七种榴莲成熟期采后品质及挥发性气味分析

陈东杰,李惠生,隋青,员艳苓,张玉华*,段宇芃,孙崇德

1(国家农产品现代物流工程技术研究中心,山东 济南,250103) 2(山东商业职业技术技术学院,山东省农产品贮运保鲜技术重点实验室,山东 济南,250103) 3(山东碧泉环境工程技术有限公司,山东 德州,251100)4(浙江大学,农业与生物技术学院,浙江 杭州,310027)

榴莲(DuriozibethinusL.)是一种可食用的热带水果,其果肉富含膳食纤维、维生素、矿物质等营养成分,被称为“水果之王”[1-2],深受国内外消费者喜爱。榴莲因含酯类、醇类、醛类、酮类、酸类及含硫挥发性有机物[3-5],致使榴莲具有独特风味。不同品种榴莲因含有挥发性有机物(volatile organic compounds,VOCs)不同,气味也不同[6-7]。

常用的挥发性物质分析方法有GC-MS、电子鼻技术、气相离子迁移谱色谱技术(gas chromatography-ion mobility spectrometry,GC-IMS)等[8-11]。GC-MS需专业人员操作[12]。电子鼻技术及GC-IMS检测操作简单,无需前处理及破坏样品,且可快速获得检测结果[13-16]。目前电子鼻技术及GC-IMS在区分不同水果品种及产地开展深入研究[17-18]。但鲜有研究报道榴莲品种之间风味及VOCs差异。

因受榴莲种植环境气候等限制,国内尚未成规模种植,国内的榴莲几乎全部需要进口[19]。市场上不同品种的榴莲及不同产地榴莲价格差异较大,比如黑刺榴莲因其种植条件苛刻,产量低,其价格远高于其他品种。目前鉴别榴莲产地及品种的方法主要依靠从事榴莲行业的专业人士的感官,由于很多品种榴莲外观相近,一般消费者无法区分,导致某些不良进口商家以假乱真,混淆榴莲品种以获得高额利润。

鉴于国内对榴莲品种鉴别及榴莲的挥发性物质研究较少,本文采用电子鼻技术及GC-IMS结合化学计量学分析[主成分分析(principal component analysis,PCA)、线性判别分析(linear discriminant analysis,LDA)、最近相邻法]对常见7种榴莲品种风味进行区别,将不同榴莲VOCs成分以可视化数据的形式展示,为榴莲的挥发性物质研究及快速判别提供参考数据。同时,本文对7种榴莲品种的果实硬度、糖度、可溶性蛋白质含量等营养成分等进行评价,为开展国内榴莲新品种引进及商业种植及本土化杂交育种提供支持。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

供试榴莲D13朱雀、D24苏丹王、D197猫山王、D198金凤、D201江海、D200黑刺、D159金枕由济南某大型超市提供,采摘地为马来西亚产区,成熟期采摘,液氮冷冻保存。

26-二氯靛酚、偏磷酸、草酸、碳酸氢钠、氢氧化钠、3,5-二硝基水杨酸、酒石酸钠、亚铁氰化钾、乙酸锌、葡萄糖、甲基红指示剂、盐酸、亚硝酸钠、苯酚、冰乙酸、乙醇、酚酞、考马斯亮蓝等,均为分析纯,国药集团。

1.2 仪器与设备

F6/10-104-S组织破碎机,上海弗鲁克流体机械制造有限公司;EL204-IC电子天平,梅特勒-托利多仪器有限公司;Atago数显糖度计,爱宕(ATAGO)科学仪器有限公司;T9紫外可见分光光度计,北京普析通用仪器有限责任公司;FOX4000电子鼻,法国Alpha MOS公司;FlavourSpec 1H1-00053型气相色谱离子迁移谱,德国G.A.S.公司;CTC-PAL 自动进样装置,瑞士CTCAnalytics AG公司;CLOT毛细管柱 30 m×0.25 mm×0.50 μm,德国CS Chromatographie Service GmbH公司;77-1型磁力搅拌器,天津赛得利斯仪器仪表有限公司;TMS-PRO,美国FTC公司。

