枣烘焙挥发性组分的GC-MS鉴定和主成分分析

崔 璨，高 哲，李喜悦，安小楠，王 洋，崔 同

（河北农业大学食品科技学院，河北保定071000）

枣烘焙挥发性组分的GC-MS鉴定和主成分分析

崔 璨，高 哲，李喜悦，安小楠，王 洋，崔 同*

（河北农业大学食品科技学院，河北保定071000）

采用大孔树脂吸附和气相色谱-质谱联用法分析了阜平大枣的烘焙挥发性成分，初步鉴定出5-甲基-2（3H）-呋喃酮等25种挥发性化合物。并对不同烘焙温度、烘焙时间、树脂用量、泵流速和洗脱剂用量的8个不同的烘焙处理进行比较，采用主成分分析法对各处理的结果建立评价模型，确定了三个主成分，其累积贡献率达93.73%。据此模型对8个烘焙处理进行评价，效果最好的处理条件：150℃、烘箱加热60min、0.8g树脂吸附、泵流速为5mL/s，洗脱乙醚用量为10mL。

枣，烘焙，香气成分，主成分分析法，气相色谱-质谱

枣是鼠李科枣属植物枣树（Zizyphus jujuba Mill）的果实，它是原产于中国的最古老的几种水果之一，在中国北部和西部有大面积种植。枣有多种食用方式，包括鲜食，干食，以及各种加工制品。近年来这种食材已经被当作一种香味料广泛地添加到鲜牛奶、酸奶、冰淇淋、碳酸饮料、香烟等很多产品中。然而有关枣的烘焙香气成分方面，目前尚未见任何有价值的研究报道。

现代仪器分析技术的进步例如气相色谱-质谱联用（GC-MS）法，为香气物质的研究提供了强有力的工具和手段［1-2］，但是由于香气物质事实上是极其复杂的，仅仅依赖仪器的直观分析往往很难给出有价值的客观评判结果，主成分分析法是一种通过降维技术将多个变量转化为少数几个主成分的实用统计分析方法，它是解决存在多数变量，并且各变量之间存在一定联系等相关问题的一种有效方法。主成分分析的目的是简化数据和揭示变量间的关系［3］，已广泛应用于许多领域［4-10］。本文拟采用气相色谱-质谱联用技术对枣的高温烘焙挥发性物质进行分析鉴定，再通过对不同烘焙处理方法下枣的风味物质进行主成分分析，以期建立一种对枣的烘焙风味物质进行质量评价的客观方法。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

阜平大枣购于保定市果品批发市场，产于河北省阜平县，去核，晒干，打粉，放置在真空干燥器中备用；X-5树脂购于天津南开大学化工厂，使用前进行如下处理：乙醇浸泡24h，上柱，用95%的乙醇流动清洗，检查流出的洗脱液与蒸馏水1∶5体积混合不出现白色浑浊为止，然后以大量蒸馏水冲洗，至水洗液无醇味为止，再用丙酮浸泡24h，上柱，用丙酮洗脱，方法同乙醇洗脱，用蒸馏水洗去丙酮，最后用两倍于树脂体积2%的盐酸淋洗后再用蒸馏水淋洗，烘干后待用。

7890A-5975C型气相色谱-质谱联用仪美国Agilent公司；HP-5ms毛细管色谱柱（30m×0.25mm× 0.25μm） Agilent J&W公司；USC-202型超声波清洗器上海龙波电子设备有限公司；101-0型电热鼓风干燥箱上海锦屏仪器仪表有限公司；SGK-2LB型低噪音空气泵北京东方精华苑科技有限公司；TB-215D型分析天平德国赛多利斯股份有限公司；ST-02A型多功能粉碎机永康市帅通工具有限公司；RE-52CS型旋转蒸发仪上海亚荣生化仪器厂；SHZ-D型循环水真空泵保定阳光科教仪器厂。

