薛友林,董立超,張 鵬,李春媛,李江闊

(1.遼寧大學(xué)輕型產(chǎn)業(yè)學(xué)院,遼寧沈陽 110036;2.國家農(nóng)產(chǎn)品保鮮工程技術(shù)研究中心(天津),農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品貯藏保鮮重點實驗室,天津市農(nóng)產(chǎn)品采后生理與貯藏保鮮重點實驗室,天津 300384)

藍莓又名越橘,因其是深藍色的小漿果類也被叫作藍漿果，屬于杜鵑花科(Ericaceae)越橘屬(Vac-cinium)植物,藍莓中含有豐富的花青素、黃酮、酚、醛等成分[1],藍莓中因有預(yù)防癌癥糖尿病、神經(jīng)衰退清除抗氧化自由基等功能為人們所熟知[2]。藍莓果實為圓形,成熟果實口感細膩,風(fēng)味獨特,營養(yǎng)豐富,堪稱“世界水果之王”,被聯(lián)合國糧農(nóng)組織列為人類五大健康食品之一[3]。但是藍莓果實不耐貯存,果實腐敗后常產(chǎn)生不愉快氣味,電子鼻是一種新型仿生技術(shù),通過模擬動物嗅覺系統(tǒng),收集食品樣品氣味的指紋數(shù)據(jù)來實現(xiàn)品質(zhì)評價,其具有準(zhǔn)確度高、重復(fù)性好、不存在人的主觀臆斷的特點而優(yōu)于感官評價,廣泛應(yīng)用于食品領(lǐng)域,尤其是在果蔬保鮮領(lǐng)域中是一種非常好的無損檢測方法[4],通過與頂空固相微萃取-氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用可分析鑒定面包、線椒、海參、竹葉等揮發(fā)性成分變化[5-8]。

中國對于藍莓的貯藏保鮮已研究出多種方法,最常用是低溫、CAP、MAP、1-MCP等方法的聯(lián)合處理[9-11]。但對于貯藏后的銷售過程,國內(nèi)學(xué)者研究較少,常溫放置的藍莓存放2～3 d品質(zhì)就會劣變,目前針對超市中的藍莓保鮮,在銷售過程中大多放置低溫貨柜內(nèi)保藏,采取塑料盒包裝結(jié)合低溫的保鮮模式。目前學(xué)者們對藍莓貨架期內(nèi)揮發(fā)性成分的報道較少,且大多是從生理、品質(zhì)指標(biāo)分析藍莓貨架期間成分變化,本實驗以不同保鮮方法冰溫貯藏30 d后的藍莓為實驗對象,模擬大多數(shù)超市貨架溫度4 ℃,運用電子鼻結(jié)合GC-MS技術(shù)分析進行藍莓貨架期間揮發(fā)性成分的變化,以期為藍莓保鮮貯藏提供一些技術(shù)支持。

1 材料和方法

1.1 材料與儀器

藍莓品種,萊克西 采自浙江寧波森田藍莓采摘園；便攜式塑料氣調(diào)箱(規(guī)格:28 cm×22 cm×12 cm,內(nèi)置2個籃筐,箱2個側(cè)面分別有3個氣調(diào)窗,其中左右氣調(diào)窗為在長2 cm寬1.5 cm的長方形中開橫4豎3的直徑為1 mm的12個圓孔,中間為長2 cm寬1.5 cm的長方形氣調(diào)窗,氣調(diào)箱配套氣調(diào)元件) 寧波國嘉農(nóng)產(chǎn)品保鮮包裝技術(shù)有限公司；1-MCP便攜式包裝 國家農(nóng)產(chǎn)品保鮮工程技術(shù)研究中心(天津)提供。