1.3 实验方法

1.3.1 可溶性固形物含量测定

取少许榴莲果肉,放在两层用纱布,后用力挤两滴在数显糖度计上,记录读数,测定5次,取平均值为榴莲的可溶性固形物含量值。

1.3.2 维生素C含量测定

维生素C测定采用曹健康等[20]方法进行测定,精确称取5 g样品,加0.2 mol/L草酸均质后定容,取滤液20 mL滴定,3次重复。

1.3.3 硬度测定

采用TA5探头在质构仪上进行全质构测试。沿着标记区域进行测试,设置测前速率120 mm/s;测中及测后速率120 mm/s;压缩程度10%,起始力0.75 N。得到评价榴莲果肉状况硬度特征曲线,其参数包括硬度。硬度是以双峰曲线第1个峰的最大值表示(N);测定3次,取平均值。

1.3.4 可溶性蛋白质含量测定

可溶性蛋白质含量测定采用考马斯亮蓝法对榴莲可溶性蛋白质含量进行测定[20]。

1.3.5 总酸的测定

按照GB 12456—2021《食品安全国家标准 食品中总酸的测定》中酸碱指示法测定。

1.3.6 电子鼻的测定

使用Fox4000传感器进行电子鼻分析阵列指纹分析仪,包含18金属氧化物半导体。各传感器响应敏感特性:LY2/LG、P40/1、P40/2、T40/2、T40/1对氧化能力较强的气体灵敏;LY2/G、LY2/GH、LY2/gCTL对有毒气体灵敏;LY2/AA、T30/1、P30/2、TA/2对有机化合物灵敏;LY2/gCT、P10/2对易燃气体灵敏;P10/1对可燃气体灵敏;T70/2对芳香族化合物灵敏;PA/2对有机化合物、有毒气体灵敏;P30/1对可燃气体、有机化合物灵敏。

电子鼻测定参数:称取2.0 g榴莲样品装入10 mL 样品瓶,每种榴莲样品采集5个平行样品。采集时间180 s,数据采集周期1.0 s,数据采集延迟1 080 s,流速150 mL/min,进样量500 μL,注射速率500 μL/s,孵化期120 s,孵化温度40 ℃,清洗时间400 s,注射器温度50 ℃,填充速率500 μL/s。

1.3.7 GC-IMS测定条件

顶空孵化温度45 ℃;孵化时间10.0 min;加热方式:振荡加热;顶空进样针温度50 ℃;进样量500.0 μL,不分流模式;载气:高纯氮气(纯度≥99.999%,推断和清洗进样针);清洗时间0.50 min。

GC-IMS条件:色谱柱温度40 ℃;运行时间15 min;载气:高纯N2(纯度≥99.999%);流速:初始5.0 mL/min,保持10 min后在5 min内线性增至150 mL/min;漂移管长度5 cm;管内线性电压400 V/cm;漂移管温度40 ℃;漂移气为高纯N2,纯度≥99.999%;流速150 mL/min;IMS探测器温度45 ℃。

检测方法:取3.0 g样品,放入20.0 mL顶空进样瓶中,45 ℃孵化10 min,经顶空进样用FlavourSpec®风味分析仪进行测试,经G.A.S公司开发的功能软件分析可给出样品中挥发性有机物的差异谱图;软件内置的NIST数据库和IMS数据库可对物质进行定性分析。

1.4 数据分析

采用SPSS 23.0软件进行数据分析,采用单因素ANOVA以及Tukey分析对几种榴莲营养品质进行方差分析,设定P<0.05为显著,P>0.05不显著;运用PCA、LDA数据分析方法对电子鼻数据进行处理,结果由Origin pro2021软件进行绘图,二维可视化软件为LAV2.0(G.A.S.Inc.)。

