基于气相离子迁移谱的热处理对催熟香蕉的挥发性物质分析

王海波; 邓宝仲; 吴榕榕; 沈玲儿; 郭嘉怡; 任芳

doi:10.3969/j.issn.1000-2561.2020.06.022

热带作物学报 >

2020 , Vol. 41 >Issue 6: 1227 - 1233

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-2561.2020.06.022

农产品加工、保鲜、贮藏与分析检测

基于气相离子迁移谱的热处理对催熟香蕉的挥发性物质分析

王海波 ¹ ,
邓宝仲 ¹ ,
吴榕榕 ¹ ,
沈玲儿 ¹ ,
郭嘉怡 ¹ ,
任芳 ²

展开

1.广东食品药品职业学院,广东广州 510520
2.山东海能科学仪器有限公司,山东德州 251500

王海波（1981—）,男,博士,教授,研究方向:果蔬保鲜技术,E-mail: haibovip@126.com。

收稿日期: 2019-08-13

要求修回日期: 2019-09-23

网络出版日期: 2020-07-30

基金资助

广东省自然科学基金项目(2018A030313080)

广州市科技计划项目(201804010491)

广东省教育厅特色创新项目(2017GKTSCX029)

版权

收起

Analysis of Volatile Compounds in Ripening Bananas by Heat Treatment Based on Gas Chromatography-ion Mobility Spectrometry

WANG Haibo ¹ ,
DENG Baozhong ¹ ,
WU Rongrong ¹ ,
SHEN Linger ¹ ,
GUO Jiayi ¹ ,
REN Fang ²

Expand

1. Guangdong Food and Drug Vocational College, Guangzhou, Guangdong 510520, China
2. Shandong Hanon Subsidiary Company, Dezhou, Shandong 251500, China

Received date: 2019-08-13

Request revised date: 2019-09-23

Online published: 2020-07-30

Copyright

Copyright reserved © 2020. Office of Acta Agronomica Sinica All articles published represent the opinions of the authors, and do not reflect the official policy of the Chinese Medical Association or the Editorial Board, unless this is clearly specified.

Fold

摘要

以香蕉果实为试验材料,利用热激、低温和催熟处理采后香蕉果实,采用气相离子迁移谱检测香蕉的挥发性物质,研究热处理对催熟香蕉果实挥发性物质的影响。结果表明:与对照相比,7 ℃ 6 d+催熟3 d和H+7 ℃ 6 d+催熟3 d 2个处理均明显降低了糠醇、苯甲醛、4-甲基苯酚、己酸乙酯、二甲基二氧杂环酮、1-戊醇、己二酮、3-甲基丁酸、2-甲氧基苯酚、2-己醇、丁酸乙酯等组分的含量;相反,这2个处理均明显增加了丙醇、乙酸丙酯、戊酮-2,3-二酮、二甲基二硫、2,3-丁二醇、甲基吡嗪、3-甲基丁酸乙酯、α-蒎烯、1-辛烯-3-醇、二甘醇二甲醚、E-2-辛烯醛、E,Z-2,6-壬醛、顺式-3-己烯醇、辛酸、庚烷-2-酮等组分的含量。另外,H+7 ℃ 6 d+催熟3 d处理明显增加了羟基丙酮、3-甲基-3-丁烯-1-醇、3-甲基-2-丁醇等组分的含量。与7 ℃ 6 d+催熟3 d相比,H+7 ℃ 6 d+催熟3 d处理明显降低了三乙胺、苯酚、2-戊酮、2-戊基呋喃、癸醛、E-2-辛烯醛、甲硫基丙醛、2-己醇、2,3,5-三甲基吡嗪等组分的含量,导致这些组分含量与对照基本一致。进一步研究发现,热处理能明显降低7 ℃冷藏香蕉果实的冷害指数,减轻香蕉果实的冷害症状。热处理诱导催熟香蕉果实上述挥发性物质的变化,可能与热处理诱导香蕉果实产生抗冷性的过程密切相关。

关键词： 气相离子迁移谱; 热处理; 香蕉; 挥发性物质

本文引用格式

王海波 , 邓宝仲 , 吴榕榕 , 沈玲儿 , 郭嘉怡 , 任芳 . 基于气相离子迁移谱的热处理对催熟香蕉的挥发性物质分析[J]. 热带作物学报, 2020 , 41(6) : 1227 -1233 . DOI: 10.3969/j.issn.1000-2561.2020.06.022

