崔 璨，高 哲，李喜悅，安小楠，王 洋，崔 同

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院，河北保定071000）

棗烘焙揮發(fā)性組分的GC-MS鑒定和主成分分析

崔 璨，高 哲，李喜悅，安小楠，王 洋，崔 同*

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院，河北保定071000）

采用大孔樹脂吸附和氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法分析了阜平大棗的烘焙揮發(fā)性成分，初步鑒定出5-甲基-2（3H）-呋喃酮等25種揮發(fā)性化合物。并對不同烘焙溫度、烘焙時間、樹脂用量、泵流速和洗脫劑用量的8個不同的烘焙處理進(jìn)行比較，采用主成分分析法對各處理的結(jié)果建立評價模型，確定了三個主成分，其累積貢獻(xiàn)率達(dá)93.73%。據(jù)此模型對8個烘焙處理進(jìn)行評價，效果最好的處理?xiàng)l件：150℃、烘箱加熱60min、0.8g樹脂吸附、泵流速為5mL/s，洗脫乙醚用量為10mL。

棗，烘焙，香氣成分，主成分分析法，氣相色譜-質(zhì)譜

棗是鼠李科棗屬植物棗樹（Zizyphus jujuba Mill）的果實(shí)，它是原產(chǎn)于中國的最古老的幾種水果之一，在中國北部和西部有大面積種植。棗有多種食用方式，包括鮮食，干食，以及各種加工制品。近年來這種食材已經(jīng)被當(dāng)作一種香味料廣泛地添加到鮮牛奶、酸奶、冰淇淋、碳酸飲料、香煙等很多產(chǎn)品中。然而有關(guān)棗的烘焙香氣成分方面，目前尚未見任何有價值的研究報道。

現(xiàn)代儀器分析技術(shù)的進(jìn)步例如氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（GC-MS）法，為香氣物質(zhì)的研究提供了強(qiáng)有力的工具和手段［1-2］，但是由于香氣物質(zhì)事實(shí)上是極其復(fù)雜的，僅僅依賴儀器的直觀分析往往很難給出有價值的客觀評判結(jié)果，主成分分析法是一種通過降維技術(shù)將多個變量轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個主成分的實(shí)用統(tǒng)計(jì)分析方法，它是解決存在多數(shù)變量，并且各變量之間存在一定聯(lián)系等相關(guān)問題的一種有效方法。主成分分析的目的是簡化數(shù)據(jù)和揭示變量間的關(guān)系［3］，已廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域［4-10］。本文擬采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)對棗的高溫烘焙揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行分析鑒定，再通過對不同烘焙處理方法下棗的風(fēng)味物質(zhì)進(jìn)行主成分分析，以期建立一種對棗的烘焙風(fēng)味物質(zhì)進(jìn)行質(zhì)量評價的客觀方法。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

阜平大棗購于保定市果品批發(fā)市場，產(chǎn)于河北省阜平縣，去核，曬干，打粉，放置在真空干燥器中備用；X-5樹脂購于天津南開大學(xué)化工廠，使用前進(jìn)行如下處理：乙醇浸泡24h，上柱，用95%的乙醇流動清洗，檢查流出的洗脫液與蒸餾水1∶5體積混合不出現(xiàn)白色渾濁為止，然后以大量蒸餾水沖洗，至水洗液無醇味為止，再用丙酮浸泡24h，上柱，用丙酮洗脫，方法同乙醇洗脫，用蒸餾水洗去丙酮，最后用兩倍于樹脂體積2%的鹽酸淋洗后再用蒸餾水淋洗，烘干后待用。

7890A-5975C型氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀美國Agilent公司；HP-5ms毛細(xì)管色譜柱（30m×0.25mm× 0.25μm） Agilent J&W公司；USC-202型超聲波清洗器上海龍波電子設(shè)備有限公司；101-0型電熱鼓風(fēng)干燥箱上海錦屏儀器儀表有限公司；SGK-2LB型低噪音空氣泵北京東方精華苑科技有限公司；TB-215D型分析天平德國賽多利斯股份有限公司；ST-02A型多功能粉碎機(jī)永康市帥通工具有限公司；RE-52CS型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上海亞榮生化儀器廠；SHZ-D型循環(huán)水真空泵保定陽光科教儀器廠。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的提取準(zhǔn)確稱取20.0g棗粉放入具塞三角瓶中并置于烘箱內(nèi)，瓶口用膠塞密封，膠塞插有兩只玻璃管，其中一只將凈化了的空氣（用少許X-5大孔吸附樹脂）通入三角瓶底部，另一只通出烘箱外，連接一只內(nèi)裝有一定質(zhì)量X-5大孔吸附樹脂的冷凝管作吸收管，管外通入循環(huán)冷卻水，后面連接一只可調(diào)速的吸氣泵。在設(shè)定的烘焙溫度，烘焙時間，樹脂質(zhì)量和泵空氣流速下用樹脂吸附棗的揮發(fā)性物質(zhì)。吸附結(jié)束后用乙醚洗脫吸附樹脂并濃縮至1mL，供GC-MS分析。本實(shí)驗(yàn)共設(shè)8種實(shí)驗(yàn)處理方式［11］，詳見表1。

