張 鵬,陳帥帥,李江闊,*,徐 勇,李博強

(1.國家農產品保鮮工程技術研究中心(天津),農業(yè)農村部農產品貯藏保鮮重點實驗室， 天津市農產品采后生理與貯藏保鮮重點實驗室,天津 300384; 2.大連工業(yè)大學食品學院,遼寧大連 116034; 3.中國科學院植物研究所資源植物重點實驗室,北京 100093)

蘋果屬于薔薇科蘋果屬植物,富含豐富的營養(yǎng)元素,酸甜可口,是我國人們常吃的鮮食水果之一。我國蘋果產量在世界上名列前茅[1],隨著消費水平的提升,人們對蘋果風味及多樣性的要求也逐漸提高。一般從感官指標、營養(yǎng)指標、風味物質等來評價果實的優(yōu)劣。果品感官指標主要有色澤、外形、口感、質地等;果品營養(yǎng)指標主要包括糖、酸等;風味物質是對人的嗅覺和味覺產生刺激而獲得感覺的物質,主要為果品的氣味和滋味,而果品的氣味主要通過揮發(fā)性物質體現[2]。

目前,在不同品種蘋果的品質研究中,白沙沙等[3]探討了44個蘋果品種的果實色澤、果實橫徑、果實縱徑、果形指數等果實品質的差異;楊玲等[4]分析了‘華紅’、‘華蘋’、‘寒富”、‘紅星’、‘ 嘎啦’和‘津輕’蘋果果肉質構特性;董曉慶等[5]開展了‘旭’、‘嘎啦’和‘蜜脆’蘋果的果實可溶性固形物、可滴定酸和固酸比的差異研究。

在蘋果的揮發(fā)性物質測定方面,國內外利用頂空固相微萃取技術(HS-SPME)結合氣質聯(lián)用(GC-MS)對蘋果的揮發(fā)性物質研究報道較多。Morales等[6]利用該技術研究曼密蘋果漿中揮發(fā)性物質的變化趨勢;Dixn等[7]采用該技術研究了蘋果中主要的揮發(fā)物質;李鑫等[8]亦采用該技術研究了保鮮劑對蘋果揮發(fā)性物質的影響。電子鼻技術是一種新型的果實無損檢測技術,基于傳感器對不同種類氣味的特定響應,結合主成分分析、線性判別分析、負荷加載分析,可以評價果實整體揮發(fā)性物質變化,從而對果品內在品質快速有效檢測。Pathange等[9]利用電子鼻研究不同成熟度蘋果揮發(fā)性物質的變化;王貴平等[10]利用電子鼻研究不同采收期‘嘎啦’蘋果揮發(fā)性物質的變化規(guī)律;Hui等[11]利用電子鼻研究不同貯藏期‘富士’蘋果揮發(fā)性物質的變化,但對于不同品種蘋果整體揮發(fā)性物質的差異研究鮮有報道。

因此,本實驗以‘金冠’、‘嘎啦’、‘喬納金’和‘寒富’4種蘋果為研究對象,分析蘋果的外觀和內在品質,通過HS-SPME結合GC-MS測定蘋果的揮發(fā)性物質及其含量,并利用電子鼻快速判別不同品種蘋果整體揮發(fā)性物質的差異,以期為不同蘋果的開發(fā)和利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

‘金冠’、‘ 嘎啦’、‘ 喬納金’蘋果 陜西寶雞蘋果示范園;‘寒富’蘋果 采自遼寧鞍山有機果園,人工選擇果實大小均一、九成熟、無病蟲害、無機械損傷的果實,用網套套上后裝入到裝有微孔袋的紙箱后立即運回實驗室,每個品種蘋果取15個用于實驗指標測定;氫氧化鈉 天津市風船化學試劑科技有限公司;PE微孔袋 國家農產品保鮮工程技術研究中心(天津)。