3-30K離心機 德國SIGMA公司;恒溫水浴鍋 金壇市金南儀器制造有限公司;PEN3 型便攜式電子鼻 德國Airsense公司;固相微萃取手柄和50/30 μm DVB/CAR/PDMS固相微萃取纖維頭,美國Supleco公司;PC-420D數(shù)字型磁力加熱攪拌裝置 美國Corning公司;Trace DSQ MS氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀 美國Finnigan公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 試材處理 采摘時選取大小一致、無機械損傷與病蟲害的成熟果實,階段預(yù)冷(3.5～4.5 ℃條件下預(yù)冷6～10 h,-1.6～-1.2 ℃溫度下馴化6～8 h)后直接裝入便攜式塑料氣調(diào)箱中做相應(yīng)處理:a. 1-MCP:供試藍莓果實裝于便攜式塑料氣調(diào)箱內(nèi)(2.4 kg/箱),放入1-MCP藥品(空間1-MCP濃度1.0 μL/L),扣蓋并粘貼封閉氣調(diào)元件,處理24 h后,打開封閉氣調(diào)元件;b. MAP:供試藍莓果實裝于便攜式塑料氣調(diào)箱內(nèi)(2.4 kg/箱),扣蓋并粘貼氣調(diào)元件;c. 1-MCP+MAP:供試藍莓果實裝于便攜式塑料氣調(diào)箱內(nèi)(2.4 kg/箱),放入1-MCP藥品(空間1-MCP濃度1.0 μL/L),扣蓋并粘貼氣調(diào)元件;d. 對照(CK):供試藍莓果實裝于便攜式塑料氣調(diào)箱內(nèi)(2.4 kg/箱),不粘貼氣調(diào)元件。然后,通過順豐冷鏈物流車運至實驗室并放入冰溫庫((-0.5±0.3) ℃),預(yù)冷24 h后貯藏30 d。然后將四組處理藍莓從冰溫庫取出,挑選完好成熟的藍莓裝入貨架零售盒內(nèi)置于4 ℃冰箱內(nèi)。分別在貯藏的第0、3、6、9、12 d時取樣,利用電子鼻和GC-MS測定藍莓揮發(fā)性成分的變化。

1.2.2 電子鼻檢測方法 PEN3便攜式電子鼻由金屬氧化物氣體傳感器陣列、氣體采樣裝置和信號處理單元組成,傳感器具有10個金屬氧化物半導(dǎo)體型化學(xué)傳感元件,如表1所示每種傳感元件對應(yīng)的敏感成分類型不同。取藍莓35個于潔凈干燥的600 mL燒杯中,用保鮮膜封口,在常溫下封口平衡10 min后采用頂空吸氣法進行數(shù)據(jù)采集。測定條件:傳感器清洗時間70 s,自動調(diào)零時間10 s,樣品準(zhǔn)備時間5 s,樣品測試時間50 s,樣品測定間隔時間1 s,內(nèi)部流量100 mL/min,進樣流量100 mL/min。為了保證實驗數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和精確度,選取測定過程中第48～50 s的數(shù)據(jù)用于后續(xù)分析。為了消除漂移現(xiàn)象,更好地保證測量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和精確度,要求每次測量前后,傳感器都要進行清洗和標(biāo)準(zhǔn)化。統(tǒng)計分析10個不同選擇性傳感器的G/G0值。每個處理重復(fù)測定6次。

表1 電子鼻傳感器名稱與其響應(yīng)成分

1.2.3 HS-SPME-GC-MS測定方法 采用頂空固相微萃取(HS-SPME)和氣相色譜/質(zhì)譜分析(GC-MS)聯(lián)用法測定,選用100 μm PDMS萃取頭;氣相色譜條件:HP-INNOWAX色譜柱(30 m×250 μm×0.25 μm);程序升溫:40 ℃保留2 min,然后以2 ℃/min升至150 ℃保留1 min,再以5 ℃/min升至210 ℃保留5 min。傳輸線溫度為250 ℃。載氣為He,流速1 mL/min,不分流。質(zhì)譜條件:連接桿溫度280 ℃,電離方式為EI,離子源溫度200 ℃,掃描范圍35～350 amu。通過檢索NIST/WILEY標(biāo)準(zhǔn)譜庫,進行定性分析,用峰面積歸一法測算各揮發(fā)性成分的相對含量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

通過NIST/Wiley標(biāo)準(zhǔn)譜庫檢索,結(jié)合文獻的標(biāo)準(zhǔn)譜圖,進行定性分析,并用峰面積歸一法測算各化學(xué)成分的相對含量。利用電子鼻Winmuster分析軟件對采集到的數(shù)據(jù)進行分析,選取48～50 s區(qū)間內(nèi)的平穩(wěn)數(shù)值,采用負荷加載分析(loadings analysis,LA)及線性判別分析(linear discriminant analysis,LDA)。圖表采用Excel制作分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 主成分分析貨架期藍莓揮發(fā)性成分

