基于气相离子迁移谱的不同产地生姜挥发性有机物指纹图谱分析

郭家刚，杨 松，丁思年，伍玉菡，朱 倩，杜京京，江 舰,

（1.安徽省农业科学院农产品加工研究所，安徽 合肥 230031；2.安徽谷瑞农业科技开发有限公司，安徽 六安 231380）

生姜（Zingiber officinaleRoscoe）为姜科多年生草本植物根茎，具有独特的辛辣味，是传统的药食两用经济作物[1-3]。生姜中不仅含有蛋白质、维生素、膳食纤维等人体必需营养物质，而且富含挥发油、姜辣素、黄酮和多糖等多种生物活性成分[4]，具有消炎[5]、抑菌[6-8]、抗氧化[9-10]、抗癌[11]和预防肥胖[12]等作用，在食品、医药和化妆品等领域均有较高的应用价值[13-14]。我国生姜种质资源丰富，分布广泛，生姜栽培面积和出口量均位居世界第一[15]，且优质品种繁多，有云南小黄姜、铜陵白姜、莱芜片姜、舒城黄姜、遵义白姜等地方特色品种[16]。不同产地生姜品种，受地域差异、气候环境和生产条件的影响，生姜的品质和风味具有一定的差异。生姜的特征挥发性风味物质不仅是指导消费者采购的重要感官指标之一，而且是影响生姜品质和加工特性的重要因素，其成分及含量对生姜精深加工和综合利用起十分关键的作用[17]。因此，建立一种能够快速反映生姜风味品质并对其特征风味物质进行鉴别的分析方法，是目前生姜品质评价亟待解决的问题。

电子鼻、气相色谱-质谱联用、气相色谱-嗅闻技术是目前常用的挥发性物质分析方法，国内外学者运用这些技术手段在生姜挥发性成分研究方面取得了重要进展[18-22]。随着现代仪器分析技术的发展，新的技术手段被应用到挥发性物质分析，气相离子迁移谱（gas chromatography-ion mobility spectrometry，GC-IMS）是近年发展起来的一项分析技术，该技术将GC的高分离度与IMS的高灵敏度相结合，通过顶空进样分析固体或液体的顶空成分，可对目标化合物进行无损定性分析，因其具有操作简单、分析周期短、灵敏度高等优点，已经广泛应用于果蔬、肉类、乳品饮料等的产地溯源、品质评价、食品掺假[23-28]等领域，而将GC-IMS用于生姜挥发性风味物质的分析研究鲜见报道。

本研究以安徽铜陵、临泉和舒城的3 个不同主产地生姜品种为研究对象，采用GC-IMS技术结合相关性分析和主成分分析（principal component analysis，PCA）法对其特征风味进行测定与分析，构建安徽不同产地生姜特征风味物质GC-IMS库，以期确定不同产地、不同品种生姜特征风味物质，为生姜品质评价、产地溯源与加工品种的选育提供理论依据和参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

生姜分别采自安徽省3 个主产地，均为管理水平良好的基地，具体信息见表1，采收生姜成熟度一致，每个品种生姜样品采集后，由塑料包装袋包装并立即送至实验室，用去离子水洗去表面污浊物，在室温下风干，制浆后，置于－18 ℃冰箱密封贮藏，备用。

表1 不同产地生姜样品采集信息Table 1 Information about ginger samples from different regions

丁酮、2-戊酮、2-己酮、2-庚酮、2-辛酮、2-壬酮（均为分析纯） 北京国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

JYL-Y92高速破壁料理机 九阳股份有限公司；ME204电子显示天平 梅特勒-托利多（上海）仪器有限公司；Milli-Q去离子水发生器 美国Millipore公司；20 mL顶空进样瓶 上海安谱实验科技股份有限公司；Flavour Spec®GC-IMS联用仪（配有CTC PAL RSI自动顶空进样器） 德国G.A.S.mbH公司。

1.3 方法

1.3.1 样品处理

每个品种生姜样品经解冻、匀浆后，分别称取待测样各1.00 g置于20 mL顶空进样瓶中，密封后备用，每个生姜样品做3 个平行，用于GC-IMS分析。

1.3.2 GC-IMS测定条件

采用自动顶空进样方式；顶空孵化温度40 ℃；孵化时间15 min；孵化转速500 r/min；顶空进样针温度85 ℃；进样量500 μL，不分流模式；色谱柱FS-SE-54-CB-1柱（15 m×0.53 mm，1 μm）；柱温70 ℃；分析时间30 min；载气为高纯氮气（纯度≥99.999%）；柱流速初始为2 mL/min，保持2 min，2～10 min柱流速线性增加至10 mL/min，10～20 min柱流速线性增加至100 mL/min，20～30 min柱流速线性增加至130 mL/min；漂移管温度45 ℃；飘逸气为高纯氮气（纯度≥99.999%）；飘逸气体流速150 mL/min；IMS检测器温度45 ℃。

