顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用分析库尔勒香梨花序香气成分

张 军，刘建福，范 勇，马泽鑫，李 疆

（1.新疆农业大学林学与园艺学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2.新疆农业职业技术学院园林科技分院，新疆 昌吉 831100；3.新疆巴州质量技术监督局，新疆 库尔勒 841000）

顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用分析库尔勒香梨花序香气成分

张 军1,2，刘建福3，范 勇3，马泽鑫3，李 疆1,*

（1.新疆农业大学林学与园艺学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2.新疆农业职业技术学院园林科技分院，新疆 昌吉 831100；3.新疆巴州质量技术监督局，新疆 库尔勒 841000）

建立库尔勒香梨花序香气成分的顶空固相微萃取-气相色谱-质谱定性定量方法。花序样品分别经固相微萃取PDMS、CAR/PDMS萃取头富集，经气相色谱梯级升温分离后，进入电子电离源单级扫描质谱，经质谱图库检索定性、归一化法定量。结果表明：2 个萃取头最佳富集香气的条件为梨花样品量4 g、萃取温度40 ℃、萃取时间25 min，检测出不同花期共69 种挥发性香气成分，其中包括酯类、醇类、油酸类和含杂原子化合物等。方法前处理简单、重复性好、分析时间短，能适用于梨花香气成分的测定。

顶空固相微萃取；气相色谱-质谱联用；库尔勒香梨花序；香气

库尔勒香梨（Pyrus sinkiangensis Yü. cv. ‘Korla Xiangli’）属于新疆特有梨种，果实以独特而浓郁的香味著名[1]。果树的花香是花品质特征的组成部分，花序的品质决定着果实的品质[2]，目前对库尔勒香梨花的研究主要集中在形态学等方面[3]，对挥发性特征品质（香气成分）的研究鲜见报道。

目前对花序香气的研究主要集中在观赏植物花序香气的研究，如冯立国等[4]对玫瑰花香气成分的分析鉴定，彭红明[5]对兰花的香气成分研究等。研究花香常用的方法有固相微萃取（solid phase microextraction，SPME）、吸附法、吹扫捕集法等前处理结合气相色谱-质谱（gas chromatography-mass spectrometry，GCMS）联用等[6-10]。

SPME技术集采样、萃取、浓缩、进样于一体，已成为复杂基体中痕量组分分析的主流提取分析方法[6-8,11]。本实验采用顶空（head space，HS）-SPME-GC-MS联用技术对库尔勒香梨不同花期花香成分进行研究，优化了HS-SPME条件参数，建立了鉴定库尔勒香梨花序香气成分种类及含量的GC-MS方法，为进一步研究库尔勒香梨花香气生理生态功能，以及研究库尔勒香梨花香气与果香气的关系等提供一定方法依据和数据支持。

1 材料与方法

1.1 材料

供试材料为库尔勒市沙依东园艺场梨园健康植株（树龄15 a左右）花蕾期、盛花期完整花序，现场称量，迅速剪碎、充分混匀后分别装入15 mL顶空瓶，拧紧密封盖，备用。

1.2 仪器与设备

手动SPME进样器装置、萃取头100 μm聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）、75 μm碳分子筛/PDMS（carboxen/PDMS，CAR/PDMS）萃取头各一支，15 mL样品瓶 美国Supelco公司；GC（TRACE GC Ultra）-MS（ISQ）联用仪 美国赛默飞世尔科技公司；Trace TR-5MS色谱柱（30 m×0.25 mm，0.25 μm）美国安捷伦公司；BS210S电子天平 德国Sartorius公司；HHS-1电热恒温水浴锅 上海齐欣科学仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 HS-SPME富集条件及优化

SPME萃取纤维头在使用前需进行老化处理，以消除杂质的影响。老化条件按照美国Supelco公司SPME萃取头指定使用说明进行：将SPME针插入GC-MS进样口，250 ℃条件下老化5 min。若首次使用，则需将老化时间延长至30 min。

将SPME萃取纤维头手动进样器插入已称取好完整花序的顶空萃取瓶中，将整个萃取设备放入一定温度水浴锅中顶空吸附一段时间后抽回，然后将SPME萃取纤维头插入GC-MS进样口250 ℃，解吸5 min。

