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        利用電子鼻評價樹莓果實香氣

        2022-09-23 02:40:48李大龍郭瀟雨李鐵梅王澤珉宇航張鵬王佳明楊國慧
        東北農(nóng)業(yè)大學學報 2022年7期
        關鍵詞:電子鼻樹莓貢獻率

        李大龍,郭瀟雨,2,李鐵梅,王澤珉,宇航,張鵬,2,王佳明,楊國慧*

        (1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部東北地區(qū)園藝作物生物學與種質創(chuàng)制重點實驗室,東北農(nóng)業(yè)大學園藝園林學院,哈爾濱 150030;2.青島黃海學院,山東 青島 266555;3.黑龍江工商學院,哈爾濱 150016)

        樹莓(Raspberry)是薔薇科(Rosaceae)懸鉤子屬(RubusL.)空心莓亞屬(Idaeobatus),為多年生落葉性灌木型果樹,別稱托盤、懸鉤子、馬林果、覆盆子等[1]。樹莓果實為聚合小漿果,香氣怡人,口感多為酸甜,含有豐富營養(yǎng)成分,如氨基酸、維生素、糖、有機酸、礦物元素等,藥用價值高,富含黃酮類化合物、鞣花酸、花青素等多種生理活性成分[2]。樹莓果實顏色較多,其中紅色最為常見,還有紫色、黑色和黃色等;按照結果習性,可分為夏果型和秋果型兩種。

        果實品質由多種因素組成,顏色、香氣、營養(yǎng)、甜度等是重要指標。果品香氣是決定果實品質主要因素,直接影響消費者購買意向。國內外學者已在樹莓中鑒定出200多種香氣成分,主要為酯類、醛類、萜烯類、醇類、酮類及其他揮發(fā)性物質[3-4]。氣相色譜法(GC)和氣相色譜-質譜聯(lián)用技術(GC-MS)是揮發(fā)性物質主要測定手段[5]。Aprea等利用固相微萃取法提取樹莓果實香氣物質,檢測到36種香氣物質,其中酮類物質、萜烯類物質、酯類物質等含量相對較高[6];Honkanen等在樹莓果實中分離出75種揮發(fā)性物質[7]。20世紀末,電子鼻技術出現(xiàn),可無損快速檢測果實香氣,重復性良好,應用價值較高[8-9]。

        目前,使用電子鼻檢測果實成熟度和果實腐爛情況相關報道較多[10-11]。羅楓等分析得出,電子鼻法可用于區(qū)分不同貨架期櫻桃[12];Defilippi等研究表明,電子鼻法可分析杏果實揮發(fā)性物質在不同成熟度和貯存期差異[13];嚴娟等利用電子鼻法評價桃果實香氣種質資源[14]。目前,采用電子鼻研究樹莓,僅有對其果實發(fā)酵產(chǎn)品和籽油揮發(fā)性物質分析。師艷秋等研究紅樹莓發(fā)酵酒香氣成分,鑒定出54種化合物[15];劉麗娜等采用電子鼻從紅樹莓籽精油中檢測出40種揮發(fā)性成分[16]。利用電子鼻法評價樹莓種質資源香氣成分研究尚未見報道。

        本研究利用電子鼻技術,測定樹莓不同品種及同一品種不同發(fā)育時期果實香氣成分,以期為樹莓果實香氣成分提供快速、便捷的檢測方法,為提高樹莓栽培技術措施提供指導,為培育香氣濃郁的樹莓品種選育提供數(shù)據(jù)資源。

        1 材料與方法

        1.1 材料

        供試材料來自東北農(nóng)業(yè)大學向陽農(nóng)場樹莓種質資源圃,共計36個品種,品種特性見表1,采集成熟期果實用于試驗。此外,選取品種‘卡羅琳’不同發(fā)育時期果實測定香氣成分。不同發(fā)育時期果實采摘標準參考文獻[17]:將同一天開花樹莓果實作標記,共標記60朵,每7 d對標記果實進行采樣,分別為綠果期1、綠果期2、白果期、轉色期、成熟期、過熟期。

        表1 樹莓品種資源簡要特性Table 1 Brief characteristics of raspberry varieties

        1.2 電子鼻檢測

        試驗采用PEN 3.5型金屬氧化物傳感器型電子鼻,具有10個金屬氧化物氣體傳感器陣列,結果見表2。

        表2 PEN 3.5電子鼻傳感器敏感物質Table 2 Substances sensitive to electronic nose PEN 3.5 sensors

