猕猴桃品质指标差异分析及GC-IMS分析果汁中挥发性物质

付 勋，张海彬，聂青玉，冯婷婷，刘 丹，张 艳，李 翔

（1.重庆三峡职业学院，重庆 404155；2.重庆市农产品质量安全中心，重庆 400070）

猕猴桃，又称奇异果，俗称羊桃，猕猴桃科猕猴桃属落叶藤本株。猕猴桃富含糖、酸、黄酮及酚类等多种营养物质成分，其中VC含量较大部分水果高，作为天然可食营养物质具有重要作用。目前，猕猴桃主要有绿心、黄心和红心3 个品种，其中红心品种最少，且价格相对较高。猕猴桃果肉横切面为以中轴为中心呈放射状生长，色泽鲜美，口感极佳。相关研究表明，果实的品质受品种、环境气候等因素影响。目前对猕猴桃果实品质特征分析主要比较达到一定成熟度果实的外观（单果质量、横纵径等）、出汁率、可溶性固形物、总糖、可滴定酸、VC及总酚等含量，再通过模糊数学综合评判、主成分分析（principal component analysis，PCA）、聚类分析等进行综合评价，但结合分析果汁挥发性成分，综合比较果实品质差异鲜见相关研究。果汁挥发性物质分析常规方法有气相色谱-质谱技术、顶空固相微萃取法并结合气相色谱-质谱技术等，近年来应用顶空气相色谱离子迁移谱（gas chromatography-ion mobility spectrometry，GC-IMS）技术测定果蔬、肉制品及酒类等挥发性成分有相关报道。本研究以3 个红心猕猴桃品种（红阳、东红和万州红心）、一个黄心猕猴桃品种（金艳）为研究对象，通过比较果实外观指标及主要品质指标，同时采用GC-IMS对果汁挥发性成分分析，通过PCA法、指纹图谱、聚类分析等方法分析不同品种挥发性物质特征差异及相似度，综合比较果实品质差异性，为果实的深加工提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

金艳、红阳、东红及万州红心共4 个猕猴桃品种，其中红阳、东红及万州红心为红心品种，金艳为黄心品种；均为市购。

没食子酸（分析纯） 天津市致远化学试剂有限公司；福林-酚试剂 上海国药集团化学试剂有限公司；无水乙醇、草酸、抗坏血酸、酚酞、邻苯二甲酸氢钾、碳酸钠、硝酸铝、亚硝酸钠、氢氧化钠、2,6-二氯酚靛酚、钨酸钠、磷钼酸、HPO、NaCO均为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

榨汁机 九阳股份有限公司；CP-214电子天平奥豪斯仪器（上海）有限公司；PUS-3C pH计 上海仪电科学仪器股份有限公司；2WAJ阿贝折光仪 上海光学仪器厂；B-220恒温水浴锅 上海亚荣生化仪器厂；GNP-9160BS-III隔水式电热恒温培养箱 上海圣科仪器设备有限公司；FlavourSpec® GC-IMS联用仪 德国G.A.S.公司。

1.3 方法

1.3.1 样品采集及保存

所有品种样品检查，去除坏果、异型果，放入冷库进行贮藏（4 ℃），所有品种提前取出，自然放置至果实成熟（果肉硬度：1.0～1.5 kg/cm）时测定各指标。

1.3.2 猕猴桃各品质指标测定

外观、果肉及果心描述：参照张维等方法对果实外观形状及内部横切面形态进行描述；单果质量：采用电子天平称质量，随机挑选20 颗果实称质量，求平均值；果形指数：采用游标卡尺测20 颗果实横径、纵径，果形指数=果实纵径/果实横径；出汁率：随机挑取5 颗果实，去皮、果汁机破碎，无菌纱布过滤出果汁称质量，测定其出汁率；可溶性固形物、总糖、pH值、可滴定酸、VC含量测定，参照文献[17]方法测定；总酚含量：采用Folin-Ciocalteu分光光度测定；黄酮含量：采用Al(NO)-NaNO-NaOH显色法测定；花色苷含量：采用pH示差法；单宁含量：参照NY/T 1600—2008《水果、蔬菜及其制品中单宁含量的测定 分光光度法》测定。