1.2实验方法

1.2.1挥发性风味物质的提取准确称取20.0g枣粉放入具塞三角瓶中并置于烘箱内，瓶口用胶塞密封，胶塞插有两只玻璃管，其中一只将净化了的空气（用少许X-5大孔吸附树脂）通入三角瓶底部，另一只通出烘箱外，连接一只内装有一定质量X-5大孔吸附树脂的冷凝管作吸收管，管外通入循环冷却水，后面连接一只可调速的吸气泵。在设定的烘焙温度，烘焙时间，树脂质量和泵空气流速下用树脂吸附枣的挥发性物质。吸附结束后用乙醚洗脱吸附树脂并浓缩至1mL，供GC-MS分析。本实验共设8种实验处理方式［11］，详见表1。

表1　枣烘焙实验处理Table 1　Treatments of roasting jujuba

1.2.2挥发性风味物质的GC-MS分析GC分析条件：色谱柱：HP-5（30m×0.25mm×0.25μm）；载气（He）流速：1mL/min；进样口温度：250℃；辅助加热器温度：280℃；平衡时间0.5min，升温程序：40℃保持3min后，以5℃/min升至70℃，再以2℃/min升至80℃，保持1min再以10℃/min升至200℃，保持2min；分流比20∶1，进样量1μL。

MS条件：离子源温度：230℃；MS四极杆：150℃。电离方式EI，电离能70eV；扫描范围m/z=14～450。

1.2.3挥发性风味物质的定性定量方法GC-MS分析图谱经计算机把每个峰与NIST Library05相匹配检索定性，匹配度大于90作为鉴定结果。枣的挥发性物质的相对含量以峰面积归一化表示。

1.2.4评价模型的建立由不同烘焙处理的风味物质的色谱峰面积构成主成分分析的相关矩阵，根据主成分分析后确定的不同主分量的线性组合与累积贡献率之积的和来排序不同的样本，进行风味物质质量评价，具体分析步骤如下：

将n个样本的p个变量通过变换将原变量Xi转换成主成分，主成分是原变量的线性组合，即将X1，X2，…，Xp综合成k（k＜p）个变量（F1，…，Fk），综合变量F1，F2，…，Fk分别称作原变量的第1、第2、…、第k个主成分，表示为：

F1=a11X1+a21X2+…+ap1Xp

F2=a12X1+a22X2+…+ap2Xp

…

Fk=a1kX1+a2kX2+…+apkXp

以不同特征值的方差贡献率βi（i=1，2，…，k）为加权系数，利用综合评价函数F=β1F1+β2F2+…+βkFk计算各样本得分，然后进行排序评价枣风味物质质量。

图1　枣烘焙香气成分的GC-MS总离子流色谱图Fig.1　GC-MS total ion chromatograms of in baked jujuba

2　结果与讨论

2.1不同烘焙处理枣风味物质测定结果

采用1.2.1方法对枣样品进行烘焙并收集挥发物，采用1.2.2的方法进行GC-MS分析，图1是枣烘焙挥发性成分的总离子流色谱图。通过对NIST谱库检索，对其中匹配度＞90%的25种化合物得到了初步鉴定，其中有杂环类物质13种，烷烃类物质8种，酸类物质4种。在这25种化合物中，糠醛、2-糠醇、2-乙酰基呋喃、5-甲基-2-糠醛、5-羟甲基-2-糠醛、十烷酸、十二酸以及十四酸8种化合物曾在前人关于各种枣的挥发性香气成分的研究中有过报道［12-19］，但含量和比例却多有不同，而5-甲基-2（3H）-呋喃酮等其余17种化合物尚未见其他研究报道。由于文献报道的实验条件多为低温加热烘焙，而本实验采用140～170℃的高温加热，由此判断可能是高温烘焙过程丰富了枣的香气成分，产生了5-甲基-2（3H）-呋喃酮等其余17种香气成分。

对鉴定的25种化合物用峰面积表示其相对含量，统计8种不同烘焙处理的风味物质测定结果，见表2。

表2　枣样中主要风味物质的相对含量峰面积归一化处理Table 2　The relative contents of main flavor compounds in jujuba samples

