CN111398470A - 一种基于香气物质指纹图谱的gc-ims梨果产地区分方法 - Google Patents

一种基于香气物质指纹图谱的gc-ims梨果产地区分方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于香气物质指纹图谱的GC‑IMS梨果产地区分方法。本发明采用顶空气相色谱‑离子迁移谱联用仪对不同产地梨果进行检测，得到GC‑IMS样本数据，并通过仪器自带的LAV分析软件及GC×IMS Library Search Software定性软件对GC‑IMS样本数据进行统计分析，得到各产地梨果的挥发性香气成分的GC‑IMS指纹图谱进行梨果产地区分。本发明应用GC‑IMS技术对不同产地梨果中复杂香气物质进行采集和痕量分析，为梨果的产地区分提供较为全面的指纹信息，实现不同产地梨果的快速、准确产地区分，为梨果产地鉴别及溯源提供理论依据和数据支持。

Description

一种基于香气物质指纹图谱的GC-IMS梨果产地区分方法
技术领域
本发明涉及一种基于香气物质指纹图谱的气相色谱-离子迁技术(GC-IMS)的梨果产地区分方法，属于食品科学、分析化学领域。
背景技术
作为梨起源中心之一，我国具有丰富的梨种质资源，在世界梨产业中占有重要地位。近几年，无论栽培面积还是产量都迅速发展，梨属新品种也在逐年增加。但却存在梨果的品质参差不齐，优势品牌发展受限的现象。果实香气可以客观反映果实的风味特性及成熟程度，同时直接决定着果实及其加工品的品质，显著影响其市场竞争力。
据报道，挥发性风味物质的分析鉴定，不仅有助于了解梨果中的香气化学组成，而且对于品质控制、产地、品种及年份等因素的影响判别具有重要意义。目前，报道的梨果产地区分及溯源方法主要是依据元素分析进行，此类方法前处理复杂，耗费时间较长；若没有元素分析经验，结果判断的准确性会下降。现有文献中几乎没有通过香气物质的差异进行产地判定的方法。
气相-离子迁移谱技术(GC-IMS)是气相色谱和离子迁移谱联用的技术。GC-IMS稳定性好，无需真空，无须前处理，灵敏度高，结合了快速气相色谱技术和离子迁移谱的超灵敏度，能够在固体和液体样本的顶部空间检测挥发性有机化合物。由此，本研究应用GC-IMS技术对不同产地梨果中复杂香气物质进行采集和痕量分析，为梨果的产地区分提供较为全面的指纹信息，实现不同产地梨果的快速、准确产地区分，为梨果产地鉴别及溯源提供理论依据和数据支持。
发明内容
本发明的目的在于克服现有分析方法的缺陷，为梨果提供一种快速、有效的产地区分方法。本发明应用GC-IMS技术对不同产地梨果中复杂香气物质进行采集和痕量分析，为梨果的产地区分提供较为全面的指纹信息，实现不同产地梨果的快速、准确产地区分，为梨果产地鉴别及溯源提供理论依据和数据支持。
本发明的技术方案是：一种基于香气物质指纹图谱的GC-IMS梨果产地区分方法，其特征是，
1)采用顶空气相色谱-离子迁移谱联用仪对不同产地梨果进行检测，得到GC-IMS样本数据，并通过仪器自带的LAV分析软件及GC×IMS Library Search Software定性软件对GC-IMS样本数据进行统计分析，得到各产地梨果的挥发性香气成分的GC-IMS指纹图谱，建立GC-IMS指纹图谱的数据库；
2)采用步骤1)同样的仪器条件对待测梨果样品进行检测，获得挥发性香气成分的GC-IMS指纹图谱；
3)采用下述方法的任一种来确认梨果产地；
A、待测梨果和数据库中各产地梨果的GC-IMS指纹图谱进行比对分析确认梨果产地；
B、提取待测梨果和数据库中各产地梨果的GC-IMS指纹图谱的离子峰图，共同绘制GalleryPlot图进行比对分析确认梨果产地；
C、对待测梨果和数据库中各产地梨果挥发性香气物质的相对含量进行主成分分析；根据梨果主成分得分共同绘制散点图进行比对来确认梨果产地；
D、对待测梨果和数据库中各产地梨果挥发性香气物质的相对含量进行R语言分析，得到香气物质匹配矩阵图，根据不同产地翠冠梨果的相似性来确认梨果产地。
进一步的，所顶空气相色谱-离子迁移谱联用仪测定条件：
