不同品种苹果采后品质和挥发性物质的差异分析

张 鹏,陈帅帅,李江阔,*,徐 勇,李博强

(1.国家农产品保鲜工程技术研究中心(天津),农业农村部农产品贮藏保鲜重点实验室， 天津市农产品采后生理与贮藏保鲜重点实验室,天津 300384; 2.大连工业大学食品学院,辽宁大连 116034; 3.中国科学院植物研究所资源植物重点实验室,北京 100093)

苹果属于蔷薇科苹果属植物,富含丰富的营养元素,酸甜可口,是我国人们常吃的鲜食水果之一。我国苹果产量在世界上名列前茅[1],随着消费水平的提升,人们对苹果风味及多样性的要求也逐渐提高。一般从感官指标、营养指标、风味物质等来评价果实的优劣。果品感官指标主要有色泽、外形、口感、质地等;果品营养指标主要包括糖、酸等;风味物质是对人的嗅觉和味觉产生刺激而获得感觉的物质,主要为果品的气味和滋味,而果品的气味主要通过挥发性物质体现[2]。

目前,在不同品种苹果的品质研究中,白沙沙等[3]探讨了44个苹果品种的果实色泽、果实横径、果实纵径、果形指数等果实品质的差异;杨玲等[4]分析了‘华红’、‘华苹’、‘寒富”、‘红星’、‘ 嘎啦’和‘津轻’苹果果肉质构特性;董晓庆等[5]开展了‘旭’、‘嘎啦’和‘蜜脆’苹果的果实可溶性固形物、可滴定酸和固酸比的差异研究。

在苹果的挥发性物质测定方面,国内外利用顶空固相微萃取技术(HS-SPME)结合气质联用(GC-MS)对苹果的挥发性物质研究报道较多。Morales等[6]利用该技术研究曼密苹果浆中挥发性物质的变化趋势;Dixn等[7]采用该技术研究了苹果中主要的挥发物质;李鑫等[8]亦采用该技术研究了保鲜剂对苹果挥发性物质的影响。电子鼻技术是一种新型的果实无损检测技术,基于传感器对不同种类气味的特定响应,结合主成分分析、线性判别分析、负荷加载分析,可以评价果实整体挥发性物质变化,从而对果品内在品质快速有效检测。Pathange等[9]利用电子鼻研究不同成熟度苹果挥发性物质的变化;王贵平等[10]利用电子鼻研究不同采收期‘嘎啦’苹果挥发性物质的变化规律;Hui等[11]利用电子鼻研究不同贮藏期‘富士’苹果挥发性物质的变化,但对于不同品种苹果整体挥发性物质的差异研究鲜有报道。

因此,本实验以‘金冠’、‘嘎啦’、‘乔纳金’和‘寒富’4种苹果为研究对象,分析苹果的外观和内在品质,通过HS-SPME结合GC-MS测定苹果的挥发性物质及其含量,并利用电子鼻快速判别不同品种苹果整体挥发性物质的差异,以期为不同苹果的开发和利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

‘金冠’、‘ 嘎啦’、‘ 乔纳金’苹果 陕西宝鸡苹果示范园;‘寒富’苹果 采自辽宁鞍山有机果园,人工选择果实大小均一、九成熟、无病虫害、无机械损伤的果实,用网套套上后装入到装有微孔袋的纸箱后立即运回实验室,每个品种苹果取15个用于实验指标测定;氢氧化钠 天津市风船化学试剂科技有限公司;PE微孔袋 国家农产品保鲜工程技术研究中心(天津)。