2 结果与分析

2.1 榴莲的营养品质比较

表1为测定7种榴莲理化品质(可溶性固形物含量、维生素C、硬度、可溶性蛋白质含量及总酸)的数据。7种榴莲的理化品质存在明显差异(P<0.05)。可溶性固形物主要是指可溶性糖类,包括单糖、双糖、多糖(除淀粉、纤维素、几丁质、半纤维素不溶于水)及酸类和其他有机小分子物质[21]。果实成熟度与其含量多少密切相关[22]。7种榴莲的可溶性固形物含量差异显著(P<0.05),7种榴莲中D197猫山王品种中可溶固形物含量最高,D159金枕可溶性固形物含量最低,D13朱雀榴莲与D198金凤榴莲的可溶性固形物含量差异不显著(P>0.05),D24苏丹王与D200黑刺榴莲含量差异不显著(P>0.05),7种榴莲中含量大致为D197>D201>D13>D198>D200>D159。

表1 七种榴莲理化品质Table 1 Physiochemical qualities of seven durians

维生素C是果蔬重要的营养指标之一。7种榴莲的维生素C含量差异显著(P<0.05)。7种榴莲维生素C的含量为100.36～426.23 μg/g。其中D13朱雀榴莲维生素C含量最高,D24苏丹王榴莲维生素C含量最低,其在7种榴莲中含量排序为D13>D197>D159>>D201>D200>D198>D24。

榴莲质地和硬度是决定榴莲质量的重要特征,同时也影响消费者接受程度,其硬度受其含有的水分和溶解的溶质影响。榴莲D197果肉的硬度值最高,榴莲D159的果肉硬度最低。其中榴莲D197果肉与D200果肉硬度无显著性差异(P>0.05),D159果肉与D198果肉的硬度也无显著性差异(P>0.05)。7种榴莲硬度大小排序为D197=D200>D201>D24>D13>D198=D159(P>0.05)。

7种榴莲可溶性蛋白质含量为2.11～2.77 mg/g,其中D197猫山王榴莲可溶性蛋白质含量在7种榴莲果肉中最高(P<0.05),但与D200黑刺榴莲样品差异不明显(P>0.05)。其次含量最高为D24苏丹王,D24苏丹王与D198金凤榴莲差异不显著(P>0.05)。D13朱雀中可溶性蛋白含量为7种榴莲中最低。

总酸对榴莲口感风味有重要影响。7种榴莲可滴定酸含量为0.10%～0.44%,其中D197猫山王含量明显高于其他榴莲果肉(P<0.05),D159金枕榴莲可滴定酸含量次之,D13朱雀榴莲果肉可滴定酸含量为7种榴莲中最低。D198金凤榴莲与黑刺榴莲的可滴定酸含量无显著性差异(P>0.05),D13朱雀榴莲与D24苏丹王可滴定酸含量也无显著性差异(P>0.05)。

2.2 不同榴莲电子鼻传感器响应值分析

图1为7种榴莲电子鼻响应值雷达图,由图1可知,传感器T30/1、P10/1、P10/2、P40/1、T70/2、PA/2、P30/1、P40/2、P30/2、T40/2等在7种榴莲样品中响应值较大且无显著性差异(P>0.05),说明榴莲中含有大量硫、氯和氟化物、醛类等物质。而传感器LY2/G(氨、胺化合物)、LY2/AA(氨、乙醇和丙酮)、LY2/GH(氯、氟、氮氧化物和硫化物)、LY2/gCTL(硫化物)在7种榴莲样品中的响应值差异明显(P<0.05)。

图1 不同榴莲电子鼻检测信号雷达图Fig.1 Radar plot of E-nose detection values for the diffrent durian

PCA是一种降维数据信息的方法,可将很多个指标浓缩成综合指标(主成分)[23],并保证这些综合指标彼此之间互不相关的一种多元统计分析方法。通常认为累计贡献率超过80%,表明基本包含样品的信息。由图2可知,第一主成分(PC1)和第二主成分(PC2)的贡献率分别为81.66%和17.68%,两者累计贡献率为99.34%。说明这两个主成分基本上可以反映出榴莲所有的特征。样品距离相近,其样品性质越相似。如图2所示,D198金凤与D201江海样品重叠,D201江海榴莲与D200黑刺榴莲样品也有重合区域,说明PCA方法无法较好区分D198金凤榴莲、D200黑刺榴莲、D201江海榴莲样品,或者3种榴莲(D198、D200、D201)挥发性气味类似。

