頂空氣相離子遷移譜結(jié)合化學(xué)計(jì)量法快速鑒定紅棗片品質(zhì)和加工方式

閆新煥，劉雪梅，潘少香，譚夢男，孟曉萌，宋 燁

（中華全國供銷合作總社濟(jì)南果品研究院，山東濟(jì)南 250014）

紅棗（Zizyphus jujubecv.Hongzao）營養(yǎng)豐富，含蛋白質(zhì)2.92%，粗脂肪0.96%，多糖55%～80%，粗纖維2.41%，還含有多種維生素、礦物質(zhì)等，是重要的滋補(bǔ)食品和藥用食品，又是食品工業(yè)的重要原料，用途廣泛[1-3]。紅棗自古以來就是養(yǎng)生佳品，中醫(yī)界認(rèn)為紅棗具有健脾、養(yǎng)胃、補(bǔ)血、護(hù)肝、益氣、安神等功效。近年來，除少量品種鮮食和加工成副產(chǎn)品外，大部分的紅棗被制成干制品進(jìn)行銷售[4-5]。其中紅棗片因其口感酥脆，色香味俱全，已成為家庭必備養(yǎng)生果品，消費(fèi)量連年增大，紅棗片加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭迅猛。目前常見的加工方式為熱風(fēng)干燥、真空冷凍干燥、微波干燥和油炸等。研究表明，不同的加工方式對紅棗片品質(zhì)、營養(yǎng)成分、揮發(fā)性成分的種類及含量等均有較大的影響[6-10]，且在加工過程中香氣成分極易損失[11]，導(dǎo)致產(chǎn)品無棗香味或棗香味不突出，或產(chǎn)生明顯的焦糊味甚至苦味，品質(zhì)極大降低[12-14]。

目前，現(xiàn)有的紅棗片品質(zhì)鑒別方法主要是對營養(yǎng)成分、質(zhì)構(gòu)特性、微觀結(jié)構(gòu)、香氣成分等進(jìn)行分析[15-17]，這些鑒別方法對樣品均具有一定的破壞性，耗時長，涉及的檢測儀器復(fù)雜。氣相色譜-離子遷移譜方法（gas chromatography-ion mobility spectrometry，GC-IMS）具有無需任何樣品前處理（無損）、簡便、快速、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，近年來被廣泛應(yīng)用于復(fù)雜體系構(gòu)成的食品與農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)分析，特別是食品特征風(fēng)味有機(jī)揮發(fā)組分的快速檢測、識別等[18-19]。主成分分析（principal component analysis，PCA），是將多個變量通過線性變換以選出較少個數(shù)重要變量的一種多元統(tǒng)計(jì)分析方法[20]，已廣泛應(yīng)用于食品中香味成分的分析。目前還沒有利用氣相色譜-離子遷移譜結(jié)合感官品評和主成分分析方法，快速鑒定紅棗片品質(zhì)及其加工方式的相關(guān)研究報(bào)道。因此，本研究針對上述問題，利用GC-IMS 結(jié)合PCA 和最小偏二乘法（PLS）監(jiān)控紅棗片樣品在加工過程中揮發(fā)性有機(jī)物質(zhì)的變化，以實(shí)現(xiàn)對紅棗片的加工方式和品質(zhì)的快速判定，同時為優(yōu)化紅棗片的加工工藝提供參考，提高加工品質(zhì)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紅棗原料為新疆阿拉爾地區(qū)市售灰棗，含水量25%，總糖含量69.91%。市售商品紅棗片W，購于大潤發(fā)超市（濟(jì)南）。

1.2 儀器與設(shè)備

FlavourSpec 1H1-00053 型氣相色譜-離子遷移譜，德國G.A.S 公司，配備CTC CombiPAL 自動頂空進(jìn)樣裝置；DB-5 毛細(xì)管柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm），美國Agilent 公司；20 mL 頂空進(jìn)樣瓶、密封磁帽，美國Agilent公司；AL204 電子天平（0.01 g），梅特勒-托利多儀器有限公司；DHG9140A 型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海恒科儀器有限公司；WZD4S-01 型真空微波設(shè)備，南京三樂微波技術(shù)發(fā)展有限公司；DZF-6020 型真空干燥機(jī)，上海科升儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 紅棗的預(yù)處理

先將灰棗去核、切成約0.5 cm 厚的薄片，經(jīng)不同加工工藝處理至紅棗片干基含水率≤5%。加工工藝如表1所示。

表1 不同加工工藝處理的17 種紅棗片樣品Table 1 17 kinds of jujube slices with different processing technologies