表1　棗烘焙實(shí)驗(yàn)處理Table 1　Treatments of roasting jujuba

1.2.2揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的GC-MS分析GC分析條件：色譜柱：HP-5（30m×0.25mm×0.25μm）；載氣（He）流速：1mL/min；進(jìn)樣口溫度：250℃；輔助加熱器溫度：280℃；平衡時間0.5min，升溫程序：40℃保持3min后，以5℃/min升至70℃，再以2℃/min升至80℃，保持1min再以10℃/min升至200℃，保持2min；分流比20∶1，進(jìn)樣量1μL。

MS條件：離子源溫度：230℃；MS四極桿：150℃。電離方式EI，電離能70eV；掃描范圍m/z=14～450。

1.2.3揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的定性定量方法GC-MS分析圖譜經(jīng)計(jì)算機(jī)把每個峰與NIST Library05相匹配檢索定性，匹配度大于90作為鑒定結(jié)果。棗的揮發(fā)性物質(zhì)的相對含量以峰面積歸一化表示。

1.2.4評價模型的建立由不同烘焙處理的風(fēng)味物質(zhì)的色譜峰面積構(gòu)成主成分分析的相關(guān)矩陣，根據(jù)主成分分析后確定的不同主分量的線性組合與累積貢獻(xiàn)率之積的和來排序不同的樣本，進(jìn)行風(fēng)味物質(zhì)質(zhì)量評價，具體分析步驟如下：

將n個樣本的p個變量通過變換將原變量Xi轉(zhuǎn)換成主成分，主成分是原變量的線性組合，即將X1，X2，…，Xp綜合成k（k＜p）個變量（F1，…，F(xiàn)k），綜合變量F1，F(xiàn)2，…，F(xiàn)k分別稱作原變量的第1、第2、…、第k個主成分，表示為：

F1=a11X1+a21X2+…+ap1Xp

F2=a12X1+a22X2+…+ap2Xp

…

Fk=a1kX1+a2kX2+…+apkXp

以不同特征值的方差貢獻(xiàn)率βi（i=1，2，…，k）為加權(quán)系數(shù)，利用綜合評價函數(shù)F=β1F1+β2F2+…+βkFk計(jì)算各樣本得分，然后進(jìn)行排序評價棗風(fēng)味物質(zhì)質(zhì)量。

圖1　棗烘焙香氣成分的GC-MS總離子流色譜圖Fig.1　GC-MS total ion chromatograms of in baked jujuba

2　結(jié)果與討論

2.1不同烘焙處理?xiàng)楋L(fēng)味物質(zhì)測定結(jié)果

采用1.2.1方法對棗樣品進(jìn)行烘焙并收集揮發(fā)物，采用1.2.2的方法進(jìn)行GC-MS分析，圖1是棗烘焙揮發(fā)性成分的總離子流色譜圖。通過對NIST譜庫檢索，對其中匹配度＞90%的25種化合物得到了初步鑒定，其中有雜環(huán)類物質(zhì)13種，烷烴類物質(zhì)8種，酸類物質(zhì)4種。在這25種化合物中，糠醛、2-糠醇、2-乙?；秽?-甲基-2-糠醛、5-羥甲基-2-糠醛、十烷酸、十二酸以及十四酸8種化合物曾在前人關(guān)于各種棗的揮發(fā)性香氣成分的研究中有過報道［12-19］，但含量和比例卻多有不同，而5-甲基-2（3H）-呋喃酮等其余17種化合物尚未見其他研究報道。由于文獻(xiàn)報道的實(shí)驗(yàn)條件多為低溫加熱烘焙，而本實(shí)驗(yàn)采用140～170℃的高溫加熱，由此判斷可能是高溫烘焙過程豐富了棗的香氣成分，產(chǎn)生了5-甲基-2（3H）-呋喃酮等其余17種香氣成分。

