獼猴桃品質指標差異分析及GC-IMS分析果汁中揮發性物質

付 勛，張海彬，聶青玉，馮婷婷，劉 丹，張 艷，李 翔

（1.重慶三峽職業學院，重慶 404155；2.重慶市農產品質量安全中心，重慶 400070）

獼猴桃，又稱奇異果，俗稱羊桃，獼猴桃科獼猴桃屬落葉藤本株。獼猴桃富含糖、酸、黃酮及酚類等多種營養物質成分，其中VC含量較大部分水果高，作為天然可食營養物質具有重要作用。目前，獼猴桃主要有綠心、黃心和紅心3 個品種，其中紅心品種最少，且價格相對較高。獼猴桃果肉橫切面為以中軸為中心呈放射狀生長，色澤鮮美，口感極佳。相關研究表明，果實的品質受品種、環境氣候等因素影響。目前對獼猴桃果實品質特征分析主要比較達到一定成熟度果實的外觀（單果質量、橫縱徑等）、出汁率、可溶性固形物、總糖、可滴定酸、VC及總酚等含量，再通過模糊數學綜合評判、主成分分析（principal component analysis，PCA）、聚類分析等進行綜合評價，但結合分析果汁揮發性成分，綜合比較果實品質差異鮮見相關研究。果汁揮發性物質分析常規方法有氣相色譜-質譜技術、頂空固相微萃取法并結合氣相色譜-質譜技術等，近年來應用頂空氣相色譜離子遷移譜（gas chromatography-ion mobility spectrometry，GC-IMS）技術測定果蔬、肉制品及酒類等揮發性成分有相關報道。本研究以3 個紅心獼猴桃品種（紅陽、東紅和萬州紅心）、一個黃心獼猴桃品種（金艷）為研究對象，通過比較果實外觀指標及主要品質指標，同時采用GC-IMS對果汁揮發性成分分析，通過PCA法、指紋圖譜、聚類分析等方法分析不同品種揮發性物質特征差異及相似度，綜合比較果實品質差異性，為果實的深加工提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

金艷、紅陽、東紅及萬州紅心共4 個獼猴桃品種，其中紅陽、東紅及萬州紅心為紅心品種，金艷為黃心品種；均為市購。

沒食子酸（分析純） 天津市致遠化學試劑有限公司；福林-酚試劑 上海國藥集團化學試劑有限公司；無水乙醇、草酸、抗壞血酸、酚酞、鄰苯二甲酸氫鉀、碳酸鈉、硝酸鋁、亞硝酸鈉、氫氧化鈉、2,6-二氯酚靛酚、鎢酸鈉、磷鉬酸、HPO、NaCO均為國產分析純。

1.2 儀器與設備

榨汁機 九陽股份有限公司；CP-214電子天平奧豪斯儀器（上海）有限公司；PUS-3C pH計 上海儀電科學儀器股份有限公司；2WAJ阿貝折光儀 上海光學儀器廠；B-220恒溫水浴鍋 上海亞榮生化儀器廠；GNP-9160BS-III隔水式電熱恒溫培養箱 上海圣科儀器設備有限公司；FlavourSpec? GC-IMS聯用儀 德國G.A.S.公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品采集及保存

所有品種樣品檢查，去除壞果、異型果，放入冷庫進行貯藏（4 ℃），所有品種提前取出，自然放置至果實成熟（果肉硬度：1.0～1.5 kg/cm）時測定各指標。

1.3.2 獼猴桃各品質指標測定

外觀、果肉及果心描述：參照張維等方法對果實外觀形狀及內部橫切面形態進行描述；單果質量：采用電子天平稱質量，隨機挑選20 顆果實稱質量，求平均值；果形指數：采用游標卡尺測20 顆果實橫徑、縱徑，果形指數=果實縱徑/果實橫徑；出汁率：隨機挑取5 顆果實，去皮、果汁機破碎，無菌紗布過濾出果汁稱質量，測定其出汁率；可溶性固形物、總糖、pH值、可滴定酸、VC含量測定，參照文獻[17]方法測定；總酚含量：采用Folin-Ciocalteu分光光度測定；黃酮含量：采用Al(NO)-NaNO-NaOH顯色法測定；花色苷含量：采用pH示差法；單寧含量：參照NY/T 1600—2008《水果、蔬菜及其制品中單寧含量的測定 分光光度法》測定。

