基于GC-IMS结合化学计量学分析不同冷冻时长对椰子水挥发性物质的影响.pdf
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1、阚金涛,王媛媛,宋菲,等.基于 GC-IMS 结合化学计量学分析不同冷冻时长对椰子水挥发性物质的影响 J.食品工业科技,2023,44(19):329335.doi:10.13386/j.issn1002-0306.2022110273KAN Jintao,WANG Yuanyuan,SONG Fei,et al.Effect of Frozen Periods on Volatile Flavor Compounds of Coconut Water Based onGC-IMS and Chemometrics AnalysisJ.Science and Technology of Foo
2、d Industry,2023,44(19):329335.(in Chinese with Englishabstract).doi:10.13386/j.issn1002-0306.2022110273 分析检测 基基于于 GC-IMS 结合化学计量学分析不同冷冻结合化学计量学分析不同冷冻时长对椰子水挥发性物质的影响时长对椰子水挥发性物质的影响阚金涛1,2,3,王媛媛1,2,3,宋菲1,2,3,张建国1,2,3,张玉锋1,2,3,*(1.中国热带农业科学院椰子研究所,海南文昌 571339;2.海南省椰子深加工工程技术研究中心,海南文昌 571339;3.椰子国家工程研究中心,海南文昌 5
3、71339)摘要:采用气相色谱-离子迁移谱(GC-IMS)和化学计量法,研究了成熟椰子水在18 冷冻 0、1、2 和 3 个月(CW0、CW1、CW2 和 CW3)后挥发性物质的变化。结果表明:GC-IMS 能够从成熟椰子水中鉴定出 29 种挥发性有机物,包括 13 种醇类、6 种酯类、6 种醛类、2 种酮类、2 种酸类物质。经冷冻后,挥发性物质的总量(峰值体积)发生了显著的降低和散失。随着冷冻时间的延长,酸类化合物峰体积逐渐增强并在冷冻第 2 个月后达到最大值,而后降低。醇、酯、醛类物质峰体积逐渐上升并在冷冻第三个月后达到最大值,酮类物质峰体积逐渐降低,并在冷冻 2 个月之后达到最小值。主成
4、分分析(PCA)和正交偏最小二乘判别分析(OPLS-DA)均能在不过拟合的情况下对 4 种椰子水进行判别;进一步从鉴定出的挥发性物质中,根据可变重要性投影(VIP)值1 选取9 个关键标志物,在聚类热图分析中分别实现对 4 种椰子水的聚类和有效区分,其中乙酸乙酯(D、M)、异丁醛、乙醛、己酸乙酯、2-丁酮、乙酸(M)可作为椰子水不同冷冻时长的阶段标志物。研究结果为不同冷冻时间下椰汁的 GC-IMS 快速鉴别提供了依据。关键词:椰子水,冷冻,挥发性物质,气相色谱-离子迁移谱(GC-IMS)本文网刊:中图分类号:TS255.2 文献标识码:A 文章编号:10020306(2023)19032907
5、DOI:10.13386/j.issn1002-0306.2022110273EffectofFrozenPeriodsonVolatileFlavorCompoundsofCoconutWaterBasedonGC-IMSandChemometricsAnalysisKANJintao1,2,3,WANGYuanyuan1,2,3,SONGFei1,2,3,ZHANGJianguo1,2,3,ZHANGYufeng1,2,3,*(1.Coconut Research Institute of Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences,
6、Wenchang 571339,China;2.Engineering and Technology Research Center for Coconut Deep Process of Hainan Province,Wenchang 571339,China;3.National Engineering Research Center of Coconut,Wenchang 571339,China)Abstract:In this paper,gas chromatography-ion mobility spectroscopy(GC-IMS)and chemometrics wer
