基于GC-IMS技术分析加工关键单元对NFC比谢克幸甜瓜汁风味的影响

武东昕，孟新涛，马燕，张婷，张平，潘俨*

（1.新疆农业大学食品科学与药学学院，新疆乌鲁木齐 830052）（2.新疆农业科学院农产品贮藏加工研究所，新疆乌鲁木齐 830091）

新疆厚皮甜瓜地方品种比谢克幸（Bisekxing），俗称“老汉瓜”，种植于新疆南疆地区，年产量500余t。该甜瓜品种具有果肉清香可口、口感软绵、柔软多汁、营养丰富等特点[1]。但比谢克幸瓜采后后熟快、鲜食期短、易软腐，难以贮运外销，又缺少有效的加工转化增值途径，成为这一品种甜瓜难以规模发展并形成特色产业的“短板”[2]。该品种可食比例高，果肉出汁率高、色泽独特、汁液少渣、酸甜适口、而且香气清爽浓郁、风味品质突出，与目前新疆厚皮甜瓜主栽品种的脆甜度高、香气浅淡、香型单一等鲜食品质明显不同[3]，是适宜开发NFC（Not from Concentration，NFC）果汁高端加工产品的优质材料。果汁加工的榨汁、酶解、澄清、杀菌等操作单元对果汁香气成分的合成与分解有不同程度的影响，会导致果汁特征风味减弱甚至品质劣变[4]。而包括比谢克幸的多数品种甜瓜、果汁风味物质普遍存在热敏性[5]，热加工易造成果汁营养和风味品质的劣质化[6]，是目前甜瓜果汁一类产品开发和生产品控的技术难点。为此，需要建立甜瓜果汁香气物质的检测识别方法，评价和明确影响果汁加工风味品质形成和劣变的关键环节，指导工艺优化。

气相离子迁移谱（GC-IMS）技术[7]相比于气质色谱法（Gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）对挥发性物质具有较高的检测准确度及灵敏度，样品无需前处理，有效避免了挥发性物质的前处理流失，并提高检测速度[8]。作为一种痕量物质检测手段[9]，该技术检测限极低并可区分同分异构体[10]；IMS技术不仅用于空气质量[11]以及医疗[12]检测，在果蔬[13]、肉禽、水产等农产品的复杂挥发性物质组分检测方面已有广泛应用[14]，但未见GC-IMS技术在NFC果汁分析中的应用。因此，本文旨在通过GC-IMS检测NFC比谢克幸瓜汁加工过程中经过鲜榨、灭酶、均质、超声、灭菌5个加工关键单元的香气成分种类变化，建立不同加工单元NFC比谢克幸甜瓜汁风味品质的特征指纹图谱[15]，结合PCA分析风味物质变化情况，明确影响加工风味品质的关键单元，以期为NFC比谢克幸甜瓜汁加工工艺的研发优化和生产质量控制提供鉴别评价的方法及标准。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

于2020年7月1日采自新疆喀什地区伽师县，采收新鲜、成熟度均匀的比谢克幸甜瓜，运输至新疆农业科学院试验冷库，预冷至果实中心温度5～10 ℃，可溶性固形物含量8%～12%。

2-戊酮（2-Pentanone）、2-己酮（2-Hexanone）、2-庚酮（2-heptanone）、2-辛酮（2-Octanone）、2-壬酮（2-nonanone）等所有分离用有机溶剂均为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

UHT-TS高温/超高温瞬时杀菌机，英国Armfiel公司；分散机，德国IKA公司；超声波细胞粉碎机，宁波新芝科技股份有限公司；低温展示柜超净工作台，青岛海尔特种电冰柜有限公司；气相离子迁移谱联用仪，德国G.A.S公司。

1.3 GC-IMS测定条件

顶空气相瓶内的孵化温度为35 ℃、孵化时间10 min。色谱柱温度35 ℃、运行时间20 min，载气的流速梯度设置为0～2 min为2.00 mL/min，2～5 min由2.00 mL/min升高至50.00 mL/min，5～10 min增至100.00 mL/min，之后10～15 min保持100.00 mL/min。顶空进样针温度40 ℃、进样量1000 μL。

2-戊酮（2-Pentanone）、2-己酮（2-Hexanone）、2-庚酮（2-heptanone）、2-辛酮（2-Octanone）、2-壬酮（2-nonanone）作为标准品建立标准曲线，确定样品中风味物质的保留时间。