ML503千分之一天平 梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司;数显卡尺 桂林量具刃具有限公司;CM-700 D分光测色仪 柯尼卡美能达(中国)投资有限公司;PAL-1便携式手持折光仪 日本爱宕公司;916 Ti-Touch电位滴定仪 瑞士万通中国有限公司;TA.XT.Plus物性仪 英国Stable Micro Systems公司;PEN3型便携式电子鼻 德国Airsense公司;Trace DSQ GC/MS气相色谱质谱联用仪 美国Finnigam公司;50/30 μm CAR/DVB/PDMS萃取头和固相微萃取手柄 美国Supleco公司;PC-420D数字型磁力加热搅拌装置 美国Corning公司。

1.2 实验方法

1.2.1 苹果品质指标测定

1.2.1.1 单果质量、果肉质量和可食率 每个品种苹果随机选取6个果实,用千分之一天平称取单果质量。然后果实去皮、去核测定果肉质量,并计算可食率。可食率(%)=果肉质量/单果质量。

1.2.1.2 果实纵径、果实横径和果形指数 每个品种苹果随机选取6个果实,用数显卡尺测量果实纵径和横径,并计算果形指数。果形指数=果实纵径/果实横径。

1.2.1.3 果皮色泽 每个品种苹果随机选取6个果实,用分光测色仪对苹果阴阳面赤道线上两点测量果皮色泽L*、a*、b*、C、h,均取平均值。

1.2.1.4 可溶性固形物(TSS)、可滴定酸(TA)、固酸比和维生素C 可溶性固形物采用便携式手持折光仪测定,打浆后取匀浆用4层纱布过滤,取滤液0.2 mL直接测定,每个品种苹果重复6次,取平均值。TA参考李文生等[12]的方法略有改动。四分发取样,打浆后称取20 g,定容于250 mL容量瓶;80 ℃水浴30 min后,降至室温,脱脂棉过滤后吸取20 mL 滤汁加蒸馏水40 mL用自动电子滴定仪测定。固酸比=TSS/TA。维生素C采用钼蓝比色法[13]测定。

1.2.1.5 果实硬度 采用英国产TA.XT.PLus物性仪测定,测试参数为深度10 mm,P/2探头(Φ=2 mm),测试速度为2 mm/s。每个品种苹果随机选取6个果实,在苹果阴阳面赤道线上两点带皮测定,每个果实重复2次,取每次测量的最大力值,取其平均值;第一个峰的力值与运行距离的比值为果皮脆性[14]。

1.2.2 苹果果实整体挥发性物质测定 采用电子鼻测定[15],该电子鼻包括10个金属氧化物传感器阵列,可以分析不同的挥发性成分,传感器阵列及其性能描述见表1。每个品种苹果分别放入1000 mL烧杯中,用保鲜膜封口平衡15 min后进行数据采集,采用顶空吸气法进行电子鼻的测定分析。测定条件:自动调零时间10 s,样品准备时间5 s,样品测试时间50 s,样品测定间隔时间120 s,内部流量和进样流量都为100 mL/min,传感器清洗时间300 s,每个品种苹果试验重复测定6次。选取传感器响应较平稳的第44～46 s的测试数据用于分析处理。

表1 电子鼻标准传感器阵列与性能描述Table 1 Standard sensor arrays and performance specification in electronic nose

1.2.3 苹果果实挥发性物质测定 采用HS-SPME-GC-MS测定[16]。将3个苹果去皮后四分法取样,打浆后在离心机离心20 min(12000 r/min),4层纱布过滤后取上清液8 mL于15 mL顶空瓶中,而后放入55 ℃水浴15 min,再向顶空瓶中加入2.5 g NaCl,采用有孔盖密封,将萃取纤维插入后,悬离液面1 cm左右,置于磁力加热搅拌器上(转速900 r/min),在温度为55 ℃时,萃取45 min后拔出,拔出后即刻插入GC-MS进样口,于250 ℃解析5 min,同时采集数据。

GC条件:HP-INNOWAX色谱柱(30 m×250 μm×0.25 μm);程序升温:40 ℃保留2 min,然后以3 ℃/min升至210 ℃保留5 min,传输线温度250 ℃,载气为He,流速1 mL/min,不分流。MS条件:连接杆温度280 ℃,电离方式为EI,离子源温度200 ℃,扫描范围35～350 u。