1.4 数据处理

采用仪器配置的LAV（Laboratory Analytical Viewer）分析软件，根据保留时间和迁移时间，与GCIMS Library Search软件内置的NIST数据库和IMS数据库比对进行特征风味物质定性分析，并使用正酮C4～C9（2-丁酮、2-戊酮、2-己酮、2-庚酮、2-辛酮、2-壬酮）计算保留指数（retention index，RI），作为外标对鉴定结果进行验证，RI按下式计算：

式中：tx为化合物x的保留时间/s；tn和tn＋1分别为正酮n和正酮n＋1的保留时间/s（tn＜tx＜tn＋1）。

Reporter和Gallery插件程序构建挥发性有机物的差异图谱和指纹图谱；Dynamic PCA plug-ins插件程序进行相似度分析与PCA。采用软件Excel对数据进行处理，化合物含量为归一化后的相对峰体积，采用Origin 9.0软件进行统计分析与作图。

2 结果与分析

2.1 不同产地生姜挥发性物质差异对比

采用GC-IMS仪器LAV分析软件中的Reporter插件程序对不同产地生姜挥发性成分进行三维对比，结果见图1。红色垂直线表示反应离子峰。反应离子峰两侧的每一个点代表一种挥发性成分，以点的颜色和面积表示挥发性成分含量大小，点的颜色越深、面积越大表示该物质含量越高，红色点表示物质含量较高，而白色点表示含量较低，图1可以直观比较不同产品生姜的挥发性成分差异。

图1 不同产地生姜挥发性成分三维GC-IMS分析谱图Fig.1 Three-dimensional GC-IMS spectra of characteristic flavor compounds in ginger samples from different regions

如图2所示，3 个不同产地生姜挥发性成分可以通过GC-IMS技术得到较好分离检测，不同产地生姜之间挥发性物质的组成差别不大，对于具有相同保留时间和迁移时间的挥发性物质（同一化合物），不同产地生姜的含量存在较大差异，具有各自不同的特征谱信息。图中方框区域的挥发性成分在不同产地生姜中含量差异较大，其中红色区域内挥发性成分在铜陵生姜中含量较高，在舒城生姜中含量相对较低；而黄色区域内的挥发性成分在舒城生姜中含量相对较高，在其他产地生姜中含量较低。

图2 不同产地生姜挥发性成分二维GC-IMS分析谱图Fig.2 Two-dimensional GC-IMS spectra of characteristic flavor compounds in ginger samples from different regions

2.2 生姜挥发性风味成分GC-IMS定性分析

通过比较不同产地生姜挥发性风味成分的保留时间和迁移时间，使用外标正酮C4～C9作为参考，计算挥发性物质的RI，并利用GC-IMS中Library Search内置的NIST 2014数据库和IMS迁移时间数据库进行匹配，从而对挥发性风味物质进行定性分析。3 个产地生姜样品共检出挥发性物质96种，根据数据库定性分析后，可以定性检出60种挥发性风味物质，如表2所示，主要包括萜烯类14种、醛类16种、醇类9种、酯类8种、酮类6种、酸类4种、醚类2种、吡嗪类1种，其中有些化合物同时检测出了单体和二聚体，甚至三聚体和多聚体。

表2 不同产地生姜特征风味物质定性分析Table 2 Qualitative analysis of characteristic flavor compounds in ginger samples from different regions

续表2

3 个产地生姜中挥发性风味物质种类基本一致，但不同种类化合物所占比例略有区别。通过峰体积归一化法测得铜陵生姜中萜烯类占34.95%，酸类占26.07%，酯类占15.24%，醛类占11.62%，醇类占5.17%，酮类占2.87%，醚类占4.00%，吡嗪类占0.07%；临泉生姜中萜烯类占34.76%，酸类占24.47%，酯类占14.39%，醛类占12.14%，醇类占5.21%，酮类占3.96%，醚类占5.01%，吡嗪类占0.07%；舒城生姜中萜烯类占34.86%，酸类占27.26%，酯类占9.45%，醛类占14.91%，醇类占5.42%，酮类占4.61%，醚类占3.38%，吡嗪类占0.11%。金合欢烯是生姜中重要的萜烯类风味物质，有花香并伴有香脂香气[29-30]，约占萜烯类化合物的50%以上，其在3 个产地生姜中的含量无显著性差异，其中铜陵生姜中相对含量为14.28%，临泉生姜为14.94%，舒城生姜为14.57%。

