不同品種紅棗香氣分析與評價

賈宇堯，石然啟，高京草，吐爾遜阿依·達(dá)吾提，哈力娜·哈麥拉，韓剛*

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 園藝學(xué)院，陜西 楊凌 712100；3.新疆林業(yè)學(xué)校，新疆 烏魯木齊 830026）

棗（Ziziphus jujuba Mill.）是我國特有的經(jīng)濟(jì)林果，已有7 000 多年的栽培利用歷史，品種資源非常豐富，達(dá)700 多個，主要被制成紅棗（即干棗）消費利用，為我國第一大干果經(jīng)濟(jì)林樹種[1-2]。新疆南疆因日照時間長、晝夜溫差大、降雨量少等氣候特點，生產(chǎn)的紅棗品質(zhì)優(yōu)異，成為我國最大的紅棗種植生產(chǎn)區(qū)，種植面積達(dá)44.5 萬hm2，占全國的60%左右[3]。近年來，隨著紅棗市場需求飽和，價格跌落，消費者及加工企業(yè)對紅棗的選擇也提出了更高要求，更加注重紅棗的風(fēng)味特性，而其中的紅棗香氣由于首先通過嗅覺感知，成為風(fēng)味評價的重要指標(biāo)[4]。眾多研究發(fā)現(xiàn)，紅棗香氣由大量揮發(fā)性化合物（volatile organic compounds，VOCs）混合構(gòu)成，主要包括酯類、酸類、醇類、醛類、酮類及烴類等物質(zhì)[4]。目前，相關(guān)研究多從干制方式[5]、貯藏條件[6]和成熟度[7]等方面探討對紅棗香氣的影響，僅少量研究關(guān)注于紅棗香氣的關(guān)鍵揮發(fā)性成分[8]，而相較于金橘、檸檬、西梅及藍(lán)莓等果實，對紅棗關(guān)鍵呈香物質(zhì)及品種間差異香氣成分的比較研究較少[9-11]，尤其關(guān)于紅棗關(guān)鍵氣味活性物質(zhì)及香氣評價均鮮有報道。此外，紅棗揮發(fā)性化合物因其獨特的香氣而廣泛應(yīng)用于食品、天然香精香料等行業(yè)[12]。

為深入了解不同品種紅棗的香氣成分及其差異，科學(xué)評價紅棗香氣品質(zhì)，必須對其揮發(fā)性組分進(jìn)行準(zhǔn)確的定性及定量分析。頂空-固相微萃取-氣相色譜-質(zhì)譜（headspace solid phase microextraction-gas chromatography -mass spectrometry，HS-SPME-GC -MS）法因其操作便捷、靈敏度高、選擇性及重復(fù)性好等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于食品香氣研究領(lǐng)域，能準(zhǔn)確反映樣品揮發(fā)性物質(zhì)的基本組成，逐漸成為探索果實香氣的最佳方法之一[13-14]。本研究以南疆地區(qū)主要栽培的5 個品種紅棗為試材，基于HS-SPME-GC-MS 技術(shù)結(jié)合氣味活度值法及多元統(tǒng)計分析測定和分析評價5 種紅棗的香氣成分與香氣品質(zhì)，以期為紅棗風(fēng)味品質(zhì)評價、食品加工利用及品種選育提供理論和參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

七月鮮（QYX）、駿棗（Jun）、灰棗（Hui）、金昌1 號（Jin）和贊皇大棗（Zan）完熟期果實材料均來自新疆阿克蘇地區(qū)溫宿縣立地條件一致且統(tǒng)一管理的棗園。每個品種選擇5 株生長健康、長勢及坐果基本一致的盛果期棗樹，每株于上層分東南西北各隨機(jī)選取5 個完熟期果實，每個品種合計100 個果實，帶回實驗室在60 ℃下烘干6 h 后取出（含水率約為23%），冷卻至室溫后裝入塑料袋使水分平衡5 d，去核后真空冷凍干燥，研磨（30 Hz，1.5 min）至粉末狀，于-80 ℃超低溫冷凍保存，用于揮發(fā)性物質(zhì)測定。

甲醇、2-壬酮（均為色譜純）：德國Merck 公司。

1.2 儀器與設(shè)備

Scientz-100F 冷凍干燥機(jī)：寧波新芝生物科技公司；MM400 研磨儀：德國Retsch 公司；SPME 進(jìn)樣器、DVB/CAR/PDMS 50 μm/30 μm 萃取頭：美國Supelco 公司；ISQ 氣質(zhì)聯(lián)用儀：美國Thermo fisher 公司。

