陳東杰,李惠生,隋青,員艷苓,張玉華*,段宇芃,孫崇德

1(國家農(nóng)產(chǎn)品現(xiàn)代物流工程技術(shù)研究中心,山東 濟(jì)南,250103) 2(山東商業(yè)職業(yè)技術(shù)技術(shù)學(xué)院,山東省農(nóng)產(chǎn)品貯運(yùn)保鮮技術(shù)重點實驗室,山東 濟(jì)南,250103) 3(山東碧泉環(huán)境工程技術(shù)有限公司,山東 德州,251100)4(浙江大學(xué),農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院,浙江 杭州,310027)

榴蓮(DuriozibethinusL.)是一種可食用的熱帶水果,其果肉富含膳食纖維、維生素、礦物質(zhì)等營養(yǎng)成分,被稱為“水果之王”[1-2],深受國內(nèi)外消費(fèi)者喜愛。榴蓮因含酯類、醇類、醛類、酮類、酸類及含硫揮發(fā)性有機(jī)物[3-5],致使榴蓮具有獨(dú)特風(fēng)味。不同品種榴蓮因含有揮發(fā)性有機(jī)物(volatile organic compounds,VOCs)不同,氣味也不同[6-7]。

常用的揮發(fā)性物質(zhì)分析方法有GC-MS、電子鼻技術(shù)、氣相離子遷移譜色譜技術(shù)(gas chromatography-ion mobility spectrometry,GC-IMS)等[8-11]。GC-MS需專業(yè)人員操作[12]。電子鼻技術(shù)及GC-IMS檢測操作簡單,無需前處理及破壞樣品,且可快速獲得檢測結(jié)果[13-16]。目前電子鼻技術(shù)及GC-IMS在區(qū)分不同水果品種及產(chǎn)地開展深入研究[17-18]。但鮮有研究報道榴蓮品種之間風(fēng)味及VOCs差異。

因受榴蓮種植環(huán)境氣候等限制,國內(nèi)尚未成規(guī)模種植,國內(nèi)的榴蓮幾乎全部需要進(jìn)口[19]。市場上不同品種的榴蓮及不同產(chǎn)地榴蓮價格差異較大,比如黑刺榴蓮因其種植條件苛刻,產(chǎn)量低,其價格遠(yuǎn)高于其他品種。目前鑒別榴蓮產(chǎn)地及品種的方法主要依靠從事榴蓮行業(yè)的專業(yè)人士的感官,由于很多品種榴蓮?fù)庥^相近,一般消費(fèi)者無法區(qū)分,導(dǎo)致某些不良進(jìn)口商家以假亂真,混淆榴蓮品種以獲得高額利潤。

鑒于國內(nèi)對榴蓮品種鑒別及榴蓮的揮發(fā)性物質(zhì)研究較少,本文采用電子鼻技術(shù)及GC-IMS結(jié)合化學(xué)計量學(xué)分析[主成分分析(principal component analysis,PCA)、線性判別分析(linear discriminant analysis,LDA)、最近相鄰法]對常見7種榴蓮品種風(fēng)味進(jìn)行區(qū)別,將不同榴蓮VOCs成分以可視化數(shù)據(jù)的形式展示,為榴蓮的揮發(fā)性物質(zhì)研究及快速判別提供參考數(shù)據(jù)。同時,本文對7種榴蓮品種的果實硬度、糖度、可溶性蛋白質(zhì)含量等營養(yǎng)成分等進(jìn)行評價,為開展國內(nèi)榴蓮新品種引進(jìn)及商業(yè)種植及本土化雜交育種提供支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

供試榴蓮D13朱雀、D24蘇丹王、D197貓山王、D198金鳳、D201江海、D200黑刺、D159金枕由濟(jì)南某大型超市提供,采摘地為馬來西亞產(chǎn)區(qū),成熟期采摘,液氮冷凍保存。

26-二氯靛酚、偏磷酸、草酸、碳酸氫鈉、氫氧化鈉、3,5-二硝基水楊酸、酒石酸鈉、亞鐵氰化鉀、乙酸鋅、葡萄糖、甲基紅指示劑、鹽酸、亞硝酸鈉、苯酚、冰乙酸、乙醇、酚酞、考馬斯亮藍(lán)等,均為分析純,國藥集團(tuán)。

