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基于化學(xué)計(jì)量學(xué)鑒定不同甜橙精油揮發(fā)性成分
發(fā)布日期:2024-03-22
        甜橙在鮮食和加工過程中會(huì)產(chǎn)生大量果皮垃圾,造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。然而,這些“廢料”是精油、類黃酮和類胡蘿卜素等生物活性化合物的重要來源。甜橙精油因其令人愉悅、舒緩情緒等功效而廣受喜愛,并且在食品、醫(yī)藥和化妝品等行業(yè)都有很大的需求。
        本研究以血橙和臍橙作為代表性甜橙果實(shí)原料,采用冷壓法(CP)、微波輔助水蒸氣蒸餾法(MADH)和SCC三種方法提取甜橙精油,利用氣相離子遷移色譜(GC-IMS)和超快速氣相電子鼻分析不同甜橙精油風(fēng)味組成,并結(jié)合偏最小二乘法判別分析(PLS-DA)、主成分分析(PCA)和判別因子分析(DFA)等化學(xué)計(jì)量學(xué)篩選不同甜橙精油風(fēng)味差異化合物。
        材料與方法
        材料與試劑
        塔羅科血橙;贛南臍橙。原料均成熟期采摘,采后挑選無機(jī)械損傷、無病蟲害的果實(shí)。
        儀器與設(shè)備
        Heracles NEO超快速氣相電子鼻,高速破壁機(jī),旋轉(zhuǎn)錐蒸餾塔,風(fēng)分析儀。
        方法
        GC-IMS分析
        取100uL樣品于20mL頂空瓶中,40℃孵化10min。進(jìn)樣針溫度為85°C,頂空進(jìn)樣100μL。
        電子鼻分析
        Heracles NEO超快速氣相色譜電子鼻配制雙FID檢測(cè)器,采用MXT-5和MXT-1701兩根色譜柱(10m,180μm)進(jìn)行分析。取100μL樣品于頂空瓶中,40℃孵化15min,進(jìn)樣量500μL,進(jìn)樣口溫度200℃,壓力10kPa,分流10mL/min。升溫程序?yàn)?℃/s升至180℃,保持60s;3℃/s升至250℃,保持120s。
        相對(duì)氣味活度值(ROAV)
        引入ROAV評(píng)價(jià)各揮發(fā)性化合物對(duì)甜橙精油風(fēng)味的貢獻(xiàn)度。ROAV值越大的化合物對(duì)樣品整體風(fēng)味的貢獻(xiàn)度也越大。本研究認(rèn)為ROAV≥1的化合物為甜橙精油的關(guān)鍵氣味化合物。設(shè)定對(duì)樣品風(fēng)味貢獻(xiàn)度最大的化合物的ROAV為100,其他化合物的ROAV則按下式計(jì)算:
式中:Ci、Ti分別為各揮發(fā)性化合物的相對(duì)含量(%)和氣味閾值(mg/kg);Cstan、Tstan分別為對(duì)樣品風(fēng)味貢獻(xiàn)度最大化合物的相對(duì)含量(%)和氣味閾值(mg/kg)。
        結(jié)果與分析
        感官定量描述分析
        如圖1所示,對(duì)不同甜橙精油的香氣屬性(果香、花香、甜香、青香、脂香、木香)及整體喜愛度進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明,CP精油具有最強(qiáng)烈的果香、甜香和花香,并且整體喜愛度最高;而MADH精油則表現(xiàn)出更強(qiáng)的青香、脂香和木香。SCC萃取液各香氣屬性強(qiáng)度相對(duì)較低,但在血橙精油中喜愛度不亞于MADH精油。此外,臍橙精油相較于血橙精油具有略微更強(qiáng)的果香和喜愛度。
圖1 甜橙精油感官分析結(jié)果:(A)血橙精油;(B)臍橙精油
        GC-IMS鑒定六種甜橙精油揮發(fā)性成分
        不同甜橙精油GC-IMS譜圖分析
        六種不同甜橙精油的GC-IMS測(cè)定結(jié)果如圖2所示。整個(gè)GC-IMS譜圖以藍(lán)色為背景,橫坐標(biāo)1.0處的紅色豎線為反應(yīng)離子峰(RIP),兩側(cè)的每個(gè)點(diǎn)代表一種揮發(fā)性物質(zhì)。顏色反映了峰強(qiáng)度,白色表示峰強(qiáng)度較低,即物質(zhì)濃度較低,紅色則表示物質(zhì)濃度較。由此可以看出甜橙精油的揮發(fā)性成分得到了較好分離,CP和MADH提取的精油譜圖較相似,但和SCC萃取液的譜圖有明顯差異,前兩者峰強(qiáng)度和個(gè)數(shù)明顯高于后者。以縱坐標(biāo)來看,保留時(shí)間200s內(nèi),相比于CP精油,MADH精油和SCC萃取液具有更多種類的揮發(fā)性物質(zhì),說明加熱提取過程中生成了一些新的化合物;200-400s間,MADH精油具有最高含量的揮發(fā)性物質(zhì);400s-700s間,CP和MADH精油出峰情況相似,而SCC萃取液在此期間只有少量化合物出峰。
