基于电子鼻与气质联用法分析牛蒡的挥发性成分

任汉书，郑媛媛，赵瑞璇，魏祥玉，董红敬*，刘峰，段文娟，郑振佳

(1. 广饶县中医院，山东 东营 370523；2.山东省中药质量控制技术重点实验室，山东省分析测试中心，山东 济南 250014)

基于电子鼻与气质联用法分析牛蒡的挥发性成分

任汉书1，郑媛媛1，赵瑞璇2，魏祥玉2，董红敬2*，刘峰2，段文娟2，郑振佳2

(1. 广饶县中医院，山东 东营 370523；2.山东省中药质量控制技术重点实验室，山东省分析测试中心，山东 济南 250014)

牛蒡具有特异性风味，生鲜牛蒡容易引起不适症状，蒸制是古籍记载的重要处理方式。研究采用电子鼻(FOX 4000)与气质联用(GC-MS)对蒸制前后的牛蒡进行了挥发性成分分析，结合特征响应点分析、主成分分析(PCA)和定性差异分析对蒸制前后的牛蒡进行区分。结果表明，FOX 4000可以准确区分两种样品，区分指数DI为100%；通过GC-MS从生鲜和蒸制牛蒡中分别检测出22和25种挥发性成分，主要为有机酸、酯、醛、烯、醇、酮、酚、烷烃等，共有成分有8种，分别为丁醛、戊醛、己醛、2-正戊基呋喃、正戊醇、1-己醇、二氢呋喃-2-酮、环己烯。该研究为食品整体风味评价和香气成分检测提供了一种有效的方法。

牛蒡；挥发性成分；电子鼻；气相色谱-质谱

牛蒡(ArctiumlappaL.)为菊科两年生草本植物，其根富含菊糖、蛋白质、维生素和膳食纤维等[1-3]，是一种营养丰富的高档蔬菜，在我国江苏的丰县、沛县和山东省的苍山等地区大量种植[4-5]。《本草纲目》记载其“通十二经脉，除五脏恶气”、“久服轻身耐老”[6]。现代医学研究证明，牛蒡有健脾胃、清热解毒和保护血管等功效，尤其对糖尿病、性机能减退、肥胖症等病症具有明显疗效[7-12]。牛蒡具有特异性风味，会引起部分人群的不愉悦感觉。《本草纲目》等古籍记载“根须蒸熟曝干用，不尔，令人欲吐”。王晓等[13-14]通过GC-MS技术分析其挥发性成分主要为有机酸、酯、醛、醇、酮、烯、烷烃等化合物，但引起“令人欲吐”感觉的相关风味成分分析未见报道。另外，从生鲜和熟制角度出发对牛蒡进行挥发性成分的差异分析研究也尚未开展。

电子鼻是能够感知和识别气味的电子仿生系统，能对各样品的整体香气特征进行比较[15-16]，GC-MS能对样品中风味物质的种类和含量进行检测[17-18]，二者联用可以从宏观和微观对食品风味进行综合评价，目前已在花椒、南瓜、茶叶和鱼肉等食品的风味分析中得到很好地运用[19-23]。本文采用电子鼻与GC-MS联用，分别对生鲜和蒸制后牛蒡的挥发性成分进行模糊比较识别及差异分析，针对古籍记载的“令人欲吐”这一说法进行相关成分的初步探寻，同时为牛蒡的深加工和其他食品中挥发性成分的分析提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

牛蒡购于江苏沛县轶伟食品有限公司，品种为柳川理想。

1.2 仪器与设备

FOX 4000电子鼻系统(法国 Alpha MOS)；AL 104-1C型电子天平(瑞士Mettler Toledo)；7890-5795C GC-MS联用仪(美国Agilent)，SPME萃取头为50/30 μm DVB/CAR/PDMS (2 cm)。

1.3 方法

1.3.1 样品制备

准确称量3.0 g生鲜牛蒡和蒸制牛蒡，分别用研钵研碎后装至20 mL顶空瓶中，压盖密封，备用。每个样品制备6个平行样。

1.3.2 电子鼻测定条件

检测参数见表1。

表1 电子鼻检测参数表

1.3.3 GC-MS测定条件

SPME条件：样品量3 g，萃取温度40 ℃，萃取时间20 min，解吸时间20 min。

GC条件： HP-5MS毛细管色谱柱(30 m×0.25 mm，0.25 μm)；载气(He)；流速1.5 mL/min，不分流进样，进样口温度250 ℃；柱温50 ℃，保持2 min，3 ℃/min至220 ℃，保持1 min。