1.3 方法

1.3.1 揮發(fā)性成分提取

采用SPME 手動進(jìn)樣器和DVB/CAR/PDMS 50 μm/30 μm 萃取頭提取揮發(fā)性物質(zhì)。在40 mL 頂空瓶底部加5 μL 體積分?jǐn)?shù)為33.33%的2-壬酮作為內(nèi)標(biāo)，再準(zhǔn)確稱取5.0 g 樣品粉末于頂空瓶內(nèi)，錫箔紙封口；40 ℃水浴平衡10 min，萃取40 min，完成香氣吸附，試驗重復(fù)3 次。

1.3.2 氣相色譜-質(zhì)譜（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）分析

利用氣質(zhì)聯(lián)用儀進(jìn)行揮發(fā)性物質(zhì)測定。GC 條件：GS-Tek-5MS 石英毛細(xì)管柱（0.25 mm×30 m×0.25 m）；升溫程序：40 ℃保持2 mim，以5 ℃/min 升至130 ℃并保持2 min，再以10 ℃/min 升至250 ℃并保持5 min；進(jìn)樣口溫度230 ℃；載氣（He）流速1 mL/min，分流進(jìn)樣，分流比50∶1；進(jìn)樣量2 mL。MS 條件：電子轟擊離子源；電子能量70 eV；離子源溫度250 ℃；傳輸線溫度230 ℃；質(zhì)量掃描范圍amu 35～400。

1.3.3 揮發(fā)性成分定性及定量分析

揮發(fā)性物質(zhì)經(jīng)GC-MS 分析鑒定后，利用Xcalibar 工作站NIST 2010 標(biāo)準(zhǔn)譜庫檢索各組分，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)資料對紅棗揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行定性，僅選擇匹配率大于800 的鑒定結(jié)果，按面積歸一化法計算各物質(zhì)相對含量，其計算公式如下，并以2-壬酮為內(nèi)標(biāo)進(jìn)行精確定量。

式中：M 為揮發(fā)性物質(zhì)含量，μg/g；S、s 分別為揮發(fā)性物質(zhì)峰面積和內(nèi)標(biāo)峰面積；C 為內(nèi)標(biāo)濃度，μg/μL；V為內(nèi)標(biāo)體積，μL；m 為樣品質(zhì)量，g。

1.3.4 揮發(fā)性成分氣味活度值測定

揮發(fā)性成分的氣味活度值（odor activity value，OAV）計算參考馬敬宜等[15]的研究，OAV≥1 的揮發(fā)性物質(zhì)為紅棗的關(guān)鍵香氣成分。

1.3.5 紅棗香氣品質(zhì)評價

基于紅棗關(guān)鍵香氣成分的主成分分析（principal component analysis，PCA）建立紅棗香氣評價模型，比較所試紅棗的香氣品質(zhì)，具體方法參考王超等[16]的研究。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 26.0 對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性分析，使用SIMCA14.1 和Origin 2021 進(jìn)行主成分分析和聚類分析（hierarchical cluster analysis，HCA）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同品種紅棗揮發(fā)性成分?jǐn)?shù)量及含量分析

不同品種紅棗VOCs 類別及數(shù)量見表1 和圖1。

圖1 不同品種紅棗VOCs 數(shù)量韋恩圖Fig.1 Venn diagram of species of volatile organic compounds of different jujube cultivars

表1 不同品種紅棗VOCs 類別及數(shù)量Table 1 Categories and species of volatile organic compounds of different jujube cultivars