7、e used to in-vestigate the changes of volatile substances in mature coconut water after freezing at 18 for 0,1,2 and 3 months(CW0,CW1,CW2 and CW3).Results showed that GC-IMS could identify 29 volatile substances from four kinds of coconutwater,including 13 alcohols,6 esters,6 aldehydes,2 ketones and
8、 2 acids.And the total amount(peak volume)of volatilesubstances decreased significantly with the extension of freezing periods.As the extension of freezing periods,the peakvolume of acid compounds gradually increased and reached a maximum value in the coconut water freezing for two month(CW2)and the
9、n decreases.The peak volume of alcohols,esters,and aldehydes gradually increased and reached a maximum 收稿日期:20221125 基金项目:中央级公益性科研院所基本科研业务费专项(1630152022002)。作者简介:阚金涛(1994),男,硕士,研究方向:椰子产品加工与安全,E-mail:。*通信作者:张玉锋(1988),男,博士,副研究员,研究方向:功能性食品化学,E-mail:。第 44 卷 第 19 期食品工业科技Vol.44 No.192023 年 10 月Science and
10、 Technology of Food IndustryOct.2023 value in the coconut water freezing for three month(CW3),while the peak volume of ketones gradually decreased andreached a minimum value in the freezing coconut water for two month(CW2).Both principal component analysis(PCA)and orthogonal partial least squares di
11、scriminant analysis(OPLS-DA)could distinguish four kinds of coconut water withoutover-fitting.Furthermore,9 key markers were selected from the identified volatile substances based on the variableimportance projection(VIP)value1,which could achieve the respective clustering and effective differentiat
12、ion of fourcoconut water in the cluster heat map analysis.Among them,ethyl acetate(D,M),isobutyral,acetaldehyde,ethyl caproate,2-butanone,acetic acid(M)were the characteristic volatile substance of coconut water of different freezing periods.Theseresults would provide support for the rapid identific
