不同品種藍(lán)莓果實(shí)品質(zhì)和香氣物質(zhì)差異分析

魏鑫，郭丹，王宏光，劉成

（遼寧省果樹科學(xué)研究所，遼寧 營口 115009）

藍(lán)莓學(xué)名越橘，杜鵑花科（Ericaceae）越橘屬（Vaccinium spp.）多年生落葉或常綠灌木，藍(lán)莓果肉細(xì)膩，味道酸甜并有清爽宜人的香氣，種子極小，可食率達(dá)100%。藍(lán)莓果實(shí)中富含多種抗氧化物質(zhì)如花色苷、原花青素、綠原酸、黃酮醇及有機(jī)酸、維生素C、維生素E等[1-2]，具有延緩衰老、預(yù)防疾病、提高免疫力和提高記憶力的作用，可加工成果汁、果酒、果醬、酵素等，是目前具有較高經(jīng)濟(jì)價(jià)值和廣闊開發(fā)前景的果樹樹種之一，被國際糧農(nóng)組織列為人類五大健康食品之一，有“漿果之王”的美譽(yù)[3-6]。果實(shí)的品質(zhì)不僅取決于其形狀、大小、顏色、質(zhì)地、口感、糖酸等，同時(shí)也受香氣的影響。香氣成分是決定果實(shí)鮮食和加工產(chǎn)品品質(zhì)的重要因素，藍(lán)莓因富含芳香呈味物質(zhì)而具有獨(dú)特的氣味，這與其成熟度、貯藏時(shí)間及腐敗程度均有密切關(guān)聯(lián)[7-8]。消費(fèi)者在購買過程中除關(guān)心水果糖酸比例與味道外，香氣作為風(fēng)味的重要指標(biāo)也受到高度關(guān)注，因此，將香氣作為藍(lán)莓的品質(zhì)評價(jià)指標(biāo)具有重要意義[9]。

傳統(tǒng)研究果實(shí)香氣的方法有人工感官和氣相色譜法、色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法、電化學(xué)法等方法[10]。傳統(tǒng)的人工感官方法依賴人的嗅覺系統(tǒng)，因而受人個(gè)體主觀因素影響較大、重復(fù)性差，容易出現(xiàn)嗅覺疲勞從而影響分析結(jié)果[11]。而氣相色譜法、色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法、電化學(xué)法等方法雖然可以對香氣成分進(jìn)行定性定量分析，但受樣品前處理復(fù)雜、檢測費(fèi)用高昂、測定時(shí)間長、需要專業(yè)人員操作等因素制約[12]。如何快速、簡便和重復(fù)性好的檢測、評價(jià)果實(shí)香氣已成為一個(gè)熱點(diǎn)問題。電子鼻技術(shù)是一種通過模擬人類嗅覺系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對檢測對象進(jìn)行氣味分析的技術(shù)，具有樣品處理簡單、檢測速度快、識(shí)別效果好、實(shí)時(shí)和無損等優(yōu)點(diǎn)[13-15]。近年來，電子鼻無損檢測技術(shù)已在蘋果[16]、梨[17]、桃[18]等水果果實(shí)香氣的表征、識(shí)別以及品種區(qū)分中得到了探究與利用。本研究通過對3種類型的20個(gè)品種的藍(lán)莓果實(shí)的可溶性總糖、可滴定總酸、維生素C測定分析，同時(shí)結(jié)合電子鼻對參試品種的香氣進(jìn)行識(shí)別區(qū)分，比較主成分分析和線性判別分析對不同藍(lán)莓品種的區(qū)分效果及電子鼻各傳感器對藍(lán)莓香氣的載荷分析，探討不同品種間的香氣差異，為特異資源篩選和電子鼻無損傷技術(shù)對藍(lán)莓品種香氣物質(zhì)的快速識(shí)別奠定基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料與儀器

1.1.1 試驗(yàn)材料

選擇20個(gè)藍(lán)莓品種作為參試材料，如表1所示。

表1 參試藍(lán)莓品種與類型Table 1 Cultivars and types of blueberry

果實(shí)由遼寧省果樹科學(xué)研究所藍(lán)莓資源圃提供，選取各品種充分成熟果實(shí)1.5 kg，果實(shí)采摘后裝入塑料盒中，于4℃下貯藏備用。將各品種果實(shí)分成兩組（每組3份，即3次重復(fù)），一組測定可溶性總糖、可滴定總酸和維生素C，另一組測定香氣物質(zhì)。