1.4 NFC甜瓜汁样品制备

将比谢克幸瓜清洗干净，去皮、去籽后果肉切成小块，用于榨汁，120目筛网过滤，70 ℃灭酶85 s，均质3 min，超声波细胞粉碎机进一步破碎，85 ℃杀菌85 s，灌装。收集每个加工环节之后的瓜汁样品，备用。每份样本3个重复，用于GC-IMS分析。

图1 NFC比谢克幸瓜汁制备流程图Fig.1 Flow diagram of NFC Bisekxing melon juice production

1.5 检测方法

以空气作CK参考对照，利用GC-IMS检测鲜榨、灭酶、均质、超声、灭菌五个加工单元操作中NFC比谢克幸瓜汁香气成分。

1.6 数据处理

使用设备自带的LAV（Laboratory Analytical Viewer）分析软件，通过GC-IMS Library Search检索2014NIST数据库和IMS数据库对特征风味物质定性分析，使用LAV中Reporter和Gallery程序构建挥发性有机物的差异图谱和指纹图谱；使用dynamic PCA plug-ins程序完成PCA分析。

2 结果与分析

2.1 不同加工关键单元NFC比谢克幸甜瓜汁挥发性成分的3D差异动态分析

图2 是通过分析软件LAV中的插件程序Reperter制作的不同加工单元操作下NFC比谢克幸瓜汁挥发性成分的3D动态图。图中X轴表示IMS迁移时间（单位：ms），Y轴表示保留时间（单位：s），左侧红色垂直线表示反应离子峰（Reaction ion peak，RIP）。RIP右侧每一点代表一种挥发性有机物，以蓝色为背景，通过颜色的变化反应挥发性化合物含量，浅蓝色为低含量，红色为高含量。由图可以看出，鲜榨、灭酶、均质、超声和灭菌5个加工单元操作对瓜汁中挥发性物质存在一定影响，部分化合物浓度呈升高或降低趋势，并有新化合物出现。总体而言，灭酶后瓜汁香气成分变化较为明显，出现了新的物质（图2c所示），但在后续其他的加工操作中变化不大，可能是因为灭酶的温度较高，在钝酶的同时促使瓜汁中挥发性物质发生了一定反应，使得部分化合物分解产生了新的化合物[16]。

图2 不同加工单元中NFC比谢克幸甜瓜汁挥发性物质的GC-IMS三维地形图Fig.2 3D topographic plots of Flavor Compounds in NFC Bisekxing melon juice in different processing units

2.2 不同加工关键单元NFC比谢克幸甜瓜汁挥发性成分的2D差异动态分析

利用GC-IMS技术得到的不同加工单元操作下NFC比谢克幸瓜汁挥发性物质的2D形态图（图3），可以直观比较不同加工单元操作NFC比谢克幸瓜汁风味物质的变化差异。并使用软件LAV，将图3中特征挥发性物质变化较显著的信号点转换为数据，直观区分不同加工单元操作下光谱点的变化。挥发性风味物质位于漂移时间8.00～14.00 ms，保留时间0～1100 s的地形图区域。当峰强度相同而漂移时间不同时，由于挥发性化合物浓度不同以及载气流量不同，使得同一种化合物被依次分离，从而产生一个或多个信号点，分别代表同一种挥发性化合物的单体、二聚体。可以看出，不同加工单元操作下NFC比谢克幸瓜汁GC-IMS谱图信息各不相同，从左到右依次为CK、鲜榨汁、灭酶汁、均质汁、超声汁、灭菌汁。

图3 中不同加工单元操作中同一字母标记处，信号点强弱不同，信号峰强度有明显改变，说明挥发性风味物质含量在不同的加工单元操作中存在一定的差异。a区域中，经灭酶处理后鲜榨瓜汁中的物质消失；b区域中出现了新的风味物质，同时部分风味物质含量降低；c区域中风味物质含量经灭酶环节后明显降低及消失，在后续均质、超声、灭菌环节后没有明显变化，d区域特征风味物质含量经灭酶处理后明显降低，在均质、超声、灭菌环节后没有明显改变。总体而言，瓜汁在经过灭酶处理后，在后续均质、超声、灭菌处理后特征风味物质含量变化不明显。这说明灭酶环节对NFC比谢克幸瓜汁中风味物质的影响相对较大，可通过指纹图谱进行不同加工关键单元操作后瓜汁中挥发性风味物质对比，从而进一步研究瓜汁中挥发性风味物质的变化情况。

图3 不同加工单元中NFC比谢克幸甜瓜汁挥发性物质的GC-IMS二维地形图Fig.3 2D topographic plots of Flavor Compounds in NFC Bisekxing melon juice in different processing units