1.3.3 獼猴桃中揮發性物質分析測定

采用GC-IMS聯用技術測定，取無菌紗布過濾后的果汁2 g，置于20 mL頂空瓶中，40 ℃孵育15 min后進樣700 μL。

GC-IMS條件：分析時間20 min，MXT-5色譜柱（15 m×0.53 mm），柱溫60 ℃，載氣/漂移氣為N，IMS溫度45 ℃。

自動頂空進樣條件：進樣體積700 μL，孵育時間15 min，孵育溫度40 ℃，進樣針溫度85 ℃，孵化轉速500 r/min。

不同獼猴桃樣品中揮發性物質分析：采用FlavourSpec?風味分析儀配套的VOCal軟件內置的NIST2014數據庫和IMS數據庫對物質定性分析；通過Reporter插件對比樣品之間的譜圖差異（二維俯視圖、三維譜圖和差異譜圖）；通過Gallery Plot插件指紋圖譜對比，定量比較不同樣品間揮發性有機物差異；通過Dynamic PCA插件（動態PCA和相似度分析圖），用于樣品聚類分析和相似度分析；通過“最近鄰”指紋分析，計算樣本間的歐式距離，檢索最小距離找到“最近鄰”，觀察與更遠的群體相比，相對緊密的群體測量結果。

1.4 數據處理

采用SPSS 23.0數據處理軟件，對獼猴桃指標進行PCA和樣品聚類分析。數據標準化后，以獼猴桃檢測指標相對含量矩陣為數據進行分析，得到PC的特征根值和特征向量。以獼猴桃指標累計貢獻率大于85%，確定PC個數以及各PC中因子。根據PC特征向量和方差貢獻率得出獼猴桃果實指標綜合評價模型，計算出不同品種獼猴桃綜合得分，同時結合聚類分析對4 個獼猴桃品種進行分類。采用Origin Pro 2021軟件進行繪圖，對數據進行PCA與聚類分析。

2 結果與分析

2.1 獼猴桃果實品質分析

2.1.1 不同品種獼猴桃感官品質分析獼猴桃外觀形態和內部結構的鑒別主要從形狀、絨毛、色澤等進行外部鑒別，從色澤、果心柱及籽等結構進行品種區分，從圖1和表1可看出，金艷較易區別，外觀形狀近橢圓、臍部稍尖，其余3 個品種形狀相似，都為近橢圓；外觀色澤上，金艷為黃褐色，與其他3 個品種存在明顯差異，東紅在色澤上較另2 個品種深；4 個品種均有細短、密集絨毛，差異不明顯；果心內部結構上，3 個紅心品種中，萬州紅心獼猴桃紅心分布區域較寬，顏色較深；4 個品種中，果心柱存在明顯區別，金艷呈近圓形，東紅為近三角分布，紅陽為細長形，萬州紅心獼猴桃為近橢圓狀，且4 個品種均以果心柱為中心呈放射狀，紅心品種較黃心品種籽多。

圖1 不同品種獼猴桃外觀及內部形態比較Fig.1 Observation of appearance and cross-section of different varieties of kiwifruit

表1 不同品種獼猴桃形態比較Table 1 Comparison of appearance,cross-sectional morphology,and fruit traits of different varieties of kiwifruit