13、ation of coconut water by GC-IMS at different freezing periodssKeywords:coconut water;freezing;volatile compounds;gas chromatography-ion mobility spectroscopy(GC-IMS)挥发性物质是影响食品风味和品质的重要因素,也是消费者选购食品的重要依据之一。作为一种天然电解质饮料,椰子水是近几年食品饮料行业的新宠,除了热量低,富含矿物质、维生素等营养物质,同时具有一定生理功效之外13,独特的风味品质也是人们青睐椰子水的主要原因之一。如 Alusi
14、o 等4从嫩椰子水蒸汽蒸馏出的精油中检测到醇、酮、羧酸、酚和酯类化合物,其中绿椰中酮类(42.5%)、酯类(29.9%)含量较高,其次是醛类(14.5%)和醇类(3.2%),占总含量的 90.1%。邓福明等5利用顶空-固相微萃取结合气质(HS-SPME-GC-MS)技术从我国 5 个主栽椰子品种的嫩椰子水中鉴定出 24 种挥发性物质,醛类含量在 14.14%56.30%。目前国内外对椰子水挥发性物质的研究主要在嫩椰子水方面68,而对成熟椰子水的报道较少,仅有杨慧敏等9利用 GC-MS 技术从成熟椰子水中鉴定出酯类(60.63%)16 种,有机酸(12.38%)10 种和少许的醇类、醛酮类和酚类
15、物质。破壳后的成熟椰子水一般以18 冷冻的形式进行运输和贮藏,最大程度地保留了椰子水的特有风味10,但18 的低温冷冻过程会破坏组织细胞的细胞壁,形成的冰晶不仅会降低多酚氧化酶(PPO)、过氧化物酶(POD)结合能力,还会使细胞壁上的结合态酶释放,并诱发酶促褐变、风味劣变等生理生化反应,从而导致原料产生异味、质地软化1112。冷冻处理会对原料的挥发性物质也有较大的影响,如周典飞13发现草莓在速冻和冻藏过程中因冰晶体的生长和重结晶现象会破坏果实组织的细胞结构,细胞结构的受损使香气物质的结合能力下降,从而出现香气成分的大量散失和挥发。而 Pico 等14将面包冷冻储藏一周后,面包挥发性物质含量损失
16、 24%,在冷冻一个月后,38 种挥发性化合物中有 5 种完全丢失,冷冻处理会显著减少挥发性物质含量。气相色谱-离子迁移谱(GC-IMS)是一种结合了气相色谱(GC)的高分离能力和离子迁移光谱(IMS)的快速响应优点的分离与检测技术,具有快速、省时、无溶剂峰、灵敏度高、结果直观化的特点15,同时可结合化学计量学有效区分不同样品间挥发性物质的差异,在药物检测、环境保护、食品风味分析中广泛应用1617,如金文刚等18采用 GC-IMS 结合化学计量学对不同花生油掺伪量的大鲵油中挥发性成分进行探究,结果表明差异挥发性成分可用于不同掺伪量大鲵油的区分鉴定。因此,本文以海南本地高种成熟椰子水为研究对象,
17、采用 GC-IMS 技术分析成熟椰子水在不同冷冻时长下挥发性物质的变化特征,建立挥发性物质指纹图谱,为椰子水在冷冻运输、贮藏过程中的冷冻时长鉴定和保鲜效果评价提供一种新的方法,进而为椰子水的进一步开发利用提供理论依据。1材料与方法 1.1材料与仪器12 月龄海南本地高种椰子中国热带农业科学院椰子研究所种质资源圃内采摘。Flavorspec 气相色谱-离子迁移谱仪德国 G.A.S.Instrument;BSA224S-CW 万分之一天平赛多利斯科学仪器(北京)有限公司;BCD-202WGHC290B9冰箱青岛海尔集团。1.2实验方法 1.2.1 样品处理将椰子破壳,收集椰子水后混合过滤,取椰子水
18、 300 mL,装入食品自封袋中,共 12 份,三份样品于取样后 2 h 内进行检测分析,编号为CW0。剩余 9 份放入冰水中振荡预冷 20 min 后放入18 冰箱中,分别于第 1、2、3 个月取出三份椰子水样品,编号为 CW1、CW2、CW3,每个样品处理做三次重复检测。1.2.2 气相色谱-离子迁移色谱(GC-IMS)分析条件冷冻椰子水经 25 水浴解冻后,准确称取椰子水样品 50.001 g,放入顶空玻璃瓶中,在 60 下孵育 15 min,孵化转速为 500 r/min;进样温度为85;进样体积 500 L。GC-IMS 分析检测条件:分析时间:30 min;色谱柱类型:WAX,(3
19、0 m0.53 mm,1 m);柱温:60;载气/漂移气:N2(纯度99.999%);IMS 温度:45;载气流速:02 min,2 mL/min;210 min,210 mL/min;1020 min,10100 mL/min;2030 min,100 mL/min。利用 GC-IMS 仪器内置的 Library Search NIST气相保留指数数据库和 IMS 迁移时间数据库进行保留时间、迁移时间、保留指数比对,对检测物质的进行定性分析;根据物质峰面积数据进行定量分析。1.3数据处理采用 SPSS 25.0 统计软件进行单因素方差分析 330 食品工业科技2023 年 10 月(ANOV