對鑒定的25種化合物用峰面積表示其相對含量，統(tǒng)計(jì)8種不同烘焙處理的風(fēng)味物質(zhì)測定結(jié)果，見表2。

表2　棗樣中主要風(fēng)味物質(zhì)的相對含量峰面積歸一化處理Table 2　The relative contents of main flavor compounds in jujuba samples

2.2各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化處理

利用SPSS數(shù)據(jù)分析軟件，對表2的數(shù)據(jù)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，結(jié)果見表3。

2.3棗烘焙風(fēng)味物質(zhì)的主成分

樣品數(shù)據(jù)經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化后，利用SPSS軟件的Analyze菜單中的Factor過程進(jìn)行主成分分析，得到特征值和特征向量列于表4。由表4可看出，第1成分的貢獻(xiàn)率為60.32%，第2成分的貢獻(xiàn)率為24.22%，第3成分的貢獻(xiàn)率為9.19%，前三個主成分的累積貢獻(xiàn)率已經(jīng)達(dá)到93.73%，可見前3個成分已經(jīng)足以說明該數(shù)據(jù)的變化趨勢，完全符合主成分分析的要求，故取前3個主成分作為數(shù)據(jù)分析的有效成分。

表5為主成分載荷矩陣，由此可以看出，第1主成分與糠醛、2-糠醇、5-甲基-2（3H）-呋喃酮、3-環(huán)戊烯-1，4-二酮、2-乙?；秽?、丁內(nèi)酯、2-呋喃酮、5-甲基-2-（5H）-呋喃酮、5-甲基-2-糠醛、2-呋喃甲醇乙酸酯、2，3-二氫-3，5-二羥基-6-甲基-4H-吡喃-4-酮、5-羥甲基-2-糠醛、5-乙?；柞?2-糠醛，成高度正相關(guān)，負(fù)荷量分別為0.961、0.904、0.959、0.948、 0.957、0.953、0.901、0.964、0.949、0.930、0.896、0.840、0.818，又因?yàn)榭偡讲?0%以上的貢獻(xiàn)來自于第一主成分，因此可以認(rèn)為糠醛、2-糠醇、5-甲基-2（3H）-呋喃酮、3-環(huán)戊烯-1，4-二酮、2-乙?；秽?、丁內(nèi)酯、2-呋喃酮、5-甲基-2-（5H）-呋喃酮、5-甲基-2-糠醛、2-呋喃甲醇乙酸酯、2，3-二氫-3，5-二羥基-6-甲基-4H-吡喃-4-酮、5-羥甲基-2-糠醛、5-乙?；柞?2-糠醛是棗烘焙揮發(fā)物質(zhì)的主要成分。

對第2主成分貢獻(xiàn)最大的是萘，負(fù)荷量為0.973，其次為1，3-二乙基苯、1，4-二乙基苯、十一烷，負(fù)荷量分別為0.868、0.870和0.881，因而第二主成分代表了以萘、1，3-二乙基苯、1，4-二乙基苯、十一烷為組合的風(fēng)味化合物。

2.4不同烘焙處理的質(zhì)量評價結(jié)果

將主成分載荷矩陣中的數(shù)據(jù)利用SPSS中的“Transfor→Compute”過程，在Compute Variable對話框中輸入“A1=B1/SQR（15.080）”［注：第二主成分SQR后的括號中填6.055，第三主成分SQR后的括號中填2.297］，即可得到特征向量A1。同理，可得到特征向量A2、A3。將得到的特征向量與標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)相乘，公式見（1.2.4）。

以每個主成分所對應(yīng)的特征值占所提取主成分總的特征值之和的比例作為權(quán)重計(jì)算主成分綜合模型F（見下式）。并計(jì)算不同處理?xiàng)椇姹猴L(fēng)味成分的綜合得分，見表6。

表3　標(biāo)準(zhǔn)化后的棗樣中主要風(fēng)味物質(zhì)的相對含量Table 3　The relative contents of main flavor compounds in jujuba samples after standardized

表4　主成分的特征值以及貢獻(xiàn)率Table 4　The contribution of the eigenvalues of principal component