1.1.2 試驗(yàn)儀器

電子鼻（PEN3）：德國AIRSENSE公司。

1.2 測定方法

可溶性總糖：采用斐林試劑法測定，結(jié)果用質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示[19]。

可滴定總酸：采用酸堿滴定法測定，以檸檬酸計(jì)，結(jié)果用質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示[19]。

維生素C：采用2，6-二氯靛酚滴定法測定，結(jié)果用 mg/100 g 表示[19]。

所有指標(biāo)重復(fù)測定3次。

藍(lán)莓香氣檢測：將藍(lán)莓果實(shí)[約（125±5）g]置于250 mL燒杯中，用保鮮膜封口，在25℃下放置10 min，應(yīng)用電子鼻獲取果實(shí)揮發(fā)性氣體響應(yīng)值，每次檢測后進(jìn)行清零和標(biāo)準(zhǔn)化。電子鼻測定的參數(shù)：樣品測定間隔時(shí)間1 s；樣品準(zhǔn)備時(shí)間3 s；樣品測試時(shí)間20 s；測量計(jì)數(shù)1 s清洗時(shí)間60 s；自動(dòng)調(diào)零時(shí)間10 s；自動(dòng)稀釋0；內(nèi)部流量400 mL/min；進(jìn)樣流量400 mL/min。PEN3型電子鼻包含 S1（W1C，芳香苯類）、S2（W5C，氮氧化合物）、S3（W3C，氨類）、S4（W6S，氫氣）、S5（W5S，烷烴）、S6（W1S，甲烷）、S7（W1W，硫化氫）、S8（W2S，乙醇）、S9（W2W，有機(jī)硫化物）、S10（W3S，芳香烷烴）10個(gè)金屬氧化物傳感器，各傳感器對不同香氣物質(zhì)有不同的響應(yīng)值。每個(gè)品種3次重復(fù)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

電子鼻分析通過Winmuster軟件對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采用主成分分析（principal component analysis，PCA）、線性判別分析（linear discriminant analysis，LDA）和負(fù)荷加載分析（Loadings）對不同樣品的響應(yīng)信號(hào)值進(jìn)行分析。應(yīng)用SPSS20軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用Duncan's新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同品種藍(lán)莓品質(zhì)分析

分別測定20個(gè)不同品種藍(lán)莓果實(shí)的可溶性總糖、可滴定總酸、維生素C含量，計(jì)算糖酸比，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 不同藍(lán)莓品種品質(zhì)指標(biāo)Table 2 Quality index of different blueberry cultivars

參試品種可溶性總糖含量在10.03%～14.75%之間，其中“喜來”含量最高，極顯著高于除“澤西”、“藍(lán)豐”和“齊佩瓦”外的其他品種，“日出”含量最低，且最高值是最低值的1.47倍；參試品種可滴定總酸含量在0.42%～1.19%之間，其中“晚藍(lán)”含量最高，極顯著高于除“杜克”、“藍(lán)金”、“布里吉塔”和“北衛(wèi)”外的其他品種，“奧尼爾”含量最低，極顯著低于除“齊佩瓦”、“澤西”和“藍(lán)片”外的其他品種，且最高值是最低值的2.83倍；參試品種維生素C含量在1.65mg/100 g～13.68mg/100 g之間，其中“藍(lán)鳥”含量最高，極顯著高于其他品種，“日出”和“陶柔”含量最低，極顯著低于除“海岸”和“北陸”外的其他品種，且最高值是最低值的8.29倍；參試品種糖酸比在8.97～30.26之間，其中“齊佩瓦”含量最高，極顯著高于除“澤西”和“奧尼爾”外的其他品種，“藍(lán)金”含量最低，極顯著低于除“杜克”、“布里吉塔”、“晚藍(lán)”、“北衛(wèi)”、“瑞卡”和“斯巴坦”外的其他品種，且最高值是最低值的3.37倍；參試品種4項(xiàng)指標(biāo)的變異系數(shù)分別為11.41%、32.50%、49.78%和36.84%，其大小順序依次為維生素C含量＞糖酸比＞可滴定總酸＞可溶性總糖。

