一种水果发育过程特征香气检测方法及系统

1.本发明涉及气体分析技术领域，更具体的说是涉及一种水果发育过程特征香气检测方法及系统。


背景技术：

2.水果风味是一种综合感受，组成水果风味的香气物质是以挥发性有机化合物(voc)的复杂混合物的方式存在，不仅取决于水果挥发性风味的种类，而且更加取决于挥发性成分的含量和阈值。一般而言，仅部分或少数挥发性化合物对水果风味有贡献，这些独特的风味物质即特征香气成分。尽管多数水果中已明确了许多voc，但这并不能完全阐明水果风味品质的特征香气以及达到快速定量的效果，一种voc对特征香气的贡献取决于该voc成分香气阈值及其浓度。
3.传统的方法是通过水果的色、香、味的不同进行判别，这种方法依赖于人们的经验，易受主观因素影响。为了能客观地对水果成熟度进行判断，近年来，采用水果香气指纹图谱对柠檬进行分类日益为人们所关注，目前常用技术有电子鼻法、气相色谱(gaschromatography，gc)和气相色谱-质谱联用技术(gaschromatog raphy-mass spectrometry，gc-ms)，近年来运用于水果产地、等级、年份等判别，但随着科学技术的进步，gc及gc-ms、电子鼻的分析方法也逐渐暴露出它们在水果香气分析中的局限性，如gc及gc-ms灵敏度低、检测速度慢、具有破坏性、预处理过程复杂、分析过程需要高温等问题，而电子鼻也存在的灵敏度低、稳定性差、不能检测到水果具体香气成分等问题，为克服这些局限性，开发和验证非破坏性和高度灵敏的水果香气检测方法，判断水果的成熟度，是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了一种水果发育过程特征香气检测方法及系统。
5.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种水果发育过程特征香气检测方法，包括以下步骤：
7.采集不同成熟度的水果样品；
8.获取所述水果样品的香气成分质谱数据；
9.对所述香气成分质谱数据进行主成分分析，建立特征质谱数据库；
10.基于所述特征质谱数据库，对质谱矩阵按照成熟度进行分区；
11.获取待测样品的香气成分质谱数据，将待测样品的香气成分质谱数据与所述质谱矩阵的分区结果进行比较，得到待测样品的成熟度。
12.可选的，所述质谱数据的获取方法为：
13.对样品产生的香气进行动态稀释；
14.将稀释后的样品香气使用ptr-tof-ms进行顶空进样分析，得到样品香气成分的质谱数据。
15.本发明还公开一种水果发育过程特征香气检测系统，包括依次连接的进样系统、ptr-tof-ms与处理器，其中进样系统同于对水果产生的香气进行动态稀释，ptr-tof-ms用于对稀释后的香气进行检测得到质谱数据，所述处理器用于对质谱数据进行数据分析。
16.可选的，所述进样系统包括载气瓶、过滤装置、总进气管、第一三通阀、第一支管、第二支管、第一流量计、第二流量计、样品瓶、第二三通阀、总出气管；
17.其中，载气瓶、过滤装置、总进气管依次连接，总进气管出气端通过第一三通阀分别连接第一支管、第二支管的进气端；第一支管的出气端连接第一流量计的进气端，第一流量计的出气端连接到样品瓶的进样口，样品瓶的出气口连接第二三通阀；第二支管的出气端连接第二流量计的进气端，第二流量计的出气端连接第二三通阀；第二三通阀与总出气管连接，总出气管的出气口与ptr-tof-ms的进气口连接。
18.可选的，在总进气管、第一支管、第二支管、总出气管的管路上均设置有单向气体流量控制阀。
19.通过上述进样系统的设置，以确保测试过程中减少空气中挥发性成分的干扰，并能实时动态控制样品的进样浓度，使ptr-tof-ms的分析结果更为准确。本发明进样系统能在线进行监测反应产物的定性和定量，单向气体流量控制阀的精度精确到10ml/min级别，并且能进行在线多级控制气流量，稀释倍数稳定在10-105范围内在线稀释。
20.可选的，样品瓶中设置有加热板和磁力搅拌器，可根据实验目的进行设置不同的实验参数。
21.可选的，所述过滤装置为活性炭。