PCA是將數(shù)據(jù)降維并進行線性分類,得到主要的二維散點圖,可從復(fù)雜的揮發(fā)性成分中篩選出關(guān)鍵綜合分析因子[12]。在PCA分析中,對四種處理的電子鼻數(shù)據(jù)進行兩兩比較,其中第一主成分(PC1)和第二主成分(PC2)的貢獻率分別為84.644%和12.717%,86.367%和10.907%,90.356%和7.181%,累計貢獻率分別為97.361%、97.274%、97.537%,其累計貢獻率都大于95%,表明了2個主成分已經(jīng)能基本代表了樣本的主要信息特征,對于同一處理的藍莓,貨架期內(nèi)藍莓雖然有主成分在不同區(qū)域,且分界明顯,但是仍有部分貨架時間重疊交叉未能明顯看出差異?？梢?主成分分析方法并不能很好地區(qū)分不同貨架時間的藍莓。此外發(fā)現(xiàn)四種處理在貨架3 d時第一主成分位移均處于一個較高數(shù)值而后下降,可見3 d是貨架期藍莓主要揮發(fā)性成分的變化拐點,而聯(lián)合處理的藍莓在9 d時達到第一主成分位移最大可推測聯(lián)合處理對藍莓主要揮發(fā)性成分的釋放具有一定的抑制效果。

圖1 不同處理的主成分分析

2.2 線性判別分析貨架期藍莓揮發(fā)性成分

線性判別分析(linear discrimination analysis LDA)是一種將原始數(shù)據(jù)投影到低維的方向,以所采集揮發(fā)性成分響應(yīng)值的空間分布狀態(tài)及彼此間的投影距離表現(xiàn)氣味變化的速率,是判別函數(shù)分析的前提。與PCA(主成分分析)相比,LDA能夠收集傳感器所有信息并進行標(biāo)準(zhǔn)正?；D(zhuǎn)換,更好地解決分類問題,這在蘋果、海棠果、杏鮑菇等果蔬中已廣泛應(yīng)用[13-15]。從圖2中橢圓的分布位置來看,同一處理的不同貨架時間可明顯分開,可以看出貨架過程中藍莓揮發(fā)性成分差別明顯,說明LDA能夠很好地區(qū)分不同貨架時間下藍莓的揮發(fā)性成分,優(yōu)于PCA分析。由圖2A可知,MAP處理較CK組,除3 d時二者第一判別式未有良好的區(qū)分,在其余貨架時間下均可有效地區(qū)分,以0和6 d最為明顯(距離越大表明變化越快、越明顯),說明MAP處理對藍莓品質(zhì)有較為明顯的改變。

圖2B中顯示MAP與1-MCP在藍莓貨架期判別分析的結(jié)果,可以看出這兩種不同處理在0、3、6 d有著明顯的差異,說明這兩種處理對藍莓貨架前期有著明顯的改變。

圖2C中可看出,MAP+1-MCP處理相較1-MCP單獨處理,對藍莓貨架貯藏期間并未有明顯改善,區(qū)域并未完全分離,可見對于揮發(fā)性的香氣成分1-MCP與MAP+1-MCP相差不大,需要進一步借助GC-MS等儀器進行進一步分析。

圖2 不同處理的LDA分析

2.3 載荷分析貨架期藍莓揮發(fā)性成分

載荷分析(loadings analysis):與PCA分析基于相同的算法,每個傳感器貢獻率系數(shù)在載荷圖PCA坐標(biāo)系上的位置可以體現(xiàn)其變量解釋能力,即對特定氣味的分辨力,位于靠近原點位置的傳感器貢獻率最低,在當(dāng)前分析中的重要性最差,遠離原點的傳感器貢獻率高[16]。

載荷分析的總貢獻率分別為97.361%、97.274%、97.537%,達到97%以上,基本代表了樣品的全部特征信息。利用電子鼻PEN3系統(tǒng)進行傳感器載荷分析表明,貢獻率最大的為傳感器W5S,其次為W1S、W2S、W1W等,可見藍莓揮發(fā)性成分中氮氧化物含量最高,這為之后的確定優(yōu)化傳感器陣列方法,使電子鼻可以用更少的傳感器達到更好的分類效果,為電子鼻傳感器陣列優(yōu)化提供了新的思路和方法[17]。