1.3.2 GC-IMS 檢測

分別稱取不同加工方式的紅棗片樣品2.0 g 于20 mL 頂空進(jìn)樣瓶中，通過預(yù)試驗(yàn)確定GC-IMS 檢測條件的主要參數(shù)見表2。

表2 GC-IMS 檢測參數(shù)Table 2 Detection parameters of GC-IMS

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用SIMCA 13.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析評價(jià)紅棗香氣質(zhì)量，用非監(jiān)督的PCA 及載荷圖（loading splot）直觀地判斷不同干制方式紅棗片的香味物質(zhì)是否存在差異；利用有監(jiān)督的正交偏最小二乘法判別分析（OPLS-DA）建立紅棗片的不同干制工藝之間的區(qū)分模型，并篩選造成不同干制工藝間差異性物質(zhì)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同加工方式紅棗片品質(zhì)感官評價(jià)方法的建立

邀請20 位評審員組建評價(jià)小組，針對感官評價(jià)實(shí)驗(yàn)的目的、感官評價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)和要求對評價(jià)小組進(jìn)行培訓(xùn)，對樣品進(jìn)行隨機(jī)編號；要求感官評價(jià)小組人員客觀、獨(dú)立的進(jìn)行評分，相互之間不交流討論。

采用定量評分法：9～10 分為紅棗香味特別濃郁，7～8 分為紅棗香味較為濃郁，5～6 分為紅棗香味一般，3～4 分為紅棗香味較平淡，0～2 分為幾乎沒有紅棗香味。

由表3 可以看出，真空干燥工藝處理的紅棗片感官評分整體高于其他加工工藝處理的紅棗片，具有明顯的棗香味；而油炸處理的紅棗片感官評分較低，有明顯的焦糊味及油膩感，推測其加工過程中可能有新物質(zhì)產(chǎn)生，棗香味逸散。

表3 16 個紅棗樣品的感官評分情況Table 3 Sensory scores of 16 kinds of dried jujube slices

2.2 不同加工方式紅棗片揮發(fā)性有機(jī)物數(shù)據(jù)庫的建立

通過熱風(fēng)干燥、微波干燥、真空干燥、油炸等四種加工方式制得的紅棗片樣品，采用FlavourSpec⑧氣相色譜-離子遷移聯(lián)用儀檢測，得到不同加工方式紅棗片樣品的氣相離子遷移譜圖和指紋圖譜。四種加工方式的紅棗片樣品的氣相離子色譜圖如圖1 所示。從圖1 中可以看出不同加工方式的揮發(fā)性有機(jī)物存在明顯的差異。對圖1 中所選分析區(qū)域進(jìn)行比對，并利用LAV 軟件的Gallery Plot 插件，自動生成指紋圖譜，結(jié)果如圖2（見第58 頁）所示。根據(jù)目前已經(jīng)定性出的揮發(fā)性有機(jī)物數(shù)據(jù)庫，四種加工方式處理的16 種紅棗片中均含有乙酸及3-羥基-2-丁酮，但含量有所差別。熱風(fēng)干燥工藝處理的紅棗片中含有較多的苯甲醛、1-辛烯-3-醇等物質(zhì)；微波干燥處理的樣品中含有較多丙酸等酸類物質(zhì)及少量γ-丁內(nèi)酯等物質(zhì)；真空干燥處理的樣品含有較多的γ-己內(nèi)酯、苯甲醇等物質(zhì)；油炸紅棗片中明顯含有糠醛、糠醇及5-甲基呋喃醛等物質(zhì)。結(jié)果顯示紅棗片經(jīng)過四種不同加工處理方式后某些揮發(fā)性有機(jī)物隨加工溫度、真空度的增加而減少，而有些揮發(fā)性有機(jī)物隨加工溫度、真空度的增加而增加。此外，還有很多物質(zhì)因數(shù)據(jù)庫限制，暫時未鑒別出，根據(jù)RI（retention index）值可結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)及氣質(zhì)的方式對未定性出的物質(zhì)進(jìn)行判斷。

圖1 四種加工方式紅棗片樣品的氣相離子遷移譜圖Fig.1 Gas ion migration chromatograms of jujube slices processed by four methods

