基于多平台气相色谱技术与化学计量学模型的中国主产区两个桂花品种挥发性香气成分综合比较

《Microchemical Journal》：Comprehensive comparison of volatile aroma compounds in two Osmanthus fragrans cultivars from major producing areas in China based on multi-platform GC techniques and chemometric models

　　

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  多平台GC技术系统表征了金桂和丹桂品种的挥发性芳香物质。
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  SDE/HS-SPME-GC-MS实现了全面挥发性芳香化合物（VAC）分析，而HS-GC-IMS用于小分子醛/酮的指纹图谱分析。
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  OPLS-DA结合OAV筛选出与品种相关的芳香标志化合物。
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  提出了两个新型指标——AII和ACI，用于评价香气强度和香气类型。
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  该集成策略为桂花产品的质量控制和应用指导提供了实用工具箱。

引言

Osmanthus fragrans Lour.（桂花）为木犀科常绿灌木或小乔木，是中国传统芳香植物和特色可食用花卉资源，其营养、功能及药用价值已有充分记载[1]、[2]、[3]。由于其甜美、高雅且持久的花香，桂花长期被作为天然香辛料用于茶、饮料、糕点及其他食品中[4]。在中国，桂花广泛种植于长江流域及南方地区，历史上已形成数个主要产区，包括咸宁、桂林、杭州、玉溪、南平和成都。根据开花习性和花色，桂花传统上被分为Luteus组（金桂，GO）、Albus组、Aurantiacus组（丹桂，DO）和Asiaticus组[5]。其中，金桂和丹桂因产量高、香气品质优良，是两种重要的食品级商业品种。

桂花挥发性芳香化合物（VACs）是其应用价值的核心，组分差异直接决定了各类桂花产品的风味品质及适用场景。桂花的VACs组成复杂，主要包括萜类、醇类、酮类、醛类、酯类及其衍生物，其中紫罗兰酮（尤其是β-紫罗兰酮和α-紫罗兰酮）、芳樟醇及其氧化物，以及橙花叔烯被一致确认为贡献桂花特征性甜美、花香和果香的重要化合物[6]。然而，不同品种组的VACs谱图存在显著差异，这直接决定了桂花产品的差异化应用潜力。因此，全面了解VACs组成、分析挑战及其变异影响因素，对于桂花的质量控制和增值利用至关重要。

选择适当的分析技术对于全面进行香气分析至关重要。同时蒸馏-萃取法（SDE）联用GC-MS和顶空固相微萃取（HS-SPME）-GC-MS是挥发性化合物分析的两种常用方法[7]。SDE将水蒸气蒸馏与溶剂萃取相结合，适用于回收可萃取性、疏水性且中至高沸点的挥发性物质[8]、[9]。相比之下，HS-SPME是一种无溶剂、非破坏性富集技术，优先反映顶空释放的挥发性化合物，因此被广泛应用于食品和园艺作物的香气分析[10]、[11]。邹等人在桂花风味化合物的对比分析中，通过SDE鉴定出54种挥发性化合物，通过SPME鉴定出60种，证明了两种方法在组成上的差异[12]。傅等利用SPME-GC-MS方法对桂花四个品种组共29个品种的挥发物进行检测，共检出41种挥发性化合物，主要挥发性化合物包括α-紫罗兰酮、β-紫罗兰酮、2H-β-紫罗兰酮、芳樟醇、反式-芳樟醇氧化物、顺式-芳樟醇氧化物、环氧芳樟醇、香叶醇、（Z）-橙花叔烯和γ-癸内酯[13]。除上述两种成熟的GC-MS技术外，顶空-气相色谱-离子迁移谱（HS-GC-IMS）近年来作为一种快速挥发性指纹分析工具崭露头角[14]。凭借快速响应、高灵敏度、操作简便和成本低廉等优势，HS-GC-IMS已越来越多地应用于农产品风味分析，包括酒精饮料、果蔬、茶、油脂、乳制品和蜂蜜等[15]、[16]、[17]。尽管GC-IMS在食品风味分析中应用日益广泛[18]，但其在花卉挥发物表征，特别是桂花香气分析方面的应用仍处于起步阶段。与此同时，化学计量学方法，尤其是主成分分析（PCA）和正交偏最小二乘-判别分析（OPLS-DA），已被证明在基于挥发性化合物谱图区分食品样品方面具有显著效果[19]、[20]、[21]。吉等[22]利用HS-SPME-GC-MS分析了六个芹菜籽品种的挥发性有机化合物（VOCs），共鉴定出30种VOCs，并应用PCA和OPLS-DA比较品种差异、筛选出11种差异挥发性化合物，如β-月桂烯、 Caryophyllene、Humulene。尽管关于桂花香气组成的研究已相当丰富，但现有研究主要局限于单一分析平台和单一样品前处理技术，导致VACs谱图表征不完整且可能存在偏差[23]。