表5　主成分載荷矩陣Table 5　Principal component loading matrix

F=0.644F1+0.258F2+0.098F3

=0.174ZX1+0.181ZX2+0.171ZX3+0.173ZX4+ 0.181ZX5+0.181ZX6+0.159ZX7+0.185ZX8+0.177ZX9-0.019ZX10+0.182ZX11-0.031ZX12-0.033ZX13+0.052ZX14+ 0.056ZX15+0.028ZX16+0.156ZX17+0.076ZX18+0.174ZX19+ 0.128ZX20+0.136ZX21+0.046ZX22+0.141ZX23+0.161ZX24+ 0.163ZX25

由表6可以看出，綜合排名第一的是T5，第二名是T3，第三名是T4，主成分F1方差貢獻(xiàn)率達(dá)60.32%，F(xiàn)1的前三位排名和綜合主成分排名相同，表明棗烘焙風(fēng)味成分最佳的處理首先是150℃、0.8g樹脂、60min烘箱加熱、泵流速為5mL/s，洗脫用乙醚為10mL。其次是160℃，0.8g樹脂、30min烘箱加熱、泵流速為5mL/s，洗脫用乙醚為20mL。由于此兩個處理的綜合主成分值相差不大，分別為3.775和3.547，考慮到處理所需時間的關(guān)系，在實(shí)際應(yīng)用中可以選用160℃，30min加熱的處理為最佳處理。比較其他得分，T3＞T4＞T2＞T1表明在只有溫度為變量的條件下，140～170℃范圍內(nèi)，最佳溫度為160℃，其次為170、150℃，最后為140℃；T5＞T2表明在只有時間是變量的條件下，增加烘焙時間由0.5h至1h會使綜合模型分?jǐn)?shù)增加；T2＞T8，表明只有洗脫劑為變量的條件下，增加洗脫劑用量由10mL增加到20mL會使綜合模型分?jǐn)?shù)增大，即洗脫劑的足夠量是重要的；T6＞T8表明只有樹脂克數(shù)為變量的條件下，樹脂克數(shù)增加（由0.6～0.8g）而洗脫劑用量不變（均為10mL）會使綜合模型分?jǐn)?shù)減小，即樹脂的克數(shù)和洗脫劑的用量應(yīng)成比例關(guān)系增加或者減少；T8＞T7表明只有泵流速為變量的條件下泵流速由3mL/s升到5mL/s會使綜合模型分?jǐn)?shù)增加。

表6　綜合主成分值Table 6　Integrated value of the principal component

需要關(guān)注一點(diǎn)，本研究的烘焙香氣物質(zhì)評價是以產(chǎn)生的揮發(fā)性化合物的相對含量為依據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，然而不同化合物的感官貢獻(xiàn)其實(shí)是十分微妙的，所以含量分析結(jié)果應(yīng)該與香氣的感官評價平行進(jìn)行，以期能更好的反應(yīng)產(chǎn)品的質(zhì)量，這些工作還有待進(jìn)一步嘗試。

3　結(jié)論

采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用結(jié)合譜庫檢索，從棗烘焙揮發(fā)性組分中初步鑒定出25種化合物，其中有17種是新報道的化合物。采用主成分分析法對不同烘焙處理方法的香氣組分的含量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)評價，結(jié)果表明糠醛、2-糠醇、5-甲基-2（3H）-呋喃酮、3-環(huán)戊烯-1，4-二酮、2-乙?；秽?、丁內(nèi)酯、2-呋喃酮、5-甲基-2-（5H）-呋喃酮、5-甲基-2-糠醛、2-呋喃甲醇乙酸酯、2，3-二氫-3，5-二羥基-6-甲基-4H-吡喃-4-酮、5-羥甲基-2-糠醛、5-乙酰基甲酯-2-糠醛是阜平棗的主要烘焙風(fēng)味物質(zhì)，綜合主成分值結(jié)果表明T5處理的效果優(yōu)于其他處理，各處理的排序依次為：T5＞T3＞T4＞T6＞T2＞T8＞T7＞T1。這些結(jié)果為棗烘焙工藝參數(shù)的改進(jìn)及后續(xù)研究提供了更為客觀的依據(jù)。

［1］Mehdi JH，Zekavat B，Sereshti H.Characterization of essential oil components of Iranian geranium oil using gas chromatographymassspectrometrycombinedwithchemometricresolution techniques［J］.J Chromatogra A，2006，11（14）：154-163.

［2］Li N.Gas chromatography-mass spectrometry following microwave distillation and headspace solid-phase microextraction for fast analysis of essential oil in dry traditional Chinese medicine［J］.J Chromatogra A，2006，11（33）：29-34.