HS-GC：1g样品(梨果粉碎，取果肉1g)于20ml顶空进样瓶中，40℃孵化20min，经顶空进样200μL用气相-离子迁移谱仪进行测试，载气N2，进样针温度45℃，色谱柱FS-SE-54-CB-1(15m，ID:0.53mm)，固定液液膜厚度：1μm，载气流量0～2min，2mL/min；2～20min，2～100mL/min。
IMS：漂移管长度：98mm；管内线性电压：500V/cm；漂移管温度：45℃；漂移气N2；漂移气流速：150mL/min；放射源：β射线(氚，3H)；离子化模式：正离子。
进一步的，本申请的方法适用于一般梨果，本实施例采用翠冠梨，其挥发性香气物质的种类有43种，具体组分如表1所示。
本发明的有益效果：
(1)通过对梨果芳香物质全谱信息分析，比较全面挖掘梨果挥发性芳香物质信息，在主成分分析的基础上，本发明引入R语言矩阵相似度分析进行验证分析，双重验证保证分析结果的准确度，建立基于香气物质指纹图谱的梨果产地区分方法；
(2)与现有技术相比，本发明的优点在于：不经过样品前处理的条件下，可较为全面、快速、准确的测定梨果的香气成分，可高效区分梨果产地，实现了梨果产地的识别分析。
(3)本发明方法简单、快速、准确、分离度高、准确度与辨识度高，可实现梨果的产地的辨别，对于保护梨果区域品牌、促进梨果优质生产具有重要意义。
(4)从图1-5可以看出：本发明的HS-GC-IMS方法及测定条件确保了各香气物质之间良好的分离度以及不同产地梨果的区分度，从而为梨果的大数据甄别及产地溯源提供理论依据和数据支撑。
本发明的技术思想在于提供一种基于梨果香气成分的产地辨别方法，该方法通过应用GC-IMS，能较为全面、准确的测定梨果的香气成分，在无样品前处理的条件下便可快速、准确检测梨果中的挥发性香气成分，通过双重验证可靠分析辨别梨果的产地，为梨果产地的鉴定提供了一种可行性的测试方法和理论依据。
本发明实施例提供的方法可用于不同品种梨果的产区区分。
附图说明
图1翠冠梨的挥发性有机物定性分析图(样品来源CQ)；
图2不同产地翠冠梨的GC-IMS三维谱图；
图3不同产地翠冠梨的Gallery Plot图；
图4不同产地翠冠梨果的主成分得分图；
图5不同产地翠冠梨果香气物质匹配矩阵图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例，实施例不应视作对本发明保护范围的限定。
1材料与方法
1.1材料与设备
材料：翠冠梨果分别采于福建(FJ)、徐州(XZ)、南昌(NC)、武汉(WH)、宿州(AH)、及重庆(CQ)等6地。
设备：
Figure BDA0002444263050000031
HS-GC-IMS食品风味分析与质量控制系统(配有CTC自动顶空进样器、Laboratory Analytical Viewer(LAV)分析软件及GC×IMS Library SearchSoftware定性软件)，德国G.A.S公司。
1.3HS-GC-IMS测定条件：
HS-GC：1g样品(翠冠梨果粉碎，取果肉1g)于20ml顶空进样瓶中，40℃孵化20min，经顶空进样200μL用气相离子迁移谱仪
Figure BDA0002444263050000032
进行测试，载气N2(纯度≥99.999％)，进样针温度45℃，色谱柱FS-SE-54-CB-1(15m，ID:0.53mm)，固定液液膜厚度：1μm，载气流量0～2min，2mL/min；2～20min，2～100mL/min。
IMS：漂移管长度：98mm；管内线性电压：500V/cm；漂移管温度：45℃；漂移气N2(纯度≥99.999％)；漂移气流速：150mL/min；放射源：β射线(氚，3H)；离子化模式：正离子。
1.4数据处理
经LAV和GC×IMS Library Search Software软件分析得出样品中挥发性有机物(Volatile Organic Compounds,VOCs)的差异谱图，并建立匹配矩阵，利用NationalInstitute of Standards and Technology(NIST)数据库和IMS数据库对物质定性分析。采用SPSS.22进行Principal Components Analysis(PCA)分析、采用R语言软件进行相似度分析。
