基于电子鼻和GC-MS评价嘎拉苹果采后芳香品质

樊 丽，任小林*，向春燕，亢 键

（西北农林科技大学园艺学院，陕西 杨凌 712100）

摘 要：以嘎拉苹果为试材，使用电子鼻和气相色谱-质谱联用技术研究其在20 ℃贮藏期间芳香品质的变化。电子鼻检测结果表明，通过线性判别分析，可以将不同贮藏期的苹果区分开。气相色谱-质谱检测结果表明，嘎拉苹果在采后贮藏期间的主要挥发性成分为己醛、（E）-2-己烯醛、乙酸丁酯、乙酸-2-甲基丁酯、乙酸己酯、2-甲基丁酸己酯、1-丁醇、2-甲基-1-丁醇、1-己醇、草蒿脑和α-法尼烯。将检测到的主要挥发性芳香物质进行主成分分析和线性判别分析，结果表明，通过气相色谱-质谱分析可以区分不同贮藏期的苹果果实。

关键词：电子鼻；气相色谱-质谱联用；苹果；芳香品质

Aroma Quality of Gala Apple during Storage Evaluated by Electronic Nose and Gas Chromatography-Mass Spectrometry

FAN Li, REN Xiao-lin*, XIANG Chun-yan, KANG Jian

(College of Horticulture, Northwest A & F University, Yangling 712100, China)

Abstract: The aroma quality of Gala apple during storage at 20 ℃ was evaluated by electronic nose and gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS). The obtained data from electronic nose were analyzed using linear discriminant analysis. The results showed that linear discriminant analysis (LDA) could successfully discriminate Gala apple with different storage periods. Meanwhile, based on principal component analysis (PCA) and linear discriminant analysis, GC-MS could distinguish Gala apple from different storage periods.

Key words: electronic nose; gas chromatography-mass spectrometry; apple; aroma quality

中图分类号：TS255.3 文献标志码：A 文章编号：1002-6630（2014）22-0164-05

doi:10.7506/spkx1002-6630-201422031

果实的品质不仅取决于其形状、大小、颜色和质地，同时也和香气有关。苹果的香气成分在贮藏期间大量产生，并随贮藏时间的延长而发生变化，影响果实的感官品质。传统研究果实香气的方法是感官评价小组和气相色谱-质谱（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）分析，前者的主观性强、重复性差，容易出现嗅觉疲劳从而影响分析结果[1]，后者虽然可以对果实的香气成分进行定性定量分析，但这种方法样品前处理复杂、测定时间长、价格昂贵，并且需要专业人员操作[2]。而电子鼻作为20世纪90年代发展起来的果实无损检测技术，可以快速、无损的检测果实产生的挥发性物质，并获得样品的“指纹数据”[3-5]，从而实现对果品内在质量的快速有效检测。

目前对于电子鼻的研究主要集中在开发商业化的电子鼻设备和利用电子鼻对果实质量的无损检测等方面。邹小波等[6-7]利用自制的电子鼻系统可以区分不同品种以及不同质量的苹果；张晓华等[8]利用电子鼻结合主成分分析预测苹果采后货架期，通过和传统理化指标的比较，证明电子鼻预测结果的准确性；Young等[9]利用电子鼻和GC-MS均可以区分不同采收期的皇家嘎拉苹果。由于苹果的香气受到品种、栽培条件、采收期、贮藏条件以及贮藏时期等因素的影响，电子鼻在苹果香气品质评价中的应用仍需进一步探索和研究。本实验基于电子鼻检测嘎拉苹果在采后贮藏期间挥发性物质的变化，并结合传统的GC-MS分析，旨在评价嘎拉苹果在采后贮藏期间的芳香品质，以及利用电子鼻技术区分不同贮藏期苹果的准确性和可行性，为电子鼻在采后贮藏中的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

嘎拉苹果于2013年8月10日采自陕西省乾县姜村管理良好的一农家果园，树龄为13年生。苹果采收后立即运回西北农林科技大学园艺学院采后实验室，选择大小一致、着色均匀、无机械损伤、无病虫伤害的果实，用0.03 mm厚的PVC保鲜袋包装后放入纸箱内，于（20±1）℃条件下贮藏。