圖3 藍莓揮發(fā)性成分的載荷分析

2.4 藍莓貨架期間GC-MS檢測結(jié)果分析

從表2可知,用GC-MS共檢測出76種揮發(fā)性成分,可分為8大類:醇(16種)、烷烴(11種)、醛(9種)、酮(1種)、酯(6種)、萜(14種)、雜環(huán)烴(3種)、其他(16種),CK、MAP、1-MCP、MAP+1-MCP中分別檢測到45、41、38和43種化合物。實驗中檢測出的醛類主要為2-己烯醛(20.44%～82.42%)、己醛(0～12.91%);酮類主要為大馬士酮(0～0.31%);醇類主要為反式-2-己烯-1-醇(0～22.71%);萜類成分主要為芳樟醇(0～11.43%)、香葉醇(0.2%～15.10%);雜環(huán)類成分主要是3,6-二氫-4-甲基-2-(2-甲基-1-丙烯基)-2H-吡喃(0～0.55%);烴類成分主要是3,7-二甲基-1-辛烯(0～0.71%);酯類成分主要是異戊酸甲酯(0～0.44%);其他類成分主要是2,6-二叔丁基對甲酚(0～1.77%),這些物質(zhì)均為該類分組內(nèi)相對含量較高的物質(zhì),其中主要構(gòu)成成分的結(jié)果與其他研究學(xué)者相似[18-19]。

表2 藍莓貨架期揮發(fā)性成分相對含量變化

續(xù)表

HS-SPME-GC-MS對樣品的解析均在93%以上,檢測數(shù)據(jù)可代表整個樣品數(shù)據(jù)。其中醛類成分的相對含量變化較大,醛類(24.86%～91.98%)、醇類(0.24%～23.85%)、萜類(2.00%～43.00%),三者加和在貨架所有天數(shù)內(nèi)均大于71%,可見這三種物質(zhì)為藍莓內(nèi)最主要的構(gòu)成成分。在貨架過程中,不同處理后貨架期藍莓的揮發(fā)性種類會不同程度減少,1-MCP組尤為明顯,比CK組減少了7種化合物,但也有不同于其他處理組的化合物生成,如庚基氫過氧化物、5-異丙烯基-2-甲基環(huán)己醇等。實驗中發(fā)現(xiàn)了幾個特殊的物質(zhì),反式-2-己烯-1-醇這種物質(zhì)在CK組和MAP組藍莓貨架9 d時相對含量分別為22.71%、20.48%,可以明顯看出使用1-MCP處理可明顯減少貨架期間內(nèi)醇類物質(zhì)的相對含量,相較CK組和MAP組,使用1-MCP的處理組,反式-2-己烯-1-醇均位于實驗儀器的檢測線以下,推測與1-MCP這一化合物的添加有關(guān)。由圖中還可以發(fā)現(xiàn)采用不同處理后可抑制貨架期中4-二甲基-3-環(huán)己烯-1-乙醛這種成分的合成時期,CK組在貨架3 d就能檢測出0.11%的4-二甲基-3-環(huán)己烯-1-乙醛,而經(jīng)過MAP或1-MCP處理后的藍莓在貨架9 d時才被檢測出,而聯(lián)合處理的藍莓雖然在貨架6 d時被檢測到0.21%,但貯藏期內(nèi)其相對含量遠低于MAP或1-MCP組,推測這種成分與藍莓衰老有著密切關(guān)系,且MAP與1-MCP聯(lián)合處理對這種成分生成的抑制效果較好。實驗中發(fā)現(xiàn)在MAP和1-MCP聯(lián)合處理的12 d,其他類中庚基氫過氧化物這種物質(zhì)被檢出22.2%,推測其是藍莓衰老腐敗過程中醛類或者萜類的某種中間代謝產(chǎn)物。

此外,在揮發(fā)性成分中香葉醇具有類似玫瑰花的溫和香甜氣味,是一種重要的天然香精香料。芳樟醇主要是呈現(xiàn)濃青帶甜的木青氣息。在醛類中,2-己烯醛高濃度時具強烈的青草氣味,低濃度時則呈新鮮水果的清香味,由于這些成分的存在藍莓呈現(xiàn)出一種特殊風(fēng)味[20]。在揮發(fā)型香氣成分中芳樟醇(0～11.43%)、橙花醇(0～1.30%)、香葉醇(0.2%～15.10%)為同分異構(gòu)體,為藍莓貨架期萜類中主要的揮發(fā)性成分[21]。且從相對含量上看,最主要的揮發(fā)性成分為2-己烯醛、芳樟醇、香葉醇。