        為了更直觀展現(xiàn)樣品間差異,將血橙冷壓精油譜圖作為參比,其余五個(gè)樣品譜圖均扣減參比,紅色表示此樣品中該化合物濃度高于參比譜圖,藍(lán)色表示該化合物濃度低于參比譜圖。根據(jù)圖2C可以看出,不同品種和提取方式對(duì)甜橙揮發(fā)性成分均有影響。MADH精油的譜圖多個(gè)峰顯現(xiàn)紅色,說明該方式提取的精油相比于CP含有更豐富的揮發(fā)性物質(zhì);SCC萃取液的譜圖則顯現(xiàn)大面積藍(lán)色,說明香氣化合物含量極低,這和感官結(jié)果一致。此外,血橙精油和臍橙精油相比也有一定差異。
圖2 六種甜橙精油的揮發(fā)性物質(zhì)GC-IMS二維(A)、三維(B)和二維差異譜圖(C)
        甜橙精油揮發(fā)性成分定性定量分析
        為進(jìn)一步確定不同甜橙精油中具體化合物的差異,對(duì)各成分進(jìn)行定性(表2),并根據(jù)峰面積歸一化法計(jì)算各成分相對(duì)含量(表3)。一共鑒定出64種化合物,包括萜烯類23種、醇類12種、醛類12種、酯類4種、酸類6種、其他7種。此外,構(gòu)建了指紋圖譜(圖3),直觀地反映出不同樣品間揮發(fā)性成分差異。
表2甜橙精油揮發(fā)性成分定性分析

4.1



表3 甜橙精油揮發(fā)性成分的相對(duì)含量
7.1

圖3 甜橙精油的揮發(fā)性成分GC-IMS指紋圖譜
        甜橙精油關(guān)鍵揮發(fā)性化合物分析
        不是所有揮發(fā)性成分都對(duì)甜橙精油特征香氣有貢獻(xiàn),有的化合物相對(duì)含量高但氣味閾值高,因此對(duì)樣品整體風(fēng)味貢獻(xiàn)度不大,利用ROAV法結(jié)合GC-IMS分析結(jié)果可以篩選出甜橙精油的關(guān)鍵揮發(fā)性化合物。本實(shí)驗(yàn)中,氣味閾值為化合物在油中的閾值,來自電子鼻軟件中自帶的AroChembase數(shù)據(jù)庫和相關(guān)參考文獻(xiàn)。如表4可知,共有16種揮發(fā)性化合物ROAV≥1,對(duì)柑橘香氣貢獻(xiàn)較大。在CP精油中,β-月桂烯相對(duì)含量高且香氣閾值低,風(fēng)味貢獻(xiàn)最大;而在MADH精油和SCC萃取液中,芳樟醇是風(fēng)味貢獻(xiàn)最大的物質(zhì),在之前的研究中芳樟醇也被認(rèn)定為6種柑橘精油中ROAV=100的物質(zhì)。大部分萜烯類化合物ROAV≥1,如β-蒎烯、α-萜品烯等,并且它們?cè)贑P精油和MADH精油中的貢獻(xiàn)度遠(yuǎn)大于SCC萃取液中。2-己醇、(E)-2-己烯醛和正辛醛是六種樣品共有的關(guān)鍵揮發(fā)性化合物。此外,二甲基二硫醚和二乙基三硫醚這兩種硫化物閾值較低,對(duì)MADH精油風(fēng)味具有很大貢獻(xiàn)度,這也是MADH精油喜愛度較低的重要原因。
 
表 4 甜橙精油中揮發(fā)性化合物的 ROAV 值
9.1
        基于PLS-DA和VIP值篩選六種精油差異揮發(fā)性化合物
        為了篩選六種精油的差異揮發(fā)性化合物,基于GC-IMS檢測(cè)到的64個(gè)物質(zhì)的峰信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行偏最小二乘法判別分析(PLS-DA)。如圖4A所示,PC1和PC2的貢獻(xiàn)率分別為74.1%和10.7%,累計(jì)貢獻(xiàn)率為84.8%,表明該模型能夠充分反映樣品原始信息。每一聚類中的3個(gè)點(diǎn)緊密聚集在一起,說明組間重復(fù)性好,GC-IMS檢測(cè)性能穩(wěn)定。可以看出六種樣品有明顯的區(qū)分,NO_CP和NO_MADH均分布在上方區(qū)域,兩者差異較小;BO_CP和BO_MADH均分布在左下方,兩者也較為相似;BO_SCC和NO_SCC均分布在右側(cè)區(qū)域,同樣具有一定相似性。對(duì)于同一種甜橙,CP和MADH兩種方式提取的精油距離相近,但和SCC萃取液相距較遠(yuǎn),說明前兩種方式和后者提取的揮發(fā)性成分差異較大。此外,同一種方式提取的兩種甜橙精油,如BO_CP和NO_CP,BO_MADH和NO_MADH,揮發(fā)性成分也具有較大差異。