2.3 不同加工关键单元NFC比谢克幸瓜汁挥发性化合物定性分析

通过软件GC-IMS library searcher 1.0.3中的数据库2014NIST对NFC比谢克幸瓜汁特征风味物质进行定性分析，以C4～C9六种正酮做标准曲线用于保留指数计算，通过离子迁移保留指数以及漂移时间，计算每种挥发性物质的保留指数，对挥发性风味物质进行了定性识别。如图4所示，其横坐标代表挥发性物质迁移时间，纵坐标代表挥发性物质保留时间，每一个数字代表一种定性出的挥发性风味物质。结果显示，NFC比谢克幸瓜汁挥发性风味物质共定性识别出61个（35种）挥发性物质，部分挥发性风味物质存在单体和二聚体，这种情况是由于在离子漂移到检测器的过程中，离子与漂移气体的分子逆流碰撞，且因为离子的大小形状不同而产生不同的漂移速度，导致不同漂移时间的离子被单独检测。同时当质子亲和力和及信号强度不同时，也会发生质子转移从而形成单体离子，而在较高的浓度下，也可能形成二聚体甚至多聚体，以及发生高度质子化的聚合物离子[17]。其中单体、二聚体的CAS号以及化学式均相同，仅物质形态不同。表1为样品中挥发性物质鉴定表，且图4中编号与表1中物质一一对应，并在表1对化合物中英文名称、CAS号、分子式、保留指数、保留时间以及漂移时间进行表示。结果显示NFC比谢克幸瓜汁中挥发性物质包括7种醛类，9种醇类，10种烃类，5种酮类，4种酯类。

图4 NFC比谢克幸瓜汁挥发性化合物信号峰位置点Fig.4 Signal peak location of volatile compound in NFC Bisekxing melon juice

表1 NFC比谢克幸瓜汁在不同关键加工单元操作的物质定性分析信息Table 1 The information on identified compounds of NFC Bisekxing melon juice under different processing units

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2.4 不同加工关键单元NFC比谢克幸瓜汁挥发性物质指纹图谱的差异分析

根据GC-IMS技术软件LAV中的插件程序Gallery Plot生成的不同加工关键单元操作NFC比谢克幸瓜汁风味物质指纹图谱（见图5），能够直观的观察比较不同加工关键单元操作风味物质的动态变化差异情况。图中每一行代表一个加工关键操作单元瓜汁样品中所含有的挥发性物质，每个加工单元重复三次，每一列是不同加工关键操作单元样品之间同一种挥发性物质的动态变化情况。其中图谱颜色由深至浅表示代表挥发性物质的含量由高到低。以图5为基础，选择瓜汁在鲜榨、灭酶、均质、超声、灭菌5个连续加工单元操作处理过程中峰强度值变化明显的8种特征标记物质，建立如图6所示的NFC比谢克幸瓜汁在不同加工关键单元操作的8种特征标记物质含量差异图。

图5 NFC比谢克幸瓜汁在不同加工单元操作的特征风味指纹图谱Fig.5 The gallery plots of NFC Bisekxing melon juice under different processing units

图6 NFC比谢克幸瓜汁在不同加工单元操作的8种特征标记物质含量差异图Fig.6 Differences in the content of 12 characteristic marker substances in different processing units of NFC Bisekxing melon juice

如图5所示，A区域中中共有21种挥发性物质（9种物质为二聚体），其中醛类4种，为辛醛、丙醛、正戊醛、己醛；醇类8种，为戊醇、乙醇、3-甲基-3-丁烯-1-醇、丙醇、叶醇、正己醇、正丁醇、2-己烯-1-醇；酯类3种，为乙酸乙酯、丙酸乙酯、乙酸异戊酯；酮类3种，为己酮、戊二酮、2-己酮；烃类2种，为苯、甲基三甲氧基硅烷。此21种挥发性物质在鲜榨、灭酶、均质、超声和灭菌5个瓜汁加工关键单元操作中一直存在且相对含量无明显变化，说明不同加工关键单元的处理对这些物质没有明显影响。