2结果与分析
2.1翠冠梨果挥发性香气物质离子迁移图谱
翠冠梨中挥发性香气成分的GC-IMS指纹图谱，见图1。图1中纵坐标为气相保留时间(Retention time，Rt)，横坐标为漂移时间(drift time，Dt)。图谱中左侧一条竖线为反应离子峰(Reactant Ion Peak，RIP，Dt约为7.81-7.89ms)。RIP右侧的每一个点代表一种香气物质。颜色代表物质的浓度，蓝色(背景色)表示浓度较少，红色(编号中心的深色)表示浓度较大，颜色越深表示浓度越大。整个谱图即代表了样品的顶空成分。经离子迁移时间和保留指数确定翠冠梨果中主要香气物质如下，见表1。表中显示，翠冠梨中共鉴定挥发性香气物质43种，主要为酯类物质；醇类、醛类及酮类物质的种数分别为6种、3种、2种。
表1翠冠梨果中主要香气物质
Figure BDA0002444263050000041
Figure BDA0002444263050000051
2.2不同产地翠冠梨果中的挥发性香气物质的指纹图谱对比
2.2不同产地翠冠梨果中的挥发性香气物质的指纹图谱对比
6地翠冠梨果的GC-IMS三维指纹图谱如图2，通过对比6地翠冠梨，可清晰看到徐州(XZ)和福建(FJ)两地梨果与其他四地差异较为明显，有些物质虽具有相同保留时间和漂移时间，但累积含量上具有明显不同。基于LAV软件的Gallery Plot插件筛选出具有明显变化规律的翠冠梨果中香气物质的离子峰图(见图3)，6地翠冠梨果种共有香气物质43种，但含量不同。图中每两行为一个梨果样品(每个样品做2个平行)，每一列表示同一保留时间及漂移时间下的有机物(不同样品中相同的物质)的信号峰。由图中每种样品的完整挥发性有机物信息也可以看出不同产地样品之间挥发性有机物具有明显差异。梨共有的香气物质主要为酯类、还有少量醛类、醇类及酮类物质；FJ与AH样品中风味物质的浓度明显低于其它样品；XZ样品中醇类物质与醛类物质浓度较高；FJ与NC样品中酮类物质浓度较高；CQ样品中的酯类物质浓度高于XZ、WH、NC，明显高于AH与FJ。6地翠冠梨果中各类香气物质所占比例因梨果产地不同而不同。
2.3不同产地翠冠梨果的主成分分析
通过SPSS 22.0软件对6地翠冠梨样品43个挥发性物质的相对含量进行PCA，分析得到各主成分的特征值、方差贡献率、累积方差贡献率见表2。从表2可知，特征值大于1的共6个主成分，总方差99.71％的贡献率来自前6个主成分，其累计贡献率依次为43.54％、63.62％、77.31％、85.90％、94.19％和99.71％；说明6个主成分反映了原始变量的绝大部分信息。
表2主成分方差贡献率
Figure BDA0002444263050000061
由载荷得分表(表3)，可知PC1中载荷较高的正影响挥发性物质主要有2-甲基丁酸乙酯、戊酸乙酯、丁酸甲酯、2-甲基丙酸乙酯、己酸乙酯、己酸己酯、丁酸乙酯、庚酸乙酯、2-甲基丁酸甲酯，2-甲基丁酸乙酯的载荷量最高为0.977；载荷较高的负影响挥发性物质有乙酸丁酯，其载荷量为0.986。PC2中载荷较高的正影响挥发性物质主要有乙酸丙酯、3-甲基丁酸乙酯、3-甲基丁醛、乙醇，其中乙酸丙酯的载荷量最高为0.958；PC3载荷较高的正影响挥发性物质主要有壬醛，载荷量为0.844，载荷较高的负影响挥发性物质有乙酸己酯、正己醇，其中乙酸己酯的载荷量最高为0.905。
上述物质为不同产地翠冠梨果产区区分的主要贡献者。通过每地梨果主成分得分绘制散点图(图4)发现，6地梨果产区辨别度较高，均能良好区分。
表3载荷得分表
Figure BDA0002444263050000071
Figure BDA0002444263050000081
2.4不同产地翠冠梨果相似性分析
匹配矩阵可以更为直观反映样品之间差异和区分度，颜色越靠近红色，匹配度高，表示相似程度越高，区分度越低。通过R语言分析，得到不同产地翠冠梨果香气物质匹配矩阵图，如图5。从香气成分差异上看，匹配度≥95％(红色区域)，6地翠冠梨果各自仅与同产地梨果相匹配，当匹配度在85％～90％时(橙色区域)，样品中仅有约10％～15％的不同特征成分或成分含量明显差异，此时6地样品之间差异明显，具有较高辨识性，表明通过HS-GC-IMS指纹特征谱图中细微特征成分分析可以精确6地翠冠梨。当匹配度大于80％时，FJ、AH及CQ样品中的香气特征指纹与其他样品差异明显，仍有较高识别性。NC、AH、WH也能较好辨识，仅分别和WH、WH、NC与AH有一定的相似性。