不同品種間可溶性總糖、可滴定總酸、維生素C和糖酸比的試驗(yàn)結(jié)果采用Duncan's新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 方差分析Table 3 Analysis of variance

可溶性總糖、可滴定總酸、維生素C含量和糖酸比等指標(biāo)在參試藍(lán)莓品種間差異顯著，說明參試藍(lán)莓品種4項(xiàng)指標(biāo)變異程度較大。

2.2 藍(lán)莓果實(shí)電子鼻無損傷分析

2.2.1 樣品在趨于平衡時(shí)刻的特征雷達(dá)圖

參試的20個(gè)藍(lán)莓品種果實(shí)利用電子鼻檢測香氣物質(zhì)，不同品種雷達(dá)圖的外形和面積存在著差異，表明參試藍(lán)莓品種香氣物質(zhì)的構(gòu)成具有差異，結(jié)果如圖1所示。

圖1 藍(lán)莓品種揮發(fā)性物質(zhì)的雷達(dá)圖Fig.1 Radar chart of volatile compounds in blueberry cultivars

10個(gè)傳感器對藍(lán)莓香氣物質(zhì)都有響應(yīng)，且響應(yīng)值存在差異。參試的20個(gè)藍(lán)莓品種果實(shí)同一傳感器響應(yīng)值也存在差異，結(jié)果如表4所示。

表4 藍(lán)莓品種電子鼻傳感器響應(yīng)值Table 4 Response value of electronic nose sensor for blueberry cultivars

傳感器W1W、W1S、W2W和W5S的響應(yīng)值分別為2.11、1.88、1.70和1.50，顯著高于其他傳感器的，且四者間差異顯著。傳感器W2S的響應(yīng)值為1.28，顯著高于 W6S（1.05）、W5C（0.98）、W3C（0.98）、W1C（0.93）傳感器的，但與傳感器W3S（1.16）的差異不顯著。傳感器W1C的響應(yīng)值顯著低于其他傳感器的。傳感器W1W和W1S的響應(yīng)值最高，說明在參試的品種果實(shí)香氣成分中硫化氫和甲烷類物質(zhì)比重較大（數(shù)據(jù)未顯示）。

“奧尼爾”在 W5S、W1S、W1W、W2S 和 W2W 傳感器上的響應(yīng)值極顯著高于其他品種，在W3C和W5C傳感器上的響應(yīng)值極顯著低于其他品種。“澤西”在W3S傳感器上的響應(yīng)值極顯著高于“達(dá)柔”，與其他品種差異不顯著。“達(dá)柔”在W2W傳感器上的響應(yīng)值極顯著低于“奧尼爾”、“北陸’和“布里吉塔”，與其他品種差異不顯著。“達(dá)柔”在W2S傳感器上的響應(yīng)值極顯著低于“奧尼爾”、“北陸’，與其他品種差異不顯著。“達(dá)柔”在W1W傳感器上的響應(yīng)值極顯著低于“奧尼爾”、“布里吉塔’，與其他品種差異不顯著。“布里吉塔”和“杜克”在W6S傳感器上的響應(yīng)值極顯著高于“陶柔”，與其他品種差異不顯著。

2.2.2 藍(lán)莓果實(shí)的PCA分析

參試的20個(gè)不同品種藍(lán)莓品種果實(shí)電子鼻結(jié)果進(jìn)行PCA分析，每個(gè)圓形區(qū)域代表一個(gè)藍(lán)莓品種果實(shí)香氣物質(zhì)的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)。同一品種果實(shí)平行檢測的數(shù)據(jù)構(gòu)成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的組群，表明電子鼻分析檢測的重現(xiàn)性良好。結(jié)果如圖2所示。