1.3.3 猕猴桃中挥发性物质分析测定

采用GC-IMS联用技术测定，取无菌纱布过滤后的果汁2 g，置于20 mL顶空瓶中，40 ℃孵育15 min后进样700 μL。

GC-IMS条件：分析时间20 min，MXT-5色谱柱（15 m×0.53 mm），柱温60 ℃，载气/漂移气为N，IMS温度45 ℃。

自动顶空进样条件：进样体积700 μL，孵育时间15 min，孵育温度40 ℃，进样针温度85 ℃，孵化转速500 r/min。

不同猕猴桃样品中挥发性物质分析：采用FlavourSpec®风味分析仪配套的VOCal软件内置的NIST2014数据库和IMS数据库对物质定性分析；通过Reporter插件对比样品之间的谱图差异（二维俯视图、三维谱图和差异谱图）；通过Gallery Plot插件指纹图谱对比，定量比较不同样品间挥发性有机物差异；通过Dynamic PCA插件（动态PCA和相似度分析图），用于样品聚类分析和相似度分析；通过“最近邻”指纹分析，计算样本间的欧式距离，检索最小距离找到“最近邻”，观察与更远的群体相比，相对紧密的群体测量结果。

1.4 数据处理

采用SPSS 23.0数据处理软件，对猕猴桃指标进行PCA和样品聚类分析。数据标准化后，以猕猴桃检测指标相对含量矩阵为数据进行分析，得到PC的特征根值和特征向量。以猕猴桃指标累计贡献率大于85%，确定PC个数以及各PC中因子。根据PC特征向量和方差贡献率得出猕猴桃果实指标综合评价模型，计算出不同品种猕猴桃综合得分，同时结合聚类分析对4 个猕猴桃品种进行分类。采用Origin Pro 2021软件进行绘图，对数据进行PCA与聚类分析。

2 结果与分析

2.1 猕猴桃果实品质分析

2.1.1 不同品种猕猴桃感官品质分析猕猴桃外观形态和内部结构的鉴别主要从形状、绒毛、色泽等进行外部鉴别，从色泽、果心柱及籽等结构进行品种区分，从图1和表1可看出，金艳较易区别，外观形状近椭圆、脐部稍尖，其余3 个品种形状相似，都为近椭圆；外观色泽上，金艳为黄褐色，与其他3 个品种存在明显差异，东红在色泽上较另2 个品种深；4 个品种均有细短、密集绒毛，差异不明显；果心内部结构上，3 个红心品种中，万州红心猕猴桃红心分布区域较宽，颜色较深；4 个品种中，果心柱存在明显区别，金艳呈近圆形，东红为近三角分布，红阳为细长形，万州红心猕猴桃为近椭圆状，且4 个品种均以果心柱为中心呈放射状，红心品种较黄心品种籽多。

图1 不同品种猕猴桃外观及内部形态比较Fig.1 Observation of appearance and cross-section of different varieties of kiwifruit

表1 不同品种猕猴桃形态比较Table 1 Comparison of appearance,cross-sectional morphology,and fruit traits of different varieties of kiwifruit