Abstract

In this study, banana fruits were used as the experimental materials. Banana fruits were treated by heat shock, low temperature and ripening. The volatile substances of the banana fruits were detected by gas chromatography-ion mobility spectrometry. The effects of heat treatment on the volatile substances of ripening banana fruits were studied. The results showed that compared with the control group, the contents of furfuryl alcohol, benzaldehyde, 4-methylphenol, ethyl hexanoate, dimethyldioxanone, 1-pentanol, hexan-2-one, 3-methylbutanoic acid, 2-methoxyphenol, 2-hexanol and ethyl butanoate were significantly decreased in both treatments at 7 ℃ 6 d +ripening for 3 d and H+7 ℃ 6 d +ripening for 3 d. On the contrary, the contents of 1-propanol, propyl acetate, pentan-2,3-dione, dimethyl disulfide, 2,3-butanediol, methyl pyrazine, ethyl 3-methylbutanoate, alpha-pinene, 1-octene-3-ol, diethylene glycol dimethyl ether, E-2-octenal, E, Z-2,6-nonadienal, cis-3-hexenol, octanic acid and heptan-2-one were significantly increased at the two treatment. In addition, the content of hydroxyacetone, 3-methyl-3-buten-1-ol, 3-methyl-2-butanol and other components were significantly increased by H+7 ℃ 6 d +3 d ripening treatment. Compared with the treatment of 7 ℃ 6 d+3 d ripening, the treatment of H+7 ℃ 6 d +3 d ripening significantly reduced the contents of triethylamine, phenol, 2-pentanone, 2-pentyl furan, decanal, E-2-octenal, methional, 2-hexanol, 2,3,5-trimethylpyrazine and other components, resulting in the same content as the control. Further studies showed that heat treatment could significantly reduce the chilling injury index of banana fruits stored at 7 ℃ and alleviate the chilling injury symptoms of banana fruits. The changes of above volatile substances in ripening banana fruits induced by heat treatment may be closely related to the process of cold resistance induced by heat treatment.

Key words： gas chromatography-ion mobility spectrometry; heat treatment; banana; volatile compounds

香蕉是世界贸易量最大的水果之一,经济价值极高。但香蕉果实在贮藏温度低于12 ℃时会发生冷害现象,因此采用较低的温度来延长贮运期显得十分困难^[1]。热处理是提高采后果实抗冷性的有效方式之一^[2]。本课题组前期研究表明,热处理（52 ℃热水浸泡3 min）能有效提高采后香蕉果实的抗冷性^[3,4,5],但是具体的反应机理尚未明确。因此,研究热处理对催熟香蕉挥发性物质的影响,有利于进一步探索热处理提高香蕉抗冷性的机理。

香蕉挥发性物质常用的分析方法是首先采用顶空固相微萃取技术提取香蕉果实中的挥发性物质,然后利用气相色谱-质谱联用（gas chromatography-mass spectrometer,GC-MS）检测,并进行定性和定量分析^[6,7]。但是传统的GC-MS具有检测方法耗时长,且灵敏性不太高等缺点。近年来,气相离子迁移谱（gas chromatography-ion mobility spectrometry, GC-IMS）作为一种新的检测技术越来越受到人们的重视。GC-IMS融合了气相色谱高效的分离性能和离子迁移谱响应速度快、高灵敏度的优势,具有快速、灵敏、无需前处理、简单的优点,特别适合于挥发性有机化合物的检测^[8,9,10,11]。GC-IMS技术在食品风味分析和食品安全与检测等领域已经得到广泛的应用^[12,13,14]。近年来,GC-IMS技术也逐渐开始应用于水果和蔬菜检测中。例如,肖冬来等^[15]采用GC-IMS检测不同干香菇品种挥发性组分,发现不同香菇品种的指纹图谱差异较大。朱丽娜等^[16]利用GC- IMS检测轮南白杏果实在不同气调包装条件下风味物质的差异,找到了最适宜的气调包装条件。

香蕉果实常用GC-MS检测挥发性物质,目前尚无GC-IMS在香蕉果实检测中的报道,本研究利用GC-IMS研究热处理对催熟香蕉果实挥发性物质的影响,为进一步探讨热处理诱导香蕉产生抗冷性的机理打下基础。