ML503千分之一天平 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;數顯卡尺 桂林量具刃具有限公司;CM-700 D分光測色儀 柯尼卡美能達(中國)投資有限公司;PAL-1便攜式手持折光儀 日本愛宕公司;916 Ti-Touch電位滴定儀 瑞士萬通中國有限公司;TA.XT.Plus物性儀 英國Stable Micro Systems公司;PEN3型便攜式電子鼻 德國Airsense公司;Trace DSQ GC/MS氣相色譜質譜聯(lián)用儀 美國Finnigam公司;50/30 μm CAR/DVB/PDMS萃取頭和固相微萃取手柄 美國Supleco公司;PC-420D數字型磁力加熱攪拌裝置 美國Corning公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 蘋果品質指標測定

1.2.1.1 單果質量、果肉質量和可食率 每個品種蘋果隨機選取6個果實,用千分之一天平稱取單果質量。然后果實去皮、去核測定果肉質量,并計算可食率?？墒陈?%)=果肉質量/單果質量。

1.2.1.2 果實縱徑、果實橫徑和果形指數 每個品種蘋果隨機選取6個果實,用數顯卡尺測量果實縱徑和橫徑,并計算果形指數。果形指數=果實縱徑/果實橫徑。

1.2.1.3 果皮色澤 每個品種蘋果隨機選取6個果實,用分光測色儀對蘋果陰陽面赤道線上兩點測量果皮色澤L*、a*、b*、C、h,均取平均值。

1.2.1.4 可溶性固形物(TSS)、可滴定酸(TA)、固酸比和維生素C 可溶性固形物采用便攜式手持折光儀測定,打漿后取勻漿用4層紗布過濾,取濾液0.2 mL直接測定,每個品種蘋果重復6次,取平均值。TA參考李文生等[12]的方法略有改動。四分發(fā)取樣,打漿后稱取20 g,定容于250 mL容量瓶;80 ℃水浴30 min后,降至室溫,脫脂棉過濾后吸取20 mL 濾汁加蒸餾水40 mL用自動電子滴定儀測定。固酸比=TSS/TA。維生素C采用鉬藍比色法[13]測定。

1.2.1.5 果實硬度 采用英國產TA.XT.PLus物性儀測定,測試參數為深度10 mm,P/2探頭(Φ=2 mm),測試速度為2 mm/s。每個品種蘋果隨機選取6個果實,在蘋果陰陽面赤道線上兩點帶皮測定,每個果實重復2次,取每次測量的最大力值,取其平均值;第一個峰的力值與運行距離的比值為果皮脆性[14]。

1.2.2 蘋果果實整體揮發(fā)性物質測定 采用電子鼻測定[15],該電子鼻包括10個金屬氧化物傳感器陣列,可以分析不同的揮發(fā)性成分,傳感器陣列及其性能描述見表1。每個品種蘋果分別放入1000 mL燒杯中,用保鮮膜封口平衡15 min后進行數據采集,采用頂空吸氣法進行電子鼻的測定分析。測定條件:自動調零時間10 s,樣品準備時間5 s,樣品測試時間50 s,樣品測定間隔時間120 s,內部流量和進樣流量都為100 mL/min,傳感器清洗時間300 s,每個品種蘋果試驗重復測定6次。選取傳感器響應較平穩(wěn)的第44～46 s的測試數據用于分析處理。

表1 電子鼻標準傳感器陣列與性能描述Table 1 Standard sensor arrays and performance specification in electronic nose

1.2.3 蘋果果實揮發(fā)性物質測定 采用HS-SPME-GC-MS測定[16]。將3個蘋果去皮后四分法取樣,打漿后在離心機離心20 min(12000 r/min),4層紗布過濾后取上清液8 mL于15 mL頂空瓶中,而后放入55 ℃水浴15 min,再向頂空瓶中加入2.5 g NaCl,采用有孔蓋密封,將萃取纖維插入后,懸離液面1 cm左右,置于磁力加熱攪拌器上(轉速900 r/min),在溫度為55 ℃時,萃取45 min后拔出,拔出后即刻插入GC-MS進樣口,于250 ℃解析5 min,同時采集數據。

GC條件:HP-INNOWAX色譜柱(30 m×250 μm×0.25 μm);程序升溫:40 ℃保留2 min,然后以3 ℃/min升至210 ℃保留5 min,傳輸線溫度250 ℃,載氣為He,流速1 mL/min,不分流。MS條件:連接桿溫度280 ℃,電離方式為EI,離子源溫度200 ℃,掃描范圍35～350 u。