如表1 所示，分別在七月鮮、駿棗、灰棗、金昌1 號和贊皇大棗中檢出86、57、58、65 種和67 種揮發(fā)性物質(zhì)，可分為8 類126 種，酯類數(shù)量最多，酸類、烴類、酮類次之，而醛類、醇類、酚類及其它類揮發(fā)物數(shù)量相對較少，甚至在駿棗、灰棗和金昌1 號中未檢測到酚類物質(zhì)。如圖1 所示，5 種紅棗均含有的揮發(fā)性物質(zhì)為27種（酯類18 種、酸類5 種、醛類3 種、酮類1 種），其中，己酸乙酯（0.76～3.32 μg/g DW）、戊酸乙酯（0.26～0.42 μg/g DW）、丁酸乙酯（0.12～0.28 μg/g DW）、3-甲基丁酸乙酯（0.06～0.46 μg/g DW）、3-羥基-2-丁酮（0.09～0.69 μg/g DW）及苯甲醛（0.03～0.17 μg/g DW）的含量較高。此外，七月鮮、駿棗、灰棗、金昌1 號和贊皇大棗分別有19、5、2、6 種和10 種特有揮發(fā)性成分。例如2-甲氧基苯酚、月桂醛、辛醛、2-甲基己酸、香樹烯、L-薄荷酮及呋喃等僅存在于七月鮮中；γ-葵內(nèi)酯、正十六烷酸、丙酸等只存在于駿棗中；十三烷和1-1，4-二甲基-3-環(huán)己烯-1-乙酮為灰棗特有；2-乙基己醛、反-2-庚烯酸、順-2-庚烯、3-羥基丁酸乙酯和癸酸甲基酯為金昌1 號獨有；而異戊酸甲酯、順-9-十六碳烯酸乙酯、1-十六烷醇、2-甲基十一烷酸、二十一烷等為贊皇大棗特有。

不同品種紅棗VOCs 各類別含量見圖2。

圖2 不同品種紅棗VOCs 含量Fig.2 Content of volatile organic compounds in different jujube cultivars

由圖2 可知，5 種紅棗揮發(fā)物總量由高到低依次為灰棗（6.34 μg/g DW）＞七月鮮（5.18 μg/g DW）＞贊皇大棗（3.87 μg/g DW）＞金昌1 號（3.66 μg/g DW）＞駿棗（2.85 μg/g DW）。5 種紅棗酯類物質(zhì)含量均最高，占揮發(fā)物總量的57.67%～83.32%。酸類和酮類次之。醛類、醇類和烴類含量相對較少，并因品種而異。而酚類（0.00%～1.66%）和其它類揮發(fā)物（0.07%～3.13%）含量極少甚至檢測不到。然而，同一類別揮發(fā)物含量在棗品種間表現(xiàn)出顯著差異，如醇類、烴類和酚類物質(zhì)含量在七月鮮中顯著高于其它4 個品種，酯類和酮類物質(zhì)含量在灰棗中最高，而酸類和醛類含量則在金昌1 號中最高。

2.2 不同品種紅棗揮發(fā)性化合物OAV 分析

揮發(fā)性組分對紅棗香氣的貢獻(xiàn)不僅與該組分在棗果中的濃度相關(guān)，其閾值也是非常重要的參考依據(jù)。OAV 是揮發(fā)性化合物質(zhì)量濃度與其閾值之比，一般認(rèn)為OAV≥1 的化合物為整體香氣的關(guān)鍵物質(zhì)，參照相關(guān)文獻(xiàn)中部分揮發(fā)物在水中的閾值計算各物質(zhì)的OAV。

不同品種紅棗關(guān)鍵揮發(fā)性化合物的OAV 見表2。

表2 不同品種紅棗關(guān)鍵揮發(fā)性化合物的OAVTable 2 Odor activity value of key volatile organic compounds in different jujube cultivars

由表2 可知，共確定了23 種關(guān)鍵揮發(fā)性香氣物質(zhì)，以酯類（12 種）和醛類（5 種）物質(zhì)為主，約占74%，對紅棗香味影響較大。丁酸乙酯、2-甲基丁酸乙酯、戊酸乙酯、己酸乙酯、庚酸乙酯、苯甲酸乙酯、辛酸乙酯、癸酸乙酯和月桂酸乙酯是5 種紅棗共有的關(guān)鍵香氣成分，其中丁酸乙酯、2-甲基丁酸乙酯和己酸乙酯的OAV 均大于100，對紅棗香氣構(gòu)成有重要貢獻(xiàn)，且在QYX、Hui 明顯更高。QYX、Hui 和Jin 中戊酸乙酯的OAV 明顯高于Jun 和Zan；Hui 中己酸乙酯、3-羥基丁酮的OAV 明顯高于其它4 個棗品種；Jin 中1-辛烯-3-醇的OAV 明顯高于其它4 個品種。此外，QYX 特有的關(guān)鍵香氣活性物質(zhì)包括辛醛、月桂醛、1-甲基萘和2-甲氧基苯酚；Jun 特有的關(guān)鍵香氣成分為γ-葵內(nèi)酯；Jin 的特有關(guān)鍵香氣成分為癸酸甲基酯。