定性方法:通过检索NIST 08/Wiley7.0标准谱库,参考正反匹配度以及相关文献查询CAS码,选择正反匹配度均大于800、挥发性物质相对含量大于1%的成分进行定性分析。

定量方法:按峰面积归一化法求得各成分相对含量,并选择3-壬酮为内标进行具体定量。3-壬酮浓度为0.04 g·L-1,用量30 μL。各组分含量(μg·g-1)=(组分面积/内标的峰面积)×内标浓度(g·L-1)×30 μL/滤液体积(mL)。通过计算lg(香气值)来确定不同品种特征香气,香气值=某种化合物含量/该化合物香气阈值,当lg(香气值)大于0时为特征香气成分,即某种化合物含量大于该化合物香气阈值[17]。

1.3 数据分析

数据使用Excel 2003软件进行统计分析;使用SPSS 17.0软件,极差法进行数据显著性分析。电子鼻分析通过 Winmuster 软件对采集的数据进行分析。

2 结果分析

2.1 不同品种苹果的品质分析

由表2可知,4个品种苹果的品质指标具有不同的变异范围,其中单果质量最小值为165.36 g,最大单果质量为263.08 g,果肉质量最小值为113.63 g,最大值为207.39 g,其中‘寒富’苹果单果质量、果肉质量均显著高于其他品种苹果(p<0.05),而‘嘎啦’苹果则显著低于其他品种苹果(p<0.05);可食率最小值为68.72%,最大值为79.38%,其中‘嘎啦’苹果可食率最低,其他品种苹果差异不显著(p>0.05);果实纵径最小值为61.28 cm,最大值为73.98 cm,果实横径69.66 cm,最大值为83.45 cm,而果形指数最小值为0.85,最大值为0.90,其中‘金冠’苹果果形指数最高,‘乔纳金’苹果果形指数最低。

色泽是评价果实外观品质的重要指标,L*、a*、b*、C、h是表示果实颜色变化,其中L*表示光泽亮度,其值越大,亮度越越高,反之越低;a*值越大果皮越红,反之越率;b*越大果皮越黄,反之越蓝;C值越大,着色强度越大,反之越小;h从0到180依次代表颜色变化,依次为紫红、红、橙、黄、黄绿、蓝绿色[18]。由表2所示,不同果实的色差有较大差异。‘金冠’苹果的L*值为52.81,显著(p<0.05)高于其他品种苹果;‘金冠’的a*值最低,并且为负值,说明果实偏绿色,‘嘎啦’的a*值最高,且为正值,说明果实偏红色;‘金冠’的b*最大,且为正值,说明果实偏黄色,‘乔纳金’的b*最小,但为正值,说明果实偏黄蓝色;‘金冠’的C值最大,说明其着色强度最大,‘嘎啦’和‘寒富’苹果着色强度差异不显著(p>0.05),‘乔纳金’的着色强度最小;‘金冠’h值接近90,果实呈现黄色,‘乔纳金’h最小,果实偏红色。因此‘金冠’呈现明亮绿黄色,‘嘎啦’为有光泽红色,‘乔纳金’为红黄色,‘寒富’为红橙色。不同品种苹果色差结合外观和大小可以评价其感官品质。