图2 榴莲电子鼻响应值信号的PCAFig.2 PCA of E-nose sensor signals of the diffrent durian

LDA是一种属于监督学习的降维算法,利用已知类别的样品建立判别模型,为未知类别的样本判别的一种统计方法[24]。由图3可知,第一主成分(LD1)和第二主成分(LD2)的贡献率分别为62.70%和23.93%,两者累计贡献率为86.63%。说明这两个主成分基本上可以反映出榴莲所有的特征信息。相比较于PCA结果,LDA可完全区分7种榴莲样品,说明7种榴莲的挥发性物质存在不同,其风味明显。

图3 榴莲电子鼻响应值信号的LDAFig.3 LDA of E-nose sensor signals of the diffrent durian

2.3 七种榴莲气相色谱-离子迁移谱指纹图谱的分析

从图4中每一行代表一种榴莲样品中选取的全部信号峰,每一列代表同一VOCs在不同榴莲样品中的信号峰,信号峰体积反映VOCs浓度,信号峰体积越大,该VOCs浓度就越高。由图4可以看出,每种样品完整VOCs信息以及样品之间VOCs的差异。通过GC-IMS技术可直观区分7种榴莲VOCs差异,经过GC-IMS检测出58种挥发性物质(表2),由于每种物质信号峰体积数据差异大,对其进行归一化处理得到每种VOCs在7种榴莲中相对含量。

图4 榴莲气相离子迁移谱Fig.4 GC-IMS topographic plots of duirans

表2 榴莲挥发性物质成分及相对含量 单位:%

由表2可知,在已确定58种VOCs中,发现10类有机化合物,分别是酯类、醛类、醇类、酮类、硫化物、蒎烯类、酸类、噻唑类、吡嗪、呋喃类等物质,其中酯类20种、醛类12种、醇类11种、酮类7种、硫化物为3种,其余挥发性物质各1种。将表2中各类物质归类后相加,得到每种类物质在7种榴莲相对含量。

由表3可知,酯类、醛类、醇类、酮类为7种榴莲主要VOCs。不同种类VOCs在7种榴莲含量存在差异。酯类在D159金枕榴莲最高,醛类在D197猫山王榴莲中含量最高,醇类在D198金凤榴莲含量最高,酮类在D24苏丹王含量最高,而酯类物质为D13、D159、D198、D201、D200、D197榴莲中挥发性物质含量最高的VOCs(P<0.05)。D198金凤榴莲硫化物含量显著高于其他6种榴莲(P<0.05)。

表3 主要VOCs在榴莲样品中相对含量 单位:%

由图5可知,7种榴莲果肉挥发性物质既有共同之处,又有差异之处。乙醇、丙酮、乙酸乙酯、丁酸乙酯为7种榴莲果肉中共有VOCs。D159金枕榴莲、D197猫山王榴莲、D198金凤榴莲3种榴莲果肉含有挥发性物质种类明显多于其他4种榴莲果肉。2,5-二甲基呋喃和2-甲基吡嗪含量在D13朱雀榴莲中较高。甲基乙基硫醚、羟基丙酮、2-甲基-1-丁醇、异戊醇等为D24苏丹王榴莲果肉中含量较高挥发性物质。叶醇、2-戊酮、己醛、丙酸丁酯、丁酸戊酯、辛酸乙酯、己酸甲酯、丁酸丙酯、正己酸乙酯等为D159金枕榴莲中含量较高的挥发性物质。反式-2-戊烯醛、3-甲硫基丙醛、环己酮等VOCs在D197猫山王中含量较高。丁位辛内酯、二烯丙基二硫、(2E,4E)-2,4-辛二烯醛、3-甲硫基丙醇、丙位己内酯等在D198 金凤榴莲中含量较高。相比其他6种榴莲,3-甲基-3-丁烯-1-醇在D200黑刺榴莲中含量最高。D201江海榴莲含有挥发性物质种类为7种榴莲中最少。(E)-2-己烯-1-醇在D13朱雀、D197猫山王榴莲、D198金凤榴莲及D200黑刺榴莲中含量比较高。乙酸甲酯及2,5-二甲基呋喃在D13朱雀、D197猫山王榴莲、D198金凤榴莲中含量高于其他4种榴莲。异丁酸乙酯、异戊酸甲酯在D24苏丹王榴莲果肉中含量低于其他6种榴莲。

