烟台富士苹果芳香物质的主成分分析

摘要：采用固相微萃取（SPME）技术结合气相色谱-质谱（GC/MS）分析得到了21个苹果样品的香气成分，对鉴定出的48种化合物进行主成分分析（PCA）。结果表明，主成分分析能够将原始信息约化在主分量中，前5个主分量累积贡献率达到7549%，分析得出烟台富士苹果的独特风味品质主要由丁酸和己酸的酯类化合物以及某些高级醇、烯类、酸类和烯醛等构成，较好地反映了烟台富士系苹果的香味构成情况。

关键词：富士苹果；香气成分；主成分分析

中图分类号：S661.1文献标识号：A文章编号：1001-4942（2013）01-0063-04

香气是果实品质的重要质量指标，主要来源于各种微量的挥发性芳香物质，它们虽然只占果实鲜重的001%～0001%，但对果品的风味却起着重要的作用[1]。研究者通过对果品中香气成分的监测了解其成熟度，分析果品在贮藏过程中品质的变化以及控制果蔬加工品的质量。

随着分析仪器和样品前处理技术的发展，关于芳香成分的分析水平得到很大的提高，在不同苹果品种的香气成分研究方面取得了很大进展[2，3]。但这些研究大多就单一样本进行分析测定，其主要香气成分的确定缺少多个样本的统计依据。

果品香气成分的形成受到多种因素的影响，同一品种在不同的气候和地形条件下会产生不同的风味[1]。虽然通过色谱分析及取样技术的不断改进，能准确地测定出果品香气中各种微量成分的含量和比例关系，为揭开不同果品独特风味的形成奠定了基础；但要明确果品中复杂成分与果品风味之间的关系却非易事，仅仅从色谱分析的原始数据，很难看出各种成分对果品品质的贡献。而主成分分析（principal component analysis）能将多个指标简化为少数几个综合指标，以便进行更深入的研究，目前已经广泛应用于食品业类众多质量指标的选取[4]。

烟台富士苹果以其优良的品质享誉中外，受当地特有的气候和地形条件影响，形成了独特的风味品质。本研究采用固相微萃取（SPME）技术结合GC/MS测定了21个不同苹果样本的芳香性物质成分，并利用主成分分析方法对数据进行分析，得到了烟台富士系苹果的主要香气成分，为评价苹果品质、发展当地果品深加工提供了理论依据。

1材料与方法

11材料

实验用果于2011年10月8日采自烟台苹果主产区栖霞市，在全市范围内选取21个苹果采样点。采样果树品种为富士，中年树龄。从树冠中部选取未套袋果实，10月22日在江南大学分析测试中心进行果实香气成分的检测分析。

12仪器及设备

手动SPME进样器、75 μm Carboxen/PDMS萃取头（美国Supelco公司制造）；Finnigan Trace MS气相色谱-质谱联用仪（美国 Finnigan公司制造）；FQC-100超声波清洗机。

13香气成分测定

样品处理：取新鲜待测苹果样品，去皮后用小型果汁机破碎搅匀成果浆，将10 g左右样品装入15 ml样品瓶内，加盖封口。微萃取头在气相色谱进样口老化2 h（温度250℃），然后将萃取头插入样品瓶顶空部分，推出纤维头，室温条件下超声波萃取25 min，取出纤维头插入设置好条件的GC/MS进样口，250℃条件下解吸25 min，开始数据收集。

色谱-质谱条件：Finnigan Trace MS气相色谱-质谱联用仪，OV-1701毛细管色谱柱（30 m×025 mm×025 μm），载气He，流速08 ml/min，分流比12∶1，分流流速10 ml/min，恒压35 kPa，进样口温度250℃。起始温度33℃，保留3 min，先以12℃/min上升到60℃，再以6℃/min上升到140℃，最后以20℃/min升至250℃，保持5 min。离子源温度200℃，电离方式EI，电子能量70 eV。

14数据处理方法

由于栖霞市地理环境复杂，微地形因素对苹果品质的影响很大，每个样点香气成分的类型和含量不尽相同，需要利用主成分分析法对数据进行统计分析。主成分分析（PCA）的目的是将数据降维，将原变量进行转换，以排除众多信息中的重叠部分，使少数几个新变量尽可能地表征原来变量的数据结构特征而不丢失信息[4]。

在进行PCA分析之前，由于不同采样点组分差异大，高含量组分的作用大大强于低组分，容易对统计结果产生影响，因而需要对数据进行标准化处理。由原始数据矩阵X（21，48）首先求出i个样本的第j个指标的平均值j和标准差Sj，利用以下公式求出原始数据标准化值：