不同品种的苹果,其可溶性固形物和可滴定酸含量存在明显差异,而固酸比不同构成了苹果不同的风味[19]。由表2所示,‘寒富’苹果的可溶性固形物为15.25%,显著(p<0.05)高于其他品种苹果,新鲜优质苹果的可溶性固形物一般在12%左右[20],除‘寒富’苹果属于含糖量较高的水果,其它的3个品种苹果品质较好。果实的含酸量是影响果实风味的重要因素,对于鲜食优质苹果,其果实的含酸量0.2%～0.5%[21],以上4个品种苹果,‘金冠’的可滴定酸含量最高为0.58%,‘寒富’的可滴定酸含量最低为0.37%,4个品种苹果可滴定酸含量有一定差异,但都基本符合优质苹果要求。优质苹果的固酸比在20～60,低于20,风味淡或偏酸;大于60,甜味过强,风味不理想[22]。优质苹果的固酸比为20～60,低于20,风味淡或偏酸;大于60,甜味过强,风味不理想[22]。表2不同品种苹果的固酸比在20～50之间,在优质苹果固酸比范围内。维生素C是评价果蔬营养成分的重要指标,‘金冠’苹果维生素C含量为22.73 mg/100 g,显著(p<0.05)高于其他品种,其他品种维生素含量的高低次序为‘寒富’、‘嘎啦’、‘乔纳金’。硬度和果皮脆性是评价果实质地紧密程度的重要指标。果实硬度从大到小依次为‘金冠’、‘嘎啦’、‘乔纳金’、‘寒富’,其中‘金冠’苹果果实硬度显著高于其他品种苹果(p<0.05);果皮脆性从大到小依次为‘嘎啦’、‘金冠’、‘乔纳金’、‘寒富’,但‘嘎啦’与‘金冠’苹果果皮脆性差异不显著(p>0.05),其它品种之间差异显著(p<0.05)。综上可知,4个品种苹果营养品质均较好。

表2 不同品种苹果品质指标的分析Table 2 Analysis of quality indexes in different varieties of apple fruit

2.2 基于电子鼻对不同品种苹果整体挥发性物质分析

2.2.1 PCA分析 图1为不同品种苹果挥发性物质主成分分析,主成分分析通过降低维度找到不同品种之间差异,通过较少的变量解释原始信息,简便计算量,并解决实际问题[23]。其中第一主成分贡献率和第二主成分贡献率分别为97.87%、1.61%,总贡献率为99.48%,基本能代表样品信息。图1的4种不同品种苹果所呈现的椭圆可以明显地区分互不重叠,4个品种苹果对第一主成分坐标轴刻度大小依次为‘嘎啦’>‘金冠’>‘乔纳金’>‘寒富’,说明主成分分析适用于不同品种苹果挥发物质主成分分析。

图1 不同品种苹果整体挥发性物质主成分分析Fig.1 Principal component analysis of entire volatiles in different varieties of apple fruit

2.2.2 LDA分析 线性判别分析(LDA)方法着重采集苹果挥发性物质成分响应值在空间中的分布状态及彼此之间的距离分析,即不同品种苹果生成的挥发性物质速率变化分析见图2。其中LD1贡献率为58.09%,LD2贡献率28.17%,总贡献率86.26%,基本代表样品信息。不同品种的苹果所呈现的椭圆相距较远,可以完全区分,说明4个品种苹果的挥发性物质差异明显,并且对第一主成分坐标轴刻度从大到小依次为‘嘎啦’、‘金冠’、‘乔纳金’、‘寒富’,与主成分分析结果相一致,表明线性判别法也适用于不同品种苹果挥发性物质分析。

图2 不同品种苹果整体挥发性物质线性判别分析Fig.2 Linear discriminant analysis of entire volatiles in different varieties of apple fruit

2.2.3 Loading分析 电子鼻10个传感器给予不同品种苹果不同挥发性物质响应,其中距离(0.0)较远的传感器为重要识别传感器[24],由图3所示。W1W(萜类和有机硫化合物)传感器对第一主成分贡献率最大,W5S(氮氧化合物)对第二主成分贡献率最大,因此两个传感器在判别不同品种苹果中起到了关键作用;另外,传感器W2S(芳香型化合物)、W1S(烷烃化合物)距离(0.0)也相对较远,在判别中也具有一定的辅助作用。

图3 不同品种苹果整体挥发性物质负荷加载分析Fig.3 Loading analysis of entire volatiles in different varieties of apple fruit

