PCA。采用軟件Excel對數(shù)據(jù)進行處理，化合物含量為歸一化后的相對峰體積，采用Origin 9.0軟件進行統(tǒng)計分析與作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同產(chǎn)地生姜揮發(fā)性物質(zhì)差異對比

采用GC-IMS儀器LAV分析軟件中的Reporter插件程序?qū)Σ煌a(chǎn)地生姜揮發(fā)性成分進行三維對比，結(jié)果見圖1。紅色垂直線表示反應(yīng)離子峰。反應(yīng)離子峰兩側(cè)的每一個點代表一種揮發(fā)性成分，以點的顏色和面積表示揮發(fā)性成分含量大小，點的顏色越深、面積越大表示該物質(zhì)含量越高，紅色點表示物質(zhì)含量較高，而白色點表示含量較低，圖1可以直觀比較不同產(chǎn)品生姜的揮發(fā)性成分差異。

圖1 不同產(chǎn)地生姜揮發(fā)性成分三維GC-IMS分析譜圖Fig.1 Three-dimensional GC-IMS spectra of characteristic flavor compounds in ginger samples from different regions

如圖2所示，3 個不同產(chǎn)地生姜揮發(fā)性成分可以通過GC-IMS技術(shù)得到較好分離檢測，不同產(chǎn)地生姜之間揮發(fā)性物質(zhì)的組成差別不大，對于具有相同保留時間和遷移時間的揮發(fā)性物質(zhì)（同一化合物），不同產(chǎn)地生姜的含量存在較大差異，具有各自不同的特征譜信息。圖中方框區(qū)域的揮發(fā)性成分在不同產(chǎn)地生姜中含量差異較大，其中紅色區(qū)域內(nèi)揮發(fā)性成分在銅陵生姜中含量較高，在舒城生姜中含量相對較低；而黃色區(qū)域內(nèi)的揮發(fā)性成分在舒城生姜中含量相對較高，在其他產(chǎn)地生姜中含量較低。

圖2 不同產(chǎn)地生姜揮發(fā)性成分二維GC-IMS分析譜圖Fig.2 Two-dimensional GC-IMS spectra of characteristic flavor compounds in ginger samples from different regions

2.2 生姜揮發(fā)性風(fēng)味成分GC-IMS定性分析

通過比較不同產(chǎn)地生姜揮發(fā)性風(fēng)味成分的保留時間和遷移時間，使用外標正酮C4～C9作為參考，計算揮發(fā)性物質(zhì)的RI，并利用GC-IMS中Library Search內(nèi)置的NIST 2014數(shù)據(jù)庫和IMS遷移時間數(shù)據(jù)庫進行匹配，從而對揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)進行定性分析。3 個產(chǎn)地生姜樣品共檢出揮發(fā)性物質(zhì)96種，根據(jù)數(shù)據(jù)庫定性分析后，可以定性檢出60種揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)，如表2所示，主要包括萜烯類14種、醛類16種、醇類9種、酯類8種、酮類6種、酸類4種、醚類2種、吡嗪類1種，其中有些化合物同時檢測出了單體和二聚體，甚至三聚體和多聚體。

表2 不同產(chǎn)地生姜特征風(fēng)味物質(zhì)定性分析Table 2 Qualitative analysis of characteristic flavor compounds in ginger samples from different regions

續(xù)表2

3 個產(chǎn)地生姜中揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)種類基本一致，但不同種類化合物所占比例略有區(qū)別。通過峰體積歸一化法測得銅陵生姜中萜烯類占34.95%，酸類占26.07%，酯類占15.24%，醛類占11.62%，醇類占5.17%，酮類占2.87%，醚類占4.00%，吡嗪類占0.07%；臨泉生姜中萜烯類占34.76%，酸類占24.47%，酯類占14.39%，醛類占12.14%，醇類占5.21%，酮類占3.96%，醚類占5.01%，吡嗪類占0.07%；舒城生姜中萜烯類占34.86%，酸類占27.26%，酯類占9.45%，醛類占14.91%，醇類占5.42%，酮類占4.61%，醚類占3.38%，吡嗪類占0.11%。金合歡烯是生姜中重要的萜烯類風(fēng)味物質(zhì)，有花香并伴有香脂香氣[29-30]，約占萜烯類化合物的50%以上，其在3 個產(chǎn)地生姜中的含量無顯著性差異，其中銅陵生姜中相對含量為14.28%，臨泉生姜為14.94%，舒城生姜為14.57%。

2.3 不同產(chǎn)地生姜特征風(fēng)味GC-IMS指紋圖譜分析

不同產(chǎn)地、品種生姜特征風(fēng)味指紋圖譜的構(gòu)建可為生姜品質(zhì)評價和產(chǎn)地溯源提供有效手段。為進一步分析比較不同產(chǎn)地生姜樣品之間揮發(fā)性風(fēng)味化合物之間的差異，采用LAV分析軟件中Reporter和Gallery Plot插件構(gòu)建不同產(chǎn)地生姜特征揮發(fā)性成分的指紋圖譜，以識別不同產(chǎn)地生姜的特征峰區(qū)域。