B区域中共有12种挥发性物质，其中醛类物质3种，为庚醛、正丁醛、正戊醛；醇类物质2种，为2,3-丁二醇(内消旋)、正己醇；酯类物质2种，为丙酸乙酯、乙酸异戊酯；酮类物质1种，为己酮；烃类物质4种，为异辛烷、甲基环己烯、二苯并[a,e]苯并菲、2-蒎烯。庚醛经过灭酶操作后，峰值强度从鲜榨汁中968.80/mV降低到827.27/mV，经均质、超声和灭菌处理后降至766.32/mV（图6），与鲜榨原汁相比，庚醛在灭酶等操作后峰值相比鲜榨汁下降了20.90%，庚醛具有不愉悦的脂肪味[16]，经灭酶等操作后发生了分解或转化，对于瓜汁因庚醛含量高而存在不愉悦脂肪味的特性有所改善[16]。正戊醛在鲜榨汁中峰值强度为677.54/mV，经灭酶操作处理后其峰值强度降低至45.36/mV，但在后续均质、超声与灭菌操作后没有明显改变，可能是瓜汁在灭酶环节加热作用下，醛类物质由于氧化降解从而产生交叉缩合反应[17]，使得正戊醛含量减少。正己醇具有新鲜的青草味[18]，其在鲜榨汁中峰值强度为914.84/mV经灭酶环节处理后峰值强度下降至458.20/mV，降低了49.91%，而经过均质环节处理后峰值强度下降至213.69/mV，与灭酶汁中正己醇峰值强度相比较下降了53.32%，在后续超声处理后峰值强度又上升了56.58%，瓜汁在灭酶、均质与超声处理后正己醇的峰值强度变化幅度相对较大，其中经过灭酶环节可能是由于热处理促进了醇类物质向酯类物质的转化[19]，而均质操作会使瓜汁中细胞破碎，导致挥发性物质在加工过程中产生损失，超声处理后正己醇峰值强度上升的原因可能是由于超声处理使得部分键合态物质被释放，从而产生新的游离态的芳香物质[20]。丙酸乙酯具有强烈的果香，是甜瓜中主要的风味物质，该物质在加工过程中峰值强度变化较小，说明此加工单元操作，对该风味物质有较好的保持作用。己酮在加工过程中含量变化较为明显，其在鲜榨汁中峰值强度为985.03/mV，灭酶后峰值强度降低至602.84/mV，下降了38.80%，这可能是由于瓜汁经灭酶后形成了内酯类化合物[21]，而超声后瓜汁峰值强度与均质后果汁中己酮峰值强度相比上升了8.61%，这可能是由于超声作用使得瓜汁中醇类物质氧化从而生成酮[16]。烃类物质异辛烷、甲基环己烯、二苯并[a,e]苯并菲、2-蒎烯在瓜汁灭酶处理后物质含量变化较为明显，其中异辛烷、甲基环己烯、二苯并[a,e]苯并菲物质含量经灭酶与均质处理后峰值强度有不同程度下降，且均质操作后这三种物质含量下降明显，这是由于均质操作可对瓜汁进行脱气，而脱气会在一定程度上导致瓜汁中芳香物质的损失[22]，2-蒎烯具有松木味，其在灭酶环节峰值强度下降了63.13%，并于后续加工操作中没有明显改变，可能是由于热处理对于β-蒎烯影响较大[23]。

C区域中共有11种物质，醛类物质5种，为庚醛、正丁醛、苯甲醛、正戊醛、己醛；醇类物质1种，为反式-2-已烯-1-醇；酯类物质2种，为己酸丙酯、乙酸异戊酯；酮类物质2种，为庚酮、环己酮；烃类物质1种，为柠檬烯。该区域中苯甲醛、乙酸丙酯及柠檬烯在加工过程中芳香物质含量变化最为明显，其中苯甲醛具有杏仁味，是果汁中一种挥发性异味物质，其在鲜榨汁中峰值强度为73.20/mV、灭酶汁中峰值强度为809.68/mV、均质汁中峰值强度为986.49/mV、超声汁中峰值强度为867.12/mV、灭菌汁中峰值强度为855.86/mV，根据峰值强度可见，苯甲醛在鲜榨汁中含量极低，经灭酶环节后陡增了90.96%，并于后续加工环节中变化并不明显，可能是由于经过灭酶环节加热后通过亮氨酸、苯丙氨酸等通过strecker降解反应产生[24]。乙酸丙酯具有果香，其在鲜榨汁中峰值强度为594.59/mV，该物质在瓜汁灭酶、均质操作后没有明显变化，在超声后含量增加了29.12%，这可能是由于超声环节使得瓜汁中的醇、醛类等物质转化为了酯类物质[20]。烃类物质柠檬烯具有柑橘味，其在鲜榨汁中峰值强度为677.54/mV，经灭酶操作后柠檬烯含量升高了16.87%，而在其它加工关键单元操作处理后没有明显改变。