        將10 g樹莓果實置于20 mL螺口頂空瓶中,于25℃靜置30 min測定數(shù)據(jù),重復3次。電子鼻測定參數(shù)參考文獻[18]稍作修改。當電子鼻傳感器接觸到樹莓果實香氣物質后,電導率G發(fā)生改變,相對電導率(G/G0或G0/G)也隨之變化。如果G/G0或G0/G接近1或等于1,表示果實中傳感器相對應香氣種類含量較低,反之,相對電導率值越偏離1,說明傳感器所對應香氣物質含量越高。響應值一般在55~60 s趨于平緩,檢測數(shù)值較為準確,選擇此時段響應值進行統(tǒng)計分析[14]。

        1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

        利用PEN 3.5自帶軟件WinMuster和IBM SPSS Statistics 22分析數(shù)據(jù)。分析方法為主成分分析(Principal components analysis,PCA)、線性判別分析(Linear discriminant Analysis,LDA)和傳感器區(qū)分貢獻率分析(Loadings,LO)。

        2 結果與分析

        2.1 樹莓果實芳香特征電子鼻響應圖

        對樹莓果實香氣物質作電子鼻檢測分析,獲得10個傳感器響應圖(見圖1)。圖中曲線代表樹莓果實中香氣成分通過傳感器時,G/G0或G0/G隨檢測時間變化情況。由圖1可看出,檢測物質還未進入傳感器時,相對電導率數(shù)值均在1附近,當香氣物質進入電子鼻,隨被檢測氣體在傳感器表面積累,相對電導率數(shù)值不斷變化,最后達到平緩狀態(tài)。電子鼻中每一個傳感器均對樹莓香氣物質成分響應明顯,但響應值有差異。對比36個樹莓品種果實香氣物質響應圖可看出,W1S(烷類)、W2S(檢測醇,部分芳香族化合物)、W3C(氨,芳香分子)、W6S(氫化物)相對電導率值較其他傳感器響應值更高。

        圖1 傳感器對樹莓品種‘卡羅琳’香氣響應Fig.1 Graph of sensor response to the aroma of raspberry variety‘Caroline’

        2.2 樹莓品種資源香氣物質PCA分析

        圖2中每個圓形區(qū)域代表一種樹莓果實數(shù)據(jù)采集點。在PCA分析中,第一和第二主成分貢獻率分別為97.46%和1.34%,總貢獻率為98.80%。在電子鼻PCA分析中,重疊區(qū)域越大說明品種間香氣物質越相似,從圖2可看出,除‘卡羅琳’和‘黑樹莓’兩品種重疊,‘菲爾杜德’和‘Метеор’區(qū)域間重疊較大外,其余品種間或重疊較小,或完全分開。

        圖2 樹莓各個品種PCA分析Fig.2 PCA analysis for various varieties of raspberry

        進一步分析得到每個品種與其他供試品種平均區(qū)分度值均在98%以上(見表3),說明不同品種在香氣物質含量及組成之間存在較大差異。

        表3 不同樹莓品種間香氣物質平均區(qū)分度Table 3 Average discrimination of aroma substances among different raspberry varieties

        2.3 不同類型品種、不同果實發(fā)育期樹莓香氣物質LDA分析

        LDA分析是在PCA分析基礎上對傳感器響應樹莓果實香氣成分的優(yōu)化,通過擴大差異更直觀表現(xiàn)不同類型品種、不同果實發(fā)育期樹莓香氣物質區(qū)別。

        圖3為不同顏色樹莓果實香氣物質LDA分析圖,可看出第一和第二主成分貢獻率分別為33.35%和17.05%,總貢獻率為50.40%,僅解釋50%以上變異。根據(jù)第一和第二主成分貢獻率可看出,LDA可根據(jù)香氣物質區(qū)分樹莓不同果實顏色。果實顏色與第一主成分貢獻率相關趨勢較好,隨第一主成分貢獻率延伸至遠端,集中分布于紫樹莓、黃樹莓、紅樹莓、黑樹莓4種果實顏色樹莓品種資源。

        圖3 不同果實顏色樹莓品種LDA分析Fig.3 LDA analysis for raspberry with different colors'fruit

        根據(jù)PCA分析,黑樹莓與紫樹莓香氣區(qū)分度在70%以上,黑樹莓與黃樹莓區(qū)分度在50%~60%,紅樹莓與紫樹莓、紅樹莓與黑樹莓區(qū)分度在40%~50%,黃樹莓與紫樹莓、黃樹莓與紅樹莓區(qū)分度在30%~40%,表明電子鼻可區(qū)分樹莓果實香氣。