2.3 主成分分析和偏最小二乘回歸分析

利用SIMCA 13.0 軟件對不同加工方式紅棗片樣品中的揮發(fā)性有機(jī)物數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)不同加工方式紅棗樣品的快速分類。通過SIMCA 13.0 軟件可以進(jìn)行不同加工工藝的PCA，結(jié)果如圖3（見下頁）所示。從圖3 可以看出，四種不同加工工藝處理的紅棗樣品分別聚成一類，完全分離，說明不同加工工藝處理的紅棗樣品的揮發(fā)性有機(jī)物存在明顯差異，且該模型穩(wěn)定性的累積Q2X 值達(dá)到0.903，預(yù)測能力的累積Q2Y 值達(dá)到0.987，表明所建的模型具有高度的穩(wěn)定性和預(yù)測能力，因此可對紅棗片進(jìn)行不同加工工藝的判定。

圖3 四種不同加工方式紅棗片樣品揮發(fā)性有機(jī)物主成分分析圖Fig.3 PCA of volatile organic compounds in jujube slices processed by four methods

將市售商品紅棗片W 進(jìn)行揮發(fā)性有機(jī)物檢測，在相同的檢測條件下進(jìn)行操作，檢測得到紅棗片W 揮發(fā)性有機(jī)物的氣相離子遷移譜圖，如圖4（見下頁）所示；結(jié)果與2.1 建立的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對，并利用OPLS-DA 進(jìn)行加工方式的預(yù)測，確定待測紅棗片的加工方式。紅棗片W 中揮發(fā)性有機(jī)物與不同加工方式紅棗片揮發(fā)性有機(jī)物數(shù)據(jù)庫通過OPLS-DA 進(jìn)行預(yù)測，如圖5（見下頁）所示，發(fā)現(xiàn)與熱風(fēng)干燥工藝方式的紅棗片落在同一區(qū)間且能與其他加工工藝區(qū)分開，可確定商品紅棗片W 的加工方式為熱風(fēng)干燥，與產(chǎn)品包裝所注的加工方式一致。

圖4 紅棗片W 揮發(fā)性有機(jī)物的氣相離子遷移譜圖Fig.4 Gas ion migration chromatogram of volatile organic component in jujube silices W

圖5 紅棗片樣品W 揮發(fā)性有機(jī)物主成分分析圖Fig.5 PCA of volatile organic compounds in jujube slice sample W

3 結(jié)論

FlavourSpec⑧氣相色譜-離子遷移聯(lián)用儀將氣相色譜（GC）的高分離度與離子遷移譜（IMS）的高靈敏度完美結(jié)合，能夠在固體和液體樣本的頂部空間檢測揮發(fā)性有機(jī)化合物，利用GC 突出的分離特點(diǎn)，對復(fù)雜混合物進(jìn)行預(yù)先分離，以單個組分的形式進(jìn)入到IMS 反應(yīng)區(qū)與電離區(qū)電離產(chǎn)生的試劑離子反應(yīng)生成產(chǎn)物離子，產(chǎn)物離子在離子門脈沖作用進(jìn)入遷移區(qū)進(jìn)行二維的分離，分離后離子最終被檢測[21]。本文認(rèn)識到FlavourSpec⑧氣相色譜-離子遷移聯(lián)用在風(fēng)味物質(zhì)分析上的優(yōu)勢[22]，并應(yīng)用于紅棗片品質(zhì)與加工方式的鑒別，通過分析GC-IMS 譜圖可以方便直觀地對比不同樣品間揮發(fā)性有機(jī)物的差異，四種不同干燥方式的紅棗片樣品有共同的揮發(fā)性成分區(qū)域，也有各自的特征峰區(qū)域。真空干燥樣品因反應(yīng)劇烈，化合物種類明顯多于熱風(fēng)干燥和冷凍干燥的紅棗樣品。真空干燥方式在熱風(fēng)干燥的基礎(chǔ)上增加了真空度，反應(yīng)較熱風(fēng)干燥劇烈，產(chǎn)生的物質(zhì)種類多于熱風(fēng)干燥。但還有很多物質(zhì)因數(shù)據(jù)庫限制，暫時未鑒別出，根據(jù)RI 值可結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)及氣質(zhì)的方式對未定性出的物質(zhì)進(jìn)行判斷。方法無需復(fù)雜的樣品前處理，簡單快捷，靈敏度高，一個樣品耗時為25 min，結(jié)合數(shù)據(jù)處理軟件可實(shí)現(xiàn)紅棗片品質(zhì)的快速鑒別，節(jié)省人力物力。