选取梨花样品量（1、2、3、4、5 g）、萃取温度（20、30、40、50、60 ℃）、萃取时间（25、35、45、55、65 min）等因素分别花蕾期、盛花期梨花香气的进行单因素试验，使用萃取头100 μm PDMS、75 μm CAR/ PDMS 2 个型号分别对梨花花蕾、盛花的香气进行萃取，以梨花香气成分数量（峰数）为主要考察指标，每组试验设置3 组生物学重复。在上述单因素试验的基础上按照均匀设计进行U5（53）试验[12]安排（表1），并用软件SPSS.20分析结果确定最佳香气富集条件。

表1 SPME富集香气U5（53）均匀设计因素水平表Table 1 Factors and levels used in U5 (53) uniform design forr aroma enrichment by SPME

1.3.2 GC-MS条件

GC条件：不分流进样，Trace TR-5MS色谱柱（60 m×0.25 mm，0.25 μm）；升温程序：初始温度为40 ℃，保持2 min，以6 ℃/min升至160 ℃，再以15 ℃/min 升至180 ℃，最后以30 ℃/min升至230 ℃，保持1 5 m i n；进样口温度2 5 0 ℃；载气为氦气（99.999%）；流速1 mL/min。

MS条件：接口温度230 ℃；离子源温度230 ℃；电子电离源；电子能量70 eV；质量扫描范围m/z 45～450。

1.3.3 香气物质化合物定性及定量

所采集数据利用GC-MS联用仪工作站自带Xcalibur 2.2软件（Thermo Scientific Technologies）进行分析。对比NIST 2011谱库检索[13-14]，对匹配度不低于70%的化合物进行初步定性。定量：按照峰面积归一化法计算化合物相对含量[14-16]。

2 结果与分析

2.1 SPME富集条件单因素确定

2.1.1 样品量的确定

采用PDMS、CAR/PDMS萃取头，分别称取1、2、3、4、5 g样品量进行梨花香气物质的SPME分析，经GC-MS分析获得香气组分总离子流图（峰数）如图1所示。随着梨花样品用量（花蕾、盛花）不断增加，峰数量缓慢变大，说明萃取得到的挥发性物质数量逐渐增多，当梨花用量为3 g时，峰数量不随样品量增多而明显变化，说明PDMS、CAR/PDMS萃取头吸附达到饱和，继续增加梨花样品质量峰数量不再变化。这是由于增加梨花样品量，挥发至GC的香气物质的量增加，而香气成分种类并未增加。因此，选择梨花样品用量为3 g较为合适。

图1 样品量对梨花香气成分的影响Fig.1 Effect of sample loading on aroma compounds from pear flower

通过图1可知，2 种萃取头PDMS、CAR/PDMS捕集的香梨花蕾、盛花香气成分能力明显不同，花蕾期，CAR/PDMS萃取头对香气成分的萃取能力大于PDMS萃取头，而盛花则恰好相反。这是因为萃取头的吸附强度主要取决于涂层材料的性质和厚度，涂层的极性不同，对不同极性香气物质的吸附差异很大。萃取头PDMS适合非极性大分子质量化合物萃取，而CAR/PDMS萃取头适合于极性分子萃取。

2.1.2 萃取温度的影响

采用PDMS、CAR/PDMS萃取头，分别20、30、40、50、60 ℃温度条件下进行梨花香气物质的SPME，经GC-MS分析获得不同处理样品的香气组分数量，结果见图2。

图2 萃取温度对梨花香气成分的影响Fig.2 Effect of extraction temperatures on aroma compounds from pear flower

由图2可以看出，萃取温度对梨花香气的萃取效果影响不是非常明显。随着温度升高，香气组分数目在40 ℃时两者均达到最大，提取的风味物质数量变化平缓，香气组分数目基本不变。在较低的萃取温度条件下，梨花香气的挥发速度较慢，达到香气平衡所需时间较长，但是，在萃取温度较高，梨花香气的挥发速度增大，达到香气平衡所需时间缩短；但温度过高则会使香气组分发生异构化或通过热裂解途径产生新的香气组分，同样影响分析结果的准确性。因此，选择萃取温度为40 ℃较为合适。

2.1.3 萃取时间的确定

控制萃取温度为40 ℃，采用PDMS、CAR/PDMS萃取头，萃取不同吸附时间25、35、45、55、65 min，经GC-MS分析获得香气组分数量如图3所示。

图3 萃取时间对梨花香气成分的影响Fig.3 Effect of extraction time on aroma compounds from pear flower