1.2 儀器與設(shè)備

F6/10-104-S組織破碎機(jī),上海弗魯克流體機(jī)械制造有限公司;EL204-IC電子天平,梅特勒-托利多儀器有限公司;Atago數(shù)顯糖度計,愛宕(ATAGO)科學(xué)儀器有限公司;T9紫外可見分光光度計,北京普析通用儀器有限責(zé)任公司;FOX4000電子鼻,法國Alpha MOS公司;FlavourSpec 1H1-00053型氣相色譜離子遷移譜,德國G.A.S.公司;CTC-PAL 自動進(jìn)樣裝置,瑞士CTCAnalytics AG公司;CLOT毛細(xì)管柱 30 m×0.25 mm×0.50 μm,德國CS Chromatographie Service GmbH公司;77-1型磁力攪拌器,天津賽得利斯儀器儀表有限公司;TMS-PRO,美國FTC公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 可溶性固形物含量測定

取少許榴蓮果肉,放在兩層用紗布,后用力擠兩滴在數(shù)顯糖度計上,記錄讀數(shù),測定5次,取平均值為榴蓮的可溶性固形物含量值。

1.3.2 維生素C含量測定

維生素C測定采用曹健康等[20]方法進(jìn)行測定,精確稱取5 g樣品,加0.2 mol/L草酸均質(zhì)后定容,取濾液20 mL滴定,3次重復(fù)。

1.3.3 硬度測定

采用TA5探頭在質(zhì)構(gòu)儀上進(jìn)行全質(zhì)構(gòu)測試。沿著標(biāo)記區(qū)域進(jìn)行測試,設(shè)置測前速率120 mm/s;測中及測后速率120 mm/s;壓縮程度10%,起始力0.75 N。得到評價榴蓮果肉狀況硬度特征曲線,其參數(shù)包括硬度。硬度是以雙峰曲線第1個峰的最大值表示(N);測定3次,取平均值。

1.3.4 可溶性蛋白質(zhì)含量測定

可溶性蛋白質(zhì)含量測定采用考馬斯亮藍(lán)法對榴蓮可溶性蛋白質(zhì)含量進(jìn)行測定[20]。

1.3.5 總酸的測定

按照GB 12456—2021《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中總酸的測定》中酸堿指示法測定。

1.3.6 電子鼻的測定

使用Fox4000傳感器進(jìn)行電子鼻分析陣列指紋分析儀,包含18金屬氧化物半導(dǎo)體。各傳感器響應(yīng)敏感特性:LY2/LG、P40/1、P40/2、T40/2、T40/1對氧化能力較強(qiáng)的氣體靈敏;LY2/G、LY2/GH、LY2/gCTL對有毒氣體靈敏;LY2/AA、T30/1、P30/2、TA/2對有機(jī)化合物靈敏;LY2/gCT、P10/2對易燃?xì)怏w靈敏;P10/1對可燃?xì)怏w靈敏;T70/2對芳香族化合物靈敏;PA/2對有機(jī)化合物、有毒氣體靈敏;P30/1對可燃?xì)怏w、有機(jī)化合物靈敏。

電子鼻測定參數(shù):稱取2.0 g榴蓮樣品裝入10 mL 樣品瓶,每種榴蓮樣品采集5個平行樣品。采集時間180 s,數(shù)據(jù)采集周期1.0 s,數(shù)據(jù)采集延遲1 080 s,流速150 mL/min,進(jìn)樣量500 μL,注射速率500 μL/s,孵化期120 s,孵化溫度40 ℃,清洗時間400 s,注射器溫度50 ℃,填充速率500 μL/s。

1.3.7 GC-IMS測定條件

頂空孵化溫度45 ℃;孵化時間10.0 min;加熱方式:振蕩加熱;頂空進(jìn)樣針溫度50 ℃;進(jìn)樣量500.0 μL,不分流模式;載氣:高純氮?dú)?純度≥99.999%,推斷和清洗進(jìn)樣針);清洗時間0.50 min。