定性方法:通過檢索NIST 08/Wiley7.0標準譜庫,參考正反匹配度以及相關文獻查詢CAS碼,選擇正反匹配度均大于800、揮發(fā)性物質相對含量大于1%的成分進行定性分析。

定量方法:按峰面積歸一化法求得各成分相對含量,并選擇3-壬酮為內標進行具體定量。3-壬酮濃度為0.04 g·L-1,用量30 μL。各組分含量(μg·g-1)=(組分面積/內標的峰面積)×內標濃度(g·L-1)×30 μL/濾液體積(mL)。通過計算lg(香氣值)來確定不同品種特征香氣,香氣值=某種化合物含量/該化合物香氣閾值,當lg(香氣值)大于0時為特征香氣成分,即某種化合物含量大于該化合物香氣閾值[17]。

1.3 數據分析

數據使用Excel 2003軟件進行統(tǒng)計分析;使用SPSS 17.0軟件,極差法進行數據顯著性分析。電子鼻分析通過 Winmuster 軟件對采集的數據進行分析。

2 結果分析

2.1 不同品種蘋果的品質分析

由表2可知,4個品種蘋果的品質指標具有不同的變異范圍,其中單果質量最小值為165.36 g,最大單果質量為263.08 g,果肉質量最小值為113.63 g,最大值為207.39 g,其中‘寒富’蘋果單果質量、果肉質量均顯著高于其他品種蘋果(p<0.05),而‘嘎啦’蘋果則顯著低于其他品種蘋果(p<0.05);可食率最小值為68.72%,最大值為79.38%,其中‘嘎啦’蘋果可食率最低,其他品種蘋果差異不顯著(p>0.05);果實縱徑最小值為61.28 cm,最大值為73.98 cm,果實橫徑69.66 cm,最大值為83.45 cm,而果形指數最小值為0.85,最大值為0.90,其中‘金冠’蘋果果形指數最高,‘喬納金’蘋果果形指數最低。

色澤是評價果實外觀品質的重要指標,L*、a*、b*、C、h是表示果實顏色變化,其中L*表示光澤亮度,其值越大,亮度越越高,反之越低;a*值越大果皮越紅,反之越率;b*越大果皮越黃,反之越藍;C值越大,著色強度越大,反之越小;h從0到180依次代表顏色變化,依次為紫紅、紅、橙、黃、黃綠、藍綠色[18]。由表2所示,不同果實的色差有較大差異?！鸸凇O果的L*值為52.81,顯著(p<0.05)高于其他品種蘋果;‘金冠’的a*值最低,并且為負值,說明果實偏綠色,‘嘎啦’的a*值最高,且為正值,說明果實偏紅色;‘金冠’的b*最大,且為正值,說明果實偏黃色,‘喬納金’的b*最小,但為正值,說明果實偏黃藍色;‘金冠’的C值最大,說明其著色強度最大,‘嘎啦’和‘寒富’蘋果著色強度差異不顯著(p>0.05),‘喬納金’的著色強度最小;‘金冠’h值接近90,果實呈現黃色,‘喬納金’h最小,果實偏紅色。因此‘金冠’呈現明亮綠黃色,‘嘎啦’為有光澤紅色,‘喬納金’為紅黃色,‘寒富’為紅橙色。不同品種蘋果色差結合外觀和大小可以評價其感官品質。