VACs是决定桂花产品感官品质和消费者接受度的首要因素[24]、[25]。此前基于GC-MS、GC-O和气味活度值（OAV）的研究表明，桂花的特征香气主要与芳樟醇、芳樟醇氧化物、紫罗兰酮类化合物、橙花叔烯、壬醛、β-环柠檬醛、茶螺旋烷和酯类有关，尽管这些化合物在不同品种、产地和加工条件下含量差异较大[26]、[27]。类胡萝卜素衍生的无环异戊二烯化合物，如β-紫罗兰酮、α-紫罗兰酮、二氢-β-紫罗兰酮和β-环柠檬醛尤为重要，因为它们气味阈值低，且具有强烈的紫罗兰样、木质、花香和果香特征[28]、[29]、[30]。近期基于OAV和香气重组的研究进一步证实，桂花香气并非由单一高丰度化合物决定，而是由多种具有不同阈值的气味活性挥发性物质的协同贡献所决定[31]。盛等[32]研究表明，甜桂花中23种关键香气活性化合物中有20种的OAV>1，其中芳樟醇（OAV 46,800）、β-紫罗兰酮（4580）、α-紫罗兰酮（2680）、己醛（2230）、壬醛（1280）和γ-癸内酯（606）分别贡献了不同的花香、紫罗兰/木质、青绿、柑橘和果香调。周等[5]研究了中国五个地理产地——成都、杭州、桂林、苏州和咸宁采集的桂花var. thunbergii花朵，通过GC-MS分析其挥发性谱图，并利用PCA等多变量分析方法，发现地理产地导致了化学谱图的显著差异。

尽管近期研究已探讨了桂花的食用价值、功能成分、挥发性化合物、香气模拟、茶香气增强、干燥加工及分子调控等方面，但仍存在若干局限。首先，大多数研究集中于单一品种、单一产地或有限数量的桂花材料，缺乏来自多个产区的金桂和丹桂的系统对比。虽然已有研究采用多种分析技术对桂花挥发物进行了表征[12]、[33]，但整合不同挥发性组分、品种和地理产地的系统性比较仍较为有限。更重要的是，现有研究往往停留在定性鉴定和相对含量比较层面，而对香气强度、香气类型和食品应用适宜性的定量评估仍显不足。作为食品级原料，金桂和丹桂的香气质量不仅关系到品种鉴别，还直接影响茶、糕点、酒精饮料、糖浆及复合花果味产品的风味稳定性。因此，本研究采集了不同地理产区的金桂和丹桂样品，经冻干处理后，系统采用SDE-GC-MS、HS-SPME-GC-MS和HS-GC-IMS，并结合PCA、OPLS-DA、OAV和rOAV进行分析。具体研究目标如下：（i）比较SDE-GC-MS和HS-SPME-GC-MS在金桂和丹桂挥发性化合物定性检测方面的特征，鉴定共有和特有组分，阐明两种前处理方法的互补性；（ii）定量比较不同产地样品中萜类、醇类、醛类、酯类、酮类等挥发性组分的差异，揭示两个品种间的香气组成差异；（iii）利用PCA和OPLS-DA评估品种和产地相关的差异，筛选潜在差异化合物；（iv）采用HS-GC-IMS对小分子及高挥发性化合物进行补充分析，建立桂花顶空香气指纹图谱；（v）基于HS-SPME-GC-MS数据、气味阈值和多变量模型，建立香气强度指标（AII）和香气特征指标（ACI），以区分不同产地金桂和丹桂样品的香气强度和香气风格。本研究为阐明桂花芳香化合物、评价不同产地桂花质量、筛选食品级桂花原料，以及规范桂花在茶、糕点、酒精饮料、糖浆和复合花果味食品中的应用提供了理论依据和数据支持。

摘要片段

材料

本研究使用的样品为商业可得的干燥桂花，适用于食品应用，而非直接从田间采集的鲜花。因此，挥发性谱图代表加工产品经商业干燥工艺和储存条件稳定后的"终点"化学成分组成。实验材料经冻干后，在密封、避光、低温条件下储存直至分析。分析前，

SDE-GC-MS和HS-SPME-GC-MS检测VACs的定性比较

不同品种和地理产地的桂花挥发性芳香化合物通过SDE-GC-MS和HS-SPME-GC-MS方法获得的总离子流（TIC）色谱图叠加结果分别如图S1a和S1b所示。叠加图观察到保留时间和峰形一致，证实了不同进样和样品间色谱重现性良好。TIC叠加图表明，SDE-GC-MS和HS-SPME-GC-MS两种方法提供了互补的挥发性谱图，具有不同的化合物类别

结论

本研究开发了一种整合SDE-GC-MS、HS-SPME-GC-MS和HS-GC-IMS的多平台分析策略，用于中国五大产区冻干金桂和丹桂的香气分析。两种GC-MS方法共鉴定出233种挥发性化合物。SDE和HS-SPME表现出明显的互补性：SDE对可萃取性和中至高沸点挥发性物质的回收效率更高，而HS-SPME更能反映顶空释放的香气组成；

CRediT作者贡献声明

宋硕：写作——原稿撰写，验证，调查，数据整理。李江：写作——原稿撰写，验证，调查。赵瑞萱：写作——审阅与编辑，形式分析，概念构思。曹世娟：验证，调查。朱小兰：写作——审阅与编辑，资源获取，资金获取，概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究由中国烟草总公司江苏省商业公司科技基金资助（H202523）。

宋硕|李江|赵瑞萱|曹世娟|朱小兰