GC-IMS條件:色譜柱溫度40 ℃;運(yùn)行時間15 min;載氣:高純N2(純度≥99.999%);流速:初始5.0 mL/min,保持10 min后在5 min內(nèi)線性增至150 mL/min;漂移管長度5 cm;管內(nèi)線性電壓400 V/cm;漂移管溫度40 ℃;漂移氣為高純N2,純度≥99.999%;流速150 mL/min;IMS探測器溫度45 ℃。

檢測方法:取3.0 g樣品,放入20.0 mL頂空進(jìn)樣瓶中,45 ℃孵化10 min,經(jīng)頂空進(jìn)樣用FlavourSpec?風(fēng)味分析儀進(jìn)行測試,經(jīng)G.A.S公司開發(fā)的功能軟件分析可給出樣品中揮發(fā)性有機(jī)物的差異譜圖;軟件內(nèi)置的NIST數(shù)據(jù)庫和IMS數(shù)據(jù)庫可對物質(zhì)進(jìn)行定性分析。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 23.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,采用單因素ANOVA以及Tukey分析對幾種榴蓮營養(yǎng)品質(zhì)進(jìn)行方差分析,設(shè)定P<0.05為顯著,P>0.05不顯著;運(yùn)用PCA、LDA數(shù)據(jù)分析方法對電子鼻數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,結(jié)果由Origin pro2021軟件進(jìn)行繪圖,二維可視化軟件為LAV2.0(G.A.S.Inc.)。

2 結(jié)果與分析

2.1 榴蓮的營養(yǎng)品質(zhì)比較

表1為測定7種榴蓮理化品質(zhì)(可溶性固形物含量、維生素C、硬度、可溶性蛋白質(zhì)含量及總酸)的數(shù)據(jù)。7種榴蓮的理化品質(zhì)存在明顯差異(P<0.05)?？扇苄怨绦挝镏饕侵缚扇苄蕴穷?包括單糖、雙糖、多糖(除淀粉、纖維素、幾丁質(zhì)、半纖維素不溶于水)及酸類和其他有機(jī)小分子物質(zhì)[21]。果實成熟度與其含量多少密切相關(guān)[22]。7種榴蓮的可溶性固形物含量差異顯著(P<0.05),7種榴蓮中D197貓山王品種中可溶固形物含量最高,D159金枕可溶性固形物含量最低,D13朱雀榴蓮與D198金鳳榴蓮的可溶性固形物含量差異不顯著(P>0.05),D24蘇丹王與D200黑刺榴蓮含量差異不顯著(P>0.05),7種榴蓮中含量大致為D197>D201>D13>D198>D200>D159。

表1 七種榴蓮理化品質(zhì)Table 1 Physiochemical qualities of seven durians

維生素C是果蔬重要的營養(yǎng)指標(biāo)之一。7種榴蓮的維生素C含量差異顯著(P<0.05)。7種榴蓮維生素C的含量為100.36～426.23 μg/g。其中D13朱雀榴蓮維生素C含量最高,D24蘇丹王榴蓮維生素C含量最低,其在7種榴蓮中含量排序為D13>D197>D159>>D201>D200>D198>D24。

榴蓮質(zhì)地和硬度是決定榴蓮質(zhì)量的重要特征,同時也影響消費(fèi)者接受程度,其硬度受其含有的水分和溶解的溶質(zhì)影響。榴蓮D197果肉的硬度值最高,榴蓮D159的果肉硬度最低。其中榴蓮D197果肉與D200果肉硬度無顯著性差異(P>0.05),D159果肉與D198果肉的硬度也無顯著性差異(P>0.05)。7種榴蓮硬度大小排序為D197=D200>D201>D24>D13>D198=D159(P>0.05)。

7種榴蓮可溶性蛋白質(zhì)含量為2.11～2.77 mg/g,其中D197貓山王榴蓮可溶性蛋白質(zhì)含量在7種榴蓮果肉中最高(P<0.05),但與D200黑刺榴蓮樣品差異不明顯(P>0.05)。其次含量最高為D24蘇丹王,D24蘇丹王與D198金鳳榴蓮差異不顯著(P>0.05)。D13朱雀中可溶性蛋白含量為7種榴蓮中最低。