1.2 仪器与设备

GS-15型水果质地分析仪 南非Guss Manufacturer公司；PAL-1型数显糖度计 日本Atago公司；GMK-835F型苹果酸度计 韩国G-WON Hitech公司；CR-400型色度计 日本柯尼卡美能达公司；Telaire-7001型CO2分析仪 美国Telaire公司；GC-14A型气相色谱仪
日本岛津公司；HR1858型榨汁机 荷兰Philips公司；ISQ气相色谱-质谱联用仪 美国Thermo Fisher Scientific公司；固相微萃取搅拌加热平台、萃取手柄和50/30 µm DVB/CAR/PDMS萃取头 美国Supelco公司；DB-WAX（60 m×0.25 mm，0.25 µm）弹性石英毛细
管柱 美国Agilent公司。

PEN3型电子鼻 德国Airsense公司；该型号电子鼻传感器阵列包含10 个传感器，分别为W1C（对芳香型化合物敏感）、W5S（对氮氧化物敏感）、W3C（对氨类、芳香型化合物敏感）、W6S（对氢气敏感）、W5C（对烷烃、芳香型化合物敏感）、W1S（对甲烷敏感）、W1W（对硫化氢、萜烯类敏感）、W2S（对乙醇、部分芳香型化合物敏感）、W2W（对有机硫化物敏感）、W3S（对烷烃敏感）[10]，测定时样品挥发性物质与传感器接触后发生反应，传感器电导率G发生改变，其与初始电导率G0的比值为相对电导率（G/G0）也随之变化。响应气体浓度越大，G/G0的值越偏离1（大于或者小于1）；如果浓度低于检测限或者没有感应气体，G/G0的值则接近甚至等于1。每次测量前后，传感器都进行清洗和标准化，以有效地消除漂移现象，并保证电子鼻测量数据的稳定性和精确度。结合电子鼻自带Winmuster软件对数据进行采集和计算。

1.3 方法

1.3.1 果实取样

在果实采后18 d内，每隔3 d随机选取15 个果实，测定生理指标，重复3 次。电子鼻检测在采后第0、6、12、15、18天进行，每次测定15 个果实，测定完后使用同一批果实测定生理指标，并将果实每5 个作为一组，去果皮后榨汁，放入－40 ℃冰箱中保存，用于GC-MS香气成分测定，共3 次重复。

1.3.2 果实品质与生理指标测定

果肉硬度：用水果质地分析仪测定（探头直径11 mm；参数设定为：触发阈值0.10 kg；探头下降速率10 mm/s；探头返回速率10 mm/s；测量速率5 mm/s；测量距离10.0 mm）；可溶性固形物含量：用数显糖度计测定；可滴定酸含量：用苹果酸度计测定；果面色度：用色差计测定；呼吸速率：用CO2分析仪测定；乙烯释放速率：用GC仪测定。

1.3.3 电子鼻无损检测

将单个嘎拉苹果果实放置于500 mL烧杯中，用保鲜膜封口，静置30 min后使用电子鼻进行无损检测，每次检测后进行清零和标准化。

电子鼻测定参数：样品测定间隔时间1 s；样品准备时间5 s；样品测试时间45 s；测量计数1 s；传感器清洗时间300 s；自动调零时间5 s；内部流量300 mL/min；进样流量：300 mL/min。将42 s处的信号作为传感器信号分析的时间点。

1.3.4 固相微萃取样品前处理

在40 mL的顶空瓶中加入15 g苹果汁，1 g氯化钠，10 µL 3-壬酮（0.04 mg/mL，溶剂为正己烷），迅速封口，在50 ℃恒温条件下平衡10 min后，将在250 ℃老化好的萃取头插入顶空瓶，50 ℃[11]条件下吸附30 min，拔出萃取头，插入GC进样口250 ℃高温解吸2 min。

1.3.5 色谱条件

色谱柱：弹性石英毛细管柱DB-WAX（60 m×
0.25 mm，0.25 µm）；升温程序：初温40 ℃保持2.5 min，以5 ℃/min升至150 ℃，以10 ℃/min升至230 ℃，保持5 min；进样口温度250 ℃；载气：99.999%高纯度氦气；不分流进样。

1.3.6 质谱条件

电子电离源；电子能量70 eV；传输线温度230 ℃；离子源温度230 ℃；激活电压1.5 V；质量扫描范围m/z 35～500。

1.3.7 定性定量分析

定性分析：未知化合物质谱图经计算机检索同时与NIST 2011质谱库相匹配，结合人工图谱解析及有关文献资料[12-18]，确认果实在贮藏期间产生的主要挥发性成分（1-丁醇、2-甲基-1-丁醇、己醇、草蒿脑、己醛、（E）-2-己烯醛、乙酸丁酯、乙酸-2-甲基丁酯、乙酸己酯、2-甲基丁酸己酯、α-法尼烯）。