1 材料与方法

1.1 材料

香蕉品种为‘巴西’（Musa spp. AAA Group cv. Cavendish）,采自广州市番禺香蕉园。挑选饱满度约7~8成的绿熟香蕉,运回实验室。挑选大小均匀、无病虫害、无机械损伤的单个香蕉,用0.1%漂白粉浸泡5 min,晾干备用。主要仪器设备:FlavourSpec^®气相离子迁移谱联用仪（德国G.A.S.公司）。

1.2 方法

1.2.1 试验设计对照处理:不做任何处理的香蕉果实。H+7 ℃ 6 d+催熟3 d处理:将香蕉果实一次性浸入热水中,温度为52 ℃,时间为3 min;热水处理后将香蕉果实置于7 ℃恒温箱中贮藏6 d,取出利用0.5%乙烯利催熟后置于20 ℃恒温箱中贮藏3 d。7 ℃ 6 d+催熟3 d处理:香蕉果实在7 ℃恒温箱中贮藏6 d,取出利用0.5%乙烯利催熟后置于20 ℃恒温箱中贮藏3 d。取香蕉中部果皮用液氮冷冻置于-80 ℃冰箱保存备用。H+7 ℃ 6 d+催熟3 d处理香蕉57个,7 ℃ 6 d+催熟3 d处理香蕉57个,对照处理香蕉27个,每处理3个重复。

1.2.2 指标测定（1）GC-IMS测定方法。每个样品取2.0 g置于20 mL顶空进样瓶中,45 ℃孵化10 min, 经顶空进样,采用FlavourSpec^®气相离子迁移谱联用仪进行测试。

（2）顶空进样条件。顶空进样体积:200 μL;孵育时间:10 min;孵育温度:45 ℃;进样针温度:55 ℃;孵化转速:500 r/min。

（3）GC-IMS条件。色谱柱类型:FS-SE-54- CB-1 15 m ID:0.53 mm;分析时间:20 min;柱温:40 ℃;载气/漂移气:高纯氮气（纯度≥ 99.999%）;IMS探测器温度:45 ℃;流速:E1（漂移气流速）为:150 mL/min,E2（气相载气流速）:初始2 mL/min,保持2 min后在8 min内增至20 mL/min,接着在10 min内增至100 mL/min。

（4）果实冷害指数的测定。冷害指数参考Kondo等^[17]的方法,稍作修改。每次取10个香蕉果实测定,香蕉果实果皮冷害症状分为5级,分级标准为:0级,果皮呈亮绿色,没有冷害症状;1级,有轻微水渍状冷害斑,占果皮总面积25%以下;2级,冷害面积占果皮总面积的比例小于50%;3级,冷害面积占果皮总面积的比例小于75%;4级,冷害面积占果皮总面积的75%以上。计算公式为:冷害指数(CID)=(0N₀+1N₁+2N₂+3N₃+ 4N₄)/(4N_T)。式中N₀~N₄分别为相应级别冷害的果皮数;N_T为观察果皮的总数。

1.3 数据处理

采用LAV（Laboratory Analytical Viewer）软件来绘制挥发性有机物的差异图谱和指纹图谱;采用LAV软件内置的NIST数据库和IMS数据库对挥发性物质进行定性分析。柱状图采用Excel软件制作,并进行单因素方差（One-Way ANOVA）分析。

2 结果与分析

2.1 热处理对催熟香蕉果皮挥发性物质的差异图谱分析

利用LAV软件绘制差异图谱,差异图谱中的每个红色点代表1种物质,颜色越深,点越大代表其含量越高。从图1可知,7 ℃ 6 d+催熟3 d处理的香蕉果实挥发性物质种类和含量最多,H+7 ℃ 6 d+催熟3 d处理的挥发性物质种类和含量次之,对照的最少。这说明香蕉果实经过7 ℃ 6 d和催熟3 d后,其挥发性物质种类和含量都大大增加。如果香蕉果实先经过热处理,再进行7 ℃ 6 d和催熟3 d,则减少了一些挥发物质的种类和含量。

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图1 香蕉果皮中挥发性物质的气相离子迁移谱

Fig. 1 GC-IMS topographic plots of volatile substances in banana peel

2.2 热处理对催熟香蕉果皮挥发性物质的指纹图谱分析

为了找出不同处理在哪些挥发性物质存在差异,利用LAV软件绘制了香蕉果皮挥发性物质的指纹图谱。由于整个原始图中的组分太多,难以在1个图中展示,所以本研究截取其中4段差异比较明显的区域来进行分析,见图2、图3、图4和图5。通过分析,发现香蕉果皮产生了150种挥发性物质,根据已有数据库进行比对,确定了50种已知成分,未知成分100种。