2.3 不同品種紅棗的多元統(tǒng)計分析與香氣品質(zhì)評價

為探索5 種紅棗的香氣差異，對5 種紅棗的關(guān)鍵香氣物質(zhì)進(jìn)行多元統(tǒng)計分析，主成分分析結(jié)果見圖3。

圖3 紅棗關(guān)鍵揮發(fā)性化合物主成分分析Fig.3 Principal component analysis of key volatile organic compounds in jujube

如圖3 所示，主成分分析中前3 個主成分方差貢獻(xiàn)率分別為47.767%、23.303%和13.266%，累計貢獻(xiàn)率為84.337%。各紅棗品種樣本內(nèi)部聚集較好，品種間分離明顯。

5 種紅棗的關(guān)鍵香氣物質(zhì)層次聚類分析結(jié)果見圖4。

圖4 紅棗關(guān)鍵揮發(fā)性化合物聚類分析Fig.4 Hierarchy cluster analysis of key volatile organic compounds in jujube

如圖4 所示，層次聚類分析將5 種紅棗分為4 類，Ⅰ類為QYX，Ⅱ類為Jin，Ⅲ類為Hui，Ⅳ類為Zan 和Jun。結(jié)合PCA 和HCA 結(jié)果表明，此5 種紅棗具有不同的香氣特征。

為進(jìn)一步比較所試5 種紅棗的香氣品質(zhì)，基于PCA 建立紅棗香氣評價模型。PCA 中前3 個主成分累計貢獻(xiàn)率達(dá)84.337%，已包含紅棗香氣的絕大部分信息，各變量信息見表3 和表4。

表3 紅棗關(guān)鍵香氣成分的主成分分析Table 3 Principal component analysis of key aroma components in jujube

表4 關(guān)鍵香氣成分的特征向量和載荷矩陣Table 4 Eigenvalues and loads of key aroma components

由表3 和表4 可知，各變量信息在PC1、PC2 和PC3 中的權(quán)系數(shù)較高，因此可用S1、S2和S3這兩個新的綜合指標(biāo)代替原來的23 個關(guān)鍵揮發(fā)物指標(biāo)，對5 種紅棗進(jìn)行分析，得出VOCs 的線性關(guān)系式分別如下。

式中：S1、S2和S3分別表示綜合主成分值；C1、C2……C23分別表示23 種香氣成分標(biāo)準(zhǔn)化后的含量；F為對應(yīng)的特征向量值。

以第一主成分貢獻(xiàn)率（α1）、第二主成分貢獻(xiàn)率（α2）和第三主成分貢獻(xiàn)率（α3）作為權(quán)數(shù)，建立香氣綜合評價模型S=S1×α1+S2×α2+S3×α3，計算綜合評價指標(biāo)的分值S。主成分綜合得分可以有效反映不同品種紅棗的香氣品質(zhì)。

不同品種紅棗香氣評價得分及排名見表5。

表5 不同品種紅香氣得分及排名Table 5 Aroma scores and ranking of different jujube cultivars

由表5 可知，七月鮮在第一主成分上得分最高，而贊皇大棗最低；灰棗在第二主成分上得分最高，金昌1 號最低；灰棗在第三主成分上得分最高，駿棗最低。綜合得分從高到低依次為七月鮮（2.933）＞灰棗（0.415）＞贊皇大棗（-0.945）＞駿棗（-1.158）＞金昌1 號（-1.246）。由此表明，七月鮮香氣品質(zhì)最優(yōu)，灰棗次之，均明顯優(yōu)于贊皇大棗、駿棗及金昌1 號。

3 討論

據(jù)報道，酯類、酸類、醇類、醛類、酮類及烴類等物質(zhì)是構(gòu)成棗香氣的主要成分。本試驗采用HS-SPMEGC-MS 技術(shù)對5 個品種紅棗的檢測結(jié)果亦是如此，并在個別品種中檢出少量酚類和其它類物質(zhì)，共計8 類126 種，較前人所報道的紅棗揮發(fā)物數(shù)量更多[5]。