不同品種的蘋果,其可溶性固形物和可滴定酸含量存在明顯差異,而固酸比不同構成了蘋果不同的風味[19]。由表2所示,‘寒富’蘋果的可溶性固形物為15.25%,顯著(p<0.05)高于其他品種蘋果,新鮮優(yōu)質蘋果的可溶性固形物一般在12%左右[20],除‘寒富’蘋果屬于含糖量較高的水果,其它的3個品種蘋果品質較好。果實的含酸量是影響果實風味的重要因素,對于鮮食優(yōu)質蘋果,其果實的含酸量0.2%～0.5%[21],以上4個品種蘋果,‘金冠’的可滴定酸含量最高為0.58%,‘寒富’的可滴定酸含量最低為0.37%,4個品種蘋果可滴定酸含量有一定差異,但都基本符合優(yōu)質蘋果要求。優(yōu)質蘋果的固酸比在20～60,低于20,風味淡或偏酸;大于60,甜味過強,風味不理想[22]。優(yōu)質蘋果的固酸比為20～60,低于20,風味淡或偏酸;大于60,甜味過強,風味不理想[22]。表2不同品種蘋果的固酸比在20～50之間,在優(yōu)質蘋果固酸比范圍內。維生素C是評價果蔬營養(yǎng)成分的重要指標,‘金冠’蘋果維生素C含量為22.73 mg/100 g,顯著(p<0.05)高于其他品種,其他品種維生素含量的高低次序為‘寒富’、‘嘎啦’、‘喬納金’。硬度和果皮脆性是評價果實質地緊密程度的重要指標。果實硬度從大到小依次為‘金冠’、‘嘎啦’、‘喬納金’、‘寒富’,其中‘金冠’蘋果果實硬度顯著高于其他品種蘋果(p<0.05);果皮脆性從大到小依次為‘嘎啦’、‘金冠’、‘喬納金’、‘寒富’,但‘嘎啦’與‘金冠’蘋果果皮脆性差異不顯著(p>0.05),其它品種之間差異顯著(p<0.05)。綜上可知,4個品種蘋果營養(yǎng)品質均較好。

表2 不同品種蘋果品質指標的分析Table 2 Analysis of quality indexes in different varieties of apple fruit

2.2 基于電子鼻對不同品種蘋果整體揮發(fā)性物質分析

2.2.1 PCA分析 圖1為不同品種蘋果揮發(fā)性物質主成分分析,主成分分析通過降低維度找到不同品種之間差異,通過較少的變量解釋原始信息,簡便計算量,并解決實際問題[23]。其中第一主成分貢獻率和第二主成分貢獻率分別為97.87%、1.61%,總貢獻率為99.48%,基本能代表樣品信息。圖1的4種不同品種蘋果所呈現的橢圓可以明顯地區(qū)分互不重疊,4個品種蘋果對第一主成分坐標軸刻度大小依次為‘嘎啦’>‘金冠’>‘喬納金’>‘寒富’,說明主成分分析適用于不同品種蘋果揮發(fā)物質主成分分析。

圖1 不同品種蘋果整體揮發(fā)性物質主成分分析Fig.1 Principal component analysis of entire volatiles in different varieties of apple fruit

2.2.2 LDA分析 線性判別分析(LDA)方法著重采集蘋果揮發(fā)性物質成分響應值在空間中的分布狀態(tài)及彼此之間的距離分析,即不同品種蘋果生成的揮發(fā)性物質速率變化分析見圖2。其中LD1貢獻率為58.09%,LD2貢獻率28.17%,總貢獻率86.26%,基本代表樣品信息。不同品種的蘋果所呈現的橢圓相距較遠,可以完全區(qū)分,說明4個品種蘋果的揮發(fā)性物質差異明顯,并且對第一主成分坐標軸刻度從大到小依次為‘嘎啦’、‘金冠’、‘喬納金’、‘寒富’,與主成分分析結果相一致,表明線性判別法也適用于不同品種蘋果揮發(fā)性物質分析。

圖2 不同品種蘋果整體揮發(fā)性物質線性判別分析Fig.2 Linear discriminant analysis of entire volatiles in different varieties of apple fruit

2.2.3 Loading分析 電子鼻10個傳感器給予不同品種蘋果不同揮發(fā)性物質響應,其中距離(0.0)較遠的傳感器為重要識別傳感器[24],由圖3所示。W1W(萜類和有機硫化合物)傳感器對第一主成分貢獻率最大,W5S(氮氧化合物)對第二主成分貢獻率最大,因此兩個傳感器在判別不同品種蘋果中起到了關鍵作用;另外,傳感器W2S(芳香型化合物)、W1S(烷烴化合物)距離(0.0)也相對較遠,在判別中也具有一定的輔助作用。