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图2 香蕉果皮中挥发性物质的的指纹图谱-1

Fig. 2 Fingerprint of volatile substances in banana peel-1

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图3 香蕉果皮中挥发性物质的的指纹图谱-2

Fig. 3 Fingerprint of volatile substances in banana peel-2

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图4 香蕉果皮中挥发性物质的的指纹图谱-3

Fig. 4 Fingerprint of volatile substances in banana peel-3

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图5 香蕉果皮中挥发性物质的的指纹图谱-4

Fig. 5 Fingerprint of volatile substances in banana peel-4

从图2可知,与对照相比,7 ℃ 6 d+催熟3 d和H+7 ℃ 6 d+催熟3 d 2个处理均明显降低了糠醇（furfuryl alcohol）、苯甲醛（benzaldehyde）、4-甲基苯酚（4-methylphenol）、己酸乙酯（ethyl hexanoate）、二甲基二氧杂环酮（dimethyldioxolone）、1-戊醇（1-pentanol）、己二酮（hexan-2-one）、3-甲基丁酸（3-methylbutanoic acid）、2-甲氧基苯酚（2-methoxyphenol）、2-己醇（2-hexanol）、丁酸乙酯（ethyl butanoate）等组分的含量。

从图3可知,与对照相比,7 ℃ 6 d+催熟3 d和H+7 ℃ 6 d+催熟3 d 2个处理均明显增加了丙醇（1-propanol）、乙酸丙酯（propyl acetate）、戊酮-2,3-二酮（pentan-2,3-dione）、二甲基二硫（dimethyl disulfide）、2,3-丁二醇（2,3-butanediol）、甲基吡嗪（methylpyrazine）、3-甲基丁酸乙酯（ethyl 3-methylbutanoate）、α-蒎烯（alpha-pinene）、1-辛烯-3-醇（1-octene-3-ol）、二甘醇二甲醚（diethylene glycol dimethyl ether）、E-2-辛烯醛（E-2-octenal）、E-Z-2,6-壬醛（E-Z-2,6-nonadienal）、顺式-3-己烯醇（cis-3-hexenol）、辛酸（octanoic acid）、庚烷-2-酮（heptan-2-one）等组分的含量。

从图4可知,7 ℃ 6 d+催熟3 d处理明显增加了三乙胺（triethylamine）、苯酚（phenol）、2-戊酮（2-pentanone）、2-戊基呋喃（2-pentyl furan）、癸醛（decanal）、E-2-辛烯醛（E-2-octenal）、甲硫基丙醛（methional）、2-己醇（2-hexanol）、2,3,5-三甲基吡嗪（2,3,5-trimethylpyrazine）等组分的含量。而H+7 ℃ 6 d+催熟3 d处理的各组分含量与对照差异不大。

从图5可知,H+7 ℃ 6 d+催熟3 d处理增加了羟基丙酮（hydroxyacetone）、3-甲基-3-丁烯-1-醇（3-methyl-3-buten-1-ol）、3-甲基-2-丁醇（3- methyl-2-butanol）等组分的含量。而7 ℃ 6 d+催熟3 d处理的各组分含量与对照差异不大。

2.3 热处理对香蕉果实冷害指数的影响

从图6可看出,香蕉果实在7 ℃下4 d即开始出现比较明显的冷害症状,而经过热处理的香蕉果实在7 ℃下4 d的冷害指数很低。香蕉果实在7 ℃下6 d的冷害指数很高,冷害症状严重,而热处理的香蕉果实的冷害指数明显低于对照处理。这说明热处理明显增强了香蕉果实的抗冷性。

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图6 热处理对冷藏香蕉果实冷害指数的影响

图中*代表不同处理间差异显著（P<0.05）。

Fig. 6 Effect of heat treatment on the chilling injury index of banana fruit during cold storage

* represents significant differences between the two treatments at 0.05 level.