        圖4為夏果型和秋果型樹莓品種LDA分析,可看出第一和第二主成分貢獻率分別為79.17%和2.60%,總貢獻率為81.77%,可解釋80%以上變異,根據(jù)第一和第二主成分貢獻率可區(qū)分出不同結果類型樹莓果實。

        圖4 不同結果類型樹莓品種LDA分析Fig.4 LDA analysis for raspberry of different fruiting types

        基于樹莓品種‘卡羅琳’果實不同發(fā)育時期香氣成分LDA判別分析見圖5。

        由圖5可看出第一和第二主成分貢獻率分別為64.16%和25.19%,總貢獻率為89.35%,可解釋80%以上變異,雖然白果期和轉色期、成熟期和過熟期區(qū)域有部分交叉,但LDA分析可區(qū)分出樹莓果實各發(fā)育時期香氣成分的差異。對不同發(fā)育時期果實傳感器響應值分析可看出,隨果實發(fā)育成熟,硫化合物(W1W)、芳烴化合物及硫有機化合物(W2W)變化小,氮氧化合物(W5S)表現(xiàn)逐漸減少趨勢;芳烴化合物(W1C)、氨及芳香分子(W3C)、氫化物(W6S)、烷類(W1S)、檢測醇及部分芳香族化合物(W2S)、烷類和脂肪族(W3S)表現(xiàn)為先降后升,其中W3C和W3S從綠果期1到白果期表現(xiàn)為下降,W1C、W6S、W1S、W2S從綠果期1到轉色期表現(xiàn)為下降,之后到成熟期表現(xiàn)為上升;烯烴及芳族和極性分子(W5C)從綠果期到過熟期逐漸升高(見表4)。

        圖5 不同發(fā)育時期果實香氣物質LDA分析Fig.5 LDA analysis for aroma substances in raspberry fruits at different development stages

        表4 不同發(fā)育時期果實各傳感器響應值Table 4 Sensor response values of raspberry fruits at different development stages

        2.4 LO分析傳感器貢獻率

        LO分析反映各傳感器在區(qū)分樹莓果實香氣中貢獻大小,一般通過圖中各傳感器位置判斷。在坐標原點(0,0)附近傳感器對樹莓果實香氣分析發(fā)揮作用較小,反之表示作用越大。由圖6可看出,W1S傳感器(烷類)對第一主成分貢獻率最大,W5S傳感器(氮氧化物)對第二主成分貢獻率較大,W2S傳感器(檢測醇,部分芳香族化合物)對第一和第二主成分貢獻率均較大;W3C傳感器(氨,芳香分子)和W6S傳感器(氫化物)對第一主成分貢獻率作用次之,但因第一主成分貢獻率(97.46%)遠高于第二主成分(1.34%),因此認為傳感器貢獻率高低依次為傳感器W1S(烷類化合物)、W2S(檢測醇和部分芳香族化合物)、W3C(烷類和脂肪族)和W6S(氫化物),與36個品種傳感器響應結果相符合,因此可利用以上4個傳感器結果評價樹莓果實香氣。而傳感器W1W(硫化合物)、W1C(芳烴化合物)、W5C(烯烴,芳族,極性分子)、W3S(烷類和脂肪族)和W2W(芳烴化合物,硫的有機化合物)響應值在(0,0)附近,因此對香氣物質貢獻率最小,對PCA、LDA分析發(fā)揮作用也較小。

        圖6 不同品種樹莓LO分析Fig.6 Loadings analysis of different raspberry varieties

        3 討論

        3.1 電子鼻法評價樹莓果實香氣

        電子鼻技術方便便捷,對香氣物質品鑒重復性較好。目前,電子鼻技術在果實檢測應用主要集中在果實成熟度和采后貯藏品質變化評估,例如,蔣鑫妹利用電子鼻有效識別歐李果實是否需要催熟[19];馬蒙蒙等試驗表明,利用電子鼻可對貨架期蘋果果實香氣物質變化情況進行分析,且對不同品種區(qū)分效果較好[20];嚴娟等將其應用于桃果實香氣資源評價,結果表明桃果實生育期對香氣物質影響顯著,不同肉質顏色桃果實之間香氣物質差異不顯著[14]。本研究利用電子鼻法評價不同樹莓品種果實香氣物質,LDA分析可區(qū)分夏果型和秋果型不同結果類型樹莓品種資源以及不同發(fā)育時期果實香氣,可區(qū)分紅樹莓、黃樹莓、紫樹莓、黑樹莓不同顏色樹莓果實香氣,說明電子鼻法可用于判別不同成熟度樹莓果實香氣,也可初步評價樹莓種質資源香氣成分。