2.3 不同产地生姜特征风味GC-IMS指纹图谱分析

不同产地、品种生姜特征风味指纹图谱的构建可为生姜品质评价和产地溯源提供有效手段。为进一步分析比较不同产地生姜样品之间挥发性风味化合物之间的差异，采用LAV分析软件中Reporter和Gallery Plot插件构建不同产地生姜特征挥发性成分的指纹图谱，以识别不同产地生姜的特征峰区域。

由图3可知，不同产地生姜的挥发性风味化合物分布不同，各自有特征峰区域，同时也存在共同区域。a区域为铜陵生姜的特征风味物质区域，包括乙酸异戊酯、乙酸龙脑酯、月桂烯等物质。b区域为临泉生姜的特征风味物质区域，包括1-己醇、2-己烯醇、香茅醇、庚醛、壬醛、2-庚酮、2-壬酮、丁酸戊酯、3,4-二甲基苯甲醚等物质。c区域为舒城生姜的特征风味物质区域，包括芳樟醇、乙醇、柠檬醛、(E)-2-辛烯醛、戊醛、苯甲醛、乙酸乙酯、己酸丙酯、辛酸、2-乙酰基呋喃、甲基吡嗪、丙酮等物质。d区域为铜陵生姜、临泉生姜和舒城生姜的共同风味物质区域，包括金合欢烯、(E)-2-癸烯酸、α-萜品醇、桉树醇、α-甲基苄醇、2-甲基-1-丙醇、莰烯、α-蒎烯、β-蒎烯、(E)-2,4-辛二烯醛、(E)-2,4-庚二烯醛、正己醛、丁基硫醚、己酸等物质。

图3 不同产地生姜挥发性成分指纹图谱Fig.3 Fingerprints of volatile components of ginger from different production areas

2.4 不同产地生姜相似度与PCA

采用LAV软件对不同产地生姜的挥发性成分进行相似度分析，结果见表3。同一产地生姜的各平行样品之间挥发性风味物质的相似度都在94%以上。铜陵生姜和临泉生姜样品挥发性成分的相似度为84%～90%，铜陵生姜与舒城生姜样品挥发性成分的相似度为70%～76%，临泉生姜和舒城生姜样品挥发性成分的相似度为71%～75%。由此可知，铜陵生姜和临泉生姜样品之间的挥发性风味物质之间的差异较小，而舒城生姜与铜陵生姜、临泉生姜之间的挥发性风味物质均存在较大差异。

表3 不同产地生姜挥发性风味物质的相似度Table 3 Similarity of volatile flavor components in ginger from different regions%

PCA可以简化数据并揭示变量间的相互关系，其作为一种多元统计分析技术已广泛应用于果蔬品质差异分析[31]。根据不同产地生姜挥发性风味物质离子迁移指纹图谱和特征峰图，采用Dynamic PCA plug-ins软件进行PCA处理，可以更直观地判别区分不同产地生姜。由图4可知，PC1贡献率为62%，PC2贡献率为25%，PC1和PC2的累计贡献率为87%，表明PC1、PC2总贡献率包含了生姜样品的大部分信息，能代表生姜样品挥发性风味的主要特征。从图4可以看出，舒城生姜和铜陵生姜距离最远，表明这2种生姜之间的风味存在较大差异，而铜陵生姜和临泉生姜距离较近，表明这2种生姜之间的风味差异较小。PCA结果表明，GC-IMS分析结果能够较好地判别和区分不同产地（铜陵、临泉、舒城）的生姜。

图4 不同产地生姜PCA图Fig.4 Principal component analysis of ginger samples from different regions

3 结 论

本研究采用GC-IMS分析技术检测铜陵生姜、临泉生姜和舒城生姜3 个安徽不同产地生姜的挥发性风味物质，共鉴定出60种化合物，主要包括萜烯类、醛类、酸类、醇类、酯类等成分。通过构建生姜GC-IMS风味指纹图谱，明确了安徽不同产地生姜的特征风味物质。利用相关性和PCA处理，不同产地生姜样品得到了较好区分。GC-IMS分析技术具有简单、快速、无损等优点，可为生姜挥发性风味物质分析及不同产地、不同品种生姜的风味鉴别和品质评价提供理论依据和技术支持。