2.1.2 不同品種獼猴桃品質分析

精選紅陽、金艷、萬州紅心及東紅4 個品種，在相同實驗條件下，對比不同品種的出汁率、可溶性固形物、總糖、pH值、可滴定酸及果肉色澤等指標，由表2可知，4 個品種各品質間的差異顯著性，金艷出汁率最高，但東紅、金艷及萬州紅心品種出汁率差異不大，紅陽出汁率最低，果酒釀造過程中，果汁的出汁率對果酒釀造過程中出酒量等具有重要影響，可通過酶解等措施進一步優化工藝條件；其次，4 個品種可溶性固形物質量分數為10.30%～15.94%，總糖質量濃度為90.36～103.26 g/L，其中以紅心品種含量較高，紅心品種中，萬州紅心獼猴桃含量最高，水果含糖量是另一影響果酒釀造的重要條件，是酵母代謝的重要碳源，發酵產生酒精及能量物質等，同時也是形成果酒中風味物質的前體；4 個品種pH值在3.40～3.82之間，可滴定酸質量分數為0.73%～0.91%，4 個品種中，紅心品種可滴定酸較黃心品種略低，但差異不明顯，酸類物質是果酒中酯類形成的前體，也是形成果酒風味的重要物質；4 個品種，萬州紅心VC含量達到81.37 mg/100 g，遠高于其他3 個品種，黃心品種VC較紅心品種低。4 個品種總酚含量為90.25～181.62 mg/100 g，花色苷含量為16.13～71.70 mg/kg，均為萬州紅心含量最高，金艷含量最低；黃酮含量為46.07～71.20 mg/100 g，萬州紅心含量較高，東紅含量較低；單寧含量為70.76～101.02 mg/100 g，金艷含量最高，萬州紅心和東紅含量相對較低，但差異不顯著。

表2 不同品種獼猴桃品質指標比較Table 2 Comparison of physicochemical properties of different varieties of kiwifruit

2.2 獼猴桃果實指標PCA

2.2.1 獼猴桃果實指標數據標準化

獼猴桃測定的總酚等12 個指標單位及量程的差異，需對12 個指標原始數據進行標準化處理，采用SPSS對果實各項測定指標進行標準化處理，數據見表3，標準化處理后得數據可進行PCA和聚類分析。

表3 獼猴桃果實指標標準化數據Table 3 Standardized data for quality indexes of kiwifruit

2.2.2 PCA結果

由表4可知，特征值大于1的PC有2 個，這2 個PC的累計方差貢獻率達到93.483%，故選取前2 個PC，可反映4 種獼猴桃果實指標的大部分信息。

表4 方差貢獻率Table 4 Contribution rates to total variance of principal components

由圖2A可知，紅陽和萬州紅心在PC1上較接近，東紅和萬州紅心在PC2上較接近，金艷在PC1和PC2上與東紅、紅陽和萬州紅心3 個品種距離較遠。因此，金艷與其他3 個品種可分為2 類。由圖2B可知，單果質量、可滴定酸、單寧、果型指數、可溶性固形物、花色苷、總糖、VC、pH值、總酚等在PC1上具有較高的載荷，說明其相關性較高。在PC2上，出汁率指標具有較高載荷，說明PC2主要受該指標影響。因此，以紅陽、東紅和萬州紅心因其花色苷、VC、總酚等相對含量較高的品種分為一類，以單寧含量相對較高的金艷品種分為一類。

圖2 獼猴桃果實PC分類圖（A）和指標載荷矩陣圖（B）Fig.2 PCA plot showing classification of different varieties of kiwifruit (A) and loading plot of quality indexes of kiwifruit (B)

由表5可知，PC1中對果實產生正向影響的有總糖、pH值、VC、總酚和花色苷。其中，載荷數較大的有總酚、VC、pH值和總糖，數值分別為1.000、0.992、0.980、0.900。因為總酚、VC和花色苷等都屬于抗氧化性物質，因此PC1含量高的獼猴桃品種具有極強的抗氧化特性。載荷較高但對PC1產生負向影響的指標有可滴定酸、單果質量、果形指數和單寧，數值分別為－0.997、－0.951、－0.946、－0.890。

表5 獼猴桃果實指標的PC載荷矩陣Table 5 Principal component loading matrix of quality indexes of kiwifruit

對PC2產生正向影響的指標為獼猴桃出汁率，載荷數為0.870。含糖量和出汁率等都是影響果酒等發酵的重要因素，可選擇糖分及出汁率相對較高品種用于果酒發酵。

2.2.3 4 種獼猴桃果實綜合評價

通過求特征向量系數值構建兩個PC的函數表達式，可得2 個函數表達式：

=－0.129＋0.273＋0.296＋0.322＋0.326＋0.329＋0.279＋0.197－0.292－0.313－0.311－0.328

=0.622＋0.324＋0.309－0.143－0.032－0.021＋0.302－0.474－0.031＋0.216－0.156＋0.053

式中：、分別代表PC1、PC2的特征向量權重值；為結合型出汁率、為可溶性固形物、為總糖、為pH值、為VC、為總酚、為花色苷、為黃酮、為單寧、為單果質量、為果形指數、為可滴定酸。由方差貢獻率和PC函數表達式可得到綜合評價函數可得：=0.77＋0.16。