        3.2 關于不同類型樹莓品種資源香氣評價

        夏果型樹莓品種約在2年生枝條上結果,黑龍江省結果時間一般在7月上中旬至8月上旬,秋果型品種約在1年生枝條上結果,結果時間一般為8月下旬至10月初。LDA分析可區(qū)分兩種結果類型品種資源香氣成分,可能與親緣關系有關,同種類型品種在雜交中可能利用相同或相近親本;也可能與果實發(fā)育時環(huán)境條件有關,由于生長環(huán)境有差異,兩種果實在不同季節(jié)成熟,奚昕琰等研究表明,葡萄成熟期受溫度影響較大,果實中香氣物質變化規(guī)律存在明顯差異,說明溫度影響果實中香氣物質形成[21];席萬鵬等通過對桃果實進行套袋處理,發(fā)現(xiàn)不同處理后桃果實香氣物質差異明顯,說明光照也可影響果實中香氣物質形成[22]。LDA分析可區(qū)分不同顏色樹莓果實香氣,檢測發(fā)現(xiàn)黑樹莓和紫樹莓香氣成分區(qū)分度最大,達70%,紅樹莓和黃樹莓香氣物質有部分交叉,區(qū)分度為30%~40%。紅樹莓品種主要來自于歐洲紅樹莓(R.idaeusL.),黃樹莓是其變種;黑樹莓來自于北美洲R.occidentalisL.,紫樹莓則來自于R.neglectusPeck.。紅樹莓、紫樹莓和黑樹莓分屬于不同種類,親緣關系較遠,香氣物質差異較大,而黃樹莓是紅樹莓變種,二者果實香氣物質相似度更高。

        3.3 關于樹莓果實特征香氣物質

        果實中芳香物質成分復雜,主要為酯類、醛類、萜類等,其次是醇類、酮類及其他揮發(fā)性物質。樹莓果實中現(xiàn)已鑒定芳香成分有200多種,關于香氣種類有不同觀點。Sakai等和Lou等研究認為樹莓酮為決定樹莓香氣的主要成分[23-24],竇泓喆則認為樹莓主要香氣成分為β-紫羅酮,占樹莓香氣成分80%~90%[25]。Ravid等認為樹莓果實中特征香氣物質為α-紫羅酮和質癸內酯[26];陳樂天則認為芳樟醇、α-紫羅酮、β-紫羅蘭酮3種物質相對含量較高,可占總含量20%[27]。

        樹莓果實發(fā)育期一般30~40 d,可分為綠果期、白果期、轉色期、成熟期和過熟期,從轉色期至成熟期變化明顯,果實迅速軟化著紅,表現(xiàn)出品種特有香氣。本研究結果表明,在轉色期到成熟期,樹莓果實香氣物質相對含量顯著增加,其中芳烴化合物、氨及芳香分子、烷類、檢測醇及部分芳香族化合物、烯烴及芳族和極性分子尤為明顯,推測成熟前增加這些香氣物質對樹莓芳香特征具有更大決定作用。因此,在栽培管理方面,應加強對成熟期前樹莓管理,例如噴施葉面肥等,有利于促進果實生長發(fā)育,提高樹莓果實品質,增加樹莓果實香氣程度。

        電子鼻優(yōu)點簡單實用,但一般無法對物質進行定性定量分析,需結合其他方法分析果實中香氣物質,例如氣相色譜-質譜聯(lián)用技術(GC-MS)等手段測定樹莓果實特征香氣物質,明確不同類型樹莓品種香氣成分及果實香型,為樹莓栽培和加工產(chǎn)業(yè)中品種選擇提供依據(jù),也為樹莓香氣育種提供數(shù)據(jù)資源。

        4 結論

        電子鼻對供試樹莓品種香氣成分均有響應,傳感器貢獻率高低為W1S(烷類化合物)、W2S(檢測醇和部分芳香族化合物)、W3C(氨,芳香分子)和W6S(氫化物);PCA分析表明不同樹莓品種在香氣物質含量及組成之間存在較大差異;LDA分析可區(qū)分不同結果類型樹莓品種、不同發(fā)育時期果實香氣,區(qū)分不同顏色樹莓果實香氣;果實成熟期前相對含量顯著增加,其中芳烴化合物、氨及芳香分子、烷類、檢測醇及部分芳香族化合物、烯烴及芳族和極性分子尤為明顯。

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