由图3可知，随着吸附时间的延长，香气组分数量显著增加，其中峰数量在30min时达到最大，而后继续延长吸附时间对其影响不大，说明此时梨花香气物质吸附和解吸达到了动态平衡。但随着吸附时间的延长反而减少。因此，选择最优萃取时间为30 min。

2.2 SPME富集香气均匀试验方案确定

采用U5（53）均匀试验设计对库尔勒香梨花序香气进行萃取优选，使试验次数大大减少，考察上述3 个因素5 个水平对出峰的影响只需要5 次试验，试验方案如表2所示。另外，由于SPME操作重复性次数对于吸附材料使用寿命影响较为显著等技术因素和GC-MS分析的稳定性和耗时性等，将试验次数减少并找到最优的组合[17]非常关键，通过试验及其验证表明均匀设计方法较为适合该研究。

表2 SPME富集香气U5（53）均匀试验方案及结果Tablee 2 U5(53) uniform design with experimental results for aroma enrichment by SPMMEE

用数理统计软件SPSS.20对U5（53）均匀试验结果（表2）进行分析，逐步回归求得回归方程为：Y=4.05X1+0.150X2-0.145X3+25.175，其中调整的决定系数R2为0.964，说明该回归方程可信。经F检验，F=36.526＞F0.05（2,12）=3.49所求得回归方程Y与X之间存在极显著关系，回归有效。从回归方程中可以看出，所得3 个系数中2 个为正值，萃取时间为负值，说明样品量和萃取温度对试验结果为正相关，而萃取时间为负值对于富集香气起到负相关。对偏回归系数进行标准化，得标准偏回归系数分别为：0.812、0.301、-0.291，由标准偏回归系数可以得出影响SPME富集香气的主次因素为样品量＞萃取温度＞萃取时间。因此，选择预测最优萃取条件为样品量4 g、萃取温度40 ℃、萃取时间25 min，检测出峰43 个。

验证实验：取库尔勒香梨花蕾、盛花花序3 份各4 g，在最优富集方案条件下测其峰数分别为43、44、43平均为43.3，与预测值相近，由此可见优选出的试验方案可行。

2.3 梨花香气成分鉴定

经上述2.2节试验结果，确定梨花香气成分分析最优条件为梨花样品量4 g、萃取温度40 ℃、萃取时间25 min。利用优化的HS-SPME条件捕集梨花香气物质经GC-MS分析，检索NIST 2011软件质谱数据库，初步鉴定，分析结果见表3。

表3 顶空-SPME-GC-MS联用分析鉴定香梨花序香气成分Table 3 Aroma components of pear flowers identified by HS-SPME-GC-MS

续表3

由表3可知，库尔勒香梨花蕾、盛花花序中共分离、鉴定出69 种香气成分，其中包括烃类、酯类、醇类、油酸类和含杂原子化合物。其中醇类有20 种、酯类24 种、油酸类等，这些化合物通常表现为清香、花香或果香等，如在花蕾、盛花中都检测出金合欢醇，它是具有令人愉快温和而细腻的带有铃兰特征的花香气味[18-20]。一些醇类，如香叶醇、（Z）-橙花叔醇类等，这些物质相对含量和阈值都很低，并且对梨花的香气构成却很重要。在花蕾中检测出较丰富的油酸类挥发性物质[21]，这可能是盛花香气的前体物质。

3 结 论

果树开花是果树生活史中一个质变过程，是个体发育过程的中心环节[22]。研究果树花序的香气成分（次生代谢物）变化规律能对果树的整个营养生长和生殖生长发育过程进行了解，有利于对果树进行科学的水肥配比、引虫授粉等田间管理，提高果实品质。