圖2 藍(lán)莓果實(shí)的PCA分析Fig.2 PCA analysis of blueberry fruits

PC1和PC2上包含了在PCA轉(zhuǎn)換中得到的第一主成分和第二主成分的貢獻(xiàn)率，分別為96.43%和2.18%，總貢獻(xiàn)率為98.61%，表明兩個(gè)主成分可代表樣品香氣物質(zhì)的主要特征。“瑞卡”、“晚藍(lán)”、“斯巴坦”、“喜來’、“伯克利”、“藍(lán)鳥”、“藍(lán)金”和“海岸”8 個(gè)品種區(qū)域間無重疊，可以相互區(qū)分。其余品種區(qū)域間有部分重疊，不能完全區(qū)分開，說明不同品種的香氣組分有所差別，可通過PCA分析將藍(lán)莓品種中香氣組分間差異較大的品種很好地區(qū)分開，但對于整體香氣組分相似的品種的區(qū)分還存在著局限，區(qū)分效果不理想。

2.2.3 藍(lán)莓果實(shí)的LDA分析

參試的20個(gè)不同品種藍(lán)莓品種果實(shí)電子鼻結(jié)果進(jìn)行LDA分析，LDA分析是在進(jìn)行PCA分析之后，對電子鼻傳感器所感應(yīng)的香氣物質(zhì)的響應(yīng)信號(hào)進(jìn)一步優(yōu)化處理，進(jìn)而更好地將數(shù)據(jù)之間的差異性進(jìn)一步擴(kuò)大，從而反映不同品種香氣的差異情況，結(jié)果如圖3所示。

圖3 藍(lán)莓果實(shí)的LDA分析Fig.3 LDA analysis of blueberry fruits

由圖3可知，線性判別式LD1和LD2的貢獻(xiàn)率分別為47.55%和16.76%，兩判別式的總貢獻(xiàn)率為64.31%，僅能解釋60%以上的變異。從LDA分析中可以發(fā)現(xiàn)，“奧尼爾”、“布里吉塔”和“瑞卡”3個(gè)品種區(qū)域間無重疊，可以相互區(qū)分。其余品種香氣組分區(qū)域均有不同程度重疊，“藍(lán)片”、“杜克”、“陶柔’和“北陸”4個(gè)品種與其他品種重疊區(qū)域較少。

2.2.4 藍(lán)莓果實(shí)的Loadings分析

對傳感器貢獻(xiàn)率進(jìn)行Loadings分析，距離原點(diǎn)（0，0）越遠(yuǎn)，傳感器負(fù)載參數(shù)越大，則該傳感器在模式識(shí)別中發(fā)揮的作用越大。若傳感器負(fù)載參數(shù)值接近零，則可以忽略不計(jì)，結(jié)果如圖4所示。

圖4 藍(lán)莓果實(shí)的Loadings分析Fig.4 Loadings analysis of blueberry fruits

由圖4可知，傳感器W1W（硫化氫）對第一主成分貢獻(xiàn)率最大，W1S（甲烷）對第二主成分貢獻(xiàn)率最大，兩個(gè)傳感器對區(qū)分藍(lán)莓品種香氣物質(zhì)的貢獻(xiàn)率最大，在判別不同藍(lán)莓品種中起到了關(guān)鍵作用。W5S（烷烴）、W2W（有機(jī)硫化物）、W2S（乙醇）和W1C（芳香苯類）的作用次之，而傳感器 W6S（氫氣）、W3S（芳香烷烴）、W3S（芳香烷烴）、W3C（氨類）和W5C（氮氧化合物）響應(yīng)值在坐標(biāo)原點(diǎn)（0，0）附近，其貢獻(xiàn)率最小，作用也最小。