2.1.2 不同品种猕猴桃品质分析

精选红阳、金艳、万州红心及东红4 个品种，在相同实验条件下，对比不同品种的出汁率、可溶性固形物、总糖、pH值、可滴定酸及果肉色泽等指标，由表2可知，4 个品种各品质间的差异显著性，金艳出汁率最高，但东红、金艳及万州红心品种出汁率差异不大，红阳出汁率最低，果酒酿造过程中，果汁的出汁率对果酒酿造过程中出酒量等具有重要影响，可通过酶解等措施进一步优化工艺条件；其次，4 个品种可溶性固形物质量分数为10.30%～15.94%，总糖质量浓度为90.36～103.26 g/L，其中以红心品种含量较高，红心品种中，万州红心猕猴桃含量最高，水果含糖量是另一影响果酒酿造的重要条件，是酵母代谢的重要碳源，发酵产生酒精及能量物质等，同时也是形成果酒中风味物质的前体；4 个品种pH值在3.40～3.82之间，可滴定酸质量分数为0.73%～0.91%，4 个品种中，红心品种可滴定酸较黄心品种略低，但差异不明显，酸类物质是果酒中酯类形成的前体，也是形成果酒风味的重要物质；4 个品种，万州红心VC含量达到81.37 mg/100 g，远高于其他3 个品种，黄心品种VC较红心品种低。4 个品种总酚含量为90.25～181.62 mg/100 g，花色苷含量为16.13～71.70 mg/kg，均为万州红心含量最高，金艳含量最低；黄酮含量为46.07～71.20 mg/100 g，万州红心含量较高，东红含量较低；单宁含量为70.76～101.02 mg/100 g，金艳含量最高，万州红心和东红含量相对较低，但差异不显著。

表2 不同品种猕猴桃品质指标比较Table 2 Comparison of physicochemical properties of different varieties of kiwifruit

2.2 猕猴桃果实指标PCA

2.2.1 猕猴桃果实指标数据标准化

猕猴桃测定的总酚等12 个指标单位及量程的差异，需对12 个指标原始数据进行标准化处理，采用SPSS对果实各项测定指标进行标准化处理，数据见表3，标准化处理后得数据可进行PCA和聚类分析。

表3 猕猴桃果实指标标准化数据Table 3 Standardized data for quality indexes of kiwifruit

2.2.2 PCA结果

由表4可知，特征值大于1的PC有2 个，这2 个PC的累计方差贡献率达到93.483%，故选取前2 个PC，可反映4 种猕猴桃果实指标的大部分信息。

表4 方差贡献率Table 4 Contribution rates to total variance of principal components

由图2A可知，红阳和万州红心在PC1上较接近，东红和万州红心在PC2上较接近，金艳在PC1和PC2上与东红、红阳和万州红心3 个品种距离较远。因此，金艳与其他3 个品种可分为2 类。由图2B可知，单果质量、可滴定酸、单宁、果型指数、可溶性固形物、花色苷、总糖、VC、pH值、总酚等在PC1上具有较高的载荷，说明其相关性较高。在PC2上，出汁率指标具有较高载荷，说明PC2主要受该指标影响。因此，以红阳、东红和万州红心因其花色苷、VC、总酚等相对含量较高的品种分为一类，以单宁含量相对较高的金艳品种分为一类。

图2 猕猴桃果实PC分类图（A）和指标载荷矩阵图（B）Fig.2 PCA plot showing classification of different varieties of kiwifruit (A) and loading plot of quality indexes of kiwifruit (B)

由表5可知，PC1中对果实产生正向影响的有总糖、pH值、VC、总酚和花色苷。其中，载荷数较大的有总酚、VC、pH值和总糖，数值分别为1.000、0.992、0.980、0.900。因为总酚、VC和花色苷等都属于抗氧化性物质，因此PC1含量高的猕猴桃品种具有极强的抗氧化特性。载荷较高但对PC1产生负向影响的指标有可滴定酸、单果质量、果形指数和单宁，数值分别为－0.997、－0.951、－0.946、－0.890。

表5 猕猴桃果实指标的PC载荷矩阵Table 5 Principal component loading matrix of quality indexes of kiwifruit

对PC2产生正向影响的指标为猕猴桃出汁率，载荷数为0.870。含糖量和出汁率等都是影响果酒等发酵的重要因素，可选择糖分及出汁率相对较高品种用于果酒发酵。

2.2.3 4 种猕猴桃果实综合评价

通过求特征向量系数值构建两个PC的函数表达式，可得2 个函数表达式：

=－0.129＋0.273＋0.296＋0.322＋0.326＋0.329＋0.279＋0.197－0.292－0.313－0.311－0.328

=0.622＋0.324＋0.309－0.143－0.032－0.021＋0.302－0.474－0.031＋0.216－0.156＋0.053

式中：、分别代表PC1、PC2的特征向量权重值；为结合型出汁率、为可溶性固形物、为总糖、为pH值、为VC、为总酚、为花色苷、为黄酮、为单宁、为单果质量、为果形指数、为可滴定酸。由方差贡献率和PC函数表达式可得到综合评价函数可得：=0.77＋0.16。