22.可选的，载气瓶可配有两种不同类型载气，载气瓶中还可更换不同载气类别，为ptr-tof-ms在线反应测试提供极大便利。
23.可选的，ptr-tof-ms的分析条件设置为：漂移管电压550v，漂移管温度60℃，漂移管压力225pa，电场强度e/n124td，漂移管中气体流量40pa
×
m3/s，扫描范围为m/z13-500。
24.经由上述的技术方案可知，本发明公开提供了一种水果发育过程特征香气检测方法及系统，与现有技术相比，具有以下有益效果：
25.本发明首次利用ptr-tof-ms技术结合在线动态多级稀释系统，建立了一种水果发育过程特征香气检测方法及系统，其具有分析速度快、灵敏度高、准确性好、对样品无损等优点，能够对水果特征香气进行鉴别和定量，且样品无需预处理，并配有动态稀释系统，可在线多级稀释，为水果原材料的标准制定提供了新方法。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
27.图1为本发明的方法步骤示意图；
28.图2为本发明的系统结构示意图；
29.图3为本发明实施例中的进样系统结构示意图；
30.图4为本发明实施例中不同生长阶段柠檬典型质谱图；
31.图5为本发明实施例中不同生长阶段柠檬经pca分析的质谱矩阵分布图；
32.其中，1为载气瓶，2为过滤装置，3为总进气管，4为第一三通阀，5为第一支管，6为第一流量计，7为样品瓶，8为第二三通阀，9为第二支管，10为第二流量计，11为总出气管。
具体实施方式
33.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.质子转移反应-飞行时间质谱仪(protontransfer reaction-time of flightmass spectrometry，ptr-tof-ms)是近年来兴起的一种痕量挥发性有机物在线检测技术，同gc、gc-ms、电子鼻等其他检测技术相比，ptr-tof-ms具有检测时间短(秒量级)、检测灵敏度高(ppb级)、有机物电离为单一离子，极少碎片离子，易于质谱识别、绝对量测定，无需样品预处理、超高分辨率，可以区分分子量极其接近的化合物等优势。
35.本发明实施例公开了一种水果发育过程特征香气检测方法，参见图1，包括以下步骤：
36.步骤1、对于待检测的水果，首先采集其不同成熟度的水果样品；
37.步骤2、获取所述水果样品的香气成分质谱数据，包括各离子峰的质荷比及相应的质量峰强度；
38.步骤3、以各离子峰的质荷比的整数值为自变量，质量峰强度为因变量进行主成分分析，对所述质谱数据进行主成分分析，建立特征质谱数据库；
39.步骤4、基于所述特征质谱数据库，对质谱矩阵按照成熟度进行分区；
40.步骤5、获取待测样品的香气成分质谱数据，将待测样品的香气成分质谱数据与所述质谱矩阵的分区结果进行比较，得到待测样品的成熟度。
41.根据待测样品的香气成分质谱数据，再采用特定香气组分k值(即香气成分与水合氢离子的反应常数)计算特征香气的含量，从而确定待测样品的特征香气，以达到快速确认柠檬成熟度。
42.在具体实施例中，步骤2和步骤5中，质谱数据的获取方法为：
43.对样品产生的香气进行动态稀释；
44.将稀释后的样品香气使用ptr-tof-ms进行顶空进样分析，得到样品香气成分的质谱数据。
45.本发明实施例还公开一种水果发育过程特征香气检测系统，参见图2，包括依次连接的进样系统、ptr-tof-ms与处理器，其中进样系统同于对水果产生的香气进行动态稀释，ptr-tof-ms用于对稀释后的香气进行检测得到质谱数据，所述处理器用于对质谱数据进行数据分析，可以为中央处理器cpu，本发明对此不做限制。
46.参见图3，所述进样系统包括载气瓶1、过滤装置2、总进气管3、第一三通阀4、第一支管5、第二支管9、第一流量计6、第二流量计10、样品瓶7、第二三通阀8、总出气管11；
47.其中，载气瓶1、过滤装置2、总进气管3依次连接，总进气管3出气端通过第一三通阀4分别连接第一支管5、第二支管9的进气端；第一支管5的出气端连接第一流量计6的进气