20、A),利用多重比较评定样品间的差异性(P0.05)。Origin PCA 插件进行主成分分析;采用 SIMCA14.1 软件进行正交偏最小二乘判别分析(OPLS-DA);Heml 软件做挥发性物质峰体积的聚类热图分析,利用 Reporter 和 Gallery Plot 插件绘制指纹图谱。2结果与分析 2.1不同冷冻时长椰子水挥发性物质 GC-IMS 分析气相-离子迁移色谱可根据物质的保留时间和漂移时间来鉴定挥发性物质种类,并通过峰体积对挥发性物质含量进行量化。图 1a 为 Reporter 插件所生成的不同冷冻时长椰子水的挥发性物质三维图谱。由图可知,随着冷冻时间的延长,椰子水中挥发性物质的
21、种类没有变化,但出现了峰体积的变化。为直观比较样品组间的峰体积变化差异,以三维图谱保留时间为纵坐标、漂移时间为横坐标,选取CW0 为参比,将其它样品扣减参比后绘制二维俯视图,RIP 两侧的每一点代表一种挥发性物质,背景颜色表示峰强度,颜色越红,峰体积越大,颜色越蓝,峰体积越小。如图 1b 所示,椰子水经冷冻处理后,大部分挥发性物质峰体积急剧下降,而随着冷冻时间的延长,部分物质峰体积逐渐变大或保持不变,这可能是在冷冻条件下,椰子水中的 PPO、POD 引起的酶促反应仍然缓慢进行,对挥发性物质的含量有较大的影响 11,1920。2.2不同冷冻时长椰子水挥发性物质定性分析基于 Rt、Dt、SI 和峰
22、体积数据,与数据库匹配对椰子水中挥发性物质进行定性分析,结果如表 1 和图 2a 所示。一般而言,当单一化合物处于高浓度或具有高质子亲和力时,可以形成聚合物,如二聚体和多聚体20,由表 1 可知,椰子水中部分挥发性物质也出现了二聚体和多聚体。4 种冷冻时长下的椰子水中均鉴定出了 29 种挥发性物质,包括 13 种醇类、6 种酯类、6 种醛类、2 种酮类和 2 种酸类。经冷冻后,椰子水中挥发性物质的种类不变,但各类挥发性物质的峰体积剧烈下降。例如,随着冷冻时间的延长,酸类物质的峰体积逐渐上升并在冷冻第 2 个月后达到最大值,而后降低。醇类、酯类和醛类物质峰体积逐渐增加并在冷冻第 3 个月后达到最
23、大值,酮类物质峰体积逐渐变小,并在冷冻 2 个月之后达到最小值。总体来看,椰子水中的挥发性物质经冷冻后发生了显著的降低和散失(P0.05),这与其它果蔬类在冷冻条件下的挥发性物质变化的研究结果相类似2123。从图 2b 可看出,醇类物质是椰子水挥发性物质种类和相对含量最多的,占挥发物物质总含量74%以上,其中乙醇含量占醇类含量的 57.92%以上,对椰子水的整体气味的贡献相对较大,可赋予椰子水未成熟的青涩感。随冷冻时间的延长,醇类物质相对含量稍下降后保持稳定。其中异戊醇、异丁醇、3-甲基-3-丁烯-1-醇、丙硫醇的峰体积经冷冻后急剧降低,而乙醇、正丙醇峰体积增大。随着冷冻时间的延长,仅有乙醇、
24、正丁醇(M)、丙硫醇的峰体积呈增大趋势;酯类物质相对含量在 1.66%4.11%之间,主 RIP peaksCW0ab0.0V2.0V保留时间(s)漂移时间(ms)120020:01100016:4080013:2060010:0040006:4020003:211.01.51.01.51.01.51.01.5CW1CW2CW3峰值强度保留时间(s)漂移时间(ms)CW0CW1CW2CW3图 1 不同冷冻时长下椰子水中挥发性物质的 GC-IMS 三维图谱(a)和二维图谱(b)Fig.1 GC-IMS 3D(a)and 2D(b)topographic images of volatile co
25、mpounds in coconut water with different frozen periods 第 44 卷 第 19 期阚金涛,等:基于 GC-IMS 结合化学计量学分析不同冷冻时长对椰子水挥发性物质的影响 331 要由甲酸乙酯构成,可赋予椰子水令人愉快的果香味。酯类物质的相对含量在未冷冻椰子水最高,经冷冻后,甲酸乙酯、乳酸乙酯急剧减小。随着冷冻时间逐渐延长,除乳酸乙酯、甲酸乙酯(D)峰体积无显著变化外,其它酯类物质逐渐上升。乙酸乙酯、己酸乙酯峰体积在 CW3 样品中比 CW0 更大,而且所鉴定出的酯类化合物均以乙酯的形式存在,说明椰子水在冷冻过程中可能发生着酯化或酯交换反应2
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