總酸對榴蓮口感風(fēng)味有重要影響。7種榴蓮可滴定酸含量為0.10%～0.44%,其中D197貓山王含量明顯高于其他榴蓮果肉(P<0.05),D159金枕榴蓮可滴定酸含量次之,D13朱雀榴蓮果肉可滴定酸含量為7種榴蓮中最低。D198金鳳榴蓮與黑刺榴蓮的可滴定酸含量無顯著性差異(P>0.05),D13朱雀榴蓮與D24蘇丹王可滴定酸含量也無顯著性差異(P>0.05)。

2.2 不同榴蓮電子鼻傳感器響應(yīng)值分析

圖1為7種榴蓮電子鼻響應(yīng)值雷達(dá)圖,由圖1可知,傳感器T30/1、P10/1、P10/2、P40/1、T70/2、PA/2、P30/1、P40/2、P30/2、T40/2等在7種榴蓮樣品中響應(yīng)值較大且無顯著性差異(P>0.05),說明榴蓮中含有大量硫、氯和氟化物、醛類等物質(zhì)。而傳感器LY2/G(氨、胺化合物)、LY2/AA(氨、乙醇和丙酮)、LY2/GH(氯、氟、氮氧化物和硫化物)、LY2/gCTL(硫化物)在7種榴蓮樣品中的響應(yīng)值差異明顯(P<0.05)。

圖1 不同榴蓮電子鼻檢測信號雷達(dá)圖Fig.1 Radar plot of E-nose detection values for the diffrent durian

PCA是一種降維數(shù)據(jù)信息的方法,可將很多個指標(biāo)濃縮成綜合指標(biāo)(主成分)[23],并保證這些綜合指標(biāo)彼此之間互不相關(guān)的一種多元統(tǒng)計分析方法。通常認(rèn)為累計貢獻(xiàn)率超過80%,表明基本包含樣品的信息。由圖2可知,第一主成分(PC1)和第二主成分(PC2)的貢獻(xiàn)率分別為81.66%和17.68%,兩者累計貢獻(xiàn)率為99.34%。說明這兩個主成分基本上可以反映出榴蓮所有的特征。樣品距離相近,其樣品性質(zhì)越相似。如圖2所示,D198金鳳與D201江海樣品重疊,D201江海榴蓮與D200黑刺榴蓮樣品也有重合區(qū)域,說明PCA方法無法較好區(qū)分D198金鳳榴蓮、D200黑刺榴蓮、D201江海榴蓮樣品,或者3種榴蓮(D198、D200、D201)揮發(fā)性氣味類似。

圖2 榴蓮電子鼻響應(yīng)值信號的PCAFig.2 PCA of E-nose sensor signals of the diffrent durian

LDA是一種屬于監(jiān)督學(xué)習(xí)的降維算法,利用已知類別的樣品建立判別模型,為未知類別的樣本判別的一種統(tǒng)計方法[24]。由圖3可知,第一主成分(LD1)和第二主成分(LD2)的貢獻(xiàn)率分別為62.70%和23.93%,兩者累計貢獻(xiàn)率為86.63%。說明這兩個主成分基本上可以反映出榴蓮所有的特征信息。相比較于PCA結(jié)果,LDA可完全區(qū)分7種榴蓮樣品,說明7種榴蓮的揮發(fā)性物質(zhì)存在不同,其風(fēng)味明顯。

圖3 榴蓮電子鼻響應(yīng)值信號的LDAFig.3 LDA of E-nose sensor signals of the diffrent durian

2.3 七種榴蓮氣相色譜-離子遷移譜指紋圖譜的分析

從圖4中每一行代表一種榴蓮樣品中選取的全部信號峰,每一列代表同一VOCs在不同榴蓮樣品中的信號峰,信號峰體積反映VOCs濃度,信號峰體積越大,該VOCs濃度就越高。由圖4可以看出,每種樣品完整VOCs信息以及樣品之間VOCs的差異。通過GC-IMS技術(shù)可直觀區(qū)分7種榴蓮VOCs差異,經(jīng)過GC-IMS檢測出58種揮發(fā)性物質(zhì)(表2),由于每種物質(zhì)信號峰體積數(shù)據(jù)差異大,對其進(jìn)行歸一化處理得到每種VOCs在7種榴蓮中相對含量。