2.3 GC-MS对不同品种苹果挥发性物质分析

4个品种苹果主要挥发性物质含量比较如图4所示,不同品种苹果主要挥发性物质7类33种化合物,其中‘金冠’共检测6类15种化合物,‘嘎啦’共检测6类22种化合物,‘乔纳金’共检测6类16种化合物,‘寒富’共检测5类15种化合物,由此得知‘嘎啦’苹果检测到化合物种类最多,其它3个品种苹果检测到化合物种类相对较少。图4可知,苹果的挥发性物质主要由醛类、酯类、醇类组成,而酮类、酸类、酚类、醚类含量较少,这些挥发性物质差异构成了不同品种苹果香味的特异性[7,25]。‘嘎啦’的酯类物质含量最高,其次为‘乔纳金’、‘金冠’,而‘寒富’最低,其酯类物质含量为0.075 μg/g,显著低于其他3个品种苹果(p<0.05);醛类物质含量依次为‘金冠’>‘嘎啦’>‘乔纳金’>‘寒富’。‘嘎啦’的醇类物质含量较多,为0.946 μg/g,显著高于其他3个品种苹果(p<0.05)。电子鼻可以检测到果实整体的挥发性物质,通过电子鼻的分析也表明,4个品种苹果的整体挥发性物质差异明显,这与不同品种苹果所具有的挥发性物质种类与含量不同密切相关。

图4 不同品种苹果各类挥发性物质含量比较Fig.4 Comparation of various types volatiles content in different varieties of apple fruit

表3为不同品种苹果挥发性物质的含量。由表3可知,4个品种苹果共检测到醇类物质6种,其中‘金冠’的醇类物质有2种、‘嘎啦’5种、‘乔纳金’2种、‘寒富’3种,含量分别为0.026、0.946、0.020、0.134 μg/g。

表3 4个品种苹果的挥发性物质及含量Table 3 Volatile substances and its content in four varieties of apple fruit

具有青草味的1-己醇在‘嘎啦’苹果中的含量最高(0.555 μg/g),lg(香气值)>0,为‘嘎啦’苹果的特征香气成分,而1-己醇在‘金冠’,‘乔纳金’和‘寒富’中均没有检测到。2-乙基-1-己醇是4个品种苹果共同检测到的醇类物质,‘嘎啦’的2-乙基-1-己醇含量为0.017 μg/g,显著(p<0.05)高于‘金冠’(0.014 μg/g)、‘乔纳金’(0.012 μg/g)和‘寒富’(0.006 μg/g)。

4个品种苹果共检测到醛类物质5种,其中‘金冠’的醛类物质有3种,‘嘎啦’ 2种,‘乔纳金’ 2种,‘寒富’ 4种,含量分别为1.301、1.166、1.006、0.804 μg/g。己醛(青草味)和2-己烯醛(绿苹果)是4种苹果共同检测到的醛类物质,并且lg(香气值)均大于0,是4种苹果的特征性香气成分。‘金冠’的己醛含量为0.162 μg/g,‘寒富’的己醛含量为0.157 μg/g,均显著(p<0.05)高于‘嘎啦’(0.096 μg/g)、‘乔纳金’(0.088 μg/g);2-己烯醛的含量依次为‘金冠’>‘嘎啦’>‘乔纳金’>‘寒富’,含量分别为1.129、1.070、0.918和0.525 μg/g。