2.5 不同處理對貨架期藍莓揮發(fā)性成分相對含量的影響

由圖4可知,在藍莓貨架期過程中醛類物質(zhì)是最主要的成分,在MAP處理的第3 d可高達91.98%。在貨架0～9 d時藍莓的醛類成分呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢,3 d時達到頂峰,且CK與MAP處理的藍莓下降趨勢極其相似,并于9 d時達到最低值,相反,醇類物質(zhì)和萜類物質(zhì)呈現(xiàn)出先降低后升高的相反變化,推測在貨架期間藍莓內(nèi)醛類、醇類、萜類這三種成分通過某種代謝過程相互轉(zhuǎn)化,在成熟過程中先生成醛類成分而衰老過程生成醇、萜類成分[22]。在貨架12 d,CK、MAP的醛類出現(xiàn)了大幅度回升,此時藍莓處于即將腐爛的狀態(tài),推測此時細胞衰老死亡體內(nèi)大量的成分流出導(dǎo)致?lián)]發(fā)性成分大幅變化,且揮發(fā)性成分喪失[23],但是對于MAP+1-MCP聯(lián)合處理的藍莓,其在12 d時出現(xiàn)了醛類成分大幅下降的情況,與其他處理組9 d時變化相似,可見1-MCP結(jié)合MAP處理可抑制在貨架后期醛類物質(zhì)含量的減少,對于醛類這種物質(zhì)的抑制,1-MCP也優(yōu)于MAP、CK這兩組處理,以貨架9 d尤為明顯,1-MCP組未呈現(xiàn)一個斷崖式的下降[24],對于MAP與CK兩組可以發(fā)現(xiàn)對于醛類的含量,在貯藏期內(nèi)除12 d外均高于CK組,可見其對于醛類物質(zhì)的保留效果較好。對于醛類這一含量最高的物質(zhì)抑制流失的效果順序為MAP+1-MCP>1-MCP>MAP>CK。

圖4 不同前處理方法對藍莓貨架期果實揮發(fā)性成分的變化

3 討論

1-MCP作為乙烯抑制劑的一種,在控制乙烯的成熟和成熟過程中起著重要的作用,乙烯的合成直接關(guān)乎藍莓的貯藏品質(zhì)[25],藍莓冰溫貯藏30 d后在4 ℃的環(huán)境下進行貨架模擬,隨著貨架時間的延長果實內(nèi)成分發(fā)生著明顯的改變。應(yīng)用電子鼻對藍莓貯藏期間氣味進行主成分分析、線性判別分析和載荷分析,發(fā)現(xiàn)LDA 分析相較PCA分析能有效地將不同貨架時間的藍莓區(qū)分開來,且藍莓的氣味變化明顯,利用電子鼻無損檢測不同藍莓貨架期是可行的。通過結(jié)合HS-SPME-GC-MS及電子鼻對藍莓的測定,確定藍莓在貨架3 d后品質(zhì)開始逐漸下降,表現(xiàn)3 d時醛類成分達到頂峰,隨后醛類物質(zhì)相對含量均低于3 d時,結(jié)合主成分分析結(jié)果,可以看出貨架3 d是藍莓品質(zhì)變化的一個拐點。

利用HS-SPME-GC/MS對藍莓貯藏期間的揮發(fā)性成分進行分析,共檢測出76種揮發(fā)性成分。其中以醛類成分種類最多含量最高,是藍莓的主要揮發(fā)性氣味成分,且醛類成分含量的變化規(guī)律與PCA分析中變化趨勢相近。但是由于1-MCP的添加和貨架期藍莓內(nèi)進行著各種復(fù)雜代謝反應(yīng)導(dǎo)致大部分揮發(fā)性成分(如芳樟醇、葉香醇、反式-2-己烯-1-醇等)的變化未有一個明顯的變化規(guī)律。

敏感的傳感器與HS-SPME-GC-MS分析所得的特征成分含量結(jié)果大致相符。實驗中發(fā)現(xiàn)一些傳感器在模式識別中負載參數(shù)近乎零,那么該傳感器的識別能力可以忽略不計,在后續(xù)試驗中可以嘗試將那些傳感器去除。

4 結(jié)論

針對PCA和LDA分析的圖像可以觀察到,3 d是貨架期藍莓主要揮發(fā)性成分的變化拐點,對于貨架期的判別,判別分析法優(yōu)于主成分分析法。傳感器載荷分析表明,貢獻率最大的為傳感器W5S。HS-SPME-GC-MS所得結(jié)果中三大主要物質(zhì)醛類(24.86%～91.98%)、醇類(0.24%～23.85%)、萜類(2.00%～43.00%)加和均大于71%,是藍莓內(nèi)主要的揮發(fā)性物質(zhì)。特征揮發(fā)性成分為2-己烯醛、芳樟醇、香葉醇。對于電子鼻結(jié)合GC-MS分析結(jié)果的探討,可見MAP+1-MCP聯(lián)合處理對藍莓延緩揮發(fā)性成分流失效果較好,對于醛類抑制流失的效果順序為MAP+1-MCP>1-MCP>MAP>CK。