［3］宋江峰，李大婧，劉春泉，等.甜糯玉米軟罐頭主要揮發(fā)性物質(zhì)主成分分析和聚類分析［J］.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，43（10）：2122-2131.

［4］楊堅(jiān)，童華榮，賈利蓉.豆腐乳感官和理化品質(zhì)的主成分分析［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2002，18（2）：131-135.

［5］Miguel á，Rodríguez D.Principal component analysis of the polyphenol content in young red wines［J］.Food Chem，2002，78（4）：523-532.

［6］鮑艷，胡振琪，柏玉，等.主成分聚類分析在土地利用生態(tài)安全評價中的應(yīng)用［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2006，22（8）：87-90.

［7］岳田利，彭幫柱，袁亞宏，等.基于主成分分析法的蘋果酒香氣質(zhì)量評價模型的構(gòu)建［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2007，23（6）：223-226.

［8］Zhang ZM，Li GK.A preliminary study of plant aroma profile characteristics by a combination sampling method coupled with GC-MS［J］.Microchem J，2007：29-36.

［9］Kara D.Evaluation of trace metal concentrations in some herbs and herbal teas by principal component analysis［J］.Food Chem，2009，11（4）：347-354.

［10］Zhao Y，Chen P，Lin LZ.Tentative identification，quantitation，and principal component analysis of green pu-erh，green，and white teas using UPLC/DAD/MS［J］.Food Chem，2011，12（6）：1269-1277.

［11］王洋.棗烘培香氣成分的GC-MS分析與質(zhì)量評價［D］.保定：河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2012.

［12］朱曉蘭，時亮，劉百戰(zhàn)，等.利用GC和GC/MS分析棗子酊揮發(fā)性化學(xué)成分［J］.分析儀器，2000，4：41-43.

［13］回瑞華，侯冬巖，李鐵純.酸棗果肉中揮發(fā)性化學(xué)成分的提取及分析［J］.分析化學(xué)研究簡報，2004，32（4）：325-328.

［14］車勇，李松濤，張永清.酸棗超臨界萃取物的化學(xué)成分研究［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，37（17）：7822-7834.

［15］李文絮，劉會巒.樂陵棗揮發(fā)油化學(xué)成分的氣相色譜-質(zhì)譜分析［J］.青島大學(xué)學(xué)報，2005，18：67-70.

［16］穆啟運(yùn)，陳錦屏，張保善.紅棗揮發(fā)性芳香物的氣相色譜—質(zhì)譜分析［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，1999，15：251-255.

［17］鄧國賓，李雪梅，林瑜，等.滇刺棗揮發(fā)性成分的研究［J］.精細(xì)化工，2004，21：318-320.

［18］王頡，張子德，張占忠，等.棗揮發(fā)油的提取及其化學(xué)成分的氣相色譜—質(zhì)譜分析［J］.食品科學(xué)，1998，19：38-40.

［19］王林祥，劉楊崛，袁身淑，等.天津紅棗香氣成分的分離與鑒定［J］.無錫輕工大學(xué)學(xué)報，1995，14：49-56.

Volatile components of baking jujuba identified by GC-MS and pincipal component analysis

CUI Can，GAO Zhe，LI Xi-yue，AN Xiao-nan，WANG Yang，CUI Tong*
（College of Food Science and Technology，Agricultural University of Hebei，Baoding 071000，China）

By macroporous resin adsorption and gas chromatography-mass spectrometry analysis the volatile components of the Fuping roasting jujube，preliminary identification of 5-methyl-2-furfural and other 25 kinds of volatile compounds.Different baking temperature and baking time，the amount of resin，the pump flow rate and eluent of the eight differents baking treatments were compared using principal component analysis，the results of which to established the evaluation model，identified three main principal components，cumulative contribution rate was 93.73%.Based on the model evaluate eight baking process，the best treatment conditions：150℃，60min of oven heating，0.8g resin，the pump flow rate of 5mL/s，elution ether dosage was 10mL.

jujube；baking；volatile components；principal component analysis；gas chromatography-mass spectrometry

TS201.1

A

1002-0306（2015）12-0065-06

10.13386/j.issn1002-0306.2015.12.005

2014－09－12

崔璨（1989-），男，在讀碩士研究生，研究方向：食品加工與安全。

崔同（1956-），男，博士，教授，研究方向：天然產(chǎn)物（水果）生物活性成分研究及保健食品開發(fā)。

國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201304708）。