4个品种苹果共检测到酯类物质15种,其中‘金冠’的酯类物质有7种,‘嘎啦’ 12种,‘乔纳金’ 8种,‘寒富’ 7种,含量分别为0.200、3.318、0.204、0.075 μg/g。‘金冠’、‘嘎啦’、‘乔纳金’、‘寒富’检测乙酸己酯含量分别为0.090、0.896、0.100、0.017 μg/g,lg(香气值)均大于0,是4种苹果的特征性香气成分,分析表明‘嘎啦’苹果具有浓郁果香味,‘金冠’和‘乔纳金’有果香味,而‘寒富’则具有淡淡果香味。具有苹果味的丁酸己酯只有‘乔纳金’品种检测到,但lg(香气值)<0,不是其特征香气成分;‘嘎啦’苹果检测乙酸丁酯含量为0.932 μg/g,lg(香气值)>0,为‘嘎啦’苹果的特征香气成分,这与王海波等[17]对‘嘎啦’苹果特征性香气分析结果一致。

酮类、酸类、酚类、醚类的含量在4个品种苹果中均较少,但也是苹果挥发性物质的重要构成部分。‘金冠’、‘嘎啦’、‘乔纳金’、‘寒富’检测到的酮类物质种类分别为1、1、2、1种,含量分别为0.134、0.146、0.165、0.011 μg/g,其中‘寒富’中检测到的酮类物质含量最低。酸类物质除‘寒富’未检出,其它3种品种各检出1种,含量分别为‘金冠’0.013 μg/g、‘嘎啦’0.021 μg/g、‘乔纳金’0.015 μg/g;酚类物质均检出1种,‘嘎啦’除外,含量分别为‘金冠’0.009 μg/g、‘乔纳金’0.013 μg/g、‘寒富’0.006 μg/g;醚类物质,只有‘嘎啦’中检测出草脑蒿,含量为0.060 μg/g,其它品种均未检出。

3 结论

四个品种苹果品质分析存在明显差异。‘寒富’苹果单果质量、果肉质量最高,其次为‘乔纳金’、‘金冠’、‘嘎啦’,而且‘嘎啦’苹果可食率最低。从果形指数看,‘金冠’苹果最高,‘乔纳金’苹果最低。 ‘金冠’呈现明亮绿黄色,‘嘎啦’为有光泽红色,‘乔纳金’为红黄色,‘寒富’为红橙色。‘寒富’苹果可溶性固形物最高,其它3个品种苹果差异不显著,‘金冠’和‘乔纳金’苹果可滴定酸含量高于‘嘎啦’和‘寒富’,而‘金冠’苹果的维生素C含量和硬度最高,苹果脆性依次为‘嘎啦’>‘金冠’>‘乔纳金’>‘寒富’。主成分分析和线性判别分析可以将不同品种苹果完全区分,可见其挥发性物质有显著差异;挥发性物质第一主成分以萜类和有机硫化合物为主,第二主成分以氮氧化物为主;并且对第一主成分坐标轴刻度从大到小依次为‘嘎啦’、‘金冠’、‘乔纳金’、‘寒富’。

‘金冠’、‘嘎啦’、‘乔纳金’和‘寒富’4个品种苹果的主要挥发性物质以醇类、醛类、酯类为主。醇类种类分别有2、5、2、3种,含量分别为0.026、0.946、0.020、0.134 μg/g,其中共同检测到的成分是2-乙基-1-己醇,而具有青草味的1-己醇是‘嘎啦’苹果的特征性香气。醛类种类分别有3、2、2、4种,含量分别为1.301、1.166、1.006、0.804 μg/g,其中具有青草味的己醛、绿苹果味的2-己烯醛是4个品种苹果共有的特征性香气,两种物质在4个品种苹果的含量次序为‘金冠’>‘嘎啦’>‘乔纳金’>‘寒富’。酯类种类分别有7、12、8、7种,含量分别为0.200、3.318、0.204、0.075 μg/g,其中具有果香味的乙酸己酯是4个品种苹果共有的特征性香气,含量次序为‘嘎啦’>‘乔纳金’>‘金冠’>‘寒富’,而乙酸丁酯是‘嘎啦’特有酯类,也是其特征性香气。总体上,‘嘎啦’苹果香气浓郁,‘寒富’苹果香气较淡,这与电子鼻分析结果相吻合。