3结论
本研究以6地翠冠梨果为原料，基于HS-GC-IMS分析了它们之间香气物质的差异性。从指纹图谱、PCA及匹配矩阵分析可以看出，通过指纹图谱中细微特征成分，HS-GC-IMS可精确辨识翠冠梨果的产区；建立基于香气指纹信息的翠冠梨果产地区分方法，为梨果的大数据甄别及产地溯源提供理论依据和数据支撑。

Claims (7)

1.一种基于香气物质指纹图谱的GC-IMS梨果产地区分方法，其特征是，
1)采用顶空气相色谱-离子迁移谱联用仪对不同产地梨果进行检测，得到GC-IMS样本数据，并通过仪器自带的LAV分析软件及GC×IMS Library Search Software定性软件对GC-IMS样本数据进行统计分析，得到各产地梨果的挥发性香气成分的GC-IMS指纹图谱，建立GC-IMS指纹图谱的数据库；
2)采用步骤1)同样的仪器条件对待测梨果样品进行检测，获得挥发性香气成分的GC-IMS指纹图谱；
3)采用下述方法的任一种来确认梨果产地；
A、待测梨果和数据库中各产地梨果的GC-IMS指纹图谱进行比对分析确认梨果产地；
B、提取待测梨果和数据库中各产地梨果的GC-IMS指纹图谱的离子峰图，共同绘制GalleryPlot图进行比对分析确认梨果产地；
C、对待测梨果和数据库中各产地梨果挥发性香气物质的相对含量进行主成分分析；根据梨果主成分得分共同绘制散点图进行比对来确认梨果产地；
D、对待测梨果和数据库中各产地梨果挥发性香气物质的相对含量进行R语言分析，得到香气物质匹配矩阵图，根据不同产地翠冠梨果的相似性来确认梨果产地。
2.如权利要求1所述的一种基于香气物质指纹图谱的GC-IMS梨果产地区分方法，其特征是，所顶空气相色谱测定条件：1g样品于20ml顶空进样瓶中，40℃孵化20min，经顶空进样200μL用气相-离子迁移谱仪进行测试，载气N2，进样针温度45℃，色谱柱FS-SE-54-CB-1，固定液液膜厚度：1μm，载气流量0～2min，2mL/min；2～20min，2～100mL/min。
3.如权利要求2所述的一种基于香气物质指纹图谱的GC-IMS梨果产地区分方法，其特征是，所述色谱柱规格：15m，ID:0.53mm。
4.如权利要求2所述的一种基于香气物质指纹图谱的GC-IMS梨果产地区分方法，其特征是，所述离子迁移谱测定条件：漂移管长度：98mm；管内线性电压：500V/cm；漂移管温度：45℃；漂移气N2；漂移气流速：150mL/min。
5.如权利要求4所述的一种基于香气物质指纹图谱的GC-IMS梨果产地区分方法，其特征是，所述放射源：β射线，氚，3H；离子化模式：正离子。
6.如权利要求1-5中任一项所述的一种基于香气物质指纹图谱的GC-IMS梨果产地区分方法，其特征是，所述梨果为翠冠梨。
7.如权利要求6所述的一种基于香气物质指纹图谱的GC-IMS梨果产地区分方法，其特征是，所述翠冠梨挥发性香气物质的种类有43种，具体组分为：壬醛、芳樟醇、乙酸己酯单体、乙酸己酯二聚体、己酸乙酯单体、己酸乙酯二聚体、甲基庚烯酮、异己酸乙酯、苯甲醛、己酸甲酯单体、己酸甲酯二聚体、乙酸戊酯单体、乙酸戊酯二聚体、戊酸乙酯单体、戊酸乙酯二聚体、(E)-2-己烯醇单体、(E)-2-己烯醇二聚体、正己醇单体、正己醇二聚体、丁酸乙酯单体、丁酸乙酯二聚体、乙酸丁酯单体、乙酸丁酯二聚体、2-甲基丁酸乙酯单体、2-甲基丁酸乙酯二聚体、3-甲基丁酸乙酯单体、3-甲基丁酸乙酯二聚体、2-甲基丙酸乙酯单体、2-甲基丙酸乙酯二聚体、丙酸乙酯、丁酸甲酯、乙酸乙酯、乙醇、丙酮、3-甲基丁醛、甲酸乙酯、乙酸丙酯、2-甲基丁酸甲酯、苯甲酸甲酯、苯甲酸乙酯、庚酸乙酯、壬酸乙酯和γ-丙位辛内酯。
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