        進(jìn)一步地,利用變量投影重要性(VIP)篩選對(duì)樣本分類貢獻(xiàn)大的揮發(fā)性化合物。VIP通過PLS-DA載荷圖判別所得,VIP值越大,表明對(duì)樣本分類的貢獻(xiàn)越大,通常VIP>1表明該變量在區(qū)分不同樣本上起著至關(guān)重要的作用。如圖4B所示,共篩選出15種VIP>1的標(biāo)志性差異化合物,包括1-正戊醇(D)、3-蒈烯(Tr)、β-蒎烯(M)、2-己醇(D)、3-蒈烯(D)、未知20、β-月桂烯(D)、β-蒎烯(Tr)、莰烯(D)、芳樟醇(M)、β-月桂烯(Te)、未知37、β-蒎烯(Te)、莰烯(M)和3-蒈烯(Te)。其中絕大部為萜烯類化合物,少數(shù)為醇類,說明提取方式及柑橘品種對(duì)這兩類化合物影響較大。
圖4 基于GC-IMS檢測(cè)的甜橙精油揮發(fā)性成分的PLS-DA得分圖(A)及VIP得分(B)
        超快速氣相電子鼻分析六種甜橙精油揮發(fā)性成分
        利用超快速氣相電子鼻可以快速檢測(cè)樣品中揮發(fā)性成分。根據(jù)氣相色譜的峰面積和保留時(shí)間繪制雷達(dá)指紋圖譜,可以反映氣味成分的強(qiáng)度和豐度,結(jié)果如圖5所示,CP和MADH精油的色譜圖相似,基本重合,但與SCC萃取液的色譜圖差異較大,后者的峰強(qiáng)度明顯更低,這與上述GC-IMS譜圖結(jié)果一致。
圖5 基于電子鼻分析的甜橙精油雷達(dá)指紋圖譜:(A)血橙(B)臍橙
        通過電子鼻軟件的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析模塊進(jìn)行主成分分析(PCA)和判別因子分析(DFA),進(jìn)一步區(qū)分不同甜橙精油的揮發(fā)性成分差異。結(jié)果如圖6A所示,PC1、PC2和PC3的累積方差貢獻(xiàn)率均超過99.999%,說明PCA模型對(duì)總方差的解釋效果很好。每組樣品間的點(diǎn)聚集緊密,說明重復(fù)性好。GF_SCC和HY_SCC組間距離相對(duì)較近,表明這兩種樣品的香氣差異較小。除此之外,其他樣品的區(qū)域劃分極為明顯。此結(jié)果也與上述PLS-DA一致。與PCA相比,DFA是一種有監(jiān)督的分類方法,它能夠增加組間方差并減少組內(nèi)方差,從而實(shí)現(xiàn)更好的分類效果。DFA總方差可達(dá)96.052%(PC1=86.785%,PC2=9.267%),表明不同柑橘品種和提取方法的具有明顯的區(qū)域分布特征,并進(jìn)一步驗(yàn)證了PCA結(jié)果。綜上所述,超快速氣相電子鼻可以很好地區(qū)分不同甜橙精油的揮發(fā)性成分差異。
圖6 基于電子鼻分析的六種甜橙精油PCA(A)和DFA(B)分類結(jié)果
        結(jié)論
        本研究采用感官定量描述、GC-IMS及超快速氣相電子鼻分析不同甜橙精油風(fēng)味特征及揮發(fā)性成分。感官結(jié)果表明,CP精油具有濃郁的果香、甜香和花香且喜愛度最高,MADH精油則表現(xiàn)出更強(qiáng)的脂香、青香和木香,而SCC萃取液香氣濃度較低。GC-IMS鑒定出64種揮發(fā)性化合物,主要為萜烯類、醇類和醛類,其次是酸類、酯類和其他化合物。萜烯類在CP和MADH精油中含量明顯高于SCC萃取液,而醇類和醛類在MADH精油和SCC萃取液中含量明顯高于CP精油。基于ROAV鑒定出16種關(guān)鍵揮發(fā)性成分,其中β-月桂烯和芳樟醇對(duì)甜橙精油風(fēng)味貢獻(xiàn)最大。結(jié)合PLS-DA成功區(qū)分六種精油,并基于VIP>1篩選出15種差異揮發(fā)物,分別是1-正戊醇(D)、3-蒈烯(Tr)、β-蒎烯(M)、2-己醇(D)、3-蒈烯(D)、未知20、β-月桂烯(D)、β-蒎烯(Tr)、莰烯(D)、芳樟醇(M)、β-月桂烯(Te)、未知37、β-蒎烯(Te)、莰烯(M)和3-蒈烯(Te)。此外,超快速氣相電子鼻結(jié)合PCA和DFA也成功區(qū)分六種甜橙精油風(fēng)味差異。
來源:感官科學(xué)與評(píng)定,轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來源。
參考文獻(xiàn):劉菲斐,陳晉,陳健樂等.基于化學(xué)計(jì)量學(xué)鑒定不同甜橙精油揮發(fā)性成分[J/OL].食品科學(xué),1-16[2024-03-22].
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