香蕉果实经过7 ℃ 6 d再催熟3 d后,果实不能完全褪绿转黄成熟,而H+7 ℃ 6 d+催熟3 d处理的香蕉果实能正常转黄成熟。

3 讨论

与GC-MS相比,GC-IMS法样品处理和分析的温度更低,能够检测到一些热稳定性差的挥发性物质^[18,19]。本研究利用GC-IMS得到的检测结果,能够非常直观地显示出热处理对催熟香蕉果实产生的影响和变化。

目前,人们已经对香蕉果实的挥发性物质进行了大量的研究^{[6-7, 20-21]},发现香蕉果实的挥发性物质约250余种,主要是酯类和醛类,其中酯类物质含量最高,还有少量醇类、酮类、酸类和烃类等化合物。本研究结果表明,7 ℃ 6 d+催熟3 d和H+7 ℃ 6 d+催熟3 d 2个处理均明显降低了糠醇、苯甲醛、4-甲基苯酚、己酸乙酯、二甲基二氧杂环酮、1-戊醇、己二酮、3-甲基丁酸、2-甲氧基苯酚、2-己醇、丁酸乙酯等组分的含量。这说明香蕉果实经过7 ℃低温6 d和催熟3 d后,能明显减少以上组分的含量。相反,这2个处理均明显增加了丙醇、乙酸丙酯、戊酮-2,3-二酮、二甲基二硫、2,3-丁二醇、甲基吡嗪、3-甲基丁酸乙酯、α-蒎烯、1-辛烯-3-醇、二甘醇二甲醚、E-2-辛烯醛、E-Z-2,6-壬醛、顺式-3-己烯醇、辛酸、庚烷-2-酮等组分的含量。该结果表明,无论是否经过热处理,7 ℃低温6 d和催熟3 d都能明显增加以上组分的含量。申建梅等^[22]利用固相微萃取技术（SPME）收集香蕉挥发性物质,采用GC-MS分析成熟香蕉与未成熟香蕉的挥发性物质,结果表明,成熟与未成熟香蕉的挥发性物质在种类和含量上存在明显差异,这与本研究的结果一致。朱虹等^[6]对不同成熟阶段的香蕉香气成分进行了研究,发现在绿熟阶段,香蕉挥发性物质主要是醛类,酯类非常少,而在黄熟阶段,酯类明显增加,如乙酸酯和丁酸酯类是主要成分。本研究结果说明香蕉果实黄熟后的挥发性物质种类发生了改变,且产生了大量新的香气物质,这与朱虹等^[6]在香蕉果实中的研究结论一致,另外,鉴于GC-IMS的灵敏度较高,本研究中香蕉在黄熟期挥发性成分的种类与之前报道的有不同之处,可以作为前人研究的一个补充。类似地,黎源^[23]研究证实,‘巴西’香蕉果实黄熟阶段香气物质有酯、醛、醇、酮类物质。其中,酯类和醛类物质的含量占绝大多数。‘巴西’香蕉果实在黄熟阶段物质的不同时间点香气种类和含量差异不大,酯类、醛类物质分别呈上升和下降趋势。进一步研究发现,3月份成熟的‘巴西’香蕉果实和9月份成熟的‘巴西’香蕉果实的香气物质的种类和含量也存在较大差异。

另外,在指纹图谱图2、图3、图4、图5中,仍有一些以数字标记的未知组分。这是因为GC-IMS定性依据是基于GC-IMS数据库,GC- IMS数据库是利用离子迁移时间和气相保留指数来进行二维定性,但由于在水果蔬菜保鲜领域中,IMS数据库的信息还不完善,导致本研究中检测到的150种组分中,只有50种挥发性组分有迁移时间,所以只能得到50种挥发性组分的定性结果,对于剩下的100种挥发性组分,有待于后续进一步研究。

热处理对催熟香蕉果实挥发性物质的影响与其他处理存在很大差异。例如,与对照和7 ℃ 6 d+催熟3 d处理相比,H+7 ℃ 6 d+催熟3 d处理明显增加了羟基丙酮、3-甲基-3-丁烯-1-醇、3-甲基-2-丁醇等组分的含量。另外,与7 ℃ 6 d+催熟3 d相比,H+7 ℃ 6 d+催熟3 d处理明显降低了三乙胺、苯酚、2-戊酮、2-戊基呋喃、癸醛、E-2-辛烯醛、甲硫基丙醛、2-己醇、2,3,5-三甲基吡嗪等组分的含量,导致这些组分含量与对照基本一致。进一步研究发现,热处理能明显降低香蕉果实在7 ℃低温冷藏中的冷害指数,减轻香蕉果实冷害症状的发生。

综上所述,热处理诱导催熟香蕉果实中上述挥发性物质的变化,可能与热处理诱导香蕉果实产生抗冷性的过程密切相关。

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原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序

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