3 討論與結(jié)論

果實(shí)品質(zhì)包括外觀品質(zhì)、內(nèi)在品質(zhì)、貯藏品質(zhì)和加工品質(zhì)。果實(shí)內(nèi)在品質(zhì)是果實(shí)商品性優(yōu)劣的重要指標(biāo)，主要由糖、酸、香味物質(zhì)、蛋白質(zhì)、脂肪、維生素、礦物質(zhì)等因素構(gòu)成。其中糖、酸、香味物質(zhì)等風(fēng)味物質(zhì)的組成及其含量對果實(shí)內(nèi)在品質(zhì)有著重要影響，果實(shí)的內(nèi)在品質(zhì)是決定果品市場競爭力的主要因素，直接影響其經(jīng)濟(jì)價(jià)值，而不同類型果實(shí)中糖的種類和含量存在差異[20-21]。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，參試20個(gè)藍(lán)莓品種可溶性總糖、可滴定總酸、維生素C和糖酸比的變異系數(shù)差異較大，分別為11.41%、32.50%、49.78%和36.84%。香氣已經(jīng)成為人們評價(jià)果品風(fēng)味品質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)，也是區(qū)別不同品種的重要特征參數(shù)[22]，10個(gè)傳感器響應(yīng)值的變異系數(shù)同樣差異較大，分別為5.01%、35.69%、0.94%、1.15%、0.96%、26.15%、51.36%、12.91%、28.18%和1.18%。果實(shí)性狀的變異系數(shù)越大，說明該性狀的遺傳性越豐富，選擇潛力也就越大。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)“奧尼爾”品種W5S等8個(gè)傳感器上的響應(yīng)值與其他品種差異極顯著，說明該品種香氣物質(zhì)含量與其他品種差異極顯著，可作為特異資源加以利用和開展相關(guān)研究。

果實(shí)所散發(fā)出的香氣是由其含有的各種芳香氣味的化學(xué)物質(zhì)共同作用的結(jié)果，它們對果實(shí)香氣的貢獻(xiàn)與其香氣值（濃度/香氣閾值）成正比[23]，也是評價(jià)果實(shí)風(fēng)味品質(zhì)的重要指標(biāo)[24]。主成分分析是通過降低維度找到不同品種之間的差異，通過較少的變量解釋原始信息[25]。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，“瑞卡”、“晚藍(lán)”、“斯巴坦”、“喜來”、“伯克利”、“藍(lán)鳥’、“藍(lán)金”和“海岸”8 個(gè)品種區(qū)域間無重疊，可以相互區(qū)分，但其余品種不能完全區(qū)分開。與PCA分析相比，LDA方法更注重于同一類別空間中的分布狀態(tài)及彼此之間的距離，從所有數(shù)據(jù)中收集信息，提高分類精度。從LDA分析中可以發(fā)現(xiàn)，“奧尼爾”、“布里吉塔”和“瑞卡”3品種與其他品種無重疊，可以相互區(qū)分，“藍(lán)片”、“杜克”、“陶柔”和“北陸”4個(gè)品種與其他品種重疊區(qū)域較少外，其他品種香氣組分區(qū)域均有不同程度重疊。上述品種可作為香氣機(jī)理研究和育種實(shí)踐的特異材料加以利用。通過PCA和LDA分析發(fā)現(xiàn)，對香氣組分相似度較高參試藍(lán)莓品種區(qū)分效果不理想。果實(shí)香氣物質(zhì)濃度越大，則可以引起電子鼻傳感器響應(yīng)值也就越大，則G/G0的值越偏離1（＞1或＜1），若果實(shí)香氣物質(zhì)濃度低于檢測限或者沒有感應(yīng)氣體，則G/G0值接近甚至等于1[26]。通過Loadings分析發(fā)現(xiàn)，W1W（硫化氫）、W1S（甲烷）、W5S（烷烴）、W2W（有機(jī)硫化物）、W2S（乙醇）和 W1C（芳香苯類）6個(gè)傳感器的貢獻(xiàn)率較大，對區(qū)分參試藍(lán)莓香氣物質(zhì)的作用效果較大，與鄭秀艷等[8]的研究結(jié)果基本一致。因此，可將電子鼻作為檢測、評價(jià)藍(lán)莓果實(shí)香氣物質(zhì)的分析方法之一，并著重關(guān)注硫化氫和甲烷等物質(zhì)含量差異。

因此，利用電子鼻技術(shù)可以較好地區(qū)分部分藍(lán)莓品種的香氣，根據(jù)傳感器響應(yīng)值結(jié)果發(fā)現(xiàn)，“奧尼爾”品種香氣物質(zhì)含量與其他品種具有較大差異，PCA分析的貢獻(xiàn)率高于LDA分析。電子鼻技術(shù)對于區(qū)分香氣物質(zhì)差異較大的藍(lán)莓品種具有較好效果。