根据PC综合评价函数值可知4 个品种猕猴桃的综合得分和排序结果见表6，综合得分在前3 位的猕猴桃是万州红心、红阳和东红，为3 个红心猕猴桃品种。

表6 不同品种猕猴桃PCA综合得分Table 6 Scores of principal components of different kiwifruit varieties

2.2.4 4 种猕猴桃品种聚类分析

对4 个猕猴桃品种各项品质指标进行聚类分析，结果如图3所示。黄酮、总酚、VC、pH值、花色苷、总糖及可溶性固形物指标先聚为1类。其中总酚和VC、pH值、可溶性固形物和总糖、花色苷首先聚为1类，再与黄酮聚为1类，能先聚集在一起的指标之间相关性较强，其中黄酮、总酚、VC及花色苷等都是猕猴桃中重要的抗氧化成分。4 个猕猴桃品种聚类2类，其中东红、万州红心和红阳聚为1类，金艳聚为1类，这一结果与PCA结果较一致。

图3 不同猕猴桃品种各品质指标聚类热图Fig.3 Clustering heat map for quality indexes of four different varieties of kiwifruit

2.3 不同品种猕猴桃中挥发性物质成分分析

由图4可知，1.0处为反应离子峰，峰两侧每个点表示1 种挥发性物质，颜色深浅表示物质含量高低；4 个不同品种猕猴桃果汁样品挥发性组分采用GC-IMS技术分离效果较好，且不同样品之间特征风味物质种类和含量差异明显。由图5可知，为了便于比较不同猕猴桃品种中挥发性物质含量差异，选取1#红阳为参比，其余3 个样品图谱为扣除参比，扣除后背景为白色，图中红色表示物质浓度高于1#，蓝色越深则反之。其中2#样品红色、蓝色部分均较少，说明2#样品部分挥发性物质高于1#样，同时也含有较少部分风味物质较低；3#、4#样品红色部分明显较多，说明样品中存在较多风味物质高于1#样品，风味物质成分特征较为突出。

图4 不同品种猕猴桃中挥发性物质成分Fig.4 GC-IMS spectra of volatile substances in different varieties of kiwifruit

图5 不同品种猕猴桃中挥发性物质成分差异Fig.5 Differential volatile compounds among different kiwifruit varieties

2.4 不同品种猕猴桃中挥发性物质定性分析

根据猕猴桃果汁种挥发性成分的气相色谱保留时间和IMS迁移时间，以C～C正酮作为外标参考，计算每种化合物的保留指数，对照NIST2014数据库和IMS数据库定性对果汁种挥发性成分定性分析，如图6所示，由于NIST2014数据库和IMS数据库不段完善中，可定性的猕猴桃中主要挥发性成分含单体及二聚体物质共55 种，图谱中部分挥发性物质见表7，定性结果可知，4 个不同品种猕猴桃中共检测出的部分挥发性物质有醛类25 种，酯类13 种，醇、烯、酮类物质各3 种，呋喃类2 种，吡嗪、酸类各1 种。其中，能体现出猕猴桃等水果等特征香味的己酸乙酯、乙酸异戊酯、乙酸异丁酯、丙酸乙酯、甲酸乙酯、丁酸乙酯等挥发性物质均检测出，图5中相应成分位点颜色深浅可明确成分含量差异。

图6 猕猴桃挥发性成分定性分析Fig.6 Qualitative analysis of volatile compounds of kiwifruit

表7 猕猴桃中部分挥发性物质定性结果Table 7 Results of qualitative analysis of volatile compounds of kiwifruit