定量分析：采用峰面积归一化法求得各化合物相对含量，并以3-壬酮为内标进行相对定量。通过计算lg（香气值）确定特征香气成分，香气值=某种化合物含量/该化合物香气阈值，lg（香气值）大于0的成分为特征香气成分[19]。

1.3.8 GC条件

果实密闭1 h后抽取气体，进样量1 mL。GDX-502色谱柱（2 m×3.2 mm）；载气为N2；柱温90 ℃；进样口温度110 ℃；氢气0.7 kg/cm2；空气0.7 kg/cm2；氮气1.0 kg/cm2；氢火焰离子化检测器检测；检测室温度150 ℃。

1.3.9 数据处理

采用Microsoft Excel 2010对数据进行整理和作图。电子鼻所测得的数据使用其自带的Winmuster软件进行线性判别分析（linear discrimination analysis，LDA）。使用SPSS 18.0软件进行单因素方差分析（Tukey法，P≤0.05）、主成分分析（principal components analysis，PCA）、载荷分析和LDA。

PCA是通过将多指标的信息进行数据转换和降维，并对降维后的特征向量进行线性分类，最后在PCA的散点图上显示主要的二维散点图，PC1和PC2是散点图中的2 个坐标轴，包含了在PCA转换中得到的第1主成分和第2主成分的贡献率，一般总贡献率超过85%，此方法即可使用。

载荷分析是主成分与相应的原始指标变量的相关系数，用于反映不同主成分和各个变量间的密切程度。位点坐标表示分别所在主成分上的比例大小，相关系数（绝对值）越大，主成分对该变量的代表性也越大[20]。

LDA也叫做Fishier线性判别（Fisher linear discriminant，FLD），是一种常规的模式识别和样品分类方法。它的基本思想是通过投影将原始数据映射到另一个更低维的方向，使得投影后组与组之间尽可能地分开，而同一组内的关系更加密切，该分析注重类别的差异以及各组之间的距离分析，其中LD1和LD2为判别函数。

2 结果与分析

2.1 嘎拉苹果果实采后品质及生理指标的变化

表 1 嘎拉苹果20 ℃贮藏期间品质和生理指标的变化

Table 1 Quality and physiological parameters of Gala apple during storage at 20 ℃

注：同行不同小写字母表示不同贮藏时期差异显著（Tukey法，P≤0.05）。

如表1所示，果实在采收时的硬度为8.712 kg/cm2，可溶性固形物和可滴定酸含量分别为12.4%和0.4%，随着贮藏时间的延长，果实的硬度和可滴定酸含量均逐渐降低，可溶性固形物含量先升高后降低，这是由于果实在贮藏后期呼吸作用增强、底物消耗增加，可溶性固形物含量随之下降[21]。果实的明亮度L*值总体变化较小，在整个贮藏期间无显著差异，色饱和度C*值逐渐增加，说明果实在贮藏过程中鲜艳程度增加，色调角H*值先升高后降低，总体呈下降趋势，表明果实在贮藏过程中颜色由绿色向黄绿色转变。果实的呼吸速率和乙烯释放速率在贮藏期间逐渐升高，在第15天时达到峰值后下降，说明果实在贮藏第15天时发生乙烯和呼吸跃变。

2.2 嘎拉苹果果实采后电子鼻无损检测

2.2.1 嘎拉苹果果实不同贮藏期电子鼻传感器响应值的变化

图 1 嘎拉苹果20 ℃贮藏期间10 个传感器的响应值

Fig.1 Response values of ten sensors to Gala apple during storage at 20 ℃

如图1所示，果实在刚采收时，传感器响应值很低，这是由于果实在刚采收时，挥发性物质种类少、含量较低。随着贮藏时间的延长，果实在后熟过程中挥发性成分逐渐增加，不同传感器对不同贮藏时期的嘎拉苹果响应值也有明显的差异。其中，W5S（对氮氧化合物敏感）和W1W（对硫化氢、萜烯类敏感）响应值变化最大，W5S传感器响应值在第15天达到最大，W1W传感器响应值在第12天达到最大值，这和呼吸速率以及乙烯释放速率的变化是一致的。