MS条件：接口温度280 ℃；离子源温度230 ℃；电子电离源；电子能量70 eV；质量扫描范围35～500 u。

1.4 数据分析

1.4.1 电子鼻数据分析

考察18根传感器的重复性，在此基础上进一步提取特征响应点并进行主成分分析。

1.4.2 GC-MS数据分析

对电子鼻PCA结果进行验证，结合GC-MS定性结果对生鲜牛蒡和蒸制牛蒡挥发性成分进行定性和相对含量分析。

2 结果与分析

2.1 电子鼻测试结果

2.1.1 传感器响应重复性测试

FOX 4000电子鼻传感器分为P&T型和LY型两种，P、T、LY型传感器分别有6根传感器，18根传感器自上而下分布分别为：LY2/LG、LY2/G、LY2/AA、LY2/GH、LY2/gCTL、LY2/gCT、T30/1、P10/1、P10/2、P40/1、T70/2、PA2、P30/1、P40/2、P30/2、T40/2、T40/1、TA2。在进行差异分析之前，需要对传感器响应样品信号的重复性进行验证，要求每根传感器经过6次重复测试的相对标准偏差在20%以内。重复测试结果见表2，根据所得数据可知18根传感器的相对标准偏差均在20%以内，表明所有传感器数据均可用于后续分析。

表2 电子鼻传感器重复测试的相对标准偏差

2.1.2 特征响应点分析

传感器阵列特征响应图的差异在一定程度上反映了样品香气差别，不同样品在各传感器波峰或波谷处的响应器信号图差异见图1。从图1中可看出，不同传感器对牛蒡挥发性成分的响应差异明显，LY型传感器对该样品的挥发性成分几乎无响应，而T型和P型的响应曲线幅度有明显的波动，区分比较明显。

图1 不同样品在传感器特征响应点的信号图 Fig.1 The signal of different samples under characteristic response point from all sensors

2.1.3 主成分分析

主成分分析后的主成分得分能够反映样本间的相似性和独特性，每个样本对应不同主成分有不同得分值。由图2可知，第一主成分(PC1)的区分指数为99.79%接近100%，说明可以根据第一主成分推断样品是否存在差异及差异大小；同一处理方式的样品电子鼻数据在主成分分析图上较为集中，说明通过本研究设定的牛蒡香气采集条件使数据重复性较高，代表性较强；同时，由第一主成分分析结果可知，牛蒡根在蒸制处理前后，挥发性成分的构成或含量差别较大，具体差异情况可以通过GC-MS手段进行验证。

蒸制牛蒡NBZ-x, x=1,2,3,4,5,6; 生鲜牛蒡NBX-x, x=1,2,3,4,5,6。第一主成分 PC1的区分指数为99.79%；第二主成分PC2的区分指数为0.169%。图2 蒸制牛蒡与生鲜牛蒡主成分分析结果Fig.2 The PCA results of steamed and fresh Arctium lappa L.

2.2 GC-MS结果

2.2.1 定性分析

由图3可知，生鲜牛蒡和蒸制牛蒡挥发性成分差异较大，与电子鼻PCA分析结果一致。从出峰时间来看，生鲜牛蒡挥发性成分的出峰时间主要集中在前30 min，而蒸制牛蒡挥发性成分的出峰时间主要集中在40 min以后；从出峰数量来看，生鲜牛蒡为22种，蒸制牛蒡为25种。

图3 GC-MS总离子流图 Fig.3 The TIC results of GC-MS

2.2.2 挥发性成分相对含量分析

将生鲜牛蒡和蒸制牛蒡质谱TIC图经标准数据库检索与人工推测相结合分别鉴定出22、25个成分，用峰面积归一化法测定各成分相对含量，见表3、表4。由表3～4可知，生鲜牛蒡和蒸制牛蒡均含有多种挥发性有机酸、酯、醛、烯、醇、酮、酚、烷烃等，与文献中报道较为一致[13-14]。由图4的分析可知，两者共有成分有8种，分别为丁醛、戊醛、己醛、2-正戊基呋喃、正戊醇、1-己醇、二氢呋喃-2-酮、环己烯。