续表7

2.5 不同品种猕猴桃中挥发性物质Gallery Plot指纹谱图分析

为了更直观比较不同猕猴桃样品、不同阶段中挥发性物质的变化规律及相对含量差异，每个样品重复3 次测定，采用Gallery Plot绘制挥发性物质指纹谱图，图中颜色深浅反映挥发性成分含量差异。由图7可看出，不同品种之间的差异较大，红框所示物质在各自样本中含量相对较高。其中，具有香气成分的有，乙酸乙酯（类似水果香味）、()-2-戊烯醛、己醛（类似于刚切好的草）等挥发性物质为4 个品种共同含有且含量接近。东红品种中，2-甲基丁醛（稀释后有独特的可可和咖啡样的香气，甜的、微带水果味的、巧克力样的风味）、3-甲基丁醛（干酪香气和切草的青香味）、乙酸异戊酯（有香蕉气味）、乙酸异丁酯（有梨似的果香香气以及风信子和玫瑰样的花香香气）等含量最高，萜类物质含量相对较高，包括1,8-桉叶素（有樟脑气息和清凉的草药味道）、柠檬烯（有类似柠檬的香味）、-松油烯（柑橘香味）等，以及蒎烯（有松木、针叶及树脂样的气息）和-蒎烯（松节油香气，干燥木材和松脂气味）。红阳品种中，水杨酸甲酯、壬醛（具有玫瑰、柑橘等香气）、辛醛（有很强的水果香味）、己酸乙酯（有菠萝果香气）、丙酸乙酯（有菠萝香味）、丁酸乙酯（强烈的甜果香，有菠萝、香蕉、苹果气息）等含量较高；万州红心中，挥发性物质最多，其中乙酸甲酯（具有芳香味）、2-乙基呋喃、2-戊基呋喃、苯甲醛（具有苦杏仁、樱桃及坚果香）、二戊烯、1,8-桉叶素（清凉的草药味道）、2-辛烯醛、2-壬烯醛（黄瓜清香气味）等物质较其他品种含量高。

图7 不同品种猕猴桃Gallery Plot指纹谱图Fig.7 Gallery Plot fingerprints of different varieties of kiwifruit

2.6 不同品种猕猴桃中挥发性物质聚类分析

采用Dynamic PCA对不同猕猴桃样品挥发性成分进行动态PC和相似度分析。由图8可知，降维后前2 个PC累计贡献率为87%，能够较好表征原始数据的特征。

图8 不同品种猕猴桃PCAFig.8 PCA plot of different cultivars of kiwifruit

不同猕猴桃样品间距离很远，平行样间距离紧密，不同品种的样品特征差异明显，与指纹谱图结果一致，可通过PCA对不用样品区分。从图9可看出，猕猴桃品评平行性很好，聚类清晰，金艳和万州红心品种间的欧式距离最远，相似度最低；红阳、东红和万州红心3 个品种相对集中。因此，研究表明通过猕猴桃品质指标对样品进行聚类与通过猕猴桃挥发性成分聚类结果一致。

图9 不同品种猕猴桃间欧式距离Fig.9 Euclidean distance between different kiwifruit varieties

3 结论

通过对金艳、红阳、东红及万州红心4 种猕猴桃的主要感官、品质指标及果汁挥发性物质成分含量进行分析，研究表明，万州红心在总糖、VC、花色苷及总酚含量相对较高、金艳品种中单宁含量较高。4 个样品聚集为两类，其中黄心品种金艳聚为1 类，红心品种红阳、东红和万州红心聚类为1 类，PCA和聚类分析结果一致；采用GC-IMS技术测定4 个品种中挥发性物质成分，并结合PCA及聚类分析，研究表明，指纹图谱显示4 个品种中，万州红心品种挥发性物质成分特征显著，其中乙酸甲酯、苯甲醛、二戊烯、1,8-桉叶素、2-辛烯醛、2-壬烯醛等物质较其他品种含量高，通过猕猴桃果汁挥发性物质成分进行PCA与聚类分析结果与前者分类结果一致。研究为消费者在猕猴桃营养及风味物质成分选择上提高参考，为猕猴桃产品的开发等提供理论基础。