2.2.2 电子鼻对不同贮藏期嘎拉苹果挥发性成分的LDA

图 2 嘎拉苹果20 ℃贮藏期间LDA图

Fig.2 LDA score plot of Gala apple during storage at 20 ℃

如图2所示，判别式LD1和LD2的贡献率分别为86.76%和7.50%，二者的总贡献率达到了94.26%，不同贮藏期的嘎拉苹果可以相互区分开。

LDA方法注重所采集的嘎拉苹果挥发性物质成分响应值在空间中的分布状态以及彼此之间的距离分析。由图2可以看出，嘎拉苹果在采后0～6 d的挥发性成分在LD1和LD2上均变化较大，这是由于苹果在采收后贮藏初期发生后熟，挥发性物质变化较大。贮藏6～12 d的果实挥发性成分在LD1上和LD2上变化较小，说明果实在贮藏中期香气成分变化不大。第12～15天果实在LD1上变化较小，沿LD2下降，第15～18天挥发性成分沿LD1增加，在LD2上变化不大，说明在贮藏末期嘎拉苹果芳香物质发生了变化。

2.3 GC-MS对嘎拉苹果果实挥发性芳香成分的测定

2.3.1 嘎拉苹果贮藏期间主要挥发性芳香成分含量的变化

果实的香气取决于其产生的挥发性物质的种类和含量，只有lg（香气值）大于0的物质可以作为果实的特征香气。由表2可知，果实在采收时的特征香气成分为己醛、（E）-2-己烯醛和乙酸己酯，其中，己醛、（E）-2-己烯醛的嗅感描述分别为青草味和绿苹果味[19]，它们通常用于描述未成熟果实的芳香特点，随着贮藏时间的延长，己醛和（E）-2-己烯醛的含量逐渐降低，乙酸己酯、乙酸丁酯、乙酸-2-甲基丁酯、2-甲基丁酸己酯的含量先升高后降低，酯类物质成为嘎拉果实在贮藏期间的主要特征香气成分，这与Plotto等[17]的研究结果相一致。乙酸己酯、乙酸丁酯、乙酸-2-甲基丁酯、1-己醇的含量在贮藏第12天含量达到最大值，2-甲基丁酸己酯、丁醇、2-甲基-1-丁醇、草蒿脑和α-法尼烯的含量在贮藏第15天达到最大。

表 2 嘎拉苹果20 ℃贮藏期间主要挥发性成分含量

Table 2 Major volatile components of Gala apple during storage at 20 ℃

注：ND.未检测到；不同小写字母表示不同贮藏期芳香成分差异显著（Tukey法，P≤0.05）；括号中数值为香气值的常用对数值。

2.3.2 嘎拉苹果贮藏期间主要挥发性成分的PCA

图3是以表2中所列的主要挥发性成分为变量所得到的PCA结果。其中，PC1的贡献率为77.18%，PC2的贡献率为13.15%，二者的总贡献率为90.33%，不同贮藏期的苹果可以完全区分开。

图 3 嘎拉苹果20 ℃贮藏期间主要挥发性成分PCA图

Fig.3 PCA score plot of major volatile components from
Gala apple during storage at 20 ℃

图 4 嘎拉苹果20 ℃贮藏期间主要挥发性成分载荷分析图

Fig.4 Loading analysis plot of major volatile components from
Gala apple during storage at 20 ℃

由图4可以看出，己醛和（E）-2-己烯醛在第2主成分上起主要作用，对第0天果实的分类所起作用较大，这是由于果实在刚采收时的主要挥发性成分为己醛和（E）-2-己烯醛。2-甲基-1-丁醇、乙酸-2-甲基丁酯、丁醇和乙酸丁酯对贮藏第18天果实的分类起主要作用，
2-甲基丁酸己酯、己醇和乙酸己酯、草蒿脑以及α-法尼烯对贮藏第6～15天的果实的分类起主要作用。

2.3.3 嘎拉苹果贮藏期间主要挥发性成分的LDA

图 5 嘎拉苹果20 ℃贮藏期间主要挥发性成分LDA图

Fig.5 LDA score plot of major volatile components from
Gala apple during storage at 20 ℃

由图5可知，LD1的贡献率为95.3%，LD2的贡献率为3.5%，二者的总贡献率为98.8%，不同贮藏期的嘎拉苹果可以完全分开，和PCA分析结果相比，LDA分析可以区分不同贮藏期的果实，并且不同贮藏期之间的果实距离更大，区分效果更好。

3 结 论

嘎拉苹果在20℃贮藏期间产生的挥发性成分发生变化，导致不同贮藏期果实的香气不同。电子鼻和GC-MS均能检测到果实贮藏期挥发性物质的变化，通过LDA或PCA均可以区分不同贮藏期的嘎拉苹果。电子鼻虽然不能对挥发性成分进行定性定量检测，但是其检测过程方便、快捷，样品无需前处理，分析成本比GC-MS低，可以应用于苹果采后贮藏期芳香品质的快速无损检测，但在苹果不同品种、不同栽培条件下果实品质评价中的应用还需要进一步研究。

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