圖3 不同品種蘋果整體揮發(fā)性物質負荷加載分析Fig.3 Loading analysis of entire volatiles in different varieties of apple fruit

2.3 GC-MS對不同品種蘋果揮發(fā)性物質分析

4個品種蘋果主要揮發(fā)性物質含量比較如圖4所示,不同品種蘋果主要揮發(fā)性物質7類33種化合物,其中‘金冠’共檢測6類15種化合物,‘嘎啦’共檢測6類22種化合物,‘喬納金’共檢測6類16種化合物,‘寒富’共檢測5類15種化合物,由此得知‘嘎啦’蘋果檢測到化合物種類最多,其它3個品種蘋果檢測到化合物種類相對較少。圖4可知,蘋果的揮發(fā)性物質主要由醛類、酯類、醇類組成,而酮類、酸類、酚類、醚類含量較少,這些揮發(fā)性物質差異構成了不同品種蘋果香味的特異性[7,25]。‘嘎啦’的酯類物質含量最高,其次為‘喬納金’、‘金冠’,而‘寒富’最低,其酯類物質含量為0.075 μg/g,顯著低于其他3個品種蘋果(p<0.05);醛類物質含量依次為‘金冠’>‘嘎啦’>‘喬納金’>‘寒富’?！吕病拇碱愇镔|含量較多,為0.946 μg/g,顯著高于其他3個品種蘋果(p<0.05)。電子鼻可以檢測到果實整體的揮發(fā)性物質,通過電子鼻的分析也表明,4個品種蘋果的整體揮發(fā)性物質差異明顯,這與不同品種蘋果所具有的揮發(fā)性物質種類與含量不同密切相關。

圖4 不同品種蘋果各類揮發(fā)性物質含量比較Fig.4 Comparation of various types volatiles content in different varieties of apple fruit

表3為不同品種蘋果揮發(fā)性物質的含量。由表3可知,4個品種蘋果共檢測到醇類物質6種,其中‘金冠’的醇類物質有2種、‘嘎啦’5種、‘喬納金’2種、‘寒富’3種,含量分別為0.026、0.946、0.020、0.134 μg/g。

表3 4個品種蘋果的揮發(fā)性物質及含量Table 3 Volatile substances and its content in four varieties of apple fruit

具有青草味的1-己醇在‘嘎啦’蘋果中的含量最高(0.555 μg/g),lg(香氣值)>0,為‘嘎啦’蘋果的特征香氣成分,而1-己醇在‘金冠’,‘喬納金’和‘寒富’中均沒有檢測到。2-乙基-1-己醇是4個品種蘋果共同檢測到的醇類物質,‘嘎啦’的2-乙基-1-己醇含量為0.017 μg/g,顯著(p<0.05)高于‘金冠’(0.014 μg/g)、‘喬納金’(0.012 μg/g)和‘寒富’(0.006 μg/g)。

4個品種蘋果共檢測到醛類物質5種,其中‘金冠’的醛類物質有3種,‘嘎啦’ 2種,‘喬納金’ 2種,‘寒富’ 4種,含量分別為1.301、1.166、1.006、0.804 μg/g。己醛(青草味)和2-己烯醛(綠蘋果)是4種蘋果共同檢測到的醛類物質,并且lg(香氣值)均大于0,是4種蘋果的特征性香氣成分?！鸸凇募喝┖繛?.162 μg/g,‘寒富’的己醛含量為0.157 μg/g,均顯著(p<0.05)高于‘嘎啦’(0.096 μg/g)、‘喬納金’(0.088 μg/g);2-己烯醛的含量依次為‘金冠’>‘嘎啦’>‘喬納金’>‘寒富’,含量分別為1.129、1.070、0.918和0.525 μg/g。