5 種紅棗均以酯類揮發(fā)物數(shù)量最多、酸類次之，與李煥榮等[19]對新疆灰棗干果的測定結(jié)果基本一致。各棗品種均以酯類揮發(fā)物含量最高，特別是己酸乙酯，占酯類總量的39.63%～62.65%，與趙進(jìn)紅等[20]結(jié)果一致。本試驗發(fā)現(xiàn)，己酸乙酯、苯甲酸乙酯和辛酸乙酯等為5 種紅棗共有關(guān)鍵揮發(fā)成分，是紅棗的主要呈香物質(zhì)。Zhu 等[8]研究表明己酸乙酯是金絲小棗、油棗和玉棗的香氣活性物質(zhì)。苯甲酸乙酯天然存在于桃、菠蘿、醋栗及紅茶中，具有甜香、果香和薄荷香氣，可用于香水、香精的配制和食品加工[21]。辛酸乙酯具有果香和白蘭地酒香味，是芒果、鴨梨等果實的主要香氣物質(zhì)[22-23]。由此推測，己酸乙酯、苯甲酸乙酯和辛酸乙酯等酯類揮發(fā)物亦可能對紅棗果實香氣的形成具有重要貢獻(xiàn)。酸類和烴類雖然是紅棗中較為豐富的揮發(fā)性成分，但其閾值較高，對棗果整體風(fēng)味貢獻(xiàn)較小，相反數(shù)量較少、含量較低的醛類等化合物對紅棗香氣貢獻(xiàn)更大。5 種紅棗中也檢測出9 種醛類物質(zhì)，其中辛醛、順-2-辛烯醛、月桂醛、順-2-癸烯醛和壬醛被確定為紅棗的關(guān)鍵香氣成分。此外，在個別品種紅棗中檢測到酮類、醇類、酚類及其它類物質(zhì)，其中2-戊基呋喃和2，5-二甲基吡嗪等大多在干制過程中通過美拉德反應(yīng)產(chǎn)生，可以賦予紅棗獨特的焦香味。

不同品種紅棗因其揮發(fā)性香氣物質(zhì)的種類及含量不同，而導(dǎo)致香氣各異。例如辛醛、月桂醛、1-甲基萘和2-甲氧基苯酚為QYX 特有香氣活性成分，且2，5-二甲基吡嗪和2-戊基-呋喃含量明顯高于其它4個棗品種，辛醛具有強烈甜橙香氣，主要用于柑橘類香料的調(diào)制[24]，賦予了QYX 濃郁的果香味及獨特堅果香氣。Hui 中的3-羥基丁酮含量是其它品種的3.72～193.84 倍，與其具有醇厚“奶香味”的普遍評價非常契合。Jin 也因其獨有的癸酸甲基酯和高含量的1-辛烯-3-醇而香氣特異，其中1-辛烯-3-醇帶有強烈的蘑菇香、土壤香及藥草香味，在烘烤食品、加工蔬菜、調(diào)味品及人造精油中均有使用[25]。Jun 特有的γ-葵內(nèi)酯也賦予其獨特的桃果香氣。辛醛、月桂醛、2-甲氧基苯酚、2，5-二甲基吡嗪、2-戊基-呋喃、3-羥基丁酮、癸酸甲基酯、1-辛烯-3-醇和γ-葵內(nèi)酯等關(guān)鍵香氣物質(zhì)不僅是導(dǎo)致5 種紅棗香氣差異的重要成分，并可作為標(biāo)志性香氣活性物質(zhì)，為紅棗品種的鑒別區(qū)分提供依據(jù)[26]。

4 結(jié)論

在新疆地區(qū)的七月鮮、灰棗、駿棗、金昌1 號和贊皇大棗中分別檢測到86、57、58、65 種和67 種揮發(fā)性物質(zhì)，共8 類（酯、酸、烴、酮、醛、醇、酚及其它類）126 種，以酯類化合物種類最多、含量最高。丁酸乙酯、2-甲基丁酸乙酯、戊酸乙酯、己酸乙酯、庚酸乙酯、苯甲酸乙酯、辛酸乙酯、癸酸乙酯和月桂酸乙酯是紅棗的主要香氣成分。篩選出導(dǎo)致不同品種紅棗香氣差異的關(guān)鍵揮發(fā)性物質(zhì)，包括七月鮮中的辛醛、月桂醛、1-甲基萘和2-甲氧基苯酚；駿棗中的γ-葵內(nèi)酯；灰棗中的3-羥基丁酮；金昌1 號中的癸酸甲基酯和1-辛烯-3-醇。這些揮發(fā)性物質(zhì)，可作為品種區(qū)分的標(biāo)志性香氣活性物質(zhì)。七月鮮和灰棗的揮發(fā)性香氣成分含量高且香氣品質(zhì)優(yōu)異，是優(yōu)質(zhì)的紅棗種質(zhì)資源，具有更大的食品加工利用潛力和育種價值。