圖4 榴蓮氣相離子遷移譜Fig.4 GC-IMS topographic plots of duirans

表2 榴蓮揮發(fā)性物質(zhì)成分及相對含量 單位:%

由表2可知,在已確定58種VOCs中,發(fā)現(xiàn)10類有機(jī)化合物,分別是酯類、醛類、醇類、酮類、硫化物、蒎烯類、酸類、噻唑類、吡嗪、呋喃類等物質(zhì),其中酯類20種、醛類12種、醇類11種、酮類7種、硫化物為3種,其余揮發(fā)性物質(zhì)各1種。將表2中各類物質(zhì)歸類后相加,得到每種類物質(zhì)在7種榴蓮相對含量。

由表3可知,酯類、醛類、醇類、酮類為7種榴蓮主要VOCs。不同種類VOCs在7種榴蓮含量存在差異。酯類在D159金枕榴蓮最高,醛類在D197貓山王榴蓮中含量最高,醇類在D198金鳳榴蓮含量最高,酮類在D24蘇丹王含量最高,而酯類物質(zhì)為D13、D159、D198、D201、D200、D197榴蓮中揮發(fā)性物質(zhì)含量最高的VOCs(P<0.05)。D198金鳳榴蓮硫化物含量顯著高于其他6種榴蓮(P<0.05)。

表3 主要VOCs在榴蓮樣品中相對含量 單位:%

由圖5可知,7種榴蓮果肉揮發(fā)性物質(zhì)既有共同之處,又有差異之處。乙醇、丙酮、乙酸乙酯、丁酸乙酯為7種榴蓮果肉中共有VOCs。D159金枕榴蓮、D197貓山王榴蓮、D198金鳳榴蓮3種榴蓮果肉含有揮發(fā)性物質(zhì)種類明顯多于其他4種榴蓮果肉。2,5-二甲基呋喃和2-甲基吡嗪含量在D13朱雀榴蓮中較高。甲基乙基硫醚、羥基丙酮、2-甲基-1-丁醇、異戊醇等為D24蘇丹王榴蓮果肉中含量較高揮發(fā)性物質(zhì)。葉醇、2-戊酮、己醛、丙酸丁酯、丁酸戊酯、辛酸乙酯、己酸甲酯、丁酸丙酯、正己酸乙酯等為D159金枕榴蓮中含量較高的揮發(fā)性物質(zhì)。反式-2-戊烯醛、3-甲硫基丙醛、環(huán)己酮等VOCs在D197貓山王中含量較高。丁位辛內(nèi)酯、二烯丙基二硫、(2E,4E)-2,4-辛二烯醛、3-甲硫基丙醇、丙位己內(nèi)酯等在D198 金鳳榴蓮中含量較高。相比其他6種榴蓮,3-甲基-3-丁烯-1-醇在D200黑刺榴蓮中含量最高。D201江海榴蓮含有揮發(fā)性物質(zhì)種類為7種榴蓮中最少。(E)-2-己烯-1-醇在D13朱雀、D197貓山王榴蓮、D198金鳳榴蓮及D200黑刺榴蓮中含量比較高。乙酸甲酯及2,5-二甲基呋喃在D13朱雀、D197貓山王榴蓮、D198金鳳榴蓮中含量高于其他4種榴蓮。異丁酸乙酯、異戊酸甲酯在D24蘇丹王榴蓮果肉中含量低于其他6種榴蓮。

圖5 不同榴蓮VOCs指紋圖譜Fig.5 The VOCs fingerprint of different durians

為了更加直觀區(qū)分7種榴蓮VOCs的差異,根據(jù)VOCs的區(qū)域信號強(qiáng)度,對7種榴蓮樣品進(jìn)行PCA。PCA圖中的采樣距離越大,樣品差異越大。由圖6可知,7種榴蓮樣品風(fēng)味差異明顯。指紋相似分析(fingerprint similarity analysis,FSA)是HS-GC-IMS軟件的一個新功能插件,通過計算和比較歐氏距離,可用于揮發(fā)性有機(jī)化合物指紋圖譜的相似性分析。更大的樣本距離如圖7所示,7種榴蓮樣本差異明顯,通過FSA結(jié)果進(jìn)一步證實了3D-PCA結(jié)論。