由圖3可知，不同產(chǎn)地生姜的揮發(fā)性風(fēng)味化合物分布不同，各自有特征峰區(qū)域，同時也存在共同區(qū)域。a區(qū)域為銅陵生姜的特征風(fēng)味物質(zhì)區(qū)域，包括乙酸異戊酯、乙酸龍腦酯、月桂烯等物質(zhì)。b區(qū)域為臨泉生姜的特征風(fēng)味物質(zhì)區(qū)域，包括1-己醇、2-己烯醇、香茅醇、庚醛、壬醛、2-庚酮、2-壬酮、丁酸戊酯、3,4-二甲基苯甲醚等物質(zhì)。c區(qū)域為舒城生姜的特征風(fēng)味物質(zhì)區(qū)域，包括芳樟醇、乙醇、檸檬醛、(E)-2-辛烯醛、戊醛、苯甲醛、乙酸乙酯、己酸丙酯、辛酸、2-乙酰基呋喃、甲基吡嗪、丙酮等物質(zhì)。d區(qū)域為銅陵生姜、臨泉生姜和舒城生姜的共同風(fēng)味物質(zhì)區(qū)域，包括金合歡烯、(E)-2-癸烯酸、α-萜品醇、桉樹醇、α-甲基芐醇、2-甲基-1-丙醇、莰烯、α-蒎烯、β-蒎烯、(E)-2,4-辛二烯醛、(E)-2,4-庚二烯醛、正己醛、丁基硫醚、己酸等物質(zhì)。

圖3 不同產(chǎn)地生姜揮發(fā)性成分指紋圖譜Fig.3 Fingerprints of volatile components of ginger from different production areas

2.4 不同產(chǎn)地生姜相似度與PCA

采用LAV軟件對不同產(chǎn)地生姜的揮發(fā)性成分進行相似度分析，結(jié)果見表3。同一產(chǎn)地生姜的各平行樣品之間揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的相似度都在94%以上。銅陵生姜和臨泉生姜樣品揮發(fā)性成分的相似度為84%～90%，銅陵生姜與舒城生姜樣品揮發(fā)性成分的相似度為70%～76%，臨泉生姜和舒城生姜樣品揮發(fā)性成分的相似度為71%～75%。由此可知，銅陵生姜和臨泉生姜樣品之間的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)之間的差異較小，而舒城生姜與銅陵生姜、臨泉生姜之間的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)均存在較大差異。

表3 不同產(chǎn)地生姜揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的相似度Table 3 Similarity of volatile flavor components in ginger from different regions%

PCA可以簡化數(shù)據(jù)并揭示變量間的相互關(guān)系，其作為一種多元統(tǒng)計分析技術(shù)已廣泛應(yīng)用于果蔬品質(zhì)差異分析[31]。根據(jù)不同產(chǎn)地生姜揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)離子遷移指紋圖譜和特征峰圖，采用Dynamic PCA plug-ins軟件進行PCA處理，可以更直觀地判別區(qū)分不同產(chǎn)地生姜。由圖4可知，PC1貢獻率為62%，PC2貢獻率為25%，PC1和PC2的累計貢獻率為87%，表明PC1、PC2總貢獻率包含了生姜樣品的大部分信息，能代表生姜樣品揮發(fā)性風(fēng)味的主要特征。從圖4可以看出，舒城生姜和銅陵生姜距離最遠，表明這2種生姜之間的風(fēng)味存在較大差異，而銅陵生姜和臨泉生姜距離較近，表明這2種生姜之間的風(fēng)味差異較小。PCA結(jié)果表明，GC-IMS分析結(jié)果能夠較好地判別和區(qū)分不同產(chǎn)地（銅陵、臨泉、舒城）的生姜。

圖4 不同產(chǎn)地生姜PCA圖Fig.4 Principal component analysis of ginger samples from different regions

3 結(jié) 論

本研究采用GC-IMS分析技術(shù)檢測銅陵生姜、臨泉生姜和舒城生姜3 個安徽不同產(chǎn)地生姜的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)，共鑒定出60種化合物，主要包括萜烯類、醛類、酸類、醇類、酯類等成分。通過構(gòu)建生姜GC-IMS風(fēng)味指紋圖譜，明確了安徽不同產(chǎn)地生姜的特征風(fēng)味物質(zhì)。利用相關(guān)性和PCA處理，不同產(chǎn)地生姜樣品得到了較好區(qū)分。GC-IMS分析技術(shù)具有簡單、快速、無損等優(yōu)點，可為生姜揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)分析及不同產(chǎn)地、不同品種生姜的風(fēng)味鑒別和品質(zhì)評價提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。