根據PC綜合評價函數值可知4 個品種獼猴桃的綜合得分和排序結果見表6，綜合得分在前3 位的獼猴桃是萬州紅心、紅陽和東紅，為3 個紅心獼猴桃品種。

表6 不同品種獼猴桃PCA綜合得分Table 6 Scores of principal components of different kiwifruit varieties

2.2.4 4 種獼猴桃品種聚類分析

對4 個獼猴桃品種各項品質指標進行聚類分析，結果如圖3所示。黃酮、總酚、VC、pH值、花色苷、總糖及可溶性固形物指標先聚為1類。其中總酚和VC、pH值、可溶性固形物和總糖、花色苷首先聚為1類，再與黃酮聚為1類，能先聚集在一起的指標之間相關性較強，其中黃酮、總酚、VC及花色苷等都是獼猴桃中重要的抗氧化成分。4 個獼猴桃品種聚類2類，其中東紅、萬州紅心和紅陽聚為1類，金艷聚為1類，這一結果與PCA結果較一致。

圖3 不同獼猴桃品種各品質指標聚類熱圖Fig.3 Clustering heat map for quality indexes of four different varieties of kiwifruit

2.3 不同品種獼猴桃中揮發性物質成分分析

由圖4可知，1.0處為反應離子峰，峰兩側每個點表示1 種揮發性物質，顏色深淺表示物質含量高低；4 個不同品種獼猴桃果汁樣品揮發性組分采用GC-IMS技術分離效果較好，且不同樣品之間特征風味物質種類和含量差異明顯。由圖5可知，為了便于比較不同獼猴桃品種中揮發性物質含量差異，選取1#紅陽為參比，其余3 個樣品圖譜為扣除參比，扣除后背景為白色，圖中紅色表示物質濃度高于1#，藍色越深則反之。其中2#樣品紅色、藍色部分均較少，說明2#樣品部分揮發性物質高于1#樣，同時也含有較少部分風味物質較低；3#、4#樣品紅色部分明顯較多，說明樣品中存在較多風味物質高于1#樣品，風味物質成分特征較為突出。

圖4 不同品種獼猴桃中揮發性物質成分Fig.4 GC-IMS spectra of volatile substances in different varieties of kiwifruit

圖5 不同品種獼猴桃中揮發性物質成分差異Fig.5 Differential volatile compounds among different kiwifruit varieties

2.4 不同品種獼猴桃中揮發性物質定性分析

根據獼猴桃果汁種揮發性成分的氣相色譜保留時間和IMS遷移時間，以C～C正酮作為外標參考，計算每種化合物的保留指數，對照NIST2014數據庫和IMS數據庫定性對果汁種揮發性成分定性分析，如圖6所示，由于NIST2014數據庫和IMS數據庫不段完善中，可定性的獼猴桃中主要揮發性成分含單體及二聚體物質共55 種，圖譜中部分揮發性物質見表7，定性結果可知，4 個不同品種獼猴桃中共檢測出的部分揮發性物質有醛類25 種，酯類13 種，醇、烯、酮類物質各3 種，呋喃類2 種，吡嗪、酸類各1 種。其中，能體現出獼猴桃等水果等特征香味的己酸乙酯、乙酸異戊酯、乙酸異丁酯、丙酸乙酯、甲酸乙酯、丁酸乙酯等揮發性物質均檢測出，圖5中相應成分位點顏色深淺可明確成分含量差異。

圖6 獼猴桃揮發性成分定性分析Fig.6 Qualitative analysis of volatile compounds of kiwifruit

表7 獼猴桃中部分揮發性物質定性結果Table 7 Results of qualitative analysis of volatile compounds of kiwifruit