鲜榨甜瓜汁中芳香物质基础主要为醛类和酯类组分[16]并且在NFC比谢克幸瓜汁加工操作过程中酯、醛类的变化最为显著。而使得瓜汁产生异味的成分较为复杂，主要来自于具有发酵、腐烂味的醛类等物质有关[25]，如本文中经加热处理后产生的挥发性异味成分苯甲醛，这同时说明可适当调整瓜汁灭酶、灭菌相关热处理操作参数，从而更好地保持瓜汁中主要呈香物质。因此，甜瓜加工后瓜汁中的异味不仅来自于原有芳香物质的消失，新生成的芳香物质对瓜汁整体香气具有很大影响[16]。其中主要呈香物质酯类具有“水果”香味，在香气浓郁的甜瓜果实中其挥发性具有主导性[26]，但不同的酯类物质性质不同，因此会出现酯类物质含量变化的情况[27]，本文中具有果香味的丙酸乙酯在加工中均质环节后发生了大量逸散，而同样具有果香的乙酸丙酯在瓜汁经过超声处理后促进醇、醛氧化成酯，使得乙酸丙酯瓜汁中含量明显上升，这与易俊杰[28]在苹果汁热处理过程质量变化的研究所得出的瓜汁中的醇类物质会被酯化为可挥发性酯，从而导致醇类物质含量降低的研究相符。因此，可适当调整瓜汁加工处理均质及超声处理参数，从而降低瓜汁中芳香物质的逸散情况。此外，加工过程中风味物质的变化也可能是加工单元操作使得不同种类风味物质之间发生了转化反应引起的，如醛类向醇类的转化以及醇类向酯类物质的转化等[29]。

综上所述，构成影响NFC比谢克幸瓜汁风味品质的最主要加工关键单元操作为灭酶环节，故瓜汁加工过程中应严格把控灭酶环节的加工参数，从而避免瓜汁中不愉快风味物质的形成。

2.5 不同加工关键单元NFC比谢克幸甜瓜汁挥发性物质主成分特征分析

依据图5构建的不同加工关键单元操作NFC比谢克幸瓜汁特征风味物质动态变化的离子迁移色谱指纹图谱，采用dynamic PCA plug-ins插件程序进行PCA处理，观察不同加工关键单元操作NFC比谢克幸瓜汁特征风味动态变化特征，更直观地分析不同加工关键单元操作NFC比谢克幸瓜汁的风味物质差异。图7中红色的点为鲜榨汁样品，绿色的点为灭酶汁样品，蓝色的点为均质汁、超声汁、灭菌汁样品。可看出主成分1和主成分2的贡献率之和达到了93%，鲜榨汁与灭酶汁样品特征风味物质可被明显区分，而均质、超声、灭菌样品特征风味物质差异不明显，部分样品间具有轻微折叠。综上可知，NFC比谢克幸瓜汁中的风味物质在不同加工关键单元操作下，组间和组内样品特征风味具有一定的差异，说明灭酶操作对NFC比谢克幸瓜汁风味有较大的影响，与前面指纹图谱所得到的结论一致，而结合指纹图谱以及峰值图可知，灭酶操作影响较大的物质包括乙酸异戊酯、正丁醇、苯甲醛等物质，说明这几种物质在灭酶操作处理中处于主导位置。

图7 NFC比谢克幸瓜汁在不同加工单元操作的特征风味物质PCA分析图Fig.7 PCA results for classification analysis of NFC Bisekxing melon juice under different processing units

3 结论

本研究采用NFC瓜汁加工工艺，使用GC-IMS技术对不同加工关键单元操作下NFC比谢克幸瓜汁中挥发性化合物进行有效的分离、检测，共鉴定出61个（35种）化合物，包括7种醛类，9种醇类，5种烯类，2种烷类，5种酮类，3种苯类，4种酯类。GC-IMS谱图以及PCA分析了连续加工关键单元操作下NFC比谢克幸瓜汁挥发性化合物的变化情况。结果发现，鲜榨汁中芳香物质丰富，主要呈香物质为醛类、酯类，其中灭酶与超声单元操作下瓜汁中挥发性物质含量变化相对明显。灭酶环节后果汁中醛类物质含量出现上升，如产生了具有苦杏仁味的新的挥发性异味成分苯甲醛，酯类物质含量出现了下降，如含有香蕉和梨子香气的乙酸异戊酯含量明显降低，超声环节后瓜汁含有果香的瓜汁主要呈香物质乙酸丙酯含量明显上升。在其他关键加工单元处理后果汁中风味物质存在一定变化，但影响较小。因此采用GC-IMS技术对NFC比谢克幸瓜汁加工过程中鲜榨、灭酶、均质、超声、灭菌环节进行风味物质进行分析，对NFC比谢克幸瓜汁的品质鉴别及加工操作具有一定的指导作用。