经过以上运算得到标准化值矩阵X″（21，48），然后利用主成分分析，计算出标准值矩阵X″（21，48）的特征根、贡献率和累积贡献率。其中标准化数据过程在Excel中运算，主成分分析在DPS 2000数据处理系统中运行。

2结果与分析

21香气成分测定结果

苹果样品经GC/MS分析后，对相似度大于60%的组分经计算机谱库（NBS/WILEY）检索及与标准图谱对照分析，鉴定出苹果香气成分中的主要化合物，经过对比发现，每个苹果的香气物质均有区别，表1列出了其中一份检测样品苹果中芳香物质的测定结果。

第一主分量上2-甲基丁酸乙酯（03943）、2-甲基丁酸丙酯（03282）、乙酸乙酯（03063）的作用最大，虽然它们在所有样本中的平均含量仅为631%；其中，乙酸乙酯作为一种最简单的酯类化合物，广泛存在于其他果蔬产品[5～8]中；2-甲基丁酸丙酯和2-甲基丁酸乙酯也存在于曼蜜、金帅和玫瑰等品种的香气成分中，说明这三种成分是构成苹果香气的共有成分。

在其它主分量上负荷量较大的香气成分主要有乙酸己酯、1-己醇、E，E-2，4-己二烯醛、1-甲基丁酸丙酯、己酸、己酸乙酯、2-甲基丙酸己酯、2-甲基-丁酸己酯、2-甲基丁酸丁酯、丙酸己酯、己酸戊酯、à-法尼烯等（主成分的负荷量及其特征值和贡献率见表2）。在这些成分中，包括11种酯类，醇类、烯类、酸类和烯醛类各1种，总含量达到了40%，这些物质是决定烟台富士苹果风味品质的主要因子（特征香气成分），它们与其它非特征香气成分一起构成了烟台富士苹果的独特风味品质。

在非特征香气成分中，有些虽然其相对含量比较高，但其贡献率却相对比较低，不能成为特征香气成分；可见，以往有些研究仅仅依靠原始测定的含量高低来确定果品的特征香气成分，存在一定局限性。

3结论与讨论

31主成分分析能将大量指标约化为少数几个综合指标，本研究中前5个主分量的累积信息量达7549%，基本上综合了所测试样品的特征香气成分，所得结果较好地反映了烟台富士系苹果的香味构成情况。

32通过主成分分析，我们认为烟台富士苹果的独特风味品质主要由乙酸、丙酸、丁酸和己酸的酯类化合物（主要为2-甲基丁酸乙酯、2-甲基丁酸丙酯、乙酸己酯、1-甲基丁酸丙酯、己酸乙酯、2-甲基-丁酸己酯、2-甲基丁酸丁酯、己酸戊酯、丙酸己酯、2-甲基丙酸己酯等）以及某些高级醇（己醇）、烯类（à-法尼烯）、酸类（己酸）和烯醛（E，E-2，4-己二烯醛）等构成。

33本研究的目的在于运用数学方法剖析果品风味品质与色谱测定成分间的内在关系，主成分分析法只是个开端，对于系统聚类等其它数学方法在这一领域的应用及选取更多的品种进行研究的工作正在深入，以便能从本质上反映两者间的内在联系。参考文献：

[1]Maarse H Volatile Compounds in Food and Beverrages[M] New York：Marcel Dekker，Inc， 1991

[2]吴继红，胡小松，周珊，等固相微萃取和气-质联用技术在快速测定苹果中挥发性成分中的应用[J]饮料工业，2003，3：39-41

[3]牛自勉，王贤萍 不同砧木苹果品种果肉芳香物质的含量变化[J]果树科学， 1996，3：153-156

[4]张国文，邱萍 主成分分析法用于食品样品分类研究[J] 食品科技，2003，12：72-75

[5]Sabine K， Heidrun U， Franz B， etc Volatile compound analysis of SPME headspace and extract samples from roasted Italian chestnuts （Castanea sativa Mill）using GC-MS [J] European Food Research Technology，2004，219： 470-473

[6]Knig T K，Schreier P Application of multivariate statistical methods to extend the authenticity control of flavour constituents of apple juice[J] European Food Research Technology， 1999， 208：130-133

[7]宋华湘，陈波，蔡青云，等 茶叶中生物碱及多酚类化合物高效液相色谱-主成分聚类分析[J]天然产物研究与开发， 2003，15：415-418

[8]王淑贞，赵峰，孙家正，等 CO2超临界萃取法提取不同成熟度鲁北冬枣香气组分[J]