图5 不同榴莲VOCs指纹图谱Fig.5 The VOCs fingerprint of different durians

为了更加直观区分7种榴莲VOCs的差异,根据VOCs的区域信号强度,对7种榴莲样品进行PCA。PCA图中的采样距离越大,样品差异越大。由图6可知,7种榴莲样品风味差异明显。指纹相似分析(fingerprint similarity analysis,FSA)是HS-GC-IMS软件的一个新功能插件,通过计算和比较欧氏距离,可用于挥发性有机化合物指纹图谱的相似性分析。更大的样本距离如图7所示,7种榴莲样本差异明显,通过FSA结果进一步证实了3D-PCA结论。

图6 不同品种榴莲的3D-PCA图Fig.6 3D-PCA diagram of varieties of the different of durian

图7 指纹相似分析Fig.7 Fingerprint similarity analysis

3 结论与讨论

本文对7种榴莲果肉(D159金枕榴莲、D197猫山王、D198金凤榴莲、D201江海榴莲、D200黑刺榴莲、D24苏丹王榴莲、D13朱雀榴莲)的营养品质及挥发性物质进行测定,发现D197猫山王榴莲品种中可溶固形物含量、硬度、可溶性蛋白质含量为7种榴莲样品数值最高,D159金枕可溶性固形物含量及硬度为7种榴莲中数值最低。D13朱雀榴莲维生素C含量最高,D24苏丹王榴莲维生素C含量最低。电子鼻主成分分析不能区分D198金凤榴莲、D200黑刺榴莲、D201江海榴莲样品,采用LDA区分7种榴莲果肉风味之间差异。采用GC-IMS仪器自带MeV插件的3D-PCA都可较好区分7种榴莲风味差异。综合营养成分及VOCs等指标对7种榴莲进行评价,认为D197猫山王榴莲品质优于其他6种榴莲。但因7种榴莲含VOCs不同,风味各异,消费者可根据自己口味喜好购买。

本研究对7种榴莲挥发物质进行分析,得到酯类、醛类、醇类、酮类、硫化物等58种挥发性物质,其中酯类、醇类、醛类和含硫VOCs相对含量较高。不同榴莲品种可食用果肉部分,因含有大量的酯类和硫化物,具有其自身独特而强烈的香味。其中硫化合物在榴莲中产生独特的“洋葱-硫”气味,不同比例含硫量的VOCs,可能会导致消费者感知到不同的榴莲味道[25-26]。二烯丙基二硫、二甲基硫、甲基乙基硫醚、3-甲硫基丙醇等可能与榴莲的麻木感相关,这几种硫化物在7种榴莲中都存在,其中D198金凤榴莲中含量最高,表明金凤榴莲散发的气味特殊且强烈。7个榴莲品种中含量最高的挥发性物质为酯类。酯类是通过与醇和羧酸缩合形成的,它给水果带来甜的、果味香气和令人愉快的气味。丁酸乙酯、辛酸乙酯、丁酸戊酯等是7种榴莲的主要酯类化合物,与榴莲的甜味有较强的相关性。酯类物质和硫化物含量在不同榴莲品种中存在明显差异,其原因是在果实发育阶段,风味特征可受到遗传、环境(温度、降雨量、海拔)、栽培实践、农用化学和品种的影响,不同采收技术也可影响果实的香气和整体味道。

目前国内关于榴莲果实挥发性成分的报道很少,特别是在榴莲果实中的挥发性/芳香性化合物方面仍有需继续深入研究。课题组将继续研究:榴莲果实成熟的不同阶段风味诱导和香气形成的实际动力学模式,及脂类或脂肪酸氧化或降解对整体品质的影响,特别是在采后贮藏期间,确定环境条件在诱导风味中发挥的实际作用。为开展我国榴莲新品种引进及榴莲贮藏提供参考。