2.2各指标的标准化处理

利用SPSS数据分析软件，对表2的数据进行了标准化，结果见表3。

2.3枣烘焙风味物质的主成分

样品数据经过标准化后，利用SPSS软件的Analyze菜单中的Factor过程进行主成分分析，得到特征值和特征向量列于表4。由表4可看出，第1成分的贡献率为60.32%，第2成分的贡献率为24.22%，第3成分的贡献率为9.19%，前三个主成分的累积贡献率已经达到93.73%，可见前3个成分已经足以说明该数据的变化趋势，完全符合主成分分析的要求，故取前3个主成分作为数据分析的有效成分。

表5为主成分载荷矩阵，由此可以看出，第1主成分与糠醛、2-糠醇、5-甲基-2（3H）-呋喃酮、3-环戊烯-1，4-二酮、2-乙酰基呋喃、丁内酯、2-呋喃酮、5-甲基-2-（5H）-呋喃酮、5-甲基-2-糠醛、2-呋喃甲醇乙酸酯、2，3-二氢-3，5-二羟基-6-甲基-4H-吡喃-4-酮、5-羟甲基-2-糠醛、5-乙酰基甲酯-2-糠醛，成高度正相关，负荷量分别为0.961、0.904、0.959、0.948、 0.957、0.953、0.901、0.964、0.949、0.930、0.896、0.840、0.818，又因为总方差60%以上的贡献来自于第一主成分，因此可以认为糠醛、2-糠醇、5-甲基-2（3H）-呋喃酮、3-环戊烯-1，4-二酮、2-乙酰基呋喃、丁内酯、2-呋喃酮、5-甲基-2-（5H）-呋喃酮、5-甲基-2-糠醛、2-呋喃甲醇乙酸酯、2，3-二氢-3，5-二羟基-6-甲基-4H-吡喃-4-酮、5-羟甲基-2-糠醛、5-乙酰基甲酯-2-糠醛是枣烘焙挥发物质的主要成分。

对第2主成分贡献最大的是萘，负荷量为0.973，其次为1，3-二乙基苯、1，4-二乙基苯、十一烷，负荷量分别为0.868、0.870和0.881，因而第二主成分代表了以萘、1，3-二乙基苯、1，4-二乙基苯、十一烷为组合的风味化合物。

2.4不同烘焙处理的质量评价结果

将主成分载荷矩阵中的数据利用SPSS中的“Transfor→Compute”过程，在Compute Variable对话框中输入“A1=B1/SQR（15.080）”［注：第二主成分SQR后的括号中填6.055，第三主成分SQR后的括号中填2.297］，即可得到特征向量A1。同理，可得到特征向量A2、A3。将得到的特征向量与标准化后的数据相乘，公式见（1.2.4）。

以每个主成分所对应的特征值占所提取主成分总的特征值之和的比例作为权重计算主成分综合模型F（见下式）。并计算不同处理枣烘焙风味成分的综合得分，见表6。

表3　标准化后的枣样中主要风味物质的相对含量Table 3　The relative contents of main flavor compounds in jujuba samples after standardized

表4　主成分的特征值以及贡献率Table 4　The contribution of the eigenvalues of principal component

表5　主成分载荷矩阵Table 5　Principal component loading matrix

F=0.644F1+0.258F2+0.098F3

=0.174ZX1+0.181ZX2+0.171ZX3+0.173ZX4+ 0.181ZX5+0.181ZX6+0.159ZX7+0.185ZX8+0.177ZX9-0.019ZX10+0.182ZX11-0.031ZX12-0.033ZX13+0.052ZX14+ 0.056ZX15+0.028ZX16+0.156ZX17+0.076ZX18+0.174ZX19+ 0.128ZX20+0.136ZX21+0.046ZX22+0.141ZX23+0.161ZX24+ 0.163ZX25