圖6 不同品種榴蓮的3D-PCA圖Fig.6 3D-PCA diagram of varieties of the different of durian

圖7 指紋相似分析Fig.7 Fingerprint similarity analysis

3 結(jié)論與討論

本文對7種榴蓮果肉(D159金枕榴蓮、D197貓山王、D198金鳳榴蓮、D201江海榴蓮、D200黑刺榴蓮、D24蘇丹王榴蓮、D13朱雀榴蓮)的營養(yǎng)品質(zhì)及揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行測定,發(fā)現(xiàn)D197貓山王榴蓮品種中可溶固形物含量、硬度、可溶性蛋白質(zhì)含量為7種榴蓮樣品數(shù)值最高,D159金枕可溶性固形物含量及硬度為7種榴蓮中數(shù)值最低。D13朱雀榴蓮維生素C含量最高,D24蘇丹王榴蓮維生素C含量最低。電子鼻主成分分析不能區(qū)分D198金鳳榴蓮、D200黑刺榴蓮、D201江海榴蓮樣品,采用LDA區(qū)分7種榴蓮果肉風(fēng)味之間差異。采用GC-IMS儀器自帶MeV插件的3D-PCA都可較好區(qū)分7種榴蓮風(fēng)味差異。綜合營養(yǎng)成分及VOCs等指標(biāo)對7種榴蓮進(jìn)行評價,認(rèn)為D197貓山王榴蓮品質(zhì)優(yōu)于其他6種榴蓮。但因7種榴蓮含VOCs不同,風(fēng)味各異,消費(fèi)者可根據(jù)自己口味喜好購買。

本研究對7種榴蓮揮發(fā)物質(zhì)進(jìn)行分析,得到酯類、醛類、醇類、酮類、硫化物等58種揮發(fā)性物質(zhì),其中酯類、醇類、醛類和含硫VOCs相對含量較高。不同榴蓮品種可食用果肉部分,因含有大量的酯類和硫化物,具有其自身獨(dú)特而強(qiáng)烈的香味。其中硫化合物在榴蓮中產(chǎn)生獨(dú)特的“洋蔥-硫”氣味,不同比例含硫量的VOCs,可能會導(dǎo)致消費(fèi)者感知到不同的榴蓮味道[25-26]。二烯丙基二硫、二甲基硫、甲基乙基硫醚、3-甲硫基丙醇等可能與榴蓮的麻木感相關(guān),這幾種硫化物在7種榴蓮中都存在,其中D198金鳳榴蓮中含量最高,表明金鳳榴蓮散發(fā)的氣味特殊且強(qiáng)烈。7個榴蓮品種中含量最高的揮發(fā)性物質(zhì)為酯類。酯類是通過與醇和羧酸縮合形成的,它給水果帶來甜的、果味香氣和令人愉快的氣味。丁酸乙酯、辛酸乙酯、丁酸戊酯等是7種榴蓮的主要酯類化合物,與榴蓮的甜味有較強(qiáng)的相關(guān)性。酯類物質(zhì)和硫化物含量在不同榴蓮品種中存在明顯差異,其原因是在果實發(fā)育階段,風(fēng)味特征可受到遺傳、環(huán)境(溫度、降雨量、海拔)、栽培實踐、農(nóng)用化學(xué)和品種的影響,不同采收技術(shù)也可影響果實的香氣和整體味道。

目前國內(nèi)關(guān)于榴蓮果實揮發(fā)性成分的報道很少,特別是在榴蓮果實中的揮發(fā)性/芳香性化合物方面仍有需繼續(xù)深入研究。課題組將繼續(xù)研究:榴蓮果實成熟的不同階段風(fēng)味誘導(dǎo)和香氣形成的實際動力學(xué)模式,及脂類或脂肪酸氧化或降解對整體品質(zhì)的影響,特別是在采后貯藏期間,確定環(huán)境條件在誘導(dǎo)風(fēng)味中發(fā)揮的實際作用。為開展我國榴蓮新品種引進(jìn)及榴蓮貯藏提供參考。