端，第一流量计6的出气端连接到样品瓶7的进样口，样品瓶7的出气口连接第二三通阀8，用于样品的第一次稀释；第二支管9的出气端连接第二流量计10的进气端，第二流量计10的出气端连接第二三通阀8，用于样品的第二次系数；第二三通阀8与总出气管11连接，总出气管11的出气口与ptr-tof-ms的进气口连接。
48.在具体实施过程中，还可以在总进气管3、第一支管5、第二支管9、总出气管11的管路上均设置有单向气体流量控制阀，用以控制气体流向。
49.在具体实施例中，样品瓶7中还设置有加热板和磁力搅拌器，可根据实验目的进行设置不同的实验参数。
50.可选的，所述过滤装置2为活性炭。
51.可选的，载气瓶1可配有两种不同类型载气，载气瓶1中还可更换不同载气类别，例如氮气等，为ptr-tof-ms在线反应测试提供极大便利。
52.可选的，ptr-tof-ms的分析条件设置为：漂移管电压550v，漂移管温度60℃，漂移管压力225pa，电场强度e/n124td，漂移管中气体流量40pa
×
m3/s，扫描范围为m/z13-500。
53.下面以具体实验，说明本发明技术方案的实施过程以及效果：
54.准确称取10g的柠檬样品，于样品瓶7中，在室温平衡5min，使样品瓶7上部香气挥发物保持平衡后，利用进样系统将特定流速的氮气把柠檬挥发性气体稀释后送至ptr-tof-ms仪器进行检测。柠檬样品采集2021年春花果，分别为安岳柠檬小果、中果、较大果和大果，编号为：60d、90d、135d、180d。ptr-tof-ms使用的是质子转移反应飞行时间质谱(ptr-tof-ms1000)(奥地利ionicon有限公司)。
55.设置仪器条件：ptr-tof-ms的漂移管电压550v，漂移管温度60℃，漂移管压力225pa，电场强度e/n124td，漂移管中气体流量40pa
×
m3/s，扫描范围为m/z15-500。每个样品以每秒一张全谱图的采集速率测量30秒。每个样品3次平行，取稳定的50次扫描质谱数据进行求总和，得到样品50个循环挥发出的总量。扣除空白值即得到ptr-tof-ms的质谱数据。
56.柠檬样品直接顶空进样分析得到的数据集减去空白样品瓶7的数据集后，共检测得到179个质量峰，范围在m/z15-179内。在消除干扰离子(o
2+
，no
+
和水族离子)及其同位素之后，对剩余的质量峰进行进一步分析和初步识别，结合前期gc-ms基础研究确定柠檬的特征香气组分。
57.采用spss 21.0软件(ibm spss statistics)进行方差分析，计算不同生长阶段柠檬香气差异。运用chemmind pattern 2019进行主成分分析(principal component analysis，pca)。
58.在gc-ms分析柠檬挥发性成分的基础上，确定安岳柠檬中特征香气为芳樟醇、柠檬醛、壬醛、辛醛以及乙酸香叶酯，由于柠檬中芳樟醇、柠檬醛、壬醛以及乙酸香叶酯的含量较小，但是香气阈值非常小，通过传统的gc-ms需要复杂的香气富集过程，使得实验耗时且定量不准，而ptr-tof-ms具有在线快速、灵敏度分辨率高的特点，对柠檬特征香气进行快速定量，对原料标准的快速建立具有很大优势。
59.结果见表1的柠檬中特征香气定量结果、图4中不同生长阶段柠檬质谱图和图5中的质谱矩阵分布图，图5中pca主成分分析结果显示，主成分1和主成分2的贡献值接近76％以上，说明主成分1和主成分2可以解析柠檬中76％以上的特征信息。通过pca主成分分布图可以看出，90d和135d点较为接近，说明这两阶段样品的香气差异不大，而60d和180d点分布
较远，说明两者风味差异较大，可见根据质谱分区确定柠檬成熟度，其准确率是可靠的。
60.表1
[0061][0062]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0063]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。