表3 生鲜牛蒡定性与定量分析结果

表4 蒸制牛蒡定性与定量分析结果

3 结论

本研究以牛蒡的生鲜和蒸制样品为研究对象，采用FOX4000电子鼻及GC-MS对其挥发性成分进行区别分析。研究发现,FOX4000可以准确区分两类样品；通过GC-MS进一步分析发现蒸制前后牛蒡的挥发性成分主要为有机酸、酯、醛、烯、醇、酮、酚、烷烃等。生鲜和蒸制牛蒡的共有成分8种，差异性成分40种，其中差异成分根据相对含量的高低主要为烯、酮、酯、醛等化合物，生鲜样品中主要挥发性成分的相对含量为1-已醇(81.93%)、丁醛(4.47%)和环丁酮(3.14%)，蒸制后主要挥发性成分为环己烯(32.29%)、1,3-环辛二烯(26.69%)、二氢呋喃-2-酮(13.88%)、2-庚烯(7.24%)、十二碳二烯丙酸酯(3.54%)和环丙基甲醛(1.95%)、己醛(1.88%)，主成分之间的差异很可能是“令人欲吐”的主要原因，次要成分的差异则影响香气的整体柔和度。电子鼻结合气质联用的方法一方面可以快速确定并阐明牛蒡样品香气间是否具有差异及其引起差异的具体原因，另一方面，在牛蒡及其制品的香气检测、品质鉴定、产地判别、质量控制等方面具有重要意义。此外，后续研究将通过GC-MS-O等进一步分析、确定牛蒡中的香气成分，为牛蒡香气比对分析、活性香气指纹图谱建立提供更完整的科学数据，同时也为其他食品整体风味分析提供思路。

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The volatile components analysis ofArctiumlappaL. based on electronic nose and gas chromatography-mass spectrometry

REN Han-shu1, ZHENG Yuan-yuan1, ZHAO Rui-xuan2, WEI Xiang-yu2,DONG Hong-jing2*, LIU Feng2, DUAN Wen-juan2, ZHENG Zhen-jia2

(1.Guangrao Traditional Chinese Medicine Hospital, Dongying 370523, China; 2. Shandong Provincial Key Laboratory of TCM Quality Control Technology, Shandong Analysis and Test Center, Jinan 250014, China)

∶ArctiumlappaL. has a specific flavor, the fresh one is easy to cause unpleasant symptoms, and steaming is an important way to deal with it in ancient books. FOX 4000-electronic nose and gas chromatography-mass spectrometry were used to analyze the volatile components inArctiumlappaL.before and after steaming.Based on the characteristic response point analysis, principal component analysis (PCA) and qualitative difference analysis,ArctiumlappaL. before and after steaming was distinguished. The results indicated that the fresh and steamedArctiumlappaL. could be successfully identified after being analyzed by FOX 4000-electronic nose, and the index DI is 100%. Furthermore, 22 and 25 volatile components were detected from fresh and steamedArctiumlappaL., respectively, containing organic acid, ester, aldehyde, alkene, alcohol, ketone, phenol and alkane. Among the above compounds, butyraldehyde, valeraldehyde, hexanal,2-hydroxy-pentyl tetrahydrofuran, 1-pentanol, 1-hexanol, 2-furanone and cyclohexene are the 8 common constituents of those two ingredients. The study provided an effective method for the overall flavor evaluation and aroma components detection of food.

∶ArctiumlappaL.; volatile components; electronic nose; gas chromatography-mass spectrometry

10.3976/j.issn.1002-4026.2017.04.002

2017-05-05

山东省自然科学基金(ZR2014YL005，ZR2013HM075)

任汉书(1988—)，男，硕士，研究方向为中药炮制。

*通信作者，董红敬，博士，助理研究员，研究方向为天然产物化学。Tel：0531-82605319,E-mail：donghongjing_2006@163.com

R284.1；TS207.3

A

1002-4026(2017)04-0006-07