續表7

2.5 不同品種獼猴桃中揮發性物質Gallery Plot指紋譜圖分析

為了更直觀比較不同獼猴桃樣品、不同階段中揮發性物質的變化規律及相對含量差異，每個樣品重復3 次測定，采用Gallery Plot繪制揮發性物質指紋譜圖，圖中顏色深淺反映揮發性成分含量差異。由圖7可看出，不同品種之間的差異較大，紅框所示物質在各自樣本中含量相對較高。其中，具有香氣成分的有，乙酸乙酯（類似水果香味）、()-2-戊烯醛、己醛（類似于剛切好的草）等揮發性物質為4 個品種共同含有且含量接近。東紅品種中，2-甲基丁醛（稀釋后有獨特的可可和咖啡樣的香氣，甜的、微帶水果味的、巧克力樣的風味）、3-甲基丁醛（干酪香氣和切草的青香味）、乙酸異戊酯（有香蕉氣味）、乙酸異丁酯（有梨似的果香香氣以及風信子和玫瑰樣的花香香氣）等含量最高，萜類物質含量相對較高，包括1,8-桉葉素（有樟腦氣息和清涼的草藥味道）、檸檬烯（有類似檸檬的香味）、-松油烯（柑橘香味）等，以及蒎烯（有松木、針葉及樹脂樣的氣息）和-蒎烯（松節油香氣，干燥木材和松脂氣味）。紅陽品種中，水楊酸甲酯、壬醛（具有玫瑰、柑橘等香氣）、辛醛（有很強的水果香味）、己酸乙酯（有菠蘿果香氣）、丙酸乙酯（有菠蘿香味）、丁酸乙酯（強烈的甜果香，有菠蘿、香蕉、蘋果氣息）等含量較高；萬州紅心中，揮發性物質最多，其中乙酸甲酯（具有芳香味）、2-乙基呋喃、2-戊基呋喃、苯甲醛（具有苦杏仁、櫻桃及堅果香）、二戊烯、1,8-桉葉素（清涼的草藥味道）、2-辛烯醛、2-壬烯醛（黃瓜清香氣味）等物質較其他品種含量高。

圖7 不同品種獼猴桃Gallery Plot指紋譜圖Fig.7 Gallery Plot fingerprints of different varieties of kiwifruit

2.6 不同品種獼猴桃中揮發性物質聚類分析

采用Dynamic PCA對不同獼猴桃樣品揮發性成分進行動態PC和相似度分析。由圖8可知，降維后前2 個PC累計貢獻率為87%，能夠較好表征原始數據的特征。

圖8 不同品種獼猴桃PCAFig.8 PCA plot of different cultivars of kiwifruit

不同獼猴桃樣品間距離很遠，平行樣間距離緊密，不同品種的樣品特征差異明顯，與指紋譜圖結果一致，可通過PCA對不用樣品區分。從圖9可看出，獼猴桃品評平行性很好，聚類清晰，金艷和萬州紅心品種間的歐式距離最遠，相似度最低；紅陽、東紅和萬州紅心3 個品種相對集中。因此，研究表明通過獼猴桃品質指標對樣品進行聚類與通過獼猴桃揮發性成分聚類結果一致。

圖9 不同品種獼猴桃間歐式距離Fig.9 Euclidean distance between different kiwifruit varieties

3 結論

通過對金艷、紅陽、東紅及萬州紅心4 種獼猴桃的主要感官、品質指標及果汁揮發性物質成分含量進行分析，研究表明，萬州紅心在總糖、VC、花色苷及總酚含量相對較高、金艷品種中單寧含量較高。4 個樣品聚集為兩類，其中黃心品種金艷聚為1 類，紅心品種紅陽、東紅和萬州紅心聚類為1 類，PCA和聚類分析結果一致；采用GC-IMS技術測定4 個品種中揮發性物質成分，并結合PCA及聚類分析，研究表明，指紋圖譜顯示4 個品種中，萬州紅心品種揮發性物質成分特征顯著，其中乙酸甲酯、苯甲醛、二戊烯、1,8-桉葉素、2-辛烯醛、2-壬烯醛等物質較其他品種含量高，通過獼猴桃果汁揮發性物質成分進行PCA與聚類分析結果與前者分類結果一致。研究為消費者在獼猴桃營養及風味物質成分選擇上提高參考，為獼猴桃產品的開發等提供理論基礎。