4個品種蘋果共檢測到酯類物質15種,其中‘金冠’的酯類物質有7種,‘嘎啦’ 12種,‘喬納金’ 8種,‘寒富’ 7種,含量分別為0.200、3.318、0.204、0.075 μg/g。‘金冠’、‘嘎啦’、‘喬納金’、‘寒富’檢測乙酸己酯含量分別為0.090、0.896、0.100、0.017 μg/g,lg(香氣值)均大于0,是4種蘋果的特征性香氣成分,分析表明‘嘎啦’蘋果具有濃郁果香味,‘金冠’和‘喬納金’有果香味,而‘寒富’則具有淡淡果香味。具有蘋果味的丁酸己酯只有‘喬納金’品種檢測到,但lg(香氣值)<0,不是其特征香氣成分;‘嘎啦’蘋果檢測乙酸丁酯含量為0.932 μg/g,lg(香氣值)>0,為‘嘎啦’蘋果的特征香氣成分,這與王海波等[17]對‘嘎啦’蘋果特征性香氣分析結果一致。

酮類、酸類、酚類、醚類的含量在4個品種蘋果中均較少,但也是蘋果揮發(fā)性物質的重要構成部分?！鸸凇?、‘嘎啦’、‘喬納金’、‘寒富’檢測到的酮類物質種類分別為1、1、2、1種,含量分別為0.134、0.146、0.165、0.011 μg/g,其中‘寒富’中檢測到的酮類物質含量最低。酸類物質除‘寒富’未檢出,其它3種品種各檢出1種,含量分別為‘金冠’0.013 μg/g、‘嘎啦’0.021 μg/g、‘喬納金’0.015 μg/g;酚類物質均檢出1種,‘嘎啦’除外,含量分別為‘金冠’0.009 μg/g、‘喬納金’0.013 μg/g、‘寒富’0.006 μg/g;醚類物質,只有‘嘎啦’中檢測出草腦蒿,含量為0.060 μg/g,其它品種均未檢出。

3 結論

四個品種蘋果品質分析存在明顯差異?！弧O果單果質量、果肉質量最高,其次為‘喬納金’、‘金冠’、‘嘎啦’,而且‘嘎啦’蘋果可食率最低。從果形指數看,‘金冠’蘋果最高,‘喬納金’蘋果最低。 ‘金冠’呈現明亮綠黃色,‘嘎啦’為有光澤紅色,‘喬納金’為紅黃色,‘寒富’為紅橙色?！弧O果可溶性固形物最高,其它3個品種蘋果差異不顯著,‘金冠’和‘喬納金’蘋果可滴定酸含量高于‘嘎啦’和‘寒富’,而‘金冠’蘋果的維生素C含量和硬度最高,蘋果脆性依次為‘嘎啦’>‘金冠’>‘喬納金’>‘寒富’。主成分分析和線性判別分析可以將不同品種蘋果完全區(qū)分,可見其揮發(fā)性物質有顯著差異;揮發(fā)性物質第一主成分以萜類和有機硫化合物為主,第二主成分以氮氧化物為主;并且對第一主成分坐標軸刻度從大到小依次為‘嘎啦’、‘金冠’、‘喬納金’、‘寒富’。

‘金冠’、‘嘎啦’、‘喬納金’和‘寒富’4個品種蘋果的主要揮發(fā)性物質以醇類、醛類、酯類為主。醇類種類分別有2、5、2、3種,含量分別為0.026、0.946、0.020、0.134 μg/g,其中共同檢測到的成分是2-乙基-1-己醇,而具有青草味的1-己醇是‘嘎啦’蘋果的特征性香氣。醛類種類分別有3、2、2、4種,含量分別為1.301、1.166、1.006、0.804 μg/g,其中具有青草味的己醛、綠蘋果味的2-己烯醛是4個品種蘋果共有的特征性香氣,兩種物質在4個品種蘋果的含量次序為‘金冠’>‘嘎啦’>‘喬納金’>‘寒富’。酯類種類分別有7、12、8、7種,含量分別為0.200、3.318、0.204、0.075 μg/g,其中具有果香味的乙酸己酯是4個品種蘋果共有的特征性香氣,含量次序為‘嘎啦’>‘喬納金’>‘金冠’>‘寒富’,而乙酸丁酯是‘嘎啦’特有酯類,也是其特征性香氣?？傮w上,‘嘎啦’蘋果香氣濃郁,‘寒富’蘋果香氣較淡,這與電子鼻分析結果相吻合。