由表6可以看出，综合排名第一的是T5，第二名是T3，第三名是T4，主成分F1方差贡献率达60.32%，F1的前三位排名和综合主成分排名相同，表明枣烘焙风味成分最佳的处理首先是150℃、0.8g树脂、60min烘箱加热、泵流速为5mL/s，洗脱用乙醚为10mL。其次是160℃，0.8g树脂、30min烘箱加热、泵流速为5mL/s，洗脱用乙醚为20mL。由于此两个处理的综合主成分值相差不大，分别为3.775和3.547，考虑到处理所需时间的关系，在实际应用中可以选用160℃，30min加热的处理为最佳处理。比较其他得分，T3＞T4＞T2＞T1表明在只有温度为变量的条件下，140～170℃范围内，最佳温度为160℃，其次为170、150℃，最后为140℃；T5＞T2表明在只有时间是变量的条件下，增加烘焙时间由0.5h至1h会使综合模型分数增加；T2＞T8，表明只有洗脱剂为变量的条件下，增加洗脱剂用量由10mL增加到20mL会使综合模型分数增大，即洗脱剂的足够量是重要的；T6＞T8表明只有树脂克数为变量的条件下，树脂克数增加（由0.6～0.8g）而洗脱剂用量不变（均为10mL）会使综合模型分数减小，即树脂的克数和洗脱剂的用量应成比例关系增加或者减少；T8＞T7表明只有泵流速为变量的条件下泵流速由3mL/s升到5mL/s会使综合模型分数增加。

表6　综合主成分值Table 6　Integrated value of the principal component

需要关注一点，本研究的烘焙香气物质评价是以产生的挥发性化合物的相对含量为依据的统计分析结果，然而不同化合物的感官贡献其实是十分微妙的，所以含量分析结果应该与香气的感官评价平行进行，以期能更好的反应产品的质量，这些工作还有待进一步尝试。

3　结论

采用气相色谱-质谱联用结合谱库检索，从枣烘焙挥发性组分中初步鉴定出25种化合物，其中有17种是新报道的化合物。采用主成分分析法对不同烘焙处理方法的香气组分的含量进行了统计评价，结果表明糠醛、2-糠醇、5-甲基-2（3H）-呋喃酮、3-环戊烯-1，4-二酮、2-乙酰基呋喃、丁内酯、2-呋喃酮、5-甲基-2-（5H）-呋喃酮、5-甲基-2-糠醛、2-呋喃甲醇乙酸酯、2，3-二氢-3，5-二羟基-6-甲基-4H-吡喃-4-酮、5-羟甲基-2-糠醛、5-乙酰基甲酯-2-糠醛是阜平枣的主要烘焙风味物质，综合主成分值结果表明T5处理的效果优于其他处理，各处理的排序依次为：T5＞T3＞T4＞T6＞T2＞T8＞T7＞T1。这些结果为枣烘焙工艺参数的改进及后续研究提供了更为客观的依据。

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Volatile components of baking jujuba identified by GC-MS and pincipal component analysis

CUI Can，GAO Zhe，LI Xi-yue，AN Xiao-nan，WANG Yang，CUI Tong*
（College of Food Science and Technology，Agricultural University of Hebei，Baoding 071000，China）

By macroporous resin adsorption and gas chromatography-mass spectrometry analysis the volatile components of the Fuping roasting jujube，preliminary identification of 5-methyl-2-furfural and other 25 kinds of volatile compounds.Different baking temperature and baking time，the amount of resin，the pump flow rate and eluent of the eight differents baking treatments were compared using principal component analysis，the results of which to established the evaluation model，identified three main principal components，cumulative contribution rate was 93.73%.Based on the model evaluate eight baking process，the best treatment conditions：150℃，60min of oven heating，0.8g resin，the pump flow rate of 5mL/s，elution ether dosage was 10mL.

jujube；baking；volatile components；principal component analysis；gas chromatography-mass spectrometry

TS201.1

A

1002-0306（2015）12-0065-06

10.13386/j.issn1002-0306.2015.12.005

2014－09－12

崔璨（1989-），男，在读硕士研究生，研究方向：食品加工与安全。

崔同（1956-），男，博士，教授，研究方向：天然产物（水果）生物活性成分研究及保健食品开发。

国家林业公益性行业科研专项（201304708）。