花香的释放是伴随着花朵的开放而产生的，花朵从花蕾期到衰落期的发育过程中，香气成分及其在开花过程中香气组分的变化是一个动态过程[23]，目前关于库尔勒香梨不同花期香气成分以及变化动态规律鲜见相关研究报道。SPME技术是根据有机物与溶剂之间的“相似相溶”的原理，利用石英纤维表面的色谱固定相或吸附剂对分析组分的吸附作用，将组分从试样基质中萃取出来，并逐渐富集，完成试样前处理过程[5]。本实验采用的100 μm PDMS、75 μm CAR/PDMS 2 种萃取头对库尔勒香梨花香成分的萃取有明显的不同：分子质量小非极性挥发性化合物通常选用100 μm PDMS萃取头，极性挥发性化合物适宜选用75 μm CAR/PDMS萃取头。通过均匀试验优化了HS-SPME对梨花香气成分富集的条件，即：不同花期花序样品量4 g置于15 mL萃取瓶中插入萃取针进行萃取，水浴锅保持温度40 ℃、萃取时间25 min。经GC-MS分析，库尔勒香梨花中含有多种具有香味的挥发性化合物，香气成分种类多、香韵特色鲜明；在所有香气成分中，酯类相对含量最高，达到35%，醇类占28%，也含有具有特征花香的萜类和脂类。通过对已有文献，如陈计栾[21]关于库尔勒香梨果实的研究成分对比，花香成分较果实香气复杂的多。有学者认为挥发性物质对风味的影响不是简单的量的关系[24]，还与挥发性物质种类的多少有关，由于感官相互作用，香气成分种类多时香气会更为强烈和风韵[25]，所以盛花期香气种类多也是其香气浓郁的原因之一。

本实验得出了库尔勒香梨花序香气成分分析方法，并初步鉴定了库尔勒香梨花序香气成分。在以后的研究中可针对梨花香气成分变化确定田间管理等技术，为提升香梨果实品质做进一步的指导依据。

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Analysis of Aroma Components of Pyrus sinkiangensis Yü. cv. ‘Korla Xiangli’ Inflorescence by Headspace Solid Phase Micro-Extraction Coupled to Gas Chromatography-Mass Spectrometry

ZHANG Jun1,2, LIU Jianfu3, FAN Yong3, MA Zexin3, LI Jiang1,*
(1. College of Forestry and Horticulture, Xinjiang Agricultural University, Ürümqi 830052, China; 2. Garden Science and Technology College, Xinjiang Agricultural Vocational Technical College, Changji 831100, China; 3. Xinjiang Bazhou Supervisory Bureau for Quality and Technology, Korla 841000, China)

In this study, aroma components of the inflorescence of Pyrus sinkiangensis Yü. cv. ‘Korla Xiangli’ were analyzed by using headspace solid phase microextraction (HS-SPME) combined with gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS). The aroma components of bud and blossom were enriched by using a PDMS and a CAR/PDMS SPME fiber, respectively, separated using gas chromatography by stepwise temperature programming, monitored by mass spectrometry using electron ionization source, qualified by mass spectral library retrieval, and quantitated by an area normalization method. The optimum extraction conditions were determined as follows: 4 g of samples were extracted for 25 min at 40 ℃. A total of 69 aroma components, including esters, alcohols, oleic acid and other compounds, were identified from different flowering stages. This method can be used to determine aroma components of Pyrus sinkiangensis Yü. cv.‘Korla Xiangli’ inflorescence owning to simple sample pretreatment, good repeatability and short analysis time.

headspace solid phase microextraction (HS-SPME); gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS); Pyrus sinkiangensis Yü. cv. ‘Korla Xiangli’ inflorescence; aroma

10.7506/spkx1002-6630-201602020

TS255.1

A

1002-6630（2016）02-0115-06

张军, 刘建福, 范勇, 等. 顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用分析库尔勒香梨花序香气成分[J]. 食品科学, 2016, 37(2): 115-120. DOI:10.7506/spkx1002-6630-201602020. http://www.spkx.net.cn

ZHANG Jun, LIU Jianfu, FAN Yong, et al. Analysis of aroma components of Pyrus sinkiangensis Yü. cv. ‘Korla Xiangli’inflorescence by headspace solid phase micro-extraction coupled to gas chromatography-mass spectrometry[J]. Food Science, 2016, 37(2): 115-120. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201602020. http://www.spkx.net.cn

2015-05-08

国家林业公益性行业科研专项（201304701-1）；新疆农业职业技术学院资助课题（XJNZYKJ201519）

张军（1978—），男，副教授，硕士，研究方向为果树种质资源。E-mail：wusuzj@sogou.com

*通信作者：李疆（1958—），男，教授，博士，研究方向为